數(shù)字功率表設(shè)計(jì).doc

本課畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 功率表的設(shè)計(jì)與制作摘要近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)在社會(huì)領(lǐng)域的滲透, 單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地走向深入。在實(shí)時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)控制的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)往往是作為一個(gè)核心部件來(lái)使用。本論文詳細(xì)的闡述了功率測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和具體設(shè)計(jì)步驟。依據(jù)單片機(jī)的接口技術(shù)的原理，以測(cè)量功率為主要設(shè)計(jì)意圖。以單片機(jī)為核心，著重的介紹了51單片機(jī)在系統(tǒng)中的重要地位，以及其外圍硬件電路的芯片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、功能和管腳知識(shí)。集測(cè)量、顯示等功能于一體，設(shè)計(jì)完整、結(jié)構(gòu)清晰、操作簡(jiǎn)單。在本設(shè)計(jì)中，是采用對(duì)電路中電壓和電流分別進(jìn)行采樣，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809，將模擬量變?yōu)閷?duì)應(yīng)的數(shù)字量，利用6合一的數(shù)碼管顯示電壓和功率。本文詳細(xì)論述了硬件電路的組成。利用單片機(jī)完成整個(gè)測(cè)量電路的測(cè)試控制、數(shù)據(jù)處理和顯示輸出。關(guān)鍵詞 單片機(jī) 模數(shù)轉(zhuǎn)換 功率表 采樣正文1 引言 近年來(lái)，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的飛度發(fā)展，給電力系統(tǒng)測(cè)量也帶來(lái)了巨大的革命。提高電能測(cè)量技術(shù)-改機(jī)械式功率表為智能型數(shù)字功率表已成為時(shí)代的要求。電力測(cè)量系統(tǒng)的智能型數(shù)字表通常是以單片機(jī)為核心，配置一定的外圍電路和軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能。在軟件和硬件的設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的抗干擾性和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確度成了解決數(shù)字表的關(guān)鍵所在。單片機(jī)具有成本低、可靠性高、應(yīng)用靈活的特點(diǎn)。由各具體行業(yè)的業(yè)內(nèi)人士使用單片機(jī)來(lái)開(kāi)發(fā)或改造一般儀表是一條可行的道路。在電工與電子技術(shù)應(yīng)用中,經(jīng)常要測(cè)量功率。它是利用通有電流的可動(dòng)線圈在另一個(gè)通電線圈形成的磁場(chǎng)中產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩而工作的儀表,其顯著缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、過(guò)載能力較差，本身消耗功率較大,且易受外磁場(chǎng)的影響，同時(shí)這樣的功率表一般都是多量程的，在測(cè)量過(guò)程中需有電壓表和電流表配合選定電壓和電流量程，在選擇不同的電壓和電流量程時(shí)，刻度盤上每一分格代表不同的瓦特?cái)?shù)，讀得格數(shù)需要進(jìn)行換算才能得出所要測(cè)量的功率,致使測(cè)量很不方便。另外在功率測(cè)量中，經(jīng)常遇到被測(cè)電路的功率因數(shù)很低的情況,這時(shí)必須采用專門的低功率因數(shù)功率表。基于功率表是電工儀表中最常用的一種儀表，目前常用的是指針式電動(dòng)系功率表。而為了更為精確的顯示測(cè)量結(jié)果，數(shù)字功率表的設(shè)計(jì)成為了必然。在本設(shè)計(jì)方案中，采用的方案是先采樣電壓和電流。采樣計(jì)算功率電能測(cè)量技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的，它是建立在數(shù)值分析基礎(chǔ)上，通過(guò)快速S/H 放大器和A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì)連續(xù)變化的模擬信號(hào)進(jìn)行離散化，用數(shù)字量運(yùn)算代替模擬量運(yùn)算測(cè)量交流電參量的新方法。經(jīng)過(guò)二十多年的探索發(fā)展和深入研究，出現(xiàn)了同步采樣算法、準(zhǔn)同步采樣算法、非同步采樣算法、加窗函數(shù)法、補(bǔ)償法、雙速率采樣法、非均勻采樣法、隨機(jī)采樣法、模擬數(shù)字混合采樣法、小波函數(shù)法等等。這些采樣測(cè)量方法在實(shí)踐中，有的發(fā)展得較為完善成熟，有的正處在發(fā)展和探索階段。但是，采樣測(cè)量理論在電功率電能測(cè)量?jī)x器儀表及相關(guān)設(shè)備的發(fā)展與應(yīng)用中，已起到舉足輕重的作用，是電氣測(cè)量當(dāng)前發(fā)展的一個(gè)重要方向。