基于单片机的功率计的设计毕业论文(编辑修改稿)

基于单片机的功率计的设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

ROM 的容量是不会发生变化的，即使发生掉电，也不会消失。 当然， STC89C51 单片机还为用户提供了很全面的运算指令，在本文功率计的设计中，就用到了指令中的乘法运算。 STC89C51 单片机的引脚图如图 4所示： 图 4 STC89C51 单片机的原理图 相应的引脚功能如表 1 所示。 表 1 STC89C51 单片引 脚的功能图 名称 功能 描述 P0 I/O 口 P0 是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口，即地址 /数据总线复用口 P1 I/O 口 P1是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，其输出缓冲级可以驱动 4 个 TTL 门电路。 P2 I/O 口 P2是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，作为输入接口时，因具有上拉电阻，某引脚被外信号拉低时会输出电流 RST 复位输入 振荡器工作时， RST 引脚出现两个机器周期以上高黑龙江八一 农垦大学毕业设计（论文） — 9— 电平将单片机复位 ALE/PROG 地址锁存 ALE 是地址允许信号端，且低电平有效 EA/VPP 控制 信号 从外部程序存储器读取指令， EA 接地；执行内部程序指令， EA 接 Vcc；闪烁编程器件， EA接 12 伏 VPP电压。 XTAL1 输入端 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端 XTAL2 输出端 振荡器反相放大器的输出端 Vcc+ 电源端 接 +5V 电源 GND 接地端 接地，保护 通过上图，可以清晰的了解 8051 单片机构成，功率计所采集到的信号就要通过该单片机的处理和传送，最终在 LCD 上显示。 单片机的模块电路如图 5 所示： 图 5 单片机模块电路图 其中， P00P07 口与 LCD 液晶显示屏进行 连接， P13P16 四个引脚分别接入系统中的四个按键， XTAL1 与 XTAL2 分别接入晶振电路的输入端和输出端，电源模块的 VCC 端接入到单片机的 VCC 端。 单片机可以视为该功率计运行的核心，可以通过软件编程将程序下载到单片机中，这样其就可以按照预先设定好的程序，对采样信号进行计算和处理，最终完成我们想要实现的功能，和想要得到的数据。 这样智能化的操作都依赖于单片机强大的硬件集成电路部分 [16]。 在本次设计中，为单片机增加了一个晶振电路，其作用就是产生单片机工作所必须的时钟信号，同时，单片机还可以分周期来运行 [7]。 只有通过晶体振荡器产生特定的时钟频率，才能确保单片机按照事先预设好的程序有序的运行，完成设计的内容并达到预期的效果。 黑龙江八一 农垦大学毕业设计（论文） — 10— 液晶显示模块电路 若要使处理计算后的功率值值得到显示，可以有两种选择。 一种是用数码管显示，一种是 LCD 液晶显示。 为了追求显示效果，本设计中选择了利用 LCD 显示，即利用 LCD1602 液晶，这种液晶可以同时显示 16*02 个字符。 1602 液晶也叫 1602字符型液晶，这种液晶的功能很单一，只是用来显示数字、字母和符号的点阵型液晶模块。 它的缺点是不能降图形显示的淋漓尽致，这是因为该液晶的每 个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行距的作用 [17]。 但是 1602 可以很好的显示字符、字母和数字等，就是因为这种具体的特性，使得 LCD1602 使用在一般的设计当中，是与 51 单片机完美结合的液晶显示器。 其最佳的工作电压在 5V左右。 LCD1602 各引脚接口说明如表 41 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 由于 LCD1602 的成熟度比较高，故其工作原理相对来说也比较简单，只需按照引脚说明与单片机进行连接，就可达到显示的效果。 其引脚图如图 6 所示： 黑龙江八一 农垦大学毕业设计（论文） — 11— 图 6 LCD1602 引脚图 按键电路 该系统包括四个按键设计，这四个按键的功能分别为开始按键、复位按键、增大按键和减小按键。 第一个按键为开始测量按键，当设置好测量范围时，按下该键，即可进入到测量模式；第二个按键为复位按键，当按下该键时，系统恢复到初始化状态，液晶显示屏上的功率值显示为 0；第三个和第四个按键为设置测量范围时的增大和减小按键，但不管范围如何增大，都不能超过系统自身的最大测量范围。 按键电路图如图 7 所示。 图 7 按键电路 黑龙江八一 农垦大学毕业设计（论文） — 12— 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 [17]。 该功率计使用 USB 供电，也可使用外部稳定的 5V电源供电。 同时，该设计为电源配置了 LED 指示灯，使功率计电源状态更直观的展示出来。 P2为电源的输入端口， L1 为电源开 关。 电源模块的电路如如图 8 所示： 图 8 电源模块电路 报警电路系统 出于要考虑系统工作状态下的安全，本设计中还增加了一个报警模块，即如果电路中的电压或电流超过了预先设置的阀值，报警电路会启动工作，这时蜂鸣器会自动响起，并且报警指示灯闪烁，提示操作人员做相应的应急处理，最重要的是保证了整个电路的安全性。 