铁道大学四方学院毕业设计

PAGE8用电设备功率测试仪ElectricalEquipmentPowerTestInstrument一、主要内容设计一个用电设备的用电环境和功率检测的检测装置，用以测出用电器的瞬时功率、电流、负载的性质及功率因数，以及用电环境的电压、电流、频率等。二、基本要求1．设计一个检测装置，使用电器通过此设备接通电源时可在设备上读出所需参数。连接图如图1.图12．当用电设备接上该装置工作时，用电设备可正常工作，屏幕上可根据功能按钮选择显示用电设备功率、工作电压、电流、工作时间、累计电能、负载的功率因数电源频率等信息3．具有过载保护和漏电保护。4．完成硬件电路图设计，程序设计，电路版图设计，设计说明书正文不少于1万字，查阅文献资料不少于15篇，其中外文文献2篇以上，翻译与课题有关的外文资料不少于3000汉字。三、主要技术指标（或研究方法）1.工作电压AC220V、频率50Hz，电流0.5-5A，精度1.0级。2.功耗：≤1.0W，工作电压范围在在70％～120％的额定电压范围内，能正常工作，且保持准确度符合等级要求,并能承受400V电压而不损坏。3.可累积负载工作时间，以及负载所有电能累积。4.最大负载功率1200VA。四、应收集的资料及参考文献电工与电子技术单片机编程与控制技术模数转换技术及应用Lcd应用指南电力电子技术五、进度计划第1周：开题，完成开题报告。第2周——第3周：资料收集，文献阅读。第4周——第8周：系统设计，电路实现，程序仿真。第9周——第11周：期中检测，系统综合调试。第12周：系统统调完成。第13周——第14周：设计说明书撰写。第15周——第16周：答辩环节。教研室主任签字时间年月日毕业设计开题报告题目用电设备功率测试仪设计学生姓名刘猛学号20086383班级0809-3专业电气工程系一、本课题的研究背景近年来，随着冶金工业、化学工业和电气化铁路的发展，以及直流输电、大功率单相整流技术在工业部门和用电设备上的广泛应用，电力系统的污染也日益严重。目前,各国都十分重视电能质量的管理，我国已先后颁布了五个有关电能质量的国家标准。《电力法》正式颁布实施后，有关部门又制定了相应的《电能质量监督管理办法》。

功率测试仪可对各种工况的工业用电设备、工频各线制电路可进行不断电综合测量，同时完成交流电流、交流电压、有功功率、无功功率、功率因数、电网频率等项目的测定。

功率测试仪是为工矿企业开展节能工作和用电设备维护而设计的专项仪表。该仪表采用微机技术，汇集诸多电能测试项目、快速采样、高精度，使该仪表的功能庞大、质量优越，且能自动打印出实测数据帮助用户科学地、正确地开展工作。

功率测试仪小巧便携、使用可靠、测量方便，极大地方便了工矿企业节能工作和用电设备维护的管理。

二、国内外研究现状电子式电能表的发展历程可以概括为:20世纪90年代初期的以机电一体为主的工业多费率电能表;中期的电子式电能表;中后期IC卡电能表、电力载波仪表等.目前随着电子技术的发展,主要是芯片的发展,电能计量产品百花齐放.2000年初，电力供应紧张，国家试行并加大两部制电价和分时计费的应用范围,上海市推行黑白表也使得多费率电能表得以迅速发展,促进了电子式多费率电能表的使用.2002年,国家发展改革委正式发布推荐使用分时计费的产业政策.在市场的推动下,电子式电能表发展迅猛.由于电子式电能表具有数字通信接口,促使电能计量及用电管理自动化系统得到了大量使用（负荷控制系统、远程抄表系统）,各类抄表系统的可靠性、实用性有了较大提高.近年电力需求紧张,使负荷控制得到了一定的发展.即使将来电力充足,从节能环保角度而言,负荷控制产品仍然具有实际意义.随着电力部门对用电政策的调整,国家逐步推行分时电价等政策,国内民用电能表的市场需求正在悄悄地从以感应式电能表为主体向以电子式电能表为主导转变,具体表现为从普通功能型电能表向长寿命、多费率、多功能、高科技型电能表方向过渡.从这一角度考虑,研究该课题也是有很重要的现实意义的。三、设计进行的主要工作一、开题，完成开题报告。二、资料收集，文献阅读。三、系统设计，电路实现，程序仿真。四、期中检测，系统综合调试。五、系统统调完成。六、设计说明书撰写。七、答辩环节。四、采用的方法、手段本课题所研制的功率测量仪所采用的方法是以单片机为核心，采用了交流采样计算技术，能完成对电压、电流取样，利用芯片进行测量，以软件代替了传统仪器中的大量硬件，将多种测量功能集于一身，用一台仪器就可以测量电流电压有效值、有功功率、频率，功率因数，电能等电参数。用软件和小硬件，相结合实现设备所应实现的功能。五、预期达到的结果使用电器通过此设备接通电源时可在设备上读出所需参数。当用电设备接上该装置工作时，用电设备可正常工作，屏幕上可根据功能按钮选择显示用电设备功率、工作电压、电流、工作时间、累计电能、负载的功率因数电源频率等信息。