采樣測(cè)量法的研究歷史和發(fā)展現(xiàn)狀采樣測(cè)量法，也稱作數(shù)字采樣測(cè)(Digital Sampling Measurement)英文簡(jiǎn)稱DSM法，它是七十年代初誕生的。1974 年，當(dāng)時(shí)美國(guó)NBS（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局）的R.S.Turgel博士首次將計(jì)算機(jī)數(shù)字采樣技術(shù)應(yīng)用于電功率測(cè)量，應(yīng)用數(shù)值積分的方法計(jì)算測(cè)量功率。R.S.Turgel根據(jù)此原理研制了第一臺(tái)DSM數(shù)字功率表。由于R.S.Turgel采樣方法采用了鎖相倍頻跟蹤信號(hào)技術(shù)，能對(duì)被測(cè)信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行整數(shù)分割采樣，使采樣周期與信號(hào)周期完全同步，所以，R.S.Turgel使用的鎖相信號(hào)倍頻采樣方法被稱作同步采樣法SSM (Synchronus Sampling Measurement)。 功率表在頻率從DC 到1KHz的范圍內(nèi)與NBS的電動(dòng)式功率標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果兩種測(cè)量方法的不一致性小于0.02%。1975年，英國(guó)NPL（國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室）應(yīng)用DDM技術(shù)設(shè)計(jì)了采樣式數(shù)字功率表，并作為傳遞功率的標(biāo)準(zhǔn)。在SSM 方法的發(fā)展中，英國(guó)Hull大學(xué)的John J. Hill與NEI電力公司的W.E.Alderson提出了軟件鎖相倍頻的SSM 方法，并研制了頻率范圍到1KHz、準(zhǔn)確0.5%的功率表，兩位學(xué)者指出SSM方法在電力系統(tǒng)監(jiān)控與電機(jī)保護(hù)等領(lǐng)域中，將有相當(dāng)大的實(shí)際意義。在英國(guó)DSM功率測(cè)量技術(shù)與儀表的發(fā)展中，C.H.DIX起了重要作用，C.H.DIX于1982年發(fā)表論文，首次闡明SSM功率測(cè)量方法在正弦信號(hào)和非正弦信號(hào)情況下的誤差問(wèn)題，并指出，在正弦周期信號(hào)下，采樣點(diǎn)為n，在被測(cè)信號(hào)m個(gè)周期采樣，只要2m/n不為整數(shù)，則功率測(cè)量誤差為零。盡管當(dāng)時(shí)對(duì)DSM誤差的研究是簡(jiǎn)單的，但這標(biāo)志著對(duì)DSM功率測(cè)量方法研究向前一個(gè)跨越式發(fā)展。八十年代是DSM功率測(cè)量方法發(fā)展最快的時(shí)期。1982年，美國(guó)通用電機(jī)研究室(General Motors Research Laboratories)的DSM采用M.F.Matouka方法設(shè)計(jì)了數(shù)字功率電能表，并且用于電氣汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的測(cè)試和交流電機(jī)的測(cè)試中，取得了成功。近二十多年來(lái),電能的測(cè)量和管理發(fā)展很快,逐漸成為一個(gè)專門的領(lǐng)域,但是由于電能測(cè)量較電壓、電流等的測(cè)量復(fù)雜和困難,故測(cè)量的準(zhǔn)確度低,通常的測(cè)量?jī)x器為210級(jí),015級(jí)就已是標(biāo)準(zhǔn)儀器了。實(shí)現(xiàn)功率測(cè)量必須有一個(gè)能將兩輸入電量相乘的電路結(jié)構(gòu),目前數(shù)字功率表大多使用稱為時(shí)間分隔乘法器的一種模擬乘法電路來(lái)實(shí)現(xiàn)相乘。時(shí)間分隔乘法器又稱脈沖寬度高度調(diào)制乘法器,它通常具有優(yōu)良的靜態(tài)精度,在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)可以達(dá)到千分之一,然而,由于這種乘法器輸出濾波器的固有相移,使之受到嚴(yán)重的動(dòng)態(tài)限制. 即使三角波的頻率達(dá)到兆赫茲范圍,乘法器的帶寬仍然很有限,典型- 3 dB 帶寬可能在1 KHz 以下。 另外,時(shí)間分隔乘法器的電路比較復(fù)雜,調(diào)整也較繁瑣,盡管如此,在靜態(tài)精度要求較高的場(chǎng)合,這種方法還是經(jīng)常采用的。隨著微機(jī)的普及和發(fā)展,出現(xiàn)了應(yīng)用微處理器進(jìn)行數(shù)字乘法運(yùn)算的新型功率表采樣功率表。 1.1 功率表的定義功率的定義是在單位時(shí)間內(nèi)所做的功。電學(xué)上的定義為。單位為W，這稱為平均功率或有效功率。角度為I和E之間的相位角，稱為功率因素。在直流電路中，功率的表示式為P=UI；在交流電路中，功率的表示式為。很顯然，要利用一個(gè)裝置來(lái)測(cè)量功率，就須反映電壓和電流的乘積，這無(wú)論用電動(dòng)學(xué)測(cè)量機(jī)械儀表或數(shù)字測(cè)量?jī)x表均可完成。目前使用最多的前者由于其準(zhǔn)確度不高，儀表的讀數(shù)易受外磁場(chǎng)的影響、儀表本身耗功大、過(guò)載能力小、表盤刻度不均勻，已不能完全適應(yīng)人們快速有效的工作生活節(jié)奏；隨著科技業(yè)飛速發(fā)展，數(shù)字功率表由于精度高、頻帶寬，不僅可以用于校準(zhǔn)指針式功率表，也適合在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行功率的快速測(cè)量。