测量电压、电流、功率

1、编号： 毕业设计说明书题 目： 测量电压、电流、功率测量电压、电流、功率 的数字表的设计的数字表的设计 学 院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 韦 领 学 号： 0600120328 指导教师： 郭 福 力 职 称： 工 程 师 题目类型：题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2010 年 05 月 24 日摘 要在现代检测技术中，常需用高精度数字电压表进行现场检测，将检测到的数据送入微计算机系统，完成计算、存储、控制和显示等功能.本设计是一种基于 AT89C51 单片机的测量电量的数字表，以 AT89C51 单片机和 ADC0809 为核心

2、器件.该系统的数字电压表电路简单，所用的元件较少，成本低，调节工作可实现自动化：数字电表抗干扰能力强、测量速度快、测量准确度高.整个测量系统主要测量电压电流两个主要参数，只要测出这两个参数就可以计算出有功功率和无功功率。整个系统的设计完成了硬件电路的设计及软件程序的编写，通过最终硬件电路的调试及软件程序的仿真，使该系统能够在要求的条件下达到正常的测量及显示功能。在整个系统的设计过程中，主要采用了模块化的设计方法。该系统主要分为四大模块，即输入信号衰减模块、主控制模块、A/D 转换模块和输出显示模块。由于实际电路中的电量参数太大，ADC0809 直接采集会使器件被损坏，因此先对电量信号进行衰减，

3、在单片机的控制下完成对电压、电流信号采集，并对电压和电流的相位进行比较得到功率角，最后将测量结果通过LCD1602 液晶显示出来。该电路设计新颖、功能强大、可扩展性强。关键字：AT89C51 单片机;ADC0809;模块化;数字表AbstractIn modern measuring technology，it is often required to conduct site measuring with a digital meterThe data measured will then be input into the micro-computer system to execute

4、such functions like calculating，storing，controlling and displaying.An non-electricity measurement digital electric meter based on AT89C51 is proposed.It is a completed measurement systern based on the AT89C51 and AD0809. The digital meter meter features in simple electrical circuit，lower use of elem

5、ents，low cost and automatic regulation. The digital meter strong anti-jamming ability, Measuring speed, high accuracy field measurement methods .The measuring system, the main measure two main arguments are voltage and current. Just measured out the two arguments,it can calculate the active power an

6、d the reactive power. In this design, the hardware circuit and software programming are both realized at the judge of hardware circuit and imitation of software program. This system can fulfill the function of measure and displaying under the demanded conditions. Over the designing of the whole syst

7、em, the method of modularity is used. The system is mainly divided into four modules：for example，the module of input signal attenuation,the module of master control, the module of ADC, the module of display export signal. Due to, the parameter of actual circuit quantity of electricity are unerhoert

8、gross, if ADC0809 direct gathering the non-electricity signal,it will break down the device,and the digital electric meter will out of work.So, the quantity of electricity signal must take attenuation place .This system can accomplish the signal sampling of voltage and current,and compares the volta

9、ge and current phase, and gets the phase difference. The result can be displayed through the Liquid Crystal Display 1602. The circuit is modern design，powerful functions, scalability strong.Key words： AT89C51 MCU；ADC0809; Modularity ;Digital electric meter目目 录录引 言.11 硬件系统设计.21.1 技术要求.21.2 系统原理及基本框图.

10、21.3 输入电路.31.4 交流电源信号衰减电路.31.4.1 电压信号衰减电路.31.4.2 电流信号采集电路.41.4.3 电路电压电流相位差电路.51.5 A/D 转换电路 .71.5.1 AD 转换电路的接口设计.71.5.2 ADC0809 芯片介绍.91.6 主控电路的设计.111.6.1 主要功能.111.6.2 内部结构框图.111.6.3 外部引脚说明.121.6.4 单片机复位电路.131.6.5 单片机在系统中的应用.141.7 显示电路.151.8 整流电路.162 软件系统的设计.172.1 主程序的设计.172.2 子程序的设计.172.2.1 A/D 转换程序的

11、设计.182.2.2 相位差程序的设计 .182.2.3 显示程序的设计.193 系统的安装与调试.213.1 系统设计的设计与安装.213.2 系统各部分的调试.223.2.1 系统的硬件调试.223.2.2 系统的软件调试.22结 论.23谢 辞.24参考文献.25附 录.26附 录 A .26附 录 B.31附 录 C.35 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 总 35 页1引 言在电气测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量，随着电子技术的发展，电子测量成为广大电子工作者必须掌握的手段，对测量的精度和功能的要求也越来越高，所以数字表就成为一种必不可少的测量仪器。传

