新型數(shù)字式電工儀表的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文.doc

長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）一種新型數(shù)字式電工儀表的設(shè)計(jì)摘 要數(shù)字儀表是把連續(xù)的被測(cè)模擬量自動(dòng)的變成連續(xù)的、用數(shù)字編碼方式并以十進(jìn)制數(shù)字自動(dòng)顯示測(cè)量結(jié)果的一種測(cè)量?jī)x表。數(shù)字儀表是將電子技術(shù)、算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)與精密電測(cè)量技術(shù)密切地結(jié)合在一起的一種新型儀表。數(shù)字萬(wàn)用表（DMM）是指可以直接測(cè)量電流、電壓、電阻或其他電參量數(shù)的儀表，其功能可以任意組合并以十進(jìn)制數(shù)字顯示被測(cè)量結(jié)果，應(yīng)用十分廣泛。在傳統(tǒng)的電工電子測(cè)量中廣泛使用的模擬量?jī)x表，雖然具有觀察者可直觀看出表針偏轉(zhuǎn)了多少個(gè)格和滿刻度百分之幾的優(yōu)點(diǎn)，但要對(duì)讀數(shù)加以換算和說明，尤其不可避免的是帶來(lái)認(rèn)為的視差，不同的觀察者會(huì)得出不同的結(jié)果。數(shù)字儀表則不同，將測(cè)量結(jié)果直接用數(shù)字顯示出來(lái)。然而要將模擬測(cè)量結(jié)果用數(shù)字顯示出來(lái)首先要解決的是如何將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量再加以顯示。本論文以MCS-51系列單片機(jī)為核心，通過ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬電路中的電流，電壓測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并用十進(jìn)制數(shù)值顯示。本設(shè)計(jì)采用程序判斷方法,選取不同的電阻組合自動(dòng)選擇模擬量通道。實(shí)現(xiàn)再測(cè)量過程中自動(dòng)選擇儀表量程，并可以實(shí)現(xiàn)對(duì)功率。功率因數(shù)的測(cè)量。關(guān)鍵字 單片機(jī) A/D轉(zhuǎn)換器 數(shù)字儀表New electrical instrument designAbstractDigital instrument is measured by the continuous analog automatic into continuous, using digital coding way and with a decimal number automatically measuring results of a meter. It is a new kind of instrument. The electronic technology, computer technology and automation technology and precision electric measurement technology closely together, become a unique instrument technology branch. Digital multimeters (DMM) refers to direct measurement of the current, voltage, resistance or other electrical parameters of the instrument, the number of combinations can function with the decimal digits display by measuring results, widely used. In the tradition of electrical and electronic measurement is widely used in the analog meter, although has the observer can see how an anlaogue display deflection and the full scale, but the advantages of a few hundredths of reading, especially to conversion and the inevitable brings the parallax that is different, the observer will draw the different results. Digital instrument is different, it will be measured results directly in digital display. However will use digital simulation measurement results show how to tackle the analog to digital will amount to show again. This thesis is MCS - 51 series microcontroller as the core, the ADC0809 adc for the current, voltage analog circuit measurements converted into digital signals and digital display decimal. This design USES the method of selecting different procedures, the resistance combination automatic selection analog channels. Realization of automatic measurement process again meter scale. And can realize to power. The power factor of measurement.Key words SCM A/D converter digital instrument獨(dú) 創(chuàng) 聲 明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)，是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本設(shè)計(jì)（論文）不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均已在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名: 二一年九月二十日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）使用授權(quán)聲明本人完全了解濱州學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定。本人愿意按照學(xué)校要求提交學(xué)位論文的印刷本和電子版，同意學(xué)校保存學(xué)位論文的印刷本和電子版，或采用影印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存設(shè)計(jì)（論文）；同意學(xué)校在不以營(yíng)利為目的的前提下，建立目錄檢索與閱覽服務(wù)系統(tǒng)，公布設(shè)計(jì)（論文）的部分或全部?jī)?nèi)容，允許他人依法合理使用。