在今天的數(shù)字時(shí)代，其應(yīng)用前景是非常廣闊的。 1.2 功率的數(shù)字測(cè)量 用功率轉(zhuǎn)換器與數(shù)字電壓表相配就可以實(shí)現(xiàn)功率的數(shù)字測(cè)量。功率轉(zhuǎn)換器實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)電子乘法器，其特點(diǎn)是它的輸出電壓的大小正比于它的兩個(gè)輸入電壓數(shù)值的積。因此，如果讓一個(gè)輸入電壓正比于負(fù)載電壓的大小，而另一個(gè)輸入電壓正比于負(fù)載電流的大小，則電子乘法器的輸出電壓，顯然正比于負(fù)載所消耗的功率。再用數(shù)字電壓表測(cè)量這個(gè)乘法器的輸出電壓就可以確定被測(cè)功率。當(dāng)數(shù)字電壓表顯示值按功率接校準(zhǔn)時(shí)，也就構(gòu)成了數(shù)字功率表。1.3功率測(cè)量方案論證與比較方案一、測(cè)量模擬電壓用伏頻（V/F）轉(zhuǎn)換器，可將相應(yīng)的電壓轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的頻率，提高測(cè)量的精確度，對(duì)應(yīng)比例為1mV/Hz。用該方案求功率，也是要分時(shí)取電壓電流的模擬量，再轉(zhuǎn)換為頻率，最后用軟件處理，實(shí)現(xiàn)功率測(cè)量。專用的V/F轉(zhuǎn)換器有AD650、AD654等。方案二、利用采樣電路分別對(duì)電壓和電流進(jìn)行采樣，將電流轉(zhuǎn)換成電壓，再經(jīng)乘法電路將兩路電壓相乘，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模擬量變?yōu)閷?duì)應(yīng)的數(shù)字量，若要使測(cè)量的精度盡量高，可多次采樣幾組數(shù)據(jù)，然后再在程序中處理，求出平均值。原理框圖如圖1所示：方案三、可利用專門的IC來(lái)實(shí)現(xiàn)，如AD534芯片，該芯片既可采樣電壓，又可采樣電流，并將相應(yīng)的模擬電壓，電流轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，再將轉(zhuǎn)換后的電壓，電流相乘，便可得到所求功率。功能描述：輸入電由三個(gè)相同的電壓轉(zhuǎn)換電流的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為不同的電流，功能框圖如圖2所示：圖2 功能框圖轉(zhuǎn)換功能框圖如圖3： 圖3 轉(zhuǎn)換功能框圖方案四、采用鎖相環(huán)技術(shù)測(cè)量功率。鎖相就是相位同步的自動(dòng)控制，完成兩個(gè)電信號(hào)相位同步自動(dòng)控制系統(tǒng)稱為鎖相環(huán)（簡(jiǎn)稱PLL）。因測(cè)量功率的兩個(gè)參數(shù)電流、電壓的獲取不是同時(shí)采樣的，故需要利用鎖相環(huán)技術(shù)測(cè)量功率。由下圖可見(jiàn)，鎖相環(huán)由3個(gè)基本單元構(gòu)成：相位比較器PC、電壓控制震蕩器VCO、低通濾波器LPF。 施加于相位比較器有兩個(gè)信號(hào)：輸入信號(hào)，壓控震蕩器輸出信號(hào)，相位比較器輸出信號(hào)，經(jīng)低通濾波器后得到一個(gè)平均電壓，這個(gè)電壓控制震蕩器的頻率變化，使輸入與輸出信號(hào)的頻率之差減小，直到差值為零，此時(shí)即是鎖定。當(dāng)鎖定后，VCO能使其輸出信號(hào)的頻率跟隨輸入信號(hào)頻率變化。利用鎖相技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在電網(wǎng)電壓及電流波形發(fā)生畸變時(shí)進(jìn)行同步跟蹤采樣。每個(gè)周波的采樣點(diǎn)數(shù)可PC LPFVCOuc(t)us(t)u0 (t)ud(t)根據(jù)需要選擇。 圖4 轉(zhuǎn)換功能框圖方案五、利用采樣電路分別對(duì)電壓和電流進(jìn)行采樣，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模擬量變?yōu)閷?duì)應(yīng)的數(shù)字量，再經(jīng)處理器處理數(shù)字量，若要使測(cè)量的精度盡量高，可多次采樣幾組數(shù)據(jù)，然后再在程序中處理，求出平均值。原理框圖如圖1所示：電壓采樣電流采樣AD轉(zhuǎn)換AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理（乘法 運(yùn)算）輸出結(jié)果圖5 轉(zhuǎn)換功能框圖2 采樣功率表的基本原理功率若以U ( t) 和I ( t) 分別表示信號(hào)的電壓和電流,則在測(cè)量時(shí)間T 期間內(nèi)( T 通常為周期信號(hào)周期的整數(shù)倍) 信號(hào)的平均為: (2-1)若對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣,得到離散的時(shí)間序列U ( k) 和I ( k) ,則信號(hào)的平均功率可以表示為: (2-2)其中N 為時(shí)間T 內(nèi)采樣的對(duì)數(shù)。從上述原理出發(fā),組成采樣功率表的框圖如圖5所示: 圖5 功率表的原理框圖顯然,數(shù)字乘法和數(shù)字累加可以由微處理機(jī)來(lái)完成,若使用普通的微處理機(jī)芯片如Z80 、8031 等組成功率表,外圍電路至少要二路高速A/ D 轉(zhuǎn)換器和二路周期測(cè)量機(jī)構(gòu),電路是比較復(fù)雜的。