毕业设计（论文）-数字功率仪研究.doc

闽南师范大学毕业论文（设计）数字功率仪研究Digital Power Meter Research姓 名： 学 号： 系 别： 物理与信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 2013级 指导教师： 2016年 12 月 25日-II-闽 南 师 范 大 学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权闽南师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密，在_年解密后适用本授权书。2、不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名：日期： 年 月 日导师签名：日期： 年 月 日摘 要本文所设计的是数字功率仪是以STC89C52单片机为核心控制部件。该功率仪采用霍尔式传感器采集电压和电流信号，能够精确测量电压和电流，通过高精度双通道AD转换芯片AD7705进行转换，经单片机内部处理后，输送液晶显示屏进行显示。系统实现了电压、电流以及功率的测量和显示的功能。整机结构测量精度高、操作方便、测量多种数据等特点。关键词：单片机；霍尔传感器；AD7705；功率测量全套图纸加扣 3012250582AbstractThe digital power meter designed in this paper adopted STC89C52 MCU as the core control part. It collected voltage and current signals through Hall sensors for precise measurement of voltage and current, converted them by means of high-precision, dual-channel, AD conversion chips of AD7705, and then transmitted them to the LCD after treatment inside the MCU. The system realized the measurement of voltage, current and power, as well as relevant display. The whole machine featured high precision measurement, convenient operation and multiple data measurement.Keywords：STC89C52 MCU; Hall sensor; AD7705; Power measurement 目录中英文摘要I1 引言11.1 选题背景及发展现状11.2 研究的目的及意义21.3 本文的主要工作22 系统设计32.1 整体设计方案32.2 方案的选择和比较32.2.1 数据采集方案32.2.2 模数转换方案42.2.3 主控器的选择42.2.4 数据显示选择53 系统硬件设计63.1 霍尔传感器63.1.1 霍尔效应63.1.2 霍尔传感器的分类63.1.3 设计采用的霍尔传感器63.2 电压采集电路73.2.1 霍尔电压传感器TBV10/25A73.2.2 偏移电路的设计83.3 电流采集电路93.4 AD转换电路103.4.1 模数转换芯片AD7705103.4.2 AD7705的读写时序103.4.3 AD转换电路113.5 最小系统及复位电路123.5.1 STC89C52单片机123.5.2 最小系统电路123.5.3 复位电路133.6 电源电路143.7 液晶显示电路143.7.1 LCD1602143.7.2 显示电路154 系统软件设计164.1 软件平台及烧写软件164.2 程序流程图165 系统调试185.1 所用仪器及设备185.2 调试试方法及步骤185.2.1 硬件电路调试185.2.2 软件程序调试195.2.3 AD7705的信号波形205.2.4 调试中碰到的问题及解决方法215.2.5 误差分析216 结论22参考文献23致谢24附录25附录一：器件清单25附录二：系统原理图和PCB图26附录三：实物图27附录四：系统程序单28-III-1 引言从最近这几年来看，各种电子技术发展迅速，尤其是在计算机上的应用、电子信息的传输和处理还有集成电路的发展方面尤为明显，这些对于在电力系统的测量技术也带来了极大的影响。