1、伴随着经济的全球化与我国经济的不断持续发展，产业结构的不断调整，还有我国对应用型人才的教育和培养，这些因素都促使我国的各个领域对数字化测量仪器需求正在成几何式的速度增长，同时也使得电子测量仪器市场越来越繁荣。人们对这种测量仪器的需求越来越大，这就预示着在未来几年内，数字化的电子测量市场会进入一个黄金阶段。相比于电流和电压的测量，功率的测量略显困难和复杂，同时由于各种环境因素的影响，也会导致测量的精确度降低。想要实现功率的测量，电路结构必须要做到可以将两输入的电量进行相乘2。考虑到以上情况，本文中所设计的功率计能够很好的实现，并拥有很高的实用价值。通过对电子元器件的电压、电流的测量，实现对电器以
2、及各元器件的功率的测量。从而体现该功率计在工业生产和现实生活中的使用价值。并且通过基于单片机的功率计的设计，加深对单片机在数字化和电子化技术领域中处于核心地位的印象，同时也可以更加深刻的了解数字功率计的存在价值。1绪论近年来，随着计算机的普及，与计算机技术相关领域的技术也进入到飞速发展的模式，这其中就包括计算机技术、电子信息技术和集成电路等技术。这些技术的不断成熟的同时，也对电力系统的测量技术产生了必不可少的影响。在这些技术不断的应用到人类的生产和生活中的同时，提高电能的测量精度，并改进机械式功率表，以便将误差降到最小，这些基本的要求成为今后电子测量技术的发展方向。所以传统的机械式电能测量仪器
3、终究会被现代的数字化的电能测量仪器所取代。在设计制作这些数字化、智能化的仪器仪表时，不仅要考虑系统硬件和软件协同工作时的默契程度，还要考虑系统的操作性和实用性，在测量过程中的抗干扰性，以及数字仪器测量值的准确性，这些系统的特性都成为在设计过程中的关键所在。在日常的工业生产和电子技术应用当中，功率可以用来判断系统运行是否正常，因此就需要测量元器件的功率及其他相关参数。在数字化的测量仪器出现以前，这些参数都是用机械式的测量方法来实现，这种测量方式由于机械运动，因此必然会对测量值造成一定的误差，同时机械的测量方式操作起来比较复杂，也容易受到外界环境的干扰，有时候还需要进行数字换算。这样下来，不仅浪费
4、了时间和人力，而且对测量工作也造成了诸多的不便。与此同时，单片机的快速发展，使其应用到了各种数字化式测量仪器的研发，各种数字化仪器仪表的相继问世，已经能够很好的满足的现代工业仪器对其技术参数的严格要求。基于单片机功率计是众多电子仪表中最常用的，相对来说也是非常重要的智能化仪表之一1。目前，考虑到传统的指针式功率表在测量方面存在着很多的不足和使用弊端，为了解决这些存在的问题，同时推动现代测量技术的快速发展，基于单片机的数字化功率计的设计成为了必然的选择。数字化功率计相比传统的功率计存在很大的优越性，它不仅可以有效的规避掉机械式功率计所存在的测量问题，同时还具有精度高、操作简便、误差小、实用性强等
5、多方面的优点，因此，数字化的功率计成为了现代测量技术的最佳选择。1.1设计方案通过查阅相关的书籍、资料，上网搜集与功率计相关的知识，基本上掌握了该设计的主要内容，为本设计拟定了具体的实施方案：以51单片机为主控制器，并辅助以外围部分电路，信号的转换需要用到A/D转换器，而经过单片机处理后的数据要想得到显示，就需要利用LCD1602液晶屏，同时，为了保护系统的安全性，需要给电路增加一个报警模块。并且通过和周围同学的学习和交流，充分考虑本设计实现的功能，尽可能完善该设计的功能。根据初步拟定的设计方案，可以对一些简单的功率计进行改进，使其可以达到预想的效果。1.2 设计内容本次设计的功率计整体有六部
6、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。其中电压和电流的采样用到阻值很小的电阻，主芯片会运用STC89C51系列单片机。功率的显示则采用LCD1602液晶。同时电压或电流超出预设范围，系统会自行报警。本设计只要包括以下内容： （1）在电压和电流信号的采集过程中，用到小阻值电阻。 （2）在电压电流采样之后，会将信号传送至A/D转换器，进行信号的转换。 （3）经过A/D转换后的信号，进入51单片机进行信号的计算和处理，得出对应的功率值。 （4）由LCD1602显示经过单片机计算处理后的数值，即该功率计的功率值。 （5）本设计
7、为考虑系统运行的安全性，为其设计了报警功能，即当电压或电流中的任何一值超过范围，则系统自动报警。2 功率计的工作原理与结构2.1 功率表的定义为了指定出一套可行且合理的设计方案，首先需要了解被测对象的特性，只有这样根据被测对象的特性，制定出的方案，才能满足系统的设计要求。想要做出符合要求的功率计，首先需要清楚功率的定义。所谓的功率是指电流在单位时间内所做的功。功率经常用来表示用电量消耗的多少，它是一个常见的物理量。本文中所设计的功率计，在这里指仅仅指的是电功率，相比于力学中的功率，有很大的差别。功率的计算方法是，在有效的时间T范围内，用电器所消耗的电能是W瓦特，那么，根据我们多学过的物理知识可
