畢業(yè)設(shè)計---電工測量復(fù)用表設(shè)計

1、<p><b>　　1 引言</b></p><p>　　傳統(tǒng)的電工量（電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、各種功率、紋波系數(shù)等）測量使用各種各樣的測量儀表，但計算機技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)為新型電工測量系統(tǒng)的設(shè)計提供了可能。對用戶負載的電壓、電流進行取樣，應(yīng)用數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理技術(shù)可以方便地給出電壓（電流）的各次諧波成分的幅度、頻率與相位，從而利用計算方式可以一次性地給出前述眾多電工量，實現(xiàn)一機

2、多用。</p><p>　　1.1 課題研究的背景</p><p>　　電學(xué)參數(shù)測量技術(shù)涉及范圍廣，特別是微電壓、微電流、高電壓以及待測信號強弱相差極大的情況下，既要保證弱信號的測量精度又要兼顧強信號的測量范圍，在技術(shù)上有一定的難度。傳統(tǒng)的低成本儀表在測量電壓、電流時都采用手動選擇檔位的方法來轉(zhuǎn)換量程。在使用中，當忘記轉(zhuǎn)換檔位時，會造成儀表測量精度下降或損壞。 現(xiàn)代電子測量對系統(tǒng)的精度要

3、求越來越高且智能化程度也越來越高。</p><p>　　近十幾年來，單片機作為微計算機一個很重要的分支，應(yīng)用廣泛，發(fā)展迅速，已經(jīng)對人類社會產(chǎn)生了深遠的影響。單片機在生產(chǎn)過程控制、自動檢測、數(shù)據(jù)采集及處理、科技計算、商業(yè)管理及辦公室自動化等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。單片機具有體積小、重量輕、耗能省、價格低可靠性和通用靈活性等特點，尤其是美國Intel公司生產(chǎn)的MCS-51系列單片機，由于其具有集成度高、處理功能強、可靠

4、性好、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、易于使用等優(yōu)點，在我國已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。由于MCS-51單片機易于學(xué)習(xí)、掌握、性能價格比高，另外以MCS-51單片機的基本內(nèi)核為核心的各種擴展型、增強型的單片機不斷推出，所以在今后若干年內(nèi)，MCS-51系列單片機仍是我國在單片機應(yīng)用領(lǐng)域中首選機型。單片機技術(shù)在自動控制領(lǐng)域中有著十分廣泛的應(yīng)用。如汽車、航空、電話、傳真、視頻等，很多行業(yè)設(shè)計自動控制情況下，通常會涉及單片機技術(shù)。</p><p

5、>　　1.2 課題研究的意義</p><p>　　電壓、電流是基本的物理量，對電壓、電流進行測量的要求是普遍存在的，無論在科學(xué)研究生產(chǎn)實踐，或是在日常生活中，人們都需要對電壓進行測量。不僅電量，即使是非電量也常常是借助電壓、電流測量的方法來進行研究。本設(shè)計的最基本的功能就是實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的電壓、電流的測量。</p><p>　　功率因數(shù)是交流電路的重要技術(shù)數(shù)據(jù)之一。功率因數(shù)的高低，

6、對于電氣設(shè)備的利用率和分析、研究電能消耗等問題都有十分重要的意義。因此,在電力系統(tǒng)和工業(yè)生產(chǎn)中,功率因數(shù)的在線精確檢測對電量計算及無功功率補償計算十分重要。所謂功率因數(shù)，是指任意二端網(wǎng)絡(luò)（與外界有二個接點的電路）兩端電壓U與其中電流I之間的位相差的余弦。在二端網(wǎng)絡(luò)中消耗的功率是指平均功率，也稱為有功功率，它等于</p><p>　　由此可以看出，電路中消耗的功率P，不僅取決于電壓V與電流I的大小，還與功率因數(shù)有關(guān)

7、。電路的功率因數(shù)定義為有功功率P與視在功率功率S的比值，即：</p><p>　　其中，角表示功率因數(shù)角，代表了電壓U與電流I之間的夾角。功率因數(shù)也就是功率因數(shù)角的余弦，因此，測出電壓與電流間的相位差，就可以計算出功率因數(shù)。功率因數(shù)的大小，取決于電路中負載的性質(zhì)。對于電阻性負載，其電壓與電流的位相差為0，因此，電路的功率因數(shù)最大（）；而純電感電路，電壓與電流的位相差為，并且是電壓超前電流；在純電容電路中，電壓與電

8、流的位相差則為，即電流超前電壓。在后兩種電路中，功率因數(shù)都為0。對于一般性負載的電路，功率因數(shù)就介于0與1之間。功率因素的測量是本課題設(shè)計的一個比較重要的功能。</p><p>　　在交流電路中，由電源供給負載的電功率有兩種：一種是有功功率，一種是無功功率。有功功率是保持用電設(shè)備正常運行所需的電功率，也就是將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量(機械能、光能、熱能)的電功率。無功功率比較抽象，它是用于電路內(nèi)電場與磁場的交換，并

9、用來在電氣設(shè)備中建立和維持磁場的電功率。它不對外做功，而是轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?。凡是有電磁線圈的電氣設(shè)備，要建立磁場，就要消耗無功功率。無功功率決不是無用功率，它的用處很大。電動機需要建立和維持旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而帶動機械運動，電動機的轉(zhuǎn)子磁場就是靠從電源取得無功功率建立的。變壓器也同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產(chǎn)生磁場，在二次線圈感應(yīng)出電壓。因此，沒有無功功率，電動機就不會轉(zhuǎn)動，變壓器也不能變壓，交流接觸器不會吸合。在

10、正常情況下，用電設(shè)備不但要從電源取得有功功率，同時還需要從電源取得無功功率。如果電網(wǎng)中的無功功率供不應(yīng)求，用電設(shè)備就沒有足夠的無功功率來建立正常的電磁場，那么，這些用電設(shè)備就不能維持在額定情況下工作，用電設(shè)備的端電壓就要下降，從而影響用電設(shè)備的正常運行。無功功率對供、用電產(chǎn)生一定的不良影響，主要表現(xiàn)在：</p><p>　　(1)降低發(fā)電機有功功率的輸出。</p><p>　　(2)降低輸

