基于单片机单相数字电功率表的设计设计.docx
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基于单片机单相数字电功率表的设计设计
基于单片机单相数字电功率表的设计设计
摘要
本文主要讲述了基于单片机的单相数字电功率表的设计。
该单相数字功率表采用AT89C52单片机作为中央处理器，其间通过检测电压电流值，采用过零比较法利用单片机的定时器计算出相位角
，最后依据
得出电网功率，最后将检测到的测量值显示在液晶显示器上。
另外本文介绍了其相关硬件电路和软件程序流程图，本设计主要包括下面几方面：
交流信号数据采样与处理、模数转换、单片机应用与编程、液晶显示。
随着社会的发展，电子产品逐渐朝着数字化、信息化、自动化方向发展，本设计的数字功率表也逐渐取代了传统指针式模拟功率表，其具有抗干扰能力强、精度高、可扩展性强、集成方便等优点，具有良好的研究意义。
关键词：
单片机数据采集过零比较液晶显示
Abstract
Thispaperdescribesthedesignofsingle-phasedigitalelectricpowermeterbasedonMCU.ThesinglephasedigitalpowermeterusingAT89C52microcontrollerasthecentralprocessor,whichbydetectingthevoltageandcurrentvalue,thezerocrossingcomparisonmethodtheuseofsingle-chiptimertocalculatethephaseangle
finallybasedon
theresultsofthepower,themeasurementofthedetectedvaluedisplayedontheLCDmonitor.Thispaperalsointroducestherelatedhardwarecircuitandsoftwareprogramflowchart,thedesignmainlyincludesthefollowingaspects:
samplingandprocessing,analog-to-digitalconversion,applicationandprogramming,MCULCDACsignaldata.Withthedevelopmentofsociety,electronicproductsgraduallytowardsdigitization,informatization,automationdevelopmentdirection,thedesignofthedigitalpowermeterhasgraduallyreplacedthetraditionalanalogpointertypepowermeter,ithasadvantagesofstronganti-interferenceability,highprecision,strongexpansibility,easytobeintegrated,withgoodresearchsignificance.
Keywords:
microcontrollerdataacquisitionmorethanzeroliquidcrystaldisplay
摘要I
AbstractII
第1章概述1
1.1设计背景与意义1
1.2研究内容1
第2章系统方案设计2
2.1系统基本思想2
2.2系统功能要求2
2.3系统框图3
2.4设计方案及技术分析3
2.4.1电压电流采集模块3
2.4.2信号处理模块4
2.4.3模数转换模块4
2.4.4相位角测量模块4
第3章系统硬件分析5
3.1电路测试系统的分析5
3.1.1单片机最小系统简介5
3.1.2数据存储器24C165
3.2系统的前向通道8
3.2.1电压、电流采样的前置电路8
3.2.2相位角测量的前置电路10
3.2.3模数转换电路11
3.3键盘电路15
3.4液晶显示电路15
第4章系统软件设计18
4.1Keil编程软件介绍18
4.2程序设计18
4.2.1系统的主程序设计18
4.2.2初始化子程序的设计19
4.2.3测量子程序21
4.2.4液晶显示子程序26
4.2.5键盘扫描子程序28
第5章系统调试过程30
5.1Proteus软件应用30
5.2电压、电流采集模块调试30
5.3相位角测量模块调试31
5.4液晶显示模块调试33
5.5系统调试33