具有过载保护和漏电保护。指导教师签字时间年月日摘要本设计的得主要目的是设计一款简单的用电设备功率检测的仪器，为了实现设备的用电的电参数的测量。可以测量出用电设备功率、工作电压、电流、工作时间、累计电能、负载的功率因数电源频率等信息。本设计所采用的方法是以STC89C52单片机为核心，采用了交流采样计算技术，能完成对电压、电流取样，利用CS5463进行测量，以软件代替了传统仪器中的大量硬件，将多种测量功能集于一身，用一台仪器就可以测量电流电压有效值、有功功率、频率，功率因数，电能等电参数。需要经CS5463接受信号并把信号进行处理计算，在把信号传给STC89C52在经过相应的处理传给显示器，把所需要的信号显示出来。本设计设计完后的结果，经测试可以根据按键的按下可以显示用电设备相应的信息，如功率、工作电压、电流、工作时间、累计电能、负载的功率因数电源频率等信息。用电设备功率测试仪可对各种工况的工业用电设备、工频各线制电路可进行不断电综合测量，同时完成交流电流、交流电压、有功功率、无功功率、功率因数、电网频率、工作时间等项目的测定。还有过载和漏电保护，可以保证电路的安全和人身的安全。可以为我们的应用提供很大的方便。此设备电源方便是5V的电源，可以用电池来提供，也可以通过USB来供应电。关键字：电压；功率；电参数；AbstractThedesignofthemainpurposeistodesignasimpleelectricalequipmentpowerdetectionapparatus,inordertorealizetheequipmentsusedinelectricparametermeasurement.Canmeasuretheelectricalequipmentpower,voltage,current,time,accumulativetotalelectricenergy,theloadpowerfactorpowerfrequencyandotherinformation.ThisdesignusesthemethodistheSTC89C52microcontrollercore,adoptingACsamplingcomputingtechnology,canfinishonthevoltage,currentsampling,theuseofCS5463measurement,softwareinsteadoftraditionalinstrumentsinalargenumberofhardware,variousmeasurementfunctionsinabody,withoneinstrumentcanmeasurethecurrentandvoltageeffectivevalue,reactivepower,powerfactor,frequency,powerandotherelectricalparameters.RequiredbytheCS5463receivesignalsandthesignalsareprocessedtocalculate,thesignalissenttotheSTC89C52aftercorrespondingtreatmenttothedisplay,totheneedsofthesignaldisplay.Thisdesignafterthedesignresults,thetestcanbebasedonthekeypresscanbedisplayedwiththeelectricalequipmentcorrespondingtotheinformation,suchaspower,voltage,current,time,accumulativetotalelectricenergy,theloadpowerfactorpowerfrequencyandotherinformation.Electricalequipmentpowertestinstrumentforvariousoperatingconditionsofindustrialelectricequipment,powerofeachlinecircuitforpowermeasurement,atthesametimealternatingcurrent,ACvoltage,activepower,reactivepower,powerfactor,frequency,timeofprojectdetermination.Andoverloadandleakageprotectioncircuit,canguaranteethesafetyandpersonalsafety.Wecanprovidegreatconveniencetotheapplication.Thisequipmentpowersupplyconvenientisthe5Vpowersource,batteriescanbeusedtoprovide,canalsouseaUSBtosupplyelectricityKeyword:Voltage;power;electricparameter;目录第1章绪论 