基于单片机的工频电压电流表的设计

检 测 系 统 实 习 报 告题目： 基于单片机的工频电压（电流）表的设计 姓 名： 院 （ 系 ） ： 专业： 指导教师： 职称： 评 阅 人： 职称： 年 月1摘 要在实际中，有效值是应用最广泛的参数，电压表的读数除特殊情况外，几乎都是按正弦波有效值进行定度的。有效值获得广泛应用的原因，一方面是由于它直接反映出交流信号能量的大小，这对于研究功率、噪声、失真度、频谱纯度、能量转换等是十分重要的；另一方面，它具有十分简单的叠加性质，计算起来极为方便。本文详细介绍了一个数字工频电压、电流表设计，以 AT89S52 单片机为控制核心，由电压、电流传感器模块，真有效值测量模块，信号调理模块，AD采集模块及控制、显示模块等构成。系统采用电压、电流互感器对输入信号进行降压处理，经 AD736 转换得到原信号的真有效值，由 TLC549 转换为数字量后送入单片机内进行简要的数据处理并将结果通过 LCD 实时显示，达到了较好的性能指标。关键词：工频数字电压（电流）表 真有效值 AD736 TLC549 AT89S522AbstractIn practice, RMS is the most widely used parameters. Except in special circumstances,voltage meter readings almost all carried out by the RMS of sine wave . The reasons of RMS is widely available, on the one hand, because it directly reflects the size of the exchange of signal energy, which the study of power, noise, distortion, spectrum purity, energy conversion, such as it is very important; On the other hand, it has a very simple superposition of the nature of the calculation will be extremely convenient. The design of single-chip Atmel Corporation AT89S52 as control core, by the current sensor module, True RMS measurement modules, signal conditioning modules, AD acquisition and control module, display module. System uses a current sensor circuit for step-down of the input signal processing, has been converted by the original AD736 True RMS signal by the TLC549 convert into single-chip digital conducted after the brief and the results of data processing in real time through the LCD display, achieve a better performance.Keyword: Digital voltage(current) meter True RMS AD736 TLC549 AT89S521目 录第一章 绪论 .11.1 选题背景及意义 .11.2 系统设计任务 .1第二章 系统总体设计 .22.1 方案论证与比较 .22.1.1 电压、电流变换部分 .22.1.2 有效值测量部分 .22.2 系统总体设计 .2第三章 硬件设计 .43.1 传感器电路设计 .43.1.1 电压互感器 .43.1.2 电流互感器 .43.2 真有效值转换电路设计 .53.2.1 电压、电流切换电路 .53.2.2 真有效值测量电路 .63.3 信号调理电路设计 .73.4 A/D 转换电路设计 .73.5 单片机及显示电路设计 .9第四章 软件设计 .104.1 LCD1602 液晶显示程序 .104.2 A/D 转换程序 .104.3 主程序设计 .12第五章 系统调试及误差分析 .135.1 系统调试及测试结果 .135.1.1 AD736 测试结果 .135.1.2 OP07 测试结果 .135.1.3 TLC549 测试结果 .135.1.4 工频电压测量精度 .145.1.5 工频电流测量精度 .145.2 误差分析 .145.3 改进方法 .15结束语 .16致 谢 .17参考文献 .18附录 .19附录一 完整电路图 .19附录二 程序清单 .201第一章 绪论1.1 选题背景及意义在日常的生产、生活和科研中，工频电无处不在，所谓工频就是电力供电系统交流电的频率，我国国家规定工频为 50 赫兹，即周期为 0.02 秒，英、美等国规定的工频为 60 赫兹。因此，对工频电的测量也是一个应用广泛的实际问题。传统的测量仪器在使用时需要预先估计待测值的测量范围，多数情况下都要从较大量程档位逐次向小量程档位切换，增加了操作的复杂性，且易发生误操作损坏仪器。近年来随着计算机在社会领域的渗透，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制日新月异更新。在实时监测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用。电子计算机的飞跃进步，单片机的普及与推广，为数字多用表智能化做出了贡献。作为重要的测量工具，工频有效值多用表的发展可以说见证了现代工业的发展和科技进步。从传统的模拟多用表，到现在精确度和灵敏度越来越高的数字仪表，多用表的发展可谓是日新月异。目前的工频有效值多用表的设计大概可以分为以下几类：（1）基于单片机的数字工频有效值多用表，这类仪表中，最有代表性的是89C52 系列的。