电力参数智能检测仪

1、摘要电力参数的准确、快速测量对于实现电网调度自动化、保证电网安全与经济运行具有重要的意义。对于电力参数进行高精度、多参数的测量，是充分了解电网的运行状况，寻找并解决电力系统中出现问题以及实现电力系统自动化的重要途径。因此对于电力参数的测量，尤其是高精度、多参数、低价格、便携、稳定的实时测量就显得尤为重要，也一直是人们研究的一个重要的方向。本文首先对电力参数测试仪的发展状况和背景做了综述。对频率、电压和电流有效值的测量原理进行了详细的理论阐述。接下来,对电力参数智能检测仪的总体设计方案进行了介绍。仪器整体分为两大部分:数据采集和处理系统、数据显示和存储系统。本文重点完成了数据采集和处理系统的软、

2、硬件设计。其中硬件部分主要包括模数转换部分电路、处理器及外围电路、存储器扩展电路、逻辑控制电路。系统采用AT89S51单片机来实现电力参数的交流采样，通过液晶显示器显示频率、电压和电流的实时值。软件部分主要包括主程序、数据采集、数据处理的流程图和程序设计。该装置可用来测量单相交流电路的电压、电流、频率等参量。最后，通过对装置进行整体测试和分析，基本达到预期的设计目标。关键词：单片机 电力参数 检测仪AbstractThe electrical parameters of accurate, rapid measurement has important significance for the

3、 realization of the power grid dispatching automation to ensure grid security and economic operation.It is very important for acquiring the running state and solving the problems of the power supplying system to perform high accurate, multi-parameter, low-cost, portable, real time and stable measure

4、ment of power parameters. It is also one major subject on which the researchers have focused for many years.Firstly, the power parameter detector development and background are reviewed. Carried out a detailed theoretical explanations of frequency, voltage and current rms measurement principle. Next

5、, the overall design of the electrical parameters smart detector was introduced. The instrument as a whole is divided into two parts: data acquisition and processing systems, data display and storage systems. This article focuses on the completion of the data acquisition and processing system softwa

6、re and hardware design. The hardware part includes an analog-to-digital conversion portion of the circuit, the processor and the peripheral circuit, a memory expansion circuit, a logic control circuit. The AT89S51 Single Chip Microcomputer (SCM) is utilized to realize the AC sampling of the electric

7、 power, then, the real-time frequency, phase difference, voltage and voltaic is displayed by the LCD. The software part includes the main program, data acquisition, data processing flow chart and program design. The device used to measure the voltage, current, frequency and other parameters of the s

8、ingle-phase AC circuit. Finally, the device overall testing and analysis, basically achieve the expected design goals.Key words: MCU power system parameters Detector43目录摘要IAbstractII目录1第一章 基础知识31.1 课题研究的背景与意义31.2 课题研究的发展及现状41.3 本文的主要工作5第二章 系统的总体设计方案62.1 交流采样技术62.1.1同步采样法72.1.2准同步采样法82.2 系统方案的确定92.2.

9、1实时测频算法92.2.2实时有效值算法10第三章 系统的硬件设计113.1 系统硬件的构成113.2 单片机的选型113.2.1 AT89S51单片机的组成123.2.2 AT89S51单片机的I/O端口分配123.2.3AT89S51单片机的复位和时钟电路133.3 数据采集电路143.3.1电压及电流输入回路143.3.2 A/D转换153.3.3锁相倍频电路173.4 LCD显示电路213.4.1 LCD显示模块的简介213.4.2 LCD显示电路的原理223.5 频率测量电路233.5.1低通滤波电路233.5.2过零比较电路243.6 电源电路253.7 按键电路263.8 系统的

10、硬件电路图27第四章 系统的软件设计284.1 系统主程序的设计284.2 系统初始化子程序的设计294.3 频率测量程序设计294.4 显示子程序的设计304.5 数据采样处理子程序的设计31结论33致谢34参考文献35附录：程序清单36第一章 基础知识1.1 课题研究的背景与意义随着电力工业的不断发展，电力电子装置和非线性的使用日益增多，造成大量谐波电流注入电网，引起电力系统的电压，电流的正弦波形发生严重畸变，这对于电力系统本身和广大的电力用户来说都会造成不良的影响和危害。因此，进行有效的电力参数测量已成为一个迫切而又重大的任务。对电力系统进行高精度、多参数的测量，是充分了解电网运行状况，

11、寻找并解决电力系统出现的问题的重要途径。因此对于电力参数的测量，尤其是高精度、多参数、低价格、稳定的实时测量就显得尤为重要。现代社会中，电能是一种使用较为广泛的能源。其使用程度是一个国家发展水平的标志之一。随着科学技术和国民经济的发展，对电能的需求量日益增加，同时对电能质量的要求也越来越高。电能质量的指标若偏离正常水平过大，会给发电、输配电和用电带来不同程度的危害，供电系统的电能质量对用电设备的性能、效率和寿命等均有重要影响，随着高新技术、尤其是信息技术的飞速发展，基于计算机、微处理器的管理、分析、检测、控制的用电设备和各种电力电子设备在电力系统中大量投入使用，它们对系统干扰比一般机电设备更加