（保密論文在解密后遵守此規(guī)定）作者簽名: 二一年九月二十日目 錄第一章 緒 論11.1電工儀表簡(jiǎn)介11.1.1電工儀表分類11.1.2指針表萬(wàn)用表11.1.3數(shù)字表萬(wàn)用表21.1.4指針萬(wàn)用表和數(shù)字萬(wàn)用表的優(yōu)劣比較21.2電工儀表發(fā)展31.2.1電工儀表現(xiàn)狀31.2.2電工儀表發(fā)展趨勢(shì)41.2.3萬(wàn)用表發(fā)展趨勢(shì)41.3數(shù)字萬(wàn)用表原理- 5 -1.4 設(shè)計(jì)要求5第二章 設(shè)計(jì)理論62.1信號(hào)采集62.1.1功率因素測(cè)量72.1.2測(cè)量原理92.2 模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換92.3顯示設(shè)計(jì)理論11第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)123.1 單片機(jī)介紹123.1.1 AT89C51 單片機(jī)的特性123.1.2 AT89C51 單片機(jī)的封裝133.1.3 74LS273簡(jiǎn)介133.1.4 ADC0809簡(jiǎn)介143.1.4 74LS138簡(jiǎn)介153.1.5 8255介紹153.2 AT89C51 單片機(jī)最小電路應(yīng)用173.3單片機(jī)與A/D轉(zhuǎn)換器的接口連接電路183.4單片機(jī)與LED顯示器接口電路213.5 8255與單片機(jī)接口電路及工作方式223.6程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展233.7硬件總圖24第四章 軟件設(shè)計(jì)254.1 主程序設(shè)計(jì)254.2中斷子程序設(shè)計(jì)264.3顯示子程序設(shè)計(jì)27總結(jié)30致謝31參考文獻(xiàn)32- 34 -第一章 緒 論在電氣、電子、微電子生產(chǎn)和調(diào)試過程中經(jīng)常需要電壓、電流、電阻等的數(shù)據(jù)以確定該產(chǎn)品的性能。在工廠的生產(chǎn)和維修中，測(cè)量電壓、電流是非常普遍的，所以測(cè)量電壓、電流的相關(guān)儀表也是必不可少的。本文就電工常用儀表萬(wàn)用表加以敘述。1.1電工儀表簡(jiǎn)介傳統(tǒng)的模擬式萬(wàn)用表已有很久的發(fā)展歷史，雖然不斷改進(jìn)與完善，仍無(wú)法滿足現(xiàn)代電子測(cè)量的需要。數(shù)字萬(wàn)用表自從問世以來(lái)，顯示出了強(qiáng)大的生命力，現(xiàn)已成為在電子測(cè)量領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的一種儀表。1.1.1電工儀表分類電工儀表主要分為電壓表、電流表、電阻表、電能表，隨著科學(xué)的發(fā)展，要求的電工儀表也要滿足測(cè)量的要求，出現(xiàn)了可以測(cè)量電抗、電容、功率、功率因數(shù)的儀表，而我們最常見的是萬(wàn)用表萬(wàn)用表，又稱多用表、三用表、復(fù)用表，是一種多功能、多量程的測(cè)量?jī)x表，一般萬(wàn)用表可測(cè)量直流電流、直流電壓、交流電壓、電阻和音頻電平等，有的還可以測(cè)交流電流、電容量、電感量及半導(dǎo)體的一些參數(shù)（如）。1.1.2指針表萬(wàn)用表傳統(tǒng)的萬(wàn)用表由表頭和測(cè)量電路及轉(zhuǎn)換開關(guān)組成（1）表頭：它是一只高靈敏度的磁電式直流電流表，萬(wàn)用表的主要性能指標(biāo)基本上取決于表頭的性能。表頭的靈敏度是指表頭指針滿刻度偏轉(zhuǎn)時(shí)流過表頭的直流電流值，這個(gè)值越小，表頭的靈敏度愈高。測(cè)電壓時(shí)的內(nèi)阻越大，其性能就越好。（2）測(cè)量線路是用來(lái)把各種被測(cè)量轉(zhuǎn)換到適合表頭測(cè)量的微小直流電流的電路，它由電阻、半導(dǎo)體元件及電池組成 它能將各種不同的被測(cè)量（如電流、電壓、電阻等）、不同的量程，經(jīng)過一系列的處理（如整流、分流、分壓等）統(tǒng)一變成一定量限的微小直流電流送入表頭進(jìn)行測(cè)量。（3）轉(zhuǎn)換開關(guān) ：其作用是用來(lái)選擇各種不同的測(cè)量線路，以滿足不同種類和不同量程的測(cè)量要求。轉(zhuǎn)換開關(guān)一般有兩個(gè)，分別標(biāo)有不同的檔位和量程。1.1.3數(shù)字表萬(wàn)用表數(shù)字萬(wàn)用表它是近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)數(shù)字技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，是近年來(lái)出現(xiàn)的先進(jìn)測(cè)試儀器。它采用大規(guī)模集成電路LSI(Large-Scal Integration)和數(shù)字顯示(Digital Dispiay)技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)輕巧、測(cè)量精度高(誤差可達(dá)十萬(wàn)分之一以內(nèi))、輸入阻抗高、顯示直觀、過載能力強(qiáng)、功能全、用途廣、耗電省等優(yōu)點(diǎn)及自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換、極性判斷、信息傳輸?shù)裙δ?，深受人們的歡迎。現(xiàn)在，數(shù)字式測(cè)量?jī)x表已成為主流，有取代模擬式儀表的趨勢(shì)。與模擬式儀表相比，數(shù)字式儀表靈敏度高，準(zhǔn)確度高，顯示清晰，過載能力強(qiáng)，便于攜帶，使用更簡(jiǎn)單。1.1.4指針萬(wàn)用表和數(shù)字萬(wàn)用表的優(yōu)劣比較（1）指針表讀取精度較差，但指針擺動(dòng)的過程比較直觀，其擺動(dòng)速度幅度有時(shí)也能比較客觀地反映了被測(cè)量的大?。ū热鐪y(cè)電視機(jī)數(shù)據(jù)總線（SDL）在傳送數(shù)據(jù)時(shí)的輕微抖動(dòng)）；數(shù)字表讀數(shù)直觀，但數(shù)字變化的過程看起來(lái)很雜亂，不太容易觀看.(2) 指針表內(nèi)一般有兩塊電池，一塊低電壓的1.5V，一塊是高電壓的9V或15V，其黑表筆相對(duì)紅表筆來(lái)說是正端。數(shù)字表則常用一塊6V或9V的電池。在電阻檔，指針表的表筆輸出電流相對(duì)數(shù)字表來(lái)說要大很多，用R1檔可以使揚(yáng)聲器發(fā)出響亮的“噠”聲，用R10k檔甚至可以點(diǎn)亮發(fā)光二極管（LED）。 (3)在電壓檔，指針表內(nèi)阻相對(duì)數(shù)字表來(lái)說比較小，測(cè)量精度相比較差。某些高電壓微電流的場(chǎng)合甚至無(wú)法測(cè)準(zhǔn)，因?yàn)槠鋬?nèi)阻會(huì)對(duì)被測(cè)電路造成影響（比如在測(cè)電視機(jī)顯像管的加速級(jí)電壓時(shí)測(cè)量值會(huì)比實(shí)際值低很多）。數(shù)字表電壓檔的內(nèi)阻很大，至少在兆歐級(jí)，對(duì)被測(cè)電路影響很小。但極高的輸出阻抗使其易受感應(yīng)電壓的影響，在一些電磁干擾比較強(qiáng)的場(chǎng)合測(cè)出的數(shù)據(jù)可能是虛的。(4)總之，在相對(duì)來(lái)說大電流高電壓的模擬電路測(cè)量中適用指針表，比如電視機(jī)、音響功放。在低電壓小電流的數(shù)字電路測(cè)量中適用數(shù)字表，比如BP機(jī)、手機(jī)等。不是絕對(duì)的，可根據(jù)情況選用指針表和數(shù)字表。