大學(xué)畢業(yè)論文渦輪增壓器組件的裝配與檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　題目 渦輪增壓器組件的裝配與檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p>　　學(xué) 院 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 </p><p>　　年 級(jí) 2011級(jí) 專 業(yè) 自動(dòng)化 </p><p>　　班 級(jí) 自動(dòng)化113 學(xué)

2、號(hào) 160111126 </p><p>　　學(xué)生姓名 俞雷 </p><p>　　校內(nèi)導(dǎo)師 毛麗民 職 稱 副教授 </p><p>　　校外導(dǎo)師 朱廣海 職 稱 應(yīng)用工程師 </p><p>　　論文提交日期 2

3、015-05-12 </p><p>　　常熟理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)誠(chéng)信承諾書</p><p>　　本人鄭重聲明： 所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本

4、聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。</p><p>　　常熟理工學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)使用授權(quán)說明</p><p>　　本人完全了解常熟理工學(xué)院有關(guān)收集、保留和使用畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的規(guī)定，即：本科生在校期間進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)單位屬常熟理工學(xué)院。學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)被查閱和借閱；學(xué)?？梢詫厴I(yè)設(shè)計(jì)(論文)的全部或部分內(nèi)容編

5、入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），并且本人電子文檔和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。</p><p>　　保密的畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)在解密后遵守此規(guī)定。</p><p>　　渦輪增壓器組件的裝配與檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著渦輪增壓

6、技術(shù)越來越多的應(yīng)用到現(xiàn)代汽車產(chǎn)業(yè)中，渦輪增壓器的需求也將越來越大，提高對(duì)渦輪增壓器的裝配效率以及裝配質(zhì)量必將成為渦輪增壓器裝配最為重要的課題。</p><p>　　代社會(huì)，對(duì)于電能的需求量在逐步增大，對(duì)于電能的質(zhì)量要求也越來越高。大量新技術(shù)下的電力電子設(shè)備投入到日常生產(chǎn)生活中，當(dāng)然這其中的許多電力電子設(shè)備也會(huì)使得電網(wǎng)中的無功功率的增加，從而使得電網(wǎng)的功率因數(shù)下降，導(dǎo)致電網(wǎng)供電的品質(zhì)的降低。</p>

7、<p>　　要求對(duì)電網(wǎng)中的功率因數(shù)進(jìn)行必要檢測(cè)，采用STC89C52單片機(jī)的功率因數(shù)角測(cè)量電路為檢測(cè)提供了方便。本設(shè)計(jì)便采用STC89C52單片機(jī)為控制核心，利用計(jì)數(shù)器進(jìn)行電壓與電流的相位差的測(cè)量，從而計(jì)算出電網(wǎng)中的功率因數(shù)角。在設(shè)計(jì)過程中，發(fā)現(xiàn)在檢測(cè)電網(wǎng)中功率因數(shù)角的同時(shí)還可以檢測(cè)出電網(wǎng)中的頻率。</p><p>　　通過實(shí)踐證明，所設(shè)計(jì)的測(cè)量方法簡(jiǎn)單可靠，精度高，且易于實(shí)現(xiàn)。實(shí)時(shí)的將檢測(cè)結(jié)果顯示出來

8、，也便于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：STC89C52單片機(jī) 功率因數(shù)角 頻率 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)</p><p>　　A Design of Measuring Three-phase Power Factor Angle on Microcontroller</p><p><b>　　Abstract</b></p>

9、<p>　　With the acceleration of the process of modernization, Modern society's demand for electricity is gradually increased, the quality requirements for electrical energy is increasing. A mass of power electron

10、ics equipments under the new technology input to the daily life. Of course, many of these power electronics equipments will increase reactive power, So that the power factor of the grid will decrease, resulting in reduce

11、d quality of power supply.</p><p>　　This requires the power factor of the grid is necessary to detect. The measurement circuit of power factor angle based on STC89C52 microcontroller provides convenience to

12、detection. This design uses STC89C52 microcontroller as the control core, uses counters to measure voltage and current phase difference, and finally calculates the power factor in the power grid. In the design process, w

13、hile the power factor angle of the grid is detected, the frequency of the grid can be detected.</p><p>　　Practice has proved that the design of the measurement method is simple and reliable, high precision,

14、and easy to implement. Real-time detection results will be displayed, but also facilitate real-time monitoring.</p><p>　　Key words: STC89C52; Power factor angle; Frequency; Real-time monitoring</p>&l

15、t;p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　1.緒論11</b></p><p>　　1.1 研究背景11</p><p>　　1.2 研究?jī)?nèi)容及發(fā)展趨勢(shì)11</p><p>　　1.3 研究的主要內(nèi)容13</p><p>　　1.4 本章小結(jié)

16、14</p><p>　　2. 方案論證14</p><p>　　2.1 方案說明14</p><p>　　2.1.1方案一14</p><p>　　2.1.2方案二15</p><p>　　2.1.3方案三15</p><p>　　2.2 本章小結(jié)16</p>&l

17、t;p>　　3.控制核心的選用與介紹17</p><p>　　3.1 STC89C52單片機(jī)介紹18</p><p>　　3.2計(jì)數(shù)器介紹19</p><p>　　3.3中斷系統(tǒng)22</p><p>　　3.4復(fù)位電路、時(shí)鐘電路以及最小系統(tǒng)22</p><p>　　3.5本章小結(jié)23</p>

18、;<p>　　4.硬件電路設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.1 系統(tǒng)總的結(jié)構(gòu)框圖23</p><p>　　4.2 信號(hào)采集與輸入信號(hào)整形電路24</p><p>　　4.2.1 LM339構(gòu)成的過零比較器24</p><p>　　4.2.2 信號(hào)采集與信號(hào)整形25</p><p>　　4.3 相

19、位檢測(cè)電路26</p><p>　　4.3.1觸發(fā)器74LS7426</p><p>　　4.3.2 電路的工作原理27</p><p>　　4.4硬件顯示電路28</p><p>　　4.4.1 1602LCD液晶介紹28</p><p>　　4.4.2 由1602LCD構(gòu)成的顯示電路29</p

20、><p>　　4.5電路總圖29</p><p>　　4.6本章小結(jié)29</p><p>　　5．軟件設(shè)計(jì)與電路工作流程30</p><p>　　5.1本設(shè)計(jì)中的應(yīng)用軟件介紹30</p><p>　　5.1.1 仿真軟件——Proteus30</p><p>　　5.1.2 程序編譯軟件—

21、—Keil430</p><p>　　5.2系統(tǒng)軟件總流程圖31</p><p>　　5.3信號(hào)的采集與整形32</p><p>　　5.4 頻率測(cè)量電路33</p><p>　　5.5 功率因數(shù)測(cè)量電路33</p><p>　　5.6 本章小結(jié)34</p><p>　　6.性能分析

22、與系統(tǒng)調(diào)試35</p><p>　　6.1系統(tǒng)性能分析35</p><p>　　6.1.1對(duì)于本系統(tǒng)的測(cè)量精度的分析35</p><p>　　6.1.1對(duì)于本設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)性檢測(cè)的性能分析35</p><p>　　6.2 系統(tǒng)的仿真調(diào)試與實(shí)際調(diào)試結(jié)果36</p><p>　　6.2.1仿真調(diào)試步驟36</

23、p><p>　　6.2.2實(shí)際調(diào)試步驟38</p><p>　　6.3 結(jié)果分析與效果展示40</p><p>　　6.4 本章小結(jié)42</p><p>　　7.總結(jié)與展望43</p><p><b>　　7.1 總結(jié)43</b></p><p><b>　

