片机课程设计单相工频交流电压电流计设计Word文档下载推荐.docx

1、系统总体框图如图 1-1 所示。图 1-1 系统总框图 第二章第二章 硬件设计硬件设计 2.1 转换电路设计转换电路设计 2.1.1 分压电路分压电路 分压电路如图 2-1 所示，分压电路工作原理为：不同的输入电压通过分压电阻，电压下降而不改变相位。图中运算放大器构成电压跟随器，图 2-1 分压电路 运放输出电压和互感器输入电压关系为：U0=U*R101/（R100+R101）。故选择取样电阻 R100=215、R101=5.02。2.1.2 电流转换电路电流转换电路 电流转换电路如图 2-2 所示，输入电流 0 40A，输出电压 05V，图 2-2 电流转换电路 2.2 真有效值转换电路设计

2、真有效值转换电路设计 系统的核心是测量交流电压、电流的有效值，因此有效值测量的精度将直接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选，较通用的有 Analog公司的 AD536、AD636、AD736 及 AD737等。考虑到成本等因素，系统选用的是 AD736，应用电路如图 2-3所示。该器件是按有效值隐含运算而设计，能计算任意复杂波形的高精度真有效值-直流转换器件，其精度优于 0.3%，波峰因素 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。AD736有效值测量原理如下:一个交变信号的有效值定义为 （1）这里，为信号的有效值，T为测量时间，是一个时间

3、的函数，但不一定是周期性的。对等式两边进行平方得：（2）右边的积分项可以用一个平均来近似 （3）这样式（2）可以简化为：（4）等式两边除以 得：（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。图中 CC 为低阻抗输入端耦合电容一般取值为 1020uF；CF为输出端滤波电容一般取 10uF；CAV为平均电容，它是 AD736 的关键外围元件，用于进行平均值运算。其大小将直接影响到有效值的测量精度，尤其在低频时更为重要。多数情况下可选33uF。图 2-3 真有效值转换电路 2.3 555 定时器矩形波转换电路设计定时器矩形波转换电路设计 利用 555定时器，对正弦

4、信号进行整形，从而形成矩形波。利用中断进行计时。当整形电压波形首次出现下降沿时，定时器 1、2 打开。开始计数。当整形电流波形首次出现下降沿时，关闭定计数器 T0，计数值为 time_l。当整形电压波形再次出现下降沿时，关闭计数器 T1，计数值为 time_s。从而计算出相位差phase=（time_l）*360/（time_s）。功率因数 power fact=cos（phase）。应用电路如图 2-4所示。图 2-4 矩形波转换电路 3.2 电压、电流真有效值切换电路设计电压、电流真有效值切换电路设计 由于 AD1674要求一路输入，故需对电压有效值和电流有效值的信号进行通道选择和切换。本

5、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 2-5 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 2-1所示。本设计中只用了一路，单片机 2.4 口通过 D触发器与 A 相连，由控制位A选择输出。表 2-1 CD4053真值表 Input States On Channels EN A B C 0 0 0 0 X0,Y0,Z0 0 0 0 1 X0,Y0,Z1 0 0 1 0 X0,Y1,Z0 0 0 1 1 X0,Y1,Z1 0

6、1 0 0 X1,Y0,Z0 0 1 0 1 X1,Y0,Z1 0 1 1 0 X1,Y1,Z0 0 1 1 1 X1,Y1,Z1 1*NONE 图 2-5 真有效值转换电路 2.5 A/D 转换电路设计转换电路设计 AD1674是美国 AD 公司推出的一种完整的 12位并行模/数转换单片集成电路。该芯片内部自带采样保持器（SHA）、10伏基准电压源、时钟源以及可和微处理器总线直接接口的暂存/三态输出缓冲器。与原有同系列的 AD574A/674A 相比，AD1674 的内部结构更加紧凑，集成度更高，工作性能（尤其是高低温稳定性）也更好，而且可以使设计板面积大大减小，因而可降低成本并提高系统的可

7、靠性。笔者在研制某新型国产机载武器系统中采用了 M级 AD1674T，它可实时地采集各传感器的模拟参量，以进行快速、精确的数据转换并传给 CPU进行处理。图 2-5ADC 转换电路 AD1674的基本特点和参数如下：带有内部采样保持的完全 12 位逐次逼近（SAR）型模/数转换器；采样频率为100kHz；转换时间为 10s；具有 1/2LSB的积分非线性（INL）以及 12 位无漏码的差分非线性（DNL）；满量程校准误差为 0.125%；内有+10V基准电源，也可使用外部基准源；四种单极或双极电压输入范围分别为 5V，10V，0V10V和 0V20V；数据可并行输出，采用 8/12 位可选微处