12、统的电压电流表在测量电量时需要手动切换电压电流开关，不仅不方便，而且功能单一、精度低。如果在测量时忘记切换量程，则会出现很大的测量误差，甚至有将电压表烧坏的可能。以前电表一般均为指针式面板表，精度低，可视距离近，数据需要人工抄录，浪费人力资源，数据管理不便，容易出错。本设计通过单片机对模拟信号进行采集，将采集信号数字化，再将测量结果显示出来，这样的数字表具有结构简单、体积小、驱动电流小、动作快、操作方便、价格低廉的优点，更重要的是精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便。这将会大大的提高了测量的精度和速度，更加直观的显示测量结果，测量结果数据处理以及功能的多样化方面都取得了巨大的进步。这样具

13、有读数准确方便、精度高、误差小、灵敏度高和分辨率高、测量速度快等特点的数字表受到电子电气工作者的青睐。数字电表是诸多数字化仪表的核心与基础，电表的数字化是将连续的模拟量如直流电压转换成不连续的离散的数字形式并加以显示，这有别于传统的以指针加刻度盘进行读数的方法，避免了读数的视差和视觉疲劳。目前数字万用表的内部核心部件是AD转换器，转换器的精度很大程度上影响着数字万用表的准确度，本文A/D转换器采用ADC0809对输入模拟信号进行转换，控制核心AT89c51对转换的结果进行运算和处理，最后驱动输出装置显示数字电压信号。这种类型的数字电压表无论在功能和实际应用上都具有传统电表无法比拟的优点，这使得

14、它的开发和应用都具有良好的前景。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 总 35 页21 硬件系统设计在硬件设计系统中，考虑到人身安全、防止烧坏元器件和更好的调试硬件电路等问题，本设计并没有直接将0250V的交流电接入硬件电路，而是将硬件电路与0250V的交流电隔开，在0250V的交流电和硬件电路之间用互感器对强电信号进行衰减，变成弱电信号，然后再对该衰减后的弱电信号进行采集，这样就会很安全。电路的电压信号用电压互感器进行衰减，电流信号用电流互感器进行衰减。被测电路中的电压相位和电流相位经过互感器后的相位差很小，可以忽略不计。电压电流信号衰减之后还是交流信号，而本设计中ADC08

15、09是对直流电信号进行采集的，所以在信号接入AD转换器之前须将交流信号转换成05V的直流电，因为ADC0809的基准电压时直流5V。在硬件电路设计中多次采用了电容滤波来消除干扰信号，可以提高信号的精确度，同时也可以解决信号传输中的衰减问题。又考虑到单片机的驱动能力很小，在设计中加入了74HC464驱动LCD1602液晶显示。整个硬件系统主要由以下几部分组成：(1)电源信号衰减电路：将输入的0-250V被测电压信号衰减成O5V；将输入大电流信号衰减成小电流信号。(2)相位差比较电路：将电压和电流的相位进行比较，完成相位差的计算。(3)模数转换及控制电路：完成对采集数据的处理和对系统的控制。(4)

16、显示电路：由74HC164HE和LCD1602组成，将测量的电压、电流信号、有功功率和无功功率显示出来。(5)整流电路：将交流电整流成低压直流电5V，作为电源供给硬件电路中的LM393芯片、单片机、ADC0809的基准电压和LCD1602的工作电压。1.1 技术要求电压测量范围：0-250V， 误差 2 V；电流测量范围：0-5A，误差 0.1 A；功率测量范围：0-1250W, 误差 1 W；可用现场提供的220V交流电源。1.2 系统原理及基本框图本设计主要分为两部分：硬件电路及软件程序。而硬件电路又大体可分为输入信号处理、整流稳压电路、单片机小系统电路、A/D 转换电路、LCD1602显

17、示电路。基本框架图如图1.1所示，信号经过衰减整流处理后进行采集，由AD转换成数字信号，再由单片机控制和计算后将结果送LCD1602显示。由于没有具体要求采用多大幅值的电压，为了方便起见，直接采用现场的220V交流电源。将220V的交流电源衰减为6V的交流信桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 总 35 页3号，所以本文设计了电源电路，将220V交流电转换成电路可用的低压直流电。电压互电压互感器感器A/D转换转换信号信号处理处理单片单片机机结果结果显示显示电压电流电压电流相位差相位差电流互电流互感器感器 图 1.1 交流数字表的原理框图1.3 输入电路为了提高信号质量，A/D

18、转换器的模拟量输入通道IN0-IN7之前采用RC 滤波电路。如图1.2所示；RC 滤波电路A/D 转换器0809模拟量输入图1.2 信号处理框图1.4 交流电源信号衰减电路 这个模块电路主要包含三大部分，即电压信号衰减电路、电流信号衰减电路、电压电流相位比较电路。这三个电路在以下将做一一介绍。1.4.1 电压信号衰减电路电压信号衰减电路如图1.3所示，为了人身安全，同时也为了在调试过程中电压过桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 总 35 页4大而烧损元器件，所以不该直接接入0250V的交流电源，应先对输入电压进行衰减，该设计中用电压互感器T0进行交流衰减，衰减整流输后应为05