为了对各种用电设备的功率进行监视和控制，保证产品的质量和生产效率1。为了提高电力系统中测量仪器的精度，改进通过使用机械式功率表测量所造成的误差，能够更加精确的同时测量多个物理量，是当今电力系统测量技术的首要问题和发展方向，为了解决这个问题，数字化的电能测量仪表就诞生了。在设计智能数字表时，最主要的问题便是在使用测量工程中是否能够不受测量环境的影响都能够正确的显示测量的数值，即抗干扰能力要强。目前常见的测量功率的仪表是电动系功率表，它是利用通有电流的可动线圈在另一个通电线圈形成的磁场中产生转动力矩而工作的仪表2。显然这种仪表结构复杂，而且一般分成多个量程，在测量数据时，还要大概预测所测数据的大小，从而选择合适的档位，否则会大大减少测量精度，使用比较麻烦，并且耗损大。而且有时电动式仪表测量有较大的电压或电流时，需要将其变换为小电压或电流，再测数值，测量结果还要进行换算。为了解决这些问题，数字化的测量仪表就快速发展起来了，而且，基本能够满足当今测量所需要的精度和其他要求，而其中最常见的便是数字功率表。数字功率表基本可以克服指针式功率表所带来的各类问题，不管是从精度方面，还是从实用方面，数字功率表相比指针式功率表都有极大的优势，是现代测量技术的最佳选择。1.1 选题背景及发展现状伴随着现代电子信息技术的快速发展，以及计算机技术广泛而深入的应用，各种元器件的广泛使用，对于元器件的各种性能和要求随之产生，这促进了电子测量的快速发展。传统的功率测量仪的局限性一般体现在以下几个方面，一是进一步提高精度十分困难，二是仪器的功能单一，三是无法重新写人程序，实现软件升级3。数字化测量仪器与传统的测量仪器相比，其使用简单，方便携带，精度更高，实用性强，这些优势，使得数字化测量仪器将会是现代测量的一种重要方式。数字化测量仪器虽然有很多优势，但是由于才刚刚起步，还处于开发阶段，尚未得到广泛使用。如今世界的发展越来越趋于数字化，数字化已成为当今世界一个重要的标志，其在社会生活和经济发展中的作用也有极为明显。所以，若是把它放在一个国家的层次来说，数字化水平的发展程度将代表着我们国家在全球的科技领域的技术水平的高低。数字化的时代已经到来，它影响着我们生活的方方面面，所以我们必须要充分的重视它。我国是世界上最大的发展中国家，同时也是世界第二位能源生产国和消耗国4。所以提高电力测量技术变得极为重要，必须要在全球测量技术的前沿，而且测量技术还要可以把我国的科技水平展现出来。在科技水平不断提高的时代，各种技术的更新速度都必须能够跟上时代的进步。时代在不断的进步，如果没能够做到绝对领先于他人，就需要不断的更新，才能够不被时代所抛弃，才有机会保持在世界的前沿。特别是随着消费电子的快速发展，所以可以预测电子测量仪器业在今后几年内，在合成仪器的强势带动下，在集成芯片、集成电路的背景下，数字化测量仪器必定赢来很大的发展空间。如今，我国的经济水平在不断提高，电力在生活中越来越重要，电力测量技术的重要性也由此上升。随着经济全球化，未来几年，这种情况将会一直保持下去，所以电子测量仪器在市场中的需求程度也将不断提高。而且由于数字化水平的提高，数字化的测量仪器将迎来黄金时期。智能电力仪表作为智能电网的基础配备之一将随用户端配电智能化和节能政策的推进市场需求量会逐步扩大5。在今后的几年中，电子测量技术在测量市场中将会一直占有着极其重要的位置，不可替代。1.2 研究的目的及意义在电力发展迅速的当代，电能的测量和管理只会越来越重要，甚至可能会成为一个独立的领域。然而电能的测量与电压和电流的测量相比，其精度的提高会更加困难和复杂。