單片機(jī)課程設(shè)計(jì)--單相工頻交流電壓、電流計(jì)設(shè)計(jì)

1、單片機(jī)課程設(shè)計(jì)題目： 單相工頻交流電壓、電流計(jì)設(shè)計(jì) 姓 名： 趙然 院（系）： 信息學(xué)院 專業(yè)： 自動(dòng)化 指導(dǎo)教師： 潘峰 職稱： 評(píng) 閱 人： 職稱： 東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化系2012年6月摘 要在實(shí)際中，有效值是應(yīng)用最廣泛的參數(shù)，電壓表的讀數(shù)除特殊情況外，幾乎都是按正弦波有效值進(jìn)行定度的。有效值獲得廣泛應(yīng)用的原因，一方面是由于它直接反映出交流信號(hào)能量的大小，這對(duì)于研究功率、噪聲、失真度、頻譜純度、能量轉(zhuǎn)換等是十分重要的；另一方面，它具有十分簡(jiǎn)單的疊加性質(zhì)，計(jì)算起來(lái)極為方便。本文詳細(xì)介紹了一個(gè)數(shù)字工頻電壓、電流表設(shè)計(jì)，以AT89C51單片機(jī)為控制核心，由電壓、電流傳感器模塊，真有效

2、值測(cè)量模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊、波形整形模塊、顯示模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)采用電壓、電流分壓分流對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行降壓處理，經(jīng)AD736轉(zhuǎn)換得到原信號(hào)的真有效值，由AD1674轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后送入單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行簡(jiǎn)要的數(shù)據(jù)處理并將結(jié)果通過(guò)六位LED實(shí)時(shí)顯示，達(dá)到了較好的性能指標(biāo)。關(guān)鍵詞：工頻數(shù)字電壓（電流）表 真有效值 AD736 AD1674 AT89C51第一章 緒論§1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)基于MCS-51的單相工頻交流電參數(shù)檢測(cè)儀。交流有效值0-220V，電流有效值0-40A。電壓、電流值經(jīng)電壓、電流傳感器輸出有效值為0-5V的交流信號(hào)，傳感器輸出的電壓、電流信號(hào)與被測(cè)電壓、電流同相位?；疽笕缦?/p>

3、 （1） 電流、電壓測(cè)量精度0.1% (2) 檢測(cè)電壓、電流的相位角，求出功率因素（3） 電流、電壓有效值由LED輪流顯示，也可由按鍵切換顯示量 (4) 有效值、功率因素可以發(fā)送至遠(yuǎn)程主機(jī)。設(shè)計(jì)以AT89C51為核心的控制電路，并編寫相關(guān)的系統(tǒng)軟件（匯編、C51程序均可）§1.2設(shè)計(jì)思路 本例旨在設(shè)計(jì)一個(gè)工頻交流電流、電壓計(jì)。系統(tǒng)利用分壓、電流轉(zhuǎn)換原理將工頻電壓/電流轉(zhuǎn)換為弱電壓。進(jìn)行有效值轉(zhuǎn)換，進(jìn)而得到穩(wěn)定的直流信號(hào)。由模擬開(kāi)關(guān)選擇電壓或者電流通過(guò)，進(jìn)入單一輸入量的AD1674。進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，所得數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后顯示。最后由串口輸出送入虛擬串口進(jìn)行調(diào)試。系統(tǒng)總

4、體框圖如圖1-1所示。分壓電路電流轉(zhuǎn)換電路有效值轉(zhuǎn)換電路有效值轉(zhuǎn)換電路555定時(shí)器產(chǎn)生方波測(cè)量相位差A(yù)D1674模數(shù)轉(zhuǎn)換器AT89C51遠(yuǎn)程虛擬終端輪流顯示，選擇開(kāi)關(guān)圖1-1 系統(tǒng)總框圖第二章 硬件設(shè)計(jì)§2.1 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)2.1.1 分壓電路分壓電路如圖2-1所示，分壓電路工作原理為：不同的輸入電壓通過(guò)分壓電阻，電壓下降而不改變相位。 圖中運(yùn)算放大器構(gòu)成電壓跟隨器， 圖2-1 分壓電路運(yùn)放輸出電壓和互感器輸入電壓關(guān)系為：U0 =U*R101/(R100+R101)。故選擇取樣電阻R100 = 215、R101=5.02。2.1.2 電流轉(zhuǎn)換電路電流轉(zhuǎn)換電路如圖2-2所示，輸入電流0

