数字式工频有效值多用表(1)

1、数字式工频有效值多用表o 未分类方案设计与论证1、总体方案设计与比较方案方案采用89C52单片机来实现。单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。单片机系统可用数码管显示测量值。对于电压、电流信号采样用可用程控放大器进行预处理。在测量工频交流电压、电流信号时，利用锁相环对信号倍频所得脉冲控制89C52对电压、电流信号同步取点测量。另外测量功率时，采用双路保持器对信号采样保持，缩小采样时间。由于采用了单片机，使系统整体结构更为简单。 系统总体框图 模块电路设计与比较系统硬件以89C52单片机为核心，详细结构如图所示。系统硬件包括三个模块电路：数据信号采集模块,单片机系

2、统数据处理模块，工频表显示模块。 1、 数据采集部分 电流、电压采集电路电流采集 电压采集（1）电流、电压信号的放大电路 方案考虑到要满足对大小信号的处理，采用可编程放大器件PGA103对电压、电流信号进行放大，通过单片机对可编程器件PGA103的管脚和管脚（见图1-4）进行控制，使放大倍数可以为×（A0=A1=0），×（A0=1，A1=0）两种不同值。这样能同时满足对大小信号的处理，硬件电路简单，容易实现。 本设计采用了这种方案。 图电流信号采集放大电路图 （2）数据保持部分 方案由于测量功率时要对电压、电流信号进行同时测量，可采用保持器LF398（见图1-4）对信号进行

3、双路保持，用单片机P1.4口对保持器LF398控制。进行测量时，单片机先对电压信号进行转换，而此时电流信号被送到保持器进行保持，等待电压信号处理完毕。这种方案可以满足对电压、电流信号进行同时测量，并且减小了系统带来的误差。我们的设计采用了这种方案。 2、单片机系统数据处理部分 方案 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574进行转换，实现高速数据采集。这种方案实施简单，而且可靠性高，简化了软件的流程。本设计采用了这种方案。 3、显示部分 （1）键盘设定 系统共

4、设有四个按键： 复位键 实现复位功能。 正循环显示测量值按键 循环次序为交流电压有效值，交流电流有效值，有功功率，无功功率，功率因数，基波有效值，总谐波有效值 反循环显示测量值按键 循环次序为总谐波有效值，基波有效值，功率因数，无功功率，有功功率，交流电流，交流电压 副功能选择按键 显示一段时间内的最大值和最小值，循环次序为电压的最大、最小值，电流的最大、最小值，有功功率的最大、最小值，无功功率的最大、最小值 （2）数码显示 三、系统实现及理论分析 1、 数据采集部分 （1）电流、电压信号的放大电路 由于电压、电流信号有效值为05V，最大峰峰值为7.07V，超过了AD574的量程，因而在可编程

5、放大器的前端加一个分压电阻起分压作用（见图1-4），调节电阻可以使输入到可编程放大器的电压有效值为02.5V之间。可靠保证了AD574的正常工作。 2、单片机数据处理部分 (1)交流电压、电流有效值的计算分析 对交流信号的采集，一般是以其有效值进行计量，其计算公式为： ，其中T为信号周期 令，则： 由于在计算机采集系统中U(t)和f(t)都是一些离散点的数值，故采用数值积分的理论，将函数分解为离散值之和，即： 余项<<T 上式中，h=（n）为采样间隔 N=n N为每周期采样点数 理论上，电压为正弦信号，但当电压发生波动时，以三次谐波影响最大，因此可以认为电压波形为基波和三次谐波之和

6、： 设在最严重情况，令，则，AD574采用5V满量程，因此可认为u=5v，则，因此在每周期采集64点时，其余去部分为23v，远小于AD574的最低分辨率2.4mv，采集精度完全满足要求。 (2)功率和功率因数的计算 在上一步中已经测出了U、I的有效值，根据以下公式可以计算出视在功率、有功功率、无功功率和功率因数。 （U，I为有效值） （u，i为瞬时采样值） cos （3）测量电压基波有效值的算法 我们采用傅里叶算法来实现。所测信号是一个周期的时间函数，除基波外还含有直流分量和各次谐波，可表示为： 式中n为自然数，n=，；和分别为各次谐波的正弦项和余弦项的振幅。，分别为基波分量的正、余弦项的振幅

7、。为直流分量的值。 根据傅里叶级数的原理，可以求出，分别为： 则u(t)中的基波分量为：将上式化简可以得到： ，式中U为基波的有效值，为t=0时的基波分量的相角。 用单片机处理时，的积分可以用梯形法则求得： 式中为一周期采样点数， 为第k次采样次数，分别为k=0和n时的采样值。总谐波有效值根据基波有效值可以算出： （u为电压总的有效值， u0 为基波有效值， u 1 为总谐波的有效值） （3）软件设计及软件流程图（见图1-6） 软件完成各部分的控制和协调： 数据采集放大部分 P3.4口控制可编程放大器对交流电压信号进行放大处理，P3.4口置“0”，放大倍数为1；置“1”，放大倍数为10。P3.5口控制可编程放大器对交流电流信号进行放大处理，P3.5口置“0”，放大倍数为1；置“1”，放大倍数为10。P1.4控制两路采样保持器。P1.4口置“0”， 采样保持器关闭；置“1” 采样保持器打开。P3.3口接收锁相环倍频电路的输出