測量電壓、電流、功率的數(shù)字表的設計制作【優(yōu)秀畢業(yè)課程設計】

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編號： 畢業(yè)設計說明書 題 目： 測量電壓、電流、功率的 ___數(shù)字表的設計制作 學 院： 機電工程學院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 學生姓名： 張 永 發(fā) 學 號： 1200120333 指導教師： 郭 福 力 職 稱： __工程師 __ 題目類型： □ 理論研究 □ 實驗研究 □√ 工程設計 □ 工程技術(shù)研究 □ 軟件開發(fā) 2016 年 6 月 3 日桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 I 頁 摘 要 在現(xiàn)代檢測技術(shù)中，常需用高精度數(shù)字電壓表進行現(xiàn)場檢測，將檢測到的數(shù)據(jù)送入微計算機系統(tǒng)，完成計算、存儲、控制和顯示等功能 片機的測量電量的數(shù)字表，以 片機和 核心器件 用的元件較少，成本低，調(diào)節(jié)工作可實現(xiàn)自動化： 數(shù)字電表抗干擾能力強、測 量 速度快、測量準確度高 要測出這兩個 參數(shù)就可以計算出有功功率和無功功率。 整個系統(tǒng)的設計完成了硬件電路的設計及軟件程序的編寫，通過最終硬件電路的調(diào)試及軟件程序的仿真，使該系統(tǒng)能夠在要求的條件下達到正常的測量及顯示功能 。 在整個系統(tǒng)的設計過程中，主要采用了模塊化的設計方法。該系統(tǒng) 主要分為四大模塊，即輸入信號衰減模塊、主控制模塊、 A/D 轉(zhuǎn)換模塊和輸出顯示模塊。由于實際電路中的電量參數(shù)太大， 接采集會使器件被損壞，因此先對電量信號進行衰減，在單片機的控制下完成對電壓 、電流 信號采集 ，并對電壓和電流的相位進行比較得到功率角 ，最后將 測量結(jié)果通過 晶 顯示出來。該電路設計新穎、功能強大、可擴展性強 。 關(guān)鍵字： 51 單片機 ； A/D 轉(zhuǎn)換器 ；電壓電流的采樣；顯示屏； 數(shù)字表 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 n it is to a be to An is It is a on in of it In at of of of of of is is of of of to of of it of of of be 602. is 51A/D 林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 目錄 目 錄 摘 要 ...................................................................................................................................... I ......................................................................................................................... 引言 ................................................................................................................................... 1 題背景和研究意義 ......................................................................................................... 1 字表的發(fā)展現(xiàn)狀 ............................................................................................................. 1 字表的未來發(fā)展趨勢 ..................................................................................................... 1 題研究目的和主要內(nèi)容 ................................................................................................. 2 2 系統(tǒng)方案 設計 ................................................................................................................ 3 統(tǒng)原理分析 ..................................................................................................................... 