11、、變電設(shè)備的供電能力。</p><p>　　(3)造成線路電壓損失增大和電能損耗的增加。</p><p>　　(4)造成低功率因數(shù)運行和電壓下降，使電氣設(shè)備容量得不到充分發(fā)揮。</p><p>　　從發(fā)電機和高壓輸電線供給的無功功率，遠遠滿足不了負荷的需要，所以在電網(wǎng)中要設(shè)置一些無功補償裝置來補充無功功率，以保證用戶對無功功率的需要，這樣用電設(shè)備才能在額定電壓下工作

12、。這就是電網(wǎng)需要裝設(shè)無功補償裝置的道理。由此可見通過儀器測量電路中的有用功率和無用功率，從而改變電路中的有用功率和無用功率的比例，對于電器設(shè)備的正常工作顯得十分的重要。</p><p>　　1.3 智能儀表國內(nèi)外發(fā)展概況</p><p>　　智能儀器/儀表是計算機技術(shù)向測量儀器移植的產(chǎn)物。是含有微計算機或微處理器的測量儀器。由于它擁有對數(shù)據(jù)的存儲、運算、邏輯判斷及自動化操作等功能，有著智

13、能的作用(表現(xiàn)為智能的延伸或加強等)，因而被稱之為智能儀器。這一觀點已逐漸被國內(nèi)外學(xué)術(shù)界所接受。如我國電磁測量信息處理儀器學(xué)會于1988年正式成立“自動測試與智能儀器專業(yè)學(xué)組”，1986年IMECO(InternationalM easurementConfederation，國際測量聯(lián)合會)以“智能儀器”為主題召開了專門的討論會，IFAC (InternationalFederation of Automatic Control,國際

14、自動控制聯(lián)合會)1988年的理事會正式確立“智能元件及儀器”(In telligentC omponentsa ndI nstruments)(TC25)( C&I)為其系列學(xué)術(shù)委員會之一。此外，1989年5月在我國武漢召開了第一界測試技術(shù)與智能儀器國際學(xué)術(shù)討論會(ISMT 1189),自從 1971年世界上出現(xiàn)了第一種微處理器(美國Intel公司4004型4位微處理器芯片)以來，微計算機技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展</p>

15、<p>　　1.4 本課題的主要工作</p><p>　　隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，以前的機械式的電壓、電流、功率因素、有用功率和無用功率測量儀表已經(jīng)漸漸的被電子儀表所替代。而且現(xiàn)在的電子產(chǎn)品的一個顯著的特點是：體積越來越小，功能越來越多元化，性能越來越好。鑒于目前的電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，本課題設(shè)計一個電工測量復(fù)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以同時完成電壓、電流、功率因素角、有用功率、無用功率等物理參數(shù)的測量和計算

16、。同時可以通過按鍵的選擇在LED數(shù)碼管上面顯示的參數(shù)值。</p><p>　　本課題的主要工作和設(shè)計內(nèi)容如下：</p><p>　　1．查閱電工測量儀表的相關(guān)資料；</p><p>　　2．檢索復(fù)用表資料；</p><p>　　3．掌握多通道信號的取樣與數(shù)據(jù)采集技術(shù)；</p><p>　　4．掌握各種電工量的概

17、念；</p><p>　　5．設(shè)計完成此復(fù)用表；</p><p>　　6．復(fù)用表程序設(shè)計；</p><p>　　2 總體方案的設(shè)計及組成</p><p>　　2.1 系統(tǒng)的基本功能</p><p>　　一般來說，電子測量儀器的硬件組成包括：模擬信號輸入部分、信號處理部分、模數(shù)轉(zhuǎn)換部分和人機交互部分。但每一部分的

18、具體實現(xiàn)方法應(yīng)結(jié)合儀器所需完成的功能、成本及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與成熟程度等因素綜合考慮。本課題考慮設(shè)計一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)能完成電壓測量、電流測量、功率因素測量、有用功率測量和無用功率測量的要求。主要的設(shè)計思路是對用戶負載的電壓、電流模擬量進行取數(shù)字樣，應(yīng)用數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理技術(shù)可以方便地給出電壓（電流）的各次諧波成分的幅度、頻率與相位，通過比較電壓、電流的相位差，計算出功率因素角，最后利用計算方式可以得到有用功率和無用功率，從而實現(xiàn)一個儀器測

19、量眾多電工量。</p><p>　　2.2 設(shè)計方案比較</p><p>　　根據(jù)以上系統(tǒng)所需完成的功能和特點，本設(shè)計提出方案1和方案2，并進行比較最后得出方案1比較適合這次的畢業(yè)設(shè)計。</p><p>　　2.2.1 設(shè)計方案一</p><p>　　在方案1中，電工測量復(fù)用表系統(tǒng)設(shè)計的核心芯片采用的MCS-51系列單片機。本電工測量系統(tǒng)

20、選用AT89C51單片機作為系統(tǒng)的核心。該單片機具有兩個外部中斷，兩個定時中斷，方波輸入接入其中一個中斷，當用低脈沖到來，觸發(fā)外部中斷0，同時定時器0開始計數(shù)，通過計算得到功率因素角。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片采用的是8位串行AD轉(zhuǎn)換芯片ADC0832，利用該芯片實現(xiàn)把電壓和電流模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。通過前面得到的電壓、電流和功率因素角等值，然后計算得到有用功率和無用功率，最后通過按鍵選擇顯示內(nèi)容。系統(tǒng)主要分為：電源部分、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換部分、方波

21、輸入電路、晶振電路、顯示電路、復(fù)位等電路。圖1為基于MSC-51單片機的設(shè)計框圖。</p><p>　　圖1 基于MSC-51單片機設(shè)計框圖</p><p>　　2.2.2 設(shè)計方案二</p><p>　　在方案2中，電工測量復(fù)用表系統(tǒng)設(shè)計的核心芯片采用的PIC系列單片機。選用PIC16C74單片機作為系統(tǒng)的核心。該單片機內(nèi)置具有8路10 位 A/D轉(zhuǎn)換，3個硬件

22、定時器，方波輸入接入其中一個中斷，當用低脈沖到來，觸發(fā)外部中斷0，同時定時器0開始計數(shù)，通過計算得到功率因素角。外部電壓和電流接入到其中的兩個AD轉(zhuǎn)換AN0和AN1。通過前面得到的電壓、電流和功率因素角等值，然后計算得到有用功率和無用功率，最后通過按鍵選擇顯示內(nèi)容。系統(tǒng)主要分為：電源部分、電壓輸入、電流輸入、方波輸入電路、晶振電路、顯示電路、復(fù)位等電路。圖2為基于PIC單片機的設(shè)計框圖。</p><p>　　圖2

