测量电压、电流、功率的数字表的设计制作（桂林）
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测量电压、电流、功率的数字表的设计制作（桂林）,测量,电压,电流,功率,字表,设计,制作,桂林
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编号： 毕业设计(论文)任务书题 目：测量电压、电流、功率的 数字表的设计制作 学院： 机电工程学院 专 业： 学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 机电工程学院 姓 名： 郭 福 力 职 称： 工 程 师 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2015年12月13日一、毕业设计（论文）的内容全面了解、 掌握交流电的电压、电流、功率的测试原理，设计使用单片机控制的电压、电流、功率测试仪。完成系统方案设计及说明，测量电路的调试、电路原理图设计和所需软件的设计。本课题的任务包含如下内容： 1、学会并能娴熟利用图书馆、互联网获取所需技术资料。2、较熟练地阅读和翻译本专业的英语文献。 3、学习和掌握电子技术、数控技术、仪表与过程控制、单片机原理、自动控制原理的相关知识的理论和和应用。二、毕业设计（论文）的要求与数据 1、制作样机一台。2、电压测量范围0-250V， 误差 2 V。3、电流测量范围0-5A， 误差 0.1 A。4、有功功率测量范围0-1250W, 误差 1 W。三、毕业设计（论文）应完成的工作 1、完成二万字左右的毕业设计说明书（论文）；在毕业设计说明书（论文）中必须包括详细的300-500个单词的英文摘要。 2、独立完成与课题相关，不少于四万字符的指定英文资料翻译（附英文原文）。 3、完成两张A3以上的计算机绘图图纸。4、完成相关软硬件调试制作样机一台。四、应收集的资料及主要参考文献1 沈德金. MCS-51系列单片机接口电路与应用程序设计M 北京：北京航空航天大学出版社，1999.2 黄惟公.单片机原理与接口技术 C51版M 成都市：四川大学出版社,2011.083 李升.单片机原理与接口技术北M 京市：北京大学出版社,2011.084 侯崇升.电工电子仿真与EDA技术M 东营市：中国石油大学出版社,出版日期:20105 唐小华，杨怿菲.数字电路与EDA实践教程M 北京市：科学出版社, 2010.086 穆习.电能计量装置接线检查实用指南M 沈阳市：辽宁科学技术出版社, 20087 胡伟，季晓衡编著.单片机C程序设计及应用实例M 北京：人民邮电出版社，20038 孟凡利.运行中电能计量装置错误接线检测与分析M 北京市：中国电力出版,2006.019 雷惠博.电量变送器及其检定装置M 北京市：中国电力出版社,199910 K. Iwansson,G. Sinapius,W.Hoornaert,S. Middelhoek Measuring Current, Voltage and Power M Elsevier Science Ltd 1996.6五、试验、测试、试制加工所需主要仪器设备及条件计算机一台 示波器一台 直流电源一台编号： 毕业设计开题报告题 目：测量电压、电流、功率的 数字表的设计制作 院 （系）： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 张 永 发 学 号： 1200120333 指导教师单位： 机电工程学院 姓 名： 郭 福 力 职 称： 工 程 师 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2016年03月01日1 毕业设计的主要内容、重点和难点等研究内容功率表一直以来都是重要的工业测量仪表，广泛应用于电工与电子技术领域。目前，电子式功率计、电能表采用的原理，基本上是根据功率的定义，采用各种乘法器实现电压与电流的乘积。时分割乘法器是口前最常用的方法，但由于时分割乘法器采用的是模拟技术，电路复杂，且其测量方法的误差研究很不完善，导致设计中缺少依据，器件选取盲目。本设计是针对交流电压和电流采集系统的研究，以单片机为核心，采用数值采样法，对电压、电流信号同时采样，以获得较高精度以完成对交流电压电流的采集、功率的测量、功率因数的计算和实时显示的硬件系统。本设计的研究内容主要有以下几个方面：（1） 交流电压、电流以及功率测量的基本原理；（2） 电路中的电压和电流的测量；（3） 相位角的测量；（4） 功率因数及功率的计算；（5） 测量结果的显示；研究重点及难点重点：（1）电压、电流的采样电路的设计（2）相位角的获取（3）模数转换（4）人机接口电路难点：（1）电压、电流的采样电路需要同时采集交流电压和电流两路信息 ，相应的衰减电路的设计要用到电流互感器（2）相位角的获取采用过零比较电路来实现（3）A/D接口电路的实现（4）相关的线路设计和编程（5）电路整体的调试和验证2准备情况（查阅过的文献资料及调研情况、现有设备、实验条件等）究概况及发展趋势 近年来，随着电子技术、计算机技术和半导体技术的飞速发展，电力系统测量也发生了巨大的变革。功率表一直以来都是重要的工业测量仪表，广泛应用于电工与电子技术领域。口前，电子式功率计、电能表采用的原理，基本上是根据功率的定义，采用各种乘法器实现电压与电流的乘积。时分割乘法器是口前最常用的方法，但由于时分割乘法器采用的是模拟技术，电路复杂，且其测量方法的误差研究很不完善，导致设计中缺少依据，器件选取盲目。本文采用数值采样法，对电压、电流信号同时采样，以获得较高精度。与传统方法不同，本设计利用单片机的定时器对电压与电流的过零点的时间差进行确定，从而计算出电压与电流的相位角，再经查表得出功率因数。主要参考文献1 伊元梅，温宗周.基于51单片机的数字功率表设计J.微型机与应用，2012,31(10): 28302 李松柏，朱娟，聂应国.数字功率表设计与制作J.内江师范学院学报，2006,21(2): 40433 邓忠华，陈浩，余红梅.高速A/D转换芯片MAX197应用J.电子测量技术，2005 (1): 83844 孙达昕.用单片机测量电网功率因数角J.自动化测量技术,1996(2)46475 谭浩强 .C语言设计教程M. 北京：清华大学出版社，20076 王幸之，王雷，钟爱琴，等.单片机应用系统电磁干扰与抗干扰技术M.北京：北京航空航天大学出版社，20067 唐小华，杨怿菲.数字电路与EDA实践教程M 北京市：科学出版社, 2010.088 穆习.电能计量装置接线检查实用指南M 沈阳市：辽宁科学技术出版社, 20089 黄惟公.单片机原理与接口技术 C51版M 成都市：四川大学出版社,2011.0810 胡伟，季晓衡.单片机C程序设计及应用实例M 北京：人民邮电出版社，200311 李升.单片机原理与接口技术北M 京市：北京大学出版社,2011.0812 K. Iwansson,G. Sinapius,W.Hoornaert,S. Middelhoek Measuring Current, Voltage and Power M Elsevier Science Ltd 1996.6现有设备和实验条件个人计算机、51单片机开发板、示波器、直流稳压电源、数字万用表，开放实验室3、实施方案、进度实施计划及预期提交的毕业设计资料实施方案本课题有三个主要问题需要解决，分别是系统整体设计、系统误差规避、系统程序和系统实物设计制作。其中，系统整体设计可以通过查阅相关资料和借鉴工业成品来解决；系统误差规避主要通过所学知识和查阅相关资料吸取总结已有经验，提高制作工艺规避系统误差和偶然误差来实现；软件程序的设计和实物的制作与调试可以根据所学知识进行，对于该过程中所遇到的问题可以通过查阅相关资料，和同学讨论，询问指导老师，到实验室进行试验等手段解决。具体如下:（1） 电压电流采集模块 对电压使用的方法比较简单，直接采用电流型电压互感器直接对交流信号进行采样，然后通过高精度采样电阻将电流信号转变为电压信号并经运放进行放大为有效值可以被AD采集模块所能接受的交流信号，最后利用整流滤波电路将运放输出的交流信号转换为可以进入AD的并且纹波很小的直流信号。 对电流采样同样采用电流互感器将交流电的零线或者火线中的一根，穿过这个电流互感器的小孔，互感器管脚连接一个精密电阻作为采样，当电线中有交流电流流过的时候，这个电流互感器的电阻两端会形成一个电压，为精确测量采用高精度小阻值的电阻加运放的形式输出，为了转换为AD所能允许的直流电压信号，仍需要后面的整流和滤波电路。（2） 模数转换本设计选用STC89C52单片机作为主处理器单片机机的P2.O-P2.7与MAX 197的的DO-D7相连既用于输入MAX197的初始化控制字.也用于读取转换结果数据；P3.4作片选信号.