3 壓、電流測量原理 ...................................................................................................... 3 率測量原理 .................................................................................................................. 4 統(tǒng)功能要求 ..................................................................................................................... 4 統(tǒng)框圖 ............................................................................................................................. 5 統(tǒng)設計方案及技術(shù)分析 ................................................................................................. 5 壓、電流采集模塊 ..................................................................................................... 5 號處理模塊 ................................................................................................................. 6 數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 ................................................................................................................. 6 角測量模塊 ................................................................................................................. 6 3 硬件系統(tǒng)分析 ................................................................................................................ 8 路測量系統(tǒng)的分析 ......................................................................................................... 8 片機簡介 ................................................................................................................. 8 統(tǒng)前向通道 ..................................................................................................................... 8 壓、電流采樣電路 ...................................................................................................... 8 號處理和分析 ........................................................................................................... 10 角測量的前置電路 .................................................................................................... 11 數(shù)轉(zhuǎn)換電路 ................................................................................................................... 12 介 ................................................................................................................ 12 作過程 ........................................................................................................................ 12 件設計 ........................................................................................................................ 13 盤電路 ........................................................................................................................... 15 晶顯示電路 ................................................................................................................... 15 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 目錄 源電路 ........................................................................................................................... 16 4 系統(tǒng)的軟件設計 ......................................................................................................... 17 統(tǒng)的主程序設計 ........................................................................................................... 17 始化子程序的設計 .................................................................................................... 18 量子程序 ....................................................................................................................... 18 率因數(shù)的測量子程序 ................................................................................................ 19 壓、電流有效值的測量 ............................................................................................ 20 率測量 ....................................................................................................................... 21 晶顯示子程序 ............................................................................................................ 21 盤掃描子程序 ............................................................................................................ 23 5 軟件仿真與硬件調(diào)試調(diào)試部分 .................................................................. 24 壓、電流采集模塊調(diào)試 ............................................................................................... 24 位捕捉驗證 ................................................................................................................... 25 件制作與調(diào)試 ............................................................................................................... 26 總結(jié) ........................................................................................................................................ 27 謝 辭 ................................................................................................................................... 28 參考文獻 .............................................................................................................................. 