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1、1/42 摘 要 近年来随着计算机在社会领域渗透,单片机应用正在不断地走向深入。在实时检测和自动控制单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用。本论文详细阐述了功率测量系统设计思路和具体设计步骤。依据单片机接口技术原理，以测量功率为主要设计意图。以单片机为核心，着重介绍了 51 单片机在系统中重要地位，以及其外围硬件电路芯片结构特点、功能和管脚知识。集测量、显示等功能于一体，设计完整、结构清晰、操作简单。在本设计中，是采用对电路中电压和电流分别进行采样，再经模数转换器 ADC0809，将模拟量变为对应数字量，利用 6 合一数码管显示电压和功率。本文详细论述了硬件电路组成。利用单片机完
2、成整个测量电路测试控制、数据处理和显示输出。关键词 单片机 模数转换 功率表 采样 正文 1 引言 近年来，随着电子技术、计算机技术和半导体技术飞度发展，给电力系统测量也带来了巨大革命。提高电能测量技术-改机械式功率表为智能型数字功率表已成为时代要求。电力测量系统智能型数字表通常是以单片机为核心，配置一定外围电路和软件，能够实现多种功能。在软件和硬件设计中，系统抗干扰性和系统实时性及准确度成了解决数字表关键所在。单片机具有成本低、可靠性高、应用灵活特点。由各具体行业业内人士使用单片机来开发或改造一般仪表是一条可行道路。在电工及电子技术应用中,2/42 经常要测量功率。它是利用通有电流可动线圈在
3、另一个通电线圈形成磁场中产生转动力矩而工作仪表,其显著缺点是结构复杂、过载能力较差，本身消耗功率较大,且易受外磁场影响，同时这样功率表一般都是多量程，在测量过程中需有电压表和电流表配合选定电压和电流量程，在选择不同电压和电流量程时，刻度盘上每一分格代表不同瓦特数，读得格数需要进行换算才能得出所要测量功率,致使测量很不方便。另外在功率测量中，经常遇到被测电路功率因数很低情况,这时必须采用专门低功率因数功率表。基于功率表是电工仪表中最常用一种仪表，目前常用是指针式电动系功率表。而为了更为精确显示测量结果，数字功率表设计成为了必然。在本设计方案中，采用方案是先采样电压和电流。采样计算功率电能测量技术
4、是随着计算机技术而发展起来，它是建立在数值分析基础上，通过快速S/H 放大器和A/D 转换器对连续变化模拟信号进行离散化，用数字量运算代替模拟量运算测量交流电参量新方法。经过二十多年探索发展和深入研究，出现了同步采样算法、准同步采样算法、非同步采样算法、加窗函数法、补偿法、双速率采样法、非均匀采样法、随机采样法、模拟数字混合采样法、小波函数法等等。这些采样测量方法在实践中，有发展得较为完善成熟，有正处在发展和探索阶段。但是，采样测量理论在电功率电能测量仪器仪表及相关设备发展及应用中，已起到举足轻重作用，是电气测量当前发展一个重要方向。采样测量法研究历史和发展现状采样测量法，也称作数字采样测(D
5、igital Sampling Measurement)英文简称DSM 法，它是七十年代初诞生。1974 年，当时美国NBS（国家标准局）R.S.Turgel博士首次将计算机数字采样技术应用于电功率测量，应用数值积分方法计单片机往往是作为一个核心部件来使用本论文详细阐述了功率测量系统设计思路和具体设计步骤依据单片机接口技术原理以测量功率为主要设计意图以单片机为核心着重介绍了单片机在系统中重要地位以及其外围硬件电路芯片结构分别进行采样再经模转换器将模拟量变为对应字量利用合一码管显示电压和功率本文详细论述了硬件电路组成利用单片机完成整个测量电路测试控制据处理和显示输出关键词单片机模转换功率表采样正
6、文引言近年来随着电子技术计功率表已成为时代要求电力测量系统智能型字表通常是以单片机为核心配置一定外围电路和软件能够实现多种功能在软件和硬件设计中系统抗干扰性和系统实时性及准确度成了解决字表关键所在单片机具有成本低可靠性高应用灵活3/42 算测量功率。R.S.Turgel根据此原理研制了第一台DSM 数字功率表。由于R.S.Turgel采样方法采用了锁相倍频跟踪信号技术，能对被测信号在一个周期内进行整数分割采样，使采样周期及信号周期完全同步，所以，R.S.Turgel使 用 锁 相 信 号 倍 频 采 样 方 法 被 称 作 同 步 采 样 法 SSM(Synchronus Sampling M