5、 40A，輸出電壓05V， 圖2-2 電流轉(zhuǎn)換電路§2.2 真有效值轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心是測(cè)量交流電壓、電流的有效值，因此有效值測(cè)量的精度將直接影響系統(tǒng)最終的精度。有效值測(cè)量集成電路視其測(cè)量范圍和精度有多種規(guī)格可選，較通用的有Analog公司的AD536、AD636、AD736及AD737等。考慮到成本等因素，系統(tǒng)選用的是AD736，應(yīng)用電路如圖2-3所示。該器件是按有效值隱含運(yùn)算而設(shè)計(jì)，能計(jì)算任意復(fù)雜波形的高精度真有效值-直流轉(zhuǎn)換器件，其精度優(yōu)于0.3%，波峰因素 5，相對(duì)穩(wěn)定時(shí)間快，是當(dāng)前集成真有效值轉(zhuǎn)換器性能較好的一種。AD736有效值測(cè)量原理如下:一個(gè)交變信號(hào)的有效值定義為

6、 （1）這里，為信號(hào)的有效值，T為測(cè)量時(shí)間，是一個(gè)時(shí)間的函數(shù)，但不一定是周期性的。對(duì)等式兩邊進(jìn)行平方得： （2）右邊的積分項(xiàng)可以用一個(gè)平均來(lái)近似 （3）這樣式（2）可以簡(jiǎn)化為： （4）等式兩邊除以得： （5）這個(gè)表達(dá)式就是測(cè)量一個(gè)信號(hào)真實(shí)有效值的基礎(chǔ)。AD736也是采用的這一原理。圖中CC為低阻抗輸入端耦合電容一般取值為1020uF；CF為輸出端濾波電容一般取10uF；CAV為平均電容，它是AD736的關(guān)鍵外圍元件，用于進(jìn)行平均值運(yùn)算。其大小將直接影響到有效值的測(cè)量精度，尤其在低頻時(shí)更為重要。多數(shù)情況下可選33uF。圖2-3真有效值轉(zhuǎn)換電路 §2.3 555定時(shí)器矩形波轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)利

7、用555定時(shí)器，對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行整形，從而形成矩形波。利用中斷進(jìn)行計(jì)時(shí)。當(dāng)整形電壓波形首次出現(xiàn)下降沿時(shí)，定時(shí)器1、2打開(kāi)。開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)整形電流波形首次出現(xiàn)下降沿時(shí)，關(guān)閉定計(jì)數(shù)器T0，計(jì)數(shù)值為time_l。當(dāng)整形電壓波形再次出現(xiàn)下降沿時(shí)，關(guān)閉計(jì)數(shù)器T1，計(jì)數(shù)值為time_s。從而計(jì)算出相位差phase=(time_l)*360/(time_s)。功率因數(shù)power fact=cos（phase）。應(yīng)用電路如圖2-4所示。圖2-4矩形波轉(zhuǎn)換電路§3.2 電壓、電流真有效值切換電路設(shè)計(jì)由于AD1674要求一路輸入，故需對(duì)電壓有效值和電流有效值的信號(hào)進(jìn)行通道選擇和切換。本設(shè)計(jì)采用模擬開(kāi)關(guān)CD4

8、053實(shí)現(xiàn)通道切換，即在電壓、電流互感器后設(shè)置一CD4053，通過(guò)單片機(jī)輸出控制信號(hào)來(lái)控制通道切換，選擇某路信號(hào)進(jìn)行有效值轉(zhuǎn)換，應(yīng)用電路如圖2-5所示。CD4053是三路二選一模擬開(kāi)關(guān)，可由三位控制位分別選擇三路輸出，其真值表如表2-1所示。本設(shè)計(jì)中只用了一路，單片機(jī)2.4口通過(guò)D觸發(fā)器與A相連，由控制位A選擇輸出。表2-1 CD4053真值表Input StatesOn ChannelsENABC0000X0,Y0,Z00001X0,Y0,Z10010X0,Y1,Z00011X0,Y1,Z10100X1,Y0,Z00101X1,Y0,Z10110X1,Y1,Z00111X1,Y1,Z11*N

