基于单片机的数字功率表的设计概要.docx
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基于单片机的数字功率表的设计概要
学校代码：
11059
学号：
1005072039
HefeiUniversity
毕业设计（论文）
BACHELORDISSERTATION
论文题目：
基于单片机的数字功率表的设计
学位类别：
工学学士
年级专业：
10级电子信息工程
（1）班
作者姓名：
导师姓名：
李海鲲
完成时间：
2014年5月24日
基于单片机的数字功率表的设计
中文摘要
现代科技的发展日新月异，特别是本世纪以来，随着互联网的推动以及电子信息技术的快速发展。
人类已经进入了数字化时代。
功率表一直以来都是重要的工业测量仪表,广泛应用于电工与电子技术领域。
与此同时随着现代计算机技术广泛而深入的发展，单片机的使用和发展愈发的显示其重要地位。
单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
本文主要是以单片机为核心，配合适当的外围电路，通过对电压电流的采样，经过数模转换，将模拟信号转换为数字信号传入单片机，再通过编写程序，然后通过1602液晶显示屏显示所要测量的原器件的电流、电压以及功率。
其中单片机的设计是整个设计中的核心部分，完成整个电路的测量、转换、显示输出，同时可实现单独对电流电压的测量显示，以及对电子器件功率的测量。
本次设计可以实现对元器件的电流电压以及功率的测量，本次设计基本能够完成设计之初所达到的要求。
关键词：
51单片机；A/D转换器电；压电流的采样；显示屏；功率表
TheDesignofdigitalpowermeterbasedonMCU
ABSTRACT
Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofelectronictechnology,computertechnologyandsemiconductortechnology,electricpowersystemmeasurementhasalsoundergoneagreatchange.Powermeterhasbeenindustrialinstrumentationimportant,widelyusedinthefieldofelectricalandelectronictechnology.Atthesametimewiththedevelopmentofmoderncomputertechnologywidelyanddeeply,SCMintheuseanddevelopmentofincreasinglyhadshownitsimportantstatus.Microcontrollerpenetratedintoeveryaspectofourlives,whichisalmostdifficulttofindtracesofthefieldwithoutMCU.Thispaperismainlybasedonthesinglechipmicrocomputerasthecore,withtheappropriateexternalcircuitry,bysamplingthevoltageandcurrent,throughthedigitalanalogconversion,theanalogsignalintodigitalsignalintothemicrocontroller,throughtheprogram,andthenthroughthe1602LCDdisplaycurrent,voltagetobemeasuredandthepoweroftheoriginal.SCMisthecorepartofthewholedesignisthedesignofthewholecircuit,measurement,conversion,displayandoutputcanberealizedonlyoncurrentandvoltagemeasurementsshow,hasbeenmeasuredonelectronicdevicespower.
Measurementofthisdesigncanbeachievedonthedevicecurrentvoltageandpower,thisdesigncancompletethedesignatthebeginningoftherequirements.