7、easurement)。功率表在频率从DC 到1KHz 范围内及NBS 电动式功率标准进行了对比，结果两种测量方法不一致性小于0.02%。1975年，英国NPL（国家物理实验室）应用DDM 技术设计了采样式数字功率表，并作为传递功率标准。在SSM 方法发展中，英国Hull大学John J.Hill及NEI电力公司W.E.Alderson 提出了软件锁相倍频SSM 方法，并研制了频率范围到1KHz、准确0.5%功率表，两位学者指出SSM 方法在电力系统监控及电机保护等领域中，将有相当大实际意义。在英国DSM 功率测量技术及仪表发展中，C.H.DIX起了重要作用，C.H.DIX于1982年发表论文
8、，首次阐明SSM 功率测量方法在正弦信号和非正弦信号情况下误差问题，并指出，在正弦周期信号下，采样点为n，在被测信号m 个周期采样，只要2m/n不为整数，则功率测量误差为零。尽管当时对DSM 误差研究是简单，但这标志着对DSM 功率测量方法研究向前一个跨越式发展。八十年代是DSM 功率测量方法发展最快时期。1982年，美国通用 电 机 研 究 室(General Motors Research Laboratories)DSM采 用M.F.Matouka 方法设计了数字功率电能表，并且用于电气汽车驱动系统测试和交流电机测试中，取得了成功。近二十多年来,电能测量和管理发展很快,逐渐成为一个专门领
9、域,但是由于电能测量较电压、电流等测量复杂和困难,故测量准确度低,通常测量单片机往往是作为一个核心部件来使用本论文详细阐述了功率测量系统设计思路和具体设计步骤依据单片机接口技术原理以测量功率为主要设计意图以单片机为核心着重介绍了单片机在系统中重要地位以及其外围硬件电路芯片结构分别进行采样再经模转换器将模拟量变为对应字量利用合一码管显示电压和功率本文详细论述了硬件电路组成利用单片机完成整个测量电路测试控制据处理和显示输出关键词单片机模转换功率表采样正文引言近年来随着电子技术计功率表已成为时代要求电力测量系统智能型字表通常是以单片机为核心配置一定外围电路和软件能够实现多种功能在软件和硬件设计中系统
10、抗干扰性和系统实时性及准确度成了解决字表关键所在单片机具有成本低可靠性高应用灵活4/42 仪器为210级,015 级就已是标准仪器了。实现功率测量必须有一个能将两输入电量相乘电路结构,目前数字功率表大多使用称为时间分隔乘法器一种模拟乘法电路来实现相乘。时间分隔乘法器又称脉冲宽度高度调制乘法器,它通常具有优良静态精度,在相当宽温度范围内可以达到千分之一,然而,由于这种乘法器输出滤波器固有相移,使之受到严重动态限制.即使三角波频率达到兆赫兹范围,乘法器带宽仍然很有限,典型-3 dB 带宽可能在1 KHz 以下。另外,时间分隔乘法器电路比较复杂,调整也较繁琐,尽管如此,在静态精度要求较高场合,这种方
11、法还是经常采用。随着微机普及和发展,出现了应用微处理器进行数字乘法运算新型功率表采样功率表。1.1 功率表定义 功率定义是在单位时间内所做功。电学上定义为cosIUP。单位为W，这称为平均功率或有效功率。角度为I和E之间相位角，cos称为功率因素。在直流电路中，功率表示式为P=UI；在交流电路中，功率表示式为cosIEP。很显然，要利用一个装置来测量功率，就须反映电压和电流乘积，这无论用电动学测量机械仪表或数字测量仪表均可完成。目前使用最多前者由于其准确度不高，仪表读数易受外磁场影响、仪表本身耗功大、过载能力小、表盘刻度不均匀，已不能完全适应人们快速有效工作生活节奏；随着科技业飞速发展，数字功
12、率表由于精度高、频带宽，不仅可以用于校准指针式功率表，也适合在现场进行功率快速测量。在今天数字时代，其应单片机往往是作为一个核心部件来使用本论文详细阐述了功率测量系统设计思路和具体设计步骤依据单片机接口技术原理以测量功率为主要设计意图以单片机为核心着重介绍了单片机在系统中重要地位以及其外围硬件电路芯片结构分别进行采样再经模转换器将模拟量变为对应字量利用合一码管显示电压和功率本文详细论述了硬件电路组成利用单片机完成整个测量电路测试控制据处理和显示输出关键词单片机模转换功率表采样正文引言近年来随着电子技术计功率表已成为时代要求电力测量系统智能型字表通常是以单片机为核心配置一定外围电路和软件能够实现
13、多种功能在软件和硬件设计中系统抗干扰性和系统实时性及准确度成了解决字表关键所在单片机具有成本低可靠性高应用灵活5/42 用前景是非常广阔。1.2 功率数字测量 用功率转换器及数字电压表相配就可以实现功率数字测量。功率转换器实质上就是一个电子乘法器，其特点是它输出电压大小正比于它两个输入电压数值积。因此，如果让一个输入电压正比于负载电压大小，而另一个输入电压正比于负载电流大小，则电子乘法器输出电压，显然正比于负载所消耗功率。再用数字电压表测量这个乘法器输出电压就可以确定被测功率。当数字电压表显示值按功率接校准时，也就构成了数字功率表。1.3 功率测量方案论证及比较 方案一、测量模拟电压用伏频（V
