数字式工频有效值多用表.doc

数字式工频有效值多用表摘要：本次设计方案以STC12C5A16S2-35C单片机为核心，主要分为数据采集模块、数据处理模块和显示模块，在设计中运用可编程逻辑器件实现量程自动转换功能，以提高精度，并采用锁相环CD4046对被测信号进行倍频，可实现电压或电流信号的精确采样；采用积分法和改进的DFT(FFT)算法进行各种电参量计算，完成对工频交流电的电压有效值、电流有效值、有功功率、功率因数、电压基波及总谐波的有效值等电量进行测量。其设计结构简单、较容易实现，所测结果精度高、安全可靠。关键词： 单片机锁相环FFTAbstract：The design proposal take the STC12C5A16S2-35C monolithic integrated circuit as the core, the main module is divided into data acquisition, data processing module and display module, utilizes in the design enlarges the component to realize the measuring range automaticswitching function programmable, to improve the accuracy and the use of locks CD4046 loop frequency of the measured signals can be voltage or current signal to achieve accurate sampling, and improved integration method, using the DFT (FFT) algorithm to carry out a variety of electrical parameters, the completion of the power-frequency AC RMS voltage, current RMS, active power, power factor, total harmonic voltage fundamental and the RMS measurement, such as electricity. The design structure is simple and more easily achieved, the measured results of high precision, safe and reliable.Keywords：MCUPLL FFT目录数字式工频有效值多用表1摘要：1Abstract：1目录21.方案比较与选择31.1总体方案比较与选择31.2信号放大模块的比较与选择31.3数据保持模块的比较与选择41.4信号频率倍频模块的比较与选择42.单元电路分析与设计42.1移相电路42.2 信号放大电路52.3采样/保持电路52.4相角测量电路53.软件设计63.1主程序流程图63.2积分法流程图74.系统功能测试74.1测试方法74.2测试仪器74.3测试数据75.测试结果的误差分析86.结论97.致谢9参考文献9附录一 整机电路图10附录二理论分析与计算10附录三程序代码171.方案比较与选择作为数字化仪表，尽量做到高精度、智能化和自动化；设计时既要充分考虑到工频交流电特征，同时也要适用于一般非工频电参量；在硬件设计时，尽量采用大规模新器件。1.1总体方案比较与选择方案一：完全由信号的整形变换处理电路和多种测量仪表组合而成，其中包括测电压、电流的表头、功率表头等等。这种电路不仅电路复杂，也不方便显示观察。方案二：采用集成真有效值/直流转换器AD637对电压、电流信号分别进行测量，将电压、电流分别输入模拟乘法器AD534实现功率的测量。虽然省去了采样保持等环节，但是难于实现功率因素的测量，且硬件设计较复杂，成本较高。方案三：采用STC12C5A16S2-35C单片机为核心，电压和电流两路输入信号分别经电压跟随器缓冲和程控放大器放大后，利用锁相环产生倍频信号对两路信号同时进行采样保持，并利用倍频信号作为单片机外部中断信号，在中断子程序中先后对两路信号进行A/D转换，利用软件实现电压电流值、相位和功率的计算。电路设计较简单、灵活，且易于系统的功能扩展。综上分析，我们选择方案三。系统的总体框图如图1-1-1所示。电压信号电流信号信号放大过零比较采样保持单片机STC12C5A16S2-35C键盘液晶显示数字电位器串行AD滤出基波电压采样保持总体框图 图1-1-1跟随电流采样保持跟随跟随反相器与非门倍频RAM1.2信号放大模块的比较与选择方案一：采用可编程运算放大器件PGA103.它可以通过单片机进行控制，得到不同的放大倍数，其实现方便，但是成本较高。方案二：以数字电位器X9C103作为运算放大器OP07的反馈电阻，这样可根据输入信号的幅度大小，选择不同的放大倍数，实现量程的自动转换，实现简单。综上分析，我们选择方案二。1.3数据保持模块的比较与选择方案一：因为要测出功率值，所以一个周期内要对交流电压、电流信号同时采样。