測(cè)量電壓、電流、功率的數(shù)字表的設(shè)計(jì)制作【優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計(jì)】

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編號(hào)： 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 題 目： 測(cè)量電壓、電流、功率的 ___數(shù)字表的設(shè)計(jì)制作 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 張 永 發(fā) 學(xué) 號(hào)： 1200120333 指導(dǎo)教師： 郭 福 力 職 稱： __工程師 __ 題目類型： □ 理論研究 □ 實(shí)驗(yàn)研究 □√ 工程設(shè)計(jì) □ 工程技術(shù)研究 □ 軟件開(kāi)發(fā) 2016 年 6 月 3 日桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 I 頁(yè) 摘 要 在現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)中，常需用高精度數(shù)字電壓表進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)送入微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，完成計(jì)算、存儲(chǔ)、控制和顯示等功能 片機(jī)的測(cè)量電量的數(shù)字表，以 片機(jī)和 核心器件 用的元件較少，成本低，調(diào)節(jié)工作可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化： 數(shù)字電表抗干擾能力強(qiáng)、測(cè) 量 速度快、測(cè)量準(zhǔn)確度高 要測(cè)出這兩個(gè) 參數(shù)就可以計(jì)算出有功功率和無(wú)功功率。 整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完成了硬件電路的設(shè)計(jì)及軟件程序的編寫(xiě)，通過(guò)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(dá)到正常的測(cè)量及顯示功能 。 在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng) 主要分為四大模塊，即輸入信號(hào)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(shí)際電路中的電量參數(shù)太大， 接采集會(huì)使器件被損壞，因此先對(duì)電量信號(hào)進(jìn)行衰減，在單片機(jī)的控制下完成對(duì)電壓 、電流 信號(hào)采集 ，并對(duì)電壓和電流的相位進(jìn)行比較得到功率角 ，最后將 測(cè)量結(jié)果通過(guò) 晶 顯示出來(lái)。該電路設(shè)計(jì)新穎、功能強(qiáng)大、可擴(kuò)展性強(qiáng) 。 關(guān)鍵字： 51 單片機(jī) ； 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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)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(lái)發(fā)展趨勢(shì) ..................................................................................................... 1 題研究目的和主要內(nèi)容 ................................................................................................. 2 2 系統(tǒng)方案 設(shè)計(jì) ................................................................................................................ 3 統(tǒng)原理分析 ..................................................................................................................... 3 壓、電流測(cè)量原理 ...................................................................................................... 3 率測(cè)量原理 .................................................................................................................. 4 統(tǒng)功能要求 ..................................................................................................................... 4 統(tǒng)框圖 ............................................................................................................................. 5 統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及技術(shù)分析 ................................................................................................. 5 壓、電流采集模塊 ..................................................................................................... 5 號(hào)處理模塊 ................................................................................................................. 