数字功率表设计.docx
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数字功率表设计
摘要
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。
在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用。
本论文详细的阐述了功率测量系统的设计思路和具体设计步骤。
依据单片机的接口技术的原理，以测量功率为主要设计意图。
以单片机为核心，着重的介绍了51单片机在系统中的重要地位，以与其外围硬件电路的芯片结构特点、功能和管脚知识。
集测量、显示等功能于一体，设计完整、结构清晰、操作简单。
在本设计中，是采用对电路中电压和电流分别进行采样，再经模数转换器ADC0809，将模拟量变为对应的数字量，利用6合一的数码管显示电压和功率。
本文详细论述了硬件电路的组成。
利用单片机完成整个测量电路的测试控制、数据处理和显示输出。
关键词单片机模数转换功率表采样
正文
1引言
近年来，随着电子技术、计算机技术和半导体技术的飞度发展，给电力系统测量也带来了巨大的革命。
提高电能测量技术-改机械式功率表为智能型数字功率表已成为时代的要求。
电力测量系统的智能型数字表通常是以单片机为核心，配置一定的外围电路和软件，能够实现多种功能。
在软件和硬件的设计中，系统的抗干扰性和系统的实时性与准确度成了解决数字表的关键所在。
单片机具有成本低、可靠性高、应用灵活的特点。
由各具体行业的业内人士使用单片机来开发或改造一般仪表是一条可行的道路。
在电工与电子技术应用中,经常要测量功率。
它是利用通有电流的可动线圈在另一个通电线圈形成的磁场中产生转动力矩而工作的仪表,其显著缺点是结构复杂、过载能力较差，本身消耗功率较大,且易受外磁场的影响，同时这样的功率表一般都是多量程的，在测量过程中需有电压表和电流表配合选定电压和电流量程，在选择不同的电压和电流量程时，刻度盘上每一分格代表不同的瓦特数，读得格数需要进行换算才能得出所要测量的功率,致使测量很不方便。
另外在功率测量中，经常遇到被测电路的功率因数很低的情况,这时必须采用专门的低功率因数功率表。
基于功率表是电工仪表中最常用的一种仪表，目前常用的是指针式电动系功率表。
而为了更为精确的显示测量结果，数字功率表的设计成为了必然。
在本设计方案中，采用的方案是先采样电压和电流。
采样计算功率电能测量技术是随着计算机技术而发展起来的，它是建立在数值分析基础上，通过快速S/H放大器和A/D转换器对连续变化的模拟信号进行离散化，用数字量运算代替模拟量运算测量交流电参量的新方法。
经过二十多年的探索发展和深入研究，出现了同步采样算法、准同步采样算法、非同步采样算法、加窗函数法、补偿法、双速率采样法、非均匀采样法、随机采样法、模拟数字混合采样法、小波函数法等等。
这些采样测量方法在实践中，有的发展得较为完善成熟，有的正处在发展和探索阶段。
但是，采样测量理论在电功率电能测量仪器仪表与相关设备的发展与应用中，已起到举足轻重的作用，是电气测量当前发展的一个重要方向。
采样测量法的研究历史和发展现状采样测量法，也称作数字采样测（DigitalSamplingMeasurement）英文简称DSM法，它是七十年代初诞生的。
1974年，当时美国NBS（国家标准局）的R.S.Turgel博士首次将计算机数字采样技术应用于电功率测量，应用数值积分的方法计算测量功率。
R.S.Turgel根据此原理研制了第一台DSM数字功率表。
由于R.S.Turgel采样方法采用了锁相倍频跟踪信号技术，能对被测信号在一个周期内进行整数分割采样，使采样周期与信号周期完全同步，所以，R.S.Turgel使用的锁相信号倍频采样方法被称作同步采样法SSM（SynchronusSamplingMeasurement）。
功率表在频率从DC到1KHz的范围内与NBS的电动式功率标准进行了对比，结果两种测量方法的不一致性小于0.02%。
1975年，英国NPL（国家物理实验室）应用DDM技术设计了采样式数字功率表，并作为传递功率的标准。
在SSM方法的发展中，英国Hull大学的JohnJ.Hill与NEI电力公司的W.E.Alderson提出了软件锁相倍频的SSM方法，并研制了频率范围到1KHz、准确0.5%的功率表，两位学者指出SSM方法在电力系统监控与电机保护等领域中，将有相当大的实际意义。
在英国DSM功率测量技术与仪表的发展中，C.H.DIX起了重要作用，C.H.DIX于1982年发表论文，首次阐明SSM功率测量方法在正弦信号和非正弦信号情况下的误差问题，并指出，在正弦周期信号下，采样点为n，在被测信号m个周期采样，只要2m/n不为整数，则功率测量误差为零。