24、　7.2 展望43</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)44</b></p><p><b>　　附錄45</b></p><p>　　附錄一 系統(tǒng)原理圖45</p><p>　　附錄二 系統(tǒng)PCB制板圖46</p><p>　　附錄三 實(shí)物電路

25、圖47</p><p>　　附錄四 仿真電路圖48</p><p>　　附錄五 單片機(jī)程序49</p><p><b>　　致謝56</b></p><p><b>　　1.緒論</b></p><p><b>　　1.1 研究背景</b><

26、;/p><p>　　時(shí)下，電能的需求很廣泛，而且日益增長(zhǎng)，電能的使用程度是一個(gè)國(guó)家發(fā)展水平的重要衡量標(biāo)志。中國(guó)作為最大的發(fā)展中國(guó)家，世界第二大經(jīng)濟(jì)體，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城鄉(xiāng)對(duì)電能需求的日益增長(zhǎng)，社會(huì)對(duì)電能的質(zhì)量要求也越來越高。在這樣的背景下，對(duì)于電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性要求便越來越嚴(yán)格，電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控也就顯得十分必要，而且電網(wǎng)供電品質(zhì)也受到各行各業(yè)及電力部門的越來越多的關(guān)注。</p><p>　

27、　在電力監(jiān)控系統(tǒng)里，考慮到電網(wǎng)的安全可靠及穩(wěn)定性得到保障，就必須保證電網(wǎng)中的各項(xiàng)電參數(shù)保持穩(wěn)定。采集各種電參量并保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性就變成了亟需解決的問題。隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的快速發(fā)展，各行各業(yè)及城市對(duì)電力的需求日益增長(zhǎng)，制約了我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的健康可持續(xù)發(fā)展。這一問題已經(jīng)引起了我國(guó)相關(guān)部門的高度重視并頒布了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及措施，電力系統(tǒng)的正常、安全、高效運(yùn)行對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的健康協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展有著非常重要的意義。在這樣的背景下，能做到合理有效地綠

28、色環(huán)保地利用有限的電力資源，為我國(guó)的城市化進(jìn)程排除障礙，這就需要對(duì)電力參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)，從而對(duì)電網(wǎng)狀況進(jìn)行合理的調(diào)整，保證電網(wǎng)的供電品質(zhì)與穩(wěn)定。</p><p>　　顯而易見，在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，電能的品質(zhì)及保障對(duì)社會(huì)和個(gè)人有著非常密切的關(guān)系和極其重要的意義，因?yàn)楦黜?xiàng)電參數(shù)的不穩(wěn)定，都能對(duì)電器設(shè)備的使用的功能及設(shè)備的壽命產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，在某些情況下，還會(huì)對(duì)我們的身體健康造成危害。于是對(duì)電網(wǎng)中的各項(xiàng)電力

29、參數(shù)（比如說電壓、電流、功率因數(shù)和頻率等）準(zhǔn)確、快速地檢測(cè)、并對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，這將對(duì)于發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)中出現(xiàn)的故障以及可能含有的隱患的排除起到很大的作用，這將會(huì)節(jié)省大量的人力物力。所以實(shí)時(shí)監(jiān)控電網(wǎng)就顯得十分重要。</p><p>　　1.2 研究?jī)?nèi)容及發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　近年來，隨著電力電子技術(shù)在社會(huì)發(fā)展中起到越來越重要的作用，在電力傳送、冶金、化工、鐵道各行各業(yè)，家庭日用

30、電器中的非線性負(fù)荷的使日益增多，尤其是大功率整流設(shè)備和電弧爐等的大量應(yīng)用，在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生大量的諧波，由此引發(fā)電壓、電流波形畸變，電力諧波不僅會(huì)嚴(yán)重危害供用電設(shè)備和電氣儀表，而且會(huì)導(dǎo)致電質(zhì)量的不斷降低，影響計(jì)量設(shè)備的測(cè)量控制等功能，縮短設(shè)備的使用壽命，不能有效的反應(yīng)電力設(shè)備運(yùn)行狀況，危害用戶利益，對(duì)電力系統(tǒng)本身有負(fù)面影響。在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，我們?nèi)狈?duì)電力系統(tǒng)監(jiān)控的重視，缺少完備的電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備，關(guān)心的是供電的量而不是質(zhì)，檢測(cè)設(shè)備陳舊，

31、有些地方還采用有幾百年歷史的動(dòng)圈式儀表，和交流互感器等電工儀表，這些儀表只能測(cè)得模擬值和有效值，誤差是相當(dāng)大的，不能滿足實(shí)際測(cè)量的需求，在這樣的情況下，對(duì)電力參數(shù)的精確實(shí)時(shí)有效的測(cè)量成為了亟需解決的問題。</p><p>　　隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展和人們的需求的日益增大，這就對(duì)電能的量和質(zhì)提出了更高的要求。然而，雖然很多電力電子設(shè)備的使用本質(zhì)上是人們對(duì)新技術(shù)的應(yīng)用，但同時(shí)，他們也是導(dǎo)致電能質(zhì)量惡化的罪魁禍?zhǔn)?。有?/p>

32、共睹的是，電能質(zhì)量惡化問題迫切需要的解決的。</p><p>　　供電質(zhì)量問題之所以有其重要性，是因?yàn)檫@不僅會(huì)影響大型企業(yè)的正常運(yùn)作，而且對(duì)重大活動(dòng)，政治活動(dòng)安全供電影響也較大。在最近的幾十年中，全球共發(fā)生了20多起由于電能質(zhì)量導(dǎo)致的大型電力事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因此造成的損失達(dá)到了每年300億美元，因此造成的環(huán)境污染更是嚴(yán)重。</p><p>　　電能質(zhì)量?jī)纱笞铌P(guān)鍵因素分別是電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)因

33、素，針對(duì)這兩大因素，可以通過制定完備的制度及采集相關(guān)的數(shù)據(jù)為預(yù)防和減少電能質(zhì)量引起的事故。目前，針對(duì)這兩大因素以及有關(guān)電能質(zhì)量控制的研究，國(guó)外一直領(lǐng)先于我們，說明我國(guó)在這方面做得還不夠，還需要努力以達(dá)到世界先進(jìn)水平。對(duì)比國(guó)外，我國(guó)致力于電力發(fā)展的企業(yè)很多，但針對(duì)電網(wǎng)中參數(shù)的監(jiān)測(cè)以及對(duì)電網(wǎng)中供電質(zhì)量的評(píng)估的設(shè)備與企業(yè)還不是很多。許多對(duì)電網(wǎng)性能的檢測(cè)僅僅限于監(jiān)測(cè)電網(wǎng)中電壓的合格與否，而且無法做得實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)而采用人工抄表方式來進(jìn)行，這就導(dǎo)致在統(tǒng)

34、計(jì)方面的不足以及和世界的差距。針對(duì)所發(fā)現(xiàn)的這些問題，一方面需要政府提供相關(guān)的政策支持，提高對(duì)電網(wǎng)的性能與供電質(zhì)量的要求與投入，引進(jìn)先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)來彌補(bǔ)目前存在的不足，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展提供最優(yōu)質(zhì)的電能動(dòng)力。</p><p>　　從市場(chǎng)的角度來看，大多數(shù)用戶有時(shí)需要結(jié)合多功能的電力系統(tǒng)產(chǎn)品，因此制造商需要有豐富的經(jīng)驗(yàn)和行業(yè)知識(shí)，滿足不同用戶的不同配電系統(tǒng)需求，因此，目前的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)仍不能很好的滿足設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，這就需

