精品测量电压电流功率毕业论文设计说明书Word文档下载推荐.docx

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2010年05月24日

摘要

在现代检测技术中，常需用高精度数字电压表进行现场检测，将检测到的数据送入微计算机系统，完成计算、存储、控制和显示等功能.本设计是一种基于AT89C51单片机的测量电量的数字表，以AT89C51单片机和ADC0809为核心器件.该系统的数字电压表电路简单，所用的元件较少，成本低，调节工作可实现自动化：

数字电表抗干扰能力强、测量速度快、测量准确度高.整个测量系统主要测量电压电流两个主要参数，只要测出这两个参数就可以计算出有功功率和无功功率。

整个系统的设计完成了硬件电路的设计及软件程序的编写，通过最终硬件电路的调试及软件程序的仿真，使该系统能够在要求的条件下达到正常的测量及显示功能。

在整个系统的设计过程中，主要采用了模块化的设计方法。

该系统主要分为四大模块，即输入信号衰减模块、主控制模块、AD转换模块和输出显示模块。

由于实际电路中的电量参数太大，ADC0809直接采集会使器件被损坏，因此先对电量信号进行衰减，在单片机的控制下完成对电压、电流信号采集，并对电压和电流的相位进行比较得到功率角，最后将测量结果通过LCD1602液晶显示出来。

该电路设计新颖、功能强大、可扩展性强。

关键字：

AT89C51单片机;

ADC0809;

模块化;

数字表

Abstract

Inmodernmeasuringtechnology，itisoftenrequiredtoconductsitemeasuringwithadigitalmeter．Thedatameasuredwillthenbeinputintothemicro-computersystemtoexecutesuchfunctionslikecalculating，storing，controllinganddisplaying.Annon-electricitymeasurementdigitalelectricmeterbasedonAT89C51isproposed.ItisacompletedmeasurementsysternbasedontheAT89C51andAD0809.Thedigitalmetermeterfeaturesinsimpleelectricalcircuit，loweruseofelements，lowcostandautomaticregulation.Thedigitalmeterstronganti-jammingability,Measuringspeed,measuretwomainargumentsarevoltageandcurrent.Justmeasuredoutthetwoarguments,itcancalculatetheactivepowerandthereactivepower.Inthisdesign,theofsoftwareprogram.Thissystemcanfulfillthefunctionofmeasureanddisplayingunderthedemandedconditions.Overthedesigningofthewholesystem,themethodofmodularityisused.Thesystemismainlydividedintofourmodules：

forexample，themoduleofinputsignalattenuation,themoduleofmastercontrol,themoduleofADC,themoduleofdisplayexportsignal.Dueto,theparameterofactualcircuitquantityofelectricityareunerhoertgross,ifADC0809directgatheringthenon-electricitysignal,itwillbreakdownthedevice,andthedigitalelectricmeterwilloutofwork.So,thequantityofelectricitysignalmusttakeattenuationplace.Thissystemcanaccomplishthesignalsamplingofvoltageandcurrent,andcomparesthevoltageandcurrentphase,andgetsthephasedifference.TheresultcanbedisplayedthroughtheLiquidCrystalDisplay1602.Thecircuitismoderndesign，powerfulfunctions,scalabilitystrong.

Keywords：

AT89C51MCU；

Modularity;

Digitalelectricmeter

引言

在电气测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量，随着电子技术的发展，电子测量成为广大电子工作者必须掌握的手段，对测量的精度和功能的要求也越来越高，所以数字表就成为一种必不可少的测量仪器。

传统的电压电流表在测量电量时需要手动切换电压电流开关，不仅不方便，而且功能单一、精度低。

如果在测量时忘记切换量程，则会出现很大的测量误差，甚至有将电压表烧坏的可能。

以前电表一般均为指针式面板表，精度低，可视距离近，数据需要人工抄录，浪费人力资源，数据管理不便，容易出错。

本设计通过单片机对模拟信号进行采集，将采集信号数字化，再将测量结果显示出来，这样的数字表具有结构简单、体积小、驱动电流小、动作快、操作方便、价格低廉的优点，更重要的是精度高、抗干扰能力强，可扩展性强、集成方便。