8、理器总线接口；内部带有防静电保护装置（ESD）AD1674的引脚按功能可分为逻辑控制端口、并行数据输出端口、模拟信号输入端口和电源端口四种类型。（1）逻辑控制端口 12/8：数据输出位选择输入端。当该端输入为低时，数据输出为双 8位字节；当该端输入为高时，数据输出为单 12位字节。CS：片选信号输入端；R/C：读/转换状态输入端。在完全控制模式下，输入为高时为读状态；输入为低时为转换状态；在独立工作模式下，在输入信号的下降沿时开始转换。CE：操作使能端；输入为高时，芯片开始进行读/转换操作。A0：位寻址/短周期转换选择输入端。在转换开始时，若 A0为低，则进行 12位数据转换；若 A0为高，则

9、进行周期更短的 8位数据转换；当 R/C=1 且 12/8=0 时，若 A0为低，则在高 8位（DB4DB11）作数据输出；若 A0为高，则在 DB0DB3 和DB8DB11 作数据输出，而 DB4DB7 置零。STS：转换状态输出端。输出为高时表明转换正在进行；输出为低时表明转换结束。（2）并行数据输出端口 DB11DB8：在 12 位输出格式下，输出数据的高 4位；在 8位输出格式下，A0为低时也可输出数据的高 4位。（3）模拟信号输入端口 10VIN：10V范围输入端，包括 0V10V单极输入或 5V双极输入；20VIN：20V范围输入端，包括 0V20V单极输入或 10V双极输入；应当

10、注意的是：如果已选择了其中一种作为输入范围，则另一种不得再连接合作。（4）供电电源端口 REF IN：基准电压输入端，在 10V基准电源上接 50 电阻后连于此端；REF OUT：+10V基准电压输出端；BIP OFF：双极电压偏移量调整端，该端在双极输入时可通过 50 电阻与 REF OUT端相连；在单极输入时接模拟地。图 3 给出了AD1674在单极和双极输入时的两种连接电路。VCC：+12V/+15V 模拟供电输入；VEE：-12V/-15V模拟供电输入；VLOGIC：+5V逻辑供电输入；故我们按照图 2-5 接线。2.6 显示电路设计显示电路设计 7段 LED显示电压和电流有效值应用接

11、口电路如图 2-6所示，包括单片机、LED显示电路、7448地址锁存器、74138译码器。单片机 P1.0P1.3 口作为 7448的控制口，P1.4P1.7 作为 74138 的控制口。图 2-6 应用接口电路 上图还包含了开关量，CLK/KEY；U/I两个开关键控制电压电流有效值循环输出。2.7 单片机电路设计单片机电路设计 系统采用 AT89C51 单片机作为主控制器。AT89C51 具有功能强、体积小、成本低、功耗小等特点，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。与数码管相比该模块还有位数多、显示内容丰富、程序简

12、单等优势。P2.0-P2.7 用于接收 AD 转换后的信号。2.8 串口电路设计串口电路设计 串行通信利用虚拟终端，下载串口调试助手 SComAssistantV2.1，Virtual Serial Port Driver6.9。对基于单片机 C51 开发的软硬件进行联合调试，显示结果。设置虚拟终端COM1，COM2。第三章第三章 软件设计软件设计 4.1 A/D 转换、相位差程序转换、相位差程序 系统上电复位后，从主程序开始执行。主程序需将 A/D转换得到的数据进行运算处理，转换位十进制数，并送到 LED显示。取电流电压值，逐位取余通过 P1口发送至 LED。并进行循环显示。程序流程图如图

13、3-1 所示。根据 AD1674 各引脚的功能对各引脚进行赋值。相位差根据两个计数器的比值获得，根据室内米特触发器转换而来的矩形波信号。测得完整周期计数值和周期差计数值进行计算。得到相位差和功率因数，并发送至远程主机。如图 3-2 所示。图 3-1 AD转换流程图 图 3-2 相位角流程图 第四章第四章 系统调试及误差分析系统调试及误差分析 4.1 系统调试系统调试 在系统整体调试时，若调试不成功，由于整体连接已经完成，很难检查到底哪部分有错误。为此，我们采用了边连接边调试的方法，即将系统分成若干模块，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，用到的虚拟仪器设备如下：直流稳

