單片機課程設計--單相工頻交流電壓、電流計設計

1、<p><b>　　單片機課程設計</b></p><p>　　題目： 單相工頻交流電壓、電流計設計 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　院（系）： 信息學院

2、 專業(yè)： 自動化 </p><p>　　指導教師： 職稱： </p><p>　　評 閱 人： 職稱： </p><p><b>　　2012年

3、6月</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在實際中，有效值是應用最廣泛的參數(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行定度的。有效值獲得廣泛應用的原因，一方面是由于它直接反映出交流信號能量的大小，這對于研究功率、噪聲、失真度、頻譜純度、能量轉換等是十分重要的；另一方面，它具有十分簡單的疊加性質，計算起來極為

4、方便。</p><p>　　本文詳細介紹了一個數(shù)字工頻電壓、電流表設計，以AT89C51單片機為控制核心，由電壓、電流傳感器模塊，真有效值測量模塊，AD轉換模塊、波形整形模塊、顯示模塊等構成。系統(tǒng)采用電壓、電流分壓分流對輸入信號進行降壓處理，經AD736轉換得到原信號的真有效值，由AD1674轉換為數(shù)字量后送入單片機內進行簡要的數(shù)據(jù)處理并將結果通過六位LED實時顯示，達到了較好的性能指標。</p>

5、<p>　　關鍵詞：工頻數(shù)字電壓（電流）表 真有效值 AD736 AD1674 AT89C51</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　§1.1 系統(tǒng)設計任務</p><p>　　設計基于MCS-51的單相工頻交流電參數(shù)檢測儀。交流有效值0-220V，電流有效值0-40A。電壓、電流值

6、經電壓、電流傳感器輸出有效值為0-5V的交流信號，傳感器輸出的電壓、電流信號與被測電壓、電流同相位。</p><p><b>　　基本要求如下</b></p><p>　?。?） 電流、電壓測量精度0.1%</p><p>　　(2) 檢測電壓、電流的相位角，求出功率因素</p><p>　?。?） 電流、電壓有效值

7、由LED輪流顯示，也可由按鍵切換顯示量</p><p>　　(4) 有效值、功率因素可以發(fā)送至遠程主機。</p><p>　　設計以AT89C51為核心的控制電路，并編寫相關的系統(tǒng)軟件（匯編、C51程序均可）</p><p><b>　　§1.2設計思路</b></p><p>　　本例旨在設計一個工頻交流電

8、流、電壓計。系統(tǒng)利用分壓、電流轉換原理將工頻電壓/電流轉換為弱電壓。進行有效值轉換，進而得到穩(wěn)定的直流信號。由模擬開關選擇電壓或者電流通過，進入單一輸入量的AD1674。進行A/D轉換，所得數(shù)字信號送入單片機進行數(shù)據(jù)處理，然后顯示。最后由串口輸出送入虛擬串口進行調試。系統(tǒng)總體框圖如圖1-1所示。</p><p>　　圖1-1 系統(tǒng)總框圖</p><p><b>　　第二章 硬件

9、設計</b></p><p>　　§2.1 轉換電路設計</p><p>　　2.1.1 分壓電路</p><p>　　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分壓電阻，電壓下降而不改變相位。 </p><p>　　圖中運算放大器構成電壓跟隨器， </p><p><

10、b>　　圖2-1 分壓電路</b></p><p>　　運放輸出電壓和互感器輸入電壓關系為：U0 =U*R101/(R100+R101)。故選擇取樣電阻R100 = 215Ω、R101=5.02Ω。</p><p>　　2.1.2 電流轉換電路</p><p>　　電流轉換電路如圖2-2所示，輸入電流0 ~ 40A，輸出電壓0~5V， </p

11、><p>　　圖2-2 電流轉換電路</p><p>　　§2.2 真有效值轉換電路設計</p><p>　　系統(tǒng)的核心是測量交流電壓、電流的有效值，因此有效值測量的精度將直接影響系統(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)格可選，較通用的有Analog公司的AD536、AD636、AD736及AD737等?？紤]到成本等因素，系統(tǒng)選用的是AD

12、736，應用電路如圖2-3所示。該器件是按有效值隱含運算而設計，能計算任意復雜波形的高精度真有效值--直流轉換器件，其精度優(yōu)于0.3%，波峰因素≤ 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。</p><p>　　AD736有效值測量原理如下:一個交變信號的有效值定義為</p><p><b>　　（1）</b></p><p>