这将会大大的提高了测量的精度和速度，更加直观的显示测量结果，测量结果数据处理以及功能的多样化方面都取得了巨大的进步。

这样具有读数准确方便、精度高、误差小、灵敏度高和分辨率高、测量速度快等特点的数字表受到电子电气工作者的青睐。

数字电表是诸多数字化仪表的核心与基础，电表的数字化是将连续的模拟量如直流电压转换成不连续的离散的数字形式并加以显示，这有别于传统的以指针加刻度盘进行读数的方法，避免了读数的视差和视觉疲劳。

目前数字万用表的内部核心部件是AD转换器，转换器的精度很大程度上影响着数字万用表的准确度，本文AD转换器采用ADC0809对输入模拟信号进行转换，控制核心AT89c51对转换的结果进行运算和处理，最后驱动输出装置显示数字电压信号。

这种类型的数字电压表无论在功能和实际应用上．都具有传统电表无法比拟的优点，这使得它的开发和应用都具有良好的前景。

1硬件系统设计

在硬件设计系统中，考虑到人身安全、防止烧坏元器件和更好的调试硬件电路等问题，本设计并没有直接将0—250V的交流电接入硬件电路，而是将硬件电路与0—250V的交流电隔开，在0—250V的交流电和硬件电路之间用互感器对强电信号进行衰减，变成弱电信号，然后再对该衰减后的弱电信号进行采集，这样就会很安全。

电路的电压信号用电压互感器进行衰减，电流信号用电流互感器进行衰减。

被测电路中的电压相位和电流相位经过互感器后的相位差很小，可以忽略不计。

电压电流信号衰减之后还是交流信号，而本设计中ADC0809是对直流电信号进行采集的，所以在信号接入AD转换器之前须将交流信号转换成0—5V的直流电，因为ADC0809的基准电压时直流5V。

在硬件电路设计中多次采用了电容滤波来消除干扰信号，可以提高信号的精确度，同时也可以解决信号传输中的衰减问题。

又考虑到单片机的驱动能力很小，在设计中加入了74HC464驱动LCD1602液晶显示。

整个硬件系统主要由以下几部分组成：

（1）电源信号衰减电路：

将输入的0--250V被测电压信号衰减成O～5V；

将输入大电流信号衰减成小电流信号。

（2）相位差比较电路：

将电压和电流的相位进行比较，完成相位差的计算。

（3）模数转换及控制电路：

完成对采集数据的处理和对系统的控制。

（4）显示电路：

由74HC164HE和LCD1602组成，将测量的电压、电流信号、有功功率和无功功率显示出来。

（5）整流电路：

将交流电整流成低压直流电5V，作为电源供给硬件电路中的LM393芯片、单片机、ADC0809的基准电压和LCD1602的工作电压。

1.1技术要求

电压测量范围：

0-250V，误差≤±

2V；

电流测量范围：

0-5A，误差≤±

0.1A；

功率测量范围：

0-1250W,误差≤±

1W；

可用现场提供的220V交流电源。

1.2系统原理及基本框图

本设计主要分为两部分：

硬件电路及软件程序。

而硬件电路又大体可分为输入信号处理、整流稳压电路、单片机小系统电路、AD转换电路、LCD1602显示电路。

基本框架图如图1.1所示，信号经过衰减整流处理后进行采集，由AD转换成数字信号，再由单片机控制和计算后将结果送LCD1602显示。

由于没有具体要求采用多大幅值的电压，为了方便起见，直接采用现场的220V交流电源。

将220V的交流电源衰减为6V的交流信号，所以本文设计了电源电路，将220V交流电转换成电路可用的低压直流电。

图1.1交流数字表的原理框图

1.3输入电路

为了提高信号质量，AD转换器的模拟量输入通道IN0-IN7之前采用RC滤波电路。

如图1.2所示；

图1.2信号处理框图

1.4交流电源信号衰减电路

这个模块电路主要包含三大部分，即电压信号衰减电路、电流信号衰减电路、电压电流相位比较电路。

这三个电路在以下将做一一介绍。

1.4.1电压信号衰减电路

电压信号衰减电路如图1.3所示，为了人身安全，同时也为了在调试过程中电压过大而烧损元器件，所以不该直接接入0—250V的交流电源，应先对输入电压进行衰减，该设计中用电压互感器T0进行交流衰减，衰减整流输后应为0—5V直流电压。