14、/F）转换器，可将相应电压转化为相应频率，提高测量精确度，对应比例为1mV/Hz。用该方案求功率，也是要分时取电压电流模拟量，再转换为频率，最后用软件处理，实现功率测量。专用V/F转换器有AD650、AD654 等。方案二、利用采样电路分别对电压和电流进行采样，将电流转换成电压，再经乘法电路将两路电压相乘，再经模数转换器，模拟量变为对应数字量，若要使测量精度尽量高，可多次采样几组数据，然后再在程序中处理，求出平均值。原理框图如图1所示：单片机往往是作为一个核心部件来使用本论文详细阐述了功率测量系统设计思路和具体设计步骤依据单片机接口技术原理以测量功率为主要设计意图以单片机为核心着重介绍了单片机
15、在系统中重要地位以及其外围硬件电路芯片结构分别进行采样再经模转换器将模拟量变为对应字量利用合一码管显示电压和功率本文详细论述了硬件电路组成利用单片机完成整个测量电路测试控制据处理和显示输出关键词单片机模转换功率表采样正文引言近年来随着电子技术计功率表已成为时代要求电力测量系统智能型字表通常是以单片机为核心配置一定外围电路和软件能够实现多种功能在软件和硬件设计中系统抗干扰性和系统实时性及准确度成了解决字表关键所在单片机具有成本低可靠性高应用灵活6/42 方案三、可利用专门IC来实现，如AD534 芯片，该芯片既可采样电压，又可采样电流，并将相应模拟电压，电流转换为对应数字量，再将转换后电压，电流
16、相乘，便可得到所求功率。功能描述：输入电由三个相同电压转换电流转换器转换为不同电流，功能框图如图2所示：图2 功能框图 转换功能框图如图3：单片机往往是作为一个核心部件来使用本论文详细阐述了功率测量系统设计思路和具体设计步骤依据单片机接口技术原理以测量功率为主要设计意图以单片机为核心着重介绍了单片机在系统中重要地位以及其外围硬件电路芯片结构分别进行采样再经模转换器将模拟量变为对应字量利用合一码管显示电压和功率本文详细论述了硬件电路组成利用单片机完成整个测量电路测试控制据处理和显示输出关键词单片机模转换功率表采样正文引言近年来随着电子技术计功率表已成为时代要求电力测量系统智能型字表通常是以单片机
17、为核心配置一定外围电路和软件能够实现多种功能在软件和硬件设计中系统抗干扰性和系统实时性及准确度成了解决字表关键所在单片机具有成本低可靠性高应用灵活7/42 图3 转换功能框图 方案四、采用锁相环技术测量功率。锁相就是相位同步自动控制，完成两个电信号相位同步自动控制系统称为锁相环（简称PLL）。因测量功率两个参数电流、电压获取不是同时采样，故需要利用锁相环技术测量功率。由下图可见，锁相环由3个基本单元构成：相位比较器PC、电压控制震荡器VCO、低通滤波器LPF。施加于相位比较器有两个信号：输入信号，压控震荡器输出信号，相位比较器输出信号，经低通滤波器后得到一个平均电压，这个电压控制震荡器频率变化
18、，使输入及输出信号频率之差减小，直到差值为零，此时即是锁定。当锁定后，VCO 能使其输出信号频率跟随输入信号频率变化。利用锁相技术可以实现在电网电压及电流波形发生畸变时进行同步跟踪采样。每个周波采样点数可根据需要选择。PC LPF VCO uc(t)us(t)u0(t)单片机往往是作为一个核心部件来使用本论文详细阐述了功率测量系统设计思路和具体设计步骤依据单片机接口技术原理以测量功率为主要设计意图以单片机为核心着重介绍了单片机在系统中重要地位以及其外围硬件电路芯片结构分别进行采样再经模转换器将模拟量变为对应字量利用合一码管显示电压和功率本文详细论述了硬件电路组成利用单片机完成整个测量电路测试控
19、制据处理和显示输出关键词单片机模转换功率表采样正文引言近年来随着电子技术计功率表已成为时代要求电力测量系统智能型字表通常是以单片机为核心配置一定外围电路和软件能够实现多种功能在软件和硬件设计中系统抗干扰性和系统实时性及准确度成了解决字表关键所在单片机具有成本低可靠性高应用灵活8/42 图4 转换功能框图 方案五、利用采样电路分别对电压和电流进行采样，再经模数转换器，模拟量变为对应数字量，再经处理器处理数字量，若要使测量精度尽量高，可多次采样几组数据，然后再在程序中处理，求出平均值。原理框图如图1所示：图5 转换功能框图 2 采样功率表基本原理 功率若以U(t)和I(t)分别表示信号电压和电流,