第6章总结35
参考文献37
致谢38
附录A:
原理图39
附录B：
仿真图40
附录C：
部分程序41
第1章概述
1.1设计背景与意义
随着社会的发展，电能在人们的生活中无处不在，并以各种形式影响着人们的生活。
现在人们的基本生存得到保障，对用电设备工作状态的了解与要求也越来越高。
这些工作状态主要包括电网电压、设备工作电流、工作环境、压力、湿度等，只有满足所有用电设备的最大要求才能确保人身的安全问题。
电网电压与工作电流的稳定是设备长期运行的前提，而功率表是电压电流最终的体现方式，因此，对功率表的测量显得尤为重要。
最近几年，随着电子、计算机和半导体三方面技术的飞速发展，电力系统在测量方面也发生了巨大的变革。
功率表一直以来作为重要的工业测量仪表，广泛被应用于电工与电子技术领域，目前，电能表、电子式功率计采用的工作原理，基本上是依据功率的定义，采用各种乘法器来实现电压与电流的乘积，而本设计采用数值采样法，对电压电流信号进行同时采样，以获得较高的精度。
与传统方法不同，本设计采用过零比较法利用单片机的定时器对电压与电流的的时间差进行确定，从而计算出电压与电流的相位角，再经查表得出功率因数，最后计算出电网功率。
家庭用电主要是交流电，所以本设计主要研究的是单相交流数字电功率表。
其采用数字化测量技术，分开采集电压电流，再通过软件编程计算出功率。
测量的过程中，通过把连续的模拟量（交流输入的电压和电流）转换成不连续的、离散的数字形式。
传统的指针式电能表功能单一且精度低，以不能满足社会的需求，故采用单片机的数字功率表，精度高、抗干扰能力强、集成方便，还可与PC机进行实时通讯。
目前，集成的数字功率表功能强大、使用方便、体积小，广泛应用与电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能数字化领域，在市场上受到很多人的青睐。
1.2研究内容
本设计是针对单相交流数字电压表系统的研究，以单片机为核心，设计并制作0-300V交流电压、0-5A交流电流的采集、电压超前电流的相位角的硬件系统。
在制作硬件系统的平台上编写相关的程序并实现功率的计算与显示。
系统采用51单片机作为核心处理器，通过硬件电路和软件编程，控制模数转换器工作和液晶显示器显示。
本设计主要包括下面几方面内容：
交流信号数据采样与处理、模数转换、单片机应用与编程、液晶显示。
第2章系统方案设计
2.1系统基本思想
本设计是针对二端网络（如图2-1）电路中参数的测量，假设端电流i及端电压u是在关联的参考下，分别为
，
，其中
是电压超前于电流的相位角，则瞬时功率
，其中U、I分别是电路的电压有效值和电流有效值，通过滤除高频交流分量，就可以得到功率的有效值。
图2-1二端网络
本课题主要研究的电路电网中对正在运行时的参量进行测量、保存、显示，对于单片机软件的开发，可以选用C语言或者汇编语言进行编程。
本设计中我选择利用C语言进行编程。
本设计基本的设计思路如下：
首先，对于电路中的电压和电流的测量，可以通过系统的前置电路把其转换成可供采样电压信号，再通过AD转换送入单片机处理，由软件读出，然后进行处理，处理后参数由液晶显示器显示出来。
其次，对相位角的测量，采用过零比较的方法利用单片机的定时器对电压与电流过零点的时间差来进行确定，再通过计算就可以确定电压与电流的相位差，故功率因数可以通过查表得到。
最后，功率的测量则是通过公式
计算出来的。
电路每一个时刻所对应的电压、电流、功率、功率因数四个参数可以通过液晶显示器显示出来。
2.2系统功能要求
本设计利用数字功率表来测量频率为50Hz的交流电路的各种参数，包括电压有效值、电流有效值、功率、功率因数。
数字功率表不能直接测量得到，必须先进行电压、电流和功率因数的测量，才能计算出功率。
本设计重点阐述了电压和电流分别采样及采用过零比较的方法利用单片机的定时器得出相角的过程，选用高精度的模数转换器TLC2543进行模数转换并用液晶显示器SMC1604A。
对输出结果进行显示。
这个过程需要完成硬件、软件系统设计，并使最终的数字功率表具备以下的功能：
1）电压、电流值同步显示
2）电压测量范围0-300V，电流测量范围0-5A
3）在液晶显示器上显示电压、电流、功率因数、功率
2.3系统框图
在基于单片机的单相数字电功率表的设计中，如果要对元件的功率进行测量，首先要明白功率的意义
，从式中可知，要测量功率就要求电压有效值、电流有效值和功率因数，故在本次设计中分别对其做了处理，由此可以划分为下面几大模块：
电压电流采集模块、相位角测量模块、键盘模块、液晶显示模块，在第三章我将对其做详细的介绍。
