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）表的设姓 名：院（系： 专业：指导教师： 职称：评阅人： 职称：年 月摘 要AT89S52AD736TLC549LCD指标。关键词 ：工频数字电压（电流）表 真有效值 AD736 TLC549 AT89S521AbstractInpractice,RMSisthemostwidelyusedparameters.Exceptinspecialcircumstances,voltagemeterreadingsalmostallcarriedoutbytheRMSofsinewave.ThereasonsofRMSiswidelyavailable,ontheonehand,becauseitdirectlyreflectsthesizeoftheexchangeofsignalenergy,whichthestudyofpower,noise,distortion,spectrumpurity,energyconversion,suchasitisveryimportant;Ontheotherhand,ithasaverysimplesuperpositionofthenatureofthecalculationwillbeextremelyconvenient.Thedesignofsingle-chipAtmelCorporationAT89S52ascontrolcore,thecurrentsensormodule,TrueRMSmeasurementmodules,signalconditioningmodules,ADacquisitionandcontrolmodule,displaymodule.Systemusesacurrentsensorcircuitforstep-downoftheinputsignalprocessing,hasbeenconvertedbytheoriginalAD736TrueRMSsignalbytheTLC549convertintosingle-chipdigitalconductedafterthebriefandtheresults ofdataprocessinginrealtimethroughtheLCDdisplay,achieveabetterperformance.Keyword: Digitalvoltage(current)meter TrueRMS AD736 AT89S522目 录第一章 绪论 1§1.1 选题背景及意义 1§1.2 系统设计任务 1第二章 系统总体设计 2§2.1 方案论证与比较 2电压、电流变换部分 2有效值测量部分 2§2.2系统总体设计 2第三章 硬件设计 4§3.1 传感器电路设计 4电压互感器 4电流互感器 4§3.2 真有效值转换电路设计 5电压、电流切换电路 5真有效值测量电路 6§3.3 信号调理电路设计 7§3.4 A/D转换电路设计 7§3.5 单片机及显示电路设计 9第四章 软件设计 10§4.1 LCD1602液晶显示程序 10§4.2 A/D转换程序 10§4.3 主程序设计 12第五章 系统调试及误差分析 13§5.1 系统调试及测试结果 13AD736测试结果 13OP07测试结果 13TLC549测试结果 13工频电压测量精度 14工频电流测量精度 14§5.2 误差分析 14§5.3 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500.0260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及与推广，为数字多用表智能化做出了贡献。为以下几类：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89C528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。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CPLDA/D§1.2 系统设计任务题目：基于单片机的工频电压（电流）表的设计设计任务：基本任务（必做50Hz，220V扩展部分（选做50Hz，220V误差1第二章 系统总体设计§2.1 方案论证与比较电压、电流变换部分由于系统测量的是220V交流电有效值以及0~5A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。作为电压变换电路。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。AD736信号。§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/A/D所示。2电压互感器显示电压互感器显示模拟开关有效值转换信号调理单片机电压互感器 按键图2-1系统总框图3第三章 硬件设计§3.1 传感器电路设计电压互感器3-1T1TV19TV191000:1000，0-5mA，非线性度<0.1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I2R2UIRU0I2*R2D1D2为限C为相位补偿电容，可以抑制高频域的突起现象。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：U0=(Ui/R1*R2)。由于输入电流R147KΩ220VI220/47K4.68mA，由此求得的电阻功率PU*I1.03W，故R12W的碳膜AD736输入电压有效值R240ΩTL082。电流互感器3-2T2。TA12-2002000:10~5A0~2.5mA，非线性度40.2%，相移≤52000倍，得0~2.5mAU0=I*R3。图3-2电流互感器电路AD736的输入电压<R3=0~4A。§3.2 真有效值转换电路设计电压、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CD40533-3所示。CD40533-1P0.3AA选择输出。表3-1CD4053真值表InputStatesOnENABCChannels0000X0,Y0,Z00001X0,Y0,Z10010X0,Y1,Z00011X0,Y1,Z10100X1,Y0,Z00101X1,Y0,Z10110X1,Y1,Z00111X1,Y1,Z11***NONE5图3-3模拟开关与真有效值转换电路真有效值测量电路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AnalogAD536、AD636、AD736AD737等。考虑到3-30.3%5，相对稳定时间快，是当前集成真有效值转换器性能较好的一种。T 01T 01T[V2(t)]dtV RMS

（1）这里，VRMS

(t

是一个时间的函数，但不一定是周期性的。0T对等式两边进行平方得：0TVRMS2

12(t（2）1 右边的积分项可以用一个平均来近似1 2(t)]2(t)]dt （3）T0这样式（2）可以简化为：4V Avg2(t)] （）4RMS2等式两边除以V 得：RMS6VRMS