20、则在测量时间T 期间内(T 通常为周期信号周期整数倍)信号平均为:ttdtItUTP01 (2-1)电压采样 电流采样 AD 转换 AD 转换 数据处理（乘法 运算）输出结果 单片机往往是作为一个核心部件来使用本论文详细阐述了功率测量系统设计思路和具体设计步骤依据单片机接口技术原理以测量功率为主要设计意图以单片机为核心着重介绍了单片机在系统中重要地位以及其外围硬件电路芯片结构分别进行采样再经模转换器将模拟量变为对应字量利用合一码管显示电压和功率本文详细论述了硬件电路组成利用单片机完成整个测量电路测试控制据处理和显示输出关键词单片机模转换功率表采样正文引言近年来随着电子技术计功率表已成为时代要求
21、电力测量系统智能型字表通常是以单片机为核心配置一定外围电路和软件能够实现多种功能在软件和硬件设计中系统抗干扰性和系统实时性及准确度成了解决字表关键所在单片机具有成本低可靠性高应用灵活9/42 若对信号进行采样,得到离散时间序列U(k)和I(k),则信号平均功率可以表示为:NKkIkUNP11 (2-2)其中N 为时间T 内采样对数。从上述原理出发,组成采样功率表框图如图5所示:图5 功率表原理框图 显然,数字乘法和数字累加可以由微处理机来完成,若使用普通微处理机芯片如Z80、8031 等组成功率表,外围电路至少要二路高速A/D 转换器和二路周期测量机构,电路是比较复杂。随着集成电路发展,目前出
22、现了一些高性能微处理芯片,如计算功能较强16 位嵌入式控制器8097,它有八路转换时间为22s 10 bitA/D 转换器,可以实现对电压和电流信号采样保持和A/D 变换;四路高速输入(HSI)通道可以用来测量电压和电流信号周期和相位等。若8097 实现采样功率表,则模拟电路部分只需要用于电压单片机往往是作为一个核心部件来使用本论文详细阐述了功率测量系统设计思路和具体设计步骤依据单片机接口技术原理以测量功率为主要设计意图以单片机为核心着重介绍了单片机在系统中重要地位以及其外围硬件电路芯片结构分别进行采样再经模转换器将模拟量变为对应字量利用合一码管显示电压和功率本文详细论述了硬件电路组成利用单片
23、机完成整个测量电路测试控制据处理和显示输出关键词单片机模转换功率表采样正文引言近年来随着电子技术计功率表已成为时代要求电力测量系统智能型字表通常是以单片机为核心配置一定外围电路和软件能够实现多种功能在软件和硬件设计中系统抗干扰性和系统实时性及准确度成了解决字表关键所在单片机具有成本低可靠性高应用灵活10/42 匹配放大器和用于频率和相位测量整形电路就可以了,实现起来非常简单。3 主要芯片介绍 3.1 A/D 转换芯片 ADC0809 结构 ADC0809 是8位A/D转换芯片，它是采用逐次逼近方法完成A/D转换，ADC0809 内部结构如图6所示。ADC0809 由单一+5V 电源供电；片内带
24、有锁存功能8路模拟开关，可对8路0-5V 输入模拟电压信号分时进行转换，完成一次转换约为100us；片内具有多路开关地址译码器和锁存电路、高阻抗斩波器、稳定比较器，256R电阻T型网络和树状电子开关以及逐次逼近寄存器。输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接接到单片机数据总线上；通过适当外接、电路，ADC0809 可对0-5V 双极性模拟信号进行转换。单片机往往是作为一个核心部件来使用本论文详细阐述了功率测量系统设计思路和具体设计步骤依据单片机接口技术原理以测量功率为主要设计意图以单片机为核心着重介绍了单片机在系统中重要地位以及其外围硬件电路芯片结构分别进行采样再经模转换器将模拟量变为对应字量利用
25、合一码管显示电压和功率本文详细论述了硬件电路组成利用单片机完成整个测量电路测试控制据处理和显示输出关键词单片机模转换功率表采样正文引言近年来随着电子技术计功率表已成为时代要求电力测量系统智能型字表通常是以单片机为核心配置一定外围电路和软件能够实现多种功能在软件和硬件设计中系统抗干扰性和系统实时性及准确度成了解决字表关键所在单片机具有成本低可靠性高应用灵活11/42 图6 ADC0809引脚图 ADC0809 是28脚双直插式封装，引脚图如图6所示。各引脚功能如下：D7-D0：8位数字量输出脚。IN0-IN7：8路模拟量输入引脚。VCC：+5V 工作电压。GND：地。REF（+）：参考电压正端。
