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1、简单数字式工频有效值的设计及仿真摘 要数字式工频有效值多用表是用来测量工频交流电的电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数的仪器。它采用单片机的控制运算功能，根据离散积分公式即离散傅立叶变换，基于对电力系统参数进行交流采样的思想，实现同时对一路工频交流电的频率、电压有效值、电流有效值的测量，用软件计算分析出有功功率、无功功率、功率因素、电压基波有效值、电压谐波有效值等参数。该设计分四个模块：数据采集、数据处理、键盘电路和显示模块。数据采集采用可编程运算放大器PGA103，对大、小信号分别进行相应放大处理，对信号进行等间隔采样已确保采样的精确度，然后通过模数转换器AD574A将被测信
2、号由模拟信号转换成数字信号；数据处理以单片机89C52为核心，对采集信号进行精确控制和严格计算；键盘电路可以通过按键来实现人机通信，当有编码键闭合时就可以实实现相应的功能；显示部分由74LS164移位寄存器和数码管构成，主要对单片机处理的数据在键盘电路指令下进行动态显示。关键词：工频有效值；89C52单片机；数据采集；数据处理；数据显示AbstractDigital frequeney RMS multimeter is an apparatus to be used for surveying the workmans frequency alternating current tensio
3、n virtual value, the electric current virtual value, real power and reactive power and meritorious service rate factor. It adopts the single chip computer control calculation meritorious service capacity, and parameters such as real power, reactive power, meritorious service rate element, tension fu
4、ndamental harmonic virtual value and tension harmonious wave virtual value and so on these are separation to the calculation branch to the measurement that on the basis of the scattered integration formula in immediate future scattered Fourier transformation, the exchange basseted on to power system
5、 parameter sampling idea was achieved to adjust all the journey moreover the workmans frequency alternating current frequency and the tension virtual value as well as the electric current virtual value in the way of software . The design is divided into four modules: data acquisition, data handling,
6、 keyboard electric circuit and the display module. Data acquisition adopting program is operated to calculate amplifier PGA103 and can enlarge the handle to the great and little signal respectively. It also can grantee the sampling awareness by picking out the signal at intermission and then it can
7、be fathomed the signal transforms into the digit signal through the analog signal by means of analog-digital conversion utensil AD574A, The data handling takes the single chip computer 89C52 as the core, dominates accurately and enforce rigorously the calculation to the collecting signal. The keyboa
8、rd electric circuit may achieve man-machine communication by using the key, and it can work out the relevant meritorious service capacity when the coded the coded key is locked .The display section consists of 74LS164s dislocation register and the nixie light whereas the main correct onboard compute
9、r handle data is living, the keyboard carries on the dynamic display below the electric circuit order. Keywords: Workmans frequency virtual value; 89C52 single chip computer; data acquisition; data handling; data display目 录摘要.IAbstract.目录.绪论.第一章 系统方案论证.1第二章 核心器件.3 2.1 可编程运算放大器PGA103.32.2 采样保持器LF398.