对于功率的测量需要有一个可以将测量的电压和电流相乘的电路结构6。测量功率的精度将会是测量电压和测量电流的精度的乘积，为了提高其精度，设计相对较为理想的方案，具有极高的研究价值和使用价值。设计采用单品机来实现电压和电流的相乘，能够更好的提高测量精度。通过设计以单片机为核心控件的数字功率仪，可以充分发挥单片机的作用，提高其在电子信息技术研究中的地位，使得整个电子信息产业都能够快速发展。1.3 本文的主要工作本文介绍的是一种通过霍尔传感器进行直流信号的采样方案。本文所介绍的采样电路主要是通过霍尔传感器的来建立的，霍尔传感器不仅可以用来测量直流电压和电流的大小，还可以用来测量交流电压和电流的瞬时值，通过两路模数转换将采集到的电压值和电流值送入单片机中，通过单片机的软件设计，把电压、电流以及功率的大小送至液晶显示屏进行显示。本设计，计算简单，使用方便，能够精确的测量所测功率的数值。2 系统设计图2-1系统结构图2.1 整体设计方案系统结构图如图2-1所示，电压信号和电流信号分别通过霍尔电压传感器和霍尔电流传感器转换成电压信号，经过AD模数转换后变为数字信号送到STC89C52单片机处理后，最后送到LCD1602显示。2.2 方案的选择和比较2.2.1 数据采集方案方案一：采用电阻的串并联设计采样电路。电压信号通过并联大电阻进行采样，电流信号通过串联小电阻进行采样，通过计算电阻两端的电压来得到相应电流的大小，电路相对来说比较简单，只需要通过合理的电路连接就可以实现，制作成本低；但是采用这种采样方式测量精度相对较低，而且测量范围小，无法满足设计要求。方案二：采用霍尔传感器设计采样电路。采用半导体材料制成的霍尔元件具有高灵敏度、高稳定和高信噪比等优点7。霍尔电压传感器可以把输入的电压信号转换为电流信号，将电流流经电阻得到变换后的小电压信号，电流信号则可以直接使用霍尔电流传感器转换为小电压信号再送到模数转换电路，电路相对来说比较复杂，而且成本比前一个方案要高。不过霍尔传感器初、次级之间是绝缘的，其输入对输出的影响相对较小，而且不仅可用于测量直流，在测量交流和脉冲信号时也有极高的精度。霍尔传感器还具有良好的抗脉冲电压干扰特性，线性度好，测量速度快，测量范围大等优点，同时可以根据用户的需要灵活选定量程。基于以上分析比较，本设计采用方案二，虽然霍尔电流传感器具有多个量程，但是为了提高电流传感器的测量精度，而且学生电源最大只能提供4A的电流，所以在本次设计中直接采用最低的量程，即5A。为了安全，测量的最大电压值设定为30V。2.2.2 模数转换方案方案一：采用ADC0832设计转换电路。ADC0832是8位双通道逐次逼近AD转换器。具有单端和差分输入两种工作方式，可以避免模拟信号远传中受到的干扰8。具有体积小，兼容能力强，外设简单，性比价高等优点。虽然本方案电路简单，不需要外加电路，但由于分辨率仅8位，其返回数值在0-255之间，对应输入电压05V，电压精度为19.53mV，不满足本系统所要求的设计指标，故不采用此方案。方案二：采用AD7705设计转换电路。美国AD公司推出的AD7705，此芯片采用-转换技术，具有2个16位模拟转换通道，片内带可编程数字滤波器，它具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪声性能以及低电压低功耗的特点9。可是其外设电路相对来说，比较复杂，必须接一个外部晶振。显然AD7705比ADC0832有更高的分辨率，当基准电压设计为5V时，其返回数值在065535，电压精度可达到76.29V，精度相对提高了256倍，采用此芯片，更符合本系统所要求的设计指标，故采用此方案。2.2.3 主控器的选择方案一：采用AT89系列单片机作为主控芯片。AT89系列单片机是ATMEL公司所生产的带有4K可擦除、可编程只读存储器的低电压、高性能8位COMS微处理器10。具有价格低廉，可多次查除，高速度，低功耗，使用双数据指针使操作更加便捷。但没有内带EEPROM存储空间，需要外接硬件。方案二：采用PIC系列单品机作为主控芯片11。