基于单片机单相数字电功率表的设计.doc

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AbstractThis paper describes the design of single-phase digital electric power meter based on MCU.The single phase digital power meter using AT89C52 microcontroller as the central processor, which by detecting the voltage and current value, the zero crossing comparison method the use of single-chip timer to calculate the phase angle, finally based on the results of the power, the measurement of the detected value displayed on the LCD monitor.This paper also introduces the related hardware circuit and software program flow chart, the design mainly includes the following aspects: sampling and processing, analog-to-digital conversion, application and programming, MCU LCD AC signal data.With the development of society, electronic products gradually towards digitization, informatization, automation development direction, the design of the digital power meter has gradually replaced the traditional analog pointer type power meter, it has advantages of strong anti-interference ability, high precision, strong expansibility, easy to be integrated, with good research significance.Keywords:microcontroller data acquisition more than zero liquid crystal display目 录摘要 IAbstract II第1章 概 述 11.1 设计背景与意义 11.2 研究内容 1第2章 系统方案设计 22.1 系统基本思想 22.2 系统功能要求 22.3 系统框图 32.4 设计方案及技术分析 32.4.1 电压电流采集模块 32.4.2 信号处理模块 42.4.3 模数转换模块 42.4.4 相位角测量模块 4第3章 系统硬件分析 53.1 电路测试系统的分析 53.1.1 单片机最小系统简介 53.1.2 数据存储器24C16 53.2 系统的前向通道 83.2.1 电压、电流采样的前置电路 83.2.2 相位角测量的前置电路 103.2.3 模数转换电路 113.3 键盘电路 153.4 液晶显示电路 15第4章 系统软件设计 184.1 Keil编程软件介绍 184.2 程序设计 184.2.1 系统的主程序设计 184.2.2 初始化子程序的设计 194.2.3 测量子程序 214.2.4 液晶显示子程序 264.2.5 键盘扫描子程序 28第5章 系统调试过程 305.1 Proteus软件应用 305.2 电压、电流采集模块调试 305.3 相位角测量模块调试 315.4 液晶显示模块调试 335.5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0-5A3) 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。