8、以得出，该用电器所消耗的功率就可以根据公式：P=W/T计算得出。但是根据时间计算出用电器所消耗的电能是非常困难的，因此，人们一般是通过测量用电器以及电子元器件的实时电流和电压值来获取功率值2。所以，电功率也可以这样来定义，即电功率的大小等于待测用电器或元器件两端的电压值与通过该用电器其的电流值的乘积，但是在直流电路和交流电路中的功率计算略有差异，其计算公式如下：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=UI cos；根据以上分析，可以得出在本文的功率计的设计中，要想测量元器件的功率值，首先必须获取待测元器件两端的电压，以及通过该元器件的电流。这种据算方法，无论是用传
9、统的机械式测量仪表或是本文中所设计的数字化仪表，都能完成功率值的测量。同时数字化的测量方式在测量值的精确性、仪器的操作性、实用性等多方面都要比机械式的测量方式优越很多。2.2 功率计的工作原理通过分别采集元器件两端的电流和电压值，经过计算就可以完成元器件的功率的测量。下面分别介绍电流和电压值的采样过程。电流值可以通过测量元器件两端的电流来获得，在这里，我们需要明确的知道电流不可以直接用A/D转换来做信号的处理，必须将电流值转换成相应的电压值才可以通过A/D转换器来处理。由于本文中待测量的器件都是小功率器件，也就是说，待测电流一般都小于200mA，所以，设计中所用到的电阻也都是比较小的。同时，又
10、因为待测量的都是直流电路的元器件的功率，所以交流电中所存在的相位角不会造成电压的电流的不同步，进而导致功率的测量出现误差。如果待测量的对象是交流电，那么久需要据算出电压与电流之间的相位角，并且在进行电压与电流信号的采集时，一定要注意将大电压转换为小电压，大电流转换成小电流。电压采样时，要通过电阻的并联来对电压进行适当的调节，在采集到元器件两端的实时电压后，将电压信号传送至A/D转换器中进行转换3。而电流一般采用电阻串联的方式进行采样，采样后也将电流信号进行A/D转换。在完成电压和电流信号的采样之后，就要用单片机对两个值就行计算和处理，得出所测元器件的功率值，然后再由LCD1602液晶屏显示。2
11、.3 功率计的结构框图本文所设计的功率计首先需要进行电压和电流值的采样，然后将采样信号经过A/D转换，在交由单片机对信号进行处理和计算，最后将计算得到的功率值显示在LCD1602上，这样就完成了整个功率值的测量。同时考虑到该系统在操作时的安全，本文还为该功率计设计了一套报警系统，即当电压或电流达到上限值时，蜂鸣器会响起，这样就起到了保护电路的作用。功率计的原理框图如图1所示：图1 功率计原理图3功率计的硬件设计3.1 电流电压的采样因为要测量的是元器件的功率值，所以在进行电压和电流信号的采样时，要同时输入电压和电流，在这个过程中，电流的采样通常是利用一个小电阻与其串联，而电压则通常是利用一个大
12、电阻与其并联来完成信号的采样4。由于在本设计中，所测量电流的允许范围是在0-100mA,而电压的允许范围是在0-20V，若超过电流或电压的最大允许范围，系统会自动报警。在电流和电压的采样之后，将其信号经过A/D转换器转换为电信号。电流通过P3中的1号端口和P5中的2号端口，并串联一个阻值为2R的小电阻来进行电流的采样；而电压是通过P3中的2端口和P5中的1端口，并并联一个200K和10K的电阻来完成电压信号的采样。其中P3中的端口1接地，信号采集模块的电路图如图2所示：图2 电压电流采样电路图根据电压电流采样的电路图可知，电流的采样通过串联的2R电阻进入A/D转换器的3脚，即CH1引脚，而电压
13、则是通过并联的电阻进入CH0口。这样电压和电流的采样信号就通过CH0口和CH1口输入到ADC0832模数转换器中进行信号的转换，转换后的信号通过A/D转换器的输出端输入单片机中进行信号的计算处理5。在这里，我们需要明确一个问题，由于电流时不能够直接送入到A/D转换器惊醒信号转换的，因此，就需要在信号入口的两端串联一个比较的小的电阻，将电流转换为电压，在进入到A/D转换器进行处理。3.2 A/D转换模块在该设计中，A/D转换器的主要作用就是将电流和电压的模拟采样信号转换成数字信号，以供后续的单片机能够处理。电压的采样信号由IN-0端口进入到A/D转换器，电流则通过IN-1端口进入采样到的电压送到
14、数模转换芯片的IN-0端口，电流送到IN-1口6-9。在将模拟信号转换为数字信号之后，就可以把信号送入单片机进行一系列的计算处理，得出相应的功率值。常用的A/D转换器类型有积分型、电容阵列逐次逼近型、并行比较型等多种类型10。而在本次设计中所用的ADC0832芯片是目前使用比较广泛的数模转换器，由于它体积小、兼容性强、性价比高，从而身后单片机爱好者的欢迎11。它属于逐次逼近式型转换器。正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、D0、D1。同时，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
15、，把处理后的数字信号直接送到单片机中进行处理。ADC0832的引脚图如图3所示：图3 ADC0832引脚图ADC0832的转换原理如下：当D1输入的数据分别为“1”、“0”时，只进行CH0的单通道转换，当输入的数据为“1”和“1”时，只进行CH1的单通道转换，当为“0”、“0”时，CH0将被当做正输入端IN+，CH1被当做负输入端IN-，进行数据的输入，当2位数据分别为“0”、“1”时，与前一情况相反。当第三个脉冲下沉时，输入D1的电平就失去了作用，于是D0和D1就开始运用输出的数据进行转换数据的读取；从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位