10、32.3 并行A/D转换器AD574A.42.4 锁相环电路.42.5 单片机89C52.52.6 3-8译码器74LS138.6第三章 硬件设计.73.1 数据采集模块设计.7 3.1.1电流、电压信号的放大电路.7 3.1.2 数据保持部分.83.2 单片机系统数据处理模块.83.3 显示部分.14第四章 硬件调试.16第五章 仿真 .17结论. .18致谢.19主要参考文献.20附录.21绪 论在日常的生产、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，我国国家标准规定工频为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
11、用广泛的实际问题。传统的测量仪器在使用时需预先估计待测值的测量范围，多数情况下都要从较大量程档位足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。本论文设计的数字式工频有效值多用表克服了传统仪器的缺点，可以测量工频交流电的电压、电流有效值，以及有功功率、无功功率和功率因数等功能，可以实现测量中的量程自动转换、测试结果的显示及测量总谐波的有效值功能。本课题的设计思路：首先，对电流和电压信号进行放大处理，并通过模数转换器进行模数转换，通过数码管显示出来，其次，对测量的到的电压和电流进行相应的计算从而得到所要测量的数据。 系统对电压、电流信号分别测量、测量功率时则将电压、电流信号取出
12、，送到功率测量模块进行测量，模块采用89C52单片机来实现。单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程来实现各种算法和逻辑控制。单片机系统可用数码管显示测量值。对于电压、电流信号采样用可编程放大器进行处理。在测量工频交流电电压、电流信号，利用锁相环对信号倍频，所得脉冲控制89C52对电压、电流信号的相位测量。另外，测量功率时，采用双路保持器对信号采样保持，做到电压、电流信号的同时采集，因此，采用单片机系统使整体结构简单。采用以89C52为核心的单片机系统，可以实现显示、打印、与微机通信等功能，大大提高了系统的智能化程度，并且系统所测结果的精确度很高。本设计主要实现：信号的放大，通过PGA103
13、可编程控制器件来实现；信号的采集，通过模数转换器ACD574A来实现；信号的处理，通过单片机89C52来实现；键盘电路，通过89C52芯片串行口来实现；数码显示电路，通过74LS164移位寄存器和数码管。第一章 系统方案论证总体方案设计与比较:方案一：系统对电压，电流信号分别测量，测量功率时则将电压，电流信号取出，送到功率测量模块进行测量，原理框图如图1所示。整个系统是采用模拟控制方式，硬件电路实现复杂，功率因数测量难以实现，系统不能实现复杂的控制和运算。 图1 原理框图方案二：采用89C52单片机来实现。单片机软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。单片机系统可用数码管显
14、示测量值。对于电压，电流信号采样可用编程放大器进行预处理。在测量工频交流电压，电流信号时，利用锁相环对信号倍频，所得脉冲控制89C52对电压，电流信号的相位测量。另外测量功率时，采用双路保持器对信号采样保持，做到电压，电流信号的同时采集，因此，采用单片机系统使整体结果简单，如图2所示。比较以上二种方案，方案一是模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂控制和计算，控制方案的改善也比较麻烦。方案而是采用以89C52为核心的单片机系统，可以实现显示，打印，与微机通信等功能，大大提高了系统的智能话程度，并且系统所测结果的精度很高。经过对两种方案的比较，本设计及制作采用了方案二。 图2 系统总体框图第二
