基于单片机的智能多功能电参数测试仪的设计.docx

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1、中北大学信息商务学院毕业设计说明书基于单片机的智能多功能电参数测试仪的设计基于单片机的智能多功能电参数测试仪的设计摘要：随着各种精密仪器的快速发展，我们对电能的要求也越来越高。要实现电能的精确处理，首先必须快速准确地采集系统各部件的电气参数（电压、电流、功率等）。功率因数等）。多功能电参数测量仪可以构成具有多个电能参数的综合仪器，只有一个仪器可以完成电压、电流、相位、功率、功率因数等功能，它能真实、准确地反映电力系统的电能质量。本设计以51单片机为基础。电参数测试设计，采样电路得到的信号经过放大、整流等处理以后，再经过A/D转换输入到51单片机，通过单片机数据处理以后经由外部1CD显示出来，从

2、而实现对各个电参数的测量与显示。关键词：电参数测量仪；数字信号处理器；数据采集；51单片机BasedOnThePrincip1eOfMu1ti-chipDesignMeasuringInstrumentAbstract:Withtherapiddeve1opmentofvariousprecisioninstruments,ourdemandfore1ectrica1energyisa1soincreasing.Toachieveaccurateprocessingofe1ectrica1energy,itisfirstnecessarytoquick1yandaccurate1yco11ec

3、tthee1ectrica1parameters(vo1tage,current,power,powerfactor,etc.)ofeachcomponentinthesystem.Thisdesignisbasedon51sing1e-chipe1ectrica1parametertestdesign,thesigna1obtainedbythesamp1ingcircuitafteramp1ification,rectificationandotherprocessing,andthenthroughtheA/Dconversioninputtothe51sing1e-chip,anddi

4、sp1aythroughtheexterna11CDafterthesing1e-chipdataprocessing,soastoachievethemeasurementofvariouse1ectrica1parametersanddisp1ay.Keywords：E1ectrica1parametermeasuringinstrument；Digita1Signa1Processors;DataAcquisition;51Microcontro11er目录摘要IAbstractII1绪论11.1课题的研究背景12电参数测量的理论依据22.1 交流电流、电压有效值的测量22.2 两相间相

5、位差的测量32.3 单相有功功率、无功功率、视在功率的测量32.4 三相有功功率的测量425*J次!*43方案及电设T1te53.1信号采集电路73.1.1电压信号采集电路73. 1.2电流信号采集电路93.2 整形电路设计103.3 A/D转换电路103.3.1A/D转换电路的介绍103.3.2A/D转换电路的步骤103.3.3 A/D转换电路分类113.3.4 A/D转换接口工作方式161.1 3.5ADC的主要性能参数及芯片选用173.4 741S138译码器193.5 A/D转换电路213.6显示电路设计223.6.1数码管的介绍223.6.2数码管结构243.6.3驱动方式243.6

6、.4适用范围253.6.5恒流驱动与非恒流驱动对数码管的影响253.7CD4511263. 7.1引脚功能264. 7.2工作范围275. 7.3真值表276. 7.4使用方法277. 7.5锁存功能298. 8通信接口电路309. 8.1RS485特点303. 8.2接口30383RS485目匕30384RS485彳口I11314系统软件设fe333.1 程序模块的划分333.2 结构化程序的设计方法334. 3软件模块334. 3.1主程序流程图334. 3.2数据采集子程序344. 3.3数据处理程序354. 3.4A/D转换程序364. 3.5数码管显示3710. 3.6RS48537

7、5总结与展望39参考文献40致谢42附录A431绪论1.1课题的研究背景随着生产的发展及社会的进步，电力在生产、生活中的重要也越来越明显。我们可能对电力质量感到满意，但毫无疑问,工厂、办公室、医院和其他公用事业公司现在依靠高质量的电力来确保他们的电子电气设备的正常工作。特别是在电力系统和工矿企业中，电压表、钳位电表、相位计、频率计、频谱分析仪等仪器得到了广泛的应用。传统的电气仪表，无论是数字的还是模拟的,一般都放在直流电流、直流电压、交流电流、交流电压和频率的测量上。电网中高次谐波的含量将直接影响供电设备的安全和高质量运行。有可能增加电网谐振的可能性,导致过电压或过电流，降低电网的可靠性,增加

8、电网的损耗,降低电气设备的效率和利用率，加速绝缘。设备老化,设备缩短，必须准确地分析电能参数，从而反映整个电网的电能质量。电压表、电流表、功率表等各种测量仪器的携带和使用给我们带来了极大的不便。电能测量仪可以构成具有多个电能参数的综合仪器，只有一台仪器能完成电压、电流、相位、功率、功率因数等功能。它能真实、准确地反映电力系统的电能质量。该仪器可广泛应用于电力系统及相关行业的二次巡检，如继电保护计量、工矿企业、石化行业、冶金企业等。它的出现简化了操作人员的操作，带来了可观的经济效益和社会效益。2电参数测量的理论依据2.1交流电流、电压有效值的测量交流直接采样法测量交流功率的算法有很多种，但有三种