26、REF（-）：参考电压负端。START：A/D转换启动信号输入端。ALE：地址锁存信号输入端（以上START、ALE 两信号用于A/D转换）。单片机往往是作为一个核心部件来使用本论文详细阐述了功率测量系统设计思路和具体设计步骤依据单片机接口技术原理以测量功率为主要设计意图以单片机为核心着重介绍了单片机在系统中重要地位以及其外围硬件电路芯片结构分别进行采样再经模转换器将模拟量变为对应字量利用合一码管显示电压和功率本文详细论述了硬件电路组成利用单片机完成整个测量电路测试控制据处理和显示输出关键词单片机模转换功率表采样正文引言近年来随着电子技术计功率表已成为时代要求电力测量系统智能型字表通常是以单片
27、机为核心配置一定外围电路和软件能够实现多种功能在软件和硬件设计中系统抗干扰性和系统实时性及准确度成了解决字表关键所在单片机具有成本低可靠性高应用灵活12/42 EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。OE：输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。CLK：时钟信号输入端。A、B、C：地址输入线，经译码后可选通IN0-IN7八通道中一个通道进行转换。3.2 A/D 转换芯片 ADC0809 转换通道选通表 表 1 ADC0809转换通道选通表 C B A 选择通道 0 0 0 IN 0 0 0 1 IN 1 0 1 0 IN 2 0 1 1 IN 3 1 0 0
28、 IN 4 1 0 1 IN 5 1 1 0 IN 6 1 1 1 IN 7 单片机往往是作为一个核心部件来使用本论文详细阐述了功率测量系统设计思路和具体设计步骤依据单片机接口技术原理以测量功率为主要设计意图以单片机为核心着重介绍了单片机在系统中重要地位以及其外围硬件电路芯片结构分别进行采样再经模转换器将模拟量变为对应字量利用合一码管显示电压和功率本文详细论述了硬件电路组成利用单片机完成整个测量电路测试控制据处理和显示输出关键词单片机模转换功率表采样正文引言近年来随着电子技术计功率表已成为时代要求电力测量系统智能型字表通常是以单片机为核心配置一定外围电路和软件能够实现多种功能在软件和硬件设计中
29、系统抗干扰性和系统实时性及准确度成了解决字表关键所在单片机具有成本低可靠性高应用灵活13/42 3.3 A/D 转换芯片 ADC0809 时序图 图7 ADC0809时序图 4 硬件电路 4.1 组成原理电路主要器件 电路由一块AT89C51 单片机集成芯片、一块模数转换器ADC0809 芯片、一块运放集成芯片LM324、一个74系列芯片74LS138译码器、一块或非门集成芯片74LS02、一块非门集成芯片4069、一个6合一共阴极数码管，一精密可调电阻等器件组成。4.2 电压、电流采集电路模块 电压、电流采集电路模块，该电路测量电压是由可调电阻滑动端直接单片机往往是作为一个核心部件来使用本论
30、文详细阐述了功率测量系统设计思路和具体设计步骤依据单片机接口技术原理以测量功率为主要设计意图以单片机为核心着重介绍了单片机在系统中重要地位以及其外围硬件电路芯片结构分别进行采样再经模转换器将模拟量变为对应字量利用合一码管显示电压和功率本文详细论述了硬件电路组成利用单片机完成整个测量电路测试控制据处理和显示输出关键词单片机模转换功率表采样正文引言近年来随着电子技术计功率表已成为时代要求电力测量系统智能型字表通常是以单片机为核心配置一定外围电路和软件能够实现多种功能在软件和硬件设计中系统抗干扰性和系统实时性及准确度成了解决字表关键所在单片机具有成本低可靠性高应用灵活14/42 输入到ADC0809
31、0 输入通道IN0口。电流测量：是在测量电路中串接一个1欧姆电阻，然后再把电阻高电位端接到运放输入端，以将电压放大，再送入ADC08091 输入通道IN1口；图 8 电阻网络实现对电压衰减测量 如图8 通过电阻网络实现电压衰减测量输入阻抗约为R=R1+R2+R3+R4。S1 至S4 单独合上时，Vout 大小分别为：S1 单独合上：Vout=Vin*1 S2 单独合上：Vout=Vin*(R2+R3+R4)/(R1+R2+R3+R4)S3 单独合上：Vout=Vin*(R3+R4)/(R1+R2+R3+R4)S4 单独合上：Vout=Vin*(R4)/(R1+R2+R3+R4)单片机往往是作为
32、一个核心部件来使用本论文详细阐述了功率测量系统设计思路和具体设计步骤依据单片机接口技术原理以测量功率为主要设计意图以单片机为核心着重介绍了单片机在系统中重要地位以及其外围硬件电路芯片结构分别进行采样再经模转换器将模拟量变为对应字量利用合一码管显示电压和功率本文详细论述了硬件电路组成利用单片机完成整个测量电路测试控制据处理和显示输出关键词单片机模转换功率表采样正文引言近年来随着电子技术计功率表已成为时代要求电力测量系统智能型字表通常是以单片机为核心配置一定外围电路和软件能够实现多种功能在软件和硬件设计中系统抗干扰性和系统实时性及准确度成了解决字表关键所在单片机具有成本低可靠性高应用灵活15/42