降压后的交流接入一个理想的整流桥，再接一个100uF的电容，整流桥输出直流电压信号中号会暂存一些纹波和谐波，为了提高电压信号的精确度，需要加入滤波电路，如图所示，C1和C2除了滤去直流电压信号残留的一些杂波，提高了信号质量之外，同时还起到稳压升压的作用。

由于加入滤波电路之后，整流桥输出的直流电压值

=

，其中

是互感器的二次输出端的电压的有效值，而互感器二次侧的电压变化范围为0—5V，即IN0的对地电压的范围为0—7V，已经超过了ADC0809的基准电压5V，所以IN0对地的电压必须控制在5V之内才能进行测量，所以本电路电压的衰减比例为250:

3.5，输出的最大直流电压为4.9V。

经过整流后得到的直流电压信号直接接入ADC0809的输入通道IN0，进行AD转换。

因此在显示测量的电压值应该是IN0对地的电压

=51

当然，这个关系系数在主控制电路的单片机软件中设置的。

理论上，显示的电压值的范围：

0—250V。

图1.3电压信号衰减电路

1.4.2电流信号采集电路

测量电流的方法一般分成直接式和非直接式两种

直接式一般通过电阻进行，根据欧姆定律电流的大小和电压成正比，因此可以通过测量一个小电阻的电压差得到所经过电流的大小

非直接式测量一般通过监控电流产生的磁场得到，由于电流周围本身会产生磁场，电流的大小和磁场成正比，因此可以通过测量磁场的大小得到经过电流的大小

直接式用于测量相对较小的电流以及电压不高的情况，非直接式不带有任何导电关系，因此可用于测量相对较大的电流以及相对较高的电压

本电流采集电路采用的方法是直接采集方式，如图1.4所示，整个电路的设计思想是欧姆定律。

电流互感器二次端输出的电流流过一个已知阻值的纯电阻R，在电阻两端会产生压降U，根据欧姆定律U=RI就可以计算出电路中电流I=UR。

本电路的设计原理和电压信号采集电路的原理是类似的，因为电流互感器二次端输出的电流是交流信号，所以在电阻上产生的压降也是交流电压，所以必须将交流信号进行整流后才能接入ADC0809的1通道IN1。

图中的R1是精密电阻，为的是减小R1两端电压，使测量的结果更加准确；

电路的D1、C1和C2的原理和图1.3的原理是一样的，IN1对地电压的计算方法也是IN0对地电压的计算方法是一样的。

显示电流大小应为：

0—5A。

图1.4电流采集电路

1.4.3电路电压电流相位差电路

电压电流相位差电路如图1.5所示，由于交流互感器的一次侧和二次侧的相位差很小，可以忽略不计，所以可以直接从互感器的二次交流信号采集电压和电流的相位，进行比较之后即可得到相位差，从而可以计算功率因数，以致得到有功功率和无功功率。

根据电路知识可以知道，交流电信号经过纯电阻电路后的相位是不改变的，如图所示，电压电流信号分别通过R5和R6之后,各自的相位并没有改变，保持原来的相位，因此可以通过比较衰减后的电压和电流的相位就可得到相位差。

图中的R1和R2起限流作用，R3和R4是LM393电压比较器的上拉电阻，由于LM393电压比较器是集电极开路输出的，所以必须加上拉电阻，才能输出高电平，否则单片机有可能检测不出其输入信号是高电平还是低电平，会造成误差；

C1和C2起到对输入信号滤波的作用，使输出的波形信号更准确；

在信号通过比较器之前，每个比较器都由两个二极管反向并联组成了钳位电路，一次只能有一个二极管导通，而另一个处于截止状态，那么它的正反向压降就会被钳制在二极管正向导通压降0.5-0.7V以下，从而起到保护电路的目的。