1.2電工儀表發(fā)展1.2.1電工儀表現(xiàn)狀近幾年經(jīng)過城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造的洗禮，以及對(duì)國(guó)外新技術(shù)的引進(jìn)吸收再創(chuàng)新，電工儀器儀表行業(yè)技術(shù)進(jìn)步明顯加快，并通過與IT新技術(shù)的緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的工藝、技術(shù)到引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展的跨躍。企業(yè)自主開發(fā)了一批具有國(guó)際先進(jìn)水平的新產(chǎn)品。行業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整，產(chǎn)品的更新?lián)Q代，新技術(shù)的不斷引入，企業(yè)的集中度不斷提高，規(guī)模不斷擴(kuò)大，核心競(jìng)爭(zhēng)能力不斷增強(qiáng)，使電工儀器儀表行業(yè)生機(jī)無(wú)限，已發(fā)展成為傳統(tǒng)行業(yè)與現(xiàn)代技術(shù)有機(jī)結(jié)合的最具潛力行業(yè)，具備了一定的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和自動(dòng)化程度的不斷提高，我國(guó)電工儀表行業(yè)也將發(fā)生新的變化并獲得新的發(fā)展。儀器儀表產(chǎn)品的高科技化，必將成為日后電工儀表科技與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展主流。 世界近20年來(lái)，微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、高密封技術(shù)、特種加工技術(shù)、集成技術(shù)、薄膜技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、納米技術(shù)、激光技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)和生物技術(shù)等高新技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。這一背景和形勢(shì)，不斷地向儀器儀表提出了更高、更新、更多的要求，如要求速度更快、靈敏度更高、穩(wěn)定性更好、樣品量更少、檢測(cè)微損甚至無(wú)損、遙感遙測(cè)更遠(yuǎn)距、使用更方便、成本更低廉、無(wú)污染等，同時(shí)也為電工儀表科技與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了強(qiáng)大的推動(dòng)力，并成了電工儀表進(jìn)一步發(fā)展的物質(zhì)、知識(shí)和技術(shù)基礎(chǔ)。 特別是近10年來(lái)，由于包括納米級(jí)的精密機(jī)械研究成果、分子層次的現(xiàn)代化學(xué)研究成果、基因?qū)哟蔚纳飳W(xué)研究成果，以及高精密超性能特種功能材料研究成果和全球網(wǎng)絡(luò)技術(shù)推廣應(yīng)用成果等在內(nèi)的一大批當(dāng)代最新技術(shù)成果的競(jìng)相問世，使得儀器儀表領(lǐng)域發(fā)生了根本性的變革。通過分析可以看出，高科技化不但是現(xiàn)代電工儀表的主要特征，而且是振興儀表工業(yè)的必由之路，也是新世紀(jì)儀器儀表及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展主流。伴隨現(xiàn)場(chǎng)總線的問世，過程測(cè)控儀表發(fā)展歷程出現(xiàn)了重大轉(zhuǎn)折和難得機(jī)遇。 目前現(xiàn)場(chǎng)總線已成為全球自動(dòng)化技術(shù)的熱點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)總線是用于現(xiàn)場(chǎng)智能化儀表與控制室之間的一種開放、全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)。它的產(chǎn)生，既是廣大用戶的實(shí)際需求和制造廠商間技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果，也是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域相結(jié)合的產(chǎn)物和產(chǎn)品升級(jí)，以及為實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的高精度、高性能(特別是多參數(shù)在線實(shí)時(shí)測(cè)控與自動(dòng)測(cè)控)、高穩(wěn)定、高可靠、高適應(yīng)性，多功能、低消耗等提供了巨大動(dòng)力和發(fā)展空間。 1.2.2電工儀表發(fā)展趨勢(shì)電工儀表產(chǎn)品的總體發(fā)展趨勢(shì)是“六高一長(zhǎng)”和“二十化”?？v觀歷史，剖析現(xiàn)狀，展望未來(lái)，可以提出如下結(jié)論：日后，傳統(tǒng)的電工儀表將仍然朝著高性能、高精度、高靈敏、高穩(wěn)定、高可靠、高環(huán)保和長(zhǎng)壽命的“六高一長(zhǎng)”的方向發(fā)展。新型的儀器儀表與元器件將朝著小型化(微型化)、集成化、成套化、電子化、數(shù)字化、多功能化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、計(jì)算機(jī)化、綜合自動(dòng)化、光機(jī)電一體化;在服務(wù)上專門化、簡(jiǎn)捷化、家庭化、個(gè)人化、無(wú)維護(hù)化以及組裝生產(chǎn)自動(dòng)化、無(wú)塵(或超凈)化、專業(yè)化、規(guī)?；摹岸钡姆较虬l(fā)展。在這“二十化”中，占主導(dǎo)地位、起核心或關(guān)鍵的作用是微型化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。1.2.3萬(wàn)用表發(fā)展趨勢(shì)90年代以來(lái)，數(shù)字萬(wàn)用表正處于蓬勃發(fā)展的新時(shí)期,突出表現(xiàn)在新技術(shù)不斷涌現(xiàn),新工藝被廣泛采用,新產(chǎn)品層出不窮。(1)廣泛采用新技術(shù)，不斷開發(fā)新產(chǎn)品：電子技術(shù)的進(jìn)步，往往預(yù)示著數(shù)字萬(wàn)用表研制水平的新突破，近年來(lái)，各項(xiàng)新技術(shù)愈來(lái)愈普遍采用，并且迅速轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。(2)廣泛采用新工藝：新一代的數(shù)字萬(wàn)用表正朝著標(biāo)準(zhǔn)模塊化的方向發(fā)展。電子模塊又稱為電子功能組件，簡(jiǎn)稱模塊。它是采用微電子技術(shù)和微型電子元器件，按插件組裝成一體，能完成某一種特定的功能的商品化部件?，F(xiàn)在，數(shù)字萬(wàn)用表的單元電路已基本上被標(biāo)準(zhǔn)化，通用化，系統(tǒng)化的模塊取代。(3) 單片大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的采用帶微處理器的單片5 1/2位A/D轉(zhuǎn)換器。專配微處理器的4 3/4位DMM集成電路。 ASIC產(chǎn)品的應(yīng)用。(4) 計(jì)算機(jī)模塊化儀器與虛擬儀器的發(fā)展(5) 提高安全性能數(shù)字萬(wàn)用表（DMM），是目前在電子測(cè)量及維修工作中最常用、最得力的一種工具類數(shù)字儀表。數(shù)字萬(wàn)用表迄今已有幾十年的發(fā)展歷史。近年來(lái)，由大規(guī)模集成電路構(gòu)成的新型數(shù)字萬(wàn)用表和高檔智能數(shù)字萬(wàn)用表大量問世，標(biāo)志著電子測(cè)量領(lǐng)域的一場(chǎng)革命，也開創(chuàng)了現(xiàn)代電子測(cè)量技術(shù)的先河。