隨著集成電路的發(fā)展,目前出現(xiàn)了一些高性能的微處理芯片,如計(jì)算功能較強(qiáng)的16 位嵌入式控制器8097 ,它有八路轉(zhuǎn)換時(shí)間為22s 的10 bitA/ D 轉(zhuǎn)換器,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓和電流信號(hào)的采樣保持和A/ D 變換;四路高速輸入(HSI) 通道可以用來(lái)測(cè)量電壓和電流信號(hào)的周期和相位等。若8097 實(shí)現(xiàn)采樣功率表,則模擬電路部分只需要用于電壓匹配的放大器和用于頻率和相位測(cè)量的整形電路就可以了,實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常簡(jiǎn)單。3 主要芯片的介紹3.1 A/D 轉(zhuǎn)換芯片ADC0809的結(jié)構(gòu)ADC0809是8位A/D轉(zhuǎn)換芯片，它是采用逐次逼近的方法完成A/D轉(zhuǎn)換的，ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。ADC0809由單一的+5V電源供電；片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬開(kāi)關(guān)，可對(duì)8路0-5V的輸入模擬電壓信號(hào)分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，完成一次轉(zhuǎn)換約為100us；片內(nèi)具有多路開(kāi)關(guān)的地址譯碼器和鎖存電路、高阻抗斬波器、穩(wěn)定的比較器，256R電阻T型網(wǎng)絡(luò)和樹(shù)狀電子開(kāi)關(guān)以及逐次逼近寄存器。輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接接到單片機(jī)數(shù)據(jù)總線上；通過(guò)適當(dāng)?shù)耐饨?、電路，ADC0809可對(duì)0-5V的雙極性模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 圖6 ADC0809的引腳圖ADC0809是28腳雙直插式封裝，引腳圖如圖6所示。各引腳功能如下：D7-D0：8位數(shù)字量輸出腳。IN0-IN7：8路模擬量輸入引腳。VCC：+5V工作電壓。GND：地。REF（+）：參考電壓正端。REF（-）：參考電壓負(fù)端。START：A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)輸入端。ALE：地址鎖存信號(hào)輸入端（以上START、ALE兩信號(hào)用于A/D轉(zhuǎn)換）。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出引腳，開(kāi)始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電平。OE： 輸出允許控制端，用以打開(kāi)三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。CLK：時(shí)鐘信號(hào)輸入端。A、B、C：地址輸入線，經(jīng)譯碼后可選通IN0-IN7八通道中的一個(gè)通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。3.2 A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809的轉(zhuǎn)換通道選通表表1 ADC0809的轉(zhuǎn)換通道選通表CBA選擇的通道000IN 0001IN 1010IN 2011IN 3100IN 4101IN 5110IN 6111IN 73.3 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809的時(shí)序圖 圖7 ADC0809的時(shí)序圖4 硬件電路4.1 組成原理電路的主要器件電路由一塊AT89C51單片機(jī)集成芯片、一塊模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809芯片、一塊運(yùn)放集成芯片LM324、一個(gè)74系列芯片74LS138譯碼器、一塊或非門集成芯片74LS02、一塊非門集成芯片4069、一個(gè)6合一共陰極數(shù)碼管，一精密可調(diào)電阻等器件組成。4.2電壓、電流采集電路模塊電壓、電流采集電路模塊，該電路的測(cè)量電壓是由可調(diào)電阻的滑動(dòng)端直接輸入到ADC0809的0輸入通道IN0口。電流的測(cè)量：是在測(cè)量電路中串接一個(gè)1歐姆的電阻，然后再把電阻的高電位端接到運(yùn)放的輸入端，以將電壓放大，再送入ADC0809的1輸入通道IN1口； 圖8 電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的衰減測(cè)量如圖8 通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電壓衰減測(cè)量的輸入阻抗約為R =R1+ R2 +R3 +R4 。S1 至S4 單獨(dú)合上時(shí)，Vout 的大小分別為：S1 單獨(dú)合上： Vout=Vin*1S2 單獨(dú)合上： Vout=Vin*(R2+R3+R4)/(R1+R2+R3+R4)S3 單獨(dú)合上： Vout=Vin*(R3+R4)/(R1+R2+R3+R4)S4 單獨(dú)合上： Vout=Vin*(R4)/(R1+R2+R3+R4)選擇R1R2R3R4， 由式中可以看出Vout 在一定范圍時(shí)，電阻網(wǎng)絡(luò)衰減程度越大，其可輸入電壓Vin范圍越大。