15、章：核心器件2.1 可编程运算放大器PGA103如图3所示为PGA103电源和信号的基本连接电路，Vo=GVIN。信号VIN由脚输入，经过放大后从脚输出。输入和输出都以地(脚)为参考，脚的接地电阻必须是低阻，以确保良好的增益精确度。例如，在增益G=100时，若串联接地电阻为0.1，将造成增益精确度下降0.2%。数字输入端可以直接接CMOS或TTL器件，数字输入端A0、A1（即端口1，端口2）的不同编码组合可以选择增益1、10、100。当A0=A1=1时为无效输入，此时虽不会损坏器件，但是输出为不确定状态。当编码组合正确时，输出端立即恢复有效编码选择。 图3 PGA103接口及真值表2.2 采样
16、保持器LF398LF398是一种反馈型采样保持放大器，也是目前较为流行的通用型采样保持放大器。是由场效应管构成，具有采样速度高，保持电压下降慢和精度高等特点。当作为单一放大器时，其直流增益精度为0.002%,采样时间小于6us时精度可达0.01%;输入偏置电压的调整只需在偏置端调整即可,并且在不降低偏置电流的情况下,带宽允许1MHz,其主要技术指标有:1、工作电压：+5-+18V2、采样时间：10us3、可与TTL、PMOS、CMOS兼容4、当保持电容为0.01uF时，典型保持步长为0.5mV5、低输入漂移，保持状态下输入特性不变6、在采样或保持状态时高电源抑制2.3 并行A/D转换器AD57
17、4AA/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量，本设计中采用了AD574A。AD574A是一种单片高速12位逐次比较型A/D转换器， AD574内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，片内有高精度的参考电源和时钟电路，不需要外接时钟和参考电压等电路就可以正常工作，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。AD574A的转换时间为25 s。芯片内含有逐次STS逼近式寄存器SAR、比较器、控制逻辑、DAC转换电路及三态缓冲器等。2.4 锁相环电路 图4 CD4060内部电原理框图倍频电路由集合数字锁相环CD
18、4046，高速双运放TL082和2个4位二进制计数器74LS393组成。现对锁相环介绍如下：锁相环主要由相位比较器（PC）、压控振荡器（VCO）。低通滤波器三部分组成，如图1所示。压控振荡器的输出Uo接至相位比较器的一个输入端，其输出频率的高低由低通滤波器上建立起来的，平均电压Ud 大小决定。施加于相位比较器另一个输入端的外部输入信号Ui与来自压控振荡器的输出信号，Uo相比较，比较结果产生的误差输出电压U正比于Ui和Uo两个信号的相位差，经过低通滤波器滤除高频分量后，得到一个平均值电压Ud。这个平均值电压Ud 朝着减小VCO输出频率和输入频率之差的方向变化，直至VCO输出频率和输入信号频率获得
19、一致。这时两个信号的频率相同，两相位差保持恒定（即同步）称作相位锁定。CD4046 结构图4所示： CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为3V18V），输入阻抗高(约100M)，动态功耗小，在中心频率f0为10kHz下功耗仅为600W，属微功耗器件。 2.5 单片机89C52单片机是把那些作为控制应用所必须的基本内容继承在一个尺寸有限的集成电路芯片上，如果按功能划分，它由如下功能部件组成：（1） 微处理器（CPU）（2） 数据存储器（RAM）（3） 程序存储器（ROM/EPROM）（4） 4个8位并行I/O口（5） 1个串行口（6） 2个16位定时器、计数器（7
20、） 中断系统（8） 特殊功能寄存器 图5 89C52单片机引脚图2.6 3-8译码器74LS138 74LS138 为3 线8 线译码器其工作原理如下： 当一个选通端（G1）为高电平，另两个选通端（/(G2A)和/(G2B)）为低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。 利用 G1、/(G2A)和/(G2B)可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成 32 线译码器。若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。图6 74LS138引脚图第三章 硬件设计3.1 数据采集模块设计3.1.1电流、电压信号的放大电路方案一：