整个系统的结构图如图2-2所示。
图2-2系统结构图
2.4设计方案及技术分析
2.4.1电压电流采集模块
方案一：
电阻分压采样
通过将电阻串联或电阻并联放到待测电路中，电流流过电阻，从而采集到电压电流的值。
方案二：
电压电流互感器
互感器是一种仪用变压器，它是把电压、电流按一定的比列进行变换的一种测量设备。
其主要的功能是将一些大电压、大电流缩小一定的比例并将其变换成一种标准的低电压（100V）、低电流（5A或1A，均指额定值），因此使得一些测量仪表、保护设备和自动控制设备可以实现标准化、小型化。
同时互感器能够隔开高压电力系统，从而人身和设备的安全得到保证。
方案一主要适用于小电压小电流信号的采样，优点在于接线简单，易于实现，但由于电阻的接入使得原来的网络功率损耗增大，并对原信号产生一定的干扰，这样采样误差变大。
方案二适用于一些大电压、大电流的采样，功率损耗低，能很好的实现电气隔离，采样过程对原信号无影响。
电流互感器对于200V左右的交流信号采样明显胜于电阻分压采样，故选择方案二。
2.4.2信号处理模块
首先电压电流互感器二次测电压比较小，且A/D转换器只接收0-5V直流电压信号进行处理，故需要对采样到的小交流信号进行放大、整流，整流出来的电压电流信号通常含比较大的纹波，所以需要电容和电阻来设计平波电路。
综上，信号处理模块需要设计整流电路和平波电路。
2.4.3模数转换模块
本设计中A/D转换器采用11通道10位TLC1543串行模数转换器。
与传统的模数转换器相比，TLC1543具有输入通道多、转换精度高、传输速度快、价格低、使用灵活和易于与单片机接口等特点，是一款高性价比的模数转换器。
其片内设有自动保持电路。
故采用TLC1543比较适合。
2.4.4相位角测量模块
功率因数是指正弦信号的电压超前于电流的相角的余弦值。
方案一：
采用过零比较的方法来求相位角
某一正弦信号周期性的出现过零点，通过测出过零点的时间就能得出该信号的相角。
方案二：
通过傅式滤波的方法来求相位角
该方法完全考虑系统不对称性所造成的谐波对测量精度的影响，但只适用于无限长的信号。
综上，本设计采用方案一。
第3章系统硬件分析
3.1电路测试系统的分析
单片机电路测试系统主要由AT89C52、24C16数据存储器、键盘电路以及前向测试通道（电压电流采样电路）和液晶显示电路构成。
它主要完成的任务是：
系统从前向通道采集得到的数据进行处理后，通过内部总线送给片外的24C16数据存储器进行储存，并将处理过的数据通过液晶显示器显示出来。
3.1.1单片机最小系统简介
本系统采用AT89C52单片机，它是一种低功耗、高性能的芯片。
其片内内置通用的8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能比较强大，适用于各种复杂的控制应用场合。
51单片机最小系统复位电路的极性电容C1的大小直接影响到单片机的复位时间，一般情况下采用10-30uF，C1越大需要的复位时间越短，故本设计中采用10uF；晶振Y1即可采用6MHz也可采用11.0592MHz，一般在正常运行的情况下都选则较大频率的晶振，因为单片机CPU的处理速度直接受到晶振振荡频率的影响，频率越大的晶振处理的速度就越快，故本设计中采用11.0592MHz；晶振电路中的起振电容C2、C3一般采用15-33pF，且起振电容越接近晶振越好，而晶振的位置离单片机的距离越近越好，一般C2、C3取相同值30PF。
单片机的最小系统图如图3-1所示。
图3-1单片机的最小系统
3.1.2数据存储器24C16
一、24C16说明
在本设计中，数字功率表的系统很小，所要存储的数据比较小，所以我选用了串行E2PPOM24C16片外存储器。
原因在于系统掉电后它所存储的数据并不消失，并且与单片机连接的管脚也比较少,一定的程度上可以节约系统的硬件资源。
当然它也有一定的不足，就是在软件编程时比较麻烦。
24C16是一个16K位串行CMOSE2PROM，内部含有2048个8位字节，CATALYST公司具有先进的CMOS技术，其实质上是器件的功耗得到了减少。
24C16具有一个16字节页的写缓冲器，该缓冲器是通过I2C总线的接口来完成操作的，另外还具有一个特定功能的写保护引脚。
24C16引脚图如图3-2、引脚功能如下表3-1所示：
图3-224C16引脚图
表3-124C16引脚功能
管脚名称
功能
A0、A1、A2
器件地址选择
SDA
串行数据/地址
SCL
串行时钟
WP
写保护
Vcc
+1.8V到6.0V工作电压
