基于单片机的工频电压电流表的设计说明.docx
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基于单片机的工频电压电流表的设计说明
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题目:
基于单片机的工频电压(电流)表的设计
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摘要
在实际中,有效值是应用最广泛的参数,电压表的读数除特殊情况外,几乎都是按正弦波有效值进行定度的。
有效值获得广泛应用的原因,一方面是由于它直接反映出交流信号能量的大小,这对于研究功率、噪声、失真度、频谱纯度、能量转换等是十分重要的;另一方面,它具有十分简单的叠加性质,计算起来极为方便。
本文详细介绍了一个数字工频电压、电流表设计,以AT89S52单片机为控制核心,由电压、电流传感器模块,真有效值测量模块,信号调理模块,AD采集模块及控制、显示模块等构成。
系统采用电压、电流互感器对输入信号进行降压处理,经AD736转换得到原信号的真有效值,由TLC549转换为数字量后送入单片机进行简要的数据处理并将结果通过LCD实时显示,达到了较好的性能指标。
关键词:
工频数字电压(电流)表真有效值AD736TLC549AT89S52
Abstract
Inpractice,RMSisthemostwidelyusedparameters.Exceptinspecialcircumstances,voltagemeterreadingsalmostallcarriedoutbytheRMSofsinewave.ThereasonsofRMSiswidelyavailable,ontheonehand,becauseitdirectlyreflectsthesizeoftheexchangeofsignalenergy,whichthestudyofpower,noise,distortion,spectrumpurity,energyconversion,suchasitisveryimportant;Ontheotherhand,ithasaverysimplesuperpositionofthenatureofthecalculationwillbeextremelyconvenient.Thedesignofsingle-chipAtmelCorporationAT89S52ascontrolcore,bythecurrentsensormodule,TrueRMSmeasurementmodules,signalconditioningmodules,ADacquisitionandcontrolmodule,displaymodule.Systemusesacurrentsensorcircuitforstep-downoftheinputsignalprocessing,hasbeenconvertedbytheoriginalAD736TrueRMSsignalbytheTLC549convertintosingle-chipdigitalconductedafterthebriefandtheresultsofdataprocessinginrealtimethroughtheLCDdisplay,achieveabetterperformance.
Keyword:
Digitalvoltage(current)meterTrueRMSAD736TLC549AT89S52
第一章绪论
§1.1选题背景及意义
在日常的生产、生活和科研中,工频电无处不在,所谓工频就是电力供电系统交流电的频率,我国国家规定工频为50赫兹,即周期为0.02秒,英、美等国规定的工频为60赫兹。
因此,对工频电的测量也是一个应用广泛的实际问题。
传统的测量仪器在使用时需要预先估计待测值的测量围,多数情况下都要从较大量程档位逐次向小量程档位切换,增加了操作的复杂性,且易发生误操作损坏仪器。
近年来随着计算机在社会领域的渗透,单片机的应用正在不断地走向深入,同时带动传统控制日新月异更新。
在实时监测和自动控制的单片机应用系统中,单片机往往作为一个核心部件来使用。
电子计算机的飞跃进步,单片机的普及与推广,为数字多用表智能化做出了贡献。
作为重要的测量工具,工频有效值多用表的发展可以说见证了现代工业的发展和科技进步。