23、基于PIC單片機設(shè)計框圖</p><p>　　2.2.3 方案比較</p><p>　　方案1采用的是MSC-51系列單片機，該系列單片機沒有集成AD轉(zhuǎn)換的功能，所以需要外接一個AD轉(zhuǎn)換芯片，這樣硬件電路比較復(fù)雜，但是由于MSC-51是大多數(shù)高校的單片機的入門課程，而且其開發(fā)工具也比較多，也有很多人已經(jīng)自制出一套免費的開發(fā)工具，所以開發(fā)成本比較低廉，比較適合學(xué)生畢業(yè)設(shè)計選用。</p

24、><p>　　方案2采用的是PIC系列單片機，該系列單片機集成了8路10位AD轉(zhuǎn)換的功能，不需要外接AD轉(zhuǎn)換芯片，這樣硬件電路十分簡單，但是由于PIC系列單片機的開發(fā)工具費用比較昂貴，前期一次性投入比較大，比較適合公司的選用。</p><p>　　綜合分析，本次畢業(yè)設(shè)計采用方案1進行設(shè)計。</p><p>　　2.3 系統(tǒng)的設(shè)計原則</p><p&

25、gt;　　電工測量復(fù)用表是科學(xué)研究生產(chǎn)實踐，日常生活的重要保證，其功能、測量設(shè)備和技術(shù)都應(yīng)遵循以下原則:</p><p>　　系統(tǒng)設(shè)計滿足現(xiàn)行《電子儀表技術(shù)規(guī)范》的要求。</p><p>　　先進性。系統(tǒng)將在了解國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)，吸收其經(jīng)驗和成果的基礎(chǔ)上進行方案設(shè)計，使系統(tǒng)的技術(shù)性能和水平具有明顯的先進性。</p><p>　　可靠性。系統(tǒng)運行安全可靠，性能穩(wěn)定，可以

26、在惡劣環(huán)境下長期工作。</p><p>　　通用性。在設(shè)計時，應(yīng)充分考慮其應(yīng)用對象的共性，使系統(tǒng)具有較強的通用性。</p><p>　　擴展性。系統(tǒng)的設(shè)計容量要足夠大，滿足系統(tǒng)今后擴充需要。</p><p>　　經(jīng)濟性。系統(tǒng)的造價經(jīng)濟合理，性能價格高。</p><p>　　操作維護方便。在軟件方面，要求人機界面友好，操作簡便;在硬件方面，要求

27、維護檢修方便。</p><p>　　3 硬件結(jié)構(gòu)與設(shè)計</p><p>　　電工測量復(fù)用表設(shè)計分為硬件設(shè)計部分和軟件設(shè)計部分，硬件是軟件的基礎(chǔ)，軟件是硬件的靈魂，下面我們對硬件設(shè)計進行簡單的描述。</p><p>　　3.1 AT89C51單片機簡介</p><p>　　單片機是一個單芯片形態(tài),面向控制對象的嵌入式應(yīng)用計算機系統(tǒng)。它的出現(xiàn)

28、及發(fā)展使計算機技術(shù)從通用型數(shù)值計算領(lǐng)域進入到智能化的控制領(lǐng)域。從此,計算機技術(shù)在兩個重要領(lǐng)域—通用計算機領(lǐng)域和嵌入式計算機領(lǐng)域都得到了極其重要的發(fā)展,并正在深深地改變著我們的社會。</p><p>　　AT89C51 是美國 ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS8位單片機，片內(nèi)含4 k bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATME

29、L公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，支持ISP在線下載程序，功能強大AT89C51單片機可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 </p><p><b>　　主要性能參數(shù)：</b></p><p>　　與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容</p>

30、<p>　　4k字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲器</p><p><b>　　1000次擦寫周期</b></p><p>　　全靜態(tài)操作：0Hz－24MHz</p><p><b>　　三級加密程序存儲器</b></p><p>　　128×8字節(jié)內(nèi)部RAM</p>

31、<p>　　32個可編程I／O口線</p><p>　　2個16位定時／計數(shù)器</p><p><b>　　6個中斷源</b></p><p>　　可編程串行UART通道</p><p>　　低功耗空閑和掉電模式</p><p>　　AT89C51的引腳圖如圖3所示，各引腳的主要功能為

32、：</p><p>　　圖3 AT89C51的引腳圖</p><p><b>　　VCC: 提供電源</b></p><p><b>　　GND: 地</b></p><p>　　P0口：P0 口是一組8 位漏極開路型雙向 I／O 口，也即地址／數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式

33、驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在FIash編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。</p><p>　　P1口：P1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I／O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1

34、”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（ILI）。Flash 編程和程序校驗期間，P1 接收低 8 位地址。</p><p>　　P2口：P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I／O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口

35、使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（ILI）。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX@DPTR指令）時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVX@RI指令）時，P2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中R2寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。Flash 編程或校驗時，P2 亦接收高位地址和其它控制信號。</p>&

36、lt;p>　　P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I／O口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3 口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的P3 口將用上拉電阻輸出電流（ILI）。</p><p>　　P3 口除了作為一般的 I／O 口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表1所示：</p><p>　　表

37、1 P3口的第二功能</p><p>　　P3 口還接收一些用于 Flash 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。</p><p>　　RST：復(fù)位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。</p><p>　　ALE／PROG： 當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問

38、外部存儲器，ALE 仍以時鐘振蕩頻率的 l／6 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的DO位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令A(yù)LE才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE無效。<

39、;/p><p>　　EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H—FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接VCC端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。Flash 存儲器編程時，該引腳加上+12V 的編程允許電源 Vpp，當然這必須是該器件是使用 12V 編程電壓 Vpp。</p>

40、<p>　　XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。</p><p>　　XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。</p><p>　　3.2 電路設(shè)計工具選擇</p><p>　　隨著計算機在國內(nèi)的逐漸普及，EDA(Electronic Design Automatic,電路設(shè)計自動化)軟件在電路行業(yè)的應(yīng)用也越來越廣泛，目前國內(nèi)最為常用的

41、EDA軟件有：PROTEL、ORCAD、PSPICE、EWB和Proteus等。</p><p><b>　　PROTEL</b></p><p>　　PROTEL是PORTEL公司在20世紀80年代末推出的電路行業(yè)的CAD軟件，它當之無愧地排在眾多EDA軟件的前面，是電路設(shè)計者的首選軟件。它較早在國內(nèi)使用，普及率也最高，有些高校的電路專業(yè)還專門開設(shè)了課程來學(xué)習(xí)它。幾