报警电路模块如图 9 所示： 黑龙江八一 农垦大学毕业设计（论文） — 13— 图 9 报警模块电路 黑龙江八一 农垦大学毕业设计（论文） — 14— 4 功率计的硬件测试及问题 采样电路测量 本设计的调试选用电阻为 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 ，电阻为 200R 理论的电流应为 实际测量的是 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。 按键电路的调试 电路的按键从左到右依次是： SET 按键，表示模式的的切换按键第二个按键表示选择按键，可以通过此按键调整电压电流功率的测量范围，第三个按键表示增加按键，表示增大测量量程的范围，不过不管怎么增大依然不能够超过 本身的设计的电压的做大的测量范围，否则测量也是无效，并且有可能导致电路的损坏，第四个按键表示减少测量的量程，设置好了量程，再按第一个键进入 now 测量模块，这样就可以测量元器件的功率了 [18]。 本课题设置了四个物理按键。 既然是物理按键就需要需要解决按键抖动的问题 ,由于按键的弹性作用，有可能一会闭合一会断开，虽然这个时间很短，人们根本无法辨别出来 ,但是会被单片机捕捉，造成单片机的误读，一般消除按键抖动的办法可以从硬件和软件着手，不过对于硬件来说，这需要很高的要求，并且成本比较高，即使硬件做的非常好，也不能完全 避免按键的抖动，所以我们可以从软件着手，一般按键的抖动时间是 5ms～ 10ms 这样可以在软件中设计一个延迟 5ms～ 10ms，这样当按键抖 1 动的时间结束了，才开始执行程序，这样就有效避免了按键抖动所造成的问题，做到按键消抖的目的 [19]。 功率计的误差分析 本实验的测量的电压的上限是 100V，电流的上限是 200mA，功率是 20W，超过电流电压功率的上限，报警模块自动报警。 在功率计的使用当中可能会受到外界环境的干扰，比如来自元器件自身的误差，或是电压不稳定存在的的干扰，这些因素都会影响测量的精准度，因此在 这次设计中，将误差设定在 5%的范围内。 黑龙江八一 农垦大学毕业设计（论文） — 15— 解决办法 为了提高功率计的测量精度，不仅要选择误差小的电子元器件，还可以从软件编程方面出发，解决误差的问题。 例如，设置单片机的延迟时间，还有在焊接电路时尽量做到规范、准确的焊接。 这些简单的操作，都会避免系统发生较大的测量误差。 提高测量范围 如果想要提升功率计的测量范围，那么就需要在最开始通过电压变送器和电流变送器来增大电压和电流的采样值，但是增大电压和电流的同时，还要保证电压值不能超过 A/D转换器的最大承受电压，以确保系统运行的安全性。 黑龙江八一 农垦大学毕业设计（论文） — 16— 5 软件 的调试 通常对于程序的设计主要是用 C 语言和汇编语言，运用 C 语言编写的程序比较容易做出复杂的运算。 汇编语言写的程序可以比较准确的计算出程序运行所耗费的时间并且效率相对较高，本次设计的程序运算相对来说比较简单，只需将单片机处理后的电压和电流值进行相乘运算，就可得出所测量元器件的功率值。 因此，本次设计采用 C 语言来编程。 Keil 是在进行单片机系统开发时最常用到的开发软件，并且，应用 Keil编写出的程序代码简洁明了，为单片机开发者提供了一个良好的开发和学习环境。 整体软件流程图 图 10 程序流程图 定时器 T0 开始 电压 A/D 转换 转换完否 外中断 0 存电压 定时器 T0 电流 A/D 转换 转换完否 电流电压处理 功率运算 显示电压电流功率 返回 单片机初始化 N N Y Y N Y N Y 黑龙江八一 农垦大学毕业设计（论文） — 17— 软件程序的调试 系统软件的调试需要软硬件的共同配合，保证系统功能的正确实现。 在调试之前，首先应该确保的是整个硬件电路能够正常的工作。 通过数据线，将写好的软件程序下载到单片机内部，并运行系统，查看系统的各部分是否达到欲求的效果，正确无误的完成对元器件功率的测量。 在系统整体的调试过程中，我们可以选择对整个系统调试，或是对系统的某一模块进行调试，这样就可以准确及时的排查出某一模块可能存在的问题，进行及时的修改，以确保系统整体的顺利运行。 本次的设计采用了模块化 的程序编写，这样不仅方便查看，同时还对程序的修改提供了方便 [20]。 数据的校正 数据的校正就是通过与标准的功率表测量出的功率值进行比较，如果功率值相差很大，就说明设计的功率计存在很大的误差，需要通过调试进行系统误差的整体排查；如果误差很小，就说明该功率计已经实现了预期的测量效果，便可以进行一般实验中元器件的功率测量。 结论 — 18— 结论 功率计在工业的生产和实验学习当中的应用价值很高，本文就设计了这种数字式的功率测量计。 设计初期，经过查阅大量有关单片机、功率计的相关书籍和资料 ，设计出了一套可行且有效的方案来完成功率的测量。 该功率的硬件部分总共由 有六部分组成，分别包括电压和电流的采样模块、模拟信号与数字信号转换模块、单片机模块、 LCD 显示模块、电源模块和报警模块。 单片机作为整个系统的核心，功能是完成电压和电流信号的计算处理，这里用到了乘法计算，最后将计算得出了功率值交由 LCD1602 液晶屏显示。 在完成了整体系统的设计之后，还对系统可能存在的误差进行了分析，并对这些存在误差提出了一些列的解决方案，为功率计的准确测量提供了保障。 同时软件部分的调试，可以及时的发现系统中存在的问题，以 便快速、准确的解决。 经过整体的测量与分析，可以得出本文中所设计的功率基本满足设计最初的预想，快速、有效的测量出电子元器件的功率值。