19476\h11.1课题研究的背景 11.2研究课题的意义 11.3研究课题的主要内容 2HYPERLINK\l"_Toc322519480"第2章总方案设计 32.1功能要求 32.2设计思路 32.3方案选择 32.3.1控制模块的选择 32.3.2按键方案的选择 32.3.3芯片方案的选择 PAGEREF_Toc322519486\h32.5总体设计框图 4第3章系统硬件设计 63.1概述 6HYPERLINK\l"_Toc322519490"3.2主控模块 63.2.1STC89C52芯片的简介 63.2.2主控模块电路原理图 93.3CS5463处理模块 93.3.1CS5463芯片简介 93.4LCD1602显示模块 103.5MAX232芯片简介 113.6漏电保护器和过载保护器设计 113.6.1漏电保护器的特点 123.6.2应注意的几个问题 123.6.3电流型漏电保护器的额定值 133.6.4应用范围和方法 143.6.5漏电保护的工作原理 14第4章软件系统设计 174.1计时模块设计 174.2计算模块设计 322519505\h174.2.1CS5463工作原理 174.2.2电压电流测量 184.2.3功率测量 18第5章系统分析与调试 19第6章操作说明 21第7章总结 22参考文献 23致谢 24附录 25附录A外文翻译 \h25附录B硬件原理图 38附录C程序代码 39石家庄铁道大学四方学院毕业设计PAGE8PAGE49第1章绪论1.1课题研究的背景电子式电能表的发展历程可以概括为:20世纪90年代初期的以机电一体为主的工业多费率电能表;中期的电子式电能表;中后期IC卡电能表、电力载波仪表等.目前随着电子技术的发展,主要是芯片的发展,电能计量产品百花齐放.2000年初，电力供应紧张，国家试行并加大两部制电价和分时计费的应用范围,上海市推行黑白表也使得多费率电能表得以迅速发展,促进了电子式多费率电能表的使用.2002年,国家发展改革委正式发布推荐使用分时计费的产业政策.在市场的推动下,电子式电能表发展迅猛.由于电子式电能表具有数字通信接口,促使电能计量及用电管理自动化系统得到了大量使用（负荷控制系统、远程抄表系统）,各类抄表系统的可靠性、实用性有了较大提高.近年电力需求紧张,使负荷控制得到了一定的发展.即使将来电力充足,从节能环保角度而言,负荷控制产品仍然具有实际意义.随着电力部门对用电政策的调整,国家逐步推行分时电价等政策,国内民用电能表的市场需求正在悄悄地从以感应式电能表为主体向以电子式电能表为主导转变,具体表现为从普通功能型电能表向长寿命、多费率、多功能、高科技型电能表方向过渡.从这一角度考虑,研究该课题也是有很重要的现实意义的1.2研究课题的意义电力是人们常生活和工业生产中的主要能源，在现代社会中起着越来越重的作用。电测量仪是一种测量电网中电压、电流、功率等参数的仪器，它在电力系统中起着非常重要的作用。电测仪表的发展经历了三个阶段。第一代是指针式仪表，如模拟万用表、电压表、电流表，这些仪表的基本结构是电磁式、电动式、感应式、静电式等，由于这类仪表本身的机械结构和电磁结构的不稳定性和复杂性，一般精度较低，稳定性较差，应用场合有一定的局限性。但由于它的原理简单、坚固耐用、容易生产、成本低，因而还在广泛使用。第二代是数字测量仪表，这类仪表的基本原理是将被测量模拟信号通过电子线路转变为数字信号，进行计算并显示出来。这类仪器同指针式仪器相比较精度有了很大的提高，能直观读取测量结果，而且可靠性高，易于使用。但电子线路比较复杂，不能自动适应测量环境的变化，而且仪器的校准复杂。第三代是智能仪器。所谓智能仪器，一般指含有微处理器的仪器，通过微处理器来控制数据的采集，并对数据进行处理。因此能够用软件的方法实现信息的采集、处理和存储，大大简化了仪器的整体结构。这类仪器的硬件基础是采集技术和输入输出技术，而软件基础在于采样数据的处理方法。此设计优于以前的设计，此测量仪体积小，电源方便，便于携带。更方便我们去应用，所以此设计必将是发展的主流方向。1.3研究课题的主要内容本课题所研制的用电设备功率测量仪以STC89C52单片机为核心，采用了交流采样计算技术，能完成对电压、电流取样，利用CS5463进行测量，以软件代替了传统仪器中的大量硬件，将多种测量功能集于一身，用一台仪器就可以测量电流电压有效值、有功功率、频率，功率因数，电能等电参数。并根据按键选择显示出所需要的数据。并研究了漏电和过载保护的应用。