33、 选择R1R2R3R4，由式中可以看出Vout 在一定范围时，电阻网络衰减程度越大，其可输入电压Vin范围越大。只要把R1、R2、R3、R4 参数选好，然后由S1、S2、S3、S4、选择测量电压输出端，即完成量程选择。例如：表头DVM 输入电压为0 5 伏（设DVM 输入阻抗无穷大），要求测量电压量程有5V，50V，100V，250V 档，输入电阻1M 欧，则有：R4=5 1000000 250=20000=20K R3=5 1000000 100-R4=50K-20K=30K R2=5 1000000 50-R4-R3=100K-20K-30K=50K R1=1000000-R4-R3-R2
34、=1000K-20K-30K-50K=900K 在对电流检测方面，由于电流量本来比较小，所以测量到1欧姆电阻上电压量也比较小，直接进行A/D转换会造成比较大误差，需要对测量到电压量进行放大之后再送到A/D转换ADC0809 芯片处理，本设计中使用是LM324 运算放大器组成反相交流放大器。LM324 四运算集成电路，它采用 14 脚双列直插塑料封装，是价格便宜带差动输入功能四运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。可工作在单电源下，电压范围是 3.0V-32V 或+16V。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端 Vo信号及该输入端位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运
35、放输出端 Vo信号及该输入端相位相同。LM324引脚排列顺序见 图 9。单片机往往是作为一个核心部件来使用本论文详细阐述了功率测量系统设计思路和具体设计步骤依据单片机接口技术原理以测量功率为主要设计意图以单片机为核心着重介绍了单片机在系统中重要地位以及其外围硬件电路芯片结构分别进行采样再经模转换器将模拟量变为对应字量利用合一码管显示电压和功率本文详细论述了硬件电路组成利用单片机完成整个测量电路测试控制据处理和显示输出关键词单片机模转换功率表采样正文引言近年来随着电子技术计功率表已成为时代要求电力测量系统智能型字表通常是以单片机为核心配置一定外围电路和软件能够实现多种功能在软件和硬件设计中系统抗
36、干扰性和系统实时性及准确度成了解决字表关键所在单片机具有成本低可靠性高应用灵活16/42 a 一组运算放大器图 b LM324芯片引脚图 图 9 LM324 管脚图 LM324特点有：1.短跑保护输出 2.真差动输入级 3.可单电源工作：3V-32V 4.低偏置电流：最大 100nA（LM324A）5.每封装含四个运算放大器。6.具有内部补偿功能。7.共模范围扩展到负电源 8.行业标准引脚排列 9.输入端具有静电保护功能 反相交流放大器可代替晶体管进行交流放大，电路无需调试。放大器采用单电源供电，由R1、R2 组成1/2V+偏置，C1 是消振电容。放大器电压放大倍数Av 仅由外接电阻Ri、Rf
37、 决定：Av=-Rf/Ri。负号表示输出信号及输入信号相位相反。按图中所给数值，Av=-10。此电路输入电阻为Ri。一般情况下先取Ri 及信号源内阻相等，然后根据要求放大倍数在选定Rf。Co 和Ci 为耦合电容。由LM324 组成基本反相交流放大电路如图 10 所示 单片机往往是作为一个核心部件来使用本论文详细阐述了功率测量系统设计思路和具体设计步骤依据单片机接口技术原理以测量功率为主要设计意图以单片机为核心着重介绍了单片机在系统中重要地位以及其外围硬件电路芯片结构分别进行采样再经模转换器将模拟量变为对应字量利用合一码管显示电压和功率本文详细论述了硬件电路组成利用单片机完成整个测量电路测试控制
38、据处理和显示输出关键词单片机模转换功率表采样正文引言近年来随着电子技术计功率表已成为时代要求电力测量系统智能型字表通常是以单片机为核心配置一定外围电路和软件能够实现多种功能在软件和硬件设计中系统抗干扰性和系统实时性及准确度成了解决字表关键所在单片机具有成本低可靠性高应用灵活17/42 图10 LM324作反相放大器 4.3 模数转换电路模块 采集到电压信号送到 ADC0809 芯片IN-0口，处理后电流信号送到 IN-1口，由 MCU AT89C51 送选通信号进行 A/D 转换后把转换后数字量再送到主芯片中去进行处理，得到功率值，最后把需要数字量用数码管显示出来，如图 11。IN-026ms