从传统的模拟多用表,到现在精确度和灵敏度越来越高的数字仪表,多用表的发展可谓是日新月异。
目前的工频有效值多用表的设计大概可以分为以下几类:
(1)基于单片机的数字工频有效值多用表,这类仪表中,最有代表性的是89C52系列的。
由于8位机在价格和性能方面的优点,这类仪表可以说是越来越成熟,并且能根据不同的场合选用不同的核心芯片来满足实际的要求。
(2)将传统测量方法和现代数字化测量方法有机结合起来,能适用于工频交流电特征,同时也能适用于非工频电参数测量,以提高通用性。
在这类系统中,由单片机实现测量控制、数据分析处理、显示和量程自动转化等功能;由CPLD器件和高速A/D芯片组成双通道高速同步数据采集电路,由锁相倍频电路实现工频周期均匀等样间隔。
§1.2系统设计任务
题目:
基于单片机的工频电压(电流)表的设计
1.设计任务:
(1)基本任务(必做):
了解工频电压有效值的检测原理,设计及制作电路,实现对50Hz,220V交流电压有效值的检测及显示;
(2)扩展部分(选做):
实现对50Hz,220V交流电流有效值的检测及显示。
2.性能指标:
误差:
±5%
第二章系统总体设计
§2.1方案论证与比较
2.1.1电压、电流变换部分
由于系统测量的是220V交流电有效值以及0~5A工频电流有效值,需将大电压、大电流变换为小电压、电流后才能进行测量。
变换电路有以下两种方案:
方案一:
采用串联电阻分压,该方法精度不高,输入输出无隔离,电阻损耗的功率较大。
方案二:
采用电压互感器,电压互感器利用的是电磁感应的原理,转换精度高,输入输出处于隔离状态,控制电压比容易。
经上述比较,方案二明显优于方案一,故本文选用方案二,采用电压互感器作为电压变换电路。
2.1.2有效值测量部分
测量有效值有三种方案:
方案一:
采用二极管整流电路,再通过峰值检波电路测得峰值,然后根据波形因数求得相应的有效值。
方案二:
利用单片机控制A/D对一个周期的信号进行连续多点采样,然后在软件中根据有效值计算公式,利用傅里叶变换等算法积分求平均得到有效值。
方案三:
采用专用有效值检测芯片如AD736直接将交流信号转换直流有效值信号。
方案一硬件电路较复杂,且能测得的波形有限,对不同的波形还需根据其波形因数采取不同的换算关系。
方案二软件算法过于复杂,编程难度较大,而方案三软硬件都较简单,故设计中选用方案三。
§2.2系统总体设计
系统利用电压/电流互感器和I/V变换电路将工频电压/电流转换为弱电压。
由模拟开关选择电压或者电流通道,由此得到的仍然是交流信号,然后进行有效值转换,即可得直流信号。
由于信号幅值偏小,经过放大电路后,进行A/D转换,所得数字信号送入单片机进行数据处理,然后显示。
系统总体框图如图2-1所示。
图2-1系统总框图
第三章硬件设计
§3.1传感器电路设计
3.1.1电压互感器
电压传感器电路如图3-1所示,图中T1为电流型电压互感器TV19。
TV19匝数比为1000:
1000,输入电流0-5mA,非线性度<0.1%。
电压互感器工作原理为:
不同的输入电压通过限流电阻,使一次侧流过不同的电流,二次侧得到一个与一次相同的电流。
经运放或电阻直接取样,得到不同的输出电压,采用运放取样精度更高。
图中运算放大器与电阻构成I-U转换电路,由于运算放大器的输入阻抗非常高,可以认为二次电流I2全部流入反馈电阻R2。
同时运算放大器的增益很高,因此,根据U=IR得电流传感器电路的输出端电压为U0=I2*R2。
D1、D2为限幅二极管,在过载的情况下可以有效的保护后级运放不被损坏。
C为相位补偿电容,可以抑制高频域的突起现象。
图3-1电压互感器电路
运放输出电压和互感器输入电压关系为:
U0=(Ui/R1*R2)。
由于输入电流<5mA,选择输入限流电阻R1=47KΩ,当输入电压为220V时,电流I=220/47K=4.68mA,由此求得的电阻功率P=U*I=1.03W,故R1选择功率为2W的碳膜电阻。
考虑到后级AD736输入电压有效值<200mV,故选择取样电阻R2=40Ω。
由于电压互感器次级有线圈,运放选用高输入阻抗运放TL082。
3.1.2电流互感器
电流传感器电路如图3-2所示,图中T2为电流互感器TA12-200。
TA12-200性能参数如下:
变比2000:
1,输入电流0~5A,输出电流0~2.5mA,非线性度≤0.2%,相移≤5’。
其工作原理为:
次级电流将初级电流衰减了2000倍,得到0~2.5mA的小电流,再通过电阻或运放取样得到电压信号。
运放工作原理同电压互感器,输出电压U0=I*R3。
图3-2电流互感器电路
考虑到后级AD736的输入电压<200mV,选择取样电阻R3=100Ω,可求得能够测量的初级电流为0~4A。
§3.2真有效值转换电路设计
3.2.1电压、电流切换电路
由于系统要求同时对电压、电流进行测量,故需对电压互感器和电流互感器的信号进行通道选择和切换。
本设计采用模拟开关CD4053实现通道切换,即在电压、电流互感器后设置一CD4053,通过单片机输出控制信号来控制通道切换,选择某路信号进行有效值转换,应用电路如图3-3所示。
CD4053是三路二选一模拟开关,可由三位控制位分别选择三路输出,其真值表如表3-1所示。
本设计中只用了一路,单片机P0.3口与A相连,由控制位A选择输出。
表3-1CD4053真值表
InputStates
OnChannels
EN
A
B
C
0
0
0
0
X0,Y0,Z0
0
0
0
1
X0,Y0,Z1
0
0
1
0
X0,Y1,Z0
0
0
1
1
X0,Y1,Z1
0
1
0
0
X1,Y0,Z0
0
1
0
1
X1,Y0,Z1
0
1
1
0
X1,Y1,Z0
0
1
1
1
X1,Y1,Z1
1
*
*
*
NONE
图3-3模拟开关与真有效值转换电路
3.2.2真有效值测量电路
系统的核心是测量交流电压、电流的有效值,因此有效值测量的精度将直接影响系统最终的精度。
有效值测量集成电路视其测量围和精度有多种规格可选,较通用的有Analog公司的AD536、AD636、AD736及AD737等。
考虑到成本等因素,系统选用的是AD736,应用电路如图3-3所示。
该器件是按有效值隐含运算而设计,能计算任意复杂波形的高精度真有效值--直流转换器件,其精度优于0.3%,波峰因素≤5,相对稳定时间快,是当前集成真有效值转换器性能较好的一种。
AD736有效值测量原理如下:
一个交变信号的有效值定义为
(1)
这里,
为信号的有效值,T为测量时间,
是一个时间的函数,但不一定是周期性的。
对等式两边进行平方得:
(2)
右边的积分项可以用一个平均来近似
(3)
这样式
(2)可以简化为:
(4)
等式两边除以
得:
(5)
这个表达式就是测量一个信号真实有效值的基础。
AD736也是采用的这一原理。
图中CC为低阻抗输入端耦合电容一般取值为10~20uF;CF为输出端滤波电容一般取10uF;CAV为平均电容,它是AD736的关键外围元件,用于进行平均值运算。
其大小将直接影响到有效值的测量精度,尤其在低频时更为重要。
多数情况下可选33uF。
§3.3信号调理电路设计
前级AD736的输出信号最大幅值为200mV,后级TLC549的分辨率为5V/256即19.5mV,且具有±0.5LSB的误差,所以要想达到题目要求的测量误差±5%,就需要把AD736的输出信号放大到400mV以上才行。
由于AD的输入电压越大,转换精度越高,考虑到TLC549参考电压为+5V,且输入工频电压具有±15%的误差,采用同相放大电路,放大倍数设置为21倍。
应用电路如图3-4所示,由OP07、R1、R2组成同向放大器,放大倍数A=1+R2/R1=21,对输入信号进行21倍的同向放大以保证系统的测量精度要求。
图3-4信号调理电路
§3.4A/D转换电路设计
TLC549是美国仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片,可与通用微处理器、控制器通过CLK、CS、DATAOUT三条口线进行串行接口。
具有4MHz片系统时钟和软、硬件控制电路,转换时间最长17μs,TLC549为40000次/S。
总失调误差最大为±0.5LSB,典型功耗值为6mW。
采用差分参考电压高阻输入,抗干扰,可按比例量程校准转换围,VREF-接地,VREF+-VREF-≥1V,可用于较小信号的采样。
其应用电路如图3-5所示,CS、DO、CLK分别与AT89S52单片机的P0.0、P0.1、P0.2口相接。
图3-5A/D转换电路
TLC549均有片系统时钟,该时钟与I/OCLOCK是独立工作的,无须特殊的速度或相位匹配。
其工作时序如图3-6所示。
图3-6TLC549操作时序
一组通常的控制时序为:
(1)将CS置低。