19、V直流电压。降压后的交流接入一个理想的整流桥，再接一个100uF的电容，整流桥输出直流电压信号中号会暂存一些纹波和谐波，为了提高电压信号的精确度，需要加入滤波电路，如图所示，C1和C2除了滤去直流电压信号残留的一些杂波，提高了信号质量之外，同时还起到稳压升压的作用。由于加入滤波电路之后，整流桥输出的直流电压值=，OU22u24 . 1 u其中是互感器的二次输出端的电压的有效值，而互感器二次侧的电压变化范围为02u5V，即IN0的对地电压的范围为07V，已经超过了ADC0809的基准电压5V，所以IN0对地的电压必须控制在5V之内才能进行测量，所以本电路电压的衰减比例为250:3.5，输出的最大

20、直流电压为4.9V。经过整流后得到的直流电压信号直接接入ADC0809的输入通道IN0，进行AD转换。因此在显示测量的电压值应该是IN0对地的电压=51,当然，这个关系系数在主控制电路的单片机软件中设置)5 . 3/250*)4 . 1/(（inoUinoU的。理论上，显示的电压值的范围：0250V。T 01234D 1C1+C2IN0一一一一一一一一一一 图1.3 电压信号衰减电路1.4.2 电流信号采集电路测量电流的方法一般分成直接式和非直接式两种直接式一般通过电阻进行，根据欧姆定律电流的大小和电压成正比，因此可以通过测量一个小电阻的电压差得到所经过电流的大小非直接式测量一般通过监控电流产

21、生的磁场得到，由于电流周围本身会产生磁场，电流的大小和磁场成正比，因此可以通过测量磁场的大小得到经过电流的大小直接式用于测量相对较小的电流以及电压不高的情况，非直接式不带有任何导电关系，因此可用于测量相对较大的电流以及相对较高的电压 本电流采集电路采用的方法是直接采集方式，如图1.4所示，整个电路的设计思想是欧姆定律。电流互感器二次端输出的电流流过一个已知阻值的纯电阻R，在电阻两端会产生压降U，根据欧姆定律U=RI就可以计算出电路中电流I=U/R。本电路的设计原理和电压信号采集电路的原理是类似的，因为电流互感器二次端输出的电流是交流信号，所以在电阻上产生的压降也是交流电压，所以必须将交流信号进

22、行整流后才能接入桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 总 35 页5ADC0809的1通道IN1。图中的R1是精密电阻，为的是减小R1两端电压，使测量的结果更加准确；电路的D1、C1和C2的原理和图1.3的原理是一样的，IN1对地电压的计算方法也是IN0对地电压的计算方法是一样的。显示电流大小应为：05A。T 1+C1C2一一一一一一一一一一IN11234D 1R1 图1.4 电流采集电路1.4.3 电路电压电流相位差电路电压电流相位差电路如图 1.5 所示，由于交流互感器的一次侧和二次侧的相位差很小，可以忽略不计，所以可以直接从互感器的二次交流信号采集电压和电流的相位，进行比

23、较之后即可得到相位差，从而可以计算功率因数，以致得到有功功率和无功功率。根据电路知识可以知道，交流电信号经过纯电阻电路后的相位是不改变的，如图所示，电压电流信号分别通过 R5 和 R6 之后,各自的相位并没有改变，保持原来的相位，因此可以通过比较衰减后的电压和电流的相位就可得到相位差。图中的 R1 和 R2 起限流作用，R3 和 R4 是 LM393 电压比较器的上拉电阻，由于 LM393 电压比较器是集电极开路输出的，所以必须加上拉电阻，才能输出高电平，否则单片机有可能检测不出其输入信号是高电平还是低电平，会造成误差；C1 和 C2 起到对输入信号滤波的作用，使输出的波形信号更准确；在信号通

24、过比较器之前，每个比较器都 由两个二极管反向并联组成了钳位电路 ，一次只能有一个二极管导通，而另一个处于截止状态，那么它的正反向压降就会被钳制在二极管正向导通压降0.5-0.7V 以下，从而起到保护电路的目的。当被测电路中只有电阻负载时，电路中的电压和电流的相位是同相的，两个交流信号通过比较器后相位差为；当被测电路中还存在其他的负载（容抗和感抗），电00流的相位会超前或滞后电压的相位。如图所示，过零电压比较器 LM393 的引00090脚 3 是电压相位信号的输入端，其信号与引脚 2 进行比较，由于引脚 2 是接地的，所以信号为零，引脚 3 只要一过零点输出高电平或低电平。同理，LM393 的