则MAX 197的高位地址为7FH；P3.5脚用于判断读高、低数据位的选择线，直接与HBEN脚相连;MAX 197的INT脚与89S52的INTO相连，以便实现中断，读取转换结果、设计采用外部基准电压，选择MAX 197为系统提供低功耗工作方式。MAX 197是Maxim公司推出的8通道,12 big的高速A/D转换芯片。芯片采用单一电源+5 V供电，单次转换时间仅为6us，采样速率可达100kS/s。 MAX197控制寄存器的ACQMOD位置1选择外部采集控制模式，以精确控制采样孔径且独方控制采集和转换时间。分别通过两个写信号脉冲控制采集间隔和开始转换时间.第一个写信号脉冲控制寄存器的ACQMOD位置1，开始一个采集间隔;第二个写信号脉冲控制寄存器的ACQMOD位置0，结束采集间隔并开始转换。（3） 相位角的测量相位角的测量采用过零比较的方法，利用单片机的定时器对电压与电流过零点的时间差进行确定，再通过计算得出电压与电流的相位差;测量得出相位角甲后，通过查表可得功率因数coscp，而功率可通过公式P= Ulcoscp计算得出。（4） 人机接口电路 人机接口电路包括液屏，显示和按键两部分。在本设计电路中显示模块由LCD1602和74HC164组成。;按键选用独立式的按键，将4个按键分别定义为控制显示电压、电流、功率、功率因数4个不同的功能（5） 数字功率表功能框图被测电压被测电流被测电压被测电流互感器电路过零比较器整 流液晶显示A/D转化单片机STC89C52INT0INT1图1 系统组成（6） 程序流程图如开始系统初始化调用显示程序调用测量程序调用键盘扫描程序有按键按下键值判别程序电压显示电流显示功率因数显示功率显示通信处理图2 系统主程序流程图NY /进度实施计划第一阶段（2月28日至3月6日）：方案设计，查找资料，画出原理框架图，提交硬件原理草图一份。第二阶段（3月7日至3月13日）：方案论证。第三阶段（3月14日至4月1日）：硬件设计布局，器件选型，进行调试。提交PC图源文件一份。第四阶段（4月2日至5月15日）：软件编程并与硬件进行联调，最后提交该电路板预期提交的毕业设计资料1、撰写两万字以上的毕业设计说明书（兼附15篇以上的参考文献）；在毕业设计说明书中应包括300500个单词的英文摘要及关键词；2、完成与课题相关英文资料的翻译（约四万英文字符，附英文全文）；3、完成粮库粮情测控系统开发的研究和实现方案；4、设计出系统的硬件和完成相应软件程序设计，给出必需的硬件实现原理图；5、根据课题任务与要求，完成可供掩饰的功能样机。指导教师意见指导教师（签字）： 2016年03月日开题小组意见开题小组组长（签字）：2016年03 月日 院（系、部）意见 主管院长（系、部主任）签字： 2016年03月日- 7 -编号： 毕业设计说明书题 目：测量电压、电流、功率的测量电压、电流、功率的_数字表的设计制作数字表的设计制作 学 院： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 张 永 发 学 号： 1200120333 指导教师： 郭 福 力 职 称： _工程师 _题目类型：题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2016 年 6 月 3 日桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 I 页摘摘 要要在现代检测技术中，常需用高精度数字电压表进行现场检测，将检测到的数据送入微计算机系统，完成计算、存储、控制和显示等功能.本设计是一种基于 STC89C52 单片机的测量电量的数字表，以 STC89C52 单片机和 TLC1543 为核心器件.该系统的数字电压表电路简单，所用的元件较少，成本低，调节工作可实现自动化：数字电表抗干扰能力强、测量速度快、测量准确度高.整个测量系统主要测量电压电流两个主要参数，只要测出这两个参数就可以计算出有功功率和无功功率。整个系统的设计完成了硬件电路的设计及软件程序的编写，通过最终硬件电路的调试及软件程序的仿真，使该系统能够在要求的条件下达到正常的测量及显示功能。在整个系统的设计过程中，主要采用了模块化的设计方法。该系统主要分为四大模块，即输入信号衰减模块、主控制模块、A/D 转换模块和输出显示模块。由于实际电路中的电量参数太大，TLC1543 直接采集会使器件被损坏，因此先对电量信号进行衰减，在单片机的控制下完成对电压、电流信号采集，并对电压和电流的相位进行比较得到功率角，最后将测量结果通过 LCD1602 液晶显示出来。该电路设计新颖、功能强大、可扩展性强。关键字：51 单片机；A/D 转换器；电压电流的采样；显示屏；数字表桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 II 页AbstractIn modern measuring technology，it is often required to conduct site measuring with a digital meterThe data measured will then be input into the micro-computer system to execute such functions like calculating，storing，controlling and displaying. An non-electricity measurement digital electric meter based on STC89C52 is proposed. It is a completed measurement system based on the STC89C52 and TLC1543. The digital meter features in simple electrical circuit，lower use of elements，low cost and automatic regulation. The digital meter strong anti-jamming ability, Measuring speed, high accuracy field measurement methods .The measuring system, the main measure two main arguments are voltage and current. Just measured out the two arguments, it can calculate the active power and the reactive power. In this design, the hardware circuit and software programming are both realized at the judge of hardware circuit and imitation of software program. This system can fulfill the function of measure and displaying under the demanded conditions. Over the designing of the whole system, the method of modularity is used. The system is mainly divided into four modules：for example，the module of input signal attenuation, the module of master control, the module of ADC, the module of display export signal. Due to the parameter of actual circuit quantity of electricity are enormous gross, if TLC1543 direct gathering the non-electricity signal, it will break down the device, and the digital electric meter will out of work. So, the quantity of electricity signal must take attenuation place .This system can accomplish the signal sampling of voltage and current, and compares the voltage and current phase, and gets the phase difference. The result can be displayed through the Liquid Crystal Display 1602. The circuit