【单片机电能表系统整体框架设计案例3100字】

单片机电能表系统整体框架设计案例综述目录TOC\o"1-3"\h\u25661单片机电能表系统整体框架设计案例综述 191591.1系统设计要求 161341.2系统设计思路 1138791.3电能参数的测量 2290481.3.1电压电流有效值 3108441.3.2功率计算 3311501.4.AD模数转换的介绍 51.1系统设计要求设计电能表能测量的交流电参数为：交流电压为220V，交流电流低于3A的。电能表能测量交流电压、交流电流、用户用电量等参数。电能表的测量电路主要由，AD转换模块、主控数据处理芯片、按键控制模块、数码管显示模块共四个模块组成。AD转换模块实现模数转换芯片adc0809，其任务是负责把输入的模拟量转变为相应的数字量再传送到主控芯片。主控数据处理芯片单片机stc89c52，其负责把adc0809传送来的数字量经数据运算处理后产生相应的显示码送到数码管显示模块进行显示，显示模块主要由四位led数码管儿组成，实现显示测量的电压、电流、功率值。1.2系统设计思路通过相关专业论坛、专业网站、实时新闻等查询资料以及在指导老师和师兄师姐的悉心指导和无私帮助下，使我在设计电路方面减轻了一些压力，下面对数字电能表的设计进行总结讨论，作为本次整体系统设计的思路如下：数字电能表的设计主要是通过单片机来处理检测器检测到的信号，进行信号换算处理，并将检测处理过后的数据显示出来；组成的部分包括单片机最小系统、电压电流采样电路、相位转换电路、显示模块以及供电电源等。现在将设计的过程分为以下几个方面：1、选择各模块的电路，并以此来确保每一个模块在工作时能够实现预期的功能。2、以单片机为中心，来进行每一个模块的逻辑性链接，来实现本次设计的性能。3、为本次各个不同的模块编写控制程序的代码，来实现预期的每一个模块对应的功能。4、对设计出来的产品进行调试，并检查其功能是否正常，是否达到预期的功能。数字电能表测量对象是普通家用交流电，变化周期50HZ,电压为220v，其数值较高，远超过安全电压，存在一定的危险性。单片机采样信号较低，所以电压采集方面采用差分运放电路将220V交流转化为0-5V电压；电流采样则采用霍尔电流传感器ACS712，将电流转换为0-5V电压，然后通过adc0809进行AD模数转换处理后传到单片机主再计算实际值；功率采集方面采用相位测量电路，通过将交流信号转换为方波信号，单片机计算两者的相位差，通过相位差计算有功功率。单片机获取数据计算数值后传到数码管显示，用控制模块显示测到的电压、电流、功率，大体系统框架图如下图1.2所示。图1.2系统构架图1.3电能参数的测量设计的数字电能表在连接用电器后，可以对用电器的一些电能参数进行测量，线路里的电能参数一般有：电压有效值、电流有效值、视在功率、有用功率、功率因数角等。1.3.1电压电流有效值在同一时间t内，交流电i和直流电I对同一电阻做的功相同(pi=PI)，这时交流电的有效值就是直流电的值，I为i的有效值，又称为均方根值，它是一种用来计量交流电大小的直交流电。假设交流电中：电流为i,电压为u;直流电中：电流为I,电压为U。电流有效值的公式如下：I(1)电压有效值的公式如下：U=(2)1.3.2功率计算在正弦交流电的功率种包括有视在功率，有用功率，无功功率。下面我们来讨论一些这三者功率之间的关系。引入复功率来辅助解释，复功率是复函数，存在实部和虚部之分，在正弦交流电中，平均功率为实，无用功率为虚。。在电路中常需要求的量是电压和电流，假设在一个N型电路中如图1.3.2所示，一般在正弦交流电中电流和电压用向量来表示,即I和U，模值为I和U。IINNUU图1.3.2所以U复功率:SS=UI∠SS=UIcosθ+S复功率的模值为视在功率：视在功率：视在功率是表示交流电器设备容量的量,等于电压有效值乘以电流有效值。公式如下：S=UI(3)有用功率：即平均功率，正弦交流电的瞬时功率是一个实时变化的值，并不是恒定值，在一个周期内，将所有功率相加再除以个数，算出的平均值就是有用功率。瞬时功率p=ui（设u、i为瞬时的电压、电流）。有用功率计算公式为P=1T−T2TP(4)式中的U、I、φ，分别代表电压、电流的有效值和相位差。功率因数：用cosφcos(5)无功功率：在首先解释它并不是无用的功率，它代表着在交流电中，磁场和电场吸收了的能量，但它并不对外界做功，而是转变成磁场才能让电负载进行工作，这些能量就是无功功率。公式如下：Q=(6)1.4.AD模数转换的介绍模拟信号是我们在日常生活中经常能看到的、感受到的，例如电压、电流、长度、声波、光线的强弱、压力等。它的特点是在时间和幅度上都是连续变化的，用模拟量的电压信号和电流信号来进行传输。数字信号我们通常是看不见的，它存储于芯片的内部，单片机、计算机、硬盘等运算的数据都是以数字量的形式存储的。它的特点与模拟信号正好相反，在时间和幅度上都是不连续变化的信号，幅度的取值是离散的，通过0（表示低电平）和1（表示高电平）的数字串构成的数字流进行传输。A/D是模拟信号到数字信号的转换A/D转换器是ADC，反之就是D/A，它是数字信号到模拟信号的转换，D/A转换器是DAC。A/D转换和D/A转换流程图1.4所示：图1.4A/D、D/A转换步骤模拟信号首先经过抗混叠滤波器，通过抗混叠滤波器把高频谐波干扰和杂波全部过滤掉，到下一步的采样环节，只采样所需要的波形频率范围内的信号；采样电路拥有两个功能，包括采样和保持，信号进行采样后需要保持一定的时间，给下一步的工作奠定好基础；最后的步骤称为量化，量化也包括两个部分，分为量化和编码。经过这些步骤，输出的信号才是数字信号。A/D转换从开始到结束须经过四个过程，数字器件才可读取结果：取样——将时间连续的信号变成时间离散的信号、保持——即对已经采样的信号保持不变、量化——对采样的信号进行数字化、编码——对已经量化后的信号转换为二进制。它把幅值和时间都连续的信号经过与标称量作相应的对比转换为时间和幅值都离散的信号，即变为非连续的数字信号，供数字器件读取，在实际电路中，这四个进程是连续进行的。而D/A的转换是输入数字信号后经过DAC进行模拟量的保持，转换成模拟量后输出有效的信号或者可用的信号需要用到重构滤波器，当重构原始信号时无法完全恢复原来的数据量，可通过重构滤波器让输出信号尽可能接近原始数据的状态，D/A转换步骤为：DAC，模拟保持，重构滤波。1.4.1A/D转换的重要指标采样速率和分辨率是A/D转换重要的影响因素。采样速率即是指采样速度，它是模拟量转换为数字量的速度，也称转换率。采样的点越多，还原数据的能力就越强，不同的制造技术、制造工艺会导致ADC模数转换器的采样速率不一样。分辨率是模数转换后的bit数，分辨率决定了采样出的数据的精度，位数越低，偏差越大，位数越高则越接近数据的真实值。但是，当采样速率增加1倍，分辨率就