只要把R1、 R2、 R3、 R4 的參數(shù)選好，然后由S1、 S2、 S3、 S4、 選擇測(cè)量電壓輸出端，即完成量程選擇。例如：表頭DVM 輸入電壓為0 5 伏（設(shè)DVM 輸入阻抗無(wú)窮大），要求測(cè)量電壓量程有5V， 50V ，100V，250V 檔，輸入電阻1M歐， 則有：R4= 5 1000000 250= 20000= 20KR3= 5 1000000 100 -R4= 50K- 20K = 30KR2= 5 1000000 50 -R4 -R3= 100K- 20K- 30K= 50KR1= 1000000- R4- R3- R2= 1000K- 20K- 30K- 50K= 900K 在對(duì)電流的檢測(cè)方面，由于電流量本來(lái)比較小，所以測(cè)量到的1歐姆的電阻上電壓量也比較小，直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換會(huì)造成比較大的誤差，需要對(duì)測(cè)量到的電壓量進(jìn)行放大之后再送到A/D轉(zhuǎn)換的ADC0809芯片處理，本設(shè)計(jì)中使用的的是LM324運(yùn)算放大器組成反相交流放大器。 LM324 四運(yùn)算集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，是價(jià)格便宜的帶差動(dòng)輸入功能的四運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。可工作在單電源下，電壓范圍是3.0V-32V或+16V。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列順序見(jiàn) 圖 9。a 一組運(yùn)算放大器圖 b LM324芯片引腳圖 圖 9 LM324管腳圖LM324的特點(diǎn)有：1.短跑保護(hù)輸出2.真差動(dòng)輸入級(jí)3.可單電源工作：3V-32V4.低偏置電流：最大100nA（LM324A）5.每封裝含四個(gè)運(yùn)算放大器。6.具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ堋?.共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源 8.行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列9.輸入端具有靜電保護(hù)功能反相交流放大器可代替晶體管進(jìn)行交流放大，電路無(wú)需調(diào)試。放大器采用單電源供電，由R1、R2 組成1/2V+偏置，C1 是消振電容。放大器電壓放大倍數(shù)Av 僅由外接電阻Ri、Rf 決定：Av=-Rf/Ri。負(fù)號(hào)表示輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相位相反。按圖中所給數(shù)值，Av=-10。此電路輸入電阻為Ri。一般情況下先取Ri 與信號(hào)源內(nèi)阻相等，然后根據(jù)要求的放大倍數(shù)在選定Rf。Co 和Ci 為耦合電容。由LM324組成的基本的反相交流放大電路如圖 10所示 圖10 LM324作反相放大器4.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模塊采集到的電壓信號(hào)送到ADC0809芯片的IN-0口，處理后的電流信號(hào)送到IN-1口 ，由MCU AT89C51送選通信號(hào)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換后把轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量再送到主芯片中去進(jìn)行處理，得到功率值，最后把需要的數(shù)字量用數(shù)碼管顯示出來(lái)，如圖11。 圖11 ADC0809 A/D轉(zhuǎn)換芯片4.4單片機(jī)處理電路和數(shù)碼管顯示電路由于需要由數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)很多，如果用AT89C51的輸出端口對(duì)數(shù)碼管一個(gè)一個(gè)進(jìn)行控制靜態(tài)顯示的話，芯片的端口明顯不夠，所以使用LED動(dòng)態(tài)掃描顯示以節(jié)約單片機(jī)的輸出端口并且使電路更簡(jiǎn)潔。本設(shè)計(jì)中選用的是單片機(jī)的P0口作數(shù)碼管的顯示輸出，P2口作為對(duì)數(shù)碼管的選通如圖13。如圖12所示為八段LED顯示器的結(jié)構(gòu)示意圖，從圖中可以看出，一個(gè)八段LED由8個(gè)發(fā)光二極管組成。其中7個(gè)長(zhǎng)條形的發(fā)光管排列成“日”字形，另一個(gè)小圓點(diǎn)形的發(fā)光管在顯示器的右下角作為顯示小數(shù)點(diǎn)用。圖12 數(shù)碼管各段名稱數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開(kāi)，該位就顯示出字形，沒(méi)有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。通過(guò)分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過(guò)程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為12ms，由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。 圖13 AT89C51及數(shù)碼干顯示電路 5 所需工具軟件5.1 Keil C51開(kāi)發(fā)系統(tǒng)基本知識(shí) Keil C51是美國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。