由于 8 位机在价格和性能方面的优点，这类仪表可以说是越来越成熟，并且能根据不同的场合选用不同的核心芯片来满足实际的要求。（2）将传统测量方法和现代数字化测量方法有机结合起来，能适用于工频交流电特征，同时也能适用于非工频电参数测量，以提高通用性。在这类系统中，由单片机实现测量控制、数据分析处理、显示和量程自动转化等功能；由CPLD 器件和高速 A/D 芯片组成双通道高速同步数据采集电路，由锁相倍频电路实现工频周期内均匀等样间隔。1.2 系统设计任务题目：基于单片机的工频电压（电流）表的设计1. 设计任务：（1）基本任务（必做）：了解工频电压有效值的检测原理，设计及制作电路，实现对 50Hz，220V 交流电压有效值的检测及显示；（2）扩展部分（选做）：实现对 50Hz，220V 交流电流有效值的检测及显示。2. 性能指标：误差：5%2第二章 系统总体设计2.1 方案论证与比较2.1.1 电压、电流变换部分由于系统测量的是 220V 交流电有效值以及 05A 工频电流有效值，需将大电压、大电流变换为小电压、电流后才能进行测量。变换电路有以下两种方案：方案一：采用串联电阻分压，该方法精度不高，输入输出无隔离，电阻损耗的功率较大。方案二：采用电压互感器，电压互感器利用的是电磁感应的原理，转换精度高，输入输出处于隔离状态，控制电压比容易。经上述比较，方案二明显优于方案一，故本文选用方案二，采用电压互感器作为电压变换电路。2.1.2 有效值测量部分测量有效值有三种方案：方案一：采用二极管整流电路，再通过峰值检波电路测得峰值，然后根据波形因数求得相应的有效值。方案二：利用单片机控制 A/D 对一个周期内的信号进行连续多点采样，然后在软件中根据有效值计算公式，利用傅里叶变换等算法积分求平均得到有效值。方案三：采用专用有效值检测芯片如 AD736 直接将交流信号转换直流有效值信号。方案一硬件电路较复杂，且能测得的波形有限，对不同的波形还需根据其波形因数采取不同的换算关系。方案二软件算法过于复杂，编程难度较大，而方案三软硬件都较简单，故设计中选用方案三。2.2 系统总体设计系统利用电压/电流互感器和 I/V 变换电路将工频电压/ 电流转换为弱电压。由模拟开关选择电压或者电流通道，由此得到的仍然是交流信号，然后进行有效值转换，即可得直流信号。由于信号幅值偏小，经过放大电路后，进行 A/D转换，所得数字信号送入单片机进行数据处理，然后显示。系统总体框图如图2-1 所示。3图 2-1 系统总框图电压信号电流信号模拟开关有效值转换信号调理单片机显示按键4第三章 硬件设计3.1 传感器电路设计3.1.1 电压互感器电压传感器电路如图 3-1 所示，图中 T1 为电流型电压互感器 TV19。TV19匝数比为 1000:1000，输入电流 0-5mA，非线性度0.1%。电压互感器工作原理为：不同的输入电压通过限流电阻，使一次侧流过不同的电流，二次侧得到一个与一次相同的电流。经运放或电阻直接取样，得到不同的输出电压，采用运放取样精度更高。图中运算放大器与电阻构成 I-U 转换电路，由于运算放大器的输入阻抗非常高，可以认为二次电流 I2 全部流入反馈电阻 R2。同时运算放大器的增益很高，因此，根据 U = IR 得电流传感器电路的输出端电压为 U0 = I2*R2。D1、D2 为限幅二极管，在过载的情况下可以有效的保护后级运放不被损坏。C 为相位补偿电容，可以抑制高频域的突起现象。 T1V97KRD20pF3+5.u-8ALv图 3-1 电压互感器电路运放输出电压和互感器输入电压关系为：U 0 = (Ui/R1*R2)。由于输入电流5mA，选择输入限流电阻 R1 = 47K，当输入电压为 220V 时，电流 I = 220/47K = 4.68mA，由此求得的电阻功率 P = U*I = 1.03W，故 R1 选择功率为2W 的碳膜电阻。考虑到后级 AD736 输入电压有效值 200mV，故选择取样电阻 R2 = 40 。由于电压互感器次级有线圈，运放选用高输入阻抗运放 TL082。53.1.2 电流互感器电流传感器电路如图 3-2 所示，图中 T2 为电流互感器 TA12-200。TA12-200 性能参数如下：变比 2000:1，输入电流 0 5A，输出电流 0 2.5mA，非线性度 0.2%，相移 5 。其工作原理为：次级电流将初级电流衰减了 2000 倍，得到 0 2.5mA 的小电流，再通过电阻或运放取样得到电压信号。运放工作原理同电压互感器，输出电压 U0 = I*R3。T2A1-D43V+负.uFC768UBLiR图 3-2 电流互感器电路考虑到后级 AD736 的输入电压 200mV，选择取样电阻 R3 = 100，可求得能够测量的初级电流为 0 4A。3.2 真有效值转换电路设计3.2.1 电压、电流切换电路由于系统要求同时对电压、电流进行测量，故需对电压互感器和电流互感器的信号进行通道选择和切换。本设计采用模拟开关 CD4053 实现通道切换，即在电压、电流互感器后设置一 CD4053，通过单片机输出控制信号来控制通道切换，选择某路信号进行有效值转换，应用电路如图 3-3 所示。CD4053 是三路二选一模拟开关，可由三位控制位分别选择三路输出，其真值表如表 3-1 所示。本设计中只用了一路，单片机 P0.3 口与 A 相连，由控制位A 选择输出。表 3-1 CD4053 真值表Input StatesEN A B COn Channels0 0 0 0 X0,Y0,Z00 0 0 1 X0,Y0,Z10 0 1 0 X0,Y1,Z00 0 1 1 X0,Y1,Z10 1 0 0 X1,Y0,Z060 1 0 1 X1,Y0,Z10 1 1 0 X1,Y1,Z00 1 1 1 X1,Y1,Z11 * * * NONE.uFC43avfc+5-Vin2sOM87otUADYZENXG9BP图 3-3 模拟开关与真有效值转换电路3.2.2 真有效值测量电路系统的核心是测量交流电压、电流的有效值，因此有效值测量的精度将直接影响系统最终的精度。有效值测量集成电路视其测量范围和精度有多种规格可选，较通用的有 Analog 公司的 AD536、AD636 、AD736 及 AD737 等。考虑到成本等因素，系