42、乎所有的電路公司都要用到它。早期的PROTEL主要作為印刷板自動布線工具使用，運行在DOS環(huán)境，對硬件的要求很低，在無硬盤286機的1M內(nèi)存下就能運行。它的功能較少，只有電原理圖繪制與印刷板設(shè)計功能，印刷板自動布線的布通率也低。在PROTEL99成為經(jīng)典至今仍然廣泛被人使用之后，現(xiàn)在的PROTEL已發(fā)展到PROTELDXP，是個龐大的EDA軟件，它包含了電原理圖繪制、模擬電路與數(shù)字電路混合信號仿真、多層印刷電路板設(shè)計（包含印刷電路板自動

43、布線）、可編程邏輯器件設(shè)計、圖表生成、電路表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server （客戶/服務(wù)器）體系結(jié)構(gòu)，同時還兼容一些其它設(shè)計軟件的文件格式，如ORCAD、PSPICE、EXCEL等。使用多層印制線路板的自動布線，可實現(xiàn)高密度PCB的100％布通率。</p><p><b>　　ORCAD</b></p><p>　　ORCAD是由ORCAD

44、公司于20世紀80年代末推出的EDA軟件。它是世界上使用最廣的EDA軟件，每天都有上百萬的電路工程師在使用它，相對于其它EDA軟件而言，它的功能也是最強大的，由于ORCAD軟件使用了軟件狗防盜版，因此在國內(nèi)它并不普及，知名度也比不上PROTEL，只有少數(shù)的電路設(shè)計者使用它。早在工作于DOS環(huán)境的ORCAD 4.0，它就集成了電原理圖繪制、印制電路板設(shè)計、數(shù)字電路仿真、可編程邏輯器件設(shè)計等功能，而且它的界面友好且直觀。它的元器件庫也是所有

45、EDA軟件中最豐富的，在世界上它一直是EAD軟件中的首選。它集成了電原理圖繪制，印刷電路板設(shè)計、模擬與數(shù)字電路混合仿真等功能。它的電路仿真的元器件庫更達到了8500個，收入了幾乎所有的通用型電路元器件模塊但同時它的售價也不菲。</p><p><b>　　PSPICE</b></p><p>　　PSPICE是較早出現(xiàn)的EDA軟件之一，1985年就由MICROSIM公

46、司推出。在電路仿真方面，它的功能可以說是最為強大，在國內(nèi)被普遍使用。整個軟件由原理圖編輯、電路仿真、激勵編輯、元器件庫編輯、波形圖等幾個部分組成，使用時是一個整體，但各個部分各有各的窗口。</p><p>　　PSPICE發(fā)展至今，已被并入ORCAD，成為ORCAD－PSPICE，但PSPICE仍然單獨銷售和使用，是功能強大的模擬電路和數(shù)字電路混合仿真EDA軟件。它可以進行各種各樣的電路仿真、激勵建立、溫度與噪聲

47、分析、模擬控制、波形輸出、數(shù)據(jù)輸出、并在同一個窗口內(nèi)同時顯示模擬與數(shù)字的仿真結(jié)果。無論對哪種器件哪些電路進行仿真，包括IGBT、脈寬調(diào)制電路、模／數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)／模轉(zhuǎn)換等，都可以得到精確的仿真結(jié)果。對于庫中沒有的元器件模塊，還可以自已編輯。它在INTERNET上的網(wǎng)址與ORCAD公司一樣。 </p><p><b>　　EWB</b></p><p>　　EWB(ELEC

48、TRONICS WORKBENCH EDA)軟件是交互圖像技術(shù)有限公司（INTERACTIVE IMAGE TECHNOLOGIES Ltd）在20世紀90年代初推出的EDA軟件，但在國內(nèi)開始使用卻是近幾年的事。相對其它EDA軟件而言，它是個較小巧的軟件，功能也比較單一，就是進行模擬電路和數(shù)字電路的混合仿真，但你絕對不可小瞧它，它的仿真功能十分強大，幾乎100％地仿真出真實電路的結(jié)果，而且它在桌面上提供了萬用表、示波器、信號發(fā)生器、掃頻

49、儀、邏輯分析儀、數(shù)字信號發(fā)生器、邏輯轉(zhuǎn)換器等工具，它的器件庫中則包含了許多大公司的晶體管元器件、集成電路和數(shù)字門電路芯片，器件庫中沒有的元器件，還可以由外部模塊導(dǎo)入。在眾多的電路仿真軟件中，EWB是最容易上手的，它的工作界面非常直觀，原理圖和各種工具都在同一個窗口內(nèi)，未接觸過它的人稍加學(xué)習(xí)就可以很熟練地使用該軟件。對于電路設(shè)計工作者來說，它是個極好的EDA工具，許多電路你無須動用烙鐵就可得知它的結(jié)果，而且若想更換元器件或改變元器件參數(shù)，

50、只須點點鼠標即可，它也可以作為電學(xué)知識的輔助教學(xué)軟件使用，利用它可以直接從屏幕上看到各種電路的輸出波形。</p><p><b>　　Proteus</b></p><p>　　Proteus ISIS是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件。它運行于Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點是：1.實現(xiàn)

51、了單片機仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(tài)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。2.支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機類型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。3.提供軟件調(diào)試功

52、能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點等調(diào)試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如Keil C51 uVision2等軟件。4.具有強大的原理圖繪制功能。總之，該軟件是一款集單片機和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強大。</p><p>　　由于本次畢業(yè)設(shè)計不僅需要原理分析，還需要進行硬件設(shè)計和調(diào)試，故本次畢

53、業(yè)設(shè)計采用的比較常用的設(shè)計工具Protell 99 SE。</p><p><b>　　3.3 電源部分</b></p><p>　　對于現(xiàn)在一個電子系統(tǒng)來說，電源部分的設(shè)計也越來越重要。對于一個實際的電子系統(tǒng)，要認真的分析它的電源需求。不僅僅是關(guān)心輸入電壓，輸出電壓和電流，還要仔細考慮到總的功耗，電源實現(xiàn)的效率，電源部分對負載變化的瞬態(tài)響應(yīng)能力，關(guān)鍵器件對電源波動