12、敏感，对供电质量的要求更苛刻。然而电力系统负荷中具有非线性、冲性以及不平衡等用电特征，如：炼钢、轧钢、化工、电气铁路、电力电子设备等负荷，使电网的电压、电流波形发生畸变、谐波含量加大、电压产生波动和闪变、电压骤降以及三相不平衡等电力污染问题，严重影响了供电质量。根据发达工业国家电力部门的统计资料显示，频繁发生的电力运行事故、输配电设备和电器损坏事故，其主要原因是电力污染。电力污染导致电能的生产、传输、和使用的效率降低，使电气设备过热、振动和绝缘损坏，引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量设备出现偏差。发达工业国家近年来对于电力污染问题非常重视，建立了完整的检测监督和管理制度。深入分析和研究电

13、能质量问题，探寻在一定条件下发生电磁干扰的因果关系，明确责任和义务，是电力工业适应市场竞争和可持续发展所必须的。在我国，目前电力供应不足的现象已基本解除，随着电力改革的深入，厂网分开，竞价上网，电力供求逐步走向完善的市场化。一方面大容量的非线性负荷越来越多，电力污染问题日趋严重；而另一方面伴随着高技术的新型电力负荷迅速发展，它们对电能质量不断地提出更高的要求，致使电能质量问题逐渐受到电力企业和用户的共同关注。因此，为了电力系统的安全运行，为了终端用户的安全用电，实现电力系统自动化，以及达到电力设备的用电要求，降低用电过程中的损耗，提高用电效率，改善电气环境，准确、快速的了解和监控电力的质量正变

14、的越来越重要。1.2 课题研究的发展及现状电力工业的迅猛发展，使改造现有的输电和配电网络，建立新型变电站成为广泛的需求。微处理器技术的发展和人力维护的高昂成本是电力公司建立新型自动化变电站主要原因。而实现电力系统参数的高精度、多参数的测量，是实现电力系统自动化的前提。 测量与仪表是一项涉及面很宽的多学科结合的技术，它已经日益成为现代科技和工业发展不可或缺的一环，在各个领域都发挥着技术基础保证的作用。就电测及仪表技术而言，在过去的一个多世纪里，伴随着工业化的蓬勃发展，电测量理论及仪表技术也持续快速发展，大致经历了早期、初期、中期和近期等四个阶段。 在进入中期发展阶段前，电测量技术主要是以模拟测量

15、为主，各种磁电、电磁及电动系的电压表、电流表、功率表等是这一时期电测仪表的典型代表，这些模拟式仪表具有功能单一、精度低、响应速度慢等特点。20世纪50年代初期，数字技术的出现使得各种数字仪表得以问世，电测与仪表技术的发展逐步加快。进入20世纪70年代以来，微电子技术和微计算机技术发展迅速，数字采样测量法(Digital Sampling Measurement)由此诞生，此后数字电子与计算机技术在电测和仪表领域进一步渗透，成为电测与仪表技术步入中期发展阶段的标志。20世纪80年代中期以来，电测与仪表技术进入了迅猛发展的近期阶段。近几十年来，随着大规模集成电路、计算机技术、网络及通信技术的飞速发

16、展，电测与仪表技术的发展也是日新月异，各种新的技术和概念不断涌现，各学科技术日趋融合，测量系统与计算机、网络、通信以及控制系统的界限越来越模糊，测量系统由传统的集中模式逐渐转变为分布模式，成为具有开发性、交互操作性、分散性、网络化和智能化的测控系统。 我国对电力参数监测技术的研究与应用起步较晚，但随着电力企业的快速增长及电网改造工作的深入，电力监测的相关研究和应用得到了迅速的发展。随着电子技术和微机技术的飞速发展，微机广泛地应用于电力系统测量中。但是电力系统对检测装置的实时性、计算能力及大数据量运算速度等各方面要求的不断提高，单片机技术的高速发展为电力参数测试技术带来了新的变革，特别是在电力系

17、统电压和电流的测量和分析中，单片机以其运算速度快、精度高、显著的计算能力与实时性、数据输入输出能力强等特点而被广泛应用，并且采用单片机开发的测量装置体积小，集成度高;随着单片机芯片的性价比不断提高，开发工具越来越完善，单片机的应用成为目前电力参数测试开发的一大突破。1.3 本文的主要工作由前面讨论知，利用先进的技术手段，采用精确合理的计算方法，研制功能齐全、性能优良、使用方便的电力参数测量系统，是十分必要的。电力参数测量涉及到大量的数据计算，采用原来的装置显得力不从心。在借鉴众多电力参数测量仪器的功能和特性的基础上，设计了基于AT89S51单片机为核心的电力交流参数测量装置，对交流电力参数进行

