发布时间 : 星期三 文章单片机在工频检测上的应用更新完毕开始阅读561c4d6027d3240c8447ef6a
中南大学函授本科毕业设计（论文）MS User 第 25 页
2013-4-5 本系统中测量负载的功率因数和频率，采集的是负载的端电压和流过负载的电流之间的相位差，如图
图3.7 功率因数角的原理
通过取相位差转换成正脉冲的形式，由单片机通过定时器和中断来得到正脉冲的宽度t ,即功率因数角对应的时间。工频正弦交流信号的频率为每秒50HZ，每个周期20ms，半个周期T=10ms，所以有： 由此可得功率因数角和功率因数的计算公式：
t?? ??，式中?=3.14
10mst??cos??cos()
10ms测量功率因数：被检测的电压与电流之间的相位差，一脉冲方式送到8051的/INT1端通过中断和定时器，来计算脉冲的宽度，送到PC机后由公式计算功率因数角和功率因数系统的功能是把交流电压经过精密整流调理以后转换成直流脉动信号，再经过A/D转换器变为单片机所需要的数字信号送到单片机的数据存储单元中。测量功率因数：被检测的电压与电流之间的相位差，一脉冲方式送到8051的/INT1端， 通过中断和定时器，来计算脉冲的宽度，送到PC机后由公式计算功率因数。
(3) 电流测量原理
在交流电路中,将精密的互感器串进负载回路中,回路电阻的阻值不应该太大,只要负载上流过电流,采样电阻也流过与负载相同的电流。从而在负载上产生与流过的电流成正比的电压,这就是所说的I/V转化电路。本电路采用5W/10ohm的电阻。这样把采集出的电压除以10就是流过负载的电流,由于采样电阻的阻值和负载比起来,要小的多,因此采集到的电压信号的幅值十分小,不便于处理,因此要经过整流,运算放大的处理,变成A/D能接受的信号,一般是3V左右,然后通过单片机处理,显示实际的电流值。
25
中南大学函授本科毕业设计（论文）MS User 第 26 页
2013-4-5 第四章 系统的软件设计
(一) 单片机汇编语言简介
软件是仪器中非常重要的组成部分，是整个仪器的灵魂。本设计中的软件编制采用了汇编语言。汇编语言是一种用于8051系列单片机的结构化语言，它有以下特点:
① 助记符指令和机器指令一一对应,所以用汇编语言编成的程序效率高,占用存储空间小,运用速度快,因此汇编语言能编写最优化的程序。
② 使用汇编语言比使用高级语言困难，因为汇编语言是面向计算机的,汇编语言的程序设计人员必须对计算机硬件有相当深入的了解。
③汇编语言呢功能直接访问存储器及接口电路,也能处理中断,因此汇编语言程序能直接管理和控制硬件设备。
④汇编语言缺乏通用性,程序不易移植,各种计算机都有自己的汇编语言,不同计算机的汇编语言之间不能通用。 (二) 程序设计方法
根据测量系统要求不同以及CPU忙闲程度，通常有三种软件编程控制方式:程序查询方式，定时采样方式和中断控制方式。但若采用前两种方式，CPU大部分时间都消耗在查询或延时等待上，这对于多回路的采样检测并且CPU工作很忙的测控系统并不适宜，所以我们在这里选用了中断方式。在这种方式中，CPU启动A/D转换后，可以继续执行主程序。当A/D转换结束时，发出一转换结束信号EOC，该信号经反相器接80C51的P3.2引脚，向CPU发出中断请求。CPU响应中断后，即可读入数据并进行处理。
1、整体设计思想
本课题所要研究的交流电量参数综合测试主要适用于在线测量单相交流电路中的电流、电压、功率因数和频率等电量参数。它可以用于对现场的各种电量参数情况进行检测及记录。测得的数据丰富，便于对电路中存在的问题进行科学分析，以保证检测准确。系统原理框图如图3-1所示。该设备硬件电路包括电流、电压互感器输入电路、数据采集电路、A/D转换电路、数字信号处理单元、显示电路等。输入电路，将其规范为A/D转换器的电压输入范围内的相应电压信号，然后送入A/D转换器转换为相应的数字量，微处理器则根据电压、电流信号的采样值，计算出电压、并显示出来。被测的单相交流电压信号首先经过互感器隔离变换低电压,保证人身和设备的安全。然后经过整流以及运放电路，最后变成AD574所需要的电压信号；被测的交流电流信号首先通过I/V电路，将被检测的电流信号转化成电压信号，便于测量。同样经过整流，运放最后输出给AD574。在逻辑判断电路中，需要把工频电压信号经过整形电路调整为方波信号，送入单