13、;　　這里，為信號的有效值，T為測量時間，是一個時間的函數(shù)，但不一定是周期性的。</p><p>　　對等式兩邊進行平方得：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　右邊的積分項可以用一個平均來近似</p><p><b>　?。?）</b></p><p

14、>　　這樣式（2）可以簡化為：</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　等式兩邊除以得：</b></p><p><b>　　（5）</b></p><p>　　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。&l

15、t;/p><p>　　圖中CC為低阻抗輸入端耦合電容一般取值為10～20uF；CF為輸出端濾波電容一般取10uF；CAV為平均電容，它是AD736的關鍵外圍元件，用于進行平均值運算。其大小將直接影響到有效值的測量精度，尤其在低頻時更為重要。多數(shù)情況下可選33uF。</p><p>　　圖2-3真有效值轉換電路 </p><p>　　§2.3 555定時器

16、矩形波轉換電路設計</p><p>　　利用555定時器，對正弦信號進行整形，從而形成矩形波。利用中斷進行計時。當整形電壓波形首次出現(xiàn)下降沿時，定時器1、2打開。開始計數(shù)。當整形電流波形首次出現(xiàn)下降沿時，關閉定計數(shù)器T0，計數(shù)值為time_l。當整形電壓波形再次出現(xiàn)下降沿時，關閉計數(shù)器T1，計數(shù)值為time_s。從而計算出相位差phase=(time_l)*360/(time_s)。功率因數(shù)power fact=

17、cos（phase）。應用電路如圖2-4所示。</p><p>　　圖2-4矩形波轉換電路</p><p>　　§3.2 電壓、電流真有效值切換電路設計</p><p>　　由于AD1674要求一路輸入，故需對電壓有效值和電流有效值的信號進行通道選擇和切換。本設計采用模擬開關CD4053實現(xiàn)通道切換，即在電壓、電流互感器后設置一CD4053，通過單片機輸

18、出控制信號來控制通道切換，選擇某路信號進行有效值轉換，應用電路如圖2-5所示。</p><p>　　CD4053是三路二選一模擬開關，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。本設計中只用了一路，單片機2.4口通過D觸發(fā)器與A相連，由控制位A選擇輸出。</p><p>　　表2-1 CD4053真值表</p><p>　　圖2-5真有效值轉換電路<

19、;/p><p>　　§2.5 A/D轉換電路設計</p><p>　　AD1674是美國AD公司推出的一種完整的12位并行模/數(shù)轉換單片集成電路。該芯片內部自帶采樣保持器（SHA）、10伏基準電壓源、時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。 </p><p>　　與原有同系列的AD574A/674A相比，AD1674的內部結構更加

20、緊湊，集成度更高，工作性能（尤其是高低溫穩(wěn)定性）也更好，而且可以使設計板面積大大減小，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產機載武器系統(tǒng)中采用了M級AD1674T，它可實時地采集各傳感器的模擬參量，以進行快速、精確的數(shù)據(jù)轉換并傳給CPU進行處理。</p><p>　　圖2-5ADC轉換電路</p><p>　　AD1674的基本特點和參數(shù)如下： </p>

21、;<p>　　●帶有內部采樣保持的完全12位逐次逼近（SAR）型模/數(shù)轉換器； ●采樣頻率為100kHz； ●轉換時間為10µs； </p><p>　　●具有±1/2LSB的積分非線性（INL）以及12位無漏碼的差分非線性（DNL）； </p><p>　　●滿量程校準誤差為0.125%； </p&

22、gt;<p>　　●內有+10V基準電源，也可使用外部基準源； </p><p>　　●四種單極或雙極電壓輸入范圍分別為±5V，±10V，0V～10V和0V～20V； </p><p>　　●數(shù)據(jù)可并行輸出，采用8/12位可選微處理器總線接口； ●內部帶有防靜電保護裝置（ESD）</p><p>　　A

23、D1674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、模擬信號輸入端口和電源端口四種類型。 </p><p>　?。?）邏輯控制端口 </p><p>　　12/8：數(shù)據(jù)輸出位選擇輸入端。當該端輸入為低時，數(shù)據(jù)輸出為雙8位字節(jié)；當該端輸入為高時，數(shù)據(jù)輸出為單12位字節(jié)。 </p><p>　　CS：片選信號輸入端； &l