18、交流采样，通过液晶显示器显示频率、相位差、电压和电流的实时值。实践证明，采用交流采样方法进行数据采集，通过运算获得的电压、电流、频率等电力参数有很好的精确度和稳定性。本文的主要工作包括：（1）首先分析了电力参数测量的重要意义，对电力参数检测的发展概况作了简单的回顾，简要的讨论了电力参数检测中的主要测量方法以及它们的优缺点；（2）了解交流采样原理，并对其原理及算法进行系统的介绍；（3）基于单片机技术，采用了AT89S51为处理核心，设计了电力参数测量系统，并对此系统进行了相应的硬件设计和软件设计，包括了数据处理单元、A/D转换单元等；（4）对装置的主要芯片进行了解，并画出硬件原理图；（5）对本装

19、置的设计作了总结，并提出了对未来工作的展望。第二章 系统的总体设计方案本文所设计的基于单片机的交流参数检测系统，其关键的环节是数据采集部分。根据采集信号的不同，分成直流采样和交流采样两种。直流采样通常是把交流电压、电流信号经过变送器转化为05 V的直流电压，此方法软件设计简单，对采样值只需做一次比例变换即可得到被测量的数值。但直流采样仍有局限性，无法实现实时信号的采集，变送器的精度和稳定性对测量精度有很大影响，设计复杂等。交流采样是通过二次测得的电压、电流经高精度的CT、PT变成计算机可测量的交流小信号，然后再送入计算机进行处理。这种方法能够对被测量的瞬时值进行采样，并采用软件编程方法来实现硬

20、件的功能，因而实时性好，相位失真小，硬件的投资大幅降低。所以，本系统采用交流采样的方法来测量电力系统的参数。2.1 交流采样技术采样又称取样、抽样、对模拟信号在时间上离散化、幅值离散化。这样用在电参量测量中可以克服模拟运算准确度较低且模拟器件易受各种干扰影响的缺点，从同一批数据中可获得许多电参量信息，对于一个连续的时间信号f(t)，若其最高次谐波分量的频率为，当采样频率时，采样信号就将无失真地反映被测信号f(t)，这就是香农采样定理。本文所述交流采样技术主要应用于电参量测量领域，就是对周期或非周期的交流待测信号在CPU的控制下，由采样保持器进行采样和保持，再送给 A/D转换器进行模数变换、量化

21、处理，将模拟量变为数字量，送存储器存储，最后由CPU进行一系列运算、处理、得到结果送显示器显示、原理框图如图 2-1 所示采样保持器A/D转换器CPU显示器信号输入图2-1 交流采样法原理框图交流采样技术主要分以下二种方法：1.同步采样法 ；2.准同步采样法。下面分别加以介绍：2.1.1同步采样法同步采样法是指采样时间间隔 Ts与被测交流信号周期 T及m个周期内采样点数 N之间满足关系式 mT= NTs。对于周期为T的信号，设采样由t =0处开始，在m个整周期中均匀采样N次，则采样时间间隔Ts= mT/N 那么第 i 次采样的时间为 （2-1）以测功率为例，交流平均功率为 （2-2）经等间隔同

22、步采样后，各采样点的瞬时功率值为，经离散后m个整同期的平均值为 （2-3）以上以功率测量为例来说明同步采样的原理，对电流、电压有效值的计算公式与功率相似，其它参量如功率因数、视在功率、无功功率等可通过计算得到。同步采样法有两种实现方法，一是用硬件实现，由硬件同步电路向CPU提出中断实现同步。硬件同步电路有多种形式，常见的有锁相环电路。但是这种电路较复杂，实现起来成本较高。典型的硬件同步电路如图2-2所示。二是用软件实现，常规的软件同步采样法首先要测量被测信号的周期T，然后除以一个周期内的采样点数N，得到采样间隔Ts，并确定定时器的计数值，用定时中断方式实现同步采样。所以，软件同步采样的核心和前

23、提是对被测信号进行精确和实时的测频，并以此计算出采样的时间间隔。软件同步的原理框图如图2-3所示。软件同步不需要专用的同步电路，省去了硬件环节，结构简单，节约成本，得到了广泛的应用。图2-2 硬件同步法原理框图图2-3 软件同步法原理框图2.1.2准同步采样法准同步采样是从同步采样演变而来，在同步采样的基础上通过适当增加采样点及采用相应的算法进行数据处理的一种方法。它去掉了同步采样中的同步环节，节省了硬件开销，在被测信号的m个周期内，以等间隔同步采样（m×N+1）点。N为每周期采样点数，采样时间间隔Ts =（T为被测信号周期，为周期偏差的）对采样数据值进行m次叠代，最终得到测量值，准