54、的容忍范圍以及相應(yīng)的允許的電源紋波，還有散熱問題等等。本次電工測量復(fù)用表設(shè)計系統(tǒng)中使用到了+5V的電源，電源設(shè)計的原理圖如圖4，輸入是+12V的直流電源。電路中使用到穩(wěn)壓的芯片是7805，7805是5伏的穩(wěn)壓芯片，這種芯片的好處是應(yīng)用比較的簡單，只需要接上幾個電容就可以使用了。而且如果前段如果電源有輕微的波動幾乎對后面的輸出沒有影響，這種芯片具有自己調(diào)節(jié)功能，電路中1N5819的作用是防止電源接反，C1、C2、C3、C4、C5、C6的作

55、用是電源濾波。</p><p>　　圖4 電源基于MSC-51單片機設(shè)計框圖實現(xiàn)原理圖</p><p>　　3.4 ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換</p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計的電壓、電流模擬量的采集是通過串行AD轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)。串行AD轉(zhuǎn)換芯片選用ADC0832，ADC0832是是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8 位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換 芯片。由于它體積小,兼容性

56、強,性價比高而深受單片機愛好者及企業(yè)歡迎, 其目前已經(jīng)有很高的普及率。</p><p>　　3.4.1 ADC0832 具有以下特點</p><p><b>　　8位分辨率；</b></p><p><b>　　雙通道A/D轉(zhuǎn)換；</b></p><p>　　輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容；

57、</p><p>　　5V電源供電時輸入電壓在0~5V之間；</p><p>　　工作頻率為250KHZ，轉(zhuǎn)換時間為32μS；</p><p>　　一般功耗僅為15mW； </p><p>　　8P、14P—DIP（雙列直插）、PICC 多種封裝；</p><p>　　商用級芯片溫寬為0°C to +70&#

58、176;C，工業(yè)級芯片溫寬為.40°C to +85°C；</p><p>　　3.4.2 芯片接口說明</p><p>　　CS_ 片選使能，低電平芯片使能。</p><p>　　CH0 模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用。</p><p>　　CH1 模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用。 </p>

59、<p>　　GND 芯片參考0 電位（地）。</p><p>　　DI 數(shù)據(jù)信號輸入，選擇通道控制。</p><p>　　DO 數(shù)據(jù)信號輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。</p><p>　　CLK 芯片時鐘輸入。 </p><p>　　Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用）。</p><p>　　ADC0832

60、為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在0~5V之間。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為32μS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。 </p><p>　　3.4.3 單片機對ADC083

61、2 的控制原理</p><p>　　正常情況下ADC0832 與單片機的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設(shè)計時可以將DO和DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。當ADC0832未工作時其CS輸入端應(yīng)為高電平，此時芯片禁用，CLK 和DO/DI 的電平可任意。當要進行A/D轉(zhuǎn)換時，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完

62、全結(jié)束。此時芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端CLK 輸入時鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。在第1 個時鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平，表示啟始信號。在第2、3個脈沖下沉之前DI端應(yīng)輸入2 位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能。圖5為ADC0832與單片機AT89C51的連接電路圖。</p><p>　　圖5 ADC0832應(yīng)用電路圖</p><p><

63、b>　　3.5 復(fù)位電路</b></p><p>　　隨著測量技術(shù)的發(fā)展和微處理器的廣泛應(yīng)用,單片機系統(tǒng)的電路越來越復(fù)雜,而系統(tǒng)的可靠性問題也越來越突出,一般的單片機系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場等惡劣的環(huán)境下容易死機,要求系統(tǒng)在這些場合可靠穩(wěn)定的工作,就必須外加監(jiān)視電路。MCS-51的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。MCS-51單片機片內(nèi)復(fù)位為，復(fù)位引腳RST通過一個斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個機器周期

64、的S5P2，斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號。</p><p>　　復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)的。只要Vcc的上升時間不超過1ms，就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位。除了上電復(fù)位外，有時還需要按鍵手動復(fù)位。按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過RST端經(jīng)電阻與電源Vcc接通而實現(xiàn)的。按鍵脈沖復(fù)

65、位則是利用RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來實現(xiàn)的，圖6兼有上電復(fù)位和按鈕復(fù)位的電路。復(fù)位電路軟件程序跑飛或者硬件發(fā)生錯誤的時候產(chǎn)生一個復(fù)位信號，控制MCS-51單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序，重新執(zhí)行軟件程序。</p><p><b>　　圖6 上電復(fù)位電路</b></p><p>　　在單片機設(shè)計中，若有外部擴展的I/O接口電路需初始復(fù)位，如果它們的復(fù)位端和MCS-5

66、1單片機的復(fù)位端相連，復(fù)位電路中的R、C參數(shù)要受到影響，這時復(fù)位電路中的R、C參數(shù)要統(tǒng)一考慮以保證可靠的復(fù)位。如果單片機MCS-51單片機與外圍I/O接口電路的復(fù)位電路和復(fù)位時間不完全一致，使單片機初始化程序不能正常運行，外圍I/O接口電路的復(fù)位也可以不和MCS-51單片機復(fù)位端相連，僅采用獨立的上電復(fù)位電路。一般來說，單片機的復(fù)位速度比外圍I/O快些。若RC上電復(fù)位電路接MCS-51單片機和外圍電路復(fù)位端，則能時系統(tǒng)可靠地同步復(fù)位。為

67、保證系統(tǒng)可靠復(fù)位，在初始化程序中應(yīng)用到一定的復(fù)位延遲時間。</p><p><b>　　3.6 晶振電路</b></p><p>　　時鐘在單片機中非常重要，單片機各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準。時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時鐘電路有兩種方式，一種是內(nèi)部時鐘方式，另一種為外部時鐘方式。</p>

68、<p>　　內(nèi)部時鐘方式電路圖如下圖7所示：</p><p><b>　　圖7 內(nèi)部時鐘電路</b></p><p>　　MCS-51單片機內(nèi)部有一個用與構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反相放大器的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。這兩個引腳接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器電路。</p><p

69、>　　電路中的電容C1和C2典型值通常選擇為30PF左右。對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但是電容的大小會影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。晶體的振蕩頻率的范圍通常是在1.2MHz-12MHz之間。晶體的頻率越高，則系統(tǒng)的時鐘頻率也就越高，單片機的運行速度也就越快。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用溫度穩(wěn)定性能好的NPO高頻電容。MCS-51單片機常選擇振蕩頻率6MHz或12MHz的石英晶體。</p>&

70、lt;p><b>　　外部時鐘方式：</b></p><p>　　外部時鐘方式電路圖如下圖8所示，外部時鐘方式是使用外部振蕩脈沖信號，常用于多片MCS-51單片機同時工作，以便于同步。對外部脈沖信號只要求高電平的持續(xù)時間大于20us，一般為低于12MHz的方波。外部的時鐘源直接接到XTAL2端，直接輸入到片內(nèi)的時鐘發(fā)生器上。由于XTAL2的邏輯電平不是TTL的，因此要外接一個4.7k-