当被测电路中只有电阻负载时，电路中的电压和电流的相位是同相的，两个交流信号通过比较器后相位差为

；

当被测电路中还存在其他的负载（容抗和感抗），电流的相位会超前或滞后电压的相位

—

。

如图所示，过零电压比较器LM393的引脚3是电压相位信号的输入端，其信号与引脚2进行比较，由于引脚2是接地的，所以信号为零，引脚3只要一过零点输出高电平或低电平。

同理，LM393的引脚5是电流相位信号的输入端，其信号与引脚6进行比较，过零时输出高电平或低电平，经过过零比较器后得到的电压方波信号接至单片机的INT0口，经过过零比较器后得到的电流方波信号接至单片机的INT1口，两个中断都是下降沿中断，INT1一产生中断就开始计时，INT0一产生中断就停止计时。

因为T0（或T1）在做定时器使用时，输入的时钟脉冲式有晶体振荡器的输出经12分频后到的，所以定时器可看作是对单片机机器周期的计数器，因此它的技术频率为晶振频率的112，该系统用的是12MHZ的晶振，则点时期没接收一个技术脉冲的时间间隔为1us.所以在这段时间内的时间长度为Tus,T即为图5.1中方波信号3高电平部分的时间长度；

从而可以计算其相位差。

由于已知电路交流信号的频率为50HZ，所以它的周期为0.02s,所以所测到的相位差为（T10000）*π。

从而就可以计算出功率因数，以致可以有功功率和无功功率。

其输出信号波形如图1.6，图1.7所示2号波形是电压信号，2号是电流信号波形，3号波形信号为比较后得到的波形。

其实本电路的相位比较方法还有一种，就是将两个比较器的输出信号同时接到一个或非门，比较后输出的波形如图5.2中的3号波形，再将该波形信号当做外部中断源接入单片机的INT0脚，同时将该信号接入单片机的T0脚，当出现高电平时T0开始计时，当信号由高变低时，INT0产生中断，T0停止计时，并读取计时时间长度Tus,然后再将12周期的时间10000us减去Tus,得到的时间就是相位差所占的时间，计算公式为：

（10000-T）*π10000,因此即可计算功率角。

由于还要添加一块或非门的芯片，增加了电路的复杂度，而且还浪费资源，但是前一种方法在产生中断时需要延时，所以误差比较大，为了提高信号的精确度，最终采用了后一种比较方法。

图1.5电压电流相位差电路

图1.6电压与电流相位差波形图

图1.7电压与电流相位差波形图

LM393的两个输出端信号电路都需要加电容滤波，把信号中残留的杂波滤掉，否则在信号进入单片机，信号中的杂波会使输出端出现错误或误差。

同时，LM393电压比较器，是集电极开路输出的，所以必须加上拉电阻，才能输出高电平。

芯片LM393工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：

2～36V，双电源:

±

1～±

18V；

所以在电路设计中就使用单电源+5V直流电压供电。

图1.8LM393内部框图

1.5AD转换电路

1.5.1AD转换电路的接口设计

AD转换器是将模拟信号转换成数字信号的器件或装置，是一种模拟系统和计算机之间的接口，在数据采集和控制系统中得到了广泛的应用。

单片机对模拟信号的读取是采用AD的转换方式，这一方法对输出阻抗低，惰性强，变化缓慢，传输距离长的信号，采用AD转换的抗干扰性能就比较差。

对于不需要较快检测速度信号采集时，CPU发出指令，定时时间一到，从读到的计数乘以一定的系数，就可以得到相应的电压值。

常用的AD转换方式有逐次逼近式和双斜积分式，考虑到前者转换时间短，因此选用逐次逼近式AD转换器。

ADC0809为8位逐次逼近式AD转换器，分辨率为

，转换时间100μs左右。

在本系统中选用+5V的直流电压为基准电压，所以ADC0809的分辨能力为5V255≈19.6mv,19.6*51=999.6mv=1V,而本系统要求的电压误差小于或等于±