24、同步采样在算法上的主要依据是，为周期信号求其平均值，有下面的表达式：=，其中2为f(x)的周期，是积分起点对应的角值，在采样过程中，通过适当增加采样数据量，在满足一定条件时可采样35 周期，通过数值积分公式进行叠代运算，就可以获得对的高准确度估计。设周期信号，其平均值为，经叠代处理后有，显然的准确度取决于可忽略的近似程度。递推公式如下 n=2, 3, 4 （2-4）对三次叠代的展开公式如下,每周期采样点数为64点。= （2-5）这样处理后，简化了软件计算过程，把三次递推运算均选用矩形数值求积公式，即用采样点形成的每个小矩形的面积之和来模拟整个曲线的下含面积。2.2 系统方案的确定虽然，准同步采

25、样技术使测量装置简单，简化电路。准同步采样法的不足之处在于：它需要通过增加采样周期和每周期的采样点数，并采用迭代运算的方法来消除同步误差，其所需数据较多，计算量远大于同步采样，运算时间较长，不适合多回路、多参量实时性要求高的在线交流测量系统，而且受短暂突发性干扰影响的可能性要比同步采样大。由于同步采样技术运算速度最快，运算量也较小，故采用同步采样技术测量电流、电压有效值并通过计算得到频率。由于本系统属于实时处理系统，因此所有算法都必须采用实时算法来进行，下面分别介绍实时测频算法和实时有效值算法。2.2.1实时测频算法测频电路的输出连接到单片机的外部中断引脚上，每个测频方波输出的下降沿都要申请一

26、次单片机的外部中断，再通过定时器来测量出中断的间隔时间，最后根据采样点数计算出采样定时间隔，并使用定时器的中断方式来完成数据的等间隔采样。尽管在该电路中采用了施密特比较器电路，也不能避免单次测量产生误差。因此本系统采用了以下的测频方案。本系统是使用了将多测量周期值进行筛选并加权平均的算法，来测量出电压信号的频率的。如果采用单次测量周期的来确定下一周期的采样间隔的方法，显然响应速度快，但会受到单次测量误差的影响，导致测量不准确。然而采用多周期测量值平均的算法显然克服了单次周期测量误差的影响，但同时也带来了缺点，就是所测得的频率只是前几个周期频率的平均值，显然只适用于固定频率的系统，而不适用于频率

27、变化的系统。怎样才能既消除单次的测量误差，又能使测得的频率更接近于下一周期的频率呢？因此本系统采用的方法一，是运用了数据筛选法，从最新的5个采样周期数值中筛选出最接近的3个数值进行计算，通过此法来去除因干扰产生的错误周期测量值。方法二，是在系统中采用了多周期进行加权平均的周期测量方法。鉴于实时测量系统的需要，因为系统的频率变化又是相对缓变的，因此采用了加权平均的方法，即越新的周期测量值使用的权值越大。因此是将当前最新的5个周期测量值中最接近的3个进行加权平均的。这样，采用软件和硬件共同的抗干扰措施后，可以计算出较为准确、实时的信号周期值。保证了计算结果的真实、准确。2.2.2实时有效值算法从有

28、效值定义可知，是按照功率来定义的，即被测电压(或电流)与直流电压(或电流)在相同阻值的电阻上在相同时间发热相等，就认为被测电压(或电流)的有效值等于该直流电压(或电流)的幅值。这里需要注意的是由于被测量不是纯交流量，因此决不能使用,或者从平均值折算得出有效值，这样会带来很大的误差，因为不同的波形其波形因数也不同。因此，对于有效值，采用一个周期中所有采样点的平方和除以采样点数，然后开方的方法计算。这种方法符合有效值的定义，对任何波形都适合。 若将电压有效值U在一个周期内离散化，即U=,用有限个采样电压的数字量来代替一个周期内连续变化的电压函数值，则有： (2-6) 式中:Tm 为相邻两次采样的时

29、间间隔；um 为第m - 1个时间间隔的电压采样瞬时值；N 为1个周期的采样点数。若相邻两采样的时间间隔相等,即Tm 为常数T,考虑，则有，此式就是根据一个周期各采样瞬时值及每周采样点数计算电压信号有效值的公式。 由于本系统属于实时测量系统，因此所有算法都是实时算法。也就是在数据处理时，每读入一个新的采样值就进行一次有效值运算。对于电流的有效值计算和电压有效值的计算方法类似，因此电流有效值的计算可以采用下面的公式计算： (2-7)第三章 系统的硬件设计3.1 系统硬件的构成本文所设计的基于单片机的交流参数检测系统由电压输入回路、电流输入回路、多路开关/采样保持/A/D转换器TLC2543、AT

30、89S51单片机、低通滤波电路、过零比较电路、锁相倍频电路、LCD显示电路和电源电路组成。其中电压输入回路由电压互感器和运放组成，电流输入回路由电流互感器和运放组成。A/D转换模块TLC2543，内部集成了多路开关和采样保持器。系统的测量原理为：交流电压、交流电流经过电压互感器(PT)、电流互感器(CT)变成010mA的电流信号、-5+5V的电压信号, 高性能的运放组成的放大电路保证电压取样信号稳定、低噪声、低漂移。经过多路模拟开关的切换和采样保持器对变换后的信号进行采样保持然后送入A/D转换器转换为相应的数字量。单片机对采样值进行数据处理，处理结果可以储存在数据储存单元，也可在液晶显示器上显