目前，我國(guó)數(shù)字萬(wàn)用表的產(chǎn)量已躍居世界首位，每年生產(chǎn)近千萬(wàn)臺(tái)（塊）中、低檔數(shù)字萬(wàn)用表，并向100多個(gè)國(guó)家大量出口，占世界中低檔數(shù)字萬(wàn)用表總產(chǎn)量的85%以上。1功能量程選擇R/V轉(zhuǎn)換I/V轉(zhuǎn)換V/V轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換LED驅(qū)動(dòng)輸入被測(cè)量LED顯示.3數(shù)字萬(wàn)用表原理圖1.1 數(shù)字萬(wàn)用表原理框圖（1）被測(cè)量是要測(cè)量單元的對(duì)象，通過萬(wàn)用表的兩個(gè)表筆輸入到萬(wàn)用表內(nèi)。（2）功能量程選擇是用戶更具測(cè)量對(duì)象的最大值進(jìn)行估計(jì)，通過萬(wàn)用表的旋鈕開關(guān)選擇萬(wàn)用表的相應(yīng)的量程進(jìn)行測(cè)量。（3）R/V轉(zhuǎn)換是將測(cè)量的電阻值通過一些轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成可以被A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)應(yīng)的電壓值，以達(dá)到轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)的目的，I/V轉(zhuǎn)換和V/V轉(zhuǎn)換和其類同。（4）A/D轉(zhuǎn)換是A/D轉(zhuǎn)換器將測(cè)量到的電阻、電流、電壓的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。（5）LED驅(qū)動(dòng)是可以使LED顯示器進(jìn)行工作顯示的驅(qū)動(dòng)器件，其特點(diǎn)的較大電壓電流輸出。（6）LED顯示是將測(cè)量的電阻、電壓、電流進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，使其直觀的反映器數(shù)值的大小，方便用戶讀取。1.4 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)制作一個(gè)數(shù)字式電工儀表，可以測(cè)量工頻電源的電壓、電流、功率和功率因數(shù)?；疽螅?. 測(cè)量交流電壓，范圍為100mV100V，誤差 1% ；2. 測(cè)量交流電流，范圍為100mA2A, 誤差 1% ；3. 測(cè)量功率，范圍為0200W，誤差 1% ；4. 測(cè)量功率因數(shù)，范圍為0.51,誤差 1% 。第二章 設(shè)計(jì)理論2.1信號(hào)采集信號(hào)采集可采用兩種方案，一種是降壓隔離采樣，另一種是電阻分壓采樣。(1)降壓隔離采樣采用電壓互感器、電流互感器分別實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流測(cè)量。通過電壓互感器對(duì)交流電壓變換得到相應(yīng)電壓值，采樣電壓V2I2RL。如圖所示通過運(yùn)放跟隨送入A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)計(jì)算得到有效值?；ジ衅鲗?shí)質(zhì)為變壓器，一般變壓器都采用Y/Y0接。圖2.1 信號(hào)隔離采集圖2.2 電阻分壓信號(hào)采集(2)電阻分壓采樣電阻分壓 直接采用電阻分壓得到5V以下電壓值，如圖2.2，R1為分壓電阻，R2上的電壓Vout為0-5V的采集電壓，電壓跟隨送入A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)計(jì)算得到相應(yīng)的電壓值。由于題目中的交流電壓是經(jīng)過互感得到的，可以不在考慮電網(wǎng)隔離問題，而且電壓互感存在產(chǎn)生不確定的相移，雖然可以程序修正，但帶來(lái)不必要的麻煩。因此采用方案二電阻直接分壓的方式。2.1.1功率因素測(cè)量（1）過零比較器過零比較器，顧名思義，其閾值電壓 U T =0V。電路如圖(a)所示，集成運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)，其輸出電壓為+ UO或- UO。當(dāng)輸入電壓 uI0V時(shí)U0=-U0。因此，電壓傳輸特性如圖(b)所示圖2.3 過零比較器及其電壓輸出特性（2）測(cè)量方案方案一：測(cè)量交流電流：根據(jù)用電器的額定電流選擇萬(wàn)用表相應(yīng)的交流電流檔，分別測(cè)得一純電阻（如白枳燈）電流IR,感性負(fù)載(如電風(fēng)扇)電流IL ,二者并聯(lián)的總電流I總(如圖2.4所示)。圖2.4 電流測(cè)量法方案二：采用測(cè)電壓、電流信號(hào)的相位差t，t/T = /360，計(jì)算 cos得功率因數(shù)。圖2.5 過零比較器測(cè)量信號(hào)偏移將電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換過的電壓信號(hào)分別經(jīng)過過零比較器，產(chǎn)生TTL方波脈沖。方波的上升沿和下降沿分別與振蕩正弦波信號(hào)的正負(fù)過零點(diǎn)對(duì)應(yīng)，產(chǎn)生的兩個(gè)TTL方波脈沖作為單片機(jī)的兩個(gè)外部中斷源。當(dāng)INT0中斷有效時(shí)，定時(shí)器T0開始定時(shí)計(jì)數(shù),當(dāng)INT1中斷有效時(shí)關(guān)閉T0定時(shí)器。此時(shí),T0中的值便是與相位差相對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值。根據(jù)題目要求，實(shí)驗(yàn)誤差不能大于1%，方案一的方法雖然可以減小誤差，但是，不適合本題目的要求，通過固定電阻的分壓，無(wú)法使量程發(fā)生改變，因此，選用方案二，方案二的中斷觸發(fā)方式為脈沖下降沿觸發(fā)方式,且外部中斷0優(yōu)先級(jí)高于外部中斷1。單片機(jī)開機(jī)后等待外部中斷INT0及INT1,當(dāng)INT1中斷響應(yīng)時(shí),定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0開始計(jì)數(shù)，當(dāng)INT0中斷響應(yīng)后,定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0停止計(jì)數(shù),T0的計(jì)數(shù)值與相位差U成正比,單片機(jī)處理T0的計(jì)數(shù)值后即可得到交流電的功率因數(shù)。2.1.2測(cè)量原理設(shè)有兩信號(hào)u=Umsint (2-1)i=Imsin(t-) (2-2)兩信號(hào)的相位差為，待測(cè)的功率因數(shù)為cos。由式(2-2) i=Imsin(t-)=Im(sintcos-costsin) (2-3)當(dāng) t=/2時(shí)，i=Imcos故 cos= i*(/2)/ Im (2-4)由式(2-4)可見，只要能檢測(cè)出i和Im，用一除法器即可得到cos，所以，關(guān)鍵問題是測(cè)量i和Imu為來(lái)自電壓互感器的電壓信號(hào)，i為來(lái)自電流互感器的信號(hào)，i通過二階有源濾波器后有90的滯后，故，i=(t)= I msin(t-/2-)= Imsin(t-/2)cos-imcos(t-/2)sin (2-5)當(dāng) t=時(shí)，i=Imcos因此cos=i/Im (2-6)用電壓信號(hào)u控制采樣保持器，采集t=時(shí)刻的電流信號(hào)i()，峰值檢測(cè)電路的輸出為Im，除法器的輸出為i/Im，通過信號(hào)調(diào)理電路，將除法器的輸出調(diào)制為01V，調(diào)試時(shí)，輸入相位差90的u,i信號(hào)，通過調(diào)整信號(hào)調(diào)理電路，使其輸出為0V，輸入同相的u,i信號(hào)，使其輸出為1V，通過A/D轉(zhuǎn)換、譯碼，即可顯示功率因數(shù)。