用单片机对信号进行测量时，程序运行需要占用时间，因而不能对电压、电流信号进行同时测量，只能分开测量，先在一个周期测电压值，再在下一个周期测电流值。方案电路简单，全部通过软件实现，但所测值与实际只有误差。方案二：由于测量功率时要对电压、电流信号进行同时测量，可以采用保持器LF398对信号进行双路保持，用单片机对保持器LF398控制，进行测量时，单片机先对电压信号进行转换，而电流信号被送到保持器进行保持，等待电压信号处理完毕，这样设计既可以满足对电压、电流信号进行同时测量，并且减小了系统误差。综上分析，我们选择方案二。1.4信号频率倍频模块的比较与选择方案一：选用单片机外部芯片8253来实现倍频特性，把信号一个周期分成相等的64份，从而实现了一个周期的等相位64点取样。这种方法可以实现倍频，但单片机的指令周期会使频繁启动8253进行测频、倍频、计数的过程中损失一些时间，使得转换所需时间加长，系统工作繁忙，测量精度难以进一步提高。方案二：用硬件电路采用锁相环直接实现。用锁相环把信号的频率通过计数器进行64倍倍频从而在需采集信号的一个周期中产生64个脉冲，利用此等分间隔脉冲信号作为单片机的外部中断信号，快速启动AD转换，实现高速数据采集。这种方案实施简单，而且可靠性高，简化了软件流程。综上分析，我们选择方案二。2.单元电路分析与设计系统硬件包括三个模块：数据采集模块、单片机系统数据处理模块和工频表显示模块。2.1移相电路测试时我们做了一个有源恒幅移相电路如图2-1-1所示，用来将电压信号移相后得到电流信号。该电路可以产生00 -1800的相移，如下波形图所示。图2-1-12.2 信号放大电路电路如图2-2-1所示，以数字电位器X9C103作为运算放大器OP07的反馈电阻，这样可根据输入信号的幅度大小，选择不同的放大倍数，实现量程的自动转换。芯片X9C103具有四个非易失性数控电位器单元，每个单元有63个可以被滑动单元访问的抽头点，单片机可通过X9C103的串行接口（SCL，SDA）改变任意一个电位器的输出阻值。在本系统中，通过对不同信号幅度的判断，来调整X9C103的电阻值,使运算放大器的放大倍数改变,保证系统工作于最佳线性状态,并实现了量程的自动转换。图2-2-12.3采样/保持电路在A/D转换器之前加一采样/保持电路LF398，该芯片具有采样速率高，保持电压下降慢和精度高等特点，电压信号送至A/D转换器，其间以跟随器隔离，这样整个电路系统避免了采样的孔径时间以及器件间影响引起的误差，保证了系统测量精度。2.4相角测量电路相角测量电路由过零比较器、反相器及与非门组成，电路如图2-4-1所示。电压、电流信号通过比较器后形成方波,分别送至单片机/INT0，/INT1引脚，由单片机计数测出其波形宽度，即可计算出周期及相位差，从而实现测量交流电频率和功率因数之目的。图2-4-13.软件设计多用表设计过程中，尽量简化硬件，而以软件代之。根据多用表工作原理，在多用表软件中设计了多字节乘法子程序、多字节除法子程序多字节开方子程序以及正余弦计算等子程序。3.1主程序流程图如图3-1-1所示。测周期及相位差启动A/D计算电压、电流改变X9C103值换量程否？计算功率计算基波和谐波显示有键否？键值处理YNYN初始化图3-1-1开始从存储区读取电压数据从存储区读取电流数据计算U=计算I=计算P=计算Q=计算结束图3-2-13.2积分法流程图如图3-2-1所示。4.系统功能测试4.1测试方法l 电压有效值测试用函数发生器输出05V的正弦信号电压作为一路交流电压信号，用数字万用表测量电压有效值；再用设计的多功能数字电表测量电压，求出误差。l 电流有效值测试与电压测试相同l 有功功率的测试用函数发生器输出05V的正弦信号电压作为一路交流电压信号；再经移相作为同一路的电流信号。用示波器测量相角，用数字万用表测量电压、电流有效值，根据P=UIcos算出有功功率，然后用设计的多功能数字电表测量有功功率，求出误差。l 无功功率的测试用函数发生器输出05v的正弦信号电压作为一路的交流电压信号；再经移相用示波器测量相角，用数字万用表侧零电压电流有效值，根据S=UI, P=UIcos,Q=算出无功功率，然后用设计的多功能数字电表测量无功功率，求出误差。l 功率因数的测试用函数发生器输出05V的正弦信号电压做为一路交流电压信号；再经移相作为电流信号。用示波器测量相角，再由cos算出功率因数，然后用设计的多功能数字电表测量功率因数，求出误差。l 基波、谐波的测试用函数发生器输出05V的正弦信号电压作为一路交流电压信号；然后用设计的多功能数字电表测量基波、谐波的有效值。l 失真度测试用函数发生器输出05V的正弦信号电压作为被测的失真度交流电压信号，并用SZ-3对信号电压进行失真度测量，然后用设计的多功能数字电表中的失真度测量进行对比。