29 附 錄 ................................................................................................................................... 30 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 1 頁 共 38 1 引言 題背景和研究意義 電能，作為生產(chǎn)和日常生活必要的一部分，在人類社會的發(fā)展過程中具有重要地位[1]。而在電能的生產(chǎn)、傳輸、分配、和使用的過程中只有通過對電能質(zhì)量和負載運行情況的監(jiān)測才能保證供電的可靠、靈活和經(jīng)濟性。因此，對于電能參數(shù)的測量具有重要意義。通過對電壓、電流和功率的測量，便可以具體的描述出電信號能量的大小。在電參數(shù)的測量過程中必然會使用到測量儀表。傳統(tǒng)的電參數(shù)測量儀表多為功能單一的模擬式針儀表。這類儀表通過電流或電壓線圈的電磁感應來驅(qū)動指針偏轉(zhuǎn)，測量人員通過指針在刻度表盤上的位置即可進行讀數(shù)。這類傳統(tǒng)的模擬式儀表多數(shù)在使用前需要進行機 械調(diào)零，而且根據(jù)待測量數(shù)據(jù)的大小需要通過手動調(diào)節(jié)的方式來選擇合適的檔位。尤其是在精度要求不同的測量條件下，仍然需要根據(jù)測量所需精度的不同來選擇不同準確度等級的電工測量儀表，因此操作較為復雜、通用性較差。而且由于刻度盤的讀數(shù)并不直觀，導致測量結(jié)果被引入了人工讀數(shù)所帶來的誤差。因此這種傳統(tǒng)的機械式電氣測量儀表急需被一種新型的高性能測量儀表所取代。 字表的發(fā)展現(xiàn)狀 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，一種新型數(shù)字式測量儀表漸漸出現(xiàn)在人們的視線中。這種數(shù)字式儀表不同于傳統(tǒng)的模擬式指針儀表，它采用將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的方式 將測量結(jié)果直接液晶或數(shù)碼管上顯示出來。這種數(shù)字表主要由輸入變換部分、 A/D 變換部分和顯示部分構(gòu)成。由于數(shù)字表可以直接將測量結(jié)果通過顯示部分顯示出來，因此在測量過程中避免了以往因人工讀數(shù)不直接而引入的測量誤差。而且部分數(shù)字表還具有自動轉(zhuǎn)換量程的功能，這也避免了人工切換量程時由于誤操作所引發(fā)的安全事故，增加了測量過程的 安全和可靠性。 數(shù)字式儀 表在國外發(fā)展較早 ,早在二十世紀五十年代初期 美國的 司年就已經(jīng)研發(fā)出了四位的數(shù)字電壓表。后來逐漸發(fā)展成為顯示位數(shù)更多的高精度 數(shù)字電 壓表 [2]。而我國在 二十世紀六十年代初 才開始對數(shù)字表進行研制，隨著國內(nèi)電子技術(shù)的發(fā)展，我國研制的數(shù)字表的 穩(wěn)定 顯示位數(shù)和精度也在不斷提高， 隨之 出現(xiàn)了許多六 位和 七位 半顯示 的數(shù)字電壓表 。目前國內(nèi)數(shù)字表已經(jīng)實現(xiàn)八位半的穩(wěn)定顯示輸出 。 字表的未來發(fā)展趨勢 隨著研發(fā)技術(shù)的不斷進步，數(shù)字表的應用也越來越成熟，如今已被廣泛的應用到工桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 2 頁 共 38 業(yè)生產(chǎn)和電力行業(yè)中 [3]。尤其是在一些較為惡劣的環(huán)境中，數(shù)字表以其自身的優(yōu)越性仍然占有主導地位。但也由于一些復雜環(huán)境中，存在各種形式的干擾，因此對數(shù)字表性能的要求也十分苛刻。比如在磁場變化較為劇烈的環(huán)境中，儀表中的電子元件很容易受到變化磁場的干擾從而導致測量結(jié)果出錯。對于精密儀表，抗干擾能力尤為重要。并且隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，通訊和智能化也被運用到各個領(lǐng)域，這也將成為數(shù)字表的一個新的發(fā)展趨勢。因此數(shù)字表 的未來發(fā)展應該有以下特點： （ 1） 更高的穩(wěn)定性 供電的電源，現(xiàn)場的抗干擾能力，顯示的數(shù)值的準確精度，這些性能都 會越來越好。 （ 2） 附加功能的智能化 通訊能力，控制保護功能，傳輸能力，歷史記錄功能，波形顯示等。未來的電力儀表會更加智能化，更切合現(xiàn)場的需要。 題研究目的和主要內(nèi)容 為了克服傳統(tǒng)指針式儀表的缺點，實現(xiàn)量程自動切換、讀數(shù)直觀、操作更加方便的電參數(shù)測量。本文采用了新型的設計方式，以互感器及其外圍電路組成采樣電路實現(xiàn)交流的信號的采樣，以運放組成的精密整流電路和濾波電路實現(xiàn)信號的交直流變換，以核心的 A/D 電路實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，以過零比較電路實現(xiàn)相位的測量，以單片機為核心實現(xiàn)對電壓 、電流和功率的運算并通過 1602 液晶模塊實現(xiàn)測量 果的直觀顯示。