尽管当时对DSM误差的研究是简单的，但这标志着对DSM功率测量方法研究向前一个跨越式发展。
八十年代是DSM功率测量方法发展最快的时期。
1982年，美国通用电机研究室（GeneralMotorsResearchLaboratories）的DSM采用M.F.Matouka方法设计了数字功率电能表，并且用于电气汽车驱动系统的测试和交流电机的测试中，取得了成功。
近二十多年来,电能的测量和管理发展很快,逐渐成为一个专门的领域,但是由于电能测量较电压、电流等的测量复杂和困难,故测量的准确度低,通常的测量仪器为210级,015级就已是标准仪器了。
实现功率测量必须有一个能将两输入电量相乘的电路结构,目前数字功率表大多使用称为时间分隔乘法器的一种模拟乘法电路来实现相乘。
时间分隔乘法器又称脉冲—宽度—高度调制乘法器,它通常具有优良的静态精度,在相当宽的温度范围内可以达到千分之一,然而,由于这种乘法器输出滤波器的固有相移,使之受到严重的动态限制.即使三角波的频率达到兆赫兹范围,乘法器的带宽仍然很有限,典型-3dB带宽可能在1KHz以下。
另外,时间分隔乘法器的电路比较复杂,调整也较繁琐,尽管如此,在静态精度要求较高的场合,这种方法还是经常采用的。
随着微机的普与和发展,出现了应用微处理器进行数字乘法运算的新型功率表———采样功率表。
1.1功率表的定义
功率的定义是在单位时间内所做的功。
电学上的定义为
。
单位为W，这称为平均功率或有效功率。
角度
为I和E之间的相位角，
称为功率因素。
在直流电路中，功率的表示式为P=UI；
在交流电路中，功率的表示式为
。
很显然，要利用一个装置来测量功率，就须反映电压和电流的乘积，这无论用电动学测量机械仪表或数字测量仪表均可完成。
目前使用最多的前者由于其准确度不高，仪表的读数易受外磁场的影响、仪表本身耗功大、过载能力小、表盘刻度不均匀，已不能完全适应人们快速有效的工作生活节奏；随着科技业飞速发展，数字功率表由于精度高、频带宽，不仅可以用于校准指针式功率表，也适合在现场进行功率的快速测量。
在今天的数字时代，其应用前景是非常广阔的。
1.2功率的数字测量
用功率转换器与数字电压表相配就可以实现功率的数字测量。
功率转换器实质上就是一个电子乘法器，其特点是它的输出电压的大小正比于它的两个输入电压数值的积。
因此，如果让一个输入电压正比于负载电压的大小，而另一个输入电压正比于负载电流的大小，则电子乘法器的输出电压，显然正比于负载所消耗的功率。
再用数字电压表测量这个乘法器的输出电压就可以确定被测功率。
当数字电压表显示值按功率接校准时，也就构成了数字功率表。
1.3功率测量方案论证与比较
方案一、测量模拟电压用伏频（V/F）转换器，可将相应的电压转化为相应的频率，提高测量的精确度，对应比例为1mV/Hz。
用该方案求功率，也是要分时取电压电流的模拟量，再转换为频率，最后用软件处理，实现功率测量。
专用的V/F转换器有AD650、AD654等。
方案二、利用采样电路分别对电压和电流进行采样，将电流转换成电压，再经乘法电路将两路电压相乘，再经模数转换器，模拟量变为对应的数字量，若要使测量的精度尽量高，可多次采样几组数据，然后再在程序中处理，求出平均值。
原理框图如图1所示：
方案三、可利用专门的IC来实现，如AD534芯片，该芯片既可采样电压，又可采样电流，并将相应的模拟电压，电流转换为对应的数字量，再将转换后的电压，电流相乘，便可得到所求功率。
功能描述：
输入电由三个相同的电压转换电流的转换器转换为不同的电流，功能框图如图2所示：
图2功能框图
转换功能框图如图3：
图3转换功能框图
方案四、采用锁相环技术测量功率。
锁相就是相位同步的自动控制，完成两个电信号相位同步自动控制系统称为锁相环（简称PLL）。
因测量功率的两个参数电流、电压的获取不是同时采样的，故需要利用锁相环技术测量功率。
由下图可见，锁相环由3个基本单元构成：
相位比较器PC、电压控制震荡器VCO、低通滤波器LPF。
施加于相位比较器有两个信号：
输入信号，压控震荡器输出信号，相位比较器输出信号，经低通滤波器后得到一个平均电压，这个电压控制震荡器的频率变化，使输入与输出信号的频率之差减小，直到差值为零，此时即是锁定。
当锁定后，VCO能使其输出信号的频率跟随输入信号频率变化。
利用锁相技术可以实现在电网电压与电流波形发生畸变时进行同步跟踪采样。
每个周波的采样点数可根据需要选择。
图4转换功能框图
方案五、利用采样电路分别对电压和电流进行采样，再经模数转换器，模拟量变为对应的数字量，再经处理器处理数字量，若要使测量的精度尽量高，可多次采样几组数据，然后再在程序中处理，求出平均值。