4.2测试仪器 仪器名称数量(台)仪器名称数量（台）PC机1函数发生器1示波器1失真度测量仪1数字万用表1双路稳压稳流电源14.3测试数据电压有效值数据如下表所示（变换器的输出为实际被测值的1%）：变换器的输出/V本系统显示值/V误差/%电流有效值数据如下表所示（变换器的输出为实际被测值的1%）：变换器的输出/V本系统显示值/V误差/%有功功率测量数据如下表所示（变换器的输出为实际被测值的1%）：电压变换器输出/V电流变换器输出/A功率因数cos实际计算值/kW本系统测量值/kW误差/%功率因数数据如下表所示:标准功率因数本系统测量值误差/%基波、谐波有效值的测量数据如下表所示：基波理论值U1/V谐波理论值U3/V基波实际值U1/V谐波实际值U3/V基波测量误差/%谐波测量误差/%5.测试结果的误差分析根据以上测试结果可以知道，该系统已具备题目的基本要求功能和发挥部分功能，并开发出较多扩展功能，本系统然具有一定的误差，定性分析主要的误差有以下几个方面来源：A/D转换误差，数据量化误差。6.结论该仪表在测试过程中，利用低频信号源输出两路05V的50Hz正弦波，用阻容移相网络将信号进行移相，作为被测交流电信号源，测试结果表明仪表的稳定性好，精度可达4位半数字表标准。 由于所研制的测量交流电参数的数字多用表它直接对交流信号波形进行采样运算，因此其精度及响应速度比目前使用的电压、电流及功率变送器高。工频数字多用表采用快速付立叶运算对信号的基波及谐波信号进行分析计算，它不仅能测出基波值，也能测出谐波值，因此也可作为电源谐波分析仪表使用。7.致谢本文是在廖磊老师精心指导和大力支持下完成的。廖老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。同时，在此次课题设计过程中我也学到了许多了关于传感器方面的知识，实验技能有了很大的提高。另外，我还要特别感谢刘老师对我实验以及论文写作的指导，她为我完成这篇论文提供了巨大的帮助。还要感谢，韦方平和魏聪同学对我的无私帮助，使我得以顺利完成论文。同时实验室的宰老师也时常帮助我，在此我也衷心的感谢他。最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢参考文献【1】 江大川.多功能电度表的功能自动考检系统.电测与仪表，2001.1【2】 吴振纲，陈虎.PLC的人机接口与编程J.微计算机信息，2005，8-1：21-23【3】 孙续.自动测试系统与可程控仪器M.北京：电子工业出版社，1994【4】 周逢兴.计算机硬件技术及其应用基础M.湖南：国防科技大学出版社，2001【5】 刘君华。现代检测技术与测试系统设计M.西安.西安交大出版社，2001附录一 整机电路图附录二理论分析与计算l 基于时域分析的积分法输入的交流信号经A/D采样后，在基波周期内等间隔取出采样点，根据有效值、有功功率、无功功率的定义，采用积分法计算。 即 电压有效值 U= （1）电流有效值 I= （2）平均有功功率 P= （3）无功功率 Q= （4） （5）以上各式中的，分别表示电压及电流的第n点采样值。这种方法比较直接，当谐波分量较小时精度比较高，但是不能分析谐波，而且当输入交流信号畸变严重时，或者包含较高的谐波分量时，会有较大的误差。要想减小由离散化引入的误差，就必须提高采样频率，即增加工频周波内的采样点数，这样大大地增加了运算量，降低了处理速度。l 基于频域分析的傅里叶变换（1）傅立叶变换 假设输入信号的基波信号为频率为的正弦波电压 （6） 2， 式中 初相位； 幅值。u(t)可用矢量的虚部表示。 = + （7） 若将看作的复数振幅 （8） 对信号每周采样次产生采样序列 = 式中 采样间隔。对进行离散傅里叶变换得到基波分量的频谱系数。 = = （9） （10） （11） 对正弦输入信号可证明 （12）是输入信号的基波频谱系数，由式(7)(8)和(12)可得出与的关系。 = （13）可见和都是表示输入信号基波分量的复数振幅，和分别为复数振幅的实部和虚部。 对于二次和三次谐波，同样可得其复数振幅的实部和虚部： （14） （15） （16） （17） 对另一路输入的交流电流信号可同样应用上述公式求出各次谐波分量的复数振幅的实部和虚部。 （2）交流电压电流有功功率和无功功率有效值的计算。 已知输入信号基波电压（电流）复数振幅的实部和虚部，不难求得：基波交流电压和交流电流有功功率和无功功率的有效值。 设、为基波电压的实部和虚部，、为基波电流的实部和虚部，、分别为基波的交流电压、电流、有功功率、无功功率，则有： （18） （19） （20） （21） （22） 对于二次谐波，同样可由傅立叶变换得： （23） （24） （25） （26） （27）对于三次谐波，同样应用得 总的输入信号的有效值，有功、无功功率，功率因数为： （28） （29） （30） （31） 其他高次谐波，计算公式可仿此类推。 上两式中求有效值时要求平方根，占用太多的计算时间，采用近似计算公式 （32） 其相对误差为。