6 數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 ................................................................................................................. 6 角測(cè)量模塊 ................................................................................................................. 6 3 硬件系統(tǒng)分析 ................................................................................................................ 8 路測(cè)量系統(tǒng)的分析 ......................................................................................................... 8 片機(jī)簡(jiǎn)介 ................................................................................................................. 8 統(tǒng)前向通道 ..................................................................................................................... 8 壓、電流采樣電路 ...................................................................................................... 8 號(hào)處理和分析 ........................................................................................................... 10 角測(cè)量的前置電路 .................................................................................................... 11 數(shù)轉(zhuǎn)換電路 ................................................................................................................... 12 介 ................................................................................................................ 12 作過(guò)程 ........................................................................................................................ 12 件設(shè)計(jì) ........................................................................................................................ 13 盤(pán)電路 ........................................................................................................................... 15 晶顯示電路 ................................................................................................................... 15 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 目錄 源電路 ........................................................................................................................... 16 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) ......................................................................................................... 17 統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì) ........................................................................................................... 17 始化子程序的設(shè)計(jì) .................................................................................................... 18 量子程序 ....................................................................................................................... 18 率因數(shù)的測(cè)量子程序 ................................................................................................ 19 壓、電流有效值的測(cè)量 ............................................................................................ 20 率測(cè)量 ....................................................................................................................... 