25、引脚 5 是电流相位信号的输入端，其信号与引脚 6 进行比较，过零时输出高电平或低电平，经过过零比较器后得到的电压方波信号接至单片机的 INT0 口，经过过零比较器后得到的电流方波信号接至单片机的 INT1 口，两个中断都是下降沿中断，INT1 一产生中断就开始计时，INT0 一产生中断就停止计时。因为 T0（或 T1）在做定时器使用时，输入的时钟脉桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 总 35 页6冲式有晶体振荡器的输出经 12 分频后到的，所以定时器可看作是对单片机机器周期的计数器，因此它的技术频率为晶振频率的 1/12，该系统用的是 12MHZ 的晶振，则点时期没接收一个

26、技术脉冲的时间间隔为 1us.所以在这段时间内的时间长度为 Tus,T 即为图 5.1 中方波信号 3 高电平部分的时间长度；从而可以计算其相位差。由于已知电路交流信号的频率为 50HZ，所以它的周期为 0.02s,所以所测到的相位差为(T/10000)*。从而就可以计算出功率因数，以致可以有功功率和无功功率。其输出信号波形如图 1.6，图 1.7 所示 2 号波形是电压信号，2 号是电流信号波形，3 号波形信号为比较后得到的波形。其实本电路的相位比较方法还有一种，就是将两个比较器的输出信号同时接到一个或非门，比较后输出的波形如图 5.2 中的 3 号波形，再将该波形信号当做外部中断源接入单片

27、机的 INT0 脚，同时将该信号接入单片机的 T0 脚，当出现高电平时 T0 开始计时，当信号由高变低时，INT0 产生中断，T0 停止计时，并读取计时时间长度 Tus,然后再将 1/2 周期的时间 10000us 减去 Tus,得到的时间就是相位差所占的时间，计算公式为：（10000-T）*/10000,因此即可计算功率角。由于还要添加一块或非门的芯片，增加了电路的复杂度，而且还浪费资源，但是前一种方法在产生中断时需要延时，所以误差比较大，为了提高信号的精确度，最终采用了后一种比较方法。R14KR24KR34k567U 1LM39332148V +V -U 1LM393V CCR44kD 1

28、1D 22D 33D 44123U 2A74021J6INT0C1104C2104T0T1一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一R5R6图1.5 电压电流相位差电路桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 7 页 总 35 页7123 图1.6 电压与电流相位差波形图123图1.7 电压与电流相位差波形图LM393的两个输出端信号电路都需要加电容滤波，把信号中残留的杂波滤掉，否则在信号进入单片机，信号中的杂波会使输出端出现错误或误差。同时，LM393电压比较器，是集电极开路输出的，所以必须加上拉电阻，才能输出高电平。芯片LM393工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：236

29、V，双电源:118V；所以在电路设计中就使用单电源+5V直流电压供电。图1.8 LM393内部框图1.5 A/D 转换电路1.5.1 AD 转换电路的接口设计AD转换器是将模拟信号转换成数字信号的器件或装置，是一种模拟系统和计算机之间的接口，在数据采集和控制系统中得到了广泛的应用。单片机对模拟信号的读取是采用A/D的转换方式，这一方法对输出阻抗低，惰性强，变化缓慢，传输距离长的信号，采用A/D转换的抗干扰性能就比较差。对于不需要较快检测速度信号采集时，桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 8 页 总 35 页8CPU发出指令，定时时间一到，从读到的计数乘以一定的系数，就可以得到相应的电

30、压值。常用的AD转换方式有逐次逼近式和双斜积分式，考虑到前者转换时间短，因此选用逐次逼近式AD转换器。ADC0809为8位逐次逼近式AD转换器，分辨率为，82/1转换时间100s左右。在本系统中选用+5V的直流电压为基准电压，所以ADC0809的分辨能力为5V/25519.6mv, 19.6*51=999.6mv=1V,而本系统要求的电压误差小于或等于2V,电流的误差小于或等于0.1A,功率误差小于或等于1W,从以上的分析中看出，0809的分辨能力完全能够满足要求。AD转换器采用集成电路ADC0809。ADC0809具有8路模拟量输入信号IN0一IN7(15、2628脚)，地址线C、B、A(2

31、325脚)决定哪一路模拟输入信号进行AD转换，本电路只需两个输入通道，即IN0和IN1.为了在画PCB时能够更好布线，将地址线C、B、A分别接至单片机的P2.0、P2.1、P2.2，所以IN0和IN1的地址线选择应分别为的值分别为000和010，即选择O号通道输入模拟量电压信号，选择1号通道输入模拟量电流信号。22脚ALE为地址锁存允许控制信号，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。6脚START为启动控制信号，当输入为高电平时，AD转换开始。本电路将ALE脚START脚接到一起，也就是地址锁存和AD转换启动是分时进行的，共同由单片机的P23脚控制。7脚EOC为AD转换结束信号，当AD转换结束