相對與傳統(tǒng)的指針式儀表，本設計具有功能多樣、讀數(shù)直接、可以自動切換量程、操作方便的特點。本設計包括以下幾個內(nèi)容：交流采樣電路，整流濾波電路， A/D 轉(zhuǎn)換電路，相位測量電路，液晶顯示部分 ，按鍵控制部分，單片機及其外圍路以及電源部分。以下是本設計需要研究的學習內(nèi)容： 各章內(nèi)容安排如下： 第一章前言部分簡單介紹課題的發(fā)展背景、發(fā)展現(xiàn)狀和研究意義等； 第二章是介紹設計本課題相關(guān)理論知識基礎(chǔ)。 第三章主要對用到的單片機和各個功能電路的功能、原理、原件的選擇 和參數(shù)計算 進詳細分析； 第四章主是整個系統(tǒng)的軟件部分進行設計并對各個功能模塊電路的軟件部分進行 詳細說明； 第五章主要是對整個設計的軟件仿真與硬件調(diào)試，并對過程中出現(xiàn)的問題進行分 析，找出合理的解決辦法； 第六章是對本次課題設計的總結(jié)及未來的展望； 文章的最后是致謝以及所用到的參考文獻和附錄部分；桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 3 頁 共 38 2 系統(tǒng)方案 設計 根據(jù)要求，本設計需要同時對電壓、電流、功率等電能參數(shù) 信息 進行 實時采集。以下為本次設計中所需要的理論基礎(chǔ)。 統(tǒng)原理分析 壓、電流測量原理 在電路原理中，可以通過二端口模 型對電路中負荷的電參數(shù)進行求解。如圖 示： 圖 二端網(wǎng)絡 本圖中取電流與電壓為關(guān)聯(lián)參考方向， 在交流電路中可以 設電流和電壓分別為2 s i n（ ）i I w t ???， 2 s i w t? 其中 ? 為 電 流 超前電 壓 的相位角。 對于交流信號幅值的相對大小可以分別用峰值、平均值和有效值來表示； 有 效值指的是信號的均方根值（ 對于電壓信號，其有效值的數(shù)學表達式如公式（ 2示： 2) t d ?（ 2 而對于標準正弦信號而言， 其信號的有效值與峰值之間存在以下關(guān)系，如公式（ 2示： S （ 2 因此對于標準正弦信號而言，其有效值可以根據(jù)公式（ 2通過獲取峰值的方式來間接求得。但嚴格意義上來說，由于高次諧波的存在，從電網(wǎng)輸出到民用負荷的電壓波形并不是完美的正弦波 。因此為保證更高的計算精度本次設計對電壓有效值的計算是根據(jù)公 式（ 2行求解的。 對于電流有效值的測量，通常是由電流按照一定比率轉(zhuǎn)換為電壓信號后進行求解的。根據(jù)電路原理，流經(jīng)純電阻電路的電流與電流在該電路產(chǎn)生的電壓信號在 同一時刻的波形上是可以完全重合。因此，通過電阻采樣的方法既可以保證在時間上波形的同步，又可以保證數(shù)值上的對應關(guān)系。對與電流有效值的求解，從原理上講還是對電壓有效值的求解。綜上，對于電流有效值的求解同樣可以根據(jù)公式（ 2歐姆定律聯(lián)合求得。桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 4 頁 共 38 測量電壓電流的最終目的是對設備功率進行求解，因此接下來將對功率的測量原理。 率測量原理 根據(jù)初 中物理對功率的定義，功率是在有效的單位時間 T 內(nèi)，用電器所消耗的電能是 W（瓦特）。因此根據(jù)定義，功率可以由公式 P=W / T 求得，但實際上計算用電器在時間 T 內(nèi)消耗的電能是非常困難的。因此，通常對功率的求解是根據(jù)如下公式進行求解的： 01 TP u id ? （ 2 其中 u 和 i 分別為電壓和電流的 瞬時值，通過對公式（ 2行變換可以得出功率的最終表達式（ 2 I ?? （ 2 其中 U 和 I 分別為電壓和電流的有效值， 根據(jù)公式 （ 2以分別對電壓和電流的有效值進行求解。 因此對于功率的求解還需要最后一個變量 ? 便可以完成。 ? 為以電壓為相位參考時，電流的相位 。因此對于功率 的求解 實際轉(zhuǎn)換為 對電壓電流之間的相位差? 進行求解 。 統(tǒng)功能要求 本設計以 片機作為核心控制元件，以 外圍硬件組成信號的輸入通道對交流信號進行實施信號采集的交流數(shù)字測量儀表。該儀表可以同時對負荷的電壓，電流和功率進行測量，并且由于采用數(shù)字顯示模塊 1602 液晶完成被測量的輸出顯示，因此具有可以直觀的將模擬量對應的數(shù)字量顯示出來。對與數(shù)字式儀表，其工作原理是先將采集 到的模擬信號進行信號類型轉(zhuǎn)換，完成模擬量到數(shù)字量的對應轉(zhuǎn)變。因此信號的采集和轉(zhuǎn)換過程對數(shù)字表功能的實現(xiàn)尤為重要。本文的重點也將放在信號的采集和轉(zhuǎn)換部分。本文通過互感器電路對交流信號實施采樣，并通過后續(xù)電路的處理將采樣到的模擬信號輸入到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片已完成數(shù)據(jù)從模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。對于功率的測量部分，本文采用將交流信號轉(zhuǎn)換為方波信號并通過邏輯運算的方法實現(xiàn)電流與電壓之間相位差的測量以達到最終獲得功率的目的。