2.2 模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換本次設(shè)計(jì)是一次數(shù)字式電工儀表的設(shè)計(jì)，單測(cè)量的對(duì)象卻是模擬信號(hào)，因此將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)是本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因此模數(shù)轉(zhuǎn)換器件是本次設(shè)計(jì)必不可少的一個(gè)重要元件。模數(shù)轉(zhuǎn)換常見的幾種位積分型、逐次逼近型、并行比較型/串并行型、-調(diào)制型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型。（1）積分型（如TLC7135）積分型AD模數(shù)轉(zhuǎn)換原理是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間（脈沖寬度信號(hào)）或頻率（脈沖頻率），然后由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字值。其優(yōu)點(diǎn)是用簡(jiǎn)單電路就能獲得高分辨率，但缺點(diǎn)是由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時(shí)間，因此轉(zhuǎn)換速率極低。初期的單片AD轉(zhuǎn)換器大多采用積分型，現(xiàn)在逐次比較型已逐步成為主流。（2）逐次比較型（如TLC0831）逐次比較型AD由一個(gè)比較器和DA轉(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成，從MSB開始，順序地對(duì)每一位將輸入電壓與內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字值。其電路規(guī)模屬于中等。其優(yōu)點(diǎn)是速度較高、功耗低，在低分辯率（12位）時(shí)價(jià)格便宜，但高精度（大于12位）時(shí)價(jià)格很高。（3）并行比較型/串并行比較型（如TLC5510）模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法并行比較型AD采用多個(gè)比較器，僅作一次比較而實(shí)行轉(zhuǎn)換，又稱FLash（快速）型。轉(zhuǎn)換速率極高，n位的轉(zhuǎn)換需要2n-1個(gè)比較器，因此電路規(guī)模也極大，價(jià)格也高，只適用于視頻AD轉(zhuǎn)換器等速度特別高的領(lǐng)域。串并行比較型AD結(jié)構(gòu)上介于并行型和逐次比較型之間，最典型的是由2個(gè)n/2位的并行型AD轉(zhuǎn)換器配合DA轉(zhuǎn)換器組成，用兩次比較實(shí)行轉(zhuǎn)換，所以稱為Half flash（半快速）型。還有分成三步或多步實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換的叫做分級(jí)型AD，而從轉(zhuǎn)換時(shí)序角度又可稱為流水線（Pipelined）型AD，現(xiàn)代的分級(jí)型AD中還加入了對(duì)多次轉(zhuǎn)換結(jié)果作數(shù)字運(yùn)算而修正特性等功能。這類AD速度比逐次比較型高，電路規(guī)模比并行型小。（4）-調(diào)制型（如AD7705）模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法 -型AD由積分器、比較器、1位DA轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器等組成。-型AD模數(shù)轉(zhuǎn)換原理上近似于積分型，將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間（脈沖寬度）信號(hào)，用數(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。電路的數(shù)字部分基本上容易單片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音頻和測(cè)量。（5）電容陣列逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法 電容陣列逐次比較型AD在內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器中采用電容矩陣方式，也可稱為電荷再分配型。一般的電阻陣列DA轉(zhuǎn)換器中多數(shù)電阻的值必須一致，在單芯片上生成高精度的電阻并不容易。如果用電容陣列取代電阻陣列，可以用低廉成本制成高精度單片AD轉(zhuǎn)換器。最近的逐次比較型AD轉(zhuǎn)換器大多為電容陣列式的。（6）壓頻變換型（如AD650）模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法 壓頻變換型是通過間接轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的。壓頻變換型模數(shù)轉(zhuǎn)換原理是首先將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率，然后用計(jì)數(shù)器將頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。從理論上講這種AD的分辨率幾乎可以無(wú)限增加，只要采樣的時(shí)間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個(gè)數(shù)的寬度。其優(yōu)點(diǎn)是分辯率高、功耗低、價(jià)格低，但是需要外部計(jì)數(shù)電路共同完成AD轉(zhuǎn)換。 本設(shè)計(jì)中，要求精度小于1%，因此選用ADC0809式A/D轉(zhuǎn)換器它是一種逐次比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。2.3顯示設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)中采用的是8段LED數(shù)碼管來(lái)顯示電壓值。LED具有耗電低、亮度高、視角大、線路簡(jiǎn)單、耐震及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，它由8個(gè)發(fā)光二極管組成，其中7個(gè)按8字型排列，另一個(gè)發(fā)光二極管為圓點(diǎn)形狀，位于右下角，常用于顯示小數(shù)點(diǎn)。把8個(gè)發(fā)光二極管連在一起，公共端接高電平，叫共陽(yáng)極接法，相反，公共端接低電平的叫共陰極接法，我們采用共陽(yáng)極接法。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一段筆畫或點(diǎn)就發(fā)亮，從而形成不同的發(fā)光字符。其8段分別命名為dp g f e d c b a。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用LED顯示塊構(gòu)成N位LED顯示器。N位LED顯示器有N8根段選線。根據(jù)顯示方式不同，位選線與段選線的連接方法不同。段選線控制字符選擇，位選線控制顯示位的亮、暗。LED顯示器有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩中方式。