PIC系列单片机产品采用了RISC结构的微控制器，其内部所有存储器都采用RAM的形式，只需要一个指令周期就能完成访问，具有运算速度快、功耗小、体积小、驱动能力强、具有彻底的保密性以及代码兼容性高等优点，在各个领域都有广泛的应用。虽然该单片机自身带有AD模块，但仅有12位，性比价低，不满足设计要求。方案三：采用AVR系列单片机作为主控芯片。AVR系列单片机是高速嵌入式单片机，保密性能好，具有不可破解的位加密锁Lock Bit技术12。功能齐全，抗干扰能力强，具有高可靠性、作用强、高速度、低功耗和低价位等优点。但是AVR单片机没有位操作，通过字节形式进行控制和判断，在编程上与51系列有很大的差异，虽然拥有32个寄存器，但是前16个通用性较低。虽然说AVR单片机的功能强大，能够满足设计的要求，但是成本较高，库房也没有这类单片机，故不采用此方案。方案四：采用STC系列单片机作为主控芯片。STC系列单片机是有宏晶公司研发的单时钟/机器周期单片机，虽然其功能不如AVR单片机强大，但基本功能都有，而且编程简单，拥有先进的指令集结构，下载烧录方便，抗干扰能力强，具有高速度、高可靠性、价格低、兼容能力强等优点，内部自带EEPROM，不需要另外添加硬件。综合以上分析，本设计决定采用方案四，并采用STC89C52单片机。其工作电压为3.3V5.5V，有4组I/O口，3个16位定时器，内部自带4K EEPROM。2.2.4 数据显示选择方案一：采用LED数码管显示。LED数码管具有发光亮度强，高频特性好，驱动电路简单等优点，而且体积小、寿命长、质量轻、耐冲击、价格便宜。但是只能显示数字和少数字符，不利于人机交流。方案二：采用LCD12864显示。LCD12864是一种带中文字库的12864点的液晶显示屏，CMOS驱动。该模块具有整体图形点阵显示，可以用它来显示图形和字符13。便于人机交流，但是价格贵，而且本设计不需要显示波形和中文字符，因此从经济角度考虑，不采用此方案。方案三：采用LCD1602显示。LCD1602能够同时显示162共32个字符，内含复位电路，可以提供各种控制命令。具有功耗低、轻薄短小、显示内容丰富、电路连接简单、精确度高、操作简单等优点，而且价格相对LCD12864便宜，虽然不能显示中文字符，但其功能基本满足设计要求。综合考虑后，决定采用方案三，选用工作电压为5V的LCD1602液晶显示屏。3 系统硬件设计3.1 霍尔传感器霍尔传感器是利用霍尔效应的原理，把测量的物理量通过磁电转换转换为电动势的传感器，将物体的各种非电量参数转变为电压输出，在检测和自动控制中得到了大量的应用14。集成电路技术的正在不断发展进步，现以发展成为大规模集成电路，未来可能更进一步，集成霍尔传感器也将占据霍尔传感器的市场。集成霍尔传感器，就是把霍尔元件、放大器、温度补偿电路还有稳压电压集成在同一个芯片上。霍尔效应，实际上就是一种磁电效应，它是在1879年被霍尔在金属材料中发现的，人们曾利用这种效应来设计用来测量磁场的传感器，但是因为金属的霍尔效应太弱而失败。后来人们发现在半导体以及到电流体等也存在着霍尔效应，而且其强度要比金属材料强的多，霍尔效应成为了人们用来研究半导体材料的基本方法，人们利用半导体材料来设计霍尔元件。自霍尔研究载流子导体在磁场的受力情况时发现霍尔效应起，霍尔传感器得到了广泛的应用，并迅速发展壮大15。3.1.1 霍尔效应霍尔效应是指，作用在物理上的全部力的和为零16。从从本质上来说，就是讲半导体中运动的带电粒子在磁场中受到洛仑磁力的影响，而横向漂移的结果。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场。其形成的电场的方向是由采用试样的电的类型来决定的。3.1.2 霍尔传感器的分类霍尔传感器分为线型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种16。（1） 开关型霍尔传感器主要包含稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级，其输出为数字量。（二）线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。