整個電路對于軟硬件的要求都比較高，因此需要大量的知識儲備以應對設計中出現(xiàn)的各種問題，經(jīng)過軟硬件的整體設計 之后，本設計應達到以下要求： 表 2系統(tǒng)設計要求 需測參數(shù) 參數(shù)測量要求 電壓 交流 0~250V 誤差 ≤± 2 V 電流 交流 0~5A 誤差 ≤± 功率 有功功率 0~1250W 誤差 ≤± 1 W 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 5 頁 共 38 統(tǒng)框圖 在 本設計 中 ，需要同時對電壓、電流和負荷的有功功率進行測量。 而電壓和電流在數(shù)值上均用有效值來表示。根據(jù)公式（ 2在已知電壓有效值和電流有效值的前提下只需要測量功率因數(shù)便可以得出功率的測量值 。 故，在 設計上對上述內(nèi)容進行了分別處理，因此可以大體分為以下幾個板塊： 電壓電流采集 模塊、相位角測量模塊、 按鍵 模塊、液晶顯示模塊。各模塊的具體實施方案將在第三章進行介紹。 整個 設計的 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖 示： 統(tǒng)設計方案及技術(shù)分析 壓、電流采集模塊 方案一 ：電阻分壓采樣 通過測量電路中采樣電阻的串并聯(lián)接法 ， 使 電流流過電阻，從而采集到電壓 和電流值。 方案二：電壓 、 電流互感器 測量型互感器是一種被廣泛應用在儀器儀表中的變壓器，從原理上講互感器與變壓器類似，都可以將電信號按照一定的比例放大或縮小。不同于普通變壓器的是互感器通常用于完成電參數(shù) 的變換以達到測量的目的。常用的電壓 互感器二次測額定值均為100V，而電流互感器的二次側(cè)額定電流為 5A 或 1A。而本此設計需要將采集到的電信號直接輸入 換器，因此需要用到一種儀表用測量型互感器，其二次側(cè)電壓一般為5 因為其依然具有互感器 的特性因此可以很好的應用于電參數(shù)的測量電路當中，并完成強電到弱電 的轉(zhuǎn)化。而且在強 電與 弱電的隔離方面，互感器也具有良好的效果。 通過分析比對，方案一適用于弱電信號的測量電路，因其接法簡單，并且易于實現(xiàn)而被采用。而方案二則多應用于需要將強電信號進行衰減采樣的電路中。根據(jù)本次設計被測 電壓 被測 電流 互感器電路 相 角 測量 精密整流 信號處理 液晶顯示 A/D 轉(zhuǎn)化 單片機 圖 系統(tǒng) 組成方框圖 放大電路 信號處理 按鍵控制 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 6 頁 共 38 的功能設計要求，電路 需要實現(xiàn) 0流信號的采集和測量，屬于強電到弱電的轉(zhuǎn)化。因此本次設計選取方案二作為本次設計的交流輸入方式。 號處理 模塊 由于電壓電流互感器二次測輸出電壓比較小，且 A/D 轉(zhuǎn)換器只 允許 0直流信號 通過自身并完成信號的類型轉(zhuǎn)換。因此需要對經(jīng)互感器采集轉(zhuǎn)換后的弱 信號進行放大和整流處理。而且由于電網(wǎng)電壓的波動可能導致轉(zhuǎn)換后的電信號的幅值大于 換器的允許輸入范圍，因此需要 對整流電路的輸出端也就是 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入端進行過流和過壓保護處理。 綜上，信號處理模塊需要設計整流電路、過流保護和過 壓保護電路。 數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 本次設計需要對電信號進行實時測量， 且待測量為在時間上連續(xù)變化的交流模擬信號，因此首先需要對該信號進行類型的轉(zhuǎn)換。由連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)化為時間上離散的數(shù)字信號的過程就需要用到 A/D 轉(zhuǎn)換器。而就本次設計而言， 對于交流量的測量過程中，首先要將有效值為 0~250V 的交流電壓信號轉(zhuǎn)換為單片機內(nèi)部可以讀取的電平信號。根據(jù)設計要求，電壓的誤差需要控制在 ± 2V 以內(nèi)，相對于本設中需要測量電壓信號的最大量程而言 允許誤差基本在滿量程測量數(shù)值 右。但考慮到硬件電路的設計與制作過程意 外引入的干擾問題和模擬信號的采集和輸入部分產(chǎn)生的誤差，工程上通常選用精度為設計要求 10 倍以上的 A/D 芯片作為最佳選擇。 根據(jù)信號輸出方式的不同 A/D 又可以分為兩種：串行輸出式、并行輸出式。并行傳輸方式的優(yōu)點是傳輸速率快，但由于需要多通道數(shù)據(jù)同時傳輸，因此占用了較多的芯片資源，對于 I/O 有限而需要采集的信號較多時，這種方式基本不予采用，并且并行輸出方式的 A/D 電路布線較為復雜。相比之下，串行輸出方式的 A/D 所構(gòu)成的電路具有布線簡單的特點，因此本次選用位數(shù)較高的串行 A/D 芯片來同時滿足電路對布線和傳輸速率的要求 ，而且在價格方面本次選用的 通道串行 A/D 與常用的 有極高的性價比。因此選用由美國 司生產(chǎn)的多通道、高性價比的 行 A/D 作為本次設計的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。 角 測量模塊 功率因數(shù)是指正弦信號的電壓超前于電流的相角的余弦值。