用過(guò)匯編語(yǔ)言后再使用C來(lái)開(kāi)發(fā)，體會(huì)更加深刻。Keil C51軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。L51是Keil C51軟件包提供的連接/定位器，其功能是將編譯生成的OBJ文件與庫(kù)文件連接定位生成絕對(duì)目標(biāo)文件(.ABS)，源程序的多個(gè)模塊分別經(jīng)C51與A51編譯后生成多個(gè)OBJ文件，連接時(shí)，這些文件全列于目標(biāo)文件列表中，作為輸入文件，如果還需與庫(kù)文件(.LiB)相連接，則庫(kù)文件也必須列在其后。outputfile為輸文件名，缺少時(shí)為第一模塊名，后綴為.ABS。連接控制指令提供了連接定位時(shí)的所有控制功能。Commandfile為連接控制文件，其具體內(nèi)容是包括了目標(biāo)文件列表，庫(kù)文件列表及輸出文件、連接控制命令，以取代第一種繁瑣的格式，由于目標(biāo)模塊庫(kù)文件大多不止1個(gè)，因而第2種方法較多見(jiàn)，這個(gè)文件名字也可由使用者隨意指定。 圖14為C51工具包的整體結(jié)構(gòu)，uVision2是keil c的Windows集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個(gè)開(kāi)發(fā)流程。開(kāi)發(fā)人員可用IDE本身或其它編輯器編輯C或匯編源文件；然后分別由C51或A51編譯器編譯生成目標(biāo)文件(.OBJ)；目標(biāo)文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫(kù)文件，也可以與庫(kù)文件一起經(jīng)L51連接定位生成絕對(duì)目標(biāo)文件(.ABS)；ABS文件由OH51轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的Hex文件，以供調(diào)試器dScope51使用進(jìn)行源代碼級(jí)調(diào)試，也可由仿真器使用直接對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試，也可以直接寫(xiě)入程序存貯器如EPROM中。21圖14 C51工具包整體結(jié)構(gòu)圖5.2 仿真軟件proteus軟件介紹Proteus軟件是來(lái)自英國(guó)Labcenter electronics公司的EDA工具軟件。 Proteus軟件有十多年的歷史，在全球廣泛使用，除了其具有和其它EDA工具一樣的原理布圖、PCB自動(dòng)或人工布線及電路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的電路仿真是互動(dòng)的，針對(duì)微處理器的應(yīng)用，還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，并實(shí)現(xiàn)軟件源碼級(jí)的實(shí)時(shí)調(diào)試，如有顯示及輸出，還能看到運(yùn)行后輸入輸出的效果，配合系統(tǒng)配置的虛擬儀器如示波器、邏輯分析儀等，您不需要?jiǎng)e的，Proteus為您建立了完備的電子設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)境！尤其重要的是Proteus Lite Proteus專業(yè)版也非常便宜，人人用得起，對(duì)高校還有更多優(yōu)惠。 Proteus組合了高級(jí)原理布圖、混合模式SPICE仿真,PCB設(shè)計(jì)以及自動(dòng)布線來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的電子設(shè)計(jì)系統(tǒng)。此系統(tǒng)受益于15年來(lái)的持續(xù)開(kāi)發(fā),被電子世界在其對(duì)PCB設(shè)計(jì)系統(tǒng)的比較文章中評(píng)為最好產(chǎn)品“The Route to PCB CAD”。Proteus 產(chǎn)品系列也包含了我們革命性的VSM技術(shù),用戶可以對(duì)基于微控制器的設(shè)計(jì)連同所有的周圍電子器件一起仿真。用戶甚至可以實(shí)時(shí)采用諸如LED/LCD、鍵盤、RS232終端等動(dòng)態(tài)外設(shè)模型來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行交互仿真。可以完全免費(fèi)，也可以花微不足道的費(fèi)用注冊(cè)達(dá)到更好的效果；功能最強(qiáng)的。6 程序流程圖 圖15 整個(gè)程序流程圖7軟件設(shè)計(jì)7.1主程序主程序主要完成系統(tǒng)硬件電路的初始化, 設(shè)置堆棧指針, 定時(shí)器工作方式0, 外部中斷方式0, 電壓、電流值的獲取,功率值實(shí)現(xiàn)處理子程序。7.2中斷處理子程序中斷處理子程序有外部中斷INT0 處理子程序和定時(shí)器T0處理子程序。外部中斷INT0處理子程序用于檢測(cè)A/D 轉(zhuǎn)換是否結(jié)束, 定時(shí)器T0處理子程序是產(chǎn)生時(shí)間溢出中斷。7.3 開(kāi)機(jī)初始化本模塊對(duì)有關(guān)的硬件進(jìn)行初始化,如顯示器的設(shè)置,AT89S51內(nèi)部各個(gè)功能部件的設(shè)置,同時(shí)還應(yīng)對(duì)程序變量進(jìn)行設(shè)置.7.4 時(shí)分采樣先測(cè)量電壓值，然后再測(cè)出電流值，為了使測(cè)量值精度高,采用每10M秒測(cè)量一次,測(cè)量速度受微處理芯片限制。