数字功率表.doc

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第一章概述
第一节概述
在测量、控制仪表中引入微机,不仅能解决传统仪表不能解决或不易解决的问题,而且能简化电路、增加功能、提高精度和可靠性、降低售价以及加快新产品的开发速度。由于这类仪表已经实现人脑的一部分功能,例如四则运算、逻辑判断、命令识别等,有的还能够进行自教正、自诊断,并具有自适应、自学习的能力,因此人们习惯上称它们为智能仪表。数字功率表也是一种简单的智能仪表。
功率表一直以来都是重要的工业测量仪表,而数字功率表在原有的基础上比以前的更方便。数字显示消除了在模拟标尺上读取指针位置时的人为误差。与传统的其他仪表相比,数字功率表的测量准确度显著提高。除测量准确外,因数字仪表具有自动保护和自动选择量程的功能,因此减少了由于过载而损坏仪表的可能性。此外,本次所设计的数字功率表还具有自动记录数据和进一步处理数据的能力,能方便地使用在自动测试系统中。
数字功率表的测量能力随着微电子技术的发展而发展,表内硬件已越来越多地用集成电路代替。另一方面,在改善特性的同时,由于许多集成芯片还需进口,成本也有所增加。但由于数字功率表使用方便、功能强大、体积小,在市场上还是很受欢迎。
第二节毕业设计任务和要求
本次毕业设计的主要任务是与做硬件的同学配合,用汇编语言编制出一套数字功率表系统软件用来测量频率为50Hz的交流电路的各种参数,包括电压有效值、电流有效值、功率、功率因数。在完成对数据的处理后能在液晶显示器上显示出电路中的电压、电流、功率因数、功率。为了能够圆满的完成这次毕业设计,在这段时间里,需要完成以下几个任务:,通过课题的分析,明确主要任务;,有些难以下手的,或是没有碰到过的问题要及时地向指导老师请教,并且充分的利用学校图书馆这一庞大的资源,查找有关资料,熟悉有关方面的内容。,设计方案基本形成之后,完成开题报告的写作。,并把它们翻译成中文。,要熟悉相应的开发语言,主要是熟悉汇编语言的语法结构,开发和调试方法。,涉及到的一些通用的子程序的编程,寄存器的定义,一些测量算法的确定。,利用SE-52单片机调试系统进行软件的调试。,完成毕业设计论文,准备毕业设计答辩。
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本次的毕业设计由我和侯东东同学共同完成,他主要负责的是硬件电路方面的设计,而我则是要在他硬件基础上完成数字功率软件系统的设计。
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第二章总体方案简介
研制一台智能仪表是一个比较复杂的过程,这一过程包括分析仪表的功能需求和拟定总体设计方案,确定硬件结构和软件算法,研制硬件电路和编制软件程序,以及仪表的调试和性能测试等等。为保证仪表质量和提高效率,应在正确的设计思想指导下进行设计。
系统测量的基本原理
,假设端电流i及端电压u是在关联参考下,并分别为2i=Isinωt,u=Usin(ωt+φ),式子中φ是电压超前于电流的相位角。则网络的瞬时功率为p=ui=Usin(ωt+φ)Isinωt=UI[cosφ-cos(2ωt+φ)]=UIcosφ-UIcos(2ωt+φ),其中U、I分别是电路中电压和电流的有效值,U的范围为0~600V,I的范围为0~10A。由于二端网络能量消耗表现为网络中存在有功功率,故有功功率P为P=UIcosφ,式子中的U,I,P,cosφ就是本次设计的数字功率表所要测量的量。
N
i
u
+
-