KEYWORD:
51MCU;A/Dconverter;samplingvoltagecurrentpowermeter;screen;
第一章前言
近年来，随着计算机应用技术、电子信息技术、以及集成电路的飞速发展，关于电力系统的测量技术也带来了巨大的影响。
提高电能测量精度改进机械式功率表以减少误差，并且能准确的测量多个物理量，是现代电子测量技术的发展方向。
所以数字化电能测量仪器成为了必然的选择。
在设计硬件和软件时，系统的简单实用、在测量的过程中能够抗干扰以及数字表的准确度成了设计制作智能化数字表的关键所在。
在电工与电子技术应用中,经常要测量元器件的功率以及元器件的各种参数。
原始的机械测量由于机械运动，不仅在测量的准确度方面大打折扣，而且操作复杂，容易受到干扰；原始的测量一般都是多量程的，在测量过程中还需要分档调节。
有时候还需要数字换算。
这样下来，不仅费时费力，而且使测量很不方便。
与此同时，基于单片机所开发的各种数字化测量仪器快速发展，并且能很好满足现代测量的技术参数中的各种要求。
基于功率表是电工电子仪表中最常用同时也是比较重要的的一种仪表。
目前常用的指针式电动系功率表有很多的不足和弊端。
为了解决原始测量方式的不足，同时推动现代测量技术的革新，数字功率表的设计成为了必然。
数字功率表可以有效地的克服指针式功率表所带来的各种问题，无论从精度、简易型、实用性方面，数字功率表都是现代测量技术最佳的选择。
1.1研究背景和发展现状
伴随着现代电子信息技术的快速发展，以及计算机技术广泛而深入的应用，各种元器件的广泛使用，对于元器件的各种性能和要求随之产生，这促进了电子测量的快速发展。
相较于传统的测量方法，数字化测量其简单、便捷、实用、高精度使数字化测量成为一种现代重要的测量路径。
虽然数字化测量已经成为电子测量的共识，但是由于是现代测量技术的革新，所以基于数字化电子测量的理念普及率尚还在一个处于开发的水平。
在我们生活的世界里数字化已经到来，数字化是这个时代最大的标识，同时也必然是是社会与经济现代化的集中的体现。
如果把它上升到国家的层次，它关系着我国在世界前沿科技领域水平的的高低。
数字化的应用已经深刻影响着一个国家的方方面面，所以我们需要足够的重视起来。
我国是世界范围的一个大国，其经济科技国防水平必须与之相匹配。
所以对于我国所需要的电力电工的测量检测技术应该是具有世界水平的并且能够全方位展示我国的科技国防等综合水平。
在迅速发展的21世纪，技术更新换代的速度远远超出我们的预期与想象。
世界无时无刻不发生着变革，没有绝对的领先，只有不断地去革新，才能在发展的浪潮中不被落下。
特别是随着消费电子的快速发展，所以可以预测电子测量仪器业在今后几年内，在合成仪器的强势带动下，在集成芯片、集成电路的背景下，数字化测量仪器必定赢来很大的发展空间。
国内电子测量仪器市场正在以几何的速度进行增长，随着经济全球化，以及中国经济持续不断的发展，中国产业结构的调整，中国对应用型人才的培养，都催生出测量仪器市场的繁荣，应该说电子测量仪器的市场需求是旺盛。
而且在接下来的时间里会持续的增长。
未来几年电子测量市场特别是测量的数字化电子市场会迎来一个黄金时期。
1.2研究目的和意义
电能的测量和管理发展很快，逐渐成为一个专门的领域，但是由于电能测量较电压、电流等的测量复杂和困难，故测量的准确度低；实现功率测量必须有一个能将两输入电量相乘的电路结构[2]。
并且电能测量较电压、电流等的测量复杂和困难，测量的准确度低，所以通过本课题的设计研究，有很强的现实和实用的价值。
通过对电压电流的测量，实现对电器以及各元件的功率的测量。
从而实现良好的社会、科研的效应，并且通过对单片机的数字功率表的设计加深对单片机在电子信息计算机技术的研究中的重要地位。
从而推动整个电子信息产业的快速发展。
第二章系统总体方案的设计和实现
2.1功率表的定义
如果需要对元件的功率的测量，需要首先明白功率的定义。
功率是指电流在单位时间内做的功。
功率作为消耗用电量多少的一个很常见的物理量。
本次设计这里的功率单单指的是电功率，与力学中的功率相区分。
如果在时间t范围内这个功率所消耗的电能是W瓦特，很显然，根据我们学过的知识可以分析，这个用电器的电功率就是P＝W/t（定义式）。
与此同时，在测量中我们一般是很难直接得到在一定时间内电器所消耗的电能的，所以我们一般通过测量电器以及元器件的实时电压电流来得出其功率的大小。
所以我们也可以这样定义电功率：
电功率的大小等于元器件或所测量的电器两端的电压与通过的电流的乘积。
其表达是如下：
