基于單片機的工頻電壓(電流)表的設計

檢測系統實習報告題目： 基于單片機的工頻電壓（電流）表的設姓 名：院（系： 專業(yè)：指導教師： 職稱：評閱人： 職稱：年 月摘 要AT89S52AD736TLC549LCD指標。關鍵詞 ：工頻數字電壓（電流）表 真有效值 AD736 TLC549 AT89S521AbstractInpractice,RMSisthemostwidelyusedparameters.Exceptinspecialcircumstances,voltagemeterreadingsalmostallcarriedoutbytheRMSofsinewave.ThereasonsofRMSiswidelyavailable,ontheonehand,becauseitdirectlyreflectsthesizeoftheexchangeofsignalenergy,whichthestudyofpower,noise,distortion,spectrumpurity,energyconversion,suchasitisveryimportant;Ontheotherhand,ithasaverysimplesuperpositionofthenatureofthecalculationwillbeextremelyconvenient.Thedesignofsingle-chipAtmelCorporationAT89S52ascontrolcore,thecurrentsensormodule,TrueRMSmeasurementmodules,signalconditioningmodules,ADacquisitionandcontrolmodule,displaymodule.Systemusesacurrentsensorcircuitforstep-downoftheinputsignalprocessing,hasbeenconvertedbytheoriginalAD736TrueRMSsignalbytheTLC549convertintosingle-chipdigitalconductedafterthebriefandtheresults ofdataprocessinginrealtimethroughtheLCDdisplay,achieveabetterperformance.Keyword: Digitalvoltage(current)meter TrueRMS AD736 AT89S522目 錄第一章 緒論 1§1.1 選題背景及意義 1§1.2 系統設計任務 1第二章 系統總體設計 2§2.1 方案論證與比較 2電壓、電流變換部分 2有效值測量部分 2§2.2系統總體設計 2第三章 硬件設計 4§3.1 傳感器電路設計 4電壓互感器 4電流互感器 4§3.2 真有效值轉換電路設計 5電壓、電流切換電路 5真有效值測量電路 6§3.3 信號調理電路設計 7§3.4 A/D轉換電路設計 7§3.5 單片機及顯示電路設計 9第四章 軟件設計 10§4.1 LCD1602液晶顯示程序 10§4.2 A/D轉換程序 10§4.3 主程序設計 12第五章 系統調試及誤差分析 13§5.1 系統調試及測試結果 13AD736測試結果 13OP07測試結果 13TLC549測試結果 13工頻電壓測量精度 14工頻電流測量精度 14§5.2 誤差分析 14§5.3 改進方法 15結束語 16致 謝 17參考文獻 18附錄 19附錄一 完整電路圖 19附錄二 程序清單 201第一章 緒論§1.1 選題背景及意義在日常的生產、生活和科研中，工頻電無處不在，所謂工頻就是電力供電系統交流電的頻率，我國國家規(guī)定工頻為500.0260近年來隨著計算機在社會領域的滲透，單片機的應用正在不斷地走向深及與推廣，為數字多用表智能化做出了貢獻。為以下幾類：基于單片機的數字工頻有效值多用表，這類儀表中，最有代表性的是89C528成熟，并且能根據不同的場合選用不同的核心芯片來滿足實際的要求。由單片機實現測量控制、數據分析處理、顯示和量程自動轉化等功能；由CPLDA/D§1.2 系統設計任務題目：基于單片機的工頻電壓（電流）表的設計設計任務：基本任務（必做50Hz，220V擴展部分（選做50Hz，220V誤差1第二章 系統總體設計§2.1 方案論證與比較電壓、電流變換部分由于系統測量的是220V交流電有效值以及0~5A工頻電流有效值，需將大電壓、大電流變換為小電壓、電流后才能進行測量。變換電路有以下兩種方案：方案一：采用串聯電阻分壓，該方法精度不高，輸入輸出無隔離，電阻損耗的功率較大。方案二：采用電壓互感器，電壓互感器利用的是電磁感應的原理，轉換精度高，輸入輸出處于隔離狀態(tài)，控制電壓比容易。作為電壓變換電路。有效值測量部分測量有效值有三種方案：方案一：采用二極管整流電路，再通過峰值檢波電路測得峰值，然后根據波形因數求得相應的有效值。方案二：利用單片機控制A/D對一個周期內的信號進行連續(xù)多點采樣，然后在軟件中根據有效值計算公式，利用傅里葉變換等算法積分求平均得到有效值。AD736信號?！?.2系統總體設計系統利用電壓/電流互感器和I/V變換電路將工頻電壓/A/D所示。2電壓互感器顯示電壓互感器顯示模擬開關有效值轉換信號調理單片機電壓互感器 按鍵圖2-1系統總框圖3第三章 硬件設計§3.1 傳感器電路設計電壓互感器3-1T1TV19TV191000:1000，0-5mA，非線性度<0.1圖中運算放大器與電阻構成I-U轉換電路，由于運算放大器的輸入阻抗非I2R2UIRU0I2*R2D1D2為限C為相位補償電容，可以抑制高頻域的突起現象。圖3-1電壓互感器電路運放輸出電壓和互感器輸入電壓關系為：U0=(Ui/R1*R2)。由于輸入電流R147KΩ220VI220/47K4.68mA，由此求得的電阻功率PU*I1.03W，故R12W的碳膜AD736輸入電壓有效值R240ΩTL082。電流互感器3-2T2。TA12-2002000:10~5A0~2.5mA，非線性度40.2%，相移≤52000倍，得0~2.5mAU0=I*R3。圖3-2電流互感器電路AD736的輸入電壓<R3=0~4A?！?.2 真有效值轉換電路設計電壓、電流切換電路由于系統要求同時對電壓、電流進行測量，故需對電壓互感器和電流互感器CD40533-3所示。CD40533-1P0.3AA選擇輸出。表3-1CD4053真值表InputStatesOnENABCChannels0000X0,Y0,Z00001X0,Y0,Z10010X0,Y1,Z00011X0,Y1,Z10100X1,Y0,Z00101X1,Y0,Z10110X1,Y1,Z00111X1,Y1,Z11***NONE5圖3-3模擬開關與真有效值轉換電路真有效值測量電路影響系統最終的精度。有效值測量集成電路視其測量范圍和精度有多種規(guī)格可AnalogAD536、AD636、AD736AD737等?？紤]到3-30.3%5，相對穩(wěn)定時間快，是當前集成真有效值轉換器性能較好的一種。T 01T 01T[V2(t)]dtV RMS