9、ONE圖2-5真有效值轉(zhuǎn)換電路§2.5 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)AD1674是美國(guó)AD公司推出的一種完整的12位并行模/數(shù)轉(zhuǎn)換單片集成電路。該芯片內(nèi)部自帶采樣保持器（SHA）、10伏基準(zhǔn)電壓源、時(shí)鐘源以及可和微處理器總線直接接口的暫存/三態(tài)輸出緩沖器。 與原有同系列的AD574A/674A相比，AD1674的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊湊，集成度更高，工作性能（尤其是高低溫穩(wěn)定性）也更好，而且可以使設(shè)計(jì)板面積大大減小，因而可降低成本并提高系統(tǒng)的可靠性。筆者在研制某新型國(guó)產(chǎn)機(jī)載武器系統(tǒng)中采用了M級(jí)AD1674T，它可實(shí)時(shí)地采集各傳感器的模擬參量，以進(jìn)行快速、精確的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并傳給CPU進(jìn)行處理。圖

10、2-5ADC轉(zhuǎn)換電路AD1674的基本特點(diǎn)和參數(shù)如下： 帶有內(nèi)部采樣保持的完全12位逐次逼近（SAR）型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器； 采樣頻率為100kHz； 轉(zhuǎn)換時(shí)間為10µs； 具有±1/2LSB的積分非線性（INL）以及12位無(wú)漏碼的差分非線性（DNL）； 滿量程校準(zhǔn)誤差為0.125%； 內(nèi)有+10V基準(zhǔn)電源，也可使用外部基準(zhǔn)源； 四種單極或雙極電壓輸入范圍分別為±5V，±10V，0V10V和0V20V； 數(shù)據(jù)可并行輸出，采用8/12位可選微處理器總線接口； 內(nèi)部帶有防靜電

11、保護(hù)裝置（ESD）AD1674的引腳按功能可分為邏輯控制端口、并行數(shù)據(jù)輸出端口、模擬信號(hào)輸入端口和電源端口四種類型。 （1）邏輯控制端口 12/8：數(shù)據(jù)輸出位選擇輸入端。當(dāng)該端輸入為低時(shí)，數(shù)據(jù)輸出為雙8位字節(jié)；當(dāng)該端輸入為高時(shí)，數(shù)據(jù)輸出為單12位字節(jié)。 CS：片選信號(hào)輸入端； R/C：讀/轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸入端。在完全控制模式下，輸入為高時(shí)為讀狀態(tài)；輸入為低時(shí)為轉(zhuǎn)換狀態(tài)；在獨(dú)立工作模式下，在輸入信號(hào)的下降沿時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)換。 CE：操作使能端；輸入為高時(shí)，芯片開(kāi)始進(jìn)行讀/轉(zhuǎn)換操作。 A0：位尋址/短周期轉(zhuǎn)換選擇輸入端。在轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)，若A0為低，則進(jìn)

12、行12位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；若A0為高，則進(jìn)行周期更短的8位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；當(dāng)R/C=1且12/8=0時(shí)，若A0為低，則在高8位（DB4DB11）作數(shù)據(jù)輸出；若A0為高，則在DB0DB3和DB8DB11作數(shù)據(jù)輸出，而DB4DB7置零。 STS：轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出端。輸出為高時(shí)表明轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行；輸出為低時(shí)表明轉(zhuǎn)換結(jié)束。 （2）并行數(shù)據(jù)輸出端口 DB11DB8：在12位輸出格式下，輸出數(shù)據(jù)的高4位；在8位輸出格式下，A0為低時(shí)也可輸出數(shù)據(jù)的高4位。 （3）模擬信號(hào)輸入端口 10VIN：10V范圍輸入端，包括0V10V單極輸入或±5V雙極輸入； 20V

13、IN：20V范圍輸入端，包括0V20V單極輸入或±10V雙極輸入； 應(yīng)當(dāng)注意的是：如果已選擇了其中一種作為輸入范圍，則另一種不得再連接合作。 （4）供電電源端口 REF IN：基準(zhǔn)電壓輸入端，在10V基準(zhǔn)電源上接50電阻后連于此端； REF OUT：+10V基準(zhǔn)電壓輸出端； BIP OFF：雙極電壓偏移量調(diào)整端，該端在雙極輸入時(shí)可通過(guò)50電阻與REF OUT端相連；在單極輸入時(shí)接模擬地。圖3給出了AD1674在單極和雙極輸入時(shí)的兩種連接電路。 VCC：+12V/+15V模擬供電輸入；&