is modern design，powerful functions, scalability strong.Key words：51MCU；A/D converter; sampling voltage current; screen; Digital electric meter 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 目录目 录摘 要.IABSTRACT.II1 引言.11.1 课题背景和研究意义.11.2 数字表的发展现状.11.3 数字表的未来发展趋势.11.4 课题研究目的和主要内容.22 系统方案设计.32.1 系统原理分析.32.1.1 电压、电流测量原理.32.1.2 功率测量原理.42.2 系统功能要求.42.3 系统框图.52.4 系统设计方案及技术分析.52.4.1 电压、电流采集模块.52.4.2 信号处理模块.62.4.3 模数转换模块.62.4.4 相角测量模块.63 硬件系统分析.83.1 电路测量系统的分析.83.2 STC 单片机简介 .83.3 系统前向通道.83.3.1 电压、电流采样电路.83.3.2 信号处理和分析.103.3.3 位角测量的前置电路.113.4 模数转换电路.123.4.1 TLC1543 简介.123.4.2 工作过程.123.4.3 硬件设计.133.5 键盘电路.153.6 液晶显示电路.15桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 目录3.7 电源电路.164 系统的软件设计.174.1 系统的主程序设计.174.1.1 初始化子程序的设计.184.2 测量子程序.184.2.1 功率因数的测量子程序.194.2.2 电压、电流有效值的测量.204.2.3 功率测量.214.2.4 液晶显示子程序.214.2.5 键盘扫描子程序.235 软件仿真与硬件调试调试部分.245.1 电压、电流采集模块调试.245.2 相位捕捉验证.255.3 硬件制作与调试.26总结.27谢 辞.28参考文献.29附 录.30桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 381 引言1.1 课题背景和研究意义电能，作为生产和日常生活必要的一部分，在人类社会的发展过程中具有重要地位1。而在电能的生产、传输、分配、和使用的过程中只有通过对电能质量和负载运行情况的监测才能保证供电的可靠、灵活和经济性。因此，对于电能参数的测量具有重要意义。通过对电压、电流和功率的测量，便可以具体的描述出电信号能量的大小。在电参数的测量过程中必然会使用到测量仪表。传统的电参数测量仪表多为功能单一的模拟式针仪表。这类仪表通过电流或电压线圈的电磁感应来驱动指针偏转，测量人员通过指针在刻度表盘上的位置即可进行读数。这类传统的模拟式仪表多数在使用前需要进行机械调零，而且根据待测量数据的大小需要通过手动调节的方式来选择合适的档位。尤其是在精度要求不同的测量条件下，仍然需要根据测量所需精度的不同来选择不同准确度等级的电工测量仪表，因此操作较为复杂、通用性较差。而且由于刻度盘的读数并不直观，导致测量结果被引入了人工读数所带来的误差。因此这种传统的机械式电气测量仪表急需被一种新型的高性能测量仪表所取代。1.2 数字表的发展现状随着电子技术的发展，一种新型数字式测量仪表渐渐出现在人们的视线中。这种数字式仪表不同于传统的模拟式指针仪表，它采用将模拟量转化为数字量的方式将测量结果直接液晶或数码管上显示出来。这种数字表主要由输入变换部分、A/D 变换部分和显示部分构成。由于数字表可以直接将测量结果通过显示部分显示出来，因此在测量过程中避免了以往因人工读数不直接而引入的测量误差。而且部分数字表还具有自动转换量程的功能，这也避免了人工切换量程时由于误操作所引发的安全事故，增加了测量过程的安全和可靠性。数字式仪表在国外发展较早,早在二十世纪五十年代初期美国的 NLS（Non-linear System）公司年就已经研发出了四位的数字电压表。后来逐渐发展成为显示位数更多的高精度数字电压表2。而我国在二十世纪六十年代初才开始对数字表进行研制，随着国内电子技术的发展，我国研制的数字表的稳定显示位数和精度也在不断提高，随之出现了许多六位和七位半显示的数字电压表。目前国内数字表已经实现八位半的稳定显示输出。1.3 数字表的未来发展趋势随着研发技术的不断进步，数字表的应用也越来越成熟，如今已被广泛的应用到桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 38工业生产和电力行业中3。尤其是在一些较为恶劣的环境中，数字表以其自身的优越性仍然占有主导地位。但也由于一些复杂环境中，存在各种形式的干扰，因此对数字表性能的要求也十分苛刻。比如在磁场变化较为剧烈的环境中，仪表中的电子元件很容易受到变化磁场的干扰从而导致测量结果出错。对于精密仪表，抗干扰能力尤为重要。并且随着计算机技术的发展，通讯和智能化也被运用到各个领域，这也将成为数字表的一个新的发展趋势。因此数字表的未来发展应该有以下特点：（1）更高的稳定性供电的电源，现场的抗干扰能力，显示的数值的准确精度，这些性能都会越来越好。（2）附加功能的智能化通讯能力，控制保护功能，传输能力，历史记录功能，波形显示等。未来的电力仪表会更加智能化，更切合现场的需要。1.4 课题研究目的和主要内容为了克服传统指针式仪表的缺点，实现量程自动切换、读数直观、操作更加方便的电参数测量。本文采用了新型的设计方式，以互感器及其外围电路组成采样电路实现交流的信号的采样，以运放组成的精密整流电路和滤波电路实现信号的交直流变换，以 TLC1543 为核心的 A/D 电路实现模拟量到数字量的转换，以过零比较电路实现相位的测量，以单片机为核心实现对电压、电流和功率的运算并通过 1602 液晶模块实现测量果的直观显示。相对与传统的指针式仪表，本设计具有功能多样、读数直接、可以自动切换量程、操作方便的特点。本设计包括以下几个内容：交流采样电路，整流滤波电路，A/D 转换电路，相位测量电路，液晶显示部分，按键控制部分，单片机及其外围路以及电源部分。以下是本设计需要研究的学习内容：各章内容安排如下：第一章前言部分简单介绍课题的发展背景、发展现状和研究意义等；第二章是介绍设计本课题相关理论知识基础。第三章主要对用到的单片机和各个功能电路的功能、原理、原件的选择和参数计算进详细分析；第四章主是整个系统的软件部分进行设计并对各个功能模块电路的软件部分进行详细说明；第五章主要是对整个设计的软件仿真与硬件调试，并对过程中出现的问题进行分析，找出合理的解决办法；桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 38第六章是对本次课题设计的总结及未来的展望；文章的最后是致谢以及所用到的参考文献和附录部分；桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 382 系统方案设计根据要求，本设计需要同时对电压、电流、功率等电能参数信息进行实时采集。以下为本次设计中所需要的理论基础。2.1 系统原理分析2.1.1 电压、电流测量原理在电路原理中，可以通过二端口模型对电路中负荷的电参数进行求解。如图 2.1 所示：图 2.1 二端网络本图中取电流与电压为关联参考方向，在交流电路中可以设电流和电压分别为，其中为电流超前电压的相位角。对于交流2 si n （）iIw t2si nuUw t信号幅值的相对大小可以分别用峰值、平均值和有效值来表示；有效值指的是信号的均方根值（RMS）。对于电压信号，其有效值的数学表达式如公式（2-1）所示： （2-1）2R01( )TM SUU t dtT而对于标准正弦信号而言，其信号的有效值与峰值之间存在以下关系，如公式（2-2）所示： （2-2）0. 7072PR M SPUUU因此对于标准正弦信号而言，其有效值可以根据公式（2-2） ，通过获取峰值的方式来间接求得。但严格意义上来说，由于高次谐波的存在，从电网输出到民用负荷的电压波形并不是完美的正弦波。因此为保证更高的计算精度本次设计对电压有效值的计算是根据公式（2-1）进行求解的。对于电流有效值的测量，通常是由电流按照一定比率转换为电压信号后进行求解的。根据电路原理，流经纯电阻电路的电流与电流在该电路产生的电压信号在同一时刻的波形上是可以完全重合。因此，通过电阻采样的方法既可以保证在时间上波形的同步，又可以保证数值上的对应关系。对与电流有效值的求解，从原理上讲还是对电桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 38压有效值的求解。综上，对于电流有效值的求解同样可以根据公式（2-2）和欧姆定律联合求得。测量电压电流的最终目的是对设备功率进行求解，因此接下来将对功率的测量原理。