35、要對(duì)電能表的發(fā)展提出更高的要求。</p><p>　　目前,對(duì)于電網(wǎng)狀態(tài)參數(shù)的檢測(cè)設(shè)備將朝著下面的幾個(gè)方向不斷發(fā)展與創(chuàng)新：</p><p>　　(l)、檢測(cè)設(shè)備的體積將朝著小型化（如手持式）、功能的多樣化（檢測(cè)更多的電網(wǎng)狀態(tài)參數(shù)）、體現(xiàn)節(jié)能與環(huán)保理念盡可能減小功耗（方法如降低檢測(cè)設(shè)備需要的維持電流）、提高檢測(cè)設(shè)備的可靠性以及改善人機(jī)交互界面（數(shù)據(jù)顯示更為直觀與鮮明）。</p>

36、<p>　　(2)、逐步實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能化、在線實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。伴隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，如：傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、信息處理技術(shù)等，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)將會(huì)充分利用這些先進(jìn)的新技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)在線的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在線的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可接入訪問平臺(tái)，將設(shè)備資源和數(shù)據(jù)資源傳輸進(jìn)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)資源共享、數(shù)據(jù)的分析預(yù)處理以及遠(yuǎn)程的控制操作。</p><p>　　1.3 研究的主要內(nèi)容</p><p>

37、　　本設(shè)計(jì)從測(cè)量電路的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、軟件仿真等角度進(jìn)行研究。主要完成測(cè)量硬件電路的設(shè)計(jì)、程序算法的編寫和各部分功能的軟件仿真以及硬件測(cè)試，在論文中用電路原理圖、程序流程圖、參數(shù)列表、框圖、程序等詳細(xì)介紹了復(fù)位電路、晶振電路、信號(hào)整形電路、脈沖產(chǎn)生電路、顯示電路等各部分功能單元的軟硬件實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　第一章為緒論，主要介紹了本設(shè)計(jì)的研究背景、研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)工作的主要內(nèi)容安排。</

38、p><p>　　第二章進(jìn)行方案論證，通過查閱資料共列舉了三種不同的功率因數(shù)角、功率因數(shù)的測(cè)量方法，并從這中間擇優(yōu)選取最為可行可靠的方案。</p><p>　　第三章介紹了器件的選取以及功能介紹，對(duì)文中用到的器件以及所用到的功能做了簡(jiǎn)單的介紹，幫助讀者在接下來的硬件設(shè)計(jì)中更容易弄清其設(shè)計(jì)原理。</p><p>　　第四章為硬件設(shè)計(jì)部分。介紹的本裝置的主要功能以及系統(tǒng)的總體

39、框圖，并對(duì)其原理流程作簡(jiǎn)要介紹。對(duì)于硬件實(shí)現(xiàn)部分，各部分功能電路的功能進(jìn)行介紹，并說明工作原理。</p><p>　　第五章為軟件設(shè)計(jì)部分。本章主要闡述了本設(shè)計(jì)的所使用的仿真軟件、程序編譯軟件以及繪制硬件電路原理圖的介紹，同時(shí)介紹了個(gè)電路工作流程以及原理，并給出了主要處理程序流程圖。</p><p>　　第六章主要對(duì)本裝置的性能進(jìn)行分析以及系統(tǒng)調(diào)試進(jìn)行總結(jié)。</p><

40、p>　　第七章總結(jié)與展望，對(duì)本次設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)還可完善之處進(jìn)行展望。</p><p><b>　　1.4本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先對(duì)電能的使用情況與其歷史做了詳細(xì)的說明，通過對(duì)研究背景與研究現(xiàn)狀的深入了解，將對(duì)此次設(shè)計(jì)的必要性有了更加清晰的認(rèn)識(shí)。針對(duì)本設(shè)計(jì)所要求的單片機(jī)測(cè)量三相電網(wǎng)功率因數(shù)角也做了本設(shè)計(jì)方案的行文安排。</p>

41、<p><b>　　2. 方案論證</b></p><p><b>　　2.1 方案說明</b></p><p><b>　　2.1.1方案一</b></p><p>　　通過測(cè)量電網(wǎng)的有功功率和視在功率來測(cè)量功率因數(shù)角與功率因數(shù)。</p><p>　　通過測(cè)量負(fù)

42、載電路的相應(yīng)的電流、電壓情況計(jì)算出有功功率和視在功率，根據(jù)公式算出功率因數(shù)F= cos(ψ)= P/S。通過對(duì)電路的電壓與電流的過零時(shí)間的判斷，判斷出功率因數(shù)角的正負(fù)（抗性的判斷）。</p><p><b>　　2.1.2方案二</b></p><p>　　通過測(cè)量三相電壓來測(cè)量功率因數(shù)角與功率因數(shù)。</p><p>　　通過對(duì)三相電壓的測(cè)量來

43、測(cè)量功率因數(shù)的原理，如下圖所示，首先采用變壓器將三相的電壓信號(hào)進(jìn)行采集。由電路理論，可以畫出電壓 U1 、U2 和U3 的相量圖所示：</p><p>　　圖 2.1 測(cè)量電壓的相量圖</p><p>　　由余弦定理可得： (2-1)</p><p>　　從而可得 <

44、/p><p>　　由上圖可測(cè)得功率因數(shù)角： </p><p>　　所以可得 (2-2)</p><p>　　由上式知：測(cè)得電壓 U1、U2、U3再求出電網(wǎng)中功率因數(shù) 。</p><p><b>　　2.1.3方案三</b></p><p

45、>　　假設(shè)電網(wǎng)是三相平衡的，這樣對(duì)電網(wǎng)中的功率因數(shù)角的測(cè)定時(shí)，便可以用任意一相的功率因數(shù)角來間接測(cè)定三相電網(wǎng)的功率因數(shù)角。鑒于此，本設(shè)計(jì)通過采樣相電流線電壓之間的相位差來得到電網(wǎng)的功率因數(shù)、功率因數(shù)角。本設(shè)計(jì)采用檢測(cè)線電壓Uca和相電流Ib來計(jì)算最終的功率因數(shù)角與功率因數(shù)。</p><p>　　根據(jù)感性、阻性和容性之間的特點(diǎn)可以很清楚地知道夾角θ和相角ψ之間的關(guān)系：</p><p>

46、　　當(dāng)為純阻性時(shí)：ψ=0，θ=90°；</p><p>　?。?）感性：ψ=0°～90°，θ=90°～180°；純感性時(shí)：ψ= 90°，θ=180°；</p><p>　　（2）容性：ψ=0°～-90°，θ=90°～0°； 純?nèi)菪詴r(shí)：ψ=-90°，θ= 0°；

47、</p><p>　　（3）電壓和電流的波形如圖2.2所示：</p><p>　　圖2.2電壓和電流的波形</p><p>　　從圖中看出，不論是否是感性還是容性，其功率因數(shù)都是不變的，所以只要測(cè)出占空比，就能確定相角ψ，從而求得功率因數(shù)。通過變壓器和電流互感器得到低壓交流信號(hào)，然后通過整形電路將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波脈沖。通過計(jì)算兩路低壓方波信號(hào)過零點(diǎn)的時(shí)間差來計(jì)算功