24、t;/p><p>　　R/C：讀/轉換狀態(tài)輸入端。在完全控制模式下，輸入為高時為讀狀態(tài)；輸入為低時為轉換狀態(tài)；在獨立工作模式下，在輸入信號的下降沿時開始轉換。 CE：操作使能端；輸入為高時，芯片開始進行讀/轉換操作。 </p><p>　　A0：位尋址/短周期轉換選擇輸入端。在轉換開始時，若A0為低，則進行12位數(shù)據(jù)轉換；若A0為高，則進行周期更短的8位數(shù)據(jù)轉換；當R/C=

25、1且12/8=0時，若A0為低，則在高8位（DB4～DB11）作數(shù)據(jù)輸出；若A0為高，則在DB0～DB3和DB8～DB11作數(shù)據(jù)輸出，而DB4～DB7置零。 </p><p>　　STS：轉換狀態(tài)輸出端。輸出為高時表明轉換正在進行；輸出為低時表明轉換結束。 （2）并行數(shù)據(jù)輸出端口 </p><p>　　DB11～DB8：在12位輸出格式下，輸出數(shù)據(jù)的高4位；在

26、8位輸出格式下，A0為低時也可輸出數(shù)據(jù)的高4位。 </p><p>　?。?）模擬信號輸入端口 </p><p>　　10VIN：10V范圍輸入端，包括0V～10V單極輸入或±5V雙極輸入； 20VIN：20V范圍輸入端，包括0V～20V單極輸入或±10V雙極輸入； </p><p>　　應當注意的是：如果

27、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 </p><p>　　REF IN：基準電壓輸入端，在10V基準電源上接50?電阻后連于此端； </p><p>　　REF OUT：+10V基準電壓輸出端； BIP OFF：雙極電壓偏移量調整端，該端在雙極輸入時可通過50?電阻與REF

28、0;OUT端相連；在單極輸入時接模擬地。圖3給出了AD1674在單極和雙極輸入時的兩種連接電路。 </p><p>　　VCC：+12V/+15V模擬供電輸入； VEE：-12V/-15V模擬供電輸入； VLOGIC：+5V邏輯供電輸入；</p><p>　　故我們按照圖2-5接線。</p><p>　　§2.6顯示電路設計&

29、lt;/p><p>　　7段LED顯示電壓和電流有效值應用接口電路如圖2-6所示，包括單片機、LED顯示電路、7448地址鎖存器、74138譯碼器。單片機P1.0～P1.3口作為7448的控制口，P1.4～P1.7作為74138的控制口。</p><p>　　上圖還包含了開關量，CLK/KEY；U/I兩個開關鍵控制電壓電流有效值循環(huán)輸出。</p><p>　　§

30、;2.7 單片機電路設計</p><p>　　系統(tǒng)采用AT89C51單片機作為主控制器。AT89C51具有功能強、體積小、成本低、功耗小等特點，它可單獨地完成現(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確、迅速、高效地完成程序設計者事先規(guī)定的任務。與數(shù)碼管相比該模塊還有位數(shù)多、顯示內容豐富、程序簡單等優(yōu)勢。P2.0-P2.7用于接收AD轉換后的信號。</p><p>　　

31、67;2.8 串口電路設計</p><p>　　串行通信利用虛擬終端，下載串口調試助手SComAssistantV2.1，Virtual Serial Port Driver6.9。對基于單片機C51開發(fā)的軟硬件進行聯(lián)合調試，顯示結果。設置虛擬終端COM1，COM2。</p><p><b>　　第三章 軟件設計</b></p><p>　

32、　§4.1 A/D轉換、相位差程序</p><p>　　系統(tǒng)上電復位后，從主程序開始執(zhí)行。主程序需將A/D轉換得到的數(shù)據(jù)進行運算處理，轉換位十進制數(shù)，并送到LED顯示。取電流電壓值，逐位取余通過P1口發(fā)送至LED。并進行循環(huán)顯示。程序流程圖如圖3-1所示。根據(jù)AD1674各引腳的功能對各引腳進行賦值。</p><p>　　相位差根據(jù)兩個計數(shù)器的比值獲得，根據(jù)室內米特觸發(fā)器轉換而

33、來的矩形波信號。測得完整周期計數(shù)值和周期差計數(shù)值進行計算。得到相位差和功率因數(shù)，并發(fā)送至遠程主機。如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-1 AD轉換流程圖</p><p>　　圖3-2相位角流程圖</p><p>　　第四章 系統(tǒng)調試及誤差分析</p><p>　　§4.1 系統(tǒng)調試</p><p>