Vss
地
二、24C16的功能描述
24C16支持I2C总线数据的很多传送协议，I2C总线规定，任意一个把数据传送到I2C总线的器件叫做发送器。
任意一个从I2C总线接收数据的器件叫做接收器。
数据的传送是由产生的串行时钟信号以及所有起始信号、停止信号的主器件来控制的。
任意一个主器件或者从器件都能称为发送器或者接收器，但传送数据（发送或接收）的模式是由主器件来控制。
三、24C16的时序描述
1．24C16的起始信号：
时钟线为高电平期间，数据线电平从高到低的跳变作为24C16的起始信号。
2．24C16的停止信号：
时钟线为高电平期间，数据线电平从低到高的跳变作为24C16的停止信号。
3、24C16的起始、停止时序如下图3-3所示：
图3-3起始、停止时序图
四、24C16的寻址过程描述
主器件发送一个起始信号来启动发送过程，然后再发送它所需要寻址的控制命令字（从器件的地址），该控制命令字的高4位固定为1010，A2、A1、A0作为器件的地址位，用来定义哪个器件以及器件的哪一个部分被主器件访问，而读写控制位是由该控制字的最低位来控制的。
“1”表示对控制字进行读的操作，“0”表示对控制字进行写的操作。
接下来主器件的发送首先要访问从器件的地址，在起始信号被主器件发送和地址字节被从器件发送后，当24C16监视总线的地址和从器件发送的地址一致时，24C16会产生一个响应的应答的信号（通过SDA线）。
24C16再依据读写的控制位（R/W）的状态进行读或写操作。
24C16在系统电路中的接法如3-4图所示。
图3-424C16在系统电路中接法
3.2系统的前向通道
每个系统都有自己的输入信号，不然整个系统都是失败的，所以在本次设计的单片机控制系统中，必须有被测电信号的输入通道，即前向通道，以此来采集必要的输入信息。
下面是讲述本次系统前向通道的构成及接口。
3.2.1电压、电流采样的前置电路
由于本系统测量电压的有效值范围是0V到300V，电流有效值的范围是0A到5A，而模数转换器采样电压仅仅为0到5V的直流电压，所以在硬件上需要设计电压和电流的前置通道完成强电到弱电的转换。
即外部电压或电流先经过互感电路变换、整流电路整流、分压电路分压最后才可以被模数转换器采样。
一、电压采样
将0-300V的交流电压转换成较小的电压，此时采用TVA1421-01型电压互感器来实现。
该器件的原理是电流型电压互感器，即二次测输出的电流与输入的电压成正比，所以二次测不能开路，使用时在二次测接入采样电阻，采样电阻取500欧姆时，由于输出电流等于输入电流，所以采样电阻两端的电压即为0-1V。
电压采样电路如图3-5所示。
图3-5电压采样电路图
二、电流采样
由于流过用电设备的交流电流通常比较大，所以应该把它按比列的衰减成一个安全的同特性、不失真的交流小信号。
采样电流为5A的交流电，所以选择TVA1421-01型电流互感器来实现。
TVA1421-01型电流互感器中间有一个通孔，应用时可将待测电线穿过此孔，它输出的小信号电流也是与输入的电流成线性比例的，使用时在二次端串接电阻，即可采样到电压。
TVA1421-02型作为电流互感器时，额定电压为9A时，输出额定电流为6mA,故额定输入电流5A时，则额定输出电流为3.33mA，此时采样电阻选用300欧姆，二次测输出电压为0-1V。
下面为电流采样电路图3-6。
图3-6电流采样电路
三、信号处理分析
该模块主要是将电压电流采样模块采样到的交流电压信号进行整流和平波处理，使其能被A/D转换模块可接收的0-5V直流电压信号。
下面是电压采集信号处理电路（图3-7）和电流采集信号处理电路（图3-8）。
图3-7电压采集信号处理电路
由电压采样可知，互感器变换后电压UD为0-1V，经运算放大器放大5倍，在经过整流、滤波、分压后，可得到0-5V的交流电压。
图3-8电流信号处理电路
由电流采样电路可知，经互感器变换后电流为3.33mA，电压1V，调节反馈电阻W5将电压放大5倍，在经过整流、滤波、分压后，可得到0-5V的交流电压。
由于交流电压或交流电流信号经互感器变换后电压值比较小，所以应先将电压电流值放大再经过二极管整流电路进行整流，得到0-10V范围内的直流电压，因为模数转换器只接收0-5V的直流电压，所以要通过电阻进行分压。
在处理信号时，要保护测量设备，所以在信号送入TLC1543之前并联一个稳压二极管以对直流电压信号进行稳压，确保输出电压在0-5V以内的范围，经过上面一系列的处理得出的电压值才能与电路的真实值相等。