26
中南大学函授本科毕业设计（论文）MS User 第 27 页
2013-4-5 片机进行相位差测量，当电压信号的相位超前电流相位则显示正，反之如果电压相位滞后电流的相位则显示为负。单片机外围扩展电路为数码管显示电路,以实现参数显示和测量结果的显示等功能。功率因数的测量是通过数字电路检测出电压与电流之间的相位差，通过检测方波的宽度，实质是检测中断的时间，然后通过算法转换成功率因数输出，并显示负载的功率因数，
系统的功能是把交流电压经过精密整流调理以后转换成直流脉动信号，再经过A/D转换器变为单片机所需要的数字信号送到单片机的数据存储单元中。
软件主要由三部分组成:监控主程序、命令处理程序和中断处理程序。监控主程序主要完成器件与参数的初始化、仪器自检以及根据键盘输入在各命令处理子程序(即功能模块)之间切换。命令处理程序是核心部分，包含两大功能模块: ① 进行数据采集，计算出电压有效值、电流有效值、频率、功率因数等电参数，并在数码模块上进行显示。
② 测量频率并显示。 仪器在数据采集中，用到了定时器To溢出中断控制采样间隔。以保障系统正常工作。
(1) 主监控程序
主监控程序:程序首先自检，之后对数码模块进行显示功能初始化设置;对单片机内部的特殊功能寄存器进行设置:对中断进行初始化设置;内存中功能状态标志区设置为电参数测量状态。值得注意的是，在程序的开始不要立刻对数码模块进行操作，因为数码模块的复位过程比较慢，在其未完全复位时就进行读写操作将得到不稳定或不正确的结果。可以用软件加一延迟再进行操作。进入主程序流程后，程序根据功能标志，分别进入相应的测量程序。接下来工作流程进入判按键程序，这部分程序检查是否有键按下，如果有键按下就设置该键对应的功能标志。如果是测量键，就转到判断功能标志程序。主监控程序如下图所示： 上电自检
初始化参数，设置初始化
测量功能标志为电参数测
量状态
是 是电压，电流电压，电流测量模 测量吗？ 块
否 是 是频率测量频率测量模块
吗？ 27 中南大学函授本科毕业设计（论文）MS User 第 28 页
2013-4-5
否 判断按键，有键按下，则设置相应的功能标志 图4-2
(2)功能模块
1.测量电参数模块
该模块完成电信号的采集、计算、显示等任务。进入测量功能模块，为了保障数据采样的实时性，需要将其他中断关闭，只开放软件定时器中断，并在主程序中，用简单的循环等待，保证中断请求时，准备工作所用时间相同。采集完毕，打开串行接受中断以响应请求。再根据上面介绍的计算公式，可以得到电压有效值、电流有效值等参数。计算出的参数送到数码管进行显示。 2.测量频率模块
通过单片机外部中断INTO控制定时器TO实现的。TO设置为定时器方式，并设置定时器/计数器的运行受外部输入引脚的控制。在INTO为低电平时开启定时器开关TRO，由于置位了定时器TO的GATE位，仅当INTO输入高时才能进行计数，所以此时计数器并没有开始计数，而是等待INTO上跳沿的来临，等INTO为高电平后计数器开始计数，而为低时停止计数。停止计数后清TR0位，从计数器寄存器中读取计数个，并根据时基频率计算出信号周期，通过运算转化为频率值，送入显存进行显示。程序流程图如图所示
频率测量模块
设置定时器T0工作方式字 清定时器寄存器值
否 INT0口为低电平？ 关闭定时器 是 读定时器寄存器的值 开启定时器 28