2.1.2 功率测量原理根据初中物理对功率的定义，功率是在有效的单位时间 T 内，用电器所消耗的电能是 W（瓦特） 。因此根据定义，功率可以由公式求得，但实际上计算用电器P=W/ T在时间 T 内消耗的电能是非常困难的。因此，通常对功率的求解是根据如下公式进行求解的： （2-3）01TPuidtT其中和分别为电压和电流的瞬时值，通过对公式（2-3）进行变换可以得出功ui率的最终表达式（2-4）： （2-4）cosPU I其中和分别为电压和电流的有效值，根据公式（2-1）可以分别对电压和电流UI的有效值进行求解。因此对于功率的求解还需要最后一个变量便可以完成。为以电压为相位参考时，电流的相位。因此对于功率的求解实际转换为对电压电流之间的相位差进行求解。2.2 系统功能要求本设计以 STC 单片机作为核心控制元件，以 TLC1543 及外围硬件组成信号的输入通道对交流信号进行实施信号采集的交流数字测量仪表。该仪表可以同时对负荷的电压，电流和功率进行测量，并且由于采用数字显示模块 1602 液晶完成被测量的输出显示，因此具有可以直观的将模拟量对应的数字量显示出来。对与数字式仪表，其工作原理是先将采集到的模拟信号进行信号类型转换，完成模拟量到数字量的对应转变。因此信号的采集和转换过程对数字表功能的实现尤为重要。本文的重点也将放在信号的采集和转换部分。本文通过互感器电路对交流信号实施采样，并通过后续电路的处理将采样到的模拟信号输入到数据转换芯片已完成数据从模拟量到数字量的转换。对于功率的测量部分，本文采用将交流信号转换为方波信号并通过逻辑运算的方法实现电流与电压之间相位差的测量以达到最终获得功率的目的。整个电路对于软硬件的要求都比较高，因此需要大量的知识储备以应对设计中出现的各种问题，经过软硬件的整体设计之后，本设计应达到以下要求：表 2-1 系统设计要求需测参数参数测量要求桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 38电压交流 0250V 误差 2 V电流交流 05A 误差 0.1 A功率有功功率 01250W 误差 1 W2.3 系统框图在本设计中，需要同时对电压、电流和负荷的有功功率进行测量。而电压和电流在数值上均用有效值来表示。根据公式（2-4） ，在已知电压有效值和电流有效值的前提下只需要测量功率因数便可以得出功率的测量值。故，在设计上对上述内容进行了分别处理，因此可以大体分为以下几个板块：电压电流采集模块、相位角测量模块、按键模块、液晶显示模块。各模块的具体实施方案将在第三章进行介绍。 整个设计的系统的结构图如图 2.2 所示：2.4 系统设计方案及技术分析2.4.1 电压、电流采集模块方案一：电阻分压采样通过测量电路中采样电阻的串并联接法，使电流流过电阻，从而采集到电压和电流值。方案二：电压、电流互感器测量型互感器是一种被广泛应用在仪器仪表中的变压器，从原理上讲互感器与变压器类似，都可以将电信号按照一定的比例放大或缩小。不同于普通变压器的是互感器通常用于完成电参数的变换以达到测量的目的。常用的电压互感器二次测额定值均为 100V，而电流互感器的二次侧额定电流为 5A 或 1A。而本此设计需要将采集到的电信号直接输入 AD 转换器，因此需要用到一种仪表用测量型互感器，其二次侧电压一般为 5mV 或 2.5mV 但因为其依然具有互感器的特性因此可以很好的应用于电参数的测被测电压被测电流互感器电路相角测量精密整流信号处理液晶显示A/D转化单片机图 2.2 系统组成方框图放大电路 信号处理按键控制桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 38量电路当中，并完成强电到弱电的转化。而且在强电与弱电的隔离方面，互感器也具有良好的效果。通过分析比对，方案一适用于弱电信号的测量电路，因其接法简单，并且易于实现而被采用。而方案二则多应用于需要将强电信号进行衰减采样的电路中。根据本次设计的功能设计要求，电路需要实现 0-250V 交流信号的采集和测量，属于强电到弱电的转化。因此本次设计选取方案二作为本次设计的交流输入方式。2.4.2 信号处理模块由于电压电流互感器二次测输出电压比较小，且 A/D 转换器只允许 0-5V 的直流信号通过自身并完成信号的类型转换。因此需要对经互感器采集转换后的弱信号进行放大和整流处理。而且由于电网电压的波动可能导致转换后的电信号的幅值大于 AD 转换器的允许输入范围，因此需要对整流电路的输出端也就是 A/D 转换器的输入端进行过流和过压保护处理。综上，信号处理模块需要设计整流电路、过流保护和过压保护电路。2.4.3 模数转换模块本次设计需要对电信号进行实时测量，且待测量为在时间上连续变化的交流模拟信号，因此首先需要对该信号进行类型的转换。由连续变化的模拟信号转化为时间上离散的数字信号的过程就需要用到 A/D 转换器。而就本次设计而言，对于交流量的测量过程中，首先要将有效值为 0250V 的交流电压信号转换为单片机内部可以读取的电平信号。根据设计要求，电压的误差需要控制在2V 以内，相对于本设中需要测量电压信号的最大量程而言允许误差基本在满量程测量数值 0.8%左右。但考虑到硬件电路的设计与制作过程意外引入的干扰问题和模拟信号的采集和输入部分产生的误差，工程上通常选用精度为设计要求 10 倍以上的 A/D 芯片作为最佳选择。根据信号输出方式的不同 A/D 又可以分为两种：串行输出式、并行输出式。并行传输方式的优点是传输速率快，但由于需要多通道数据同时传输，因此占用了较多的芯片资源，对于 I/O 有限而需要采集的信号较多时，这种方式基本不予采用，并且并行输出方式的 A/D 电路布线较为复杂。相比之下，串行输出方式的 A/D 所构成的电路具有布线简单的特点，因此本次选用位数较高的串行 A/D 芯片来同时满足电路对布线和传输速率的要求，而且在价格方面本次选用的 TLC1543 多通道串行 A/D 与常用的ADC0809 相比也十分相近，具有极高的性价比。因此选用由美国 TI 公司生产的多通道、高性价比的 TLC1543 串行 A/D 作为本次设计的模数转换芯片。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 382.4.4 相角测量模块功率因数是指正弦信号的电压超前于电流的相角的余弦值。对于相位角的测量可以有以下几种方案：方案一：采用过零比较的方法来测量 相位角对于标准正弦信号而言，其波形会周期性的通过零点，根据信号每次通过零点的时间便可以求出信号的相位角。方案二：通过傅立叶变换的方式来求取输入信号的相角。此种方法在精度上的确优于第一种方案，但由于其算法实施较为复杂。此种方法主要应用于系统精度要求极高，且信号复杂的情况。综上，本次设计采用方案一的办法来实现系统的相位测量功能 。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 8 页 共 383 硬件系统分析3.1 电路测量系统的分析单片机电路测量系统主要由 STC89C52、系统前向输入通道（电压和电流的采样电路） 、按键电路和液晶显示电路组成。这部分电路主要需要完成以下任务：1) 完成对系统输入通道采集到的信号的数据处理；2) 通过调用显示函数将处理结束后的数据通过液晶显示出来;3.2 STC 单片机简介本次设计使用深圳宏晶科技公司生产的增强型 STC89C52 单片机，内部带有 8K 的程序存储空间最高工作频率可达 40Mhz.相对与传统 51 单片机，该芯片在内部增加了可以 10 万次擦写的 EEPROM，而且相对于 51 单片机，52 单片机在片内也增加了定时器 T2，因此资源上更为丰富，且由于兼具价格低廉，性价比高的优点所以深受广大电子爱好者的喜爱。正是基于众多优点，本次设计选用 STC89C52RC 作为核心控制元件。3.3 系统前向通道一个完整整的系统，应该同时具备信号的输入、输出和处理环节。为提高系统的优越性和完整性，本系统也同样对信号设有输入通道。根据设计要求，本系统需要对电压 0-250V、电流 0-5A 的强电信号进行测量，为实现设计的数字化，就必须将通道内的模拟信息进行转化，这一过程将用到 A/D 转换元件。但由于 A/D 的允许输入信号变化范围有限，因此就需要将输入信号进行再一次转换，由 0-250V 的交流电转化为 0-5V 的直流电，这一过程就需要互感器电路和整流电路的参与。因此在硬件方面需要位系统设置电压电流的前向处理通道。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 9 页 共 383.3.1 电压、电流采样电路将 0-250V 的交流电压转换成较小的电压，此时采用 PT107 型电压互感器来实现。该器件的原理是电流型电压互感器，即二次测输出的电流与输入的电压成正比，所以二次测不能开路，通常互感器的接法有两种 ，如图 3.3.1 和 3.3.2 所示：图中的 C 和 r 是用来补偿相移的。通过软件补偿或不需要补偿相移的场合，电容C 及电阻 r 可以不接。