21 晶顯示子程序 ............................................................................................................ 21 盤(pán)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(yàn)證 ................................................................................................................... 25 件制作與調(diào)試 ............................................................................................................... 26 總結(jié) ........................................................................................................................................ 27 謝 辭 ................................................................................................................................... 28 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................................. 29 附 錄 ................................................................................................................................... 30 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 1 頁(yè) 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(huì)的發(fā)展過(guò)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(guò)程中只有通過(guò)對(duì)電能質(zhì)量和負(fù)載運(yùn)行情況的監(jiān)測(cè)才能保證供電的可靠、靈活和經(jīng)濟(jì)性。因此，對(duì)于電能參數(shù)的測(cè)量具有重要意義。通過(guò)對(duì)電壓、電流和功率的測(cè)量，便可以具體的描述出電信號(hào)能量的大小。在電參數(shù)的測(cè)量過(guò)程中必然會(huì)使用到測(cè)量?jī)x表。傳統(tǒng)的電參數(shù)測(cè)量?jī)x表多為功能單一的模擬式針儀表。這類儀表通過(guò)電流或電壓線圈的電磁感應(yīng)來(lái)驅(qū)動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)，測(cè)量人員通過(guò)指針在刻度表盤(pán)上的位置即可進(jìn)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(jìn)行機(jī) 械調(diào)零，而且根據(jù)待測(cè)量數(shù)據(jù)的大小需要通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)的方式來(lái)選擇合適的檔位。尤其是在精度要求不同的測(cè)量條件下，仍然需要根據(jù)測(cè)量所需精度的不同來(lái)選擇不同準(zhǔn)確度等級(jí)的電工測(cè)量?jī)x表，因此操作較為復(fù)雜、通用性較差。而且由于刻度盤(pán)的讀數(shù)并不直觀，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果被引入了人工讀數(shù)所帶來(lái)的誤差。因此這種傳統(tǒng)的機(jī)械式電氣測(cè)量?jī)x表急需被一種新型的高性能測(cè)量?jī)x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(cè)量?jī)x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(cè)量結(jié)果直接液晶或數(shù)碼管上顯示出來(lái)。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(cè)量結(jié)果通過(guò)顯示部分顯示出來(lái)，因此在測(cè)量過(guò)程中避免了以往因人工讀數(shù)不直接而引入的測(cè)量誤差。而且部分?jǐn)?shù)字表還具有自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程的功能，這也避免了人工切換量程時(shí)由于誤操作所引發(fā)的安全事故，增加了測(cè)量過(guò)程的 安全和可靠性。 數(shù)字式儀 表在國(guó)外發(fā)展較早 ,早在二十世紀(jì)五十年代初期 美國(guó)的 司年就已經(jīng)研發(fā)出了四位的數(shù)字電壓表。后來(lái)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(guó)在 二十世紀(jì)六十年代初 才開(kāi)始對(duì)數(shù)字表進(jìn)行研制，隨著國(guó)內(nèi)電子技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)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(guó)內(nèi)數(shù)字表已經(jīng)實(shí)現(xiàn)八位半的穩(wěn)定顯示輸出 。 字表的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 隨著研發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)字表的應(yīng)用也越來(lái)越成熟，如今已被廣泛的應(yīng)用到工桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 2 頁(yè) 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(dǎo)地位。