（1）這里，VRMS

(t

是一個時間的函數，但不一定是周期性的。0T對等式兩邊進行平方得：0TVRMS2

12(t（2）1 右邊的積分項可以用一個平均來近似1 2(t)]2(t)]dt （3）T0這樣式（2）可以簡化為：4V Avg2(t)] （）4RMS2等式兩邊除以V 得：RMS6VRMS

2VRMS

（5）這個表達式就是測量一個信號真實有效值的基礎。AD736也是采用的這一原理。CC10～20uF；CCF為平均電容，它是AD736的關鍵外圍元件，用于進行平均33uF?！?.3 信號調理電路設計前級AD736200mVTLC5495V/25619.5mV，且具有±0.5LSB就需要把AD736400mVADTLC549參考電壓為+5V，且輸入工頻電壓具有±15%的213-4組成同向放大器，放大倍數A=1+R2/R1=倍的同向放大以保證系統的測量精度要求。圖3-4信號調理電路§3.4 A/DTLC5498A/DCLKCSDATAOUT17μs，TLC54940次/S?？偸д{誤差最大為±0.5LSB6mW阻輸入抗干擾可按比例量程校準轉換范圍接地

≥1V，REF-

REF+

REF-3-5CSDCLK分別與AT89S52單片機的P0.0、P0.1、P0.2口相接。7圖3-5A/D轉換電路TLC549I/OCLOCK3-6所示。圖3-6TLC549操作時序一組通常的控制時序為：將CS置低。內部電路在測得CS下降沿后，再等待兩個內部時鐘上升DATAOUT端上。前四個I/OCLOCK2345個位(D6D5、D4、D3)4I/OCLOCK下降沿開始采樣模擬輸入。3I/OCLOCK678(D2D1D0)個轉換位。最后，片上采樣保持電路在第8I/OCLOCK周期的下降沿將移出第678(D2D1D0)432A/D8I/OCLOCK后，CSI/OCLOCK保持低電平，這種狀態(tài)需要維持36個內部系統時鐘周期以等待保持CSI/OCLOCK上出現一個有效干擾脈沖，則8微處理器/I/OCS平，則將使引腳重新初始化，從而脫離原轉換過程?！?.5 單片機及顯示電路設計AT89S52LCD1602AT89S5216X23-7晶振電路、LCD1602P2.0～P2.2LCD，P1LCDTLC549LCD圖3-7單片機與顯示電路9第四章 軟件設計§4.1 LCD1602LCD1602216個字符。模塊內部自帶字符發(fā)生存儲器（CGROM）,字符有：阿拉固定的代碼，比如大寫的英文字母“”的代碼是（41H，顯示時模塊把代碼41H發(fā)給液晶模塊，我們就能在液晶上看到字母“A”160211條控制指令，豐富的指令可以完成液晶LCDRS端選中為指令寄存器，R/W選中為寫模式，P2.2腳發(fā)出高低電平的跳變，即可將指令P1LCDRS4-1所示。圖4-1LCD1602操作時序§4.2 A/DTLC5498AD，與單片機只有三個接口：CS、CLK、DO。CS片選信號，CLK是數據操作時鐘，DO所示。10初始化,CS初始化,CS為高,CLK為低,0選中TLC549，CS置低1.4us后，置CLK為高讀DO，置CLK為低N8YCS置高結束圖4-2AD轉換流程圖A/D轉換，TLC549操作子程序如下所示：unsignedcharTLC549_ADC(){uchari;ucharad_data;CS=1;CLK=0;CS=0;_nop_();_nop_();for(i=0;i<8;i++){ad_data<<=1;ad_data|=DO;CLK=1;_nop_();CLK=0;}CS=1;for(i=17;i>0;i--)_nop_();return(ad_data);}11§4.3 主程序設計A/D轉換得到的數據進行LCDA/D4-3開始開始初始化SEL=0？YN電壓檔電流檔AD轉換AD轉換求平均值求平均值顯示電壓圖4-3主程序流程圖12第五章 系統調試及誤差分析§5.1 系統調試及測試結果在系統整體調試時，若調試不成功，由于整體焊接已經完成，很難檢查到底每個模塊完成后就進行測試驗證，最后再進行系統聯調。