原理框图如图1所示：
图5转换功能框图
2采样功率表的基本原理
功率若以U（t）和I（t）分别表示信号的电压和电流,则在测量时间T期间内（T通常为周期信号周期的整数倍）信号的平均为:
（2-1）
若对信号进行采样,得到离散的时间序列U（k）和I（k）,则信号的平均功率可以表示为:
（2-2）
其中N为时间T内采样的对数。
从上述原理出发,组成采样功率表的框图如图5所示:
图5功率表的原理框图
显然,数字乘法和数字累加可以由微处理机来完成,若使用普通的微处理机芯片如Z80、8031等组成功率表,外围电路至少要二路高速A/D转换器和二路周期测量机构,电路是比较复杂的。
随着集成电路的发展,目前出现了一些高性能的微处理芯片,如计算功能较强的16位嵌入式控制器8097,它有八路转换时间为22μs的10bitA/D转换器,可以实现对电压和电流信号的采样保持和A/D变换;四路高速输入（HSI）通道可以用来测量电压和电流信号的周期和相位等。
若8097实现采样功率表,则模拟电路部分只需要用于电压匹配的放大器和用于频率和相位测量的整形电路就可以了,实现起来非常简单。
3主要芯片的介绍
3.1A/D转换芯片ADC0809的结构
ADC0809是8位A/D转换芯片，它是采用逐次逼近的方法完成A/D转换的，ADC0809的内部结构如图6所示。
ADC0809由单一的+5V电源供电；片内带有锁存功能的8路模拟开关，可对8路0-5V的输入模拟电压信号分时进行转换，完成一次转换约为100us；片内具有多路开关的地址译码器和锁存电路、高阻抗斩波器、稳定的比较器，256R电阻T型网络和树状电子开关以与逐次逼近寄存器。
输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接接到单片机数据总线上；通过适当的外接、电路，ADC0809可对0-5V的双极性模拟信号进行转换。
图6ADC0809的引脚图
ADC0809是28脚双直插式封装，引脚图如图6所示。
各引脚功能如下：
D7-D0：
8位数字量输出脚。
IN0-IN7：
8路模拟量输入引脚。
VCC：
+5V工作电压。
GND：
地。
REF（+）：
参考电压正端。
REF（-）：
参考电压负端。
START：
A/D转换启动信号输入端。
ALE：
地址锁存信号输入端（以上START、ALE两信号用于A/D转换）。
EOC：
转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。
OE：
输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。
CLK：
时钟信号输入端。
A、B、C：
地址输入线，经译码后可选通IN0-IN7八通道中的一个通道进行转换。
3.2A/D转换芯片ADC0809的转换通道选通表
表1ADC0809的转换通道选通表
C
B
A
选择的通道
0
0
0
IN0
0
0
1
IN1
0
1
0
IN2
0
1
1
IN3
1
0
0
IN4
1
0
1
IN5
1
1
0
IN6
1
1
1
IN7
3.3A/D转换芯片ADC0809的时序图
图7ADC0809的时序图
4硬件电路
4.1组成原理电路的主要器件
电路由一块AT89C51单片机集成芯片、一块模数转换器ADC0809芯片、一块运放集成芯片LM324、一个74系列芯片74LS138译码器、一块或非门集成芯片74LS02、一块非门集成芯片4069、一个6合一共阴极数码管，一精密可调电阻等器件组成。
4.2电压、电流采集电路模块
电压、电流采集电路模块，该电路的测量电压是由可调电阻的滑动端直接输入到ADC0809的0输入通道IN0口。
电流的测量：
是在测量电路中串接一个1欧姆的电阻，然后再把电阻的高电位端接到运放的输入端，以将电压放大，再送入ADC0809的1输入通道IN1口；
图8电阻网络实现对电压的衰减测量
如图8通过电阻网络实现电压衰减测量的输入阻抗约为R=R1+R2+R3+R4。
S1至S4单独合上时，Vout的大小分别为：
S1单独合上：
Vout=Vin*1
S2单独合上：
Vout=Vin*（R2+R3+R4）/（R1+R2+R3+R4）
S3单独合上：
Vout=Vin*（R3+R4）/（R1+R2+R3+R4）
S4单独合上：
Vout=Vin*（R4）/（R1+R2+R3+R4）
选择R1>R2>R3>R4，由式中可以看出Vout在一定范围时，电阻网络衰减程度越大，其可输入电压Vin范围越大。
只要把R1、R2、R3、R4的参数选好，然后由S1、S2、S3、S4、选择测量电压输出端，即完成量程选择。