21、采用集成运放芯片OP07对电压，电流信号进行放大处理。根据公式进行计算可得电路的放大倍数为 K=Vout/Vin=1+R1/R2选择不同的阻值可以得到不同的放大倍数，但是这种放大处理不能同时满足对大小信号的放大要求。方案二：考虑到满足对大信号的处理，采用可编程放大器件PGA103对电压、电流信号进行放大，通过单片机对可编程器件PGA103的管脚1和管脚2进行控制，使放大倍数可以为1（A0=A1=0），10（A0=1，A1=0）两种不同值。此处A1，即管脚2直接接地，即A1=0,因此放大器的放大倍数由A0，即管脚1决定。当电压放大电路中T0（电流信号放大电路中为T1）输入信号为1时，A0=0，增
22、益为1，当输入信号为0时，A0=1，增益为10.电路图如图7所示。这样能满足对大小不同信号的放大要求，硬件电路简单，容易实现。本设计采用这种方案。 图7(a) 电压信号处理放大与保持电路图7(b) 电流信号处理放大与保持电路3.1.2 数据保持部分方案一：对电压，电流信号进行分开测量，先在一个周期测量电压值，再在下一个周期测量电流值。方案电路简单，全部通过软件实现。由于所测电压，电流信号不是同时采样，所以功率值有误差。方案二：由于测量功率时要对电压，电流信号进行同时测量，可采用保持器LF398对信号进行双路保持，用单片机P1.4口对保持器LF398控制。进行测量时，单片机先对电压信号进行转换，
23、而此时电流信号被送到保持器进行保持，等待电压信号处理完毕，这可以满足对电压、电流信号进行同时测量，并且减小了系统带来的误差。如图7所示。3.2 单片机系统数据处理部分（1）信号频率倍频处理部分 为了保证信号采样的精度，要对信号进行等时间间隔采样。其间隔时间就是采样周期；从理论和理想情况来看，若认为信号频率是固定不变的，则采样周期也固定不变，但实际系统中，频率经常会发生变动，假设频率信号减小时，若仍以原频率时的理论采样间隔对信号采样，会造成信号的一个周期中前一段是以理论间隔被采样（以采64个点为例），如果采满了64个点，造成信号后一部分没有被采到，如图8（b）所示，而信号频率增大，则一个周期采不
24、到64个点，如图8（c）所示，所以频率跳动会引起采样信号波形失真，也不能够达到很高的精度。在实际中，必须保持采样间隔随信号频率的波动而发生相应的变化，即把一个周期等间隔取样变为等相位采样。方案一:选用单片机外部芯片8253来实现倍频特性，把信号一个周期分成相等的64份，从而实现了一个周期的等相位64点取样。假设信号频率为f先用8253对信号进行测量，设测得的周期为T1 ，则采样周期为T2=T1/64，每隔一个采样周期，单片机给AD574发脉冲，启动AD574进行转换。这种方法可以实现倍频，但单片机的指令周期会使频繁启动8253进行测频、倍频、计数的过程中损失一些时间，经计算大约有200s，使得
25、转换所需时间加长，系统工作繁忙，测量精度难以进一步提高。图8 频率变化时的采样方案二:用硬件电路采用锁相环直接实现。用锁相环把信号的频率通过计数器进行64倍倍频，从而在需采集信号的一个周期中产生64个脉冲，利用此等分间隔脉冲信号作为单片机的外部中断信号，快速启动AD574进行转换，实现高速数据采集。这种方案实施简单，而且可靠性高，简化了软件的流程。本设计采用了这种方案。设计图如图9所示： 图9 锁存器此电路中，TL082是一通用的J-FET双运用算放大器，其特点有：较低输入偏置电压和偏移电流：；输出没有短路保护，输入级具有较高的输入阻抗，内建频率被子偿电路，较高的压摆率。74LS393为两个
26、4 位二进制计数器异步清零端（1clear,2clear）为高电平时，不管时钟端 1A，2A 状态如何，即可以完成清除功能。当 1clear,2clear 为低电平时，在 1A,2A 脉冲下降沿作用下进行计数操作。当锁相环CD4046入锁时，它具有“捕捉”信号的能力，VCO可在某一范围内自动跟踪输入信号的变化，如果输入信号频率在锁相环的捕捉范围内发生变化，锁相环能捕捉到输人信号频率，并强迫VCO锁定在这个频率上。信号通过TL082由CD4046的3号端口输入，经过CD4046的内部比较，处理，从4号端口输出，送到89C52的P3.3。（2）数据处理转换部分 本设计采用AD574和片外RAM与单