32、时，7脚输出一个正脉冲，此信号可作为AD转换是否结束的检测信号或向CPU申请中断的信号，本电路连接到单片机的P35脚。9脚0E为AD转换数据输出允许控制信号，当OE脚为高电平时，允许读取AD转换的数字量。该OE脚由单片机的P3.4脚控制。10脚CLOCK为ADC0808的实时时钟输入端，利用单片机P3.6引脚定时输出一个脉冲信号给ADC080910脚一个时钟时钟信号。数字量输出端8个接到单片机的P0口。 P0 P2.2 P2.1 P2.0 P2.3 P3.0 P3.5 P3.689S52OUT1OUT8ADD AADD B ADD CSTARTALEOEEOCCLOCK 图1.9 A/D转换设

33、计电路桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 9 页 总 35 页91.5.2 ADC0809 芯片介绍1主要特性1）8路8位AD转换器，即分辨率8位。 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为100s。4）单个5V电源供电。 5）模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-4085摄氏度 7）低功耗，约15mW。 2外部特性（引脚功能） ADC0809 芯片为 28 引脚为双列直插式封装，其引脚排列见图 8。对 ADC0809 主要信号引脚的功能说明如下：IN7IN0模拟量输入通道ALE地址锁存允许信号。对应 ALE 上跳沿，A、B、C 地址状态送入地址锁存器中

34、。START转换启动信号。START 上升沿时，复位 ADC0809；START 下降沿时启动芯片，开始进行 A/D 转换；在 A/D 转换期间，START 应保持低电平。本信号有时简写为 ST.A、B、C地址线。通道端口选择线，A 为低地址，C 为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB 和 ADDC。其地址状态与通道对应关系见表 9-1。CLK时钟信号。ADC0809 的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为 500KHz 的时钟信号。EOC转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请

35、求信号使用。D7D0数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高 。OE输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。Vcc +5V 电源。 Vref参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5VADC0809 的工作过程是：首先输入 3 位地址，并使 ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器。START 上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD 转

36、换，之后 EOC 输出信号变低，指示转换正在进行。直到 AD转换完成，EOC 变为高电平，指示 AD 转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 10 页 总 35 页10可用作中断申请。当 OE 输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。ADC0809 是根据逐位逼近的方法产生数据的。 多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8 路模拟量分时输入，共用一个 A/D 转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对 A、B、C 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放

37、、输出，因此可以直接与系统数据总线相连。运用 ADC0809 的工作原理及其各个功能，结合本课题要求，ADC0809 转换模块的接线图如图 1.10 所示。 图1.10 A/D转换电路 IN0 是电压信号接入通道，它的模拟信号变化范围：05V 的直流电压，转换为数字信号传送给单片机，再经过单片机传送给 74HC164，最后将数据送给 LCD1602 显示输出。IN1 是电流信号接入通道（其实是电压信号），其工作原理和 IN0 的工作原理是一样的。引脚 12 是接+5V 直流电压的基准电压。P2.0、P2.1、P2.2 是 38 译码器的三个通道选择端，当选择 IN0 通道时，P2.0、P2.1

38、、P2.2 的电平应分别为：0、0、0。当选择 IN1 通道时，P2.0、P2.1、P2.2 的电平应分别为：0、1、0。当 ADC0809 模/数转换结束时。EOC 输出高电平 1,即给单片机的 P3.5 口一个高电平，通知单片机模/数转换已经结束，单片机立即产生中断请求信号，并准备接收 ADC0809 发送的数据。ALE 和START 同时连接到单片机的 INT0 口，上升沿时，A、B、C 地址状态送入地址锁存器中。同时，复位 ADC0809；START 下降沿时启动芯片，开始进行 A/D 转换；在 A/D 转换期间，START 应保持低电平。本信号有时简写为 ST。引脚 10 接至单片机

39、的 P3.6 口，通过单片机的软件设置，使得 P3.6 口给 ADC0809 一个时钟脉冲信号，是 A/D 转换器能正常工作。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 11 页 总 35 页111.6 主控电路的设计1.6.1 主要功能51 系列单片机的主要功能为： （1） 8 位 CPU。 （2） 片内带振荡器，振荡频率 fosc 范围为 1.212MHZ；可有时钟输出。 （3） 128 个字节的片内数据存储器。 (4） 4K 字节的片内程序存储器。 （5） 程序存储器的寻址范围为 64K 字节。 （6） 片外数据存储器的寻址范围为 64K 字节。 （7） 21 个字节专用寄存器。 （8