例如：
表头DVM输入电压为0～5伏（设DVM输入阻抗无穷大），要求测量电压量程有5V，50V，100V，250V档，输入电阻1M欧，则有：
R4=5×1000000／250=20000=20K
R3=5×1000000／100-R4=50K-20K=30K
R2=5×1000000／50-R4-R3=100K-20K-30K=50K
R1=1000000-R4-R3-R2=1000K-20K-30K-50K=900K
在对电流的检测方面，由于电流量本来比较小，所以测量到的1欧姆的电阻上电压量也比较小，直接进行A/D转换会造成比较大的误差，需要对测量到的电压量进行放大之后再送到A/D转换的ADC0809芯片处理，本设计中使用的的是LM324运算放大器组成反相交流放大器。
LM324四运算集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。
可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V或+16V。
两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
LM324的引脚排列顺序见图9。
a一组运算放大器图bLM324芯片引脚图
图9LM324管脚图
LM324的特点有：
1.短跑保护输出
2.真差动输入级
3.可单电源工作：
3V-32V
4.低偏置电流：
最大100nA（LM324A）
5.每封装含四个运算放大器。
6.具有内部补偿的功能。
7.共模范围扩展到负电源
8.行业标准的引脚排列
9.输入端具有静电保护功能
反相交流放大器可代替晶体管进行交流放大，电路无需调试。
放大器采用单电源供电，由R1、R2组成1/2V+偏置，C1是消振电容。
放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻Ri、Rf决定：
Av=-Rf/Ri。
负号表示输出信号与输入信号相位相反。
按图中所给数值，Av=-10。
此电路输入电阻为Ri。
一般情况下先取Ri与信号源内阻相等，然后根据要求的放大倍数在选定Rf。
Co和Ci为耦合电容。
由LM324组成的基本的反相交流放大电路如图10所示
图10LM324作反相放大器
4.3模数转换电路模块
采集到的电压信号送到ADC0809芯片的IN-0口，处理后的电流信号送到IN-1口，由MCUAT89C51送选通信号进行A/D转换后把转换后的数字量再送到主芯片中去进行处理，得到功率值，最后把需要的数字量用数码管显示出来，如图11。
图11ADC0809A/D转换芯片
4.4单片机处理电路和数码管显示电路
由于需要由数码管显示的数据很多，如果用AT89C51的输出端口对数码管一个一个进行控制静态显示的话，芯片的端口明显不够，所以使用LED动态扫描显示以节约单片机的输出端口并且使电路更简洁。
本设计中选用的是单片机的P0口作数码管的显示输出，P2口作为对数码管的选通如图13。
如图12所示为八段LED显示器的结构示意图，从图中可以看出，一个八段LED由8个发光二极管组成。
其中7个长条形的发光管排列成“日”字形，另一个小圆点形的发光管在显示器的右下角作为显示小数点用。
图12数码管各段名称
数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。
通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。
在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象与发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。
图13AT89C51与数码干显示电路
5所需工具软件
5.1KeilC51开发系统基本知识
KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。
用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。
KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。
另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。
在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