48、率因數(shù)角，從而再計(jì)算功率因數(shù)。</p><p>　　方案一與方案二都是相對(duì)而言比較可行的功率因數(shù)角、功率因數(shù)的測(cè)量方法，但由于需要測(cè)量多個(gè)電壓或電流，而且硬件部分設(shè)計(jì)比較繁瑣，實(shí)現(xiàn)起來就顯得相對(duì)比較困難。相對(duì)而言，方案三則顯得比較簡(jiǎn)單、且易于實(shí)現(xiàn)，并且具有比較高的測(cè)量精度，與所學(xué)的知識(shí)密切相關(guān)，故選擇方案三。</p><p><b>　　2.2 本章小結(jié)</b><

49、;/p><p>　　通過查閱資料，找到上述的三種方案，在經(jīng)過比較與分析后，選取了第二中方案作為最終的設(shè)計(jì)方案，在對(duì)比過程中，對(duì)于方案三的實(shí)現(xiàn)也了解的更加深入，為后面設(shè)計(jì)的真正實(shí)現(xiàn)提供了寶貴的理論基礎(chǔ)。</p><p>　　3.控制核心的選用與介紹</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)作為控制核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率因數(shù)角、功率因數(shù)以及電網(wǎng)頻率的測(cè)量。在本章中將會(huì)

50、對(duì)STC89C52單片機(jī)進(jìn)行介紹，對(duì)于利用STC89C52單片機(jī)的部分功能也將進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，最后將會(huì)對(duì)STC89C52單片機(jī)工作電路的最小系統(tǒng)進(jìn)行介紹。</p><p>　　3.1 STC89C52單片機(jī)介紹</p><p>　　STC89C52是作為一種功耗較低、性能較好的CMOS8位單片機(jī)，自身所具有的性能，很好的滿足了本設(shè)計(jì)。STC89C52，其內(nèi)核是經(jīng)典的MCS-51，而其本身相

51、對(duì)于經(jīng)典的MCS-51有了很多改進(jìn)，使得芯片具有更好更多的功能。STC89C52引腳圖如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 STC89C52引腳圖</p><p>　　STC89C52具有8 位CPU以及8k字節(jié)的Flash存儲(chǔ)器，除此之外，STC89C52的標(biāo)準(zhǔn)功能還有512字節(jié)的RAM、4K字節(jié)的 EEPROM、復(fù)位電路、全雙工串行口、16位定時(shí)器、外部中斷、看門狗定時(shí)器、當(dāng)

52、然還支持7向量的4級(jí)中斷方式。依靠這些功能，STC89C52為許多的嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供了解決方案，也因此具有廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　通用I/O 口：STC89C52的P1、P2、P3 均設(shè)置為準(zhǔn)雙向口、弱上拉，其中較為特殊的I/O 口P0是三態(tài)雙向口，由于漏極開路輸出，所以作為普通 I/O 口使用時(shí)，需要加上拉電阻，而當(dāng)作為總線擴(kuò)展使用時(shí)，則不需要加上拉電阻。為了方便，在本設(shè)計(jì)中未使用P0口。<

53、;/p><p>　　RST：復(fù)位輸入引腳。保持RST腳的高電平持續(xù)時(shí)間大于等于兩個(gè)機(jī)器周期時(shí)間將復(fù)位STC89C52。</p><p>　　ALE/PROG：在正常情況下，ALE端將以固定頻率（時(shí)鐘頻率的1/6）作為輸出脈沖。因此，ALE可以用作對(duì)外部輸出固定頻率的脈沖信號(hào)以及用于定時(shí)。在本設(shè)計(jì)中，便是采用該引腳輸出的2MHZ的頻率，為采集的線電壓與相電流轉(zhuǎn)換與整形后的低壓方波提供計(jì)數(shù)的脈沖。

54、</p><p><b>　　3.2計(jì)數(shù)器介紹</b></p><p>　　由于在本設(shè)計(jì)中將會(huì)用到STC89C52單片機(jī)的兩個(gè)計(jì)數(shù)器T1、T2，所以在本章將較為詳細(xì)的介紹STC89C52單片機(jī)計(jì)數(shù)器。</p><p>　　計(jì)數(shù)器是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中一項(xiàng)重要功能，實(shí)際應(yīng)用也極為普遍。計(jì)數(shù)器通過對(duì)STC89C52單片機(jī)內(nèi)部具有兩個(gè)專用的寄存器TMOD

55、與TCON進(jìn)行編程來設(shè)置，如設(shè)置計(jì)數(shù)器的工作方式、定時(shí)或者計(jì)數(shù)功能的選擇（這里選定計(jì)數(shù)器）、計(jì)數(shù)器的啟?？刂啤⒂?jì)數(shù)器的寄存器的溢出標(biāo)志以及中斷的觸發(fā)方式等最終實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能。</p><p>　　1.TMOD和TCON寄存器</p><p>　　可以通過設(shè)置特殊功能寄存器TMOD中的一個(gè)控制位來決定STC89C52單片機(jī)內(nèi)部的3個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0、T1、T2工作在計(jì)數(shù)器模式下還是定

56、時(shí)器模式下。本設(shè)計(jì)中只使用了定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0與定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1，因此下文將只介紹定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0、T1。</p><p>　　STC89C52單片機(jī)的T0、T1的工作結(jié)構(gòu)框圖如圖3.2所示：</p><p>　　圖3.2 STC89C52定時(shí)器/計(jì)數(shù)器大致結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　上文已經(jīng)交代了特殊功能寄存器TMOD是用來決定定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的功能和工作模式；

57、而特殊功能寄存器TCON則是用于控制STC89C52單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器啟停，同時(shí)該寄存器還包含了定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的其他狀態(tài)。寄存器TCON的內(nèi)容是靠軟件進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)單片機(jī)復(fù)位時(shí)，寄存器的所有位都將被清零復(fù)位。</p><p>　　1.工作方式控制寄存器TMOD：由表3.1可知，TMOD的高4位是用于控制定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1的方式，低4位是用于控制定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0的方式。</p><p>

58、　　表3.1 TMOD寄存器各位定義</p><p>　?。?）門控位GATE：</p><p>　　當(dāng)GATE=0時(shí)，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0、T1的啟停是通過軟件的設(shè)置控制位（TR0或TR1）來決定。</p><p>　　當(dāng)GATE=1且外部中斷引腳P3.2( P3.3) 為高電平時(shí)，軟件置位TR0(TR1）才可以控制定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0(T1)的啟停。</p&g

59、t;<p><b>　?。?）C/: </b></p><p>　　定時(shí)器模式：設(shè)置C/=0，采用對(duì)時(shí)鐘電路的12分頻，也就是一個(gè)機(jī)器周期作為定時(shí)器的脈沖計(jì)數(shù)時(shí)間。通過對(duì)定時(shí)器寄存器的值求得計(jì)時(shí)時(shí)間。</p><p>　　計(jì)數(shù)器模式：設(shè)置C/=1，將外部輸入脈沖送給外部引腳（其中T0為引腳P3.4，T1為引腳P3.5）作為計(jì)數(shù)脈沖。當(dāng)T0（或T1）輸入負(fù)

60、跳變時(shí)，計(jì)數(shù)器加1。</p><p><b>　?。?）M1 M0：</b></p><p>　　控制定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作方式，二者的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表3.2所示。</p><p>　　表3.2 M1M0工作方式描述</p><p>　　2. 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制寄存器TCON</p><p>　　控制

61、寄存器TCON用于控制定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的啟停、外部中斷的觸發(fā)方式以及溢出標(biāo)志位的設(shè)定。控制寄存器TCON各位的定義如表3.3所示。</p><p>　　表3.3 TCON寄存器各位定義</p><p>　　寄存器TCON只有高4位于所用到的計(jì)數(shù)器設(shè)置有關(guān)，所以此處只介紹高4位的功能：</p><p>　?。?）TF1：當(dāng)其寄存器發(fā)生溢出時(shí)，由硬件將TF1置1，并進(jìn)行中