第2章总方案设计2.1功能要求能够实现在工作电压AC220V、频率50Hz，电流0.5-5A，精度1.0级。功耗：≤1.0W，工作电压范围在在70％～120％的额定电压范围内，能正常工作，且保持准确度符合等级要求,并能承受400V电压而不损坏。可累积负载工作时间，以及负载所有电能累积。最大负载功率1200VA时能测出设备的工作电压、电流、工作时间、累计电能、负载的功率因数电源频率等信息2.2设计思路在测试仪的前端安装一个过载和漏电保护器，在将电压降低为12V，这样可以安全的去测量以免烧坏器件或者电到人，输入信号进入设备，先进行初始化，在进行数据处理，在根据功能选择将需要显示的数据显示出来。如果电压锅遇400V或者负载超过1200VA，过载保护器会断电，来保护设备的安全。2.3方案选择2.3.1控制模块的选择方案一：用过载和漏电保护器控制主电路。把220V的电压通过ZM-BMT电压互感器将电压降低到12V，在接入测量电路进行测量。方案二：用过载和漏电保护器控制主电路。用变压器把220V的电压降低到12V，在接入到电路进行测量。2.3.2按键方案的选择方案一：采用STC89C52的独立键盘，但其独立键盘只有4个按键，按键数量够用，这样可以进行测量，所以可以应用。方案二：采用STC89C52的矩阵键盘，其矩阵键盘具有16个按键，数量够用，能够满足课题的要求。但是太多，为设计增加了不少负担。2.3.3芯片方案的选择方案一：AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS型8位单片机，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大。其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护我们的劳动成果。再者，AT89C51目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。只要程序长度小于4K，四个I/O口全部提供给用户。可用5V电压编程，而且擦写时间仅需lOms。AT89C51芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。PO口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。方案二：STC89C51系列单片机的指令系统和AT89C51系列的完全兼容，但实际操作起来却存在很多问题：（1）AT89C51不带ISP下载，要用下载器才行，STC89C52可以用你的USB转串口下载，下载软件可以到STC厂家网上去下。（2）STC单片机执行指令的速度很快，大约是AT的3-30倍，尽管快是好事，但这样一来，你在AT上好使的程序在STC上不一定好用，最典型的例子就是那些对时序有严格要求的模块，用STC时注意得加长延时，大约是AT的10—30倍就差不多，这一点自己调试就知道了。（3）STC单片机对工作环境的要求比较低，电压低于5伏时仍然正常工作，甚至3伏到4伏之间都还可以工作，然而这样的环境下AT肯定不行了，所以当一个系统用STC单片机好用，但用AT的单片机不工作时，直接查最小系统，看单片机的供电是否正常。比较这两种方案，由于在学校期间学过数字电路、单片机原理、C语言程序设计，综合考虑单片机的各部分资源和作为学生能够获得的资源，经过对比此次设计要求，我选择用STC系列芯片完成。而且学校也提供了相应的硬件操作平台，实际操作起来比较方便，故STC为更合理的选择。（4）CS5463是一个包含两个ΔΣ模-数转换器（ADC）、功率计算功能、电能到频率转换器和一个串行接口的完整的功率测量芯片。它可以精确测量瞬时电压,电流和计算IRMS、VRMS、瞬时功率、有功功率、无功功率，用于研制开发单相、2线或3线电表。CS5463可以使用低成本的分流器或互感器测量电流，使用分压电阻或电压互感器测量电压。可以测量瞬时电压,电流和功率；IRMS和VRMS,视在功率,有功和无功功率,功率因数,频率；有功的基波和谐波功,无功的基波功率。另外，它具有低功耗特性（功耗＜12mW）。2.5总体设计框图按照系统功能的具体要求，在保证实现其功能的然础上，尽可能降低系统成本。总体设计方案围绕上述思想，初步确定系统的方案如图2-1所示。显示模块1602LCdSTC89C显示模块1602LCdSTC89C52主控模块SC5463处理模块按键模块按键模块图2-1系统初步方案从图中可以看出，系统有微处理器模块、数码管显示模块、键盘模块和LED灯显示模块组成。在方案设计中，遵循简洁至上的原则，因此所有的外围模块采用串行方式与微处理器模块接口。该设计以STC89C52系列单片机为控制核心，实现测量的基本功能。