基于單片機的工頻電壓(電流)表的設(shè)計

檢測系統(tǒng)實習報告題目： 基于單片機的工頻電壓（電流）表的設(shè)姓 名：院（系： 專業(yè)：指導(dǎo)教師： 職稱：評閱人： 職稱：年 月摘 要AT89S52AD736TLC549LCD指標。關(guān)鍵詞 ：工頻數(shù)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(tǒng)設(shè)計任務(wù) 1第二章 系統(tǒng)總體設(shè)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(tǒng)總體設(shè)計 2第三章 硬件設(shè)計 4§3.1 傳感器電路設(shè)計 4電壓互感器 4電流互感器 4§3.2 真有效值轉(zhuǎn)換電路設(shè)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(diào)理電路設(shè)計 7§3.4 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 7§3.5 單片機及顯示電路設(shè)計 9第四章 軟件設(shè)計 10§4.1 LCD1602液晶顯示程序 10§4.2 A/D轉(zhuǎn)換程序 10§4.3 主程序設(shè)計 12第五章 系統(tǒng)調(diào)試及誤差分析 13§5.1 系統(tǒng)調(diào)試及測試結(jié)果 13AD736測試結(jié)果 13OP07測試結(jié)果 13TLC549測試結(jié)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(jié)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(chǎn)、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(tǒng)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(lǐng)域的滲透，單片機的應(yīng)用正在不斷地走向深及與推廣，為數(shù)字多用表智能化做出了貢獻。為以下幾類：基于單片機的數(shù)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(jù)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(xiàn)測量控制、數(shù)據(jù)分析處理、顯示和量程自動轉(zhuǎn)化等功能；由CPLDA/D§1.2 系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)題目：基于單片機的工頻電壓（電流）表的設(shè)計設(shè)計任務(wù)：基本任務(wù)（必做50Hz，220V擴展部分（選做50Hz，220V誤差1第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計§2.1 方案論證與比較電壓、電流變換部分由于系統(tǒng)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(lián)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(yīng)的原理，轉(zhuǎn)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(jù)波形因數(shù)求得相應(yīng)的有效值。方案二：利用單片機控制A/D對一個周期內(nèi)的信號進行連續(xù)多點采樣，然后在軟件中根據(jù)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(tǒng)總體設(shè)計系統(tǒng)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(guān)有效值轉(zhuǎn)換信號調(diào)理單片機電壓互感器 按鍵圖2-1系統(tǒng)總框圖3第三章 硬件設(shè)計§3.1 傳感器電路設(shè)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(gòu)成I-U轉(zhuǎn)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(xiàn)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(guān)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(zhuǎn)換電路設(shè)計電壓、電流切換電路由于系統(tǒng)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(guān)與真有效值轉(zhuǎn)換電路真有效值測量電路影響系統(tǒng)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。考慮到3-30.3%5，相對穩(wěn)定時間快，是當前集成真有效值轉(zhuǎn)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(shù)，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(chǔ)。AD736也是采用的這一原理。CC10～20uF；CCF為平均電容，它是AD736的關(guān)鍵外圍元件，用于進行平均33uF?！?.3 信號調(diào)理電路設(shè)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(shù)A=1+R2/R1=倍的同向放大以保證系統(tǒng)的測量精度要求。圖3-4信號調(diào)理電路§3.4 A/DTLC5498A/DCLKCSDATAOUT17μs，TLC54940次/S?？偸д{(diào)誤差最大為±0.5LSB6mW阻輸入抗干擾可按比例量程校準轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)部電路在測得CS下降沿后，再等待兩個內(nèi)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(zhuǎn)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(nèi)部系統(tǒng)時鐘周期以等待保持CSI/OCLOCK上出現(xiàn)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(zhuǎn)換過程?！?.5 單片機及顯示電路設(shè)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(shè)計§4.1 LCD1602LCD1602216個字符。模塊內(nèi)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(shù)據(jù)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(jié)束圖4-2AD轉(zhuǎn)換流程圖A/D轉(zhuǎn)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(shè)計A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)進行LCDA/D4-3開始開始初始化SEL=0？YN電壓檔電流檔AD轉(zhuǎn)換AD轉(zhuǎn)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(tǒng)調(diào)試及誤差分析§5.1 系統(tǒng)調(diào)試及測試結(jié)果在系統(tǒng)整體調(diào)試時，若調(diào)試不成功，由于整體焊接已經(jīng)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(tǒng)聯(lián)調(diào)。調(diào)試過程中，用到的儀器設(shè)備如下：直流穩(wěn)壓電源、函數(shù)信號發(fā)生器、示波器、萬用表等。AD736AD736統(tǒng)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(jié)果如表5-1所示。表5-1AD736測試結(jié)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(jié)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(shù)20.93TLC549A/D轉(zhuǎn)換精度關(guān)系到測得電壓值精度，TLC5498A/D為+5VF5/25619mV。測試結(jié)果如表5-3所示。135-3TLC549測試結(jié)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(jié)果萬用表測得值(V)215217219221216217系統(tǒng)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，F(xiàn)LUKE5-5所示。表5-5電流測量結(jié)果鉗形表測得值(A)1.501.551.541.561.571.53系統(tǒng)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(shè)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(jié)束語20天得團結(jié)協(xié)作，我們圓滿完成了此次實習任務(wù)，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(shè)計電路，軟收獲了很多，理論設(shè)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(jīng)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(qū)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(shè)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(shè)計打下了堅實的基礎(chǔ)。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(shù)字電壓表的設(shè)計，應(yīng)用研究，2008，11。TLC5499。趙新民，王祁，智能儀器設(shè)計基礎(chǔ)，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(yīng)用，武漢：中國地質(zhì)大學出版社，2000。張永瑞等，電子測量技術(shù)基礎(chǔ)，西安：西安電子科技大學出版社，1994。費業(yè)泰，誤差理論與數(shù)據(jù)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(shù)*/voidLCD1602_Print(ucharx,uchary,unsignedchar*pszFormat,...){ucharstr[17]; //'\0'ucharn,i;/*以下4行所用函數(shù)定義于stdarg.h中實現(xiàn)的功能是將pszFormat指向的內(nèi)容給va_list va;va_start(va,pszFormat);vsprintf(str,pszFormat,va);20va_end(va);LCD1602_SetPos(x,y);//設(shè)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(shù)*/voiddelay(uintk){uinti,j;for(i=0;i<k;i++){for(j=0;j<200;j++);}}/*LCD初始化函數(shù)*/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(shè)置*/voidLCD1602_SetPos(ucharx,uchary){if(x0 +0x80elseif(x1)LCD1602_Write(0xC0+y,0);//}/*向LCD寫數(shù)據(jù)或指令*/voidLCD1602_Write(uchardat,ucharcd){uchari;LCD_RScd; //cd=1,選中數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換{unsignedcharu