靜態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動(dòng)電路具有輸出鎖存功能，單片機(jī)將要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再控制LED，直到下一次顯示時(shí)再傳送一次新的數(shù)據(jù)。只要當(dāng)前顯示的數(shù)據(jù)沒有變化，就無(wú)須理睬數(shù)碼顯示管。靜態(tài)顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用的CPU時(shí)間少。靜態(tài)顯示中，每一個(gè)顯示器都要占用單獨(dú)具有瑣存功能的I/O口，該接口用于筆畫段字型代碼。這樣單片機(jī)只要把顯示的字型數(shù)據(jù)代碼發(fā)送到接口電路，該字段就可以顯示要發(fā)送的字型。要顯示新的數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)再發(fā)送新的字型碼。因此，使用這種方法單片機(jī)中CPU的開銷小。單使用單片機(jī)的I/O接口較多動(dòng)態(tài)掃描顯示。動(dòng)態(tài)掃描方法是用其接口電路把所有顯示器的8個(gè)筆畫字段（ag和dp）同名端連在一起，而每一個(gè)顯示器的公共極COM各自獨(dú)立接受I/O線控制。CPU向字段輸出端口輸出字型碼時(shí)，所有顯示器接受相同的字型碼，但究竟使那一位則由I/O線決定。動(dòng)態(tài)掃描用分時(shí)的方法輪流控制每個(gè)顯示器的COM端，使每個(gè)顯示器輪流電亮。在輪流點(diǎn)亮過程中，每位顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間極為短暫，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1 單片機(jī)介紹單片機(jī)的全稱是單片微型計(jì)算機(jī)（Single Chip Microcomputer）。為了使用方便，它把組成計(jì)算機(jī)的主要功能部件：中央處理器（CPU）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）、程序存儲(chǔ)器（ROM、EPROM、E2PROM或FLASH）、定時(shí)/計(jì)數(shù)器和各種輸入/輸出接口電路等都集成在一塊半導(dǎo)體芯片上，構(gòu)成了一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。與通用的計(jì)算機(jī)不同，單片機(jī)的指令功能是按照工業(yè)控制的要求設(shè)計(jì)，因此它又被稱為微控制器。MCS51系列單片機(jī)是美國(guó)Intel公司于1980年推出的一種8位單片機(jī)系列。該系列的基本型產(chǎn)品是8051、8031和8751。這3種產(chǎn)品之間的區(qū)別只是在片內(nèi)程序存儲(chǔ)器方面。8051的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器（ROM）是掩膜型的，即在制造芯片時(shí)已將應(yīng)用程序固化進(jìn)去；8031片內(nèi)沒有程序存儲(chǔ)器；8751內(nèi)部包含有用作程序存儲(chǔ)器的4KB的EPROM。由于8051的編程需要制造商的支持，8751的價(jià)格昂貴，因此8031獲得了更為廣泛的使用。MCS51系列單片機(jī)優(yōu)異的性能/價(jià)格比使得它從面世以來(lái)就獲得用戶的認(rèn)可。Intel公司把這種單片機(jī)的內(nèi)核，即8051內(nèi)核，以出售或互換專利的方式授權(quán)給一些公司，如Atmel、Philips、ADI等。這些公司的這類產(chǎn)品也被稱為8051兼容芯片，這些8051兼容芯片在原來(lái)的基礎(chǔ)上增加了許多特性。本文采用了Atmel公司的AT89S51芯片，它與MCS51單片機(jī)指令集兼容，同時(shí)它的內(nèi)部包含用作程序存儲(chǔ)器的4KB的基于FLASH技術(shù)的只讀存儲(chǔ)器。采用這款芯片既克服了采用8031需要添加外部程序存儲(chǔ)器導(dǎo)致電路復(fù)雜的缺點(diǎn)，又克服了采用8751導(dǎo)致電路制作成本高的缺點(diǎn)。3.1.1 AT89C51 單片機(jī)的特性Atmel公司的AT89C51芯片具有以下特性： 指令集和芯片引腳與Intel公司的8051兼容； 4KB片內(nèi)在系統(tǒng)可編程Flash程序存儲(chǔ)器； 時(shí)鐘頻率為033MHz； 128字節(jié)片內(nèi)隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器（RAM）； 32個(gè)可編程輸入/輸出引腳； 2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器； 6個(gè)中斷源，2級(jí)優(yōu)先級(jí)； 全雙工串行通信接口； 監(jiān)視定時(shí)器； 2個(gè)數(shù)據(jù)指針。3.1.2 AT89C51 單片機(jī)的封裝AT89C51單片機(jī)具有多種封裝形式，包括PDIP40、PDIP42、PLCC44和TQFP44。最適合學(xué)校實(shí)驗(yàn)室使用的是PDIP40封裝形式。PDIP40封裝形式的單片機(jī)芯片可以很方便地使用面包板來(lái)組成應(yīng)用電路。3.1.3 74LS273簡(jiǎn)介74LS273是8位數(shù)據(jù)/地址鎖存器，他是一種帶清除功能的8D觸發(fā)器。 (1)1腳是復(fù)位CLR,低電平有效,當(dāng)1腳是低電平時(shí),輸出腳2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部輸出0,即全部復(fù)位;圖3.1 74LS273管腳圖（2)當(dāng)1腳為高電平時(shí),11(CLK)腳是鎖存控制端,并且是上升沿觸發(fā)鎖存,當(dāng)11腳有一個(gè)上升沿,立即鎖存輸入腳3、4、7、8、13、14、17、18的電平狀態(tài),并且立即呈現(xiàn)在在輸出腳2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)上1D8D為數(shù)據(jù)輸入端，1Q8Q為數(shù)據(jù)輸出端，正脈沖觸發(fā)，低電平清除，常用作8位地址鎖存器。3.1.4 ADC0809簡(jiǎn)介圖3.2 ADC0809 管教圖IN7IN0模擬量輸入通道ALE地址鎖存允許信號(hào)。對(duì)應(yīng)ALE上跳沿，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。 START轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。START上升沿時(shí)，復(fù)位ADC0809；START下降沿時(shí)啟動(dòng)芯片，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持 低電平。本信號(hào)有時(shí)簡(jiǎn)寫為ST.A、B、C地址線。 通道端口選擇線，A為低地址，C為高地址，引腳圖中為ADDA，ADDB和ADDC。其地址狀態(tài)與通道對(duì)應(yīng)關(guān)系見表9-1。CLK時(shí)鐘信號(hào)。ADC0809的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)由外界提供，因此有時(shí)鐘信號(hào)引腳。通常使用頻率為500KHz的時(shí)鐘信號(hào)EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。