在直流电路中，功率的表示式为P=UI；
在交流电路中，功率的表示式为P=UIcosφ
在本次毕业设计的课题中，要测量元器件的功率，很明显需要通过测量元器件电流电压的大小，进而得出元器件的功率。
这无论用电动学测量机械仪表或数字测量仪表均可完成。
但是通过机械仪表的测量很明显它的精确度，实用性，可靠性都不如数字测量仪表。
随着数字化信息化的到来，数字测量仪器必将成为未来测量的主角，由于本次毕业设计重点通过对数字功率表的设计，加深对单片机的原理以及在电子测量领域的应用，并且在我们的生活学习的电子产品都是小功率，处于安全性的考虑，本次的通过直流电源来测量元器件的功率。
2.2功率的数字测量
通过对电流电压的分别采样得到元器件二端的电流和电压就可以实现对器件的功率的数字测量。
电流的采样实际上是通过测量器件二端的电流，这里需要明确一点是电流无法直接送到模数转换器中进行数字化处理，必须将电流转换成电压才能够进行数字化处理。
通过将电流转换成电压送到模数转换器进行数字化处理。
由于本论文测量的是小功率器件，所以其电流比较小，一般不超过200mA，所以采样所用的电阻也比较小的。
由于测量的是直流电路的元器件的功率，所以不会存在相位角而导致电压电流不同步导致的测量误差。
如果需要测量我们现实中的交流电，需要得出电压电流的相位角，并且在电压电流采样前需要进行将大电压变为小电压，电流也同样如此。
电压的采样一般是通过电阻并联进行电压的调节，通过对元器件的实时电压的测量，送入模数转换器中模数进行转换。
电流一般串联采样再送到模数转换器中转换。
然后送入51单片机中进行处理，通过还原放大原始采样的电压电流。
继而通过单片机里的乘法运算得到元器件二端的电流电压的乘积，即是元器件的功率，然后通过外接电路通过显示模块进行显示。
2.3数字功率表的方案设计
对于数据功率表的设计可以有很多的方案可以选择。
不过不管选择那种方案设计都需要对电流电压的采样，本方案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，模拟量变为对应的数字量，再送入51单片机中进行运算显示处理。
由于本设计中处于对电路的保护和安全因素的考虑设计的时候会配合相应的报警电路，达到电流或者电压的上限，蜂鸣器响起，起到保护电路的作用。
原理框图如图1所示：
图1原理框图
2.4数字功率表的实现
通过对电流电压的采样，以及模数转换，配合一定的外围电路，由于器材的限制以及考虑电路设计的安全性，本设计测量的是直流电路，所以对于电压和电流的相位角就不需要测量，但是对于直流电路，依然可以做到比较高的精度。
本实验中不仅可以测量元件的功率，相应的可以通过对程序的编写，可以测量当前的电流电压，通过液晶显示屏显示当前测量元件的电流I、电压U、已经元件的功率P。
真正做到一表多用，实现基于单片机的数字功率表的多功能性。
由于对于测量的电流电压预先我们并没有一个大概的了解，所以基于此，本设计设计了外围的报警电路，配合四个物理按键，设置电流电压功率的最大值，当测量的电流电压超过设定的上限时，警报拉响。
可有效防范电流电压过大对电路的损坏。
第三章数字功率表的电路的设计
3.1电流电压的采样
对于电流和电压的采样，因为要测量元器件的功率，所以要求同时有电流和电压的输入，电流的采样一般通过串联一个小电阻，电压一般通过并联大电阻的方式采样。
由于本设计测量电流的范围是在100mA最大电压是20V，超过电压电流限制报警模块自动报警。
电压电流经过采集后通过模数转换器变为数字信号。
电流通过P3端口1和P5端口2进行采样，也就是串联一个2R的小电阻来采集电流。
电压通过并联一个200K和10K的电阻通过P3端口2或者P5端口1和P3端口1进行电压的采样。
其中P3中的端口1接地，采样模块的电路图如下所示：
图2电压电流采样电路
根据电路图，电流的采样通过2R的电阻进行进入A/D转换的CH1引脚，电压通过CH0输入。
这样电压电流的模拟信号就通过CH0和CH1输入到A/DC0832中进行数字化转换，转换后再通过模数转换器的输出端输入单片机中进行数字化处理。
这里需要明确一个简单的问题是电流的采样，一般来说电流是无法直接送到模数转换器中进行数字化转换的，所以需要通过串联一个比较小的电阻，来得出电阻二端的压降，进而可以将电流转换成电压，交由模数转换器处理。
3.2A/D转换模块
A/D转换器主要是把采集到的电流电压的模拟信号进行转换为数字信号。
采集到的电压送到数模转换芯片的IN-0端口，电流送到IN-1口。
再将处理后的数字信号送入单片机中进行运算处理，最后通过显示器显示出来。