在设计系统时，为了更好地采用模块化设计法，分步的设计各个单元功能模块，系统的硬件部分可以分为键盘设定、单片机控制、LCD显示三大部分。第3章系统硬件设计3.1概述此次的毕业设计主要由4个大的模块构成，分别是主控模块、处理芯片模块、LCD显示模块、键盘控制模块，其中主控模块是此次毕业设计的核心模块，主要是指STC89C52芯片，它控制整个系统的运行，利用其各个口分别控制其他模块，使其他模块能够成为一个整体，实现功能的需要；CS5463进行信号处理，进行计算等；而LCD显示模块是整个系统的辅助模块，用来显示需要测得数据；按键控制模块是用按键来控制实现的是哪个功能，对应工作电压、电流、工作时间、累计电能、负载的功率因数电源频率等信息。3.2主控模块3.2.1STC89C功能特性：STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案，如图3-1所示。STC89C52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。主要性能：与MCS-51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：0Hz～33Hz

、三级加密程序存储器

、32个可编程I/O口线

、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。图3-1STC89C52芯片管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASHP3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2输出缓冲器能驱动4个ttl逻辑电平。对p3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（iil）。p3口亦作为stc89c52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash编程和校验时，p3端口引脚第二功能p3.0rxd(串行输入口)p3.1txd(串行输出口)p3.2into(外中断0)p3.3int1(外中断1)p3.4to(定时/计数器0)p3.5t1(定时/计数器1)p3.6wr(外部数据存储器写选通)p3.7rd(外部数据存储器读选通)此外，p3口还接收一些用于flash闪存编程和程序校验的控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.2.2主控模块电路原理图单片机主程序模块通过对键盘扫描程序信号的读取，显示对应的数据。如图3-2所示。图3-2STC89C52模块电路原理图3.3CS5463处理模块3.3.1CS5463芯片简介CS5463是一个包含两个ΔΣ模-数转换器（ADC）、功率计算功能、电能到频率转换器和一个串行接口的完整的功率测量芯片。它可以精确测量瞬时电压,电流和计算IRMS、VRMS、瞬时功率、有功功率、无功功率，用于研制开发单相、2线或3线电表。CS5463可以使用低成本的分流器或互感器测量电流，使用分压电阻或电压互感器测量电压。可以测量瞬时电压,电流和功率；IRMS和VRMS,视在功率,有功和无功功率,功率因数,频率；有功的基波和谐波功,无功的基波功率。另外，它具有低功耗特性（功耗＜12mW）。CS5463是具有功率计算引擎和电能-脉冲转换功能双声道ADC。电压通道输入引脚VIN±两端输入一电压信号波，经10倍增益放大器放大，再通过2ndΔΣ调制器来数字化。同时，电流通道输入引脚IIN±两端输入一电压信号波，为适应不同电平的输入电压，电流通道集成有一个增益可编程放大器（PGA），使输入电平满量程可选择为±250mVrms或±50mVrms。再通过4thΔΣ调制器来数字化。两个调制器的采样速率为MCLK/8。CS5463芯片及管脚图如下：图3-3CS5463管脚图3.4LCD1602显示模块1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以他不能显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）n1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。第1脚：VSS为电源地；第2脚：VDD接5V电源正极；第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）；第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器；第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作；第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端；第7～14脚：D0～D7为8位双向数据端；第15～16脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。