62、斷申請(qǐng)。當(dāng)進(jìn)入中斷服務(wù)程序時(shí)，可以用軟件清零。</p><p>　?。?）TR1：當(dāng)特殊寄存器TMOD 中控制T1的GATE為零時(shí)，TR1=1將啟動(dòng)T1計(jì)數(shù)，TR1=0將停止T1計(jì)數(shù)；當(dāng)GATE為1且外部中斷引腳P3.3輸入高電平時(shí)，TR1=1將啟動(dòng)T1計(jì)數(shù)，TR1=0將停止T1計(jì)數(shù)。</p><p>　?。?）TF0: 當(dāng)其寄存器發(fā)生溢出時(shí)，由硬件將TF0置1，并進(jìn)行中斷申請(qǐng)。當(dāng)進(jìn)入中斷

63、服務(wù)程序時(shí)，可以用軟件清零。</p><p>　?。?）TR0: 當(dāng)特殊寄存器TMOD 中控制T0的GATE為零時(shí)，TR0為1時(shí)啟動(dòng)T0計(jì)數(shù)，TR0為0時(shí)禁止T0計(jì)數(shù)；當(dāng)GATE為1且外部中斷引腳P3.2輸入高電平時(shí)，TR0=1將輸入高電平時(shí)，TR0=1將啟動(dòng)T0計(jì)數(shù)，TR0=0將停止T0計(jì)數(shù)。</p><p>　　2.定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的初始化</p><p>　　由

64、前文的介紹可知，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的功能可由軟件來進(jìn)行設(shè)置，對(duì)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器進(jìn)行初始化。</p><p>　　初始化需要采取的步驟：</p><p>　?。?）確定定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作模式（C/T控制）、工作方式（M0M1控制）、啟動(dòng)控制方式（TR、GATE決定），將每個(gè)控制位的狀態(tài)寫入TMOD寄存器。</p><p>　?。?）計(jì)算并設(shè)定時(shí)器或計(jì)數(shù)器寄存器的初值（

65、將初值寫入TH0、TL0或TH1、TL1中）。值得注意的是16位計(jì)數(shù)方式則需要將初值分兩次寫入相應(yīng)的計(jì)數(shù)寄存器中。</p><p>　　（3）確定采用中斷方式與否。可以通過對(duì)IE相應(yīng)位置位啟動(dòng)中斷；需要注意的是，采用查詢方式時(shí)需要對(duì)IE相應(yīng)位清0進(jìn)行中斷屏蔽。</p><p>　?。?）啟動(dòng)定時(shí)器或計(jì)數(shù)器工作：若在第一步中將GATE設(shè)置為0時(shí)（即設(shè)置為軟啟動(dòng)），TR0（TR1）置一后，

66、定時(shí)器或計(jì)數(shù)器0(1)即可開始工作。若將GATE設(shè)置為1時(shí)，還將受到外部中斷的引腳P3.2（P3.3）的控制，當(dāng)該位電平為高時(shí)，相應(yīng)的TR0（TR1）置一后，定時(shí)器或計(jì)數(shù)器0(1)方可啟動(dòng)工作。定時(shí)器或計(jì)數(shù)器一旦啟動(dòng)就將按照規(guī)定的方式進(jìn)行定時(shí)或計(jì)數(shù)。</p><p><b>　　3.3中斷系統(tǒng)</b></p><p>　　在STC89C52單片機(jī)中，中斷的開放和屏蔽的

67、控制位集成在中斷允許寄存器IE中，中斷允許寄存器各位的定義如表3.4所示。</p><p>　　表3.4 中斷允許寄存器IE及功能</p><p>　　針對(duì)上表分析可得：EA控制總中斷，而每個(gè)中斷源的開放與屏蔽，分別由各中斷源的允許位來確定；本設(shè)計(jì)中未涉及應(yīng)用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2，且功能與T0、T1相似。</p><p>　　3.4復(fù)位電路、時(shí)鐘電路以及最小系統(tǒng)<

68、;/p><p>　　對(duì)于STC89C52單片機(jī)來說，復(fù)位電路和時(shí)鐘電路是維持其運(yùn)行的基本模塊。而復(fù)位電路則如圖 3.3所示，時(shí)鐘電路如圖 3.4 所示。</p><p>　　圖3.3 復(fù)位電路 圖3.4時(shí)鐘電路</p><p>　　高頻時(shí)鐘在一定程度上有利于程序更快的運(yùn)行，同時(shí)也有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率更高的信號(hào)采樣。但是這樣的高頻

69、將對(duì)系統(tǒng)要求較高，同時(shí)功耗也將增大，運(yùn)行環(huán)境苛刻。考慮本次設(shè)計(jì)的需求，選取12.000MHZ無源晶振。利用12.000MHZ無源晶振,ALE可以得到2MHZ的脈沖輸出，為相位檢測(cè)電路提供脈沖。</p><p>　　由上述的復(fù)位電路與時(shí)鐘電路構(gòu)成了STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3.5所示。</p><p>　　圖3.5 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖</p><p>&l

70、t;b>　　3.5本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹了選取的器件以及設(shè)計(jì)中需要運(yùn)用到的部分功能進(jìn)行了介紹，對(duì)文中用到的器件以及所用到的功能做了簡(jiǎn)單的介紹，對(duì)于運(yùn)用的器件和功能的認(rèn)識(shí)，將有助于我們對(duì)下面硬件的設(shè)計(jì)原理與軟件仿真的實(shí)現(xiàn)，以及電路的功能的實(shí)現(xiàn)有更好的理解。</p><p>　　幫助讀者在接下來的硬件設(shè)計(jì)中更容易弄清其設(shè)計(jì)原理。這也就是為什么將本章放在

71、本設(shè)計(jì)的硬件與軟件實(shí)現(xiàn)前進(jìn)行介紹。</p><p><b>　　4.硬件電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1 系統(tǒng)總的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　STC89C52單片機(jī)為控制核心的頻率、功率因數(shù)角和功率因數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4.1所示。本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要由電流互感器與變壓器作為對(duì)電網(wǎng)電壓電流信號(hào)采集、對(duì)采集到的低壓信號(hào)整

72、形電路、相位檢測(cè)電路、STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)和1602LCD顯示電路構(gòu)成。</p><p>　　圖4.1 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　4.2 信號(hào)采集與輸入信號(hào)整形電路</p><p>　　4.2.1 LM339構(gòu)成的過零比較器</p><p>　　LM339內(nèi)部集成了四個(gè)相互獨(dú)立的電壓比較器，一般可以利用LM339構(gòu)成單限比

73、較器、雙限比較器、遲滯比較器以及振蕩器等。該電壓比較器的特點(diǎn)是：</p><p><b>　　（1）失調(diào)電壓?。?lt;/b></p><p>　?。?）電源電壓范圍寬；</p><p><b>　　（3）共模范圍大；</b></p><p>　?。?）輸出端電位選用方便。</p><

74、p>　　LM339引腳圖如圖4.2所示：</p><p>　　圖4.2 LM339引腳圖</p><p>　　對(duì)LM339各個(gè)引腳的說明如表4.1所示：</p><p>　　表4.1 LM339管腳接口說明</p><p>　　4.2.2 信號(hào)采集與信號(hào)整形</p><p>　　信號(hào)采集與輸入信號(hào)整形電路如圖4.

