基于单片机的工频电压电流表的设计要点Word文档下载推荐.docx
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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AD736TLC549AT89S52
Abstract
Inpractice,RMSisthemostwidelyusedparameters.Exceptinspecialcircumstances,voltagemeterreadingsalmostallcarriedoutbytheRMSofsinewave.ThereasonsofRMSiswidelyavailable,ontheonehand,becauseitdirectlyreflectsthesizeoftheexchangeofsignalenergy,whichthestudyofpower,noise,distortion,spectrumpurity,energyconversion,suchasitisveryimportant;
Ontheotherhand,ithasaverysimplesuperpositionofthenatureofthecalculationwillbeextremelyconvenient.Thedesignofsingle-chipAtmelCorporationAT89S52ascontrolcore,bythecurrentsensormodule,TrueRMSmeasurementmodules,signalconditioningmodules,ADacquisitionandcontrolmodule,displaymodule.Systemusesacurrentsensorcircuitforstep-downoftheinputsignalprocessing,hasbeenconvertedbytheoriginalAD736TrueRMSsignalbytheTLC549convertintosingle-chipdigitalconductedafterthebriefandtheresultsofdataprocessinginrealtimethroughtheLCDdisplay,achieveabetterperformance.
Keyword:
Digitalvoltage（current）meterTrueRMSAD736TLC549AT89S52
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
2.1.1电压、电流变换部分2
2.1.2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
3.1.1电压互感器4
3.1.2电流互感器4
3.2真有效值转换电路设计5
3.2.1电压、电流切换电路5
3.2.2真有效值测量电路6
3.3信号调理电路设计7
3.4A/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
4.1LCD1602液晶显示程序10
4.2A/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13
5.1.1AD736测试结果13
5.1.2OP07测试结果13
5.1.3TLC549测试结果13
5.1.4工频电压测量精度14
5.1.5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20
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
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%
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。
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：
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。
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。
图2-1系统总框图
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。
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<
5mA，选择输入限流电阻R1=47KΩ，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=40Ω。
由于电压互感器次级有线圈，运放选用高输入阻抗运放TL082。
3.1.2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。
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=100Ω，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3-1CD4053真值表
InputStates
OnChannels
EN
A
B
C
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