9、实用方法:最大值法、积分法和FU1iye变换法。最大值法适用于纯正弦周期信号条件，可以通过多次采集来减小误差，但考虑到内部A/D采集间隔会很大程度上影响峰值检测，这将使测量不准确。傅立叶变换法将离散采样值通过离散FU1iye变换(DFT)转换为频域，求出基波的谐波分量，然后求出有效值和平均功率。在实际应用中，可以采用快速傅立叶变换(FFr)来提高计算速度，但计算量过大。积分方法是基于连续周期信号的有效值的定义和功率的定义，用数值积分代替连续积分代替连续积分。积分法具有较小的计算能力和较好的实时性能，适合于以单片机为核心的设计。由于周期性电流和电压的瞬时值随时间变化，通过RMS测量它们的工作容量

10、，并测量它们的“尺寸”。电流有效值的定义是比较周期电流的工作能力和DC电流的功率。在同一时刻,电流1通过电阻R等于DC电流I流过电阻R的功,则直流电流的值称为周期电流的有效值。周期电流I流过电阻R。在时间t中，电流I所做的功是：W=Ji2/?dt(2-1)直流电流I流过电阻R在时间T内所做的功为：Wi=/2RT(2-2)当两个电流在一个周期T内所做功相等时，有：2?T=ri2/?dtz、J。(2-3)于是，得：Z=J,i2rrWrJQ(2-4)式中it时刻的电流信号瞬时值i(t)T该电流信号波形的周期I交流电流有效值在工程的情况下，不可能精确地计算有效值中的积分，并且只能用一个周期内的有限采样

11、电流的数量来代替周期函数中的电流函数的连续变化，然后(2-5)式中aTm相第邻两次时采样的时间间隔；Um第InT个时间间隔的电压信号采样瞬时值;N一个周期的采样点数。若相邻两次采样的时间间隔相等，ATm为常数AT。因为(2-6)所以有:(2-7)这就是根据一个周期内采样瞬时值及每周期采样点数计算电流信号有效值的公式。同理，若巴为第In1个周期内采样得到的电流瞬时值，该电压有效值U为:(2-8)此测量属于直接测量。2.2两相间相位差的测量本系统采用快速傅立叶变换(FFT)计算信号的相位。具体的FFT的算法及实现将在后续介绍到。假设输入信号为u(k)、i(k),经过FFT计算得URVw(A)cos

12、A-:(2-9ftt=-Yz()cosAr-(2-1(.ft,/V-1v7NSinw(2T1N=oN0N=1043谣不7(2T相位4和，为：Q=arcig*=arc1g牛由此可得相位差为：(2-13)-1-i2.3单相有功功率、无功功率、视在功率的测量对于正弦信号，假设电压和电流的瞬时值分别为:u=yf2Usin(t+a)(2-14)i=2Isi(rt(2-15)则瞬时功率P为：P=UI(2-16)单相有功功率P为瞬时功率P在一周期内的平均值，可以由下式计算得到：P=-,Uidt=UICOS(9(2-17)Jo其中e=-/,为电压与电流的相位差，可由FFT计算得到a非正弦的有功功率P也可以采用

13、上式得到。由于功率的测量依赖于电压和电流的测量，故该测量属于间接测量。无功功率Q计算如下：Q=sin(2-18)视在功率S为：S=UI(2-19)2.4三相有功功率的测量通过电压电流互感器引入六路信号，分别A、B、C三相的相电流和相电压信号，根据三相有功功率公式：ZP=夕+/(2-20)故得：UaIcos+(sb+Uc1ccosc(2-21)与单相功率的测量相似，三相功率的测量也属于简介测量。2.5功率因数的测量功率因数被定义为有功功率和视在功率的比值。即功率因数为：2=二S(2-22)积分和法的精度与采样点N的数目和采样的同步性有关。在允许系统速度的情况下，可以增加采样点的数量，以提高操作的

14、精度。该算法具有实时性强、算法简单等优点。它可以计算信号中高次谐波的影响。该算法可以在不测量基波和次谐波参数的情况下进行选择。3方案及硬件电路设计本设计采用89C51作为主控制器。该系统将采样和采集电路得到的信号分别进行放大和整流，并将其传递给A/D转换。模拟信号被转换成数字量。所获得的数字信号被发送到单片机进行分析和处理。经数据处理后，可获得变压器辅助侧电压值的值。电源的频率,并送到外部显示单元显示，并通过外接按键控制显示和数据保持。整个系统主要包括电源电路、信号采集电路、整形电路、A/D转换电路、数字器件接口电路、液晶显示接口电路等等。总设计结构框图如图3T：对于本论文中所讨论的测量仪，硬件所完成的功能主要包括电源电路，信号采集电路，整形电路，A/D转换电路等基础性的功能。软件完成的功能包括对检测信号的数据采集、处理等功能。由于对软件的修改调试要比对硬件电路的修改调试容易、方便，而且软件的开发费用比硬件的开发费用低，因此这样划分软/硬件模块后，对测量仪的各项功