L51是KeilC51软件包提供的连接/定位器，其功能是将编译生成的OBJ文件与库文件连接定位生成绝对目标文件（.ABS），源程序的多个模块分别经C51与A51编译后生成多个OBJ文件，连接时，这些文件全列于目标文件列表中，作为输入文件，如果还需与库文件（.LiB）相连接，则库文件也必须列在其后。
outputfile为输文件名，缺少时为第一模块名，后缀为.ABS。
连接控制指令提供了连接定位时的所有控制功能。
Commandfile为连接控制文件，其具体内容是包括了目标文件列表，库文件列表与输出文件、连接控制命令，以取代第一种繁琐的格式，由于目标模块库文件大多不止1个，因而第2种方法较多见，这个文件名字也可由使用者随意指定。
图14为C51工具包的整体结构，uVision2是keilc的Windows集成开发环境（IDE），可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。
开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件；然后分别由C51或A51编译器编译生成目标文件（.OBJ）；目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件（.ABS）；ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。
[21]
图14C51工具包整体结构图
5.2仿真软件proteus软件介绍
Proteus软件是来自英国Labcenterelectronics公司的EDA工具软件。
Proteus软件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了其具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线与电路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的电路仿真是互动的，针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试，如有显示与输出，还能看到运行后输入输出的效果，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等，您不需要别的，Proteus为您建立了完备的电子设计开发环境！
尤其重要的是ProteusLiteProteus专业版也非常便宜，人人用得起，对高校还有更多优惠。
Proteus组合了高级原理布图、混合模式SPICE仿真,PCB设计以与自动布线来实现一个完整的电子设计系统。
此系统受益于15年来的持续开发,被《电子世界》在其对PCB设计系统的比较文章中评为最好产品—“TheRoutetoPCBCAD”。
Proteus产品系列也包含了我们革命性的VSM技术,用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真。
用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。
可以完全免费，也可以花微不足道的费用注册达到更好的效果；功能最强的。
6程序流程图
图15整个程序流程图
7 软件设计
7.1 主程序
主程序主要完成系统硬件电路的初始化,设置堆栈指针,定时器工作方式0,外部中断方式0,电压、电流值的获取,功率值实现处理子程序。
7.2 中断处理子程序
中断处理子程序有外部中断INT0处理子程序和定时器T0处理子程序。
外部中断INT0处理子程序用于检测A/D转换是否结束,定时器T0处理子程序是产生时间溢出中断。
7.3开机初始化
本模块对有关的硬件进行初始化,如显示器的设置,AT89S51内部各个功能部件的设置,同时还应对程序变量进行设置.
7.4时分采样
先测量电压值，然后再测出电流值，为了使测量值精度高,采用每10M秒测量一次,测量速度受微处理芯片限制。
测量定时器采用芯片内部软件定时器,软件定时器每10ms中断一次,系统时钟也由它产生,它还可以做定时器T0溢出标志清除使用。
7.5测量U（k）和I（k）
本模块由信号的周期和A/D的转换时间计算出在信号的一个周期内A/D采样对数（N）,然后对输入信号进行采样,边采样边计算。
值得注意的是:
8097的A/D转换时间要大于22μs。
由于ADC0809八路A/D转换器不能同时采样,因此采样后的电压序列和电流序列有一个微小的相位差,然后当信号频率小于100Hz时且测量精度为015级时,它不会造成很大影响。
[20]
7.6
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