图3-41602引脚图3.5MAX232芯片简介MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。图3-5MAX232的管脚图第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。3.6漏电保护器和过载保护器的应用3.6.1漏电保护器的特点漏电保护器在反应触电方面具有高灵敏性和快速性，而且只反应系统的剩余电流。我们知道，正常运行时，系统的剩余电流几乎为零或其值甚小，故漏电保护器动作值可以整定的很小(一般为mA级，最低可整定到6mA)。在系统发生接地故障(如人员触电、设备绝缘损坏碰壳接地等)，则出现较大剩余电流，漏电保护器能可靠地动作切断电源。原理如图3-1所示。图3-1漏电保护器原理图3.6.2应注意的几个问题电流型漏电保护器的分类按动作结构分，可分为直接动作式和间接动作式。直接动作式是动作信号输出直接作用于脱扣器使掉闸断电。间接动作式是对输出信号经放大、蓄能等环节处理后使脱扣器动作掉闸。一般直接动作式均为电磁型保护器，电子型保护器均为间接动作式。在型式上，按保护器具有的功能大体上可分为三类：（1）漏电继电器。只具备检测、判断功能，不具备开闭主电路功能。组装式主要部件有零序电流互感器、漏电脱扣器、试验回路、触头系统和塑料外壳。触头系统有动断触头、动合触头各一，用以将执行信号送向执行机构。试验回路包括试验按钮和模拟漏电阻抗的电阻，用以在运行中试验漏电继电器动作是否正常和灵敏。分装式是将漏电脱扣器分离出来，再由外部接线连接。（2）漏电开关。同时具备检测、判断、执行功能。它是漏电继电器和开关的结合体。（3）漏电保护插座。将漏电开关和插座组合在一起，使插座具备触电保护功能。适用于移动电器和家用电器。3.6.3电流型漏电保护器的额定值（1）额定频率为50HZ。（2）额定电压Un为220V，380V。（3）辅助电源电压Usn为：直流为12、24、40、60、110、220V；交流为12、48、220、380V。（4）额定电流In为6、10、16、2O、25、32、4O、50、（60）、63、100、（125）、160、200、250A。带括号的不优先推荐采用。（5）额定漏电动作电流In•dz为0.006、0.01、（0.015）、0.03、（0.05）、（0.075）、0.1、（0.2）、0.3、0.5、1、3、5、10、20A。带括号的值不优先采用。（6）额定漏电不动作电流的优选值为0.5In•dz。（7）漏电保护器的最大分断时间：l）直接接触保护。当动作电流In•dz≤0.03A时，若保护器流过的零序电流为1倍In•dz时为0.2s，2倍时为0.1s，流过0.25A时为0.04s；2）间接接触防护。流过l倍时为0.2S，2倍时为O.1S，5倍时为0.04s；延时型漏电保护器只适用于间接接触保护，其In•dz＞0.03A。延时保护延时时间的优选值为0.2、0.4、0.8、1、1.5、2s。3.6.4应用范围和方法漏电保护器的应用范围如下：（1）无双重绝缘，额定工作电压在110V以上时的移动电具。（2）建筑工地。（3）临时线路。（4）家庭。防止直接接触带电体保护的动作电流直为30mA，0.1s内动作。可按需要安装间接接触保护的漏电保护器。漏电保护器运行维护注意事项如下：（1）遇有问题，应分析处理，不得擅自退出运行，或有意识使其失效。（2）在正常运行时跳闸，若原因为电动机启动或大电流冲击，则采取交替启动，适当调整定位，或带短延时躲过冲击。若系下雨等原因使漏电流增加造成，则可临时调节灵敏度。直接接触保护为人体直接接触带电体的保护。间接接触保护为人体接触由于漏电等故障，使金属外壳带电的保护。正确合理地选择漏电保护器的额定漏电动作电流非常重要:一方面在发生触电或泄漏电流超过允许值时,漏电保护器可有选择地动作;另一方面,漏电保护器在正常泄漏电流作用下不应动作,防止供电中断而造成不必要的经济损失。第4章软件系统设计在对我们所要设计的课题有了整体的了解之后，需要先建立程序框架的流程图，对整个设计划分模块，逐个模块实现其功能，最终把各个子模块合理的连接起来，构成总的程序。主程序首先要对整个系统进行初始化，然后将指令传给芯片，设置按键功能，按下按键，看其对应的按键，完成预期的功能。如图4-1所示图4-1主程序流程图4.1计时模块设计工作方式1,8位定时器自动重装载，工作方式0,16位定时器，波特率9600bit/s，串口在工作方式1，串口可以中断，但是在初始化完毕后，电流、电压有效值需要空读一次。