本次设计所用的ADC0832芯片是目前使用比较广泛的数模转换器，是逐次逼近式转换器，可以与单片机接口直接相接。
它的内部带有输出锁存器，基于这样的特点和结构框架，所以ADC0832芯片可以与AT89C51单片机通过外部的引脚直接相连，把处理后的数字量送到单片机中处理。
下面上A/D转换器芯片的具体的引脚部分：
图3A/D转换器
ADC0832芯片对从外部输入的模拟量有比较高的要求，这是由于ADC0832芯片的工作性质以及其内部架构所决定的。
ADC0832芯片要求从外部输入的信号电压范围是0-5V，若信号太小，必须进行放大;若输入的信号过大，则必须进行信号的缩小。
并且要求所输入的信号是单极性的。
输入的模拟量到达ADC0832芯片内部进行转换过程中应该保持信号不变。
ADC0832芯片处理器是的工作频率是：
250KHZ，其转换时间比较快速，只有32μs,功耗比较低，稳定性比较好。
可以说A/D数模转换模块在整个设计中处于中转作用，是单片机与外部信号之间的一个桥梁作用。
一般由于制作工艺、应用原理以及实验的要求不同，现在的A/D转换器有比较多的类型。
一般A/D的转换速度都是很快的，所以如果不是做高精确的实验，一般选择高速转换器，不需要超高速的转换器。
这样可以节约很大的成本，具备比较强的成本优势。
而且实验的实际效果也是比较理想的。
3.3单片机处理模块
当采集到的电压电流经过模数转换器转换成数字信号后送到单片机中进行处理，通过单片机里的程序进行电压电流的倍数关系的放大，得到原始输入的电流电压，然后进行电流电压的乘积，得到元器件的功率。
单片机处理模块是整个课题设计的核心部分，是信息的处理与汇总的大脑，虽然随着现代电子技术的发展和计算机技术的不断进步，单片机的功能越来越强大，现在市场上有很多功能特别强大、集成电路芯片非常的高的单片机开发系统。
即使如此可靠而性能不错的51系列单片机是一个划时代的产品。
是学习单片机掌握单片机的必然选择。
是一般入门学习单片机，掌握单片机的基本原理知识的最佳选择。
8051单片机它包括1个8位微处理器，随着科技的发展，单片机的处理位数越来越高，处理速度自然也越来越快。
51单片机有1个时钟电路。
时钟信号的作用就像心脏一样，只有时钟信号工作了，才能对数据进行处理和传送，这些都离不开时钟电路的作用。
如果没有时钟信号单片机也就失去作用了。
4KB程序存储器用来存放程序代码和一些不需要修改的常量。
其数字基本是不变的，不会随着电源的消失而丢失。
但是256B数据存储器则不同，是用来存放单片机处理的过程中的中间量。
存储的数据是不断变化的。
51单片机当然具有加减乘除等多种的运算指令系统。
本次设计就用到单片机的乘法运算。
51单片机的的基本原理图如下：
图4单片机的原理图
理解单片机的工作原理以及各引脚的功能，将所要的程序通过下载端口下载到到单片机里，通过单片机的处理运算送到液晶显示模块显示所要测量的元器件的电流电压以及功率。
单片机的模块电路如下所示：
图5单片机模块电路图
单片机模块作为整个设计的核心部分，是集数据处理、分析、运算、输出为一体的中央处理器。
单片机模块之所以作为整个设计的核心部分，是因为不仅是其强大的硬件集成电路部分，而且通过预先调试好的软件按照我们的意愿想法去执行任务。
其中在单片机模块我们设计了一个晶振，晶振的作用是产生单片机的时钟信号，从而使单片机系统运行是按照一步一步来的，也可以分周期来运行[7]。
只有通过晶体振荡器产生特定的时钟频率，这样才能够保证单片机有序的运行我们所设定的内容，完成我们所预期的效果。
晶振相当于单片机心脏跳动的频率，晶振震荡一次，产生一个脉冲，单片机执行程序运行。
本次所用晶振的频率是11KHZ，所以单片机运行一个周期所需要的时间是11×（1/11）us，其时钟周期等于频率的倒数，即1/12us。
所以晶振在整个电路中有很重要的位置。
通过程序下载接口将我们调试好的程序植入单片机中运行。
3.4液晶显示模块电路
液晶显示器画质高且不会闪烁，如果通过不停的闪烁来显示信号，会对人眼产生一定的疲劳，不利于做大规模长时间的研究和实验。
液晶显示可以通过引脚与单片机模块进行直接的相连。
并且液晶显示稳定实用简单的特点是很多显示器所不能够具备的。
综合考虑成本等优势本此设计的显示模块选择液晶1602液晶显示屏。
1602是由很多的点阵字符位组成的，而且一般来说每个点阵字符位都可以显示一个字符。
可以通过单片机的设置来设定之间点距的间隔。
可以有效地的显示不同位数，做到不同的精确度。
1602可以有效的显示数字、字符、字母等。