71、10k的上拉電阻。</p><p><b>　　圖8 外部時鐘電路</b></p><p>　　這次的設(shè)計采用MCS-51的內(nèi)部時鐘方式。因為外部時鐘方式是用外部振蕩脈沖信號，用于多片MCS-51單片機同時工作。在這次設(shè)計中只用一個MCS-51單片機，不需要振蕩脈沖信號。</p><p>　　3.7 單片機基本工作電路</p>

72、<p>　　本設(shè)計的核心是單片機電路，考慮到我們需要兩個中斷輸入，存儲容量、外部接口對單片機端口的需要以及兼顧到節(jié)約成本的原則，我們選用了常用的AT89C51單片機。AT89C51是低功耗、高性能、經(jīng)濟的8位CMOS微處理器，工作頻率為0-24MHz，內(nèi)置4K字節(jié)可編程只讀閃存，128x8位的內(nèi)部RAM，32位可編程I／O總線。它采用Atmel公司的非易儲器制造技術(shù)，與MCS51的指令設(shè)置和芯片引腳可兼容。AT89S51可以按

73、照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。</p><p>　　AT89C51工作的最簡單的電路是其外圍接一個晶振和一個復(fù)位電路，給單片機接上電源和地，單片機就可以工作了。單片機正常工作的條件：</p><p><b>　　1、+5V電源；</b></p>

74、<p><b>　　2、晶振電路；</b></p><p><b>　　3、復(fù)位電路；</b></p><p><b>　　4、上拉電阻；</b></p><p>　　其最簡單的工作原理圖如圖9：</p><p>　　圖9 AT89S51單片機工作電路</p&g

75、t;<p><b>　　3.8 顯示電路</b></p><p>　　8段數(shù)碼管屬于LED發(fā)光器件的一種。LED發(fā)光器件一般常用的有兩類：數(shù)碼管和點陣。8段數(shù)碼管又稱為8字型數(shù)碼管，分為8段：A、B、C、D、E、F、G、P。其中P為小數(shù)點。數(shù)碼管常用的有10根管腳，每一段有一根管腳，另外兩根管腳為一個數(shù)碼管的公共端，兩根之間相互連通，如圖所示：</p><

76、p>　　圖10 LED的管腳和電路原理</p><p>　　從電路上，數(shù)碼管又可分為共陰和共陽兩種。</p><p>　　用單片機驅(qū)動LED數(shù)碼管有很多方法，按顯示方式分，有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。</p><p><b>　　圖11 顯示電路</b></p><p>　　靜態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動電路具有輸出鎖存功能，單

77、片機將所有要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再控制LED，直到下一次顯示時再傳送一次新的顯示數(shù)據(jù)。靜態(tài)顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用的CPU時間少。靜態(tài)顯示中，每一個顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的I/O接口，該接口用于筆劃段字型代碼。這樣單片機只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，該字段就可以顯示發(fā)送的字形。要顯示新的數(shù)據(jù)時，單片機在發(fā)送新的字形碼。另一種方法是動態(tài)掃描顯示。動態(tài)掃描方法是用其接口電路把所有顯示器的8個筆畫段a-h同名端連在一起，而每一個

78、顯示器的公共極COM各自獨立的受I/O線控制。CPU向字段輸出口送出字形碼時，所有顯示器接收到相同的字形碼，但究竟是哪個顯示器亮，則取決于COM段，而這一段是由I/O控制的，由單片機決定何時顯示哪一位了。動態(tài)掃描用分時的方法輪流控制各個顯示器的COM端，使各個顯示器輪流點亮。在輪流點亮掃描過程中，每位顯示器的點亮?xí)r間極為短暫，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余暉效應(yīng)，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)。</p><

79、p>　　本次畢業(yè)設(shè)計需要4個數(shù)碼管，所以采用動態(tài)的顯示的方式。</p><p><b>　　3.9 按鍵電路</b></p><p>　　按鍵是實現(xiàn)人機對話的比較直觀的接口，可以通過按鍵實現(xiàn)人們想讓單片機做的不同的工作。鍵盤是一組按鍵的集合，鍵是一種常開型開關(guān)，平時按鍵的兩個觸點處于斷開狀態(tài)，按下鍵是它們閉合。鍵盤分編碼鍵盤和非編碼鍵盤，案件的識別由專用的硬件

80、譯碼實現(xiàn)，并能產(chǎn)生鍵編號或鍵值的稱為編碼鍵盤，而缺少這種鍵盤編碼電路要靠自編軟件識別的稱為非編碼鍵盤。在單片機組成的電路系統(tǒng)及智能化儀器中，用的更多的是非編碼鍵盤。圖12就是一種比較典型的按鍵電路，在按鍵沒有按下的時候，輸出的是高電平，當按鍵按下去的時候，輸出的低電平。</p><p><b>　　圖12 按鍵電路</b></p><p>　　按鍵消抖：通常的按鍵所用

81、開關(guān)為機械彈性開關(guān)，當機械觸點斷開、閉合時，電壓信號小型如下圖。由于機械觸點的彈性作用，一個按鍵開關(guān)在閉合時不會馬上穩(wěn)定地接通，在斷開時也不會一下子斷開。因而在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動，如下圖13。抖動時間的長短由按鍵的機械特性決定，一般為5ms～10ms。這是一個很重要的時間參數(shù)，在很多場合都要用到。</p><p><b>　　圖13 按鍵過程</b></p>

82、<p>　　按鍵穩(wěn)定閉合時間的長短則是由操作人員的按鍵動作決定的，一般為零點幾秒至數(shù)秒。鍵抖動會引起一次按鍵被誤讀多次。為確保CPU對鍵的一次閉合僅作一次處理，必須去除鍵抖動。在鍵閉合穩(wěn)定時讀取鍵的狀態(tài)，并且必須判別到鍵釋放穩(wěn)定后再作處理。按鍵的抖動，可用硬件或軟件兩種方法。 硬件消抖：在鍵數(shù)較少時可用硬件方法消除鍵抖動。下圖所示的RS觸發(fā)器為常用的硬件去抖。</p><p>　　圖14 RS觸