40、） 4 个 8 位并行 I/O 接口：P0、P1、P2、P3。 （9） 1 个全双工串行 I/O 接口，可多机通信。 （10）2 个 16 位定时器/计数器。 （11）中断系统有 5 个中断源，可编程为两个优先级。 (12）111 条指令，含乘法指令和除法指令。 （13）有强的位寻址、位处理能力。 （14）片内采用单总线结构。 （15）用单一+5V 电源。1.6.2 内部结构框图 MCS-51 系列单片机的内部结构框图如下图所示。 图 1.11 MCS-51 系列单片机的内部结构框图桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 12 页 总 35 页12 由图可大致看到：它含运算器、控制器、片

41、内存储器、4 个 I/O 接口、串行接口、定时器/计数器、中断系统、振荡器等功能部件。图中 SP 是堆栈指针寄存器，栈区占用了片内 RAM 的部分单元；未见通用寄存器（工作寄存器） ，因单片机片内有存储器，与访问工作寄存器一样方便，所以就把一定数量的片内 RAM 字节划作工作寄存器区； PSW 是程序状态字寄存器，简称程序状态字，相当于其他计算机的标志寄存器；DPTR 是数据指针寄存器，在访问片外 RAM、片外 ROM、甚至扩展 I/O 接口时特别有用；B 寄存器又称乘法寄存器，它与累加器 A 协同工作，可进行乘法操作和除法操作。1.6.3 外部引脚说明MCS-51系列单片机芯片有 40 个引

42、脚。用 HMOS 工艺制造的芯片采用双列直插式封装，现将各引脚分别说明如下： 1. 主电源引脚 VCC：接+5V 电源正端。 VSS：接+5V 电源地端。 2. 外接晶体引脚 XTAL1：片内反相放大器输入端。 XTAL2：片内反相放大器输出端。外接晶体时，XTAL1 与 XTAL2 各接晶体的一端，借外接晶体与片内反相放大器构成振荡器。 3. 输入/输出引脚 P0.0P0.7：P0 口的 8 个引脚。在不接片外存储器与不扩展 I/O 接口时，可作为准双向输入/输出接口。在接有片外存储器或扩展 I/O 接口时，P0 口分时复用为低 8 位地址总线和双向数据总线。P1.0P1.7：P1 口的 8

43、 个引脚。可作为准双向 I/O 接口使用。 P2.0P2.7：P2 口的 8 个引脚。一般可作为准双向 I/O 接口；在接有片外存储器或扩展 I/O 接口且寻址范围超过 256 个字节时，P2 口用为高 8 位地址总线。P3.0P3.7：P3 口的 8 个引脚。除作为准双向 I/O 接口使用外，还具有第二功能，见表11。 表11 输入/输出引脚引脚符号第二功能P3.0RXD串行输入口P3.1TXD串行输出口P3.2INT0外部中断 0 请求输入端P3.3INT1外部中断 1 请求输入端P3.4T0定时器/计数器 0 计数脉冲输入端P3.5T1定时器/计数器 1 计数脉冲输入端P3.6WR片外数

44、据存储器写选通信号输入端桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 13 页 总 35 页13P3.7RD片外数据存储器读选通信号输入端4. 控制端 ALE/ PROG ：地址锁存有效信号输出端。在访问片外程序存储器期间，每机器周期该信号出现两次，其下降沿用于控制锁存 P0 口输出的低 8 位地址。 PSEN ：片外程序存储器读选通信号输出端，或称片外取指信号输出端。在向片外程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期该信号两次有效（低电平） ，以通过数据总线。 RST/VPD：RET 写全是 RESET，是复位端。单片机的振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平就可实现复位操作，使

45、单片机回复到初始状态。上电时，考虑到振荡器有一定的起振时间，该引脚上高电平必须持续 10ms 以上才能保证有效复位。 VCC 掉电期间，该引脚如接备用电源 VPD（+5V0.5V）,可用于保存片内 RAM 中的数据。当 VCC 下降到某规定值以下，VPD 便向片内 RAM 供电。 EA /VDD：片外程序存储器选用端。该引脚有效（低电平）时只选用片外程序存储器，否则计算机上电或复位后先选用片内程序存储器。 综上所述，对 MCS-51 系列单片机的引脚可归纳出下列两点： 单片机功能多，引脚少，许多引脚都具有第二功能。 单片机对外呈三总线形式。由P2、P0组成16 位地址总线；由 P0 分时复用为

46、数据总线；由ALE、PSEN、RST、EA与 P3口中的INT0 、INT1、T0、T1、WR、RD共10 个引脚组成控制总线。因是 16 位地址线，使片外存储器的寻址范围达到64K 字节。1.6.4 单片机复位电路单片机在启动运行时需要复位，使CPU以及其他功能部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，单片机应用程序必须以此作为设计前提。另外，在单片机工作过程中，如果出现死机时，也必须对单片机进行复位，使其重新开始做。根据应用的要求，单片机的复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。不管是何种复位电路，都是通过复位电路产生复位信号（高电平有效）由RST/VPD引脚送入到内