34、;　　在系統(tǒng)整體調試時，若調試不成功，由于整體連接已經完成，很難檢查到底哪部分有錯誤。為此，我們采用了邊連接邊調試的方法，即將系統(tǒng)分成若干模塊，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。</p><p>　　調試過程中，用到的虛擬儀器設備如下：直流穩(wěn)壓電源、函數(shù)信號發(fā)生器、示波器、萬用表等。</p><p>　　§4.2 誤差分析</p><p>

35、;　　分壓電路、電流轉換帶那路存在非線性誤差。</p><p>　　AD736轉換誤差。</p><p>　　AD1674存在誤差，延時程序影響。</p><p>　　§4.3 調試過程中的問題</p><p>　　電壓，電流的縮小電路原本為互感電路，但調試不能解決擁有滯后相位的正弦交流電的正常縮小。所以選擇了精度較差的分壓、轉換

36、電路。</p><p>　　有效值轉換電路不能有效轉換相位改變的正弦交流電。</p><p>　　采用12位AD1674數(shù)模轉換器，提高精度 ，減小誤差。</p><p>　　串口通信只能顯示16進制數(shù)字，導致不能合理顯示小數(shù)點。</p><p><b>　　結束語</b></p><p>　　經

37、過20天得努力，我圓滿完成了此次課程設計任務，作品達到了題目要求的各項性能指標。本次實習是為畢業(yè)設計做好準備、打好基礎，通過這次實習，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，軟件編寫，系統(tǒng)調試到最后的報告撰寫，每一個過程我都學到了很多，收獲了很多，理論設計和動手實踐能力得到了很大提升。</p><p>　　課設成果不是單一知識的結晶，實習遇到了好多難題，學過的一些知識點有 所遺忘，我們

38、完成課題的同時也鞏固了理論知識。通過實習理論聯(lián)系實際，以前一些不甚理解的理論也變得容易理解了。</p><p>　　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電壓表的設計，由于事前對220V電壓重視不夠。</p><p>　　這次做實習的經驗也會使我終身受益，我感受到做課設是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己研習和研究的過程。希望這次的經驗能讓我在往后學習中

39、驅策我繼續(xù)前進。</p><p><b>　　附 錄</b></p><p>　　附錄一 完整電路圖</p><p><b>　　附錄二 程序清單</b></p><p>　　/***********************************</p><p>　　

40、*******************************/</p><p>　　#include <reg51.h></p><p>　　#include <absacc.h></p><p>　　#include <string.h></p><p>　　#include <math.h>

41、;</p><p>　　#define uint unsigned int</p><p>　　#define uchar unsigned char</p><p>　　#define ADCSTU 0x6cff</p><p>　　#define ADCH 0x6EFF</p><p>　　#define AD

42、CL 0x6FFF</p><p>　　#define LEDportalP1</p><p>　　sbit STS=P3^4;</p><p>　　sbit clk_key=P2^2;</p><p>　　sbit u_i=P2^3;</p><p>　　uint volts,amps;</p>

43、<p>　　uint phase;</p><p>　　float power_fact;</p><p>　　uint time_l=0;</p><p>　　uint time_s=0;</p><p>　　bit timing=0;</p><p><b>　　uchar *p;&

44、lt;/b></p><p><b>　　uchar a;</b></p><p>　　uchar string1[36];</p><p>　　void int0_isr(void) interrupt 0</p><p><b>　　{</b></p><p>　　

45、if(~timing)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　TMOD=0x11;</p><p>　　TH1=TL1=0x0;</p><p>　　TH0=TL0=0x0;</p><p>　　TR1=TR0=1;</p><p><b&g

46、t;　　EA=1;</b></p><p><b>　　EX1=1;</b></p><p><b>　　timing=1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p>&

47、lt;p><b>　　{</b></p><p><b>　　TR0=0;</b></p><p>　　time_l=(TH0<<8)|TL0;</p><p><b>　　EA=0;</b></p><p><b>　　timing=0;<

48、/b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void int1_isr(void) interrupt 2</p><p><b>　　{</b></p><p><b&g

49、t;　　TR1=0;</b></p><p>　　time_s=(TH1<<8)|TL1;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void delay(uint t)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　u

50、char j=100;</p><p>　　while(t--)</p><p>　　while(j--);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　uint phase_differ(void)</p><p><b>　　{</b></p>

51、<p>　　uint differ;</p><p>　　IT0=IT1=1;</p><p><b>　　EA=EX0=1;</b></p><p>　　while(~timing);</p><p>　　while(timing);</p><p>　　delay(100);&l

52、t;/p><p>　　differ=time_s*360/time_l;</p><p>　　return(differ);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void byte_trans(void)</p><p><b>　　{</b></p