第二节基本设计思想
由于这个课题要求就是设计一个系统可以对电路正在运行时的参量进行测量、保存、显示,对于单片机软件的开发,可以选用C语言或者汇编语言。在这次设计中本人选择了汇编语言来进行开发,因为汇编语言具有指令简单,运行速度快,便于开发的优点,而且在学单片机编程的时候主要学的语言就是汇编语言,虽然感觉它不像高级语言那样通用性强,但是对这个系统来说并不需要考虑它的移植性,所以选用汇编语言来开发这个系统是完全可以的。这个系统的设计总的思路如下:对于电路中的电压和电流的测量,可以通过系统的前置电路把其转换成可供采样电压信号,再通过AD转换送入单片机处理,由软件读出,然后进行处理,处理后参数由液晶显示器显示出来。对相位角
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的测量,采用过零比较的方法利用单片机的定时器对电压与电流的过零点的时间差进行确定,再通过计算就可以确定电压与电流的相位差,此时定时器如果采用定时的方式就会产生很大的误差,所以在软件编程时选用定时器计数的方式而不是定时方式。而对于功率因数的测量则相对简单,由于相位角经被测量得到,=U*I*COS计算出来的。这样用这个系统就可以测量出电路在运行时候的各个参数,并可以将电路每一个时刻所对应的电压、电流、功率、功率因数四个参数当成一组数据通过液晶显示器显示出来。再通过功能键的调用可以将当前显示的数据保存到片外存储器中,也可以将当前显示的数据从片外存储器中删除,也可以显示上组数据或者下组数据。另外与传统仪表不相同的一个地方就是它可以与上位机进行通信,当上位机发送要求与仪表进行通信的请求信号后,数字功率表可以把我们保存在片外存储器的数据发送给上位机。
根据仪表的功能要求和技术经济指标,由大到小地按仪表功能层次把软件分为若干个模块,分别进行设计和调试,然后把各个模块连接起来形成整个系统,最后与系统的硬件联调。
根据数字功率表的硬件电路和上面所述的软件设计思路将软件分为监控主程序、相位角测量子程序、电压有效值测量子程序、电流有效值测量子程序、显示子程序、键盘处理子程序、通信子程序等几个模块分别进行设计与调试,最后将它们整体连接起来进行形成总的软件系统与硬件电路联调观测能否达到预先要求的功能。
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第三章系统硬件分析

单片机电路测试系统主要由一块AT89C52、一块24C16数据存储器、以及人机接口电路(主要是键盘电路)以及前向测试通道构成。它要完成的主要任务就是把系统从前向通道输入的数据进行处理之后,通过内部总线送给片外的24C16数据存储器进行储存,并要能将处理过的数据通过液晶显示器的显示电路显示出来。就像人类的大脑一样可以对数据进行输入,处理,输出,或是产生一系列控制信号。
:
AT89C52是一种低功耗、高性能的片内含有8KB快闪可编程/擦除只读存储器的8位CMOS微控制器和256bytes的随机存取数据存储器(RAM)使用高密度、非易失存储技术制造,并且与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容,片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元,功能强大的AT89C52单片机适合于许多较为复杂的控制应用场合。以下是89C52的引脚图以及它的主要性能参数:

由于我们所设计的数字功率表的系统并不是很大,所要存储的数据也并不是非常多,所以我们在选择片外数据存储器的时候我们选用了串行E
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2PPOM24C16。选用它的原因是在系统掉电后它所存储的数据并不消失,并且它与单片机相连的管脚也比较少,节约了系统的硬件资源。当然它也有一定的不足,就是在软件编程时比较麻烦。下面是对24C16的简单介绍:
24C16是一个16K位的串行E2PPOM,内部含有2048个8位字节,该器件通过I2C总线进行操作,有一个专门的写保护功能。其管脚配置如下所示:
管脚名称
功能
A0、A1、A2
器件地址选择
SDA
串行数据/地址
SCL
串行时钟
WP
写保护
Vcc
+
Vss
地