EOC=0,正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；EOC=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中該狀態(tài)信號(hào)即可作為查詢的狀態(tài)標(biāo)志，又可作為中斷請(qǐng)求信號(hào)使用。D7D0數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機(jī)的數(shù)據(jù)線直接相連。D0為最低位，D7為最高 OE輸出允許信號(hào)。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；OE=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。Vcc +5V電源。 Vref參考電源參考電壓用來(lái)與輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。其典型值為+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V).3.1.4 74LS138簡(jiǎn)介圖3.3 74LS138管腳圖74LS138 為3 線8 線譯碼器其主要電特性的典型值如下：74LS138 傳播延遲時(shí)間22ns 功耗32mW。原理：當(dāng)一個(gè)選通端（E3）為高電平，另兩個(gè)選通端E1和E2為低電平時(shí)，可將地址端（A、B、C）的二進(jìn)制編碼在一個(gè)對(duì)應(yīng)的輸出端以低電平譯出。利用 E3、/E1和E2可級(jí)聯(lián)擴(kuò)展成 24 線譯碼器；若外接一個(gè)反相器還可級(jí)聯(lián)擴(kuò)展成 32 線譯碼器。若將選通端中的一個(gè)作為數(shù)據(jù)輸入端時(shí)，138 還可作數(shù)據(jù)分配器。3.1.5 8255介紹本次設(shè)計(jì)所用單片機(jī)端口較多，單只用1只單片機(jī)的端口遠(yuǎn)不夠用，因此要對(duì)單片機(jī)端口進(jìn)行擴(kuò)展，本次設(shè)計(jì)用擴(kuò)展芯片8255對(duì)單片機(jī)的一個(gè)端口進(jìn)行擴(kuò)展單片機(jī)系統(tǒng)里常用的8255芯片是一個(gè)典型的可編程通用并行接口芯片,用來(lái)擴(kuò)展單片機(jī)的端口，它具有3個(gè)8位的并行口,有三種工作方式,可作為單片機(jī)與各種外部設(shè)備連接的接口電路! 下面介紹8255的引腳圖及引腳功能。8255引腳功能說明： RESET:復(fù)位輸入線，當(dāng)該輸入端外于高電平時(shí)，所有內(nèi)部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成輸入方式。PA0PA7:端口A輸入輸出線，一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器， 一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸入鎖存器。 圖3.4 8255管腳圖PB0PB7:端口B輸入輸出線，一個(gè)8位的I/O鎖存器， 一個(gè)8位的輸入輸出緩沖器。 PC0PC7:端口C輸入輸出線，一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸出鎖存器/緩沖器， 一個(gè)8位的數(shù)據(jù)輸入緩沖器。端口C可以通過工作方式設(shè)定而分成2個(gè)4位的端口， 每個(gè)4位的端口包含一個(gè)4位的鎖存器，分別與端口A和端口B配合使用，可作為控制信號(hào)輸出或狀態(tài)信號(hào)輸入端口。 CS:片選信號(hào)線，當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低電平時(shí)，表示芯片被選中，允許8255與CPU進(jìn)行通訊。RD:讀信號(hào)線，當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低電平時(shí)，允許8255通過數(shù)據(jù)總線向CPU發(fā)送數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息，即CPU從8255讀取信息或數(shù)據(jù)。WR:寫入信號(hào)，當(dāng)這個(gè)輸入引腳為低電平時(shí)，允許CPU將數(shù)據(jù)或控制字寫8255。D0D7:三態(tài)雙向數(shù)據(jù)總線，8255與CPU數(shù)據(jù)傳送的通道，當(dāng)CPU 執(zhí)行輸入輸出指令時(shí)，通過它實(shí)現(xiàn)8位數(shù)據(jù)的讀/寫操作，控制字和狀態(tài)信息也通過數(shù)據(jù)總線傳送。3.2 AT89C51 單片機(jī)最小電路應(yīng)用單片機(jī)的最小應(yīng)用系統(tǒng)電路指的是它可以正常工作的最簡(jiǎn)單電路組成。AT89S51單片機(jī)的最小應(yīng)用系統(tǒng)電路圖如圖1.5所示。該系統(tǒng)中包含4個(gè)電路部分。（1）供電電路引腳VCC（引腳40）接+5V電源，引腳GND（引腳20）接地線。為提高電路的抗干擾能力，一個(gè)0.1F（器件標(biāo)注為104）的瓷片電容和一個(gè)10F的電解電容通常被接在引腳VCC和接地線之間。圖3.5 單片機(jī)最小電路系統(tǒng)（2）程序存儲(chǔ)器選擇電路如前所述，Atmel公司生產(chǎn)的8051兼容芯片具有多種容量的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的型號(hào)，因此在使用中不需要再擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器，這樣在單片機(jī)應(yīng)用電路中引腳（引腳31）可以總是接高電平。（3）時(shí)鐘電路AT89C51芯片的時(shí)鐘頻率可以在033MHz范圍。單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)可以構(gòu)成振蕩器的放大電路。在這個(gè)放大電路的對(duì)外引腳XTAL2（引腳18）和XTAL1（引腳19）接上晶體和電容就可以構(gòu)成單片機(jī)的時(shí)鐘電路。圖1.5所示的時(shí)鐘電路由晶體CRY和電容C2與C3組成。單片機(jī)的時(shí)鐘頻率取決于晶體CRY的頻率，如果采用面包板來(lái)組裝單片機(jī)應(yīng)用電路，晶體CRY的推薦值為12MHz以下。電容C2與C3的取值范圍為30pF50pF。時(shí)鐘電路采用晶體的目的是提高時(shí)鐘頻率的穩(wěn)定性。（4）復(fù)位電路對(duì)于AT89C51芯片，如果引腳RST（引腳9）保持24個(gè)時(shí)鐘周期的高電平，單片機(jī)就可以完成復(fù)位。通常為了保證應(yīng)用系統(tǒng)可靠地復(fù)位，復(fù)位電路應(yīng)使引腳RST保持10ms以上的高電平。只要引腳RST保持高電平，單片機(jī)就循環(huán)復(fù)位。當(dāng)引腳RST從高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，單片機(jī)退出復(fù)位狀態(tài)，從程序空間的0000H地址開始執(zhí)行用戶程序。圖3.5所示復(fù)位電路由C1和R1組成。當(dāng)系統(tǒng)加電時(shí)，由于C1兩端的電壓不能突變，因此引腳RST為高電平，單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。隨著C1充電，它兩端的電壓上升，使得引腳RST上電壓下降，最終使單片機(jī)退出復(fù)位狀態(tài)。合理地選擇C1和R1的取值，系統(tǒng)就能可靠地復(fù)位。C1的推薦值是10F，R1的推薦值是10k。