31、示所选择的处理结果。锁相环电路的作用是将输入的工频信号进行N倍频，并与输入信号严格同步，产生N倍频同步触发信号，控制采样及保持电路进行A/D转换。系统硬件的总体结构框图如图3-1所示。图3-1 系统硬件的总体结构框图3.2 单片机的选型数据处理部分是将采集来的数据进行转换，主要是由CPU实现。本设计需要选择对数据处理速度要求不是很高，但要求无论是ROM还是RAM都相对比较大的单片机，所以选用ATMEL公司生产的AT89S51芯片。该芯片内部含4KROM、128bytes的RAM。性能优良，使用方便，成本低。3.2.1 AT89S51单片机的组成AT89S51单片机主要包括电源部分、CPU部分、

32、人机界面部分、串行通讯部分、接口应用部分、系统扩展部分。1.电源部分提供5V直流电源，正常工作电流0.2A左右，选择5V、1A的开关电源。2.CPU部分CPU采用ATMEL公司的AT89S51，有16K程序存储器。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统

33、中得到广泛应用。3.人机界面部分可选择128×64点阵液晶屏、32字符液晶屏或8位数码管三种方式进行显示，还可安装8×8点阵屏。采用数码管、键盘专用芯片BC7281B，接线简单，几乎不占用CPU时间。4.接口应用部分2路12位模/数转换芯片为MCP3221，2路12位数/模转换芯片为DAC7571，它们采用I2C总线控制，体积小、速度快、精度高。8路I/O扩展采用串行芯片PCF8574，驱动能力强，可双向控制。2M字节Flash存储器芯片为M25P16,可存储大批量数据。5.系统扩展部分由于采用先进的总线切换技术，只使用了小部分CPU的I/O口线，大部分可用于系统扩展。3.

34、2.2 AT89S51单片机的I/O端口分配单片机的I/O具体使用情况如下表1所示。表1I/O口线使用情况扩展性P0.0P0.7液晶屏数据总线直接扩展使用P1.0TLC2543SDOP1.1TLC2543SDIP1.2TLC2543“有效”选择线P1.3TLC2543时钟线P1.4TLC2543EOCP1.5未用P1.6未用P1.7未用P2.0P2.7显示器控制线P3.0未用P3.1未用P3.2T0外中断，输入脉冲信号P3.3未用P3.4未用P3.5未用P3.6未用P3.7未用3.2.3AT89S51单片机的复位和时钟电路1. 复位电路单片机的复位电路是靠外部电路实现的，在时钟电路工作以后，只

35、要在RESET端加上大于10ms的高电平，单片机便能实现复位。若RESET端保持高电平，单片机将循环复位。单片机一般要求在上电时，或者按复位键时复位。复位电路如图3-2所示。2. 时钟电路XTAL1和XTAL2脚分别构成片内振荡器的反相放大器的输入和输出端，外接石英晶体或陶瓷振荡器以及补偿电容C1、C2构成并联振荡电路。当外接石英晶体时，电容C1、C2选30pF±10 pF；当外接陶瓷振荡器时，电容C1、C2选47pF±10 pF。外接电容C1、C2的大小会影响振荡器频率的高低、振荡频率的稳定度、起振时间及温度稳定性。在本系统中，选用12MHz的标准石英晶振，电容C1、C2

36、选22pF。时钟电路如图3-3所示。 图3-2 复位电路 图3-3 时钟电路3.3 数据采集电路数据采集电路由电流、电压输入回路、采样保持及模/数转换器TLC2543、锁相倍频电路构成。由于采集的对象为电压、电流等模拟量，所以必须经A /D转换器变成数字量以后，才能送入AT89S51进行处理。3.3.1电压及电流输入回路被测的交流电压和交流电流信号首先经过互感器隔离变换和输出电路将其规范为A/D转换器的电压输入范围内的相应电压信号。下面分别介绍电压输入回路和电流输入回路。电压输入回路如图3-4所示，外界输入电压经过选型为100:3.3的电压互感器变换后，若以100V题设正常电压计算，则转化为供

37、给A/D转换器的输入信号为3.3V的双极型电压信号，后再输入单片机进行处理与计算。但在实际工作过程中处于强干扰的环境下工作，电信号到达监控元件输入端口时，波形往往由于干扰而出现失真，对检测精度带来严重的影响。因此，在对模拟信号进行A/D转换时必须进行波形的调制，即通过滤波器去除干扰，使达到监控单元入口的信号尽可能保持原来的波形。有效的滤去了高倍谐波的干扰，放大倍数由于电压互感器的合适选取，得到变换后的电压信号正常情况下为3.3。电压信号在AD芯片输入范围内，为方便处理，将信号转化为5V范围内，这里选取的放大倍数为3:2.电路由电压互感器及高性能运放组成，电压互感器隔离了电网上的各种干扰，对内部