對于相位角的測量可以有以下幾種方案： 方案一：采用過零比較的方法來測量 相位角 對于標準正弦信號而言，其波形會周期性的通過零點，根據(jù)信號每次通過零點的桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 7 頁 共 38 時間便可以求出信號的相位角。 方案二：通過 傅立葉變換的方式來求取輸入信號的 相角。 此種方法在精度上的確優(yōu)于第一種方案，但由于其算法實施較為復雜。此種方法主要應用于系統(tǒng)精度要求極高，且信號復雜的情況。 綜上，本 次 設計采用方案一 的辦法來實現(xiàn)系統(tǒng)的相位測量功能 。桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 8 頁 共 38 3 硬件系統(tǒng)分析 路測量 系統(tǒng)的分析 單片機電路測量 系統(tǒng)主要由 統(tǒng)前向輸入通道（電壓和電流的采樣電路）、按鍵電路和液晶顯示電路組成。這部分電路主要需要完成以下任務： 1) 完成對系統(tǒng)輸入通道采集到 的信號的數(shù)據(jù)處理； 2) 通過調(diào)用顯示函數(shù)將處理結(jié)束后的數(shù)據(jù)通過液晶顯示出來 ; 片機簡介 本次設計使用 深圳宏晶科技公司生產(chǎn)的增強型 片機， 內(nèi)部帶有 8K 的程序存儲空間最高工作頻率可達 1 單片機，該芯片在內(nèi)部增加了可以 10 萬次擦寫的 且相對 于 51 單片機， 52 單片機在片內(nèi)也增加了定時器此資源上更為豐富，且由于兼具價格低廉，性價比高的優(yōu)點所以深受廣大電子愛好者的喜愛。 正是基于眾多優(yōu)點，本次設計選用 為核心控制元件。 統(tǒng) 前向 通道 一個完整整的系統(tǒng)，應該同時具備信號的輸入、輸出和處理環(huán)節(jié)。為提高系統(tǒng)的優(yōu)越性和完整性，本系統(tǒng)也同樣對 信號設有輸入通道。根據(jù)設計要求，本系統(tǒng)需要對電壓0流 0強電信號進行測量，為實現(xiàn)設計的數(shù)字化，就必須將通道 內(nèi) 的 模擬 信息進行轉(zhuǎn)化，這一過程將用到 A/D 轉(zhuǎn)換元件。 但由于 A/D 的允許輸入信號變化范圍有限，因此就需要將輸入信號進行再一次轉(zhuǎn)換，由 0交流電轉(zhuǎn)化為 0直流電，這一過程就需要互感器電路和整流電路的參與。因此在硬件方面需要位系統(tǒng)設置電壓電流的前向 處理 通道。 壓、電流采樣電路 將 0交流電壓轉(zhuǎn)換成較小的電壓，此時采用 電壓互感器來實現(xiàn)。圖 林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 9 頁 共 38 該器 件的原理是電流型電壓互感器，即二次測輸出的電流與輸入的電壓成正比，所以二次測不能開路， 通?；ジ衅鞯慕臃ㄓ袃煞N ，如圖 示： 圖中的 C 和 r 是用來補償相移的。通過軟件補償或不需要補償相移的場合，電容 r 可以不接。圖中運算放大器為 列，運算放大器的電源電壓通常取 ?1512V。根據(jù)設計手冊，圖 阻 R 和限流電阻 R?要求溫度系數(shù)優(yōu)于 50電阻選取時應注意工作電阻的工作電流合理選擇適合功率值的電阻。在 A/D 轉(zhuǎn)換器為低壓輸入時，互感器可以采用圖 二次側(cè) 并聯(lián)一個電阻，但采樣電壓不得大于 效值 ,當采樣電壓 大于 角差會增大。因此在需要測量相位的電路設計中優(yōu)先考慮第一種。由于本次設計使用的 用 0~5V 的直流輸入，并且對有功功率的測量正是 通過測量電流與電壓之間的相位角間接得到的，為了 盡可能使有功功率的測量達到要求，本次設計采用圖 式。 圖 輸入端并聯(lián)的兩個二極管用來保護運放，當輸入電壓高于二極管的正向?qū)▔航禃r，輸入電壓會被鉗位在 ? 右，達到保護運放的目的。根據(jù)理想運放的特性，反饋回路的電流與反向輸入端的電流相等，此時運放的輸出電壓 ' 。而互感器兩側(cè)的理想工作電流為 2輸入電壓的最大值可以計算出 ’R 的阻值。考慮到電阻的工作電流和發(fā)熱狀況，本設計中 R’選擇為 120K 額定功率為 2W、精度為 1%的金屬膜電阻。 由于接入 A/D 的信號為 0化范圍內(nèi)，故接入 A/D 據(jù)理想運放的性質(zhì)，此時反饋回路的電阻應為 姆，為保證輸出電壓精度，本次設計采用精密電位器串聯(lián)定值電阻的方式來完成。具體電路如圖 示： 圖 電壓采樣電路 對于電流采樣電路 而言，由于流過用電設備的交流 電流通常較大，為保證 A/D 轉(zhuǎn)換器能夠正常運行，因此必須將信號按照一定比例衰減，將其轉(zhuǎn)換為 峰值為 0效值為 失真的弱電信號。對交流 0強電信號采樣需要 量型電流互感器來完成。互感器在使用時 ，需 要將用電負荷的單根電源線傳過互感器元件中央的孔洞。當電路通電時在互感器的 輸出端 便會有電流流出。根據(jù)設計規(guī) 范，電流互感器的二次側(cè)不允許開路，因此互感器的輸出端需要 串接 采樣 負載 。 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 10 頁 共 38 作為電流互感器時，額定電流為 5A 時，輸出額定電流為 5時采樣 為保證輸出電壓的峰值為 0同樣選取圖 接法，采樣電阻經(jīng)計算為 700 歐左右，為保證輸出精度，本次采用精密電位器串聯(lián)定值電阻的方式來完成。具體電路如 圖 圖 電流采樣電路 該電路再接法上與電壓互感器二次側(cè)的電路類似， 原理也基本相同，這里不做贅述。 