2V,电流的误差小于或等于±

0.1A,功率误差小于或等于±

1W,从以上的分析中看出，0809的分辨能力完全能够满足要求。

AD转换器采用集成电路ADC0809。

ADC0809具有8路模拟量输入信号IN0一IN7（1～5、26—28脚），地址线C、B、A（23—25脚）决定哪一路模拟输入信号进行AD转换，本电路只需两个输入通道，即IN0和IN1.为了在画PCB时能够更好布线，将地址线C、B、A分别接至单片机的P2.0、P2.1、P2.2，所以IN0和IN1的地址线选择应分别为的值分别为000和010，即选择O号通道输入模拟量电压信号，选择1号通道输入模拟量电流信号。

22脚ALE为地址锁存允许控制信号，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。

6脚START为启动控制信号，当输入为高电平时，AD转换开始。

本电路将ALE脚START脚接到一起，也就是地址锁存和AD转换启动是分时进行的，共同由单片机的P2．3脚控制。

7脚EOC为AD转换结束信号，当AD转换结束时，7脚输出一个正脉冲，此信号可作为AD转换是否结束的检测信号或向CPU申请中断的信号，本电路连接到单片机的P3．5脚。

9脚0E为AD转换数据输出允许控制信号，当OE脚为高电平时，允许读取AD转换的数字量。

该OE脚由单片机的P3.4脚控制。

10脚CLOCK为ADC0808的实时时钟输入端，利用单片机P3.6引脚定时输出一个脉冲信号给ADC080910脚一个时钟时钟信号。

数字量输出端8个接到单片机的P0口。

图1.9AD转换设计电路

1.5.2ADC0809芯片介绍

1．主要特性

　　1）8路8位AD转换器，即分辨率8位。

　　2）具有转换起停控制端。

　3）转换时间为100μs。

　　4）单个＋5V电源供电。

　　5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。

　　6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度

　　7）低功耗，约15mW。

2．外部特性（引脚功能）

ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装，其引脚排列见图8。

对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：

IN7～IN0——模拟量输入通道

ALE——地址锁存允许信号。

对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。

START——转换启动信号。

START上升沿时，复位ADC0809；

START下降沿时启动芯片，开始进行AD转换；

在AD转换期间，START应保持低电平。

本信号有时简写为ST.

A、B、C——地址线。

通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。

其地址状态与通道对应关系见表9-1。

CLK——时钟信号。

ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。

通常使用频率为500KHz的时钟信号。

EOC——转换结束信号。

EOC=0,正在进行转换；

EOC=1,转换结束。

使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。

D7～D0——数据输出线。

为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。

D0为最低位，D7为最高。

OE——输出允许信号。

用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。

OE=0，输出数据线呈高阻；

OE=1，输出转换得到的数据。

Vcc——+5V电源。

Vref——参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。

其典型值为+5V（Vref（+）=+5V,Vref（-）=-5V　

ADC0809的工作过程是：

首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。

此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。

START上升沿将逐次逼近寄存器复位。

下降沿启动AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。

直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。

当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

ADC0809是根据逐位逼近的方法产生数据的。

多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个AD转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。

地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连。

运用ADC0809的工作原理及其各个功能，结合本课题要求，ADC0809转换模块的接线图如图1.10所示。

图1.10AD转换电路

IN0是电压信号接入通道，它的模拟信号变化范围：

0～5V的直流电压，转换为数字信号传送给单片机，再经过单片机传送给74HC164，最后将数据送给LCD1602显示输出。

IN1是电流信号接入通道（其实是电压信号），其工作原理和IN0的工作原理是一样的。

引脚12是接+5V直流电压的基准电压。

P2.0、P2.1、P2.2是38译码器的三个通道选择端，当选择IN0通道时，P2.0、P2.1、P2.2的电平应分别为：

0、0、0。

当选择IN1通道时，P2.0、P2.1、P2.2的电平应分别为：

0、1、0。

当ADC0809模数转换结束时。

EOC输出高电平1,即给单片机的P3.5口一个高电平，通知单片机模数转换已经结束，单片机立即产生中断请求信号，并准备接收ADC0809发送的数据。

ALE和START同时连