部电路在测得CS下降沿后,再等待两个部时钟上升沿和一个下降沿后,然后确认这一变化,最后自动将前一次转换结果的最高位(D7)位输出到DATAOUT端上。
(2)前四个I/OCLOCK周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5个位(D6、D5、D4、D3),片上采样保持电路在第4个I/OCLOCK下降沿开始采样模拟输入。
(3)接下来的3个I/OCLOCK周期的下降沿移出第6、7、8(D2、D1、D0)个转换位。
(4)最后,片上采样保持电路在第8个I/OCLOCK周期的下降沿将移出第6、7、8(D2、D1、D0)个转换位。
保持功能将持续4个部时钟周期,然后开始进行32个部时钟周期的A/D转换。
第8个I/OCLOCK后,CS必须为高,或I/OCLOCK保持低电平,这种状态需要维持36个部系统时钟周期以等待保持和转换工作的完成。
如果CS为低时I/OCLOCK上出现一个有效干扰脉冲,则微处理器/控制器将与器件的I/O时序失去同步;若CS为高时出现一次有效低电平,则将使引脚重新初始化,从而脱离原转换过程。
§3.5单片机及显示电路设计
系统采用AT89S52单片机作为主控制器,LCD1602液晶显示电压和电流有效值。
AT89S52具有功能强、体积小、成本低、功耗小等特点,它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能,能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。
系统显示采用常用的字16字X2行的字符型液晶模块,其微功耗、体积小、显示容丰富、超薄轻巧等诸多优点,使得在各类仪表和低功耗系统中得到广泛的应用。
与数码管相比该模块还有位数多、显示容丰富、程序简单等优势。
应用接口电路如图3-7所示,包括单片机、复位电路、晶振电路、LCD1602。
单片机P2.0~P2.2口作为LCD的控制口,P1口为LCD的并行数据口,AT89S52对TLC549转换后的数据进行运算处理后通过LCD实时显示出来。
图3-7单片机与显示电路
第四章软件设计
§4.1LCD1602液晶显示程序
LCD1602是一种用点阵图形来显示字符的液晶显示器,其最多可以显示2行,每行16个字符。
模块部自带字符发生存储器(CGROM),字符有:
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码,比如大写的英文字母“A”的代码是(41H),显示时模块把代码41H发给液晶模块,我们就能在液晶上看到字母“A”
1602液晶模块部的控制器共有11条控制指令,丰富的指令可以完成液晶的时序控制、工作方式式设置和数据显示等。
向LCD写指令时,将RS端选中为指令寄存器,R/W选中为写模式,P2.2脚发出高低电平的跳变,即可将指令码通过P1口送给LCD。
写数据时,只需将RS端改为数据寄存器即可。
其操作时序如图4-1所示。
图4-1LCD1602操作时序
§4.2A/D转换程序
TLC549是8位串行AD,与单片机只有三个接口:
CS、CLK、DO。
CS是片选信号,CLK是数据操作时钟,DO是串行数据输出口。
程序流程图如图4-2所示。
图4-2AD转换流程图
A/D转换,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);
}
§4.3主程序设计
系统上电复位后,从主程序开始执行。
主程序需将A/D转换得到的数据进行运算处理,转换位十进制数,并送到LCD显示。
程序中为提高测量精度,对A/D采样得到的数据采取均值滤波的算法,即求多次采样数据的平均值。
程序中,还应根据实际测量结果的误差,在软件中进行补偿。
主程序流程图如图4-3所示。
YN
图4-3主程序流程图
第五章系统调试及误差分析
§5.1系统调试及测试结果
在系统整体调试时,若调试不成功,由于整体焊接已经完成,很难检查到底哪部分有错误。
为此,我们采用了边焊接边调试的方法,即将系统分成若干模块,每个模块完成后就进行测试验证,最后再进行系统联调。
调试过程中,用到的仪器设备如下:
直流稳压电源、函数信号发生器、示波器、万用表等。
5.1.1AD736测试结果
在本设计中真有效值转换芯片AD736是系统的核心,其精度将直接影响系统整体测量精度。
为验证其精度,对AD736模块进行实验测试,测试结果如表5-1所示。