38、电路起保护作用，高性能的运放保证电压取样信号稳定、低噪声、低漂移。图3-4 电压输入回路电流输入回路如图3-5所示，此电路由电流互感器及高稳定度的电阻和高性能运放组成，将电流信号变为与输入电流信号成正比的电压信号输出。电流输入信号电路与上面的电压环节电路不同的是多了一个电流/电压变换电路。因为电流互感器二次侧输出的总是电流，但是A/D转换的模拟输入端只接受允许幅值的电压，在使用电流输出的变压器或电流互感器作为现场参量的信号变换时，必须经过电流/电压变换电路将电流变换成与电流成正比的电压。选取1K的电阻，可直接将电流信号转化为10V的电压信号，因此电路的放大倍数为1，无须放大。图3-5 电流输入

39、回路电路中采用了AD公司生产的一种高精度运算放大器芯片AD OP27。它具有极低的失调电压、偏置电流和温漂系数，长期稳定性能指标为0.20.5uV/每月。AD OP27具有较高的共模输入范围（14V），共模抑制比（CMRR=120-126DB）。他的供电范围较宽（3-18V），能够使低电平信号得到精确的高增益放大。3.3.2 A/D转换在智能化测量仪器中，为了能够实现对外界模拟信号的测量，必须要采用数据采集系统将信号送入仪表之中。数据采集系统是外部信号进入仪表内部的必经之路。多路数据采集电路包括多路模拟开关、采样/保持器、A/D转换器。模拟开关将多路被测模拟信号轮流送入采样/保持器，采样/保持

40、器的作用是为了给A/D转换器提供一个稳定的输入信号以满足A/D转换器的动态特性。为了简化电路的硬件结构，本设计采用模数转换器TLC2543。1.TLC2543芯片 TLC2543是一种12位开关电容逐次逼近式模数转换器，带有SPI（Serial Peripheral Interface）接口。它消除了以往许多AD芯片并行输出，连线复杂的特点，并在AD转换结果串行输出的同时，可以串行输入下次AD转换位的控制字。该芯片提供的最大采样速率为66ksps，供电电流仅需1mA（典型值）。TLC2543的引脚图如图3-6所示。它有3个输入控制端：片选（），I/O时钟（I/O CLOCK）以及数据输入端(D

41、ata Input),同时还可以通过串行的三态输出端与主处理器及其外围串行口进行通讯，以输出转换结果。除了高速的转换功能和通用的控制能力外TLC2543的片内还具有14通道多路器，可以选择11个模拟输入通道（AIN0AIN10）或三个自测电压（self-test）中的一个。转换结束时，EOC输出变高，指示转换完成。编程器件的DATA INPUT管脚串行输入的8位数据通道/方式控制字节的高4位，可以选择11个模拟通道的任何一个。也可校正或其他用途。通道/方式控制字节的低4位用于选择输出数据的长度（8、12或16位）、输出数据的顺序（以MSB开始或以LSB开始）和是否需要单极性（二进制）或双极性（

42、二进制补码）格式。图3-6 TLC2543的引脚图2. TLC2543的接口电路TLC2543有十一路模拟输入通道，它将多路开关、采样保持、12位A/D转换，基准电源，内部时钟等集成于一个芯片内，大大提高了可靠性，此部分电路将信号输入电路传来的信号进行 A/D 变换，将模拟输入量变成数字量，送给CPU进行处理。系统的采样时间间隔为0.5s。采样时，在1个信号周期内对电压、电流等时间间隔准确采样16点，并把结果送入片外数据存储器相应的存储页内。采样完毕后，对采到的数据进行数字滤波，计算有效值。TLC2543和AT89S51微处理器的接口电路如图3-7所示。TLC2543的数据输入、片选CS、I/

43、O时钟由并行双向I/O口1的管脚P1.1、P1.2、P1.3提供。TLC2543的转换结果数据通过口1的P1.0脚接收。EOC为TLC2543转换结束端，在最后的CLK下降沿之后，EOC从高电平变为低电平，并保持到转换完成为止。通道选择和方式数据通过口3输入到微处理器。图3-7 TLC2543的接口电路3.3.3锁相倍频电路 锁相环及分频器电路是将输入的工频信号进行N倍频，并与输入信号严格同步，产生N倍频同步触发信号，控制采样及保持电路进行A/D转换。具体方法是：用锁相环路来控制采样的定时和速率，如图3-8所示。锁相环路中的压控振荡器的输出，经分频器分频，变成一种接近输入同步信号基频的参考脉冲