47、部的复位电路，对 MCS-51 进行复位。复位信号要维持两个机器周期（24 个时钟周期）以上，才能使 MCS-51 单片机可靠复位。如果 RST 持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。主控电路中的复位电路如图 1.12 所示，上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。图中电容 JC 和电阻 R1 对电源十 5V 来说构成微分电路。上电后，保持 RST 一段高电平时间。上电复位电路利用电容器充电来实现复位。上电瞬时 RST/VPD端的电位与VCC 等电位，RST/VPD为高电平，随着电容器充电电流减的少，RST/VPD的电位不断下降，桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 14 页 总

48、35 页14其充电时间常数为 1010-5 10103=100ms,此时间常数足以使 RST/VPD在保持为高电平的时间内完成复位操作。+JC10ufR110kV CCRST 图 1.12 复位电路 1.6.5 单片机在系统中的应用在整个系统中，单片机是主控制电路，是它对整个系统发号施令的，它就像计算机的CUP，起核心作用。但是它能发号施令是有条件的，这个条件就是必须由外电路给单片机提供一个时钟信号，有了这个时钟信号单片机才能工作，这个外部电路就是晶振电路，其接法如图11所示。功能为：采用P1.0、P1.1、P1.2 分别控制液晶显示LCD1602的RS、RW、E引脚， P1.3给74HC16

49、4的引脚8提供时钟信号。P1.5输出串行数据，逐位发送给74HC164。电路中采用INT0和INT1来测相位差，其工作原理如下：INT0和INT1都是下降沿中断，当INT0的外部信号由高电平变为低电平的瞬间，INT0立即发出中断请求，即下降沿中断，一中断就开始计时，当INT1的外部信号由高电平变为低电平的瞬间立即发生中断请求，一中断立即停止计时，然后由单片机读取所计时的时间Tus，由于交流电源的频率为50HZ,周期为20000us,从而得出本次测得的相位差为（T/10000）*，即可计算出功率因数。在这段时间内完成了一次相位差检测，下次单片机又这样反复的进行操作。利用单片机的定时器和中断原理，

50、并通过软件设计，使单片机的P3.6/WR口输出周期性的脉冲信号，给ADC0809提供时钟信号，使A/D转换器能够正常工作。单片机通过P2.3给0809一个上升沿信号，使A/D转换器复位，同时地址锁存器把锁存地址状态送锁存器，变为低电平时，地址状态被锁存，同A/D转换器开始进行A/D转换。当转换结束后ADC0809的转换结束信号EOC产生一高电平，即向单片机P3.0发出转换结束信号，当单片机知道A/D已经转换完毕，这时，如果单片机检测到0809的输出允许控制端的信号为高电平时，说明可以接收转换后的8位数据；如果0809的输出允许控制端的信号为低电平，单片机继续等待高电平的出现。通过软件设置。P0

51、.0P0.7是ADC0809经过A/D转换后得到的数据发送给单片机P0口，再由P1.5口传送给显示电路。同时在这两者之间还加了一个1K的排阻进行限流，同时也起缓冲作用，使电路工作更加稳定。P2.0、P2.1、P2.2是ADC0809地址译码器的三个控制端，整个系统只需要0809的两个通道，即通道0和通道1，P2.0、P2.1、P2.2只有两个值，分别为：0、0、0和0、1、0。电路电路的设计与接线如图1.13所示。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 15 页 总 35 页15 图1.13 主控电路1.7 显示电路在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已被运用于很多电子产

52、品中，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中，发光管和 LED 数码管比较常用，软硬件都比较简单。一般的输出方式有以下几种：发光管、LED 数码管、液晶显示器。在本设计电路中显示模块由LCD1602和74HC164组成。LCD1602 是一个能够显示两行 16 个字符的显示屏。在单片机系统中，相对于其他输出器件来说，LCD1602 液显示器有以下几个优点：（1）显示质量高：由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光。（2）数字式接口：液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。（3）体积小、重量轻：液晶显示器通过显示屏上的

53、电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。 （4）功耗低：相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动 IC 上，因而耗电量比其它显示器要少得多。74HC164是一块8位串入并出的移位寄存器，使用74HC164后占用单片机的I/O口由8个减少到1个，使电路得到简化，提高了工作效率。此外，74HC164还有另外一个功能，就是用来驱动LCD1602。系统的显示电路如图1.14所示:桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 16 页 总 35 页16数据/命令选择端 RS、读/写选择端 RW、使能信号端 E 分别由单片机的P1.0、P1.1、P1