表5-1AD736测试结果
输入电压有效值(mV)
10
30
50
100
120
150
180
200
输出电压有效值(mV)
9.81
30.05
50.09
100.50
120.94
150.01
180.98
201.3
平均误差
0.59%
5.1.2OP07测试结果
OP07构成了后级同相放大电路,其理论设计放大倍数为A=21。
实际测试结果如表5-2所示。
表5-2OP07测试结果
输入直流电压(mV)
50
80
100
130
150
180
200
输出直流电压(V)
1.05
1.67
2.09
2.72
3.15
3.77
4.18
平均放大倍数
20.93
5.1.3TLC549测试结果
A/D转换精度关系到测得电压值精度,TLC549是8位串行A/D,参考电压为+5V,其分辨率F=5/256=19mV。
测试结果如表5-3所示。
表5-3TLC549测试结果
输入直流电压(V)
0.00
0.40
1.66
2.56
3.15
4.10
4.57
4.90
测得电压值(V)
0.01
0.41
1.64
2.54
3.13
4.09
4.59
4.93
平均误差
±1.2%
5.1.4工频电压测量精度
系统所有模块焊接完成后,就可以进行联调,由于工频电网电压存在±15%的误差,在不同时间段测试结果如表5-4所示。
采用3位半万用表测得值作为标准值。
表5-4电压测量结果
万用表测得值(V)
215
217
219
221
216
217
系统测得值(V)
216
218
218
223
217
219
平均误差
0.46%
5.1.5工频电流测量精度
电流测量时,选用功率为300W左右的电热杯作负载,FLUKE钳形电流表测得值作为标准值。
测试结果如表5-5所示。
表5-5电流测量结果
钳形表测得值(A)
1.50
1.55
1.54
1.56
1.57
1.53
系统测得值(A)
1.49
1.53
1.54
1.55
1.56
1.54
平均误差
0.44%
§5.2误差分析
从测试结果可知,电压测量误差为,电流测量误差为,小于题目要求的±5%,分析误差来源,主要有以下原因:
1.电压互感器、电流互感器存在非线性误差。
2.电压互感器输入限流电阻R1工作时功率达到1W,发热量较大,致使其温度升高电阻变小,而运放采样输出电压Uv=(Ui/R1)*R2,从而是输出电压变高,测得电压有效值变大。
3.AD736转换误差及OP07放大电路误差。
4.TLC549参考电压波动会引起AD转换误差,以及分辨率有限和±0.5LSB误差。
5.电路板为手工焊接,电磁兼容性考虑不周和外界的电磁干扰。
§5.3改进方法
本设计虽然完成了题目要求的功能与性能指标,但仍有许多地方可以改进。
例如:
输入的工频电压中存在丰富的高频谐波分量,为达到更高的精度可考虑在电压互感器后设置一低通滤波器,保留50HZ基频信号,滤除高频谐波分量;由于电流测量围为0~5A,当负载电流较小时,为保证较高的测量精度,可在电流互感器后设置一程控放大电路以切换量程,提高小电流的测量精度。
结束语
经过20天得团结协作,我们圆满完成了此次实习任务,作品达到了题目要求的各项性能指标。
本次实习是为毕业设计做好准备、打好基础,通过这次实习,我们熟悉了一个课题或项目的完成过程,从查找资料,确定方案,设计电路,软件编写,焊接电路,系统调试到最后的报告撰写,每一个过程我们都学到了很多,收获了很多,理论设计和动手实践能力得到了很大提升。
在实习过程我们小组分工明确,既有自己独立完成的模块又紧密配合,因此得以顺利完成课题。
实习成果不是单一知识的结晶,实习遇到了好多难题,学过的一些知识点有所遗忘,我们完成课题的同时也巩固了理论知识。
通过实习理论联系实际,以前一些不甚理解的理论也变得容易理解了。
与此同时我们也学到了一些宝贵的经验教训,例如:
这次实习的课题是工频电压表的设计,由于事前对220V电压重视不够,在电路测试阶段不小心将工频电压用表笔短接,导致电路板部分模块烧坏,不得不重新焊接;再有,学电磁兼容课时布线的要求都很了解,但在本次实习时却没有用上,电路走线不够规,以致模块之间相互干扰,最后不得以把电路分在两块板上。
这些让我们明白了手工焊接硬件电路最后的效果可能会理论设计
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- 基于 单片机 电压 电流表 设计 说明