但也由于一些復(fù)雜環(huán)境中，存在各種形式的干擾，因此對(duì)數(shù)字表性能的要求也十分苛刻。比如在磁場(chǎng)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(chǎng)的干擾從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出錯(cuò)。對(duì)于精密儀表，抗干擾能力尤為重要。并且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，通訊和智能化也被運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域，這也將成為數(shù)字表的一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)。因此數(shù)字表 的未來(lái)發(fā)展應(yīng)該有以下特點(diǎn)： （ 1） 更高的穩(wěn)定性 供電的電源，現(xiàn)場(chǎng)的抗干擾能力，顯示的數(shù)值的準(zhǔn)確精度，這些性能都 會(huì)越來(lái)越好。 （ 2） 附加功能的智能化 通訊能力，控制保護(hù)功能，傳輸能力，歷史記錄功能，波形顯示等。未來(lái)的電力儀表會(huì)更加智能化，更切合現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)，實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)切換、讀數(shù)直觀、操作更加方便的電參數(shù)測(cè)量。本文采用了新型的設(shè)計(jì)方式，以互感器及其外圍電路組成采樣電路實(shí)現(xiàn)交流的信號(hào)的采樣，以運(yùn)放組成的精密整流電路和濾波電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的交直流變換，以核心的 A/D 電路實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，以過(guò)零比較電路實(shí)現(xiàn)相位的測(cè)量，以單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓 、電流和功率的運(yùn)算并通過(guò) 1602 液晶模塊實(shí)現(xiàn)測(cè)量 果的直觀顯示。相對(duì)與傳統(tǒng)的指針式儀表，本設(shè)計(jì)具有功能多樣、讀數(shù)直接、可以自動(dòng)切換量程、操作方便的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)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(cè)量電路，液晶顯示部分 ，按鍵控制部分，單片機(jī)及其外圍路以及電源部分。以下是本設(shè)計(jì)需要研究的學(xué)習(xí)內(nèi)容： 各章內(nèi)容安排如下： 第一章前言部分簡(jiǎn)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(shè)計(jì)本課題相關(guān)理論知識(shí)基礎(chǔ)。 第三章主要對(duì)用到的單片機(jī)和各個(gè)功能電路的功能、原理、原件的選擇 和參數(shù)計(jì)算 進(jìn)詳細(xì)分析； 第四章主是整個(gè)系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)并對(duì)各個(gè)功能模塊電路的軟件部分進(jìn)行 詳細(xì)說(shuō)明； 第五章主要是對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)的軟件仿真與硬件調(diào)試，并對(duì)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分 析，找出合理的解決辦法； 第六章是對(duì)本次課題設(shè)計(jì)的總結(jié)及未來(lái)的展望； 文章的最后是致謝以及所用到的參考文獻(xiàn)和附錄部分；桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 3 頁(yè) 共 38 2 系統(tǒng)方案 設(shè)計(jì) 根據(jù)要求，本設(shè)計(jì)需要同時(shí)對(duì)電壓、電流、功率等電能參數(shù) 信息 進(jìn)行 實(shí)時(shí)采集。以下為本次設(shè)計(jì)中所需要的理論基礎(chǔ)。 統(tǒng)原理分析 壓、電流測(cè)量原理 在電路原理中，可以通過(guò)二端口模 型對(duì)電路中負(fù)荷的電參數(shù)進(jìn)行求解。如圖 示： 圖 二端網(wǎng)絡(luò) 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(shè)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(duì)于交流信號(hào)幅值的相對(duì)大小可以分別用峰值、平均值和有效值來(lái)表示； 有 效值指的是信號(hào)的均方根值（ 對(duì)于電壓信號(hào)，其有效值的數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式（ 2示： 2) t d ?（ 2 而對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)而言， 其信號(hào)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(duì)于標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)而言，其有效值可以根據(jù)公式（ 2通過(guò)獲取峰值的方式來(lái)間接求得。但嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)，由于高次諧波的存在，從電網(wǎng)輸出到民用負(fù)荷的電壓波形并不是完美的正弦波 。因此為保證更高的計(jì)算精度本次設(shè)計(jì)對(duì)電壓有效值的計(jì)算是根據(jù)公 式（ 2行求解的。 對(duì)于電流有效值的測(cè)量，通常是由電流按照一定比率轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后進(jìn)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(hào)在 同一時(shí)刻的波形上是可以完全重合。