54、.2 控制，74HC164 工作所需的时钟信号由单片机的 P1.3 提供，74HC164 数据端与单片机的 P1.5 相连接，P1.5 串行输出数据，当 74HC164 接收到从单片机传送过来的 8 位数据时，它立即传送给 LCD1602 显示出来。 图 1.14 显示电路1.8 整流电路整个硬件系统没有外部提供的稳压电源，也就是元器件工作所需要的工作电压没有得到解决。电路中的 LM393、ADC0809、AT89S52、74HC164 和 LCD1602 工作时所需的电压都是+5V 的直流电压，ADC0809 的基准电压也是+5V,所以就必须要做一个输出+5V 的直流电源，其电路如图 12

55、所示。可用现场提供的 220V 交流电源衰减为 6V的交流电源，经过整流桥后再接一个+5V 的三脚稳压管 7805，输出端就是+5V 的直流电源，电路中的电容起到滤波和稳压的作用，使输出的电压更稳定。2134D 0BRID GE 1+C1470uF+C3100uF123VVG NDINO UTU 27805C2105C4105T 1220V6V+5V 图 1.15 整流电路桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 17 页 总 35 页172 软件系统的设计 硬件电路和软件程序是组成一个系统不可缺少的两个部分，二者的正确与否直接影响整个程序的可实现性。在上一章已经将整个系统的硬件部分做了介

56、绍，在这一章中将就系统的软件部分加以分析说明。2.1 主程序的设计分析本设计，可知其软件多要完成的功能是：对交流电源信号衰减电路的三个输出信号进行采集，即电压信号、电流信号和相位差。在软件设计中还要计算出采集的电压信号与实际电路中的关系，最后还要乘以相关的倍数。相位差还要计算出其的功率角，算出功率因数，最后算出其有功功率和无功功率。最终将这些数值传送给LCD1602 显示出来。以后将再次进行采集，重复上述操作。主程序的功能应该为计算出关系系数，乘以关系系数，最后传送给 LCD1602 显示出来。本设计的主程序流程图如下： 图 2.1 主程序流程图开始LCD1602 初始化ADC0809 采集信

57、号数据转换软件计算倍数关系和功率因数显示测量结果2.2 子程序的设计本软件系统的设计中有三大子程序，即 ADC0809 采集、中断计时和 LCD1602 显示。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 18 页 总 35 页18这三个子程序将在后面段落中进行详细分析。2.2.1 A/D 转换程序的设计在本子程序中要进行采集两个通道的电压信号，所以要分时进行，先采集通道 0，再采集通道 1；但是由于采集两个通道信号相隔的时间很短，从视觉上可以认为是同时进行的，对测量的结果是没有影响的。选择通道后就启动 A/D 转换器，进行数据转换，转换结束后将采集数值返回给主函数。该程序的流程图如下： N

58、Y选择通道，先选通道 0，再选通道 1启动 A/D转换完?开 始取数据延 时 图 2.2 AD 采集程序流程图2.2.2 相位差程序的设计这个子程序主要实现的功能是计算出相位差，获取相位差后才能计算功率因数。从而才能计算有功功率和无功功率。电路中电压电流的波形经过过零比较器后输出两个周期性的方波信号,将这两个信号接入 74LS02 后得到的信号接至单片机的 INT0 端口。当被测电路中只有纯电阻负载时，电路中的电压和电流的相位是同相的，两个交流信号通过比较器后相位差为；当被测电路中还存在其他的负载（容抗和感抗），电流00的相位会超前或滞后电压的相位。在本软件设计中，INT0 检测到有高电平时0

59、0090桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 19 页 总 35 页19定时器 T0 开始计时，当 INT0 检测到低电平时停止计时并返回计时时间长度 T。如果存在相位 T0,即可得到相位差为(10000-T) */10000)。在进行下一次检测之前，T 清零。如果不存在相位差时，T=0。该子程序的流程图如下图所示： N Y N Y 图 2.3 相位差程序流程图2.2.3 显示程序的设计该部分软件设计需要一片 74HC164 将单片机发出的串口数据转成并口。单片机P1.5 口给 74HC164 发送串行数据，当接收的数据位数达到 8 位时，74HC164 将数据直接发送给 LCD160

60、2 显示出来。LCD1602 显示的软件设计首先是初始化，接着写指令，写数据。具体的程序清单在附录中可以看到。该程序的流程图如下：开 始初 始 化P3.2=1？T 开始计时P3.2=0？T 停止计时返回 T 值并 T=0桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 20 页 总 35 页20 Y N Y N 图 2.4 显示程序流程图开始开始延延 时时忙信号？忙信号？写指令写指令显示模式设置显示模式设置结结 束束忙信号？忙信号？显示清屏显示清屏显示光标移动显示光标移动设置设置显示开及光标显示开及光标设置设置延延 时时桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 21 页 总 35 页213 系