75、3所示主要功能是將通過電流互感器和變壓器采集到的電網(wǎng)電壓和電流轉(zhuǎn)換為低壓交流信號(hào)進(jìn)行波形變換。由圖4.3可知，電網(wǎng)的正弦波線電壓Uca和相電流Ib經(jīng)變壓器和電流互感器后，再經(jīng)由LM339構(gòu)成的過零比較器整形變換，得到與之同頻同相的低壓方波信號(hào)。其中穩(wěn)壓管IN4007起到對(duì)電壓限幅（0.7V）的作用。（由電路知識(shí)可知，測(cè)試過程中需要注意變壓器二端不可短路，電流互感器二端不可開路。）</p><p>　　圖4.3信號(hào)

76、采集與信號(hào)整形電路圖</p><p>　　4.3 相位檢測(cè)電路</p><p>　　4.3.1觸發(fā)器74LS74</p><p>　　74LS74含有兩個(gè)相互獨(dú)立的D觸發(fā)器，D觸發(fā)器都具有以下端口如表4.2所示：</p><p>　　表4.2 D觸發(fā)器端口</p><p>　　端口為低電平時(shí)，將使輸出置位，端口為低電平

77、時(shí)，將使輸出復(fù)位，且與其它輸入端電平狀態(tài)無關(guān)。</p><p>　　74LS74引腳圖如圖4.4所示：</p><p>　　圖4.4 74LS74引腳圖</p><p>　　4.3.2 電路的工作原理</p><p>　　在功率因數(shù)的測(cè)量時(shí)需要求出線電壓CA和相電流B之間的相位差，從而求取功率因數(shù)角與功率因數(shù)，并通過檢測(cè)過程中對(duì)于線電壓轉(zhuǎn)換的

78、低壓方波的半周期時(shí)間，算出電網(wǎng)頻率。在本課題中，將線電壓CA和相電流B變換好低壓方波，通過兩個(gè)74LS74、兩個(gè)74LS00、一個(gè)74LS04、一個(gè)74LS02組合的電路，只要求出相電流變換好低壓方波在線電壓轉(zhuǎn)換的低壓方波的半波時(shí)間內(nèi)波形的占空比就可以求得相位角，此方法簡(jiǎn)單易行，無需判斷容性或感性。其組合成的硬件電路原理圖如圖4.5所示，仿真電路圖如圖4.6所示。</p><p>　　圖4.5相位檢測(cè)硬件電路&l

79、t;/p><p>　　圖4.6相位檢測(cè)仿真電路</p><p>　　4.4 硬件顯示電路</p><p>　　4.4.1 1602LCD液晶介紹</p><p>　　1602液晶作為一種點(diǎn)陣型液晶模塊，可用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)。1602LCD液晶通過點(diǎn)陣（5*7或者5*11等點(diǎn)陣）字符位來顯示字符。</p><p>　

80、　1602LCD具有以下特性：</p><p><b>　　（1）可調(diào)對(duì)比度；</b></p><p>　　（2）提供寄存器對(duì)屏幕顯示的控制（實(shí)現(xiàn)清屏、字符閃爍、光標(biāo)閃爍、顯示移位）；</p><p>　?。?）可顯示雙排共32個(gè)字符；</p><p><b>　　管腳接口說明：</b></p

81、><p>　　表4.3 1602LCD管腳接口說明</p><p>　　1602LCD液晶顯示硬件電路原理圖如圖4.7所示。</p><p>　　圖4.7 1602LCD液晶顯示硬件電路</p><p>　　4.4.2 由1602LCD構(gòu)成的顯示電路</p><p>　　將所測(cè)得計(jì)算出的頻率和功率因數(shù)顯示在1602LCD

82、液晶顯示器上。第一行為頻率，第二行為功率因數(shù)。1602LCD液晶構(gòu)成的顯示模塊的軟件仿真效果圖如圖4.8。</p><p>　　圖4.8 1602LCD液晶軟件仿真效果圖</p><p><b>　　4.5電路總圖</b></p><p>　　將上述的電路功能進(jìn)行組合起來可以得到下面的仿真電路總效果圖，對(duì)于實(shí)物圖，系統(tǒng)硬件電路圖，PCB制板圖可

83、以查閱后面的附錄。</p><p>　　圖4.9系統(tǒng)整體硬件原理圖</p><p><b>　　4.6 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹本設(shè)計(jì)系統(tǒng)總的結(jié)構(gòu)框圖與硬件電路的設(shè)計(jì)。其中硬件電路設(shè)計(jì)的介紹主要包括：對(duì)電網(wǎng)信號(hào)采集與整形電路、相位檢測(cè)電路、硬件顯示電路。本章對(duì)這些電路都進(jìn)行了介紹，并對(duì)其進(jìn)行了原理圖、仿真圖的展示，幫

84、助讀者可以更好的了解本設(shè)計(jì)的電路功能與原理，使得本設(shè)計(jì)看起來更加的直觀與簡(jiǎn)潔。</p><p>　　5．軟件設(shè)計(jì)與電路工作流程</p><p>　　5.1本設(shè)計(jì)中的應(yīng)用軟件介紹</p><p>　　5.1.1 仿真軟件——Proteus</p><p>　　對(duì)于頻率的測(cè)量和功率因數(shù)的測(cè)量部分進(jìn)行軟件仿真，采用的軟件為Proteus。Prote

85、us作為一種EDA工具軟件，不僅具有仿真功能，還能仿真一些外圍器件如本設(shè)計(jì)中的1602LCD液晶（這是其優(yōu)越之處，也是本設(shè)計(jì)選用它作為仿真軟件的一個(gè)重要原因）。其主界面如圖5.1所示</p><p>　　圖5.1 Proteus主界面</p><p>　　5.1.2 程序編譯軟件——Keil4</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用程序編譯環(huán)境為Keil4，它的環(huán)境界面如圖

86、5.2所示。</p><p>　　圖5.2 Keil4編譯程序環(huán)境</p><p>　　5.2系統(tǒng)軟件總流程圖</p><p>　　本設(shè)計(jì)程序?qū)⒂梢韵聨撞糠謽?gòu)成：主程序、中斷服務(wù)程序、顯示程序等。其中主程序主要完成對(duì)變量的定義、系統(tǒng)的計(jì)數(shù)器初始化，中斷寄存器的初始化，1602LCD液晶顯示的初始化等工作。中斷服務(wù)程序主要是用于寄存器溢出次數(shù)的計(jì)數(shù)。顯示程序用于顯示電

87、網(wǎng)頻率，功率因數(shù)，功率因數(shù)角。如圖5.3所示的系統(tǒng)程序的總流程圖。</p><p>　　圖5.3 程序總流程圖</p><p>　　程序流程圖的詳細(xì)說明：系統(tǒng)在上電開始后，首先進(jìn)行程序的變量定義；接下來就是初始化工作，這其中包括：對(duì)1602LCD液晶的初始化以及對(duì)計(jì)數(shù)器寄存器與中斷的初始化；完成初始化工作后，將會(huì)對(duì)電路的開始測(cè)量的開始位flag進(jìn)行判斷，當(dāng)flag從0（低電位）變到1（高電