因此，通過(guò)電阻采樣的方法既可以保證在時(shí)間上波形的同步，又可以保證數(shù)值上的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)與電流有效值的求解，從原理上講還是對(duì)電壓有效值的求解。綜上，對(duì)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 4 頁(yè) 共 38 測(cè)量電壓電流的最終目的是對(duì)設(shè)備功率進(jìn)行求解，因此接下來(lái)將對(duì)功率的測(cè)量原理。 率測(cè)量原理 根據(jù)初 中物理對(duì)功率的定義，功率是在有效的單位時(shí)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(shí)際上計(jì)算用電器在時(shí)間 T 內(nèi)消耗的電能是非常困難的。因此，通常對(duì)功率的求解是根據(jù)如下公式進(jìn)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(shí)值，通過(guò)對(duì)公式（ 2行變換可以得出功率的最終表達(dá)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(duì)電壓和電流的有效值進(jìn)行求解。 因此對(duì)于功率的求解還需要最后一個(gè)變量 ? 便可以完成。 ? 為以電壓為相位參考時(shí)，電流的相位 。因此對(duì)于功率 的求解 實(shí)際轉(zhuǎn)換為 對(duì)電壓電流之間的相位差? 進(jìn)行求解 。 統(tǒng)功能要求 本設(shè)計(jì)以 片機(jī)作為核心控制元件，以 外圍硬件組成信號(hào)的輸入通道對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行實(shí)施信號(hào)采集的交流數(shù)字測(cè)量?jī)x表。該儀表可以同時(shí)對(duì)負(fù)荷的電壓，電流和功率進(jìn)行測(cè)量，并且由于采用數(shù)字顯示模塊 1602 液晶完成被測(cè)量的輸出顯示，因此具有可以直觀的將模擬量對(duì)應(yīng)的數(shù)字量顯示出來(lái)。對(duì)與數(shù)字式儀表，其工作原理是先將采集 到的模擬信號(hào)進(jìn)行信號(hào)類型轉(zhuǎn)換，完成模擬量到數(shù)字量的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)變。因此信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換過(guò)程對(duì)數(shù)字表功能的實(shí)現(xiàn)尤為重要。本文的重點(diǎn)也將放在信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)換部分。本文通過(guò)互感器電路對(duì)交流信號(hào)實(shí)施采樣，并通過(guò)后續(xù)電路的處理將采樣到的模擬信號(hào)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(duì)于功率的測(cè)量部分，本文采用將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)并通過(guò)邏輯運(yùn)算的方法實(shí)現(xiàn)電流與電壓之間相位差的測(cè)量以達(dá)到最終獲得功率的目的。整個(gè)電路對(duì)于軟硬件的要求都比較高，因此需要大量的知識(shí)儲(chǔ)備以應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的各種問(wèn)題，經(jīng)過(guò)軟硬件的整體設(shè)計(jì) 之后，本設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到以下要求： 表 2系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 需測(cè)參數(shù) 參數(shù)測(cè)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 5 頁(yè) 共 38 統(tǒng)框圖 在 本設(shè)計(jì) 中 ，需要同時(shí)對(duì)電壓、電流和負(fù)荷的有功功率進(jìn)行測(cè)量。 而電壓和電流在數(shù)值上均用有效值來(lái)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(cè)量功率因數(shù)便可以得出功率的測(cè)量值 。 故，在 設(shè)計(jì)上對(duì)上述內(nèi)容進(jìn)行了分別處理，因此可以大體分為以下幾個(gè)板塊： 電壓電流采集 模塊、相位角測(cè)量模塊、 按鍵 模塊、液晶顯示模塊。各模塊的具體實(shí)施方案將在第三章進(jìn)行介紹。 整個(gè) 設(shè)計(jì)的 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖 示： 統(tǒng)設(shè)計(jì)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(guò)測(cè)量電路中采樣電阻的串并聯(lián)接法 ， 使 電流流過(guò)電阻，從而采集到電壓 和電流值。 方案二：電壓 、 電流互感器 測(cè)量型互感器是一種被廣泛應(yīng)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(hào)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(dá)到測(cè)量的目的。常用的電壓 互感器二次測(cè)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(shè)計(jì)需要將采集到的電信號(hào)直接輸入 換器，因此需要用到一種儀表用測(cè)量型互感器，其二次側(cè)電壓一般為5 因?yàn)槠湟廊痪哂谢ジ衅?的特性因此可以很好的應(yīng)用于電參數(shù)的測(cè)量電路當(dāng)中，并完成強(qiáng)電到弱電 的轉(zhuǎn)化。而且在強(qiáng) 電與 弱電的隔離方面，互感器也具有良好的效果。 通過(guò)分析比對(duì)，方案一適用于弱電信號(hào)的測(cè)量電路，因其接法簡(jiǎn)單，并且易于實(shí)現(xiàn)而被采用。