图中运算放大器为 OP07 系列，运算放大器的电源电压通常取15V 或12V。根据设计手册，图 3.3.1 电阻 R 和限流电阻 R要求温度系数优于。50ppm电阻选取时应注意工作电阻的工作电流合理选择适合功率值的电阻。在转换器为A/ D低压输入时，互感器可以采用图 3.3.2 在二次侧并联一个电阻，但采样电压不得大于0.5V 有效值,当采样电压大于 0.3V 时角差会增大。因此在需要测量相位的电路设计中优先考虑第一种。由于本次设计使用的 AD 采用 05V 的直流输入，并且对有功功率的测量正是通过测量电流与电压之间的相位角间接得到的，为了尽可能使有功功率的测量达到要求，本次设计采用图 3.3.1 方式。图 3.3.1 的输入端并联的两个二极管用来保护运放，当输入电压高于二极管的正向导通压降时，输入电压会被钳位在1.7V 左右，达到保护运放的目的。根据理想运放的特性，反馈回路的电流与反向输入端的电流相等，此时运放的输出电压。而互oiU=U/ R 感器两侧的理想工作电流为 2ma,由输入电压的最大值可以计算出的阻值。考虑到电R阻的工作电流和发热状况，本设计中 R选择为 120K 额定功率为 2W、精度为 1%的金属膜电阻。由于接入 A/D 的信号为 0-5V 变化范围内，故接入 A/D 转换器的信号有效值应为3.5V。根据理想运放的性质，此时反馈回路的电阻应为 1.25K 欧姆，为保证输出电压精度，本次设计采用精密电位器串联定值电阻的方式来完成。具体电路如图 3.3 所示：图 3.3.1图 3.3.2桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 10 页 共 38图 3.3.3 电压采样电路对于电流采样电路而言，由于流过用电设备的交流电流通常较大，为保证 A/D 转换器能够正常运行，因此必须将信号按照一定比例衰减，将其转换为峰值为 0-5V（有效值为 0-3.5V）不失真的弱电信号。对交流 0-5A 的强电信号采样需要 CT103 测量型电流互感器来完成。互感器在使用时，需要将用电负荷的单根电源线传过互感器元件中央的孔洞。当电路通电时在互感器的输出端便会有电流流出。根据设计规范，电流互感器的二次侧不允许开路，因此互感器的输出端需要串接采样负载。CT103 型作为电流互感器时，额定电流为 5A 时，输出额定电流为 5mA,此时采样为保证输出电压的峰值为 0-5V，则同样选取图 3.1 的接法，采样电阻经计算为 700 欧左右，为保证输出精度，本次采用精密电位器串联定值电阻的方式来完成。具体电路如图 3.4 所示：图 3.3.4 电流采样电路该电路再接法上与电压互感器二次侧的电路类似，原理也基本相同，这里不做赘述。3.3.2 信号处理和分析由于本次用到的 A/D 转换器的允许输入为 05V 的直流电压信号，因此由交流采样电路得到的交流信号必须经过整流电路才可以接入 AD。传统的全波整流电路一般由二极管或整流桥构成。但由于二极管的正向导通过程存在死区，这对于信号幅值小于死区电压的弱电信号而言是非常不利的，因此这种传统的全波整流电路并不适合本文。基于以上考虑本此设计选取一种由双运放组成的绝对值电路来实现交流信号的精密整流。具体电路如图 3.5 所示：桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 11 页 共 38图 3.3.5 信号处理电路如图 3.5 所示，运放 U1：A 够成半波电路，当运放的反向输入端输入为正电压时，管子 D2 导通 D1 截至，此时运放 U1：A 的输出为负电压。当输入电压反向时，管子D1 导通 D2 截至，此时形成深度负反馈，电压输出为 0。运放 U1：B 的作用是将运放U1:A 的输入和输出电压进行反向求和。要想整个电路能够实现全波整流的作用，关键就在于阻值的匹配，电阻之间必须满足以下关系： （3.1）3126RR=R2R为了使电路能够按照正常的精度稳定运行，本设计采用定值电阻与精密可调电位器串联的形式来保证整流电路的输出精度。另外考虑到运放输入电流的平衡问题，运放的同相输入端与地线之间需要串接平衡电阻。在处理信号时，需要考虑测量元件的过压和过流问题，因此需要在模数转换通道之前对芯片进行保护。具体可以将TLC1543 的输入端并联一个稳压二极管以对直流电压信号进行稳压，确保输出电压在0-5V 以内的范围。经过上面一系列的处理便可以得出与实际电路近似相等的真实值。为进一步优化电路的设计精度，本电路在原有的基础上增加了量程切换电路，由八路模拟开关 CD4051 作为核心元件，由软件控制自动实现，具体内容在下一章节进行详细叙述这里不再叙述。量程切换的硬件电路如下图 3.6 所示：图 3.3.6 量程切换电路3.3.3 位角测量的前置电路本设计利用电压电流的过零点来测量电压、电流的相位差。对于正弦信号而言，其信号都会周期性的通过零点，因此只需要测出信号通过零点的具体时间，便可以近乎准确的得出电压与电流之间的相位差。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 12 页 共 38如下图 3.7 所示：图 3.3.7 相位差测量电路该电路主要由限幅电路和过零检测电路组成。文章在前面的章节中，已经提到电压和电流的具体方法。本章将继续延续前文的做法，以互感器部分输出的输出作为相位检测电路信号的来源。当电路电压或电流通过互感器变换后的采样电压或电流值大于 0 时，则过零比较器的输出为高电平，当电压（电流）的负半周经过零点时过零比较器输出为低电平，通过对电压电流输出电平进行逻辑求和运算便可以得出一组新的方波脉冲信号，电路上将异或门的输出端同时引入单片机的 INT1（单片机的 P3.3 管脚），和 T1（单片机的 P3.4 管脚） 。这样根据电压和电流过零的时间差，再通过软件编程我们可以计算出电压和电流之间相差的相位角，从而达到设计要求。3.4 模数转换电路对于强电的数字化测量过程，必须现将强电信号进行衰减和转化，所以 A/D 转换电路在电路的测量过程中是必不可少的一部分。在此，本设计选取有 11 路模拟量输入的 TLC1543 作为信号的数据转换单元，该芯片转换时间很快、采样的精度高而且使用单片机 I/O 接口少，因此完全可以满足系统的测量要求。为了 TLC1543 转换器能可靠的运行，需要对其各个控制端进行学习。3.4.1 TLC1543 简介图 3.4.1 TLC1543 引脚图桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 13 页 共 38TLC1543 为 20 脚封装，逐次逼近式模数转换芯片，其最快转换时间为 10us。其引脚图如图 3.4.1 所示。该芯片设有 3 个内部通道和 11 个外部通道。三个内部通道主要用于通道选择时通道地址的校验。当芯片内部参考电压为电源电压时，三个内部通道的输出数据分别为十六进制的 3FF、200、0。因此在信号转换之前可以先进行内部地址校验。该芯片带有串行数据输出口，支持 SPI 通信方式其工作原理与 ADC0832 类似这里不做赘述。3.4.2 工作过程TLC1543 工作时序如图 3.4.2 所示，其工作过程分为两个周期：访问周期和采样周期。由时序图可以看出，当通道选择的地址数据进入到 A/D 内部需要花费 4 个时钟周期。在第四个时钟周期后需要花费 6 个时钟周期进行采样。虽然本次使用的 A/D 转换器完成一次转换的最快时间为 10us,但由于本次单片机使用的外部时钟为 12MHz,因此单片机的 I/O 口输出的模拟信号时钟周期最短为 2us,因此在速度上受到一定限制，但对于 50Hz 的正弦交流信号来说，在时间数量级上还是非常占有优势的。并且根据采样定理，2us 的时钟周期所对应的系统单次采样时间完全可以胜任对单周期内电压和电流信号的同时采样。图 3.4.2 TLC1543 工作时序图具体时序使用方法如下：（1）片选 CS 高电平，EOC 高电平，CLK 时钟低电平；（2）片选 CS 低电平，开始读出第一位数据；（3）在第一个时钟上升沿，输入一个地址数据；（4）之后在每个时钟的下降沿输出 AD 转换数据，在上升沿输入地址数据；（5）TLC1543 是 10 位转换器，因此有 10 个时钟；（6）一个操作过程结束后，片选 CS 高电平，EOC 会在最后第 10 个时钟的下降沿触发低电平，开始 AD 转换，此时，输出被禁止，等到转换结束后 EOC 置位 1，代桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 14 页 共 38表转换结束。等到 CS 片选再次低电平，开始第二次操作。3.4.3 硬件设计TLC1543 的基准由外电路提供，在本设计中由于对采样的精度要求较高，所以在编程的时候软件要将 TLC1543 设置成单极性输出，MSB 做前导输出并且输出的数据长度为 10 位。TLC1543 可直接与单片机连接，SDO、ADDR、CS、CLK、EOC 分别接到单片机 P1.0-P1.4 口上。