14、#160;VEE：-12V/-15V模擬供電輸入； VLOGIC：+5V邏輯供電輸入；故我們按照?qǐng)D2-5接線。§2.6顯示電路設(shè)計(jì)7段LED顯示電壓和電流有效值應(yīng)用接口電路如圖2-6所示，包括單片機(jī)、LED顯示電路、7448地址鎖存器、74138譯碼器。單片機(jī)P1.0P1.3口作為7448的控制口，P1.4P1.7作為74138的控制口。圖2-6應(yīng)用接口電路上圖還包含了開(kāi)關(guān)量，CLK/KEY；U/I兩個(gè)開(kāi)關(guān)鍵控制電壓電流有效值循環(huán)輸出。§2.7 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)作為主控制器。AT89C51具有功能強(qiáng)、體積小、成本低、功耗小等特點(diǎn)，它可單獨(dú)

15、地完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能，能在軟件的控制下準(zhǔn)確、迅速、高效地完成程序設(shè)計(jì)者事先規(guī)定的任務(wù)。與數(shù)碼管相比該模塊還有位數(shù)多、顯示內(nèi)容豐富、程序簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。P2.0-P2.7用于接收AD轉(zhuǎn)換后的信號(hào)。§2.8 串口電路設(shè)計(jì)串行通信利用虛擬終端，下載串口調(diào)試助手SComAssistantV2.1，Virtual Serial Port Driver6.9。對(duì)基于單片機(jī)C51開(kāi)發(fā)的軟硬件進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，顯示結(jié)果。設(shè)置虛擬終端COM1，COM2。第三章 軟件設(shè)計(jì)§4.1 A/D轉(zhuǎn)換、相位差程序系統(tǒng)上電復(fù)位后，從主程序開(kāi)始執(zhí)行。主程序需將A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，轉(zhuǎn)

16、換位十進(jìn)制數(shù)，并送到LED顯示。取電流電壓值，逐位取余通過(guò)P1口發(fā)送至LED。并進(jìn)行循環(huán)顯示。程序流程圖如圖3-1所示。根據(jù)AD1674各引腳的功能對(duì)各引腳進(jìn)行賦值。相位差根據(jù)兩個(gè)計(jì)數(shù)器的比值獲得，根據(jù)室內(nèi)米特觸發(fā)器轉(zhuǎn)換而來(lái)的矩形波信號(hào)。測(cè)得完整周期計(jì)數(shù)值和周期差計(jì)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。得到相位差和功率因數(shù)，并發(fā)送至遠(yuǎn)程主機(jī)。如圖3-2所示。初始化EA，EX0置1啟動(dòng)轉(zhuǎn)換寫入地址讀電壓轉(zhuǎn)換后的值改地址讀電流轉(zhuǎn)換后的值結(jié)束圖3-1 AD轉(zhuǎn)換流程圖INT0中斷發(fā)生打開(kāi)T0，T1計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)INT0發(fā)生中斷關(guān)閉T0INT1發(fā)生中斷關(guān)閉T1計(jì)算相位差圖3-2相位角流程圖第四章 系統(tǒng)調(diào)試及誤差分析§

17、4.1 系統(tǒng)調(diào)試在系統(tǒng)整體調(diào)試時(shí)，若調(diào)試不成功，由于整體連接已經(jīng)完成，很難檢查到底哪部分有錯(cuò)誤。為此，我們采用了邊連接邊調(diào)試的方法，即將系統(tǒng)分成若干模塊，每個(gè)模塊完成后就進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，最后再進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。調(diào)試過(guò)程中，用到的虛擬儀器設(shè)備如下：直流穩(wěn)壓電源、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、示波器、萬(wàn)用表等。§4.2 誤差分析1. 分壓電路、電流轉(zhuǎn)換帶那路存在非線性誤差。2. AD736轉(zhuǎn)換誤差。3. AD1674存在誤差，延時(shí)程序影響。§4.3 調(diào)試過(guò)程中的問(wèn)題1. 電壓，電流的縮小電路原本為互感電路，但調(diào)試不能解決擁有滯后相位的正弦交流電的正?？s小。所以選擇了精度較差的分壓、轉(zhuǎn)換電路。2.