14、压电源、函数信号发生器、示波器、万用表等。4.2 误差分析误差分析 1.分压电路、电流转换带那路存在非线性误差。2.AD736转换误差。3.AD1674存在误差，延时程序影响。4.3 调试过程中的问题调试过程中的问题 1.电压，电流的缩小电路原本为互感电路，但调试不能解决拥有滞后相位的正弦交流电的正常缩小。所以选择了精度较差的分压、转换电路。2.有效值转换电路不能有效转换相位改变的正弦交流电。3.采用 12位 AD1674 数模转换器，提高精度，减小误差。4.串口通信只能显示 16进制数字，导致不能合理显示小数点。结束语结束语 经过 20天得努力，我圆满完成了此次课程设计任务，作品达到了题目要

15、求的各项性能指标。本次实习是为毕业设计做好准备、打好基础，通过这次实习，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，软件编写，系统调试到最后的报告撰写，每一个过程我都学到了很多，收获了很多，理论设计和动手实践能力得到了很大提升。课设成果不是单一知识的结晶，实习遇到了好多难题，学过的一些知识点有 所遗忘，我们完成课题的同时也巩固了理论知识。通过实习理论联系实际，以前一些不甚理解的理论也变得容易理解了。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电压表的设计，由于事前对 220V电压重视不够。这次做实习的经验也会使我终身受益，我感受到做课设是要真真正正

16、用心去做的一件事情，是真正的自己研习和研究的过程。希望这次的经验能让我在往后学习中驱策我继续前进。附附 录录 附录一附录一 完整电路图完整电路图 附录二附录二 程序清单程序清单/*/#include#include#include#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define ADCSTU 0 x6cff#define ADCH 0 x6EFF#define ADCL 0 x6FFF#define LEDportal P1 sbit STS=P34;sbit clk_key=P22;sbit u_i=P23

17、;uint volts,amps;uint phase;float power_fact;uint time_l=0;uint time_s=0;bit timing=0;uchar*p;uchar a;uchar string136;void int0_isr（void）interrupt 0 if（timing）TMOD=0 x11;TH1=TL1=0 x0;TH0=TL0=0 x0;TR1=TR0=1;EA=1;EX1=1;timing=1;else TR0=0;time_l=（TH08）|TL0;EA=0;timing=0;void int1_isr（void）interrupt 2

18、TR1=0;time_s=（TH18）|TL1;void delay（uint t）uchar j=100;while（t-）while（j-）;uint phase_differ（void）uint differ;IT0=IT1=1;EA=EX0=1;while（timing）;delay（100）;differ=time_s*360/time_l;return（differ）;void byte_trans（void）uchar num=0;TMOD=0X20;SM0=0;SM1=1;PCON=0;TH1=TL1=0XFD;TR1=1;SBUF=（uchar）（volts/10000）;w

19、hile（!TI）;TI=0;SBUF=（uchar）（volts/1000%10）;SBUF=（uchar）（volts/100%10）;SBUF=.;SBUF=（uchar）（volts/10%10）;SBUF=（uchar）（volts%10）;SBUF=（uchar）（amps/10000%10）;SBUF=（uchar）（amps/1000%10）;SBUF=（uchar）（amps/100%10）;SBUF=（uchar）（amps/10%10）;SBUF=（uchar）（amps%10）;SBUF=0;a=（uchar）（power_fact*100）;SBUF=a%10;a=（

20、uchar）（power_fact*10）;void display（uint n）uchar i;for（i=0;i5;i+）delay（1）;LEDportal=（n%10）|（i0,n-）if（n200）display（amps）;else display（volts）;else if（u_i=0）display（volts）;else display（amps）;uint read_ui（bit ui）uint value;if（ui=1）XBYTEADCSTU|0 x1000=0;value=XBYTEADCH|0 x1000;value=（value4）|XBYTEADCL|0 x1000;/else XBYTEADCSTU=0;value=XBYTEADCH;value=（value4）|XBYTEADCL;/return（value）;void main（void）delay（300）;volts=read_ui（0）;volts=read_ui（0）*5.39;amps=read_ui（1）;amps=read_ui（1）/1.02;phase=phase_differ（）;power_fact=cos（phase）;byte_trans（）;dis_ctr（）;