线性霍尔传感器根据电路的连接方式的不同，还可以分成开环式和闭环式两种。线性霍尔传感器可以用来直流和交流电量。3.1.3 设计采用的霍尔传感器本设计采用的是南京托肯公司自主研发的霍尔传感器，测量电压采用TBV10/25A，为了使电压传感器具有最好的测量精度，在设计时，可以使传感器的输入电流尽量与其额定初级电流相等，即10mA 。测量电流采用TBC-DS5，该传感器具有5A，10A以及15A三个测量量程，用户可以根据需要采用不同的接线方式选择量程。3.2 电压采集电路3.2.1 霍尔电压传感器TBV10/25A图3-1 TBV10/25应用电路TBV10/25A是由南京托肯公司自主研发生产的一种新型霍尔电压传感器，其内部初级线圈和次级线圈之间是绝缘的，可以测量直流、交流和脉冲电压。可应用于变频调速器、电焊机、通讯电源、开关电源等，其初次级的匝数比为2500:1000，具有良好的线性关系，能够很好的抵抗脉冲信号的干扰。TBV10/25A的应用电路如图3-1所示。TBV10/25A左侧正负端接待测电压，需要串上R1来限制输入电流，右侧正负端接15V的电源电压，O/P为输出端口，由于输出为电流值，故需要串联一个电阻Rm才能得到电压值。又由于设计所能够测量的电压值为30V，而电压传感器的输入电流为额定电流10mA时，传感器的精度最好故取R1为3k。由于设计使用的电阻工作功率为0.25W，所以为了减少单个电阻所消耗的功率，防止电阻过度发热，就需要减少流过单个电阻的电流值的过大，故流过电阻的电流值应满足：I2R-0.2&elec0.2)volt = (volt2-0.28)*13.2626-30.4;elseif(volt23.5)volt = (volt2-0.77)*16.854-30.4;elsevolt = (volt2-3.5)*16.129+14.6;power = volt*elec;sprintf(buf1,V:%1.2f,(float)volt);sprintf(buf2,I:%1.2f,(float)elec);sprintf(buf3,P:%1.2f,(float)power);Displaystr(0,0,buf1);Displaystr(0,1,buf2);Displaystr(8,0,buf3);之所以需要对电流是否为零来选择电压的转换函数，是因为电压互感器的工作状态受到电流互感器的影响。5 系统调试5.1 所用仪器及设备表5-1 仪器和设备序号名称型号数量1多路直流稳压电源UTP3333TD22万用表GDM-813513PC14负载电阻15.2 调试试方法及步骤本设计的调试共包含两个阶段，即硬件调试和软件调试。5.2.1 硬件电路调试1 在尚未上电的情况下，先对照原理图和PCB板，查看是否有错焊以及漏焊的情况。如果发现问题，改正后，再用万用表测量各个焊点，检查是否出现虚焊、短路及接触不良的现象，如果有，及时改正。在确定没有出现上述情况后，上电进行检查。2 上电后，根据原理图，用万用表测量各点电压，以此判断电路的工作情况是否都正常。判断电路正常后，断电，将芯片插入插槽，插入芯片时应注意方向是否正确。再重新上电。3 重新上电后，看LCD1602是否正常发亮，再用万用表测量芯片各个引脚的电压，判断各个芯片是否工作正常。对霍尔传感器的调试，可以通过修改输入电压和输入电流的大小，来检测其是否工作正常，测量数据如表5-2，5-3所示。经上述检测后，电路基本正常，即可进入软件调试阶段。表5-2 电流调试输入电流/A-3.0-2.5-2.0-1.0-0.500.51.02.02.53.0无电压输入时AIN1脚电压/V2.182.242.312.432.492.562.622.692.822.882.95有电压输入时AIN1脚电压/V2.102.242.302.432.502.562.622.702.822.882.95表5-3 电压调试输入电压/V-30-25-20-10-50510202530无电流输入时AIN2脚电压/V0.280.661.031.792.172.542.933.34.054.424.79图5-1 电流实验测量曲线有电流输入时AIN2脚电压/V0.771.061.351.962.262.552.843.13.814.124.43图5-2 电压实验测量曲线5.2.2 软件程序调试本设计的软件编程采用模块化设计，方便测试和修改，同时可以更直观的了解各代码的作用。