l 对称方波基波特性的理论分析 周期为T的信号可分解为 其中，角频率，为n次谐波的系数 ， ，n次谐波的幅度 假设标准对称交流方波（正负幅度均为0.5A）0.5A-0.5At 由上述公式，可以求出此方波的傅立叶级数展开式为 由此得出，此对称方波的基波幅度为 基波有效值为 (33)此方波的有效值 (34)总谐波的有效值为 (35)失真度 (36)附录三程序代码#includemyhd.h#includeftos.h#includelcd.hsbit select=P14;sbit cfm=P15;/*sbit g100=; /继电器开关sbit u_d=; /电位器增加，减小模式设定sbit inc=; /增减脉冲 */sbit lock=P13;/取样保持 uchar key_x=0;/键盘确认前值uchar key_v=0;/键盘确认后值bit key_0;/有无按键bit auto_ok=0;/增益调节完成 float u_max=0; float u_min=0; float i_max=0; float i_min=0; float u2=0; /电压采样值平方和 float i2=0; /电流采样值平方和 float v_ef; /电压有效值 float i_ef; /电流有效值 float fi=0;/相位差 float lmd=0;/功率因素 float Py=0;/有功功率 float Ss=0;/视在功率 float Qw=0;/无功功率uchar gain=1;/前端放大倍数bit samp=0;/采样结束标记bit wait_tw=0;bit ad_ca=0;bit caculate=0;uchar count=0;/判断采用点数uint u_ad64=0;/电压采样值uint i_ad64=0;/电流采样值uint tw=0;/相位差时间uchar step=1;void disp_welcome()disp_str(0 xe9,0,4,欢迎使用);disp_str(0 xe9,1,0,请选择测量.);disp_str(0 xe9,2,0, 1 .电压相关量);disp_str(0 xe9,3,0, 2 .电流相关量);disp_str(0 xe9,4,0, 3 .功率相关量);disp_str(0 xe9,5,0, 4 .谐波相关量);disp_str(0 xe9,6,0,确认);disp_str(0 xe9,7,5,工频表);void disp_v()clearp();disp_str(0 xe9,1,0,电压测量);disp_str(0 xe9,2,0,有效值:);disp_str(0 xe9,3,0,最大值:);disp_str(0 xe9,4,0,最小值:);disp_str(0 xe9,0,4,欢迎使用);disp_str(0 xe9,6,5,工频表);void disp_i()clearp();disp_str(0 xe9,1,0,电流测量);disp_str(0 xe9,2,0,有效值:);disp_str(0 xe9,3,0,最大值:);disp_str(0 xe9,4,0,最小值:);disp_str(0 xe9,0,4,欢迎使用);disp_str(0 xe9,6,5,工频表);void disp_p()clearp();disp_str(0 xe9,1,0,功率测量);disp_str(0 xe9,2,0,视在功率:);disp_str(0 xe9,3,0,有功功率:);disp_str(0 xe9,4,0,无功功率:);disp_str(0 xe9,5,0,功率因素:);disp_str(0 xe9,0,4,欢迎使用);disp_str(0 xe9,6,5,工频表);void disp_xb()clearp();disp_str(0 xe9,1,0,基波有效值:);disp_str(0 xe9,2,0,谐波有效值:);disp_str(0 xe9,0,4,欢迎使用);disp_str(0 xe9,6,5,工频表);disp_conf()switch (key_v)case 1:disp_v();break;case 2:disp_i();break;case 3:disp_p();break;case 4:disp_xb();break;void disp_select()switch (key_x)case 0:disp_welcome();break;case 1:disp_welcome();disp_str(0 xe9,2,0,);break;case 2:disp_welcome();disp_str(0 xe9,3,0,);break;case 3:disp_welcome();disp_str(0 xe9,4,0,);break;case 4:disp_welcome();disp_str(0 xe9,5,0,);break; void disp_waveform(uint *p)uchar ii=0;clearp();disp_line(0 xc5,117,0,1,1,239);disp_line(0 xc5,0,10,0,1,127);disp_line(0 xc5,57,10,0,1,239);disp_str(0 xe9,7,0,0);disp_str(0 xe9,4,0,0);if(key_v=1)disp_str(0 xe9,1,0,U/V);else if(key_v=2)disp_str(0 xe9,7,14,I/A);disp_str(0 xe9,7,0,0);for(;ii0 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