根据本次设计要求，系统需要对 0-250V 交流电进行采样，之前的章节已经对采样电路进行了简单的介绍，为保证被采样的电压信号能够顺利进入 A/D 转换器，本设计在理论上将电路的输出电压控制在 0-5V 范围内。但在实际的应用中，电路并不是完美的，考虑到电网电压的波动情况，尤其在夜间用电用户的增加可能导致实际的电压比实测值大得多，为保证 AD 转换器能够正常工作，必需在其输入端增加限幅电路，简单的方法可以通过稳压二极管来实现。由于稳压二极管工作在稳压区的电流很大，为保护二极管能够有效工作，需要在采样电路的输出端与稳压二极管之间增加限流电阻。TLC1543 硬件电路图为 3.4.3 所示，TLC1543 的输入寄存器格式如表 3.1 所示，根据硬件原理图和表格 3.1 可以确定出各个量程的的通道地址以及TLC1543 的控制格式如表 3.2 所示。图 3.4.3 TLC1543 硬件电路图表 3.1 TLC1543 的输入寄存器格式输入数据字节备 注地址位L1L0LSBFBIP功能选择D7D6D5D4D3D2D1D0D7=MSBD0=LSB桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 15 页 共 38AIN0AIN1AIN2AIN3AIN4AIN5AIN6AIN7AIN8AIN9AIN1000000000111000011110000011001100101010101010选择输入通道REF+与 REF差模1011REF单端1100REF+单端1101软件断电1110内部测试MSB 先出LSB 先出01顺序输出单极性双极性01极性表 3.2 各个量程通道对应地址和控制格式通道与之对应的 TLC1543 的通道通道地址以及控制格式采样电压通道IN000H采样电流通道IN110H3.5 键盘电路键盘分独立键盘和矩阵键盘，但它们都是由一组按压式或触模式开关构成的阵列。键盘的各个功能依据具体的设计来定。在本次设计系统中，系统的功能键比较少，一共就 4 个按键，所以在硬件设计的时候选择独立式的按键。由于 51 单片机 P2 口作为接口使用时可以省略上拉电阻，因此电路也变得简单化，每个按键都接入参考地，以供单片机检测。本设计中，将这五个按键分别定义为控制测试系统的显示电压、显示电流、显示功率因数、显示功率、复位。本次设计的键盘电路如图 3.5.1 所示：桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 16 页 共 38图 3.5.1 按键电路3.6 液晶显示电路通常，只需要显示英文和数字的的电路，可以通过液晶和数码管来实现。而液晶显显示又可以分为 2*16 位显示的和 128*64 位显示的。LC D 1602LC D 12864本此设计只有三种变量需要显示，分别为电压，电流，和有功功率。根据UIP设计要求，电压误差须在范围内，而待测电压最高为 250V，也就是说电压的显示2V部分需要显示的字节数会控制在 68 字节。电流测量误差须在范围内，需要显0. 1A示的最大电压值为 5A。因此电流显示部分所需要显示的字节数会控制在 6 字节以内。同理，功率显示部分最多需要 8 字节显示。若要将所有参数同时显示出来最多需要 32个字节。元件和方案的选择应该从电路的复杂程度和经济方面进行考虑。根据上述分析，虽然数码管最具经济性，但由于显示的位数较多，导致数码管的驱动电路较为复杂。而具有最大显示位数的虽然在电路上较为简单且满足设计需要的显示位数，LC D 12864但价格较为昂贵。而具有最大 32 位字符显示的在电路的复杂程度和经济性方LC D 1602面的优势是上述两种方案无法取代的。综上所述，本次设计选用具有 32 位显示功能的作为本次设计的输出显LC D 1602示部分。下图为 LCD1602 的硬件电路：图 3.6.1 LCD1602 接口电路3.7 电源电路本设计同时需要提供、+5V 的直流电压分别给运放、过零比较器和单片机供12V电。而现有的实验环境只能提供 220V 的交流电源，因此需要进行直流稳压电源的设计。但由于本设计对于直流电源的精度要求不高，因此本设计采用传统的整流滤波电路来桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 17 页 共 38实现所需电压的输出。图 2.2 电源模块部分如图 2.2 所示，由变压器二次侧的 28V 交流输出端经过整流电路输出脉动较大的直流信号，再利用大电容的充放电作用，使脉动较大的信号输出变得更平滑，稳定。但使用时需要考虑滤波电容的性能参数的选取，以免发生事故。但由于本次使用的变压器输出端没有中间抽头，而且要求同时输出正负电源，因此采用保险接法应该使每条电源通路只有电源的半波通过，以达到输出平衡的目的。但这种接法由于只有半波输出，因此电源的利用率较低，不适用于对电源效率要求较高的场合。但对于本设计中所需要使用的电源而言，影响不大。虽然此次设计的电源功率不高，但仍需要按照设计规范，考虑芯片的散热以及电路的合理布局。为提高电路的可靠性，本次设计的电源部分需要对不同幅值电源的地线进行分开布线处理。对于电路设计的一些设计需要，文章会在后面的章节提到，这里不做详细叙述。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 18 页 共 384 系统的软件设计第四章对系统的硬件作了较为简单的分析和介绍。对于一个完整的系统，如果说硬件是系统的框架的话，那么软件则为一个完整系统的核心。因此硬件部分为系统核心的载体，通过软硬件的良好配合才能使整个系统工作在最佳状态。因此这一章详细介绍了系统软件设计的过程。这是本次毕业设计的重点内容。本章主要针对数字功率表的功能实现过程，逐步介绍系统的软件部分。4.1 系统的主程序设计主程序是整个数字功率表系统控制程序的主要框架，它是一个顺序执行的无限循环的程序，运行过程必须构成一个循环，这样才能不断的运行程序。主程序应不断地顺序查询，并根据其功能调用相关的子程序并执行其命令，以完成对各种实时控制事件的处理。本系统中，主程序的主要功能是测量和调用键盘扫描子程序，当系统测量完成后我们调用键盘扫描子程序，根据扫描子程序得到所按的键的键值，按键值跳转到相应的功能键子程序实现各种功能，并在返回主程序后调用显示子程序在显示器输出相应数据。程序主流程如图 4.1 所示：图 4.1.1 程序主流程图开开始始初初始始化化程程序序调调用用显显示示子子程程序序调调用用测测量量子子程程序序调调用用键键盘盘扫扫描描子子程程序序是是否否有有键键按按下下YN调调用用测测量量子子程程序序显显示示功功率率显显示示功功率率因因数数显显示示电电流流显显示示电电压压桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 19 页 共 384.1.1 初始化子程序的设计初始化程序主要用来确定程序的初始堆栈，程序状态字，对相应的存储单元进行清零，设定定时器工作方式等等，初始化程序的具体步骤如下：1) 中断、定时器初始化：对中断、定时器进行使能置位和工作方式选取。2) LCD1602 初始化：包括对液晶的忙信号检测、显示模式设置和清屏操作等。3) 显示开机界面：在完成 LCD 的复位过程后需要显示系统的欢迎界面。图 4.1.2 初始化流程图4.2 测量子程序测量程序是整个系统的主要程序，是整个循环程序的主体内容。在此我们主要完成的任务有电压和电流之间相位差的测量、功率因数的计算，电压有效值的测量、电流有效值的测量以及功率的计算，整个测量子程序的流程图如图 4.2.1 所示：图 4.2.1 测量程序执行流程其中测量子程序中又包含如下子程序： 功率因数的测量子程序，电压、电流有效值的测量，功率的测量，液晶显示子程序和键盘扫描子程序。接下来将逐一介绍。开始中断、定时器初始化LCD1602初始化显示开机界面结束开始测量电压电流相位差调用系统数学函数计算功率因数测量电压有效值结束测量电流有效值计算有功功率调用显示子程序桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 20 页 共 384.2.1 功率因数的测量子程序对于系统功率因数的测量，首先要完成电压与电流之间时间差的测量。在之前的章节已经提到，相位的测量实际是经电压电流转换后的方波进行逻辑求和运算来实现的，对于求和后得到的方波的脉宽而言最长时间为 5ms，因此为充分利用单片机的内部子资源，本次选择 T1 工作在 16 位定时器模式，且设置当 INT1（单片机 P3.3 引脚）为高电平时开始计时。电路实测输出的波形如图 4.2.3 所示。当 INT1 由 0 变成 1 时，电压波形产生正跳变，打开定时器 T1，开始计数；当 INT1 由 1 变成 0 时，电流波形产生负跳变，此时关闭定时器 T1。当 INT1 再次由 0 变成 1，即电压波形产生正跳变时，再次打开定时器 T0，这是个循环的过程。