芯片CS5463可以实现此功能。4.2计算模块设计4.2.1CS5463工作原理CS5463是具有功率计算引擎和电能-脉冲转换功能双声道ADC。电压和电流通道测量与功率计算方法的数据流程是在Figure3和Figure4描述。电压通道输入引脚VIN±两端输入一电压信号波，经10倍增益放大器放大，再通过2ndΔΣ调制器来数字化。同时，电流通道输入引脚IIN±两端输入一电压信号波，为适应不同电平的输入电压，电流通道集成有一个增益可编程放大器（PGA），使输入电平满量程可选择为±250mVrms或±50mVrms。再通过4thΔΣ调制器来数字化。两个调制器的采样速率为MCLK/84.2.2电压电流测量数字滤波器输出字是基于DC偏移量调整和增益校准。校准后测量的瞬时电压,电流是有效的。RMS值是利用最近的N（N值放在周期计数寄存器中）个瞬态电压/电流采样值计算，这些值可从Vrms和Irms寄存器中读出。4.2.3功率测量瞬态电压/电流的采样数据相乘，得到瞬时功率。N个瞬时功率平均计算出有功功率的值用来驱动电能脉冲E1输出。电能输出E2是可选的，可指示电能方向，也可输出与视在功率成正比的脉冲。电能输出E3提供一个与无功功率或视在功率成正比的脉冲输出。E3还能表示为电压通道的电压符号，或作为PFMON比较器输出。视在功率：功率因数：（4-1）平均无功功率：（4-2）4.3软件运行环境本设计是在KeilC环境下开发的，KeilC软件支持C语言的编程及调试，运用方便，是做C语言毕业设计者的首选。设计的首要任务是安装和学习使用这个软件，在简单的学习和了解KeilC后，我们便可在此环境下开始了对带录音功能的电子琴的设计工作。在编译完KeilC后，再运用STC_ISP_V480软件烧录到开发板上，实现实物与程序的连接。在烧录前要对STC_ISP_V480进行一些必要的设置。第一步：设置MCUType为STC89C52RC；第二步：打开编写好并编译的程序文件，它是以.hex为后缀的文件；第三步：选择对应的COM端口，（可在我的电脑的设备管理处查看COM选项）；第四步：点击Download/下载，等提示请给MCU上电时，打开开发板上的开关，它就自行烧录了。KeilC程序运行如图5-1所示图5-1keilC运行图图5-2程序烧录运行图在完成对程序的调试及烧录之后，还需要对其进行演示，把开发板与电脑连上，设置好对应的接口，完成供电及下载。按下按键，判断是否为抖动，若不为抖动，则执行按键按下的功能，再判断是为何种按键，当判断完成后，对其程序进行执行。把电源接通，插在插孔上可以测得电脑的功率因数。第5章操作说明在交流电路中，电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S功率因数的大小与电路的负荷性质有关，如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1，一般具有电感或电容性负载的电路功率因数都小于1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失，测量功率因数必须对电路的电压和电流波形进行测量，本设计采用51单片机控制专用集成电路CS5463完成功率因数的测量。为了实验安全起见，用变压器将AC220V降压为AC12V，再引入电路板。板上功率电阻R1、R59可通过跳线J5，电容C19可通过跳线J6接入，作为AC12V的负载，供测试使用。AC12V电压信号通过电阻R49、R52组成的分压电路，再经C10、C13、C11滤波后接CS5463的电压测量通道；电流信号通过功率电阻R56采样，再通过R55、C16、R58、C18、C17滤波后，接CS5463的电流测量通道；51单片机通过P2口和CS5463相连，控制并读取测试结果；通过1602，用来显示功率因数的测试结果。单片机的UART用MAX202芯片扩展了RS-232接口，可以将测试结果发送至管理计算机。测量的时候先接通电源，把用电设备正常运行，把测试仪的插头插到接用电设备的插板上，根据按键来显示所测量设备的各个因数，电压、电流、功率因数、工作时间等。第6章总结与展望随着毕业日子的即将到来，我们的毕业设计也划上了圆满的句号。毕业设计是我们学业生涯的最后一个环节，不仅是对所学基础知识和专业知识的一种综合应用，更是对我们所学知识的一种检测与丰富，是一种综合的再学习、再提高的过程，这一过程对我们的学习能力、独立思考及工作能力也是一个培养。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。我们设计毕业设计就是运用已有的专业基础知识，独立进行科学研究活动，分析和解决一个理论问题或实际问题，把知识转化为能力的实际训练。