39、b2-1212-220IN-1272-3192-418IN-2282-582-615IN-312-714lsb2-817IN-42EOC7IN-53ADD-A25IN-64ADD-B24ADD-C23IN-75ALE22ref(-)16ENABLE9START6ref(+)12CLOCK10U2ADC08 09D0D1D2D3D4D5D6D7VCCCLKViAiINT0P3.5P3.6P3.7 图 11 ADC0809 A/D 转换芯片 单片机往往是作为一个核心部件来使用本论文详细阐述了功率测量系统设计思路和具体设计步骤依据单片机接口技术原理以测量功率为主要设计意图以单片机为核心着重介绍了单片
40、机在系统中重要地位以及其外围硬件电路芯片结构分别进行采样再经模转换器将模拟量变为对应字量利用合一码管显示电压和功率本文详细论述了硬件电路组成利用单片机完成整个测量电路测试控制据处理和显示输出关键词单片机模转换功率表采样正文引言近年来随着电子技术计功率表已成为时代要求电力测量系统智能型字表通常是以单片机为核心配置一定外围电路和软件能够实现多种功能在软件和硬件设计中系统抗干扰性和系统实时性及准确度成了解决字表关键所在单片机具有成本低可靠性高应用灵活18/42 4.4 单片机处理电路和数码管显示电路 由于需要由数码管显示数据很多，如果用 AT89C51输出端口对数码管一个一个进行控制静态显示话，芯片
41、端口明显不够，所以使用 LED动态扫描显示以节约单片机输出端口并且使电路更简洁。本设计中选用是单片机P0口作数码管显示输出，P2口作为对数码管选通如图 13。如图 12 所示为八段 LED显示器结构示意图，从图中可以看出，一个八段 LED由 8 个发光二极管组成。其中 7 个长条形发光管排列成“日”字形，另一个小圆点形发光管在显示器右下角作为显示小数点用。abcdefgh 图 12 数码管各段名称 数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管 8 个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp同名端连在一起，另外为每个数码管公共极COM 增加位选通控制电路，位选
42、通由各自独立 I/O 线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM 端电路控制，所以我们只要将需要显示数码管选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管 COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管点亮时间为 12ms，由于人视觉暂留现象及发光二极管余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描速度足够快，给人印象就是单片机往往是作为一个核心部件来使用本论文详细阐述了功率测量系统设计思路和具体设计步骤依据单片机接口技术原理以测量功率为主
43、要设计意图以单片机为核心着重介绍了单片机在系统中重要地位以及其外围硬件电路芯片结构分别进行采样再经模转换器将模拟量变为对应字量利用合一码管显示电压和功率本文详细论述了硬件电路组成利用单片机完成整个测量电路测试控制据处理和显示输出关键词单片机模转换功率表采样正文引言近年来随着电子技术计功率表已成为时代要求电力测量系统智能型字表通常是以单片机为核心配置一定外围电路和软件能够实现多种功能在软件和硬件设计中系统抗干扰性和系统实时性及准确度成了解决字表关键所在单片机具有成本低可靠性高应用灵活19/42 一组稳定显示数据，不会有闪烁感，动态显示效果和静态显示是一样，能够节省大量 I/O 端口，而且功耗更低
44、。Y112MHZC122PFC222PFR310KS1RESTabcdefgabcdefgdpdpcom2abfcgdedpcom1abfcgdedpabfcgdedpcom3com4abfcgdedpU3SR420561KVCCVCCC310uFABCDEFGDPD0D2D1D3D4D5D6D71 2 3 4 5 6 7 8 9RP110kABCDPDGEFA1B2C3E14E25E36Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77u374LS138P1P2P3P4P1P2P3P4VCCP1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/R