44、，在相位比较器的输入端，直接跟输入同步信号进行相位比较，相位比较器的输出，是比例于参考信号和输入同步信号之间的相位差的直流分量。用于控制压控振荡器的振荡频率，当达到锁相状态时，即可实现同步采样。图3-8锁相倍频电路 1. 锁相环的基本元理锁相倍频电路由整形电路、鉴相器、低通滤波电路、压控振荡器、分频器等组成。其中的鉴相器PD、低通滤波器LPF及压控振荡器VCO组成锁相环路，并形成一个闭环反馈系统。为参考频率，鉴相器将与进行相位比较，即产生一个正比于其相位差的误差电压，从而使得VCO输出频率与参考频率差减小。当与充分接近时PLL的闭环性质将迫使=，亦即PLL锁定，所以有关系： （3-3）式中为鉴

45、相器增益系数；为参考频率的相位；为分频器输出频率的相位(即的相位)。设压控振荡器输出频率与控制电压呈线性关系： （3-4）其中，为VCO的斜率，由于频率是相位的导数，故有 （3-5）取拉氏变换 （3-6）则 （3-7）其中，F(s)为LPF的传递函数。将上述二式合并，整理有 （3-8）一般环路滤波器为RC低通或比例积分滤波器，其传递函数为F(S),F(S)为。将F(S)代入H(S)中，对应的环路传递函数为二阶系统，只要选取适当的RC值就可以使得一阶系统能迅速锁定。 2. 器件的选择本设计采用CD4046和可预置计数器CD4518组成100分频的锁相倍频电路。CD4046是通用的CMOS锁相环集

46、成电路，其特点是电源电压范围宽（为3V18V），输入阻抗高(约100M)，动态功耗小，在中心频率为10kHz下功耗仅为600W，属微功耗器件。图3-9是CD4046引脚图，图3-10是芯片CD4046内部电路原理框图，主要由相位比较1、2、压控振荡器（VCO）、线性放大器、源跟随器、整形电路等部分构成。输入信号从14脚输入后，经放大器A1进行放大、整形后加到相位比较器1、2的输入端，图中开关K拨至2脚，则比较器将从3脚输入的比较信号与输入信号作相位比较，从相位比较器输出的误差电压则反映出两者的相位差。经R3、R4及C2滤波后得到一个控制电压加至压控振荡器VCO的输入端9脚，调整VCO的振荡频率

47、，使迅速逼近信号频率。VCO的输出又经除法器再进入相位比较器1，继续与进行相位比较，最后使得，两者的相位差为一定值，实现了相位锁定。若开关K拨至13脚，则相位比较器2工作。图3-9芯片CD4046引脚图图3-10芯片CD4046内部电路原理框图CD4046采用16脚双列直插式，各引脚功能如下：1脚相位输出端，环路入锁时为高电平，环路失锁时为低电平；2脚相位比较器1的输出端；3脚比较信号输入端；4脚压控振荡器输出端；5脚禁止端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作；6、7脚外接振荡电容；8、16脚电源的负端和正端；9脚压控振荡器的控制端；10脚解调输出端，用于FM解调；11、12脚外接振荡电

48、阻；13脚相位比较器2的输出端；14脚信号输入端；15脚内部独立的齐纳稳压管负极；3. 锁相倍频电路用CD4046与BCD加法计数器CD4518构成的锁相倍频电路如图3-11所示。刚开机时，可能不等于，假定<，此时相位比较器2输为高电平，经滤波后逐渐升高使VCO输出频率迅速上升，增大值至=，如果此时滞后，则相位比较器2输出为低电平。经滤波后得到的信号开始下降，这就迫使VCO对进行微调，最后达到/N=，并且与的相位差为0°，进入锁定状态。如果此后又发生变化，锁相环能再次捕获，使与相位锁定。图3-11倍频电路图3.4 LCD显示电路随着大量电子仪器、设备的多功能化、智能化，并且普遍

49、采用人机交互方式，需要能够显示更为丰富的信息和通用性较强的显示器，而点阵式 LCD 显示器能够满足这一要求，同时采用大规模专用集成电路作为点阵LCD控制驱动，使用者仅仅直接送入数据和指令就可以实现所需的显示。这种由LCD板、PCB 板、控制驱动电路所组成的单元叫做字符型点阵液晶显示模块。这种字符型点阵液晶显示模块具有重量轻、体积小、功耗低、指令功能强、接口简单方便、工作温度范围宽和可靠性高等特点。字符型点阵液晶显示模块具有重量轻、体积小、功耗低、指令功能强、接口简单方便、工作温度范围宽和可靠性高等特点。所以本设计选用SVM1602点阵液晶显示模块。3.4.1 LCD显示模块的简介1SVM160