83、發(fā)器</p><p>　　圖14中兩個“與非”門構(gòu)成一個RS觸發(fā)器。當按鍵未按下時，輸出為1；當鍵按下時，輸出為0。此時即使用按鍵的機械性能，使按鍵因彈性抖動而產(chǎn)生瞬時斷開（抖動跳開B），中要按鍵不返回原始狀態(tài)A，雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)不改變，輸出保持為0，不會產(chǎn)生抖動的波形。也就是說，即使B點的電壓波形是抖動的，但經(jīng)雙穩(wěn)態(tài)電路之后，其輸出為正規(guī)的矩形波。這一點通過分析RS觸發(fā)器的工作過程很容易得到驗證。</p&

84、gt;<p>　　軟件消抖：如果按鍵較多，常用軟件方法去抖，即檢測出鍵閉合后執(zhí)行一個延時程序，產(chǎn)生5ms～10ms的延時，讓前沿抖動消失后再一次檢測鍵的狀態(tài)，如果仍保持閉合狀態(tài)電平，則確認為真正有鍵按下。當檢測到按鍵釋放后，也要給5ms～10ms的延時，待后沿抖動消失后才能轉(zhuǎn)入該鍵的處理程序。</p><p><b>　　4 軟件設(shè)計</b></p><p

85、>　　4.1 軟件設(shè)計概述</p><p>　　軟件設(shè)計是一個創(chuàng)造性的過程，對一些設(shè)計者來說需要一定的資質(zhì)，而最后設(shè)計通常都是由一些初步設(shè)計演變而來的。從書本上學(xué)不會設(shè)計，只能經(jīng)過實踐，通過對實際系統(tǒng)的研究和實踐才能學(xué)會。對于高效的軟件工程，良好的設(shè)計是關(guān)鍵，一個設(shè)計得好的軟件系統(tǒng)應(yīng)該是可直接實現(xiàn)和易于維護、易懂和可靠的。設(shè)計得不好的系統(tǒng)，盡管可以工作，但很可能維護起來費用昂貴、測試困難和不可靠，因此，設(shè)計

86、階段是軟件開發(fā)過程中最重要的階段。</p><p>　　直到最近，軟件設(shè)計在很大程度上仍是一個特定過程。一般用自然語言給定一個需求集，預(yù)先作非正式設(shè)計，常常用流程圖的形式說明，接著開始編碼，當系統(tǒng)實現(xiàn)時設(shè)計還需修改。當實現(xiàn)階段完成后，設(shè)計往往已與起初形式相去甚遠以至于設(shè)計的原始文檔完全不適合對系統(tǒng)的描述。</p><p>　　4.1.1 軟件設(shè)計的步驟</p><p&

87、gt;　　大型的軟件設(shè)計是一個龐大的系統(tǒng)工程，需要前期的市場調(diào)查、需求分析，還需要各個行業(yè)的支持。本次畢業(yè)設(shè)計的程序是一個很簡單的過程，所以步驟也相對應(yīng)的簡單了許多。</p><p>　　第一步：分析整個系統(tǒng)可以由幾個子系統(tǒng)組成，并考慮幾個子系統(tǒng)之間的內(nèi)在的關(guān)系。</p><p>　　第二步：編寫各個子系統(tǒng)的程序，最后組合在一起，得到整個系統(tǒng)。</p><p>　　

88、第三步：編譯，查錯，改錯（包括語法錯誤、邏輯錯誤）</p><p>　　第四步：把編譯，看是否得到我們需要的結(jié)果，如果得不到結(jié)果就回到第三步，直到最后得到我們想要的結(jié)果。</p><p>　　4.1.2 軟件設(shè)計任務(wù)</p><p>　　軟件設(shè)計主要是針對硬件設(shè)計里面的控制部分的，這里指AT89C51單片機，一般的單片機均可用匯編語言和C語言進行編程。C語言直觀，

89、相對比較的簡單，但占用的程序存儲器的內(nèi)存比較大，匯編語言是針對硬件設(shè)計的語言，如果想用匯編語言設(shè)計的話必須要對硬件有很大的了解，相對C語言就比較的復(fù)雜，但是比較的精簡，占用的程序存儲器的空間比較的小。</p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計采用匯編語言編程，軟件部分需要完成的任務(wù)：單片機初始化、ADC0832電壓、電流采樣，功率因素角測量、功率因素計算、有用功率計算、無用功率計算、顯示參數(shù)、按鍵處理、外部中斷、延時程序

90、、定時程序。</p><p>　　4.2 單片機編程集成環(huán)境Keil C51</p><p>　　本次畢業(yè)所選用Keil C51中的編譯/連接器軟件Keil uVision2作為編譯器/連接工具，使用萬利公司Medwin軟件作為集成開發(fā)環(huán)境。Medwin是萬利電子有限公司的軟件，Medwin是一個具有Microsoft Visual Studio窗口風(fēng)格的集成開發(fā)環(huán)境。支持帶語法分析的彩色

91、文本顯示、源程序斷點設(shè)置記憶、實時程序計數(shù)器、PC顯示、仿真器斷電自動重載、自適應(yīng)連接仿真器等功能，并且支持全空間程序代碼和數(shù)據(jù)空間的模擬仿真、Trace Buffer跟蹤器。</p><p>　　Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深

92、刻。</p><p>　　Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。</p><p>　　4.2.1 Keil C51單片機軟件開發(fā)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)</p&g

93、t;<p>　　C51工具包的整體結(jié)構(gòu)，如圖所示，其中uVision與Ishell分別是C51 for Windows和for Dos的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個開發(fā)流程。開發(fā)人員可用IDE本身或其它編輯器編輯C或匯編源文件。然后分別由C51及A51編譯器編譯生成目標文件(.OBJ)。目標文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經(jīng)L51連接定位生成絕對目標文件(.ABS)

94、。ABS文件由OH51轉(zhuǎn)換成標準的Hex文件，以供調(diào)試器dScope51或tScope51使用進行源代碼級調(diào)試，也可由仿真器使用直接對目標板進行調(diào)試，也可以直接寫入程序存貯器如EPROM中。</p><p>　　圖15 C51工具包整體結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　4.2.2 Keil C51功能介紹</p><p>　　4.2.2.1 8051開發(fā)工具&

95、lt;/p><p>　　KEILC51標準C編譯器為8051微控制器的軟件開發(fā)提供了C語言環(huán)境,同時保留了匯編代碼高效,快速的特點。C51編譯器的功能不斷增強，使你可以更加貼近CPU本身，及其它的衍生產(chǎn)品。C51已被完全集成到uVision2的集成開發(fā)環(huán)境中，這個集成開發(fā)環(huán)境包含：編譯器，匯編 器，實時操作系統(tǒng)，項目管理器，調(diào)試器。uVision2 IDE可為它們提供單一而靈活的開發(fā)環(huán)境。C51&