53、><p>　　uchar num=0;</p><p>　　TMOD=0X20;</p><p><b>　　SM0=0;</b></p><p><b>　　SM1=1;</b></p><p><b>　　PCON=0;</b></p>&

54、lt;p>　　TH1=TL1=0XFD;</p><p><b>　　TR1=1;</b></p><p>　　SBUF=(uchar)(volts/10000);</p><p>　　while (!TI);</p><p><b>　　TI=0;</b></p><p&

55、gt;　　SBUF=(uchar)(volts/1000%10);</p><p>　　while (!TI);</p><p><b>　　TI=0;</b></p><p>　　SBUF=(uchar)(volts/100%10);</p><p>　　while (!TI);</p><p>

56、;<b>　　TI=0;</b></p><p><b>　　SBUF='.';</b></p><p>　　while (!TI);</p><p><b>　　TI=0;</b></p><p>　　SBUF=(uchar)(volts/10%10);<

57、;/p><p>　　while (!TI);</p><p><b>　　TI=0;</b></p><p>　　SBUF=(uchar)(volts%10);</p><p>　　while (!TI);</p><p><b>　　TI=0;</b></p>&

58、lt;p>　　SBUF=(uchar)(amps/10000%10);</p><p>　　while (!TI);</p><p><b>　　TI=0;</b></p><p>　　SBUF=(uchar)(amps/1000%10);</p><p>　　while (!TI);</p><

59、;p><b>　　TI=0;</b></p><p>　　SBUF=(uchar)(amps/100%10);</p><p>　　while (!TI);</p><p><b>　　TI=0;</b></p><p><b>　　SBUF='.';</b&g

60、t;</p><p>　　while (!TI);</p><p><b>　　TI=0;</b></p><p>　　SBUF=(uchar)(amps/10%10);</p><p>　　while (!TI);</p><p><b>　　TI=0;</b></p

61、><p>　　SBUF=(uchar)(amps%10);</p><p>　　while (!TI);</p><p><b>　　TI=0;</b></p><p><b>　　SBUF=0;</b></p><p>　　while (!TI);</p><

62、;p><b>　　TI=0;</b></p><p><b>　　SBUF='.';</b></p><p>　　while (!TI);</p><p><b>　　TI=0;</b></p><p>　　a=(uchar)(power_fact*100

63、);</p><p>　　SBUF=a%10;</p><p>　　while (!TI);</p><p><b>　　TI=0;</b></p><p>　　a=(uchar)(power_fact*10);</p><p>　　SBUF=a%10;</p><p>　

64、　while (!TI);</p><p><b>　　TI=0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void display(uint n)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　

65、　uchar i;</b></p><p>　　for(i=0;i<5;i++)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　delay(1);</b></p><p>　　LEDportal=(n%10)|(i<<4);</p>

66、<p><b>　　n=n/10;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void dis_ctr(void)</p><p><b>　　{</b></p>&

67、lt;p>　　uchar n=400;</p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(clk_key==0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if

68、(n>0,n--)</p><p><b>　　if(n<200)</b></p><p>　　display(amps);</p><p><b>　　else</b></p><p>　　display(volts);</p><p><b>　　}

69、</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(u_i==0)</p><p>　　display(volts);</p><p><b>　　else</b><

70、/p><p>　　display(amps);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　uint read_ui(bit ui)</p><

71、;p><b>　　{</b></p><p>　　uint value;</p><p><b>　　if(ui==1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　XBYTE[ADCSTU|0x1000]=0;</p><p&

72、gt;　　value=XBYTE[ADCH|0x1000];</p><p>　　value=(value<<4)|XBYTE[ADCL|0x1000];//Ñ¡ÔñÊä³öµçÁ÷ÓÐЧֵ</p><

73、;p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　XBYTE[ADCSTU]=0;</p><p>　　value=XBYTE[ADCH];</p><p>　　

74、value=(value<<4)|XBYTE[ADCL];//Ñ¡ÔñÊä³öµçѹÓÐЧֵ</p><p><b>　　}</b></p><p>　　return(va

75、lue);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void main(void)</p><p><b>　　{ </b></p><p>　　delay(300);</p><p>　　volts=read_ui(0); </p&

76、gt;<p>　　volts=read_ui(0)*5.39;</p><p>　　amps=read_ui(1);</p><p>　　amps=read_ui(1);</p><p>　　amps=read_ui(1)/1.02;</p><p>　　phase=phase_differ();</p>