調試過程中，用到的儀器設備如下：直流穩(wěn)壓電源、函數信號發(fā)生器、示波器、萬用表等。AD736AD736統整體測量精度。為驗證其精度，對AD736模塊進行實驗測試，測試結果如表5-1所示。表5-1AD736測試結果輸入電壓有效值(mV)103050100 120150180 200輸出電壓有效值(mV)9.8130.0550.09100.50 120.94150.01180.98 201.3平均誤差0.59%OP07OP07A5-2所示。表5-2OP07測試結果輸入直流電壓(mV)5080100130150180200輸出直流電壓(V)1.051.672.092.723.153.774.18平均放大倍數20.93TLC549A/D轉換精度關系到測得電壓值精度，TLC5498A/D為+5VF5/25619mV。測試結果如表5-3所示。135-3TLC549測試結果輸入直流電壓(V)0.000.401.662.563.154.104.574.90測得電壓值(V)0.010.411.642.543.134.094.594.93平均誤差±1.2%工頻電壓測量精度5-43位半萬用表測得值作為標準值。表5-4電壓測量結果萬用表測得值(V)215217219221216217系統測得值(V)216218218223217219平均誤差0.46%工頻電流測量精度300W左右的電熱杯作負載，FLUKE5-5所示。表5-5電流測量結果鉗形表測得值(A)1.501.551.541.561.571.53系統測得值(A)1.491.531.541.551.561.54平均誤差0.44%§5.2 誤差分析分析誤差來源，主要有以下原因：電壓互感器、電流互感器存在非線性誤差。R11WUv=(Ui/R1)*R2高，測得電壓有效值變大。AD736OP07放大電路誤差。TLC549AD誤差。電路板為手工焊接，電磁兼容性考慮不周和外界的電磁干擾。14§5.3 改進方法50HZ0~5A，當負載電流較小時，為保證較高的測量精度，可在電流互感器后設置一程控放大電路以切換量程，提高小電流的測量精度。15結束語20天得團結協作，我們圓滿完成了此次實習任務，作品達到了題目要我們熟悉了一個課題或項目的完成過程，從查找資料，確定方案，設計電路，軟收獲了很多，理論設計和動手實踐能力得到了很大提升。與此同時我們也學到了一些寶貴的經驗教訓，例如：這次實習的課題是工頻220V電壓重視不夠，在電路測試階段不小心將工頻在往后學習中驅策我們繼續(xù)前進。16致 謝我們小組熱情的幫助，在這里請接受我們誠摯的謝意!在本次實習設計過程中，XXX刻的認識，在此表示衷心感謝。X極進取的科研精神以及誨人不倦的師者風范是我們終生學習的楷模。此外，要向帶國賽小組仍要在百忙之中抽時間對本次實習進行檢查、評審的XXX老師表示感謝！同時，也要感謝XXXXXXXX論文設計打下了堅實的基礎。17參考文獻AC/DCAD736RMS國外電子元器件，2001，9。RMS-DCAD736/AD737，1995，6。2000,1。梁琴，AD637高精度真有效值數字電壓表的設計，應用研究，2008，11。TLC5499。趙新民，王祁，智能儀器設計基礎，哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社1999。楊代華等，單片機原理及應用，武漢：中國地質大學出版社，2000。張永瑞等，電子測量技術基礎，西安：西安電子科技大學出版社，1994。費業(yè)泰，誤差理論與數據處理(第五版)，北京：機械工業(yè)出版社，2004，6。LowCost，LowPower，TrueRMS-to-DCConverterAD736Device，USA，199518附 錄附錄一 完整電路圖—勹／—勹．廠．廠才＇11才＇