而方案二則多應(yīng)用于需要將強(qiáng)電信號(hào)進(jìn)行衰減采樣的電路中。根據(jù)本次設(shè)計(jì)被測(cè) 電壓 被測(cè) 電流 互感器電路 相 角 測(cè)量 精密整流 信號(hào)處理 液晶顯示 A/D 轉(zhuǎn)化 單片機(jī) 圖 系統(tǒng) 組成方框圖 放大電路 信號(hào)處理 按鍵控制 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 6 頁(yè) 共 38 的功能設(shè)計(jì)要求，電路 需要實(shí)現(xiàn) 0流信號(hào)的采集和測(cè)量，屬于強(qiáng)電到弱電的轉(zhuǎn)化。因此本次設(shè)計(jì)選取方案二作為本次設(shè)計(jì)的交流輸入方式。 號(hào)處理 模塊 由于電壓電流互感器二次測(cè)輸出電壓比較小，且 A/D 轉(zhuǎn)換器只 允許 0直流信號(hào) 通過(guò)自身并完成信號(hào)的類型轉(zhuǎn)換。因此需要對(duì)經(jīng)互感器采集轉(zhuǎn)換后的弱 信號(hào)進(jìn)行放大和整流處理。而且由于電網(wǎng)電壓的波動(dòng)可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)的幅值大于 換器的允許輸入范圍，因此需要 對(duì)整流電路的輸出端也就是 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入端進(jìn)行過(guò)流和過(guò)壓保護(hù)處理。 綜上，信號(hào)處理模塊需要設(shè)計(jì)整流電路、過(guò)流保護(hù)和過(guò) 壓保護(hù)電路。 數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 本次設(shè)計(jì)需要對(duì)電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量， 且待測(cè)量為在時(shí)間上連續(xù)變化的交流模擬信號(hào)，因此首先需要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行類型的轉(zhuǎn)換。由連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為時(shí)間上離散的數(shù)字信號(hào)的過(guò)程就需要用到 A/D 轉(zhuǎn)換器。而就本次設(shè)計(jì)而言， 對(duì)于交流量的測(cè)量過(guò)程中，首先要將有效值為 0~250V 的交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)內(nèi)部可以讀取的電平信號(hào)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，電壓的誤差需要控制在 ± 2V 以內(nèi)，相對(duì)于本設(shè)中需要測(cè)量電壓信號(hào)的最大量程而言 允許誤差基本在滿量程測(cè)量數(shù)值 右。但考慮到硬件電路的設(shè)計(jì)與制作過(guò)程意 外引入的干擾問(wèn)題和模擬信號(hào)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(shè)計(jì)要求 10 倍以上的 A/D 芯片作為最佳選擇。 根據(jù)信號(hào)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(diǎn)是傳輸速率快，但由于需要多通道數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸，因此占用了較多的芯片資源，對(duì)于 I/O 有限而需要采集的信號(hào)較多時(shí)，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(fù)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(jiǎn)單的特點(diǎn)，因此本次選用位數(shù)較高的串行 A/D 芯片來(lái)同時(shí)滿足電路對(duì)布線和傳輸速率的要求 ，而且在價(jià)格方面本次選用的 通道串行 A/D 與常用的 有極高的性價(jià)比。因此選用由美國(guó) 司生產(chǎn)的多通道、高性價(jià)比的 行 A/D 作為本次設(shè)計(jì)的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。 角 測(cè)量模塊 功率因數(shù)是指正弦信號(hào)的電壓超前于電流的相角的余弦值。對(duì)于相位角的測(cè)量可以有以下幾種方案： 方案一：采用過(guò)零比較的方法來(lái)測(cè)量 相位角 對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)而言，其波形會(huì)周期性的通過(guò)零點(diǎn)，根據(jù)信號(hào)每次通過(guò)零點(diǎn)的桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 7 頁(yè) 共 38 時(shí)間便可以求出信號(hào)的相位角。 方案二：通過(guò) 傅立葉變換的方式來(lái)求取輸入信號(hào)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(shí)施較為復(fù)雜。此種方法主要應(yīng)用于系統(tǒng)精度要求極高，且信號(hào)復(fù)雜的情況。 綜上，本 次 設(shè)計(jì)采用方案一 的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的相位測(cè)量功能 。桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 8 頁(yè) 共 38 3 硬件系統(tǒng)分析 路測(cè)量 系統(tǒng)的分析 單片機(jī)電路測(cè)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(wù)： 1) 完成對(duì)系統(tǒng)輸入通道采集到 的信號(hào)的數(shù)據(jù)處理； 2) 通過(guò)調(diào)用顯示函數(shù)將處理結(jié)束后的數(shù)據(jù)通過(guò)液晶顯示出來(lái) ; 片機(jī)簡(jiǎn)介 本次設(shè)計(jì)使用 深圳宏晶科技公司生產(chǎn)的增強(qiáng)型 片機(jī)， 內(nèi)部帶有 8K 的程序存儲(chǔ)空間最高工作頻率可達(dá) 1 單片機(jī)，該芯片在內(nèi)部增加了可以 10 萬(wàn)次擦寫(xiě)的 且相對(duì) 于 51 單片機(jī)， 52 單片機(jī)在片內(nèi)也增加了定時(shí)器此資源上更為豐富，且由于兼具價(jià)格低廉，性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)所以深受廣大電子愛(ài)好者的喜愛(ài)。 