18、有效值轉(zhuǎn)換電路不能有效轉(zhuǎn)換相位改變的正弦交流電。3. 采用12位AD1674數(shù)模轉(zhuǎn)換器，提高精度 ，減小誤差。4. 串口通信只能顯示16進(jìn)制數(shù)字，導(dǎo)致不能合理顯示小數(shù)點(diǎn)。結(jié)束語(yǔ)經(jīng)過(guò)20天得努力，我圓滿完成了此次課程設(shè)計(jì)任務(wù)，作品達(dá)到了題目要求的各項(xiàng)性能指標(biāo)。本次實(shí)習(xí)是為畢業(yè)設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備、打好基礎(chǔ)，通過(guò)這次實(shí)習(xí)，我們熟悉了一個(gè)課題或項(xiàng)目的完成過(guò)程，從查找資料，確定方案，設(shè)計(jì)電路，軟件編寫，系統(tǒng)調(diào)試到最后的報(bào)告撰寫，每一個(gè)過(guò)程我都學(xué)到了很多，收獲了很多，理論設(shè)計(jì)和動(dòng)手實(shí)踐能力得到了很大提升。課設(shè)成果不是單一知識(shí)的結(jié)晶，實(shí)習(xí)遇到了好多難題，學(xué)過(guò)的一些知識(shí)點(diǎn)有 所遺忘，我們完成課題的同時(shí)也鞏固了理論知

19、識(shí)。通過(guò)實(shí)習(xí)理論聯(lián)系實(shí)際，以前一些不甚理解的理論也變得容易理解了。與此同時(shí)我們也學(xué)到了一些寶貴的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，例如：這次實(shí)習(xí)的課題是工頻電壓表的設(shè)計(jì)，由于事前對(duì)220V電壓重視不夠。這次做實(shí)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)也會(huì)使我終身受益，我感受到做課設(shè)是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己研習(xí)和研究的過(guò)程。希望這次的經(jīng)驗(yàn)?zāi)茏屛以谕髮W(xué)習(xí)中驅(qū)策我繼續(xù)前進(jìn)。 附 錄附錄一 完整電路圖附錄二 程序清單/*/#include <reg51.h>#include <absacc.h>#include <string.h>#include <math.h>#define uin

20、t unsigned int#define uchar unsigned char#define ADCSTU 0x6cff#define ADCH 0x6EFF#define ADCL 0x6FFF#define LEDportalP1sbit STS=P34;sbit clk_key=P22;sbit u_i=P23;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)

21、interrupt 0if(timing)TMOD=0x11;TH1=TL1=0x0;TH0=TL0=0x0;TR1=TR0=1;EA=1;EX1=1;timing=1;elseTR0=0;time_l=(TH0<<8)|TL0;EA=0;timing=0;void int1_isr(void) interrupt 2TR1=0;time_s=(TH1<<8)|TL1;void delay(uint t)uchar j=100;while(t-)while(j-);uint phase_differ(void)uint differ;IT0=IT1=1;EA=EX0=1

22、;while(timing);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);while (!TI);TI=0;SBUF=(uchar)(volts/1000%10);while (!TI);TI=0;SBUF=(uchar)(volts/100%10);while (!TI);TI=0;SBUF=&#

23、39;.'while (!TI);TI=0;SBUF=(uchar)(volts/10%10);while (!TI);TI=0;SBUF=(uchar)(volts%10);while (!TI);TI=0;SBUF=(uchar)(amps/10000%10);while (!TI);TI=0;SBUF=(uchar)(amps/1000%10);while (!TI);TI=0;SBUF=(uchar)(amps/100%10);while (!TI);TI=0;SBUF='.'while (!TI);TI=0;SBUF=(uchar)(amps/10%10);while (!TI);TI=0;SBUF=(uchar)(amps%10);while (!TI);TI=0;SBUF=0;while (!TI);TI=0;SBUF='.'while (!TI);TI=0;a=(uchar)(power_fact*100);SBUF=a%10;while (!TI);TI=0;a=(uchar)(power_fact*10);SBUF=a%10;while (!TI);TI=0;void display(uint n)uchar i;for(i=0;i<5;i+)delay(1);LEDpo