这样，根据定时器 T1 中所保存的数值，xT通过公式（4.2.1） （4.2.1）2xsxTTT其中 T 指交流电路周期（f=50HZ） ，为系统的机器周期（f=1MHz） ，指电压sTx和电流之间的相位差。由于系统内部的数序函数只支持对弧度制表示的参数进行三角函数求解，故此处相位角用弧度制表示。此公式便可以求出相位角。xx具体点功率因数测量流程如下图：图 4.2.2 功率因数测量流程下图为电压电流波形与转换后的方波波形，具体如下：图 4.2.3 电压电流波形开开始始定定时时计计数数器器赋赋初初值值INT1=1YN启启动动T0开开始始计计数数INT1=1INT1=0NNYYT1关关闭闭，记记录录Tx计计算算相相位位角角计计算算功功率率因因数数结结束束T1T2U1/VU2/VI1/AI2/At/mst/mst/mst/ms桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 21 页 共 384.2.2 电压、电流有效值的测量在测量电压、电流有效值的过程中，假设输入电压、电流与输出电压、电流成线性关系。0-250V 输入电压对应 0-3.5V 的输出电压，0-5A 的输入电流对应 0-3.5V 的电压。本系统电压电流信号周期 f=50HZ、T=20ms，A/D 转换的时间为 10us，设信号在一个周期内采样的次数为 N，在对输入信号进行采样的同时，进行计算电压电流有效值。公式如下：电压有效值： （4- 1021NkkuNU5）电流有效值： （4- 1021NkkiNI6）注：k 为采样序列顺序号，u(k)为 k 时刻电压瞬时值，i(k)为 k 时刻电流瞬时值。为保证采样的实时性，本次设计采用交替采样的方式进行电压和电流信息的获取，即在一个信号周期内对电压和电流进行交替采样，并且为保障采样的完整性，需要将单个信号周期内的采样点进行均匀分布，具体通过定时计数器 T0 来实现，根据 A/D转换器的转换速率和对单周期内 ADC 对信号的采样的次数进行分析，从而得出相邻两个采样点之间合理的时间间隔，并通过对定时器 T0 进行赋初值操作，以定时器中断的方式来确保精确的采样间隔时间。功率的测量对电压和电流采样的实时性要求非常苛刻，通过此种方式可以大幅度的提升 A/D 转换器对多通道信号的实时性采集，保证了功率测量的精确性和实时性。通过上面的公式我可以求出任意时刻的电压电流有效值，电压有效值测量子程序流程图如下：开始选定电压量程通道调用采样子程序计算电压有效值N-1=0？YN输出电压有效值开始选择电流量程调用采样子程序计算电流有效值N-1=0？YN输出电流有效值桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 22 页 共 38图 4.2.4 电压测量流程 图 4.2.5 电流测量流程4.2.3 功率测量在本设计中，功率并不是直接测出来的，而是通过软件间接的算出来的。首先，先通过测量得到电压有效值 U、电流有效值 I，然后根据公式便可cosPUI计算出功率的数值，然后再将功率送到存储单元。本设计分别为电压有效值、电流有效值、功率因数和功率分别在系统内部定义了全局变量，分别为 U、I、COS 和 P。功率测量流程如图 4.2.6 所示：图 4.2.6 功率测量流程4.2.4 液晶显示子程序本设计中使用 LCD1602 液晶显示器，其基本的操作时序如表 4-1 所示，状态字说明如表 4.1、4.2 所示。表 4.1 基本操作时序命令输入输出读状态RS=L，RW=H，E=HD0-D7=状态字写指令RS=L，RW=H，D0-D7=指令码，E=高脉冲无读数据RS=H，RW=H，E=HD0-D7=数据写数据RS=H，RW=L，D0-D7=数据，E=高脉冲无表 4.2 状态字说明STA7STA6STA5STA47STA3STA2STA1STA0D7D6D5D4D3D2D1D0表 4.3 状态字说明STA0-6当前数据地址指针的数值STA7读写操作使能1 禁止 0 允许开开始始取取电电压压有有效效值值U取取电电流流有有效效值值I取取功功率率因因数数COS三三者者相相乘乘结结果果放放入入P中中开开始始桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 23 页 共 38注：对控制器每次进行读写操作之前，都必须进行读写检测，确保 STA7 为 0。本系统中 LCD 显示子程序包括两个部分，即液晶初始化子程序和液晶显示字符子程序。LCD 显示如果不经过初始化即使将显示数据送到 LCD 数据存储器上 LCD 也不能显示数据，所以我们编制程序的时候系统初始化的时候最重要的一个环节就包括了液晶的初始化。LCD 初始化包括 LCD 工作方式的设定、输入方式设定、清屏等。其初始化流程图如图 4.2.7 所示：图 4.2.7 LCD1602 初始化流程在初始化过程中，需要对 LCD1602 进行写指令操作和延时处理，因此为方便调用，本设计为写指令操作单独编写了写指令函数和延时函数，根据表 4.1，需要对 LCD 的输入端进行如下操作，具体内容如下：void LCD_Write_Com(unsigned char com) while(LCD_Check_Busy(); /忙则等待RS = 0; /对 LCD 的 RS 口进行写零操作RW = 0;/对 RW 进行写一操作EN = 1; DataPort= com; /写指令_nop_();EN = 0;其中_nop_()函数在系统的 intrins 头文件内，因此可以直接进行调用，且该指令为单周期指令，当单片机的时钟频率为 12MHz 时，系统执行一次_nop_()函数的时间恰为1us。因此将次函数与 for 函数结合便可以编写出较为精确的延时函数。LCD 显示子程序的 LCD 显示字符子程序，其功能就是将要显示的数据送到 LCD显示器的显示 RAM 中，在这个过程中最关键的事就是要确定显示 RAM 的地址，在本次设计中，LCD 显示器 RAM 地址如表 4.4 所示，显示子程序具体流程图如图 4.2.8 所开始延时15ms写指令38H写指令38H延时5ms延时5ms写指令38H写指令38H写指令08H写指令01H写指令06H写指令0cH结束桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 24 页 共 38示。表 4-4 RAM 地址行数地址第一行000102030405060708090A0B0C0D0E0F/第二行404142434445464748494A4B4C4D4E4F/图 4.2.8 LCD 显示流程4.2.5 键盘扫描子程序本次设计中我选用独立键盘，共 4 个按键，可以通过检测输入线的电平状态便可以判断哪个按键被按下了。键盘使用 P2 口，在本设计中，键盘扫描主要是扫描P2.0、P2.1、P2.2、P2.3 这四个按键。软件流程图如图 4.2.9 所示：图 4.2.9 按键检测程序开开始始LCD初初始始化化是是否否忙忙碌碌写写指指令令设设置置RAM地地址址1送送第第一一行行数数据据设设置置RAM地地址址2送送第第二二行行数数据据结结束束是是否否开开始始P2.0是是否否按按下下是是否否P2.1是是否否按按下下否否P2.2是是否否按按下下否否P2.3是是否否按按下下否否调调用用电电压压显显示示程程序序调调用用功功率率显显示示程程序序调调用用功功率率因因数数显显示示程程序序调调用用电电流流显显示示程程序序桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 25 页 共 385 软件仿真与硬件调试调试部分本次设计的软件仿真过程全部由 proteus 来实现。Proteus 是英国 Lab Center Electronics 公司出版的 EDA 软件。该软件可以实现从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真。特别需要说明的是本次使用的软件为该软件的最新版本Proteus8.4。相对于之前的版本，此次使用的软件不但在操作界面上进行了优化，而且在功能上也更加完善。该版本在软件在功能部分增加了 Keil 软件的联调的工具，操作界面上也更加人性化。该功能在之前的使用版本中是需要另外下载 Keil 软件和联调补丁的，所以使用起来较为麻烦。而在新版本中由于这一缺点得到了优化，所以在使用上显得更加人性化。好的操作性能才能带来更高的工作效率，因此接下来便是本次设计的软件仿真部分。根据需要，本次设计的软件仿真部分需要分别对交流采集、相位捕捉和显示部分的设计方案进行验证，具体内容如下。5.1 电压、电流采集模块调试根据本次设计要求，需要对电流、电压和功率进行测量。能够实现精准测量的前提便是要对输入信号的精准采集。只有信号输入部分得到有效保障，后续的程序算法才可以顺利实施。因此本次仿真将会把信号的输入部分作为重点进行仿真。交流采集部分包括电压和电流的实时信号采集。