88、位）時(shí)，開計(jì)數(shù)器，進(jìn)行對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)。當(dāng)flag從1（高電位）變到0（低電位）時(shí)，關(guān)閉計(jì)數(shù)器。flag在這段為高電平的時(shí)間，便是線電壓轉(zhuǎn)換得到的低壓方波的半波信號(hào)持續(xù)時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)計(jì)數(shù)器的引腳將對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的寄存器溢出后將進(jìn)入中斷服務(wù)程序。通過兩個(gè)計(jì)數(shù)器所記數(shù)據(jù)的處理算出功率因數(shù)、功率因數(shù)角以及電網(wǎng)的頻率。處理完數(shù)據(jù)后，對(duì)計(jì)數(shù)器的寄存器以及溢出的計(jì)數(shù)進(jìn)行軟件復(fù)位清零，為下次開始做好準(zhǔn)備。最后將本次處理好的數(shù)據(jù)送給顯示

89、模塊進(jìn)行顯示，等待下次檢測(cè)的開始，重復(fù)上述開始檢測(cè)后的步驟，以達(dá)到實(shí)時(shí)的檢測(cè)功能。</p><p>　　5.3信號(hào)的采集與整形</p><p>　　電網(wǎng)的線電壓和相電流經(jīng)過變壓器和電流互感器轉(zhuǎn)換成適合電路的低壓交流信號(hào)，然后再經(jīng)過LM339電壓比較器（過零比較器），將波形轉(zhuǎn)換成同頻率的方波。</p><p>　　其工作流程圖見圖5.4：</p><

90、;p>　　圖5.4電網(wǎng)信號(hào)采集轉(zhuǎn)換與整形工作流程圖</p><p>　　5.4 頻率測(cè)量電路</p><p>　　一般所采用的方法是測(cè)出相鄰兩個(gè)上升沿的時(shí)間，即為信號(hào)的周期。由周期便可以得到電網(wǎng)中的頻率。但是在本論文設(shè)計(jì)中，主要是通過計(jì)數(shù)器計(jì)算線電壓轉(zhuǎn)換的低壓方波的半波時(shí)間，即為半周期的時(shí)間，計(jì)算2倍這個(gè)半周期時(shí)間即為電網(wǎng)的一個(gè)周期時(shí)間，取倒數(shù)即為所測(cè)量的電網(wǎng)頻率，這種方法簡(jiǎn)單可行。

91、</p><p>　　其工作流程圖見圖5.5：</p><p>　　圖5.5 電網(wǎng)頻率測(cè)量工作流程圖</p><p>　　5.5功率因數(shù)測(cè)量電路</p><p>　　采用單片機(jī)2個(gè)負(fù)跳變計(jì)數(shù)加一的計(jì)數(shù)器求得一路相位差，具體方法是：</p><p>　　將電壓電流兩路交流信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換與整形等特定電路使其轉(zhuǎn)變成兩路方波信號(hào)

92、，將處理后的Uca,Ib兩路方波信號(hào)輸入單片機(jī)TO和T1兩脈沖計(jì)數(shù)口。通過電壓轉(zhuǎn)換的方波信號(hào)高電平半波作為計(jì)數(shù)的有效時(shí)間，對(duì)計(jì)數(shù)口T0負(fù)跳變計(jì)數(shù),對(duì)于方波半波持續(xù)時(shí)間內(nèi)的負(fù)跳變進(jìn)行計(jì)數(shù)為N,即為電網(wǎng)中半個(gè)周期內(nèi)的計(jì)數(shù)值N.對(duì)于電流轉(zhuǎn)換的方波信號(hào)在上述有效時(shí)間內(nèi)的高電平期間，對(duì)計(jì)數(shù)口T1負(fù)跳變計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)為n。計(jì)算功率因數(shù)角C=(n/N)*180再計(jì)算出功率因數(shù)。電路工作流程圖如圖5.6 所示。</p><p>　　

93、圖5.6 功率因數(shù)測(cè)量工作流程圖</p><p><b>　　5.6 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要闡述了本設(shè)計(jì)的所使用的仿真軟件、程序編譯軟件以及繪制硬件電路原理圖的介紹，同時(shí)介紹了個(gè)電路工作流程以及原理，并給出了主要處理程序流程圖。通過閱讀這一章，將會(huì)對(duì)電路的工作流程有著更為清晰的理解，對(duì)于軟件的使用也有所了解。這對(duì)理解本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方案，以及實(shí)現(xiàn)方

94、法有著極大的好處。</p><p>　　6.性能分析與系統(tǒng)調(diào)試</p><p>　　硬件和軟件都設(shè)計(jì)完成后，需對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行理論上的性能分析與實(shí)際的系統(tǒng)調(diào)試。事實(shí)上，調(diào)試工作是貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)過程之中的，并非是在設(shè)計(jì)最終完成后才開始進(jìn)行的。仿真測(cè)試也是如此。硬件是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，編寫的程序建立在硬件之上，性能的好壞亦是如此，這些才是調(diào)試關(guān)鍵與真正的原因。</p><p>

95、　　本章將對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析，主要分析兩個(gè)方面：</p><p><b>　　1.系統(tǒng)的測(cè)量精度</b></p><p><b>　　2.測(cè)量的實(shí)時(shí)性</b></p><p><b>　　6.1系統(tǒng)性能分析</b></p><p>　　6.1.1對(duì)于本系統(tǒng)的測(cè)量精度的分析&l

96、t;/p><p>　　系統(tǒng)的測(cè)量精度功率因數(shù)角為t/T*360度，相位角的測(cè)量跟計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值有關(guān)，而計(jì)數(shù)器頻率為12Mhz，計(jì)一個(gè)數(shù)值大約需時(shí)0.000000083s，由于電網(wǎng)信號(hào)頻率在50Hz左右，即電網(wǎng)變化一個(gè)周期的時(shí)間為20ms。所以，理論上本設(shè)計(jì)算法的最好精度為：（0.000000083s）/（0.02s）*360度=0.001494度。然而受到其他一些測(cè)量誤差的影響，最終的精度往往達(dá)不到理論精度，經(jīng)分析測(cè)

97、量精度方面的誤差主要來源如下：</p><p>　?。?）對(duì)寄存器讀/寫消耗的時(shí)間；</p><p>　?。?）中斷響應(yīng)產(chǎn)生的延時(shí)；</p><p>　　（3）環(huán)境的干擾；</p><p>　?。?）硬件電路中信號(hào)相互的干擾；</p><p>　　6.1.1對(duì)于本設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)性檢測(cè)的性能分析</p>

98、<p>　　由于程序設(shè)計(jì)中為了確保測(cè)量開始的準(zhǔn)確性犧牲了一些等待時(shí)間以及液晶顯示中所消耗的時(shí)間，這將對(duì)整個(gè)測(cè)試電路對(duì)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有所影響。隨著研究的深入，還需要進(jìn)行改進(jìn)。</p><p>　　6.2 系統(tǒng)的仿真調(diào)試與實(shí)際調(diào)試結(jié)果</p><p>　　6.2.1 仿真調(diào)試步驟</p><p>　　1．選中單片機(jī)右擊，選擇編輯屬性。操作如圖6.1所示。<

99、;/p><p><b>　　圖6.1 </b></p><p>　　2. 導(dǎo)入所編寫程序生成的HEX文件。操作如圖6.2所示。</p><p><b>　　圖6.2</b></p><p>　　3.選中仿真圖中的信號(hào)發(fā)生器右擊，選中編輯屬性。操作如圖6.3所示。</p><p>

100、<b>　　圖6.3</b></p><p>　　4. 改變輸入頻率與邊沿出現(xiàn)時(shí)間，在保證兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器頻率相同的條件下，對(duì)邊沿時(shí)間設(shè)置不同以產(chǎn)生功率因數(shù)角。操作如圖6.4所示。</p><p><b>　　圖6.4 </b></p><p>　　6.2.2實(shí)際調(diào)試步驟</p><p>　　本設(shè)計(jì)的