电压（或者电流）量程的自动转换则通过软件来实现，关于量程转换将在第四章软件设计中具体介绍，在此就不再叙述。
3.2.2相位角测量的前置电路
利用过零点来测量电压、电流的相位差。
对于某一正弦信号，都会出现周期性的出现过零点，我们只要测出过零点的时间就可以得出电压、电流的相位差。
该电路主要由限幅电路、过零检测器和光电耦合器组成。
在前面一节中，对于电压与电流的采集，我们是通过互感器来获得的，在本节中我还是采用互感器来获得电压电流的真实值。
当电路电压或电流通过互感器变换后的采样电压或电流值大于0时，则1点（7点）的电位小于零，发光二极管导通，使光电耦合器作用导致P3.2输出低电平。
当电压（电流）的负半轴经过零点时，1点（7点）的电位大于零且近似为5V，这个时候发光二极管不导通，使得光电耦合器不作用P3.3输出为高电平。
由于已知本系统所测量的电路频率主要为50HZ的交流电，在系统中电压接入INT0（单片机的P3.2管脚），电流接入INT1（单片机的P3.3管脚），这样根据电压和电流过零的时间差，再通过软件编程我们可以计算出电压和电流之间相差的相位角，从而满足了设计要求。
由此可看出在这个电路中光电耦合器有两种作用：
电气隔离和电平转换。
图3-9相位角测量电路
3.2.3模数转换电路
信号处理后出来的是模拟量，而单片机接收的信号只是数字量，所以A/D转换电路是功率测量中必不可少的一部分。
本次设计选用的A/D转换芯片作为处理器，在此选择有11路模拟量输入的TLC1543转换器，因为TLC1543不仅转换时间很快、采样的精度高而且使用单片机I/O接口少，完全可以满足系统的测量要求。
为了TLC1543转换器能可靠的运行，需要对其各个控制端进行学习。
一、TLC1543简介
（1）TLC1543是20脚封装的CMOS芯片，也是10位开关电容按逐次逼近的方法进行模/数转换的转换器。
TLC1543引脚图如图3-10所示。
（2）输入端有三个和三态输出端有一个：
片选（CS）、输入/输出时钟（I/OCLOCK）、地址输入端（ADDRESS）以及数据输出端（DATAOUT）。
具有一个四线接口，可以直接与主处理器或其他的外围串行口进行高速数据传输。
（3）片内部含有一个14路多路的选择器，可供选择的有：
在11个输入中的可以选择1个，在内部含有3个带有自测试的电压可以选择一个。
（4）片内还设有自动采样的保持电路。
在转换结束时，EOC输出端变高以指示转换的完成。
（5）系统的时钟应在片内产生并且与I/OCLOCK同步。
（6）片内设有转换器，使该器件具有以下特点：
高速（单次转换的时间10us）、高精度（10位的分辨率、最大+LSB线性的误差）和低噪声。
图3-10TLC1543引脚图
二、工作过程
TLC1543工作时序如图3-11所示，其工作过程分为两个周期：
访问周期和采样周期。
图3-11TLC1543时序图
时序使用方法：
（1）片选CS高电平，EOC高电平，CLK时钟低电平；
（2）片选CS低电平，开始读出第一位数据；
（3）在第一个时钟上升沿，输入一个地址数据；
（4）之后在每个时钟的下降沿输出AD转换数据，在上升沿输入地址数据；
（5）TLC1543是10位转换器，因此有10个时钟；
（6）一个操作过程结束后，片选CS高电平，EOC会在最后第10个时钟的下降沿触发低电平，开始AD转换，此时，输出被禁止，等到转换结束后EOC置位1，代表转换结束。
等到CS片选再次低电平，开始第二次操作。
三、硬件设计
TLC1543的基准由外电路提供，在本设计中由于对采样的精度要求较高，所以在编程的时候软件要将TLC1543设置成单极性输出，MSB做前导输出并且输出的数据长度为10位。
TLC1543可直接与单片机连接，SDO、ADDR、CS、CLK、EOC分别接到单片机P2.0-P2.4口上。
TLC1543硬件电路图为3-12所示，TLC1543的输入寄存器格式如表3-2所示，根据硬件原理图和表格3-2可以确定出各个量程的的通道地址以及TLC1543的控制格式如表3-3所示。
图3-12TLC1543的硬件电路图
表3-2TLC1543的输入寄存器格式
功能选择
输入数据字节
备注
地址位
L1
L0
LSBF
BIP
D7=MSB
D0=LSB
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
AIN0
AIN1
AIN2
AIN3
AIN4
AIN5
AIN6
AIN7
AIN8
AIN9
AIN10
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