45、XD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732P2.728P2.627P2.526P2.425P2.324P2.223P2.122P2.021VCC40RST9EA31X218X119GND20ALE30PSEN29U1AT89S51Vcc 图 13 AT89C51 及数码干显示电路 5 所需工具软件 5.1 Keil C51开发系统基本知识 Keil C51 是美国Keil Software公司出品5
46、1系列兼容单片机C语言软件开发系统，及汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维单片机往往是作为一个核心部件来使用本论文详细阐述了功率测量系统设计思路和具体设计步骤依据单片机接口技术原理以测量功率为主要设计意图以单片机为核心着重介绍了单片机在系统中重要地位以及其外围硬件电路芯片结构分别进行采样再经模转换器将模拟量变为对应字量利用合一码管显示电压和功率本文详细论述了硬件电路组成利用单片机完成整个测量电路测试控制据处理和显示输出关键词单片机模转换功率表采样正文引言近年来随着电子技术计功率表已成为时代要求电力测量系统智能型字表通常是以单片机为核心配置一定外围电路和软件能够实现多种功能在软件和硬件
47、设计中系统抗干扰性和系统实时性及准确度成了解决字表关键所在单片机具有成本低可靠性高应用灵活20/42 护性上有明显优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。Keil C51 软件提供丰富库函数和功能强大集成开发调试工具，全Windows 界面。另外重要一点，只要看一下编译后生成汇编代码，就能体会到Keil C51生成目标代码效率非常之高，多数语句生成汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言优势。L51是Keil C51软件包提供连接/定位器，其功能是将编译生成OBJ文件及库文件连接定位生成绝对目标文件(.ABS)，源程序多个模块分别经C51及A51编译后
48、生成多个OBJ文件，连接时，这些文件全列于目标文件列表中，作为输入文件，如果还需及库文件(.LiB)相连接，则库文件也必须列在其后。outputfile为输文件名，缺少时为第一模块名，后缀为.ABS。连接控制指令提供了连接定位时所有控制功能。Commandfile 为连接控制文件，其具体内容是包括了目标文件列表，库文件列表及输出文件、连接控制命令，以取代第一种繁琐格式，由于目标模块库文件大多不止1个，因而第2种方法较多见，这个文件名字也可由使用者随意指定。图14为C51工具包整体结构，uVision2 是keil cWindows集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整
49、个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件；然后分别由C51或A51编译器编译生成目标文件(.OBJ)；目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以及库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件单片机往往是作为一个核心部件来使用本论文详细阐述了功率测量系统设计思路和具体设计步骤依据单片机接口技术原理以测量功率为主要设计意图以单片机为核心着重介绍了单片机在系统中重要地位以及其外围硬件电路芯片结构分别进行采样再经模转换器将模拟量变为对应字量利用合一码管显示电压和功率本文详细论述了硬件电路组成利用单片机完成整个测量电路测试控制据处理和显示输出关键词单片机模转换功率表采样正文引言近
50、年来随着电子技术计功率表已成为时代要求电力测量系统智能型字表通常是以单片机为核心配置一定外围电路和软件能够实现多种功能在软件和硬件设计中系统抗干扰性和系统实时性及准确度成了解决字表关键所在单片机具有成本低可靠性高应用灵活21/42(.ABS)；ABS 文件由OH51 转换成标准Hex文件，以供调试器dScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM 中。21 图 14 C51 工具包整体结构图 5.2 仿真软件 proteus 软件介绍 Proteus 软件是来自英国 Labcenter electronics公司 EDA 工具软件