測(cè)量定時(shí)器采用芯片內(nèi)部軟件定時(shí)器,軟件定時(shí)器每10 ms 中斷一次,系統(tǒng)時(shí)鐘也由它產(chǎn)生,它還可以做定時(shí)器T0溢出標(biāo)志清除使用。7.5 測(cè)量U( k) 和I( k) 本模塊由信號(hào)的周期和A/ D 的轉(zhuǎn)換時(shí)間計(jì)算出在信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)A/ D 采樣對(duì)數(shù)(N) ,然后對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣,邊采樣邊計(jì)算。值得注意的是:8097 的A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間要大于22s。由于ADC0809八路A/ D 轉(zhuǎn)換器不能同時(shí)采樣,因此采樣后的電壓序列和電流序列有一個(gè)微小的相位差,然后當(dāng)信號(hào)頻率小于100 Hz 時(shí)且測(cè)量精度為015 級(jí)時(shí),它不會(huì)造成很大影響。207.6 計(jì)算參數(shù)即計(jì)算電壓、電流、功率. 方法如下:電壓值: (7-1)電流值: (7-2) 平均功率: 8提高精確度8.1 硬件處理因ADC0809的測(cè)量電壓范圍為0-5V,即它的測(cè)量電壓范圍很小，故所測(cè)量的功率值也自然很小，在調(diào)負(fù)載電阻時(shí)，所調(diào)的阻值幅度不能偏大，若電壓變化幅度過(guò)大，則將導(dǎo)致所得的功率值誤差偏大，因此，可調(diào)電阻應(yīng)用精密可調(diào)電阻，不能用粗調(diào)電阻。8.2 軟件抗干擾在硬件采取抗干擾措施的同時(shí),在軟件編寫(xiě)時(shí)也使用了一些減少干擾作用的方法。如采用加空指令、收留井、時(shí)間冗余、信息冗余等措施,將重要的變量及數(shù)據(jù)進(jìn)行多個(gè)備份,一旦微機(jī)系統(tǒng)受干擾,數(shù)據(jù)被意外改寫(xiě),利用容錯(cuò)原理軟件在一定程度上可以使其恢復(fù)。9 設(shè)計(jì)擴(kuò)展本設(shè)計(jì)的功率測(cè)量范圍小，若要測(cè)量較大的功率，需對(duì)采樣電壓作不同的區(qū)域處理，可采用多擋開(kāi)關(guān)，分別由不同的電壓比較器，對(duì)輸入電路的電壓進(jìn)行分級(jí)，再將超出電0809的工作電壓5V的電壓作適當(dāng)?shù)慕祲禾幚恚固幚砗蟮碾妷捍笮≡?-5V內(nèi)，同時(shí)也將電流進(jìn)行硬件處理，使之轉(zhuǎn)換的電壓也在0-5V內(nèi)，最終在程序中作算法處理，求出功率。 結(jié)論本設(shè)計(jì)我已基本完成了硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件程序的編譯及仿真調(diào)試，但仍有不足之處，由于時(shí)間倉(cāng)促以及缺乏經(jīng)驗(yàn)，故無(wú)法在規(guī)定期完成設(shè)計(jì)的全部功能。但是從中我學(xué)到了很多東西。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代社會(huì)已步入信息時(shí)代，并在向數(shù)字化的方向發(fā)展，理所當(dāng)然，功率表的研究與制作也在不斷地追求完美。目前，在功率電能測(cè)量方法普遍應(yīng)用的情況下，系統(tǒng)地、全面地和深入地研究數(shù)字采樣法（DSM的原理誤差和儀器誤差已經(jīng)越來(lái)越重要。從過(guò)去的研究成果看，DSM的理論分析研究解決了功率測(cè)量誤差一些基本問(wèn)題。但是，理論分析卻很難解決DSM功率測(cè)量的儀器誤差。因此，仿真研究將為解決DSM功率測(cè)量的儀器誤差提供新途徑。用仿真方法研究DSM功率測(cè)量誤差，關(guān)鍵有兩點(diǎn)：第一是建立DSM功率測(cè)量的數(shù)學(xué)模型；第二是建立誤差分析的仿真模型。通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值分析，可對(duì)影響DSM測(cè)量原理的各種誤差進(jìn)行定量的估計(jì)，分析的結(jié)論將為DSM功率測(cè)量產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析和生產(chǎn)提供依據(jù)，對(duì)促進(jìn)我國(guó)DSM功率測(cè)量?jī)x表和設(shè)備進(jìn)步將起到積極的作用。本次數(shù)字功率表的設(shè)計(jì)與制作，有很大的局限性，因?yàn)樗鶞y(cè)量的電壓范圍很小，即所測(cè)得的電功率也很小。以后我會(huì)在功率的測(cè)量范圍和精度等方面進(jìn)行優(yōu)化，利用伏頻（V/F）轉(zhuǎn)換可以達(dá)到較理想的結(jié)果。致謝本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我大學(xué)四年學(xué)習(xí)和生活的一次高度濃縮和總結(jié)。在這期間得到了同學(xué)和老師的大力幫助。通過(guò)這次系統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)，讓我熟悉了對(duì)一項(xiàng)課題進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)和制作的詳細(xì)過(guò)程。