號處理和分析 由于本次用到的 A/D 轉(zhuǎn)換器的允許輸入 為 0~5V 的直 流電壓信號，因此由交流采樣電路得到的交流信號必須經(jīng)過整流電路才可以接入 統(tǒng)的全波整流電路一般由二極管或整流橋構(gòu)成。但由于二極管的正向?qū)ㄟ^程存在死區(qū)，這對于信號幅值小于死區(qū)電壓的弱電信號而言是非常不利的，因此這種傳統(tǒng)的全波整流電路并不適合本文?；谝陨峡紤]本此設計選取一種由雙運放組成的絕對值電路來實現(xiàn)交流信號的精密整流。 具體電路如圖 示： 圖 信號處理電路 如圖 示，運放 A 夠成半波電路，當運放的反向輸入端輸入為正電壓時，管子 通 至，此時運放 A 的輸出為負電壓 。當輸入電壓反向時，管子通 至，此時形成深度負反饋，電壓輸出為 0。運放 B 的作用是將運放 的輸入和輸出電壓進行反向求和。要想整個電路能夠?qū)崿F(xiàn)全波整流的作用，關(guān)鍵就在于阻值的匹配，電阻之間必須滿足以下關(guān)系： 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 11 頁 共 38 3126 2R （ 為了使電路能夠按照正常的精度穩(wěn)定運行，本設計采用定值電阻與精密可調(diào)電位器串聯(lián)的形式來保證整流電路的輸出精度。另外考慮到運放輸入電流的平衡問題，運放的同相輸入端與地線之間 需要串接平衡電阻。 在處理信號時， 需要考慮測量元件的過壓和過流問題，因此需要在模數(shù)轉(zhuǎn)換通道之前對芯片進行保護。具體可以將 輸入端 并聯(lián)一個穩(wěn)壓二極管以對直流電壓信號進行穩(wěn)壓，確保輸出電壓在 0內(nèi)的范圍 。 經(jīng)過上面一系列的處理 便可以得出與實際電路近似相等的真實值。 為進一步優(yōu)化電路的設計精度 ，本電路在原有的基礎(chǔ)上增加了量程切換電路， 由八路模擬開關(guān) 由軟件控制自動實現(xiàn)，具體內(nèi)容在下一章節(jié)進行詳細敘述這里 不再敘述 。量程切換的硬件電路如下圖 示： 圖 量程切換電 路 角測量的前置電路 本設計利用電壓電流的過零點來 測量電壓、電流的相位差。對于正弦信號 而言 ， 其信號 都會周期性的 通過 零點， 因此 只 需要 測出 信號通過零點的具體時間，便可以近乎準確的得出電壓與電流之間的相位差。 如下圖 示： 圖 相位差測量電路 桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 12 頁 共 38 該電路主要由限幅電路和過零檢測 電路組成 。 文章 在前面 的章節(jié) 中， 已經(jīng)提到電壓和電流的具體方法。本章將繼續(xù)延續(xù)前文的做法，以互感器部分輸出的輸出作為相位檢測電路信號的來源。 當電路電壓或電流通過互感器變換后的采樣電壓或電流值大于 0時，則 過零比較器的輸 出為高電平， 當電壓（電流）的負半 周經(jīng)過 零點時 過零比較器輸出為低電平，通過對電壓電流輸出電平進行邏輯求和運算便可以得出一組新的方波脈沖信號，電路上將異或門的輸出端同時引入單片機的 片機的 腳） ，和 片機的 腳）。 這樣根據(jù)電壓和電流過零的時間差，再通過軟件編程我們可以計算出電壓和電流之間相差的相位角，從而 達到 設計要求。 數(shù)轉(zhuǎn)換電路 對于強電的數(shù)字化測量過程 ，必須現(xiàn)將強電信號進行衰減和轉(zhuǎn)化，所以 A/D 轉(zhuǎn)換電路在電路的測量過程中是 必不可少的一部分。在此 ，本設計選取 有 11 路模 擬量輸入的為信號的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元，該芯片 轉(zhuǎn)換時間很快、采樣的精度高而且使用單片機 I/O 接口少， 因此 完全可以滿足系統(tǒng)的測量要求。為了 換器能可靠的運行，需要對其各個控制端進行學習。 介 圖 腳圖 20 腳封裝， 逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其最快轉(zhuǎn)換時間為 10 引腳圖如圖 示。 該芯片設有 3 個內(nèi)部通道和 11 個外部通道。三個內(nèi)部通道主要用于通道選擇時通道地址的校驗。當 芯片 內(nèi)部 參考電壓為 電源電壓時 ， 三個 內(nèi)部 通道 的輸出數(shù)據(jù) 分別為 十六進制 的 3200、 0。因此在信號轉(zhuǎn)換之前可以先進行內(nèi)部地址校驗。 該芯片 帶有串行數(shù)據(jù)輸出口，支持 信方式其工作 原理 與 似這里不做贅述。 作過程 作時序如圖 示，其工作過程分為兩個周期：訪問周期和采樣 周期。由時序圖可以看出，當通道選擇的地址數(shù)據(jù)進入到 A/D 內(nèi)部需要花費 4 個時鐘周期。在第四個時鐘周期后需要花費 6 個時鐘周期進行采樣。雖然本次使用的 A/D 轉(zhuǎn)換器完成桂林電子科技大學畢業(yè)設計（論文）報告用紙 第 13 頁 共 38 一次轉(zhuǎn)換的最快時間為 10由于本次單片機使用的外部時鐘為 12此單片機的I/O 口輸出的模擬信號時鐘周期最短為 2此在速度上受到一定限制，但對于 50正弦交流信號來說，在時間數(shù)量級上還是非常占有優(yōu)勢的。并且根據(jù)采樣定理， 2時鐘周期所對應的系統(tǒng)單次采樣時間完全可以勝任對單周期內(nèi)電壓和電流