3.3單片機(jī)與A/D轉(zhuǎn)換器的接口連接電路電路連接主要涉及兩個(gè)問題。一是8路模擬信號(hào)通道的選擇，二是A/D轉(zhuǎn)換完成后轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送。（1）8通道模擬量選擇如圖3.7所示模擬通道選擇信號(hào)A、B、C分別接最低三位地址A0、A1、A2即（P0.0、P0.1、P0.2），而地址鎖存允許信號(hào)ALE由P2.0控制，則8路模擬通道的地址為0FEF8H0FEFFH.此外，通道地址選擇以WR作寫選通信號(hào)，這一部分電路連接如圖3.6所示圖3.6 8051與A/D轉(zhuǎn)換器接口電路圖從圖中可以看到，把ALE信號(hào)與START信號(hào)接在一起了，這樣連接使得在信號(hào)的前沿寫入（鎖存）通道地址，緊接著在其后沿就啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。圖3.7 信號(hào)鎖存控制 圖3.8脈沖轉(zhuǎn)換原理啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換只需要一條MOVX指令。在此之前，要將P2.0清零并將最低三位與所選擇的通道好像對(duì)應(yīng)的口地址送入數(shù)據(jù)指針DPTR中。例如要選擇IN0通道時(shí)，可采用如下兩條指令，即可啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換：MOV DPTR , #FE00H ； 送入0809的口地址MOVX DPTR , A ； 啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換（IN0）此處的A與A/D轉(zhuǎn)換無(wú)關(guān)，可為任意值。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換的完成，因?yàn)橹挥写_認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。為此可采用下述三種方式。（1）定時(shí)傳送方式對(duì)于一種A/D轉(zhuǎn)換其來(lái)說，轉(zhuǎn)換時(shí)間作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。例如ADC0809轉(zhuǎn)換時(shí)間為128s，相當(dāng)于6MHz的MCS-51單片機(jī)共64個(gè)機(jī)器周期。可據(jù)此設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)子程序，A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后即調(diào)用此子程序，延遲時(shí)間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。（2）查詢方式A/D轉(zhuǎn)換芯片由表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查詢方式，測(cè)試EOC的狀態(tài)，即可卻只轉(zhuǎn)換是否完成，并接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。(3）中斷方式把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)(EOC)作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。不管使用上述那種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。首先送出口地址并以RD信號(hào)有效時(shí)，OE信號(hào)即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單片機(jī)接受。不管使用上述那種方式，只要一旦確認(rèn)轉(zhuǎn)換結(jié)束，便可通過指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。所用的指令為MOVX 讀指令，仍以圖3.7所示為例，則有MOV DPTR , #FE00HMOVX A , DPTR該指令在送出有效口地址的同時(shí)，發(fā)出RD有效信號(hào)，使0809的輸出允許信號(hào)OE有效，從而打開三態(tài)門輸出，是轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線送入A累加器中。這里需要說明的是，ADC0809的三個(gè)地址端A、B、C即可如前所述與地址線相連，也可與數(shù)據(jù)線相連，例如與D0D2相連。這是啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換的指令與上述類似，只不過A的內(nèi)容不能為任意數(shù)，而必須和所選輸入通道號(hào)IN0IN7相一致。例如當(dāng)A、B、C分別與D0、D1、D2相連時(shí)，啟動(dòng)IN7的A/D轉(zhuǎn)換指令如下：MOV DPTR， #FE00H ； 送入0809的口地址MOV A ，#07H ； D2D1D0=111選擇IN7通道MOVX DPTR， A ； 啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換3.4單片機(jī)與LED顯示器接口電路本設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)8位數(shù)碼LED顯示74LS273對(duì)地址進(jìn)行鎖存，如果P1口僅用于顯示驅(qū)動(dòng)，而沒有與其它外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可省略這個(gè)鎖存器，直接或通過其他驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)連接LED。地址線通過一片74LS138三八譯碼器對(duì)8位LED進(jìn)行分時(shí)選通，這樣在任一時(shí)刻，只有一位LED是點(diǎn)亮的，但只要掃描的頻率足夠高(一般大于25Hz)，由于人眼的視覺暫留特性，直觀上感覺卻是連續(xù)點(diǎn)亮的，這就是我們常說的動(dòng)態(tài)掃描電路。此電路中，74LS273用于驅(qū)動(dòng)LED的8位段碼，8位LED相應(yīng)的ag段連在一起，它們的公共端分別連至由74LS138譯碼選通后經(jīng)74LS04反相驅(qū)動(dòng)的輸出端。這樣當(dāng)選通某一位LED時(shí)，相應(yīng)的地址線(74LS04輸出端)輸出的是高電平，所以我們的LED選用共陽(yáng)LED數(shù)碼管。動(dòng)態(tài)掃描的頻率有一定的要求，頻率太低，LED將出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。如頻率太高，由于每個(gè)LED點(diǎn)亮的時(shí)間太短，LED的亮度太低，肉眼無(wú)法看清，所以一般均取幾個(gè)ms左右為宜，這就要求在編寫程序時(shí)，選通某一位LED使其點(diǎn)亮并保持一定的時(shí)間，程序上常采用的是調(diào)用延時(shí)子程序。在C51指令中，延時(shí)子程序是相當(dāng)簡(jiǎn)單的，并且延時(shí)時(shí)間也很容易更改。圖3.9 LED動(dòng)態(tài)掃描電路3.5 8255與單片機(jī)接口電路及工作方式由于8255A是標(biāo)準(zhǔn)的通用可編程I/O口，數(shù)據(jù)總線緩沖器為8位雙向三態(tài)緩沖圖3.10 8255與單片機(jī)接口電路器，因此單片機(jī)與8255A的接口電路相當(dāng)簡(jiǎn)單，單片機(jī)的數(shù)據(jù)線與82