96、#160;V7版本是目前最高效、靈活的8051開發(fā)平臺。它可以支持所有8051的衍生產(chǎn)品，也可以支持所有兼容的仿真器，同時支持其它第三方開發(fā)工具。因此，C51 V7版本無疑是8051開發(fā)用戶的最佳選擇。</p><p>　　5.2.2.2 uVision2集成開發(fā)環(huán)境 </p><p>　　項目管理 ：工程(project)是由源文件、開發(fā)工具選項以及編程說明

97、三部分組成的。一個單一的uVision2工程能夠產(chǎn)生一個或多個目標程序。產(chǎn)生目標程序的源文件構(gòu)成“組”。開發(fā)工具選項可以對應(yīng)目標，組或單個文件。 </p><p>　　uVision2包含一個器件數(shù)據(jù)庫(device database)，可以自動設(shè)置匯編器、編譯器、連接定位器及調(diào)試器選項，來滿足用戶充分利用特定 微控制器的要求。此數(shù)據(jù)庫包含：片上存儲器和外圍設(shè)備的信息，擴展數(shù)據(jù)指針(

98、extra data pointer)或者加速器(math accelerator)的特性。 </p><p>　　uVision2可以為片外存儲器產(chǎn)生必要的連接選項：確定起始地址和規(guī)模。  集成功能：</p><p>　　uVision2的強大功能有助于用戶按期完工。</p><p>　　a.集成源極瀏覽器利用符

99、號數(shù)據(jù)庫使用戶可以快速瀏覽源文件。用詳細的符號信息來優(yōu)化用戶變數(shù)存儲器。</p><p>　　b.文件尋找功能：在特定文件中執(zhí)行全局文件搜索。</p><p>　　c.工具菜單：允許在V2集成開發(fā)環(huán)境下啟動用戶功能。</p><p>　　d.可配置SVCS接口：提供對版本控制系統(tǒng)的入口。</p><p>　　e.PC－LINT接口：對應(yīng)用程序

100、代碼進行深層語法分析。</p><p>　　f.Infineon的EasyCase接口：集成塊集代碼產(chǎn)生。</p><p>　　g.Infineon的DAVE功能：協(xié)助用戶的CPU和外部程序。DAVE工程可被直接輸入uVision2</p><p>　　4.2.2.2 編輯器和調(diào)試器</p><p>　　源代碼編輯器 :uVisio

101、n2編輯器包含了所有用戶熟悉的特性。彩色語法顯像和文件辯識都對C源代碼進行和優(yōu)化。可以在編輯器內(nèi)調(diào)試程序，它能提供一種自然的調(diào)試環(huán)境，使你更快速地檢查和修改程序。 </p><p>　　斷點:uVision2允許用戶在編輯時設(shè)置程序斷點（甚至在源代碼未經(jīng)編譯和匯編之前）。用戶啟動V2調(diào)試器之后，斷點即被激活。斷點可設(shè)置為條件表達式，變量或存儲器訪問，斷點被觸發(fā)后，調(diào)試器命令或調(diào)試功能即可執(zhí)行。在屬性框(

102、attributes column)中可以快速瀏覽斷點設(shè)置情況和源程序行的位置。代碼覆蓋率信息可以讓你區(qū)分程序中已執(zhí)行和未執(zhí)行的部分。</p><p>　　調(diào)試函數(shù)語言:uVision2中，你可以編寫或使用類似C的數(shù)語言進行調(diào)試。 </p><p>　　a.內(nèi)部函數(shù)：如printf, memset, rand及其它功能的函數(shù)。</p>

103、<p>　　b.信號函數(shù)：模擬產(chǎn)生CPU的模擬信號和脈沖信號(simulate analog and digital inputs to CPU )。</p><p>　　c.用戶函數(shù)：擴展指令范圍，合并重復(fù)動作。</p><p><b>　　變量和存儲器:  </b></p><

104、;p>　　用戶可以在編輯器中選中編程來觀察其取值。雙層窗口顯示，可進行以下調(diào)整： </p><p>　　當前函數(shù)的局部變量 </p><p>　　b. 用戶在兩個不同watch窗口頁面上的自定義變量 </p><p>　　c. 堆棧調(diào)用(call stack)頁面上的調(diào)用記錄（樹）(call tree)

105、0; </p><p>　　d. 不同格式的四個存儲區(qū)</p><p>　　4.2.2.3 C51編譯器 </p><p>　　KEIL C51編譯器在遵循ANSI標準的同時，為8051微控制器系列特別設(shè)計。語言上的擴展能讓用戶使用應(yīng)用中的所有資源。</p><p>　　存儲器和特殊功能寄存器的存取:C51編譯器可以實現(xiàn)對

106、8051系列所有資源的操作。SFR的存取由sfr和sbit兩個關(guān)鍵字來提供。變量可旋轉(zhuǎn)到任一個地址空間。用關(guān)鍵字——at，還能把變量放入固定的存儲器．存儲模式（大，中，?。Q定了變量的存儲類型。</p><p>　　連接定位器支持的代碼區(qū)可達32個，這就允許用戶在原有64K　ROM的8015基礎(chǔ)上擴展程序。在V2的編譯器和許多高性能仿真器中，可以 支持應(yīng)用程序的調(diào)試。</p><p&

107、gt;　　中斷功能：C51允許用戶使用C語言編寫中斷服務(wù)程序，快速進、出代碼和寄存器區(qū)的轉(zhuǎn)換功能使C語言中斷功能更加高效。可再入功能是用關(guān)鍵字來定義的。多任務(wù)，中斷或非中斷的代碼要求必須具備可再入功能。 </p><p>　　靈活的指針 ：C51提供了靈活高效的指針。通用指針用3個字節(jié)來存儲存儲器類型及目標地址，可以在8051的任意存儲區(qū)內(nèi)存取任何變量。特殊指針在聲明的同時已指定了存儲器類型，

108、指向某一特定的存儲區(qū)域。由于地址的存儲只需1－2字節(jié)，因此，指針存取非常迅速。 </p><p>　　4.2.2.4 代碼優(yōu)化  </p><p><b>　　通用代碼優(yōu)化 ：</b></p><p>　　常量重疊(constant folding)</p><p>　　通用子表達