27、片机一起构成数据处理转换部分。如图10所示：图10 数模转换电路4051（二进制码控，8取1开关）：4051的作用是8个输入端X0-X7，选一由X段输出，但是由于本设计中只要求从电流和电压中选取一个，即：INO和IN1,所以只将IN0和IN1接到X0和X1，X2-X7直接接地。输出信号送到AD574的13号端口，然后由AD574进行数模转换。AD574（数模转换）：由于AD574片内有时钟，故无须外加时钟信号。该电路采用单极性输入方式，转换结果的高8位从DB11DB4输出，低4位从DB3-DB0输出并直接和单片机的数据总线相连。为了实现启动A/D转换和转换结果的读书，AD574的片选信号由地址
28、总线的A1提供，在读写时，A1设置为低电平，AS574的CE信号由单片机的和A7经1级或非门提供，信号则由RD和A7经1级与非门产生，可见在读写时，A7亦应为低电平。输出状态信号STS接P3.2段共单片机查询，以判断A/D转换是否结束。图11 3-8译码器及扩展片外RAM锁存器74LS373（地址锁存）：74LS373的输出端1Q-8Q直接与总线相连。当三态允许控制端OE为低电平时，1Q-8Q为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，1Q-8Q呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端ALE为高电平时，Q随数据D而变。当ALE为低电平时
29、，Q被锁存在已建立的数据电平。6264（扩展片外RAM）：这里用到了通过74LS138扩展片外RAM，由74LS138真值表可知，把GA接到+5V，接地，P2.7,P2.6,P2.5分别接到74LS138的C,B,A端P2.4-P2.0,P0.7-P0.0这13根地址线接到6264的A12-A0引脚。由于对高3位地址译码，这样译码器有8个输出-，所以，随便选一个端口接到6264的片选端。74LS138（3-8译码器）：3-8译码器的输入是3个脚,输出是8个脚。用高低电平来表示输入和输出。输入是二进制。3只脚也就是3位二进制数。输入可以3位二进制数。3位二进制最大是111 也就是8。输出是8个脚
30、，表示10进制。是根据输入的二进制数来输出。如果输入是101 那么就是第5只脚高电平，表示二进制数是5。 其实3-8译码器的功能就是把输入的3位2进制数翻译成10进制的输出。图12 单片机各端口连接线路单片机89C52（主控制系统）：89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为芯片引脚XTAL2。在这二个引脚跨接石英晶体振荡器，简称晶振，和微调电容，就构成了一个稳定的自激振荡器。3.3 显示部分（1）键盘设定 系统共设有二乘八按键：复位键 实现复位功能。各按键显示不同的值，分别为交流电压有效值，交流电流有效值，有功功率，无功功率
31、，功率因数，基波有效值，总谐波有效值，例如：按键K0显示电压U和U的大小。 图13：显示电路（2）数码显示 采用五位数码管显示，第1个数码管显示测量值的功能（U电压有效值，I电流有效值，P有功功率，O无功功率，N功率因数，b基波有效值，H谐波有效值），第2-5个数码管显示测量值的大小。单片机利用74LS164的串/并转换功能，将数据送到数码管显示。采用串行输入使得硬件简单，占用单片机系统接口少，能简化软件编程。 如图13所示:图中5个74LS164作为5位LED的段码输出口，89C52的P1.4,P1.5作为2行键的行状态输入线，P1.1作为TXD引脚同步移位脉冲输出控制线，P1.1=0时，与
32、门输出为0，禁止同步移位脉冲输出，这种静态显示方式的优点是亮度大，很容易做到显示不闪烁，且CPU不必频繁的为现实服务，因而主程序可不必扫描显示器，软件设计比较简单，从而使单片机有更多的时间处理其他事物。第四章 硬件调试调试方法和过程：调试方法和过程我们采用先分别调试各单元模块，调通后再进行整机调试的方法，以提高调试效率。各单元模块的调试如下： (1) 数据采集、放大模块调试 可编程放大器PGA103的管脚1和2用单片机的P3.4和P3.5 来控制，将PGA103的输入与函数信号发生器输出相联，先通过改变P3.4和P3.5脚的电平来改变放大倍数，用万用表测试输入、输出电压；再调节函数信号发生器的