这样也为数字化的测量提供了很大的便利。
但是1602不能有效的显示图形。
这是其一个比较突出的一个缺陷。
不过也正是这样的专一性，在一般性的实验中被广泛的应用。
成为与51单片机配合最默契的一种显示模块。
液晶显示模块的供电是通过外接电源进行供电的，可以有效地避免干扰，提高显示的质量和准确性。
1602LCD显示容量:
16×2个字符，其工作电压的电压电流基本与单片机的工作电压电流差不多，最佳工作电压是5V左右。
这其中需要说明的是第5引脚R/W是读写信号线。
高电平时候进行读操作，低电平时候进行写操作。
第5引脚R/W受第4引脚RS影响，当RS为低电平时候，R/W为也为低电平时可以写入指令或者显示地址；R/为高电平为读信号。
RS为高电平，RS为低电平写入信号；RS低电平无效。
本次设计1602LCD16脚接口。
各引脚接口说明如表1所示:
表1液晶显示的引脚接口
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
液晶显示模块的电路的原理电路图比较简单，因为液晶显示模块是一个成熟的集成模块，只需要通过引脚与单片机模块进行连接，其电路图如下所示：
图6显示模块
3.5电源模块电路
对于一个完整的电子设计来讲，需要通过以单片机为核心来设计实现某种功能的电路。
首先我们应该解决的问题是如何为整个电路系统进行供电。
由于电路系统自身以及外部的干扰问题。
设计一个稳定可靠的电源系统为整个系统进行供电是保证整个电路正常工作的必要前提。
51单片机虽然使用时间最早、应用范围最广，也正是由于其使用广泛，年代比较久远，所以在设计的时候以及实际使用过程中，特别是相较于经过现代技术改进的单片机系统来说，51单片机更容易受到干扰而出现程序无法正常运行。
为整个电路配置一个稳定的外部电源是解决单片机干扰的一个重要方法。
此最小系统中的电源供电模块的电源可以通过我们日常的笔记本电脑的USB接口供给，也可使用外部稳定的5V电源供电模块供给[8]。
这样都可以得到一个稳定可靠的电源。
电源电路中接入了电源指示LED，电源指示灯亮的情况下，外部电源工作。
电源指示灯可以显示外接电源的工作状态。
P2为电源的输入端口，L1为电源开关。
电源模块的电路如下：
图7电源模块电路
3.6报警电路系统
报警电路系统设计通过单片机对电流电压的识别显示，保证了整个电路的安全可靠，当电流电压超出设定的上限时候，报警电路启动工作，蜂鸣器响起，指示灯亮起闪烁，提醒当前电流或者电压超出电路可承载的最大范围，从而起到保护整个电路的作用。
在电源模块的四个按键也可以在电路自身允许的最大电路的范围内根据实际需要设定电压电流功率的限度。
报警电路模块的电路图如下所示：
图8报警模块电路
报警模块的电路原理图其实是很简单的一个部分，核心的还是通过单片机里面程序的设计，通过设定电流电压的上限来有效的保护电路，避免电路的烧毁，有时候可能由于操作的失误导致电压电流瞬间有个很大的，这时候报警电路响起，及时停止错误的测量的行为，切断电路，可以有效避免造成的电路损坏。
第四章数字功率表硬件的测试与问题
4.1功率表的测试
基于单片机的数字功率表首先需要进行protel99进行电路的仿真设计，之所以提前用protel99软件进行仿真，是由于一开始的电路图的设计不可能那么准确无误，如果通过电路的图纸不断地进行测试，需要制作大量的电路耗时耗力，protel99软件为我们提供了基于硬件的仿真电路图，可以在此基础上对电路图的不足和需要完善的地方加以修改，从而设计出一个完整的电路图。
完善的硬件电路是是实现本次试验的基础。
实物图一开始用的是万用版焊接的，为了测试下系统功能的实现与否，然后在硬软件的调试下，把总体的方案到细节一一确定下来，利用金工实习的知识，自己克制了一个基于单片机的数字功率表的测量实物电路。
本次试验的所有模块都在一个电路板上完成，可以有效的节约资源。
数字功率表的实物图如下所示：
图9实物图
下面对电阻为200R的电阻测量其2端的电流电压，继而通过单片机的处理可得到电阻的功率，由测量的数字显示，电阻二端的电压差不多5.2V，电阻为200R理论的电流应为0.026A实际测量的是0.024A误差为6%,误差是由于电阻的变化以及元器件的影响和系统测量的误差所致，电阻的理论值是200R，实际是有误差的，所以需要通过万用表进行测量器电阻。
测量的图形如下所示：
图10测量的实物图
本实验的测量的电压的上限是100V，电流的上限是2
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