正是基于眾多優(yōu)點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)選用 為核心控制元件。 統(tǒng) 前向 通道 一個(gè)完整整的系統(tǒng)，應(yīng)該同時(shí)具備信號(hào)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(duì) 信號(hào)設(shè)有輸入通道。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)需要對(duì)電壓0流 0強(qiáng)電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字化，就必須將通道 內(nèi) 的 模擬 信息進(jìn)行轉(zhuǎn)化，這一過(guò)程將用到 A/D 轉(zhuǎn)換元件。 但由于 A/D 的允許輸入信號(hào)變化范圍有限，因此就需要將輸入信號(hào)進(jìn)行再一次轉(zhuǎn)換，由 0交流電轉(zhuǎn)化為 0直流電，這一過(guò)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(shè)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(shí)采用 電壓互感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖 林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 9 頁(yè) 共 38 該器 件的原理是電流型電壓互感器，即二次測(cè)輸出的電流與輸入的電壓成正比，所以二次測(cè)不能開(kāi)路， 通?；ジ衅鞯慕臃ㄓ袃煞N ，如圖 示： 圖中的 C 和 r 是用來(lái)補(bǔ)償相移的。通過(guò)軟件補(bǔ)償或不需要補(bǔ)償相移的場(chǎng)合，電容 r 可以不接。圖中運(yùn)算放大器為 列，運(yùn)算放大器的電源電壓通常取 ?1512V。根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)，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(shí)應(yīng)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(shí)，互感器可以采用圖 二次側(cè) 并聯(lián)一個(gè)電阻，但采樣電壓不得大于 效值 ,當(dāng)采樣電壓 大于 角差會(huì)增大。因此在需要測(cè)量相位的電路設(shè)計(jì)中優(yōu)先考慮第一種。由于本次設(shè)計(jì)使用的 用 0~5V 的直流輸入，并且對(duì)有功功率的測(cè)量正是 通過(guò)測(cè)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(cè)量達(dá)到要求，本次設(shè)計(jì)采用圖 式。 圖 輸入端并聯(lián)的兩個(gè)二極管用來(lái)保護(hù)運(yùn)放，當(dāng)輸入電壓高于二極管的正向?qū)▔航禃r(shí)，輸入電壓會(huì)被鉗位在 ? 右，達(dá)到保護(hù)運(yùn)放的目的。根據(jù)理想運(yùn)放的特性，反饋回路的電流與反向輸入端的電流相等，此時(shí)運(yùn)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(jì)算出 ’R 的阻值?？紤]到電阻的工作電流和發(fā)熱狀況，本設(shè)計(jì)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(hào)為 0化范圍內(nèi)，故接入 A/D 據(jù)理想運(yùn)放的性質(zhì)，此時(shí)反饋回路的電阻應(yīng)為 姆，為保證輸出電壓精度，本次設(shè)計(jì)采用精密電位器串聯(lián)定值電阻的方式來(lái)完成。具體電路如圖 示： 圖 電壓采樣電路 對(duì)于電流采樣電路 而言，由于流過(guò)用電設(shè)備的交流 電流通常較大，為保證 A/D 轉(zhuǎn)換器能夠正常運(yùn)行，因此必須將信號(hào)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(hào)。對(duì)交流 0強(qiáng)電信號(hào)采樣需要 量型電流互感器來(lái)完成。互感器在使用時(shí) ，需 要將用電負(fù)荷的單根電源線傳過(guò)互感器元件中央的孔洞。當(dāng)電路通電時(shí)在互感器的 輸出端 便會(huì)有電流流出。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī) 范，電流互感器的二次側(cè)不允許開(kāi)路，因此互感器的輸出端需要 串接 采樣 負(fù)載 。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 10 頁(yè) 共 38 作為電流互感器時(shí)，額定電流為 5A 時(shí)，輸出額定電流為 5時(shí)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(jì)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(lái)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(hào)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(hào)，因此由交流采樣電路得到的交流信號(hào)必須經(jīng)過(guò)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^(guò)程存在死區(qū)，這對(duì)于信號(hào)幅值小于死區(qū)電壓的弱電信號(hào)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。