讓我拓展了自己所學(xué)，鍛煉了學(xué)習(xí)的能力，開(kāi)拓了思維，培養(yǎng)了自己嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)心的工作態(tài)度，增進(jìn)了團(tuán)隊(duì)合作的經(jīng)驗(yàn)，加深了老師和同學(xué)的情誼，這些對(duì)我在將來(lái)的工作和學(xué)習(xí)當(dāng)中都會(huì)有很大的幫助。在這里，我要衷心的感謝我的導(dǎo)師夏國(guó)榮老師，是在他的細(xì)心的指導(dǎo)和幫助下我才順利的完成了我的畢業(yè)課題設(shè)計(jì)。同時(shí)我還要感謝畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中所有給我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)！參考文獻(xiàn) 1電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第四版） 康華光 主編 高等教育出版社 19962康華光，數(shù)字電子技術(shù). 3匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)(修訂版) 羅萬(wàn)鈞 田立炎 馮子綱 馮世蔚 編著 西安電子科技大學(xué)出版社 1998 4微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)原理及應(yīng)用(第四版) 周明德 主編 清華大學(xué)出版社 20045 C程序設(shè)計(jì)（第二版） 譚浩強(qiáng) 編著清華大學(xué)出版社1999 6 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版） 閻石 主編高等教育出版社 1998. 7 模擬集成電路應(yīng)用王秀杰 張疇先 主編西北工業(yè)大學(xué)出版社1994. 8 Protel電路設(shè)計(jì)教程 江思敏 姚鵬翼 胡榮 等編著 清華大學(xué)出版社 2002 9 電路(第四版) 邱關(guān)源 主編 高等教育出版社 1999. 10 電路理論基礎(chǔ)(上、下冊(cè))，汪建主編，華中科技大學(xué)出版社，2002 11 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（部分）（第三版），童詩(shī)白、華成英主編，高等教育出版社，2001 12 MCS-96系列單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)，汪建主編，華中科技大學(xué)出版社，第2版2004 13Integrated Circuits DatabookM. Norwood: Analog Device Inc.,1990-1994. 14數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)（第四版），曹漢房主編，華中科技大學(xué)出版社，200415 微電子器件與IC設(shè)計(jì)，劉剛、何笑明、陳濤編著，科學(xué)出版社，2005 16 C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)教程（第二版），秦友淑、曹化工編著，華中科技大學(xué)出版社，200217 單片機(jī)原理與應(yīng)用 -電子科技大學(xué)出版社1995.18 M.I. Elmasry.BiCMOS Integrated Circuit Design with Analog, Digital, and Smart Power ApplicationsM. IEEE Press,1994.附錄A 匯編源程序;P1.0-P1.7為ADC0809與89C52的數(shù)據(jù)接口;P0口為顯示數(shù)據(jù)口,P2.0,P2.1,P2.2為片選地址線74LS138;P3.0-ADC0809_START 開(kāi)始轉(zhuǎn)換;P3.1 -ADC0809_OE 輸出允許;P3.2/INT0-ADC0809_EOC 轉(zhuǎn)換結(jié)束;TL0BUFEQU30HTH0BUFEQU31HSEVREEQU32HCOUNTEQU33HCOUNT1EQU34HZHENGEQU35HFEN1EQU36HFEN2EQU37HVOLT0EQU38HVOLT1EQU39HVOLTEQU3AHAN0EQU3BHAN1EQU3CHANEQU3DHX1EQU3EHX2EQU3FHY1EQU40HY2EQU41HLIU1EQU42HLIU2EQU42HLIU3EQU42HCHANGEEQU42HB_T0BIT00HSIGNBIT01HORG0000HAJMPSTARTORG0003HLJMPIN0ORG000BHLJMPTIME0ORG 0030H;=;初始化;=START:CLRP3.5START1:MOVSP,#60HMOVTMOD,#1MOVDPTR,#0FFFFH-10000MOVTH0,DPHMOVTL0,DPLMOVTH0BUF,DPHMOVTL0BUF,DPLSETBEASETBET0;開(kāi)定時(shí)器0中斷SETBTR0 SETBIT0;外部中斷0為邊沿觸發(fā)模式SETBEX0;開(kāi)外部中斷0CLRP3.0CLRP3.3MOVCOUNT,#10CLRP3.7CLRP3.6MOVCHANGE,#0F0HCLRSIGNclrp3.4;=MAIN:JNBB_T0,MAINCLRB_T0;時(shí)間到了SETBP3.0;開(kāi)始轉(zhuǎn)換START 脈沖 CPLP3.0SETBP3.0JBSIGN,JUMPMOVSEVRE,R0LCALLCHANGE_VSETBSIGNLJMPMAINJUMP:LCALLCHANGE_ALCALLMULDCLRSIGNLCALLDISPLAYLJMPMAIN;=;電壓電流處理;=CHANGE_V:MOVA,SEVREMOVB