24C16的功能描述:
24C16支持I2C总线数据传送协议,I2C总线规定,任何将数据传送到总线的器件称为发送器。任何从总线接收数据的器件称为接收器。数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的。主器件和从器件都可以作为发送器或接收器,但由主器件控制传送数据(发送或接收)的模式。
由于在本次软件系统中要编制24C16的读写程序所以在此有必要介绍一下24C16的一些时序。
:
时钟线为高电平期间,数据线电平从高到低的跳变作为24C16的起始信号。:
时钟线为高电平期间,数据线电平从低到高的跳变作为24C16的停止信号。
24C16的起始/:
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24C16的寻址过程:
主器件通过发送一个起始信号启动发送过程,然后发送控制命令字,该控制字的高4位固定为1010,接下来的三位(A2、A1、A0)为器件的地址位,用来定义哪个器件以及器件的哪一个部分被主器件访问,而控制字的最低位则作为读写控制位。“1”表示对从器件进行读操作,“0”表示对从器件进行写操作。接下来主器件发送要访问的从器件的地址,在主器件发送起始信号和从器件地址字节后24C16监视总线并当其地址与发送的从地址相符时响应一个应答信号(通过SDA线)。24C16再根据读写控制位(R/W)的状态进行读或写操作。
。
图3..224C16在本系统中的接法

用单片机组成测控系统时,系统必须有被测电信号的输入通道,即前向通道,用来采集必要的输入信息。而本测试系统的前向通道构成及接口如下:
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、电流测试的前置电路
由于本系统测量电压的有效值范围是0V到600V,电流有效值的范围是0A到10A,而模数转换器采样电压仅仅为0到5V的直流电压,所以在硬件上需要设计电压和电流的前置通道完成强电到弱电的转换。即外部电压或电流先经过互感电路变换、整流电路整流、分压电路分压最后才可以被模数转换器采样。具体变换过程如下所述:
(1)电压与电流的变换电路


在硬件中电压与电流的变换过程如上面两幅图所示,由于在本次电路中选择的电压互感器为TVA1421-01型号,所按上图所示我们可以得到当电压互感器输入0~600V对应的输出电压UD为0~10V,两者之间成线性变化的。同样因为我们选用的电流互感器为TVA142-03,~10A对应的输出就为0~10V,输入和输出两者之间成线性变化。
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(2)小量程采样通道


为了提高测量的精度在硬件系统中设计两个程通道,一个是大量程通道另一个是小量程通道,当外电路电压通过互感器变换后的电压如果比较小(比如只有1V)时我们测量选用小量程通道,因为此时我们若直接选用大量程通道的话,由于转换后的电压本身就很小了,再经过整流和分压后采样电压就会非常更小了,这样采样就会形成很大的误差。而选小量程通道则不同,我们将通过互感器变换后的交流电压放大十倍再通过像大量程通道一样的电路进行重新采样测量则误差会减小很多,这样测量误差就只有原来误差的十分之一。当然当通过互感器变换后电压比较大的时比如5V,我们如果仍然用小量程的话则电压被放大十倍后再通过电阻进行分压,则输入模数转换器的电压就近似稳定在5V左右,这样采样的值也就不准确了,像在这种时候量程通道就应该选择大量程通道,这样采样处理得出的电压值才能与电路的真实值相等。
(3)大量程采样通道
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当通过互感器变换后电压比较大时候系统将选择大量程通道,该通道变换过程如下:变换后的交流电压(电流)首先经过二极管整流电路进行整流,得到0到10V范围内的直流电压,但由于A/D转换器的工作电压为0到+5V,所以要通过电阻进行分压。出于对测量设备的保护,在信号送入TLC2543之前并联一个稳压二极管对直流电压信号进行稳压,确保输出电压为+5V范围内。电压(或者电流)的量程的自动转换则通过软件来实现,关于量程转换将在第四章软件设计中具体介绍,在此就不再叙述。

,其主要由限幅电路、过零检测器和光电耦合器组成。当外电路电压(或电流)通过互感器变换后的采样电压(电流)值大于0时,则1点(14点)的电位小于零,发光二极管导通,使光电耦合器作用导致P32输出低电平。当电压(电流)的负半轴经过零点时,1点(14点)的电位大于零且近似为12V,这个时候发光二极管不导通,使得光电耦合器不作用P33输出为高电平。由于已知本系统所测量的电路频率主要为50HZ的交流电,在系统中电压接入外部中断0(单片机的P32管脚),电流接入外部中断1(单片机的P33管脚),这样根据电压和电流过零的时间差,再通过软件编程我们可以计算出电压和电流之间相差的相位角,由此可看出在这个电路中光电耦合器有两种作用:电气隔离和电平转换,从而满足了系统要求。