2VRMS

（5）这个表达式就是测量一个信号真实有效值的基础。AD736也是采用的这一原理。CC10～20uF；CCF为平均电容，它是AD736的关键外围元件，用于进行平均33uF。§3.3 信号调理电路设计前级AD736200mVTLC5495V/25619.5mV，且具有±0.5LSB就需要把AD736400mVADTLC549参考电压为+5V，且输入工频电压具有±15%的213-4组成同向放大器，放大倍数A=1+R2/R1=倍的同向放大以保证系统的测量精度要求。图3-4信号调理电路§3.4 A/DTLC5498A/DCLKCSDATAOUT17μs，TLC54940次/S。总失调误差最大为±0.5LSB6mW阻输入抗干扰可按比例量程校准转换范围接地

≥1V，REF-

REF+

REF-3-5CSDCLK分别与AT89S52单片机的P0.0、P0.1、P0.2口相接。7图3-5A/D转换电路TLC549I/OCLOCK3-6所示。图3-6TLC549操作时序一组通常的控制时序为：将CS置低。内部电路在测得CS下降沿后，再等待两个内部时钟上升DATAOUT端上。前四个I/OCLOCK2345个位(D6D5、D4、D3)4I/OCLOCK下降沿开始采样模拟输入。3I/OCLOCK678(D2D1D0)个转换位。最后，片上采样保持电路在第8I/OCLOCK周期的下降沿将移出第678(D2D1D0)432A/D8I/OCLOCK后，CSI/OCLOCK保持低电平，这种状态需要维持36个内部系统时钟周期以等待保持CSI/OCLOCK上出现一个有效干扰脉冲，则8微处理器/I/OCS平，则将使引脚重新初始化，从而脱离原转换过程。§3.5 单片机及显示电路设计AT89S52LCD1602AT89S5216X23-7晶振电路、LCD1602P2.0～P2.2LCD，P1LCDTLC549LCD图3-7单片机与显示电路9第四章 软件设计§4.1 LCD1602LCD1602216个字符。模块内部自带字符发生存储器（CGROM）,字符有：阿拉固定的代码，比如大写的英文字母“”的代码是（41H，显示时模块把代码41H发给液晶模块，我们就能在液晶上看到字母“A”160211条控制指令，丰富的指令可以完成液晶LCDRS端选中为指令寄存器，R/W选中为写模式，P2.2脚发出高低电平的跳变，即可将指令P1LCDRS4-1所示。图4-1LCD1602操作时序§4.2 A/DTLC5498AD，与单片机只有三个接口：CS、CLK、DO。CS片选信号，CLK是数据操作时钟，DO所示。10初始化,CS初始化,CS为高,CLK为低,0选中TLC549，CS置低1.4us后，置CLK为高读DO，置CLK为低N8YCS置高结束图4-2AD转换流程图A/D转换，TLC549操作子程序如下所示：unsignedcharTLC549_ADC(){uchari;ucharad_data;CS=1;CLK=0;CS=0;_nop_();_nop_();for(i=0;i<8;i++){ad_data<<=1;ad_data|=DO;CLK=1;_nop_();CLK=0;}CS=1;for(i=17;i>0;i--)_nop_();return(ad_data);}11§4.3 主程序设计A/D转换得到的数据进行LCDA/D4-3开始开始初始化SEL=0？YN电压档电流档AD转换AD转换求平均值求平均值显示电压图4-3主程序流程图12第五章 系统调试及误差分析§5.1 系统调试及测试结果在系统整体调试时，若调试不成功，由于整体焊接已经完成，很难检查到底每个模块完成后就进行测试验证，最后再进行系统联调。调试过程中，用到的仪器设备如下：直流稳压电源、函数信号发生器、示波器、万用表等。AD736AD736统整体测量精度。为验证其精度，对AD736模块进行实验测试，测试结果如表5-1所示。表5-1AD736测试结果输入电压有效值(mV)103050100 120150180 200输出电压有效值(mV)9.8130.0550.09100.50 120.94150.01180.98 201.3平均误差0.59%OP07OP07A5-2所示。表5-2OP07测试结果输入直流电压(mV)5080100130150180200输出直流电压(V)1.051.672.092.723.153.774.18平均放大倍数20.93TLC549A/D转换精度关系到测得电压值精度，TLC5498A/D为+5VF5/25619mV。测试结果如表5-3所示。135-3TLC549测试结果输入直流电压(V)0.000.401.662.563.154.104.574.90测得电压值(V)0.010.411.642.543.134.094.594.93平均误差±1.2%工频电压测量精度5-43位半万用表测得值作为标准值。表5-4电压测量结果万用表测得值(V)215217219221216217系统测得值(V)216218218223217219平均误差0.46%工频电流测量精度300W左右的电热杯作负载，FLUKE5-5所示。表5-5电流测量结果钳形表测得值(A)1.501.551.541.561.571.53系统测得值(A)1.491.531.541.551.561.54平均误差0.44%§5.2 误差分析分析误差来源，主要有以下原因：电压互感器、电流互感器存在非线性误差。R11WUv=(Ui/R1)*R2高，测得电压有效值变大。AD736OP07放大电路误差。TLC549AD误差。电路板为手工焊接，电磁兼容性考虑不周和外界的电磁干扰。14§5.3 改进方法50HZ0~5A，当负载电流较小时，为保证较高的测量精度，可在电流互感器后设置一程控放大电路以切换量程，提高小电流的测量精度。15结束语20天得团结协作，我们圆满完成了此次实习任务，作品达到了题目要我们熟悉了一个课题或项目的完成过程，从查找资料，确定方案，设计电路，软收获了很多，理论设计和动手实践能力得到了很大提升。与此同时我们也学到了一些宝贵的经验教训，例如：这次实习的课题是工频220V电压重视不够，在电路测试阶段不小心将工频在往后学习中驱策我们继续前进。16致 谢我们小组热情的帮助，在这里请接受我们诚挚的谢意!在本次实习设计过程中，XXX刻的认识，在此表示衷心感谢。X极进取的科研精神以及诲人不倦的师者风范是我们终生学习的楷模。此外，要向带国赛小组仍要在百忙之中抽时间对本次实习进行检查、评审的XXX老师表示感谢！同时，也要感谢XXXXXXXX论文设计打下了坚实的基础。17参考文献AC/DCAD736RMS国外电子元器件，2001，9。RMS-DCAD736/AD737，1995，6。2000,1。梁琴，AD637高精度真有效值数字电压表的设计，应用研究，2008，11。TLC5499。赵新民，王祁，智能仪器设计基础，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社1999。杨代华等，单片机原理及应用，武汉：中国地质大学出版社，2000。张永瑞等，电子测量技术基础，西安：西安电子科技大学出版社，1994。费业泰，误差理论与数据处理(第五版)，北京：机械工业出版社，2004，6。LowCost，LowPower，TrueRMS-to-DCConverterAD736Device，USA，199518附 录附录一 完整电路图—勹／—勹．厂．厂才＇11才＇