1 调试LCD1602的显示程序，直接编程使LCD1602在某个位置开始显示一段字符，烧录到软件后，观察LCD1602显示的字符和位置是否正确。如果LCD显示的内容不对，就把显示错误所对应的程序进行修改，一直改到显示的内容符合要求为止。2 调试AD7705的采样程序，编程时，先将AD7705采样到的信号不经变换，直接送到LCD1602进行显示，观察显示数值是否和AD7705两个输入引脚的数值基本相同，如果不同，则进行修正，直到数值相同为止。3 设计电压和电流的转换方程，通过图5-1和图5-2得出可以得出实际电压和电流与采样到的数值的关系，编程处理后送至液晶屏进行显示。观察LCD1602上显示的数值，如果误差太大，则修改方程，直到显示数值基本和输入值相同为止，最后加上功率显示。5.2.3 AD7705的信号波形图5-5 DOUT脚波形AD7705的DIN脚和DOUT脚是用来与单片机进行通信的引脚，其引脚波形图如图5-3、图5-4和图5-5所示。图5-4 DIN脚波形（2）图5-3 DIN脚波形（1）图5-3中DIN脚的波形表示单片机与其进行通信，发出指令采集AIN1脚电压；图5-4中DIN脚的波形表示单片机与其进行通信，发出指令采集AIN2脚电压；，DOUT脚则是在AD7705接收到指令后，将采集到的相应信号送入单片机中。5.2.4 调试中碰到的问题及解决方法问题1：无论电压传感器是否有输入电压，AD7705的AIN2脚的电压始终为5V。调试解决：测量电压传感器输出电压，发现其输出电压随输入电压改变，说明电压传感器正常工作。测量LM358各个引脚的电压，发现其1脚输出电压始终为13V，故判断是LM358损坏，换上新芯片后，电路工作基本正常。问题2：观察电流测试曲线和电压测试曲线，发现无论电压传感器是否有输入电压，电流的曲线基本不变，输入与输出成良好的线性关系；而当电流传感器存在输入电流，电压传输曲线关系的陡度变小。调试解决：这应该是由于电压互感器和电流互感器工作时内部产生的磁场相互交链导致的，由于硬件电路不好解决，于是在软件电路上进行解决。通过编程设计，当输入电流接近零时，编制一段代码，当输入电流不等于零时，编制另一段代码，使液晶屏显示的电压和电流基本正确。5.2.5 误差分析虽然在系统仿真时，测量的数据跟理论数据相同，但是实际数据却有不小的误差。本设计的误差来自多个方面。来自元器件数值的误差，由于制作工艺的问题，电阻的数值并不准确，导致电压偏移电路的实际输出值与理论值相差较大。解决方法：选用电阻时，先用万用表或欧姆表来测量选用的电阻的实际阻值，选用误差相对较小的电阻即可。来自互感器的误差，两个传感器的输入和输出关系与芯片手册所给的曲线关系有一定的误差。解决方法：在软件编程中进行调试。6 结论通过这次毕业设计，我得到了很多的收获，虽然作品没有做的很完美，但是设计基本可以实现测量直流的电压、电流和功率，误差较小，使用方便，而且还有很大的提升空间，比如说霍尔电流传感器的量程可以通过排针和杜邦线实现选择，这样的话，选择适当的量程，电流的测量范围可以更大，而且不影响精度；再比如电路设计的本身是可以实现测量交流功率，只要在软件编程时测量电压和电流的相位差，计算其功率因素，就可以测量交流功率了，由于时间和能力有限，我再设计时未能实现这个功能。这次的毕业设计使我把大学以来所学的知识应用到了实际当中，而且对资料的收集能力和信息的处理能力有了很大的提高。通过这次毕业设计，我已经掌握并本专业的相关知识和熟悉软件操作的过程，认真且严肃的将其完成。在制作过程中，我明白了如何面对困难和做事的毅力，这就是毕业设计的意义所在，和我一样真正全心投入毕业设计的人一定会有相同的感觉。参考文献1 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