毕业设计是对我们的知识和相关能力进行一次全面的考核，是对我们进行科学研究基本功的训练，培养我们综合运用所学知识独立地分析问题和解决问题的能力，为以后撰写专业学术论文打下良好的基础。毕业设计的过程是训练我们独立地进行科学研究的过程。撰写毕业论文是学习怎么进行科学研究的一个极好的机会，有指导教师的指导与传授，可以减少摸索中的一些失误，少走弯路，而且直接参与和亲身体验了科学研究工作的全过程及其各环节，是一次系统的、全面的实践机会。撰写毕业设计的过程，同时也是专业知识的学习过程，而且是更生动、更切实、更深入的专业知识的学习。毕业设计论文是结合科研课题，把学过的专业知识运用于实际，在理论和实际结合过程中进一步消化、加深和巩固所学的专业知识，并把所学的专业知识转化为分析和解决问题的能力。同时，在搜集材料、调查研究、接触实际的过程中，既可以印证学过的书本知识，又可以学到许多课堂和书本里学不到的活生生的新知识。此外，学生在毕业论文写作过程中，对所学专业的某一侧面和专题作了较为深入的研究，会培养学习的志趣，这对于我们今后确定具体的专业方向，增强攀登某一领域科学高峰的信心大有裨益。所以毕业设计的研究对我们来说，意义非凡。用电设备功率测试仪是我门实验和工作一个长须用到的设备，很容易去学会使用，并且造价不高的，可以很简单的测出设备的各种电参数，不近在我们生活中，在各种用电的行业中都可以用到的，我设计的不是很到位，有很多毛病，希望多加研究此设备，对我们是很有用途的。可以为我们省不少电能和节省不少花费。参考文献[1]郑郁正.单片机原理及应用[M]，四川大学出版社,2003[2]孙育才.MCS-51系列单片微型计算机及其应用[M]，第4版，东南大学出版社，2006[3]刘军.单片机原理与接口技术[M]，华东理工大学出版社，2006[4]赖寿宏.微型计算机控制技术[M]，机械工业出版社，2009[5]李中望.一种智能功率测试系统的设计方案[M]，安防科技，2008[6]王忠民.基于单片机的多功能电能测试仪设计[J]，现代电子技术，2004，27[7]王庆.Protel99SE&DXP电路设计教程[M]，电子工业出版社，2008[8]康华光.电子技术基础模拟部分[M]，第4版，高等教育出版社,2006[9]李朝青.单片机原理及接口技术[M]，北京：航空航天大学出版社，1999[10]高吉祥，黄智伟，陈和．高频电子线路．北京：电子工业出版社，2003年，第１版．[11]邹其洪，黄智伟，高嵩．电工电子实验与计算机仿真．北京：电子工业出版社，2003年，第1版．[12]吴运昌．模拟集成电路原理与应用．广州：华南理工大学出版社，2001年，第1版．[13]张伟.单片机Ｄ/Ａ转换系统[J]，计算机应用2004（18）[14]HeT，KrishnamurthyS，LuoL，eta1．Anintegratedsensornetworksystemsurveillance[J]．ACMTransactionsonSensorNetworks，2006(1)：1-38．[15]SzewczykR，MainwaringA，AndersonJ．Ananalysisofalargescalehabitmonitoringapplication[C]．Baltimore，MD,USA：SenSys，2004：214--226．[16]AkyildizIF.SuW.SankarasubramaniamY.etal.Asurveyonsensornetworks[J].TEEECommunicationsMagazine,2002,40(8):102.致谢本课题在选题及研究过程中得到张老师的悉心指导。王老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。王老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时三载，却给以终生受益无穷之道。对王老师的感激之情是无法用言语表达的。毕业设计的研究期间，我大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。我不仅学会了很多东西,也发现了自己的许多不足之处.比如,对实践方面不够重视,总以为理论上理解就可以了,不求甚解.过去的一些学习方法也需要改进,从而提高学习效率,达到事半功倍的目的.最重要的是,要多培养自己的创新思维,大胆尝试,而这也来源于平时自己对这些事物的关注.因此,也要多观察,多了解一些课本以外的知识.在这期间，我都同学也给我了很大的帮助。在此，我向帮助我的老师和同学们表示衷心的感谢！附录附录A外文翻译IntroductiontoSTC89C52GeneralDescriptionTheSTC89C52isalow-power,high-p