lUUUUWU

111l11l 1ll 1ll-I丁桿r廠之廠——多u—之廠——多u—|°19°附錄二 程序清單#include<reg51.h>#include<intrins.h>#include<string.h>#include<stdarg.h>#include<stdio.h>sbitLCD_RS=P2^0; //定義P2.0口為LCD的RS腳sbitLCD_RW=P2^1;//定義P2.1口為LCD的RWsbitLCD_EN=P2^2; //定義P2.2口為LCD的EN腳sbitCS=P0^0;sbitDO=P0^1;sbitCLK=sbitMUXO=sbitMUXI=P0^4;#define LCD_DATAP1 //P4LCD#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharuintVolt=0;uintCurt=0;ucharVoltage[6];ucharCurrent[6];void Delay(uintt);void void LCD1602_Write(uchardat,ucharvoid LCD1602_SetPos(ucharx,uchary);/*向LCD屏幕上輸出一串字符函數*/voidLCD1602_Print(ucharx,uchary,unsignedchar*pszFormat,...){ucharstr[17]; //'\0'ucharn,i;/*以下4行所用函數定義于stdarg.h中實現的功能是將pszFormat指向的內容給va_list va;va_start(va,pszFormat);vsprintf(str,pszFormat,va);20va_end(va);LCD1602_SetPos(x,y);//設置LCD的行列地n=strlen(str); //記錄str長度for(i=0;i<n;i++){LCD1602_Write(str[i],1);//向LCD寫入要顯示的字符}}/*延時函數*/voiddelay(uintk){uinti,j;for(i=0;i<k;i++){for(j=0;j<200;j++);}}/*LCD初始化函數*/voidLCD1602_Init(){LCD_EN0;LCDDelay(15);/**/LCD1602_Write(0x30,0);//F1Delay(1);LCD1602_Write(0x30,0);//Delay(1);LCD1602_Write(0x30,0);//Delay(1);LCD1602_Write(0x01,0);//clearDelay(1);LCD1602_Write(0x0c,0);Delay(1);21LCD1602_Write(0x3c,0);//8位總線，雙行顯示// Delay(1);}/*LCD顯示地址設置*/voidLCD1602_SetPos(ucharx,uchary){if(x0 +0x80elseif(x1)LCD1602_Write(0xC0+y,0);//}/*向LCD寫數據或指令*/voidLCD1602_Write(uchardat,ucharcd){uchari;LCD_RScd; //cd=1,選中數據寄存器，cd=0選中指令寄存器LCD_RW0; //RWLCD_EN1;LCD_DATAdat;/LCDfor(i=80;i>2;i--);//延時// Delay(1);LCD_EN=0;//EN端由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，LCD執(zhí)行命令LCD_RW=1;for(i=80;i>2;i--);//延時// Delay(1);}unsignedcharTLC549_ADC() //ADC轉換程序{uchari;ucharad_data;CS=1;CLK=0;CS=0;_nop_();_nop_();22for(i=0;i<8;i++){ad_data<<=1;ad_data|=DO;CLK=1;_nop_();CLK=0;}CS=1;for(i=17;i>0;i--)_nop_();return(ad_data);}uintData_Convert() //數據轉換{unsignedcharu