16、数据，直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据出书完成12。由于ADC0832转换器的工作性质以及内部结构，决定了其对从外部输入的模拟信号的要求比较高，例如，外部输入信号的电压值的允许范围在0-5V之间，如果输入信号的电压值太小，必须将其惊醒放大处理，相反，如果输入信号过大，则要进行相应的缩小处理。同时还要保证输入的模拟信号在ADC0832转换器中进行转换时，信号不应发生变化。ADC0832芯片的工作频率是：250KHZ，其具有32s的快速转换时间，并且具有功耗低、稳定性高等优点12。就是因为从此刻开始，输出数据与下一个字节的数据相反，因此从第11个字节开始，下沉输出DATA
17、0，然后开始输出8位的数据，直到第19个脉冲信号的完成，这就标志着一次A/D转换就此结束。ADC0832转换过程的时序图如图4所示13。图4 ADC0832时序图综合上述的介绍，我们可以拿A/D转换器理解为整个设计的中间环节，也就是说，ADC0832架起了单片机和外部信号之间的一座桥梁。目前电子市场中的A/D转化器的类型比较多，这是由于实验要求、应用环境、制作工艺的不同所造成的。一般的A/D转化器都是可以达到应用要求的，如果是应用到高精度的实验场所，那么一般的A/D转换器就不能满足要求，这时就要选用高速的转换器，为了节约成品，不建议选择超高速的A/D转换器13。总体来说，一般的转换器就可以满足
18、广大开发者的需求。3.3 单片机处理模块单片机是整个功率计设计的最重要组成部分，可以说，没有单片来做信息的计算和处理，整个系统就无法正常的工作。，在电子技术越来越成熟的今天，单片机的功能也在不断更新，使得其应用能力越来越强大，目前市场上有众多的单片机类型，其功能也能够满足大部分开发者的需求，集成度非常高的单片机开发系统也变得炙手可热。其中，本设计中的51系列单片机就是众多类型中应用最广泛的产品，其具有划时代的意义。51系列单片机可以说是单片机知识入门的首要选择，也是学习、掌握、应用单片机的必然选择。随着单片机技术的不断发展和更新，其能够处理的位数越来越高，这就代表着单片机的运算处理速度越来越快
19、14-13。STC89C51单片机是一种8位元的单芯片微控制器，整个系统的工作完全依赖于系统内部的时脉信号，其作用就是用来产生各种动作周期及同步信号。时脉信号由单片机内部的时钟电路产生，它的功能就好像是人类的心脏一样只要有时脉信号的存在，单片机才能对数据进行计算处理和传送，这些功能离开了时钟电路是不可能存在的。同时，在STC89C51单片机的内部有一个4KB或8KB的程序存储器，也就是ROM，其作用就是用来存放用户需要执行的程序或是一些固定不变得常量15。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
20、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P0I/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P1P1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。P2P2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
21、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，P00-P07口与LCD液晶显示屏进行连接，P13-P16四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
22、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。3.4 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
23、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4-1所示:
24、表1液晶显示的引脚接口编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D33VL液晶显示偏压11D44RS数据/命令选择12D55R/W读/写选择13D66E使能信号14D77D015BLA背光源正极8D116BLK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：图6 LCD1602引脚图3.5 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3.5 电源模块电路对于一个完整的电子设计来讲，