50、2的主要特性SVM1602图形点阵液晶显示模块，可显示16（字符）2（行），每个字符由58点阵组成,与单片机的借口采用8位数据传输方式。有内置的字库和显示RAM。当需要显示指定的字符时，单片机只需通过8位数据线将该字符的ASCII送入对应的显示RAM（DDRAM）单元中，而字符的产生及显示数据的扫描均由SVM1602自动完成。SVM1602的内部有两个重要的寄存器，分别为：指令寄存器和数据寄存器；单片机通过往这两个寄存器写入命令和数据俩实现控制液晶模块工作和数据显示的功能。2. SVM1602的管脚功能SVM1602的各管脚功能如表3-1所示。表3-1引脚号引脚名称方向功能说明1VSS-模块的

51、电源地2VDD-模块的电源正端3VEE-LCD驱动电压输入端4RSH/L并行的指令/数据选择信号；串行的片选信号5R/WH/L并行的读写选择信号；串行的数据口6EH/L并行的使能信号；串行的同步时钟714D0D7H/L数据0715LEDK（LED0V）背光源负极16LEDA（LED+5V）背光源正极3.4.2 LCD显示电路的原理LCD显示模块SVM1602与单片机的接口电路图如图3-12所示。引脚714接单片机P0口进行数据传输，由于P0口内部没有上拉电阻不能输出高电平，因此在P0口接上了一个10K的排阻RP9作为P0口的上拉电阻。引脚46的三根控制线接P2口。LCD液晶显示器的背光LED灯

52、采用电源直接驱动控制。图3-12 LCD显示模块SVM1602与单片机的接口电路图3.5 频率测量电路电压信号 频率测量只需通过电压信号来测量。原理框图如图3-13所示。被测交流工频信号经过低通滤波器，滤除高频干扰信号，再经过零比较电路形成方波，送给锁相倍频电路，进行100倍倍频给单片机的T1计数器数，用单片机的另一定时器/计数器T0进行 100ms定时。定时结束后，取出 T1计数器中的计数值，再除以10即为被测频率。图3-13 测频电路的原理框图由图3-14可知，频率测量电路由电压输入回路，低通滤波电路，过零比较电路和锁相倍频电路组成。电压输入回路和锁相倍频电路已经在前面介绍过，下面分别介绍

53、低通滤波电路和过零比较电路。3.5.1低通滤波电路本文所设计的低通滤波电路由一阶RC低通滤波电路，电流/电压转换电路和钳位电路组成。1.低通滤波电路的原理由于本系统采用的是芯片CD4046，故只需要低通滤波电路对高频干扰信号进行滤除，互感器输出的是电流信号，需经电流/电压转换电路变成电压信号，以满足单片机采样是电压的要求。有时，装置的输入电压或电流可能会超过所设计的测量范围，有可能损坏A/D转换器的输入引脚，因此使用稳压管构成钳位电路，使稳压管钳位电压略高于满量程时输出的峰值电压，以防止因稳压管漏电流而引起的波形失真。这三个部分的原理图如图3-14。如图所示，是从互感器出来的电流信号，R0,C

54、l, R1和R2组成了一个一阶RC低通滤波器，其通带截止频率可以表示为 (3-9)同时，R1和R2也起到电压/电流转换的作用，通过采用电阻串联电位器的结构可以调节使电压在-1.25V+1.25V之间变换。图3-14低通滤波电路2.器件参数的选择在这部分中，最重要的是选择器件的参数。要满足两个条件：一是设计的低通滤波器的截止频率要保证可以滤掉高次(频率为1600Hz)以上谐波成分：二是R1和R2的串联组合可以使输出电压在-1.25V+1.25V之间变化。经过计算，选择器件如下：R0=110 , Cl=1uF，R1=700 ,R2=100，D1=D2=2.5V。其中C1选用瓷片电容，有较好的滤除高

55、频作用；R0, Rl, R2选择精密电阻和电位器，可以避免温漂对滤波和取样的影响，此时可计算得到模拟低通滤波器的截止频率为=1612HZ。可以满足设计要求。3.5.2过零比较电路 1. 过零比较电路的原理由于互感器副边输出的是存在正负特性的交流信号，而单片机采集时，选择的参考电压为2.5 V，因此在交流信号经过电流/电压转换后，需要电平抬升电路将有正负值的双极性正弦波信号抬升到单片机可以采集的02.5 V的单极性信号。这里使用过零比较电路来进行抬升，取2.5V作为抬升电压，使用THOMSON公司生产的高精度运放OP07C作电平变换，即可将信号电平变为02.5V。具体电路图如图3-15所示。图3-15过零比较电路2.器件参数的选择用、分别表示、，用表示R4与RW之和，如图可得输入输出电压和抬升电压之间的关系如下所示 (3-10)当R1=10K、R2= R3=20K、R4=8K时，并且R+RW=10K时，上式可化简为 (3-11) 当输入电压范围为-1.25V+1.25V时，被抬升为02.5V。为保证抬升电路的比例精度，R1、R2、R3、R4、RW均取精密电阻；反馈电阻R取电阻串联电位器的结构，可对比例系数进行微调；由于抬升电压为单片机内部参考电压输出，其精度可达0.04%，温漂100ppm，因此可以满足精度要求。3.6 电源