lUUUUWU

111l11l 1ll 1ll-I丁杆r厂之厂——多u—之厂——多u—|°19°附录二 程序清单#include<reg51.h>#include<intrins.h>#include<string.h>#include<stdarg.h>#include<stdio.h>sbitLCD_RS=P2^0; //定义P2.0口为LCD的RS脚sbitLCD_RW=P2^1;//定义P2.1口为LCD的RWsbitLCD_EN=P2^2; //定义P2.2口为LCD的EN脚sbitCS=P0^0;sbitDO=P0^1;sbitCLK=sbitMUXO=sbitMUXI=P0^4;#define LCD_DATAP1 //P4LCD#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharuintVolt=0;uintCurt=0;ucharVoltage[6];ucharCurrent[6];void Delay(uintt);void void LCD1602_Write(uchardat,ucharvoid LCD1602_SetPos(ucharx,uchary);/*向LCD屏幕上输出一串字符函数*/voidLCD1602_Print(ucharx,uchary,unsignedchar*pszFormat,...){ucharstr[17]; //'\0'ucharn,i;/*以下4行所用函数定义于stdarg.h中实现的功能是将pszFormat指向的内容给va_list va;va_start(va,pszFormat);vsprintf(str,pszFormat,va);20va_end(va);LCD1602_SetPos(x,y);//设置LCD的行列地n=strlen(str); //记录str长度for(i=0;i<n;i++){LCD1602_Write(str[i],1);//向LCD写入要显示的字符}}/*延时函数*/voiddelay(uintk){uinti,j;for(i=0;i<k;i++){for(j=0;j<200;j++);}}/*LCD初始化函数*/voidLCD1602_Init(){LCD_EN0;LCDDelay(15);/**/LCD1602_Write(0x30,0);//F1Delay(1);LCD1602_Write(0x30,0);//Delay(1);LCD1602_Write(0x30,0);//Delay(1);LCD1602_Write(0x01,0);//clearDelay(1);LCD1602_Write(0x0c,0);Delay(1);21LCD1602_Write(0x3c,0);//8位总线，双行显示// Delay(1);}/*LCD显示地址设置*/voidLCD1602_SetPos(ucharx,uchary){if(x0 +0x80elseif(x1)LCD1602_Write(0xC0+y,0);//}/*向LCD写数据或指令*/voidLCD1602_Write(uchardat,ucharcd){uchari;LCD_RScd; //cd=1,选中数据寄存器，cd=0选中指令寄存器LCD_RW0; //RWLCD_EN1;LCD_DATAdat;/LCDfor(i=80;i>2;i--);//延时// Delay(1);LCD_EN=0;//EN端由高电平跳变为低电平，LCD执行命令LCD_RW=1;for(i=80;i>2;i--);//延时// Delay(1);}unsignedcharTLC549_ADC() //ADC转换程序{uchari;ucharad_data;CS=1;CLK=0;CS=0;_nop_();_nop_();22for(i=0;i<8;i++){ad_data<<=1;ad_data|=DO;CLK=1;_nop_();CLK=0;}CS=1;for(i=17;i>0;i--)_nop_();return(ad_data);}uintData_Convert() //数据转换{unsignedcharu