基于以上考慮本此設(shè)計(jì)選取一種由雙運(yùn)放組成的絕對(duì)值電路來(lái)實(shí)現(xiàn)交流信號(hào)的精密整流。 具體電路如圖 示： 圖 信號(hào)處理電路 如圖 示，運(yùn)放 A 夠成半波電路，當(dāng)運(yùn)放的反向輸入端輸入為正電壓時(shí)，管子 通 至，此時(shí)運(yùn)放 A 的輸出為負(fù)電壓 。當(dāng)輸入電壓反向時(shí)，管子通 至，此時(shí)形成深度負(fù)反饋，電壓輸出為 0。運(yùn)放 B 的作用是將運(yùn)放 的輸入和輸出電壓進(jìn)行反向求和。要想整個(gè)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 11 頁(yè) 共 38 3126 2R （ 為了使電路能夠按照正常的精度穩(wěn)定運(yùn)行，本設(shè)計(jì)采用定值電阻與精密可調(diào)電位器串聯(lián)的形式來(lái)保證整流電路的輸出精度。另外考慮到運(yùn)放輸入電流的平衡問(wèn)題，運(yùn)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(hào)時(shí)， 需要考慮測(cè)量元件的過(guò)壓和過(guò)流問(wèn)題，因此需要在模數(shù)轉(zhuǎn)換通道之前對(duì)芯片進(jìn)行保護(hù)。具體可以將 輸入端 并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓二極管以對(duì)直流電壓信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)壓，確保輸出電壓在 0內(nèi)的范圍 。 經(jīng)過(guò)上面一系列的處理 便可以得出與實(shí)際電路近似相等的真實(shí)值。 為進(jìn)一步優(yōu)化電路的設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān) 由軟件控制自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，具體內(nèi)容在下一章節(jié)進(jìn)行詳細(xì)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(cè)量的前置電路 本設(shè)計(jì)利用電壓電流的過(guò)零點(diǎn)來(lái) 測(cè)量電壓、電流的相位差。對(duì)于正弦信號(hào) 而言 ， 其信號(hào) 都會(huì)周期性的 通過(guò) 零點(diǎn)， 因此 只 需要 測(cè)出 信號(hào)通過(guò)零點(diǎn)的具體時(shí)間，便可以近乎準(zhǔn)確的得出電壓與電流之間的相位差。 如下圖 示： 圖 相位差測(cè)量電路 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 12 頁(yè) 共 38 該電路主要由限幅電路和過(guò)零檢測(cè) 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(cè)電路信號(hào)的來(lái)源。 當(dāng)電路電壓或電流通過(guò)互感器變換后的采樣電壓或電流值大于 0時(shí)，則 過(guò)零比較器的輸 出為高電平， 當(dāng)電壓（電流）的負(fù)半 周經(jīng)過(guò) 零點(diǎn)時(shí) 過(guò)零比較器輸出為低電平，通過(guò)對(duì)電壓電流輸出電平進(jìn)行邏輯求和運(yùn)算便可以得出一組新的方波脈沖信號(hào)，電路上將異或門的輸出端同時(shí)引入單片機(jī)的 片機(jī)的 腳） ，和 片機(jī)的 腳）。 這樣根據(jù)電壓和電流過(guò)零的時(shí)間差，再通過(guò)軟件編程我們可以計(jì)算出電壓和電流之間相差的相位角，從而 達(dá)到 設(shè)計(jì)要求。 數(shù)轉(zhuǎn)換電路 對(duì)于強(qiáng)電的數(shù)字化測(cè)量過(guò)程 ，必須現(xiàn)將強(qiáng)電信號(hào)進(jìn)行衰減和轉(zhuǎn)化，所以 A/D 轉(zhuǎn)換電路在電路的測(cè)量過(guò)程中是 必不可少的一部分。在此 ，本設(shè)計(jì)選取 有 11 路模 擬量輸入的為信號(hào)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元，該芯片 轉(zhuǎn)換時(shí)間很快、采樣的精度高而且使用單片機(jī) I/O 接口少， 因此 完全可以滿足系統(tǒng)的測(cè)量要求。為了 換器能可靠的運(yùn)行，需要對(duì)其各個(gè)控制端進(jìn)行學(xué)習(xí)。 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(shí)間為 10 引腳圖如圖 示。 該芯片設(shè)有 3 個(gè)內(nèi)部通道和 11 個(gè)外部通道。三個(gè)內(nèi)部通道主要用于通道選擇時(shí)通道地址的校驗(yàn)。當(dāng) 芯片 內(nèi)部 參考電壓為 電源電壓時(shí) ， 三個(gè) 內(nèi)部 通道 的輸出數(shù)據(jù) 分別為 十六進(jìn)制 的 3200、 0。因此在信號(hào)轉(zhuǎn)換之前可以先進(jìn)行內(nèi)部地址校驗(yàn)。 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(guò)程 作時(shí)序如圖 示，其工作過(guò)程分為兩個(gè)周期：訪問(wèn)周期和采樣 周期。由時(shí)序圖可以看出，當(dāng)通道選擇的地址數(shù)據(jù)進(jìn)入到 A/D 內(nèi)部需要花費(fèi) 4 個(gè)時(shí)鐘周期。在第四個(gè)時(shí)鐘周期后需要花費(fèi) 6 個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 13 頁(yè) 共 38 一次轉(zhuǎn)換的最快時(shí)間為 10由于本次單片機(jī)使用的外部時(shí)鐘為 12此單片機(jī)的I/O 口輸出的模擬信號(hào)時(shí)鐘周期最短為 2此在速度上受到一定限制，但對(duì)于 50正弦交流信號(hào)來(lái)說(shuō)，在時(shí)間數(shù)量級(jí)上還是非常占有優(yōu)勢(shì)的。并且根據(jù)采樣定理， 2時(shí)鐘周期所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)單次采樣時(shí)間完全可以勝任對(duì)單周期內(nèi)電壓和電流