33、输出，用万用表测试输入、输出电压是否正确；数据保持器LF398的管脚8则用单片机的P1.4来控制，并用示波器观察波形。调试结果显示模块可以正常工作。 (2) 数据信号频率倍增模块调试 将函数信号发生器的输出与锁相环倍频电路的输入相联，调节函数信号发生器的输出频率，用示波器观察锁相环倍频电路的输出频率。经检验，锁相环能够正常工作。 (3) A/D转换模块调试 因系统软件较大，不适合用来调试A/D转换模块，故编制了一简单程序进行调试，并用示波器监视几个控制信号（如片选、启动）是否正确。通过这种方法使A/D转换电路很快便能正常工作了。 (4)显示模块调试 将显示模块与仿真机相连，编制一简单程序进行调
34、试，并观察显示数码管的变化是否正确。通过这种方法可以看出显示模块能够正常工作。 各单元均调通后，进行整机调试，其过程如下：将调好的各模块连接在一起，用函数信号发生器模拟交流电压和交流电流两路输入，先用仿真机代替89C52单片机进行模拟调试，对每一芯片的片选、启动进行检测，并对数据线和地址线也进行检测。调试成功后再将程序写到单片机中进行调试。调试结果显示整个系统能够正常工作。测试仪器 PC机，K6-266，32M内存 AEDK5196ET仿真机 UT2003型数字万用表 HH1710-4双路稳压稳流电源 cos 5020B示波器 EE1641B型函数信号发生器/计数器第五章 仿真结 论 本系统以
35、89C52芯片为核心部件，利用软件编程，实现了对交流电压值，交流电流值，有功功率，无功功率以及功率因数的测量。尽量做到线路简单，减小电磁干扰，充分利用软件编程，弥补元器件的精度不足。数字式工频有效值多用表的成功设计将给人们带来许多的便利。由于该表性能优越，使用方便，且性能价格比传统的指针式万用表有明显的提高。本次设计让我认识到自己的很多不足，对电路设计和绘图的生疏，对单片机原理知识的掌握。针对自己的不足下手，我不断地查阅资料，向老师和同学请教设计中的问题。最终，通过本次毕业设计，让我对单片机更加熟悉，更加了解。毕业设计培养了严肃认真和实事求是的科学态度。而且培养了吃苦耐劳的精神以及相对应的工程
36、意识，同学之间的友谊互助也充分的在毕业设计当中体现出来了 了解进行一项相对比较大型的科技设计所必不可少的几个阶段。毕业设计能够从理论设计和工程实践相结合、巩固基础知识与培养创新意识相结合、个人作用和集体协作相结合等方面全面的培养学生的全面素质。我经过这次系统的毕业设计，熟悉了对一项课题进行研究、设计和实验的过程。这些在我们在将来的工作和学习当中都会有很大的帮助。致 谢 通过老师的指导和自己的努力，顺利的完成了本次毕业设计。在此非常感谢我毕业论文的指导老师龙永福教授，在我有问题和困难的时候是他一次次的悉心指导、耐心点拨和热心鼓励，才使得我能够从困难中得到帮助与启发。同时也要感谢在大学期间的所有任
37、课老师，是他们的教导使我掌握了一定的专业知识，没有这些基础知识，相信我是很难顺利完成这次毕业设计的。同样，也要感谢我的同学，在本次设计中，我们互帮互助，不断交流思想，做到软件硬件统一。最后，感谢伟大的母校湖南文理学院对我的栽培！参考文献1 何希才 编著，新颖集成电路应用举例M，电子工业出版社。20022 杨振江，雷光纯 编著，新颖实用电子设计与制作M，西安电子科技大学出版社。20013 何英，Protel99入门与应用M，机械工业出版社。20014 高远明，Protel DXP电路设计与应用M，化学工业出版社。20045 Muhammad H.Rashid, Microelectronic Circuits: Analysis and DesignM. 科学出版社（英文影印版）.2002.6 康华光，华中理工大学电子学教研究编M。电子技术基础，高等教育出版社。20007 阎石，清华大学电子学教研组编M。数字电子技术基础，高等教育出版社。1998附录1：总电路图附录2：显示电路：
