基于單片機的功率計的研究與設計

李小霞

摘要：該文基于51單片機完成了一款簡易功率計的設計。通過信號采樣、A/D轉(zhuǎn)換，把電壓和電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后送至單片機進行處理，最后將電壓、電流和處理后的功率值顯示在LCD液晶屏上。電壓、電流超過設定值時，蜂鳴器報警。經(jīng)過設計，完成整體電路的測量，測試顯示功率計測量準確，精度較高，讀數(shù)直觀，具有較好的實用價值。

關(guān)鍵詞：單片機;功率計;模數(shù)轉(zhuǎn)換

中圖分類號：TN07

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）10-0245-03

率測量是一個熱點研究問題，在工業(yè)儀器儀表中，有著舉足輕重的作用，隨著數(shù)字化時代的來臨，現(xiàn)代功率測量越來越趨于自動化、數(shù)顯化、簡易操作。但當前功率計存在體積笨重、操作復雜等缺點，基于此，本文擬以51系列單片機作為控制核心，設計完成了一款簡易功率計，經(jīng)過測試，該裝置可單獨測量電壓和電流、功率。數(shù)顯簡易，操作簡單，體積小，成本低。

1方案設計

本系統(tǒng)功能由硬件和軟件兩大部分協(xié)調(diào)完成，硬件部分主要完成電壓、電流信號的采集處理、信息的顯示等;軟件主要完成對采集的數(shù)字信號進行濾波處理及顯示控制等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2單元電路設計

2.1電壓、電流采樣模塊的設計

電壓、電流的采樣需要同時輸入電壓和電流。設計過程中考慮測量的量程，電壓和電流值均設置了最大值，超過最大值后系統(tǒng)會自動報警。在采樣后的電壓、電流，通過CHO和CHl輸入ADC0832轉(zhuǎn)換器中，轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號輸送給單片機，單片機再進行數(shù)據(jù)的處理和計算。如下圖2所示。

電流的采樣：利用一個小電阻與其串聯(lián)。圖示中，P3的l端口和P5的2端口串聯(lián)一個2.2R的電阻。其重要的原理是電流不能直接采樣，設計的思想同樣是將電流轉(zhuǎn)換為電壓進行采樣的。

電壓的采樣：利用兩個大電阻與其并聯(lián)。圖示中，P3的2端口和P5的1端口并聯(lián)一個51K和10K的電阻。

2.2模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設計

該設計電路是將電壓、電流模擬采樣的信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號。

模數(shù)轉(zhuǎn)化采用ADC0832作為與單片機的接口電路，它的結(jié)構(gòu)比較簡單，體積小、兼容性強，是逐次逼近式型傳感器。它具有4條數(shù)據(jù)線：CS、CLK、DO、DI，且內(nèi)部具有輸出鎖存器，可與AT89C51單片機直接相連。其工作頻率為250KHZ，轉(zhuǎn)換時間為32us。A/D轉(zhuǎn)換電路電路如圖3所示。

2.3液晶顯示模塊

為了實現(xiàn)數(shù)顯自動化，本設計采用LCD液晶顯示器。其最佳工作電壓為+5V左右。液晶顯示模塊電路如圖3.4所示。相比較一般的數(shù)碼管顯示，液晶顯示會更加清晰、直接，驅(qū)動也更簡單。

2.4聲光報警電路模塊

聲光報警電路采用PNP型三極管作為驅(qū)動期間，采用有源蜂鳴器進行設計，驅(qū)動簡單，電源端接有發(fā)光二極管進行報警提示，具體電路如圖5所示。

當驅(qū)動端出現(xiàn)高電平時，三極管的基極和發(fā)射機均為高電平，該三極管截止，此時蜂鳴器不發(fā)聲，發(fā)光二極管的陽極和陰極也均為高電平，二極管也截止。黨控制端為低電平時，二極管的陰極為低電平，陽極為高電平，發(fā)光二極管亮，三級管的基極為低電平，發(fā)射極為高電平，三極管飽和導通，蜂鳴器得電發(fā)聲，從而達到聲光報警的目的。

3系統(tǒng)軟件設計

3.1主流程圖的設計

先設置好系統(tǒng)的初始化，然后進行電壓、電流采樣，將采樣后的信號通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換完成后將數(shù)字信號送人到單片機中進行處理計算，最后將處理后的電壓、電流、功率顯示在液晶屏上。電壓、電流、功率顯示流程圖如圖6。

3.2模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序流程圖的設計

模數(shù)轉(zhuǎn)換流程圖如圖7所示。啟動轉(zhuǎn)換信號，低電平有效，轉(zhuǎn)換結(jié)束后檢查EOC標志位是否完成置位，最后將轉(zhuǎn)換完成的數(shù)字信號存儲到單片機中進行處理和計算。

3.3單片機計算處理流程圖的設計

單片機的計算處理是我們本設計的核心部分，計算處理的成功主要取決于兩個方面：一個是硬件f包括電壓電流的采樣和A/D轉(zhuǎn)換器）的選取，另一方面是對數(shù)字信號進行處理。單片機計算處理流程圖如圖8。

3.4顯示函數(shù)流程圖的設計

顯示函數(shù)流程圖如圖9。

4調(diào)試與結(jié)果分析

根據(jù)軟硬件的設計，對系統(tǒng)進行了調(diào)試，其調(diào)試結(jié)果如圖10所示。

根據(jù)測試結(jié)果，達到系統(tǒng)設計要求。