电压信号由互感器部分输入获取，而电流部分则通过将电流互感器中的电流转化为电压信号进一步获取。由于软件中没有互感器模型，因此本次仿真中由软件提供的理想变压器模型代替互感器进行方案验证。具体仿真情况如下图 5.1 所示：图 5.1 电压采样仿真本次所使用的信号源都设置为 50Hz 的交流信号，为方便后面的相位采集电压信号源的信号输出设为延时 1ms。如图 4.1 中的（b）所示绿色波形为流经电流互感器和采样电阻后转换出来的电压波形，而黄色的波形为电压互感器的输出波形。通过观察信桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 26 页 共 38号在幅值和时域上均满足设计要求。由于本次设计所使用的 A/D 允许输入的模拟信号的幅值范围为 0 到 5V，根据标准正玄信号峰值与有效值的关系可以算出，若将互感器采样部分的输出电压经过整流电路直接输入 A/D 部分，输入信号的最大峰值不能超过5V 也就是有效值 3.53V。但考虑到负载效应对输入信号的影响，在硬件设计中采用了运放加电压跟随器的方式与后面的电路进行连接。根据 A/D 对输入模拟量的要求，通过交流采样部分采集到的信号还不能直接送入A/D，需要经过整流处理才可以正常输入。因此本设计特别通过软件验证的方法来比对传统整流电路与精密整流电路的优缺点，进而说明本设计方案的优越性。下图 4.1.2 中的波形分别为经过传统整流电路和本次使用的整流电路后的电压波形。考虑到本次设计转换到的采样电压的幅值范围和设计精度的要求，给定信号选为频率为 50Hz,峰值小于 5V 的正弦信号。通过逐渐改变输入信号的幅值，可以得到不同幅值的整流波形通过观察发现，当输入信号幅值小于 4V 时由传统整流电路得到的输出波形已经开始出现是真而本次使用的整流电路则不会出现上述问题。具体输出波形如下：图 5.1.2 整流电路输出波形由图 5.1.2 中的波形可以得出，对于传统的精密整流电路而言，当输入电压小于两个二极管串联时的导通压降时，就会出现整流失败的情况。而对于有双运放构成的精密整流电路而言则不会出现以上情况。从而进一步验证了本次设计采用方案的合理性。而且考虑到实际电网中的电压波动情况，为保护 A/D 能够正常工作，硬件上需要在A/D 的输入通道端对地串接稳压二极管和限流电阻对电路进行保护。到此，本文对交流采样部分的软件仿真叙述完成。5.2 相位捕捉验证功率因数的获取往往是通过相位的测量，间接获取的。本次设计便是通过方波叠加的方法获取电压、电流的相位差间接得到的。但为了获取波形精确的过零点，需要考虑芯片的工作频率和温度漂移问题。因为本次相位的测量部分的测量原理是基于电压的过零捕捉的，因此对于芯片抑制温度漂移的性能要求非常苛刻。考虑到实际的设计精度要求本次选用运放 LM393 作为电压比较器的核心元件，并通过异或门电路进行电压、电流相位的求解。本此仿真通过对交流信号源进行延时输出，获得待测量的相桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 27 页 共 38位。但在仿真的过程中由于准备工作不充分，没有详细了解芯片的数据手册，因此导致在过零比较器的输出端获取不到期望的电压波形。经过查阅资料才知道，LM393 为集电极开路型有输出方式，因此若要输出为高电平，则输出端必须加上拉电阻才可以正常输出。通过软件验证，果然是由于漏接上拉电阻才导致获取不到期望的电平值。经过修改再一次进行软件验证，已经可以得到正常的输出波形。图 5.2.1 为修改过后能够正常工作的电路仿真结果。仿真结果如下： 图 5.2.1 相位测量波形到此，相位测量模块的软件部分验证完成。接下来为硬件的制作与调试部分。5.3 硬件制作与调试在印制电路板工作完成之后，根据设计的步骤要求我对自己的硬件电路板进行了调试工作，这里将调试的过程及在调试的过程中所遇到的问题提出来进行讨论，以便能够进一步的掌握设计工作的要领。调试步骤如下：(1) 检查电路板是否有虚焊、错焊、漏焊的地方。(2) 确认焊接无误后，检查电路板电源，给电路接通电源，大概用手摸一下元器件是否发热，有的话，关掉电源，进行再次检测；没有的话，则测试所有芯片的 VCC 端电压是否达到要求，接地端是否都接地。(3)检测各个芯片是否有工作电压并检测所有元器件的好坏，是否正常工作，导线是否导通等。(4)检查各个单元电路是否正常工作。(5) 最后进行整体配合调试。调试工具有万用表和示波器。当以上检测都没有什么问题的时候，就可以烧写单片机程序，进行整体调试了，调试的结果能达到设计的要求数据，则证明硬件设计工作完成。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 28 页 共 386 总结本次设计基本完成了系统所需的设计要求，在采样电路部分本设计采用精密可调电位器来实现输入信号的精准采集，并且根据过零比较原理实现了用电设备电流、电压的相位获取，并且通过学习，实现了 TLC1543 对信的模数转换器，在设计上本系统采用在单周期内对电压和电流信号交替采集的方式来改良以往设计中电压电流不能同时采样的问题，因此在时间上更具优越性。我们结合以往所学课程，了解了数字表的发展状况，掌握了目前数字表的一些设计方法和工程设计原理，以及开发工具的使用方法，最重要的是通过这一设计过程上，我们不再停留在理论上，而是与实践进行了亲密接触，从而更深刻的理解了以往所学的精髓所在。而且在设计过程中学习到了很多课本上学习不到的知识，对于仅限于理论学习的大学四年生活，这样的机会是非常难得的，因此我对这次机会非常珍惜。而且对于设计本身而言，是需要全身心地投入的，因此必须具有足够的信心和耐心才能完成整个设计的制作和调试。通过本次毕业设计我认真学习、翻阅了很多文献资料，对单片机的应用技术有了更深的了解，对 C 语言程序有了很大提高，并且认真学习了相关软件（Altium designer、protues、Keil51 等） 。在这次实践过程中，不仅使以前学过的知识得到了验证，而且对现有的知识储备更进一步的加深了印象。能够顺利完成本次设计，不仅需要大量的知识储备，而且需要足够的信心和耐心。尤其在调试过程中需要应对各种疑难问题，因此没有足够的耐心是很难完成的。在本次设计中，我学到了许多课本以外的内容，包括为人处事和团队协作等，这在今后的学习和生活中也将起到至关重要的作用。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 29 页 共 38谢 辞本设计和论文在郭福力导师的悉心指导下完成的，从论文选题到完成论文的过程中浸透了恩师的大量心血和精力。自始至终，郭老师关心督促毕业设计进程和进度。帮助解决毕业设计中遇到的许多问题。还不断向我们传授分析问题和解决问题的办法，并指出了正确的努力方向，让我去图书馆查阅了许多与课题相关资料，使我在完成毕业设计过程中少走很多弯路。而且在写论文的时候，在百忙之中抽出时间为我们指正修改。郭师严谨的治学态度和学术上的远见和他的平易近人，时刻激励着学生，是学生毕生学习的榜样。值此论文完成之际，特向导师致以诚挚的感激和无尽的敬意！在课题的研究中，得到了周边同学的关心和帮助。与他们进行了多次有益的探讨和学术交流，使我受益匪浅。在我的硬件及软件遇到无法解决困难的时候给予我最真诚的鼓励和帮助，对于他们的支持和帮助表示诚挚的谢意！此外，学院的领导和老师也给了我们必要的指导，我也向学院和年级的领导们表示衷心的感谢！最后感谢母校桂林电子科技大学，机电工程学院多年来对我的教育与培养。感谢每一位给过我帮助的老师与同学。正是他们使我的知识体系不断的完善，使我的各方面得以进步和发展。同时感谢各位在百忙之中审阅和评议本论文的老师。桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 30 页 共 38参考文献1 蒲绥宁，刘红卫. 电能表电能计量误差原因及对策分析J. 科技创新与应用，2014，302 冯占岭.数字仪表的现状与发展J.电测与仪表，1988，(9): 3-83 王小斌. 浅谈电子汽车衡的角差调整J. 计量与测试技术，2012，124 叶森钢，叶燕萍. 一种实用的交流电压测量时的波形换算方法J. 核电子学与探 测技术，2010，45 范春菊，郁惟镛. 功率因数的实时精确测量方案探讨J. 继电器，2003，36 伊元梅，温宗周.基于 51 单片机的数字功率表设计J.微型机与应用，2012,31(10): 28307 李松柏，朱娟，聂应国.数字功率表设计与制作J.内江师范学院学报，2006,21(2): 40438 邓忠华，陈浩，余红梅.高速 A/D 转换芯片 MAX197 应用J.电子测量技术，2005 (1): 83849 孙达昕.用单片机测量电网功率因数角J.自动化测量技术,1996(2)464710 谭浩强 .C 语言设计教程M. 北京：清
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