101、測(cè)試環(huán)境如圖6.5所示：</p><p><b>　　圖6.5測(cè)試環(huán)境</b></p><p>　　1．調(diào)節(jié)一個(gè)信號(hào)發(fā)生器的相位輸出使得兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器的正弦波保持同相位，用示波器進(jìn)行觀測(cè)，直到二者波形重合，再將相位角復(fù)位，這樣兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器將保持輸出同相位。調(diào)節(jié)的相位角如圖6.6所示，觀測(cè)的信號(hào)如圖6.7所示，最終重合的波形如圖6.8所示，復(fù)位后如圖6.9所示。<

102、;/p><p>　　圖6.6 調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器相位</p><p>　　圖6.7 示波器觀測(cè)波形</p><p>　　圖6.8 兩波形重合</p><p>　　圖6.9 相位角復(fù)位</p><p>　　2.改變輸入頻率（保證兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器同頻率），如圖6.10所示</p><p>　　圖6.10 調(diào)節(jié)

103、信號(hào)頻率</p><p>　　3.根據(jù)理論計(jì)算出在兩信號(hào)同邊沿相差1ms時(shí)，在不同的頻率下，所得到的不同的功率因數(shù)角。改變一個(gè)信號(hào)發(fā)生器的相位角（改變?yōu)槔碚摰慕嵌龋?。調(diào)節(jié)方法如第一步中的圖6.6所示。調(diào)接好的結(jié)果的如圖6.11所示。</p><p>　　圖6.11 調(diào)節(jié)功率因數(shù)角</p><p>　　4.記錄測(cè)量出的數(shù)據(jù)，實(shí)際測(cè)量效果的如圖6.12所示：</p

104、><p>　　圖6.12 實(shí)際測(cè)量效果</p><p>　　6.3 結(jié)果分析與效果展示</p><p>　　將測(cè)試的結(jié)果與相關(guān)的理論數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)在下表中，如表6.1所示。</p><p>　　表6.1 仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表</p><p>　　由上表可以得到下表關(guān)于功率因數(shù)角的誤差率，如表6.2所示：</p>

105、;<p>　　表6.2 功率因數(shù)角的誤差率統(tǒng)計(jì)表</p><p>　　由表6.2可知，本設(shè)計(jì)測(cè)量功率因數(shù)角的誤差率較低（一般誤差率維持在1%左右），可以用于對(duì)電網(wǎng)功率因數(shù)角的測(cè)量。由表6.1可知對(duì)于頻率的測(cè)量基本正確。</p><p>　　在不同頻率下的仿真效果圖：</p><p>　　圖6.13.1輸入48.3HZ</p><p&

106、gt;　　圖6.13.3輸入49.7HZ</p><p>　　圖6.13.5輸入50.2HZ</p><p>　　圖6.13.7輸入51.4HZ</p><p>　　圖6.13.2輸入49.4HZ</p><p>　　圖6.13.4輸入50.0HZ</p><p>　　圖6.13.6輸入50.8HZ</p>

107、<p>　　由上面的仿真效果圖可以直觀的看出來，針對(duì)所測(cè)的頻率，與所輸入頻率一致，根據(jù)上面的表知，對(duì)于功率因數(shù)與功率因數(shù)角的測(cè)量也精度較高，可以說仿真效果十分理想。</p><p><b>　　實(shí)測(cè)效果圖：</b></p><p>　　圖6.14.1輸入48.3HZ</p><p>　　圖6.14.3輸入49.7HZ</p&

108、gt;<p>　　圖6.14.5輸入50.2HZ</p><p>　　圖6.14.7輸入51.2HZ</p><p>　　圖6.14.2輸入49.4HZ</p><p>　　圖6.14.4輸入50.0HZ</p><p>　　圖6.14.6輸入50.8HZ</p><p>　　上述的實(shí)際測(cè)量效果，直接展示

109、了測(cè)量的結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)與理論值基本一致。</p><p><b>　　6.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章對(duì)本設(shè)計(jì)的性能進(jìn)行了理論的分析，并對(duì)軟件仿真與硬件的調(diào)試進(jìn)行了測(cè)量，將所有測(cè)得的數(shù)據(jù)與相關(guān)的理論數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，通過對(duì)比統(tǒng)計(jì)表中的數(shù)據(jù)，分析本設(shè)計(jì)實(shí)際效果與可行性。</p><p><b>　　7.總結(jié)與展望&

110、lt;/b></p><p><b>　　7.1 總結(jié)</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)開篇介紹了課題所研究的背景以及所研究的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)，并概括的介紹了課題研究的主要內(nèi)容與內(nèi)容的大概安排。針對(duì)查閱的資料所了解的實(shí)施方案進(jìn)行了比較與選取，并針對(duì)選取的方案進(jìn)行了原理性的分析與總結(jié)。接下來開始對(duì)提出課題研究的總體設(shè)計(jì)方案以及各部分器件的選取與功能進(jìn)行了分析與講解

111、。針對(duì)硬件和軟件的設(shè)計(jì)，對(duì)于硬件電路的原理以及軟件程序的工作流程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。最后，針對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行性能分析與實(shí)際的調(diào)試，直到最終實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)——單片機(jī)測(cè)量三相電網(wǎng)功率因數(shù)角。</p><p>　　在進(jìn)行本設(shè)計(jì)的原有功能的同時(shí)，增加了對(duì)于電網(wǎng)頻率的測(cè)量，并通過1602LCD液晶顯示所測(cè)量的功率因數(shù)與頻率。在測(cè)量的過程中，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量與實(shí)時(shí)顯示，將電網(wǎng)的最新狀態(tài)顯示出來。增加對(duì)電網(wǎng)頻率的測(cè)量是在查閱資料以及對(duì)于

112、電路功能的深刻理解后的一點(diǎn)點(diǎn)小創(chuàng)新。總的來說，本設(shè)計(jì)算是圓滿的完成。</p><p><b>　　7.2 展望</b></p><p>　　在本次設(shè)計(jì)的過程中，完成了設(shè)計(jì)的要求，甚至還對(duì)本設(shè)計(jì)的要求有所提高——測(cè)出了電網(wǎng)的信號(hào)頻率。然而，本設(shè)計(jì)中的一些小問題仍不可忽視，還有待解決或是完善。</p><p>　　降低電路中信號(hào)的干擾，使得測(cè)量的精

113、度有所提高</p><p>　　對(duì)測(cè)量的實(shí)現(xiàn)方法（算法上、硬件上）提高測(cè)量的速度，減少延時(shí)，實(shí)現(xiàn)更好的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)效果。</p><p>　　本設(shè)計(jì)的對(duì)象只有一個(gè)，利用功能更加強(qiáng)大控制核心，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)式監(jiān)控，達(dá)到對(duì)多個(gè)對(duì)象的監(jiān)控。</p><p>　　將監(jiān)控的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)記錄，床送給上位機(jī)，甚至通過互聯(lián)網(wǎng)達(dá)到資源共享的目的。</p><p>　　通

114、過對(duì)數(shù)據(jù)的處理，采取相應(yīng)的措施反饋給電網(wǎng)，改善電網(wǎng)的性能，為供電的品質(zhì)提供保證。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 陳金鵬, 黃高勝. 基于8051單片機(jī)的三相電網(wǎng)功率因數(shù)角的測(cè)量[J]. 蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院校報(bào), 2005,3(3):5～6</p><p>　　[2] 戚永剛, 劉洋洋. 自動(dòng)化船舶電