交流电智能测试系统的设计.docx

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交流电智能测试系统的设计

毕业设计说明书

交流电智能测试系统的设计

专业

自动化

学生姓名

班级

B自动化082

学号

指导教师

完成日期

2012年5月26日

交流电智能测试系统的设计

摘要：

传统的工频交流电测试仪为模拟指针式仪表，测量精度低、功能单一。

该设计是研究一种基于单片机的交流电智能测试仪，它能够准确地测量供电线路、发动机、电动机等的电压，电流和有功功率。

而这次设计的硬件部分主要由采样电路、A/D转换电路、主电路和LED显示电路组成。

设计中采用交流采样法对220V的交流电进行采样，交流采样法是按一定规律对信号的瞬时值进行采样，再用一定的数值算法求得被测量的值。

交流采样法主要取决于两个因素：

测量精度和测量速度。

采用交流采样法减少了非线性环节，降低了硬件成本，提高了采样精度，并可同进测量多种电力参数，所有结果可用LED显示。

而A/D转换器选择12位的AD574，其具有外接元件少，功耗低，精度高等特点。

该设计选用AT89S52系列的单片机作为主机，通过采样保持电路采集电压和电流信号，将模拟信号送到A/D转换器转换成数字信号，再将这些数字信号送入单片机，单片机进行数据处理，最后通过LED数码管显示出被测的电压，电流和有功功率值。

而模拟部分和数字部分可以使用光电隔离，用来提高仪器的抗干扰能力，同时，也使仪器接口输出部分与输入部分实现电气上的隔离。

关键词：

交流采样；智能测量；A/D转换；单片机；LED

TheDesignoftheACIntelligentTestSystem

Abstract:

TraditionalpowerfrequencyACtesterisanalogpointerinstrument,whichmeasurementaccuracyislowandfunctionissingle.Thedesignisanalternatingcurrentintelligentinstrumentbasedonsinglechip,anditcanaccuratelymeasuringpowerlines,engine,motorvoltage,currentandactivepower.Thedesignofthehardwarepartismainlycompositbythesamplingcircuit,A/Dconversioncircuit,maincircuitandtheLEDdisplaycircuit.ThedesignuseACsamplingmethodtosamplethe220VAC,andACsamplingmethodistheinstantaneousvalueofthesignalissampledaccordingtocertainrules,andthensomenumericalalgorithmstoobtainthemeasuredvalues​​.ACsamplingmethoddependsontwofactors:

themeasurementaccuracyandmeasurementspeed.Adoptingacsamplingmethodcanreducethenonlinearlink,itcanreducinghardwarecosts,andcanimprovethesamplingaccuracy,andcanenterthesamemeasuremultiplepowerparameters,allresultsaredisplayedontheLED.Chooseoneofthe12AD574asA/Dconverter,Ithastheexternallesscomponent,andlowpowerconsumption,andhighprecision.ThedesignusestheAT89S52microcontrollerseriesasthehost,throughthesampleandholdcircuittocapturethevoltageandcurrentsignals,andthentheanalogsignalsenttotheA/Dconvertertoconvertthedigitalsignal,thenthedigitalsignalintothemicrocontroller,themicrocontrollerfordataprocessing,andfinallyusetheLEDdigitaldisplayofthemeasuredvoltage,currentandactivepowervalue.Andanalogpartanddigitalpartcanusephotoelectricisolation.Itcanimprovetheanti-interferenceabilityoftheinstrument,Atthesametime,alsomakeinstrumentinterfaceoutputandinputpartoftheisolationoftherealizationelectric.

KeyWords:

ACsampling;Intelligentmeasurement;A/Dconverter;MCU;LED

交流电智能测试系统的设计

1.概述

交流电智能测试仪是一种高精度的测试仪，采用单片机控制，液晶显示，操作方便。

可用于交流电的精密测量，也可用于交流标准电流源或电流表的校准。

它测试量程和频带较宽，对于交流电流源或电流表的校准和调试非常方便，可广泛应用于生产和校准。

在微机应用初期，电力系统的参数普遍采用直流采样，直流采样是把交流电压、电流信号经过各种变送器转化为0～5V的直流电压或0～20mA直流电流，再由各种装置和仪表采集。

直流采样的好处是不经过采样装置处理的，所以采样周期和速度不受限制，无论是电流或电压采样，数据经过直流处理，其P、Q、cosΦ、kWh等数据是经过电流和电压的采样计算而得到的，一般情况电流和电压经过采样量化后，经过一定的方法计算而得的。

对采样值只需作一次比例变换即可得到被测量的数值。

如果需要提高数据的精度和速度，就需要采用直流采样。

此方法软件设计简单、计算方便，对采样值只需作一次比例变换，即可得到被测量的数值，具有采样周期短的优点。

因此，在监控系统发展初期，这一方法得到了广泛的应用。

但直流采样方法存在着以下一些不足：

（1）具有较大的时间延迟，难以及时反应被测量的突变，为了提高响应速度，变送器的时间常数必须特殊设计，因而不宜普遍使用；

（2）变送器测量谐波有误差；（3）监控系统的测量精度直接受变送器的精确度和稳定性的影响。

随着科技的发展，仪器仪表的发展更新越来越进步。

作为工业自动化技术工具的自动化仪表与控制装置，在高新技术的推动下，正跨入真正的数字化、智能化、网络化的时代。

微机技术的发展，使微机系统主频提高，指令功能变强，模数转化芯片技术的提高，成本的降低，使得交流采样的运用成为可能。

由于交流采样去掉变送器，按一定的规律对被测量的瞬时值进行采样，用一定的算法求得被测量，即用软件的功能代替硬件的功能，从而降低了系统造价。

所以，研究运用交流采样技术实现电量的数据采集具有很大的意义。

交流采样是按一定规律对信号的瞬时值进行采样，再用一定的数值算法求得被测量的值。

交流采样法主要取决于两个因素：

测量精度和测量速度。

交流采样相当于用一条阶梯曲线代替一条光滑的正弦曲线，其原理性误差主要有两项：

一项是用时间上的离散数据近似代替时间上的连续数据所产生的误差，这主要取决于A/D的转换速度和CPU的处理速度；另一项是将连续的电压和电流进行量化而产生的量化误差，这主要取决于A/D转换器的位数。

随着电子技术的飞速发展，如今的微机、单片机的处理速率大大提高，同时也出现了种类繁多而且性能价格比很好的A/D转换器，如AD574、MAC197等，为交流采样奠定了坚实的基础。

与直流采样相比，交流采样法具有实时性好，相位失真小，便于维护的优点。

其原有的一些缺点，比如算法复杂、精度难以提高、对A/D转换速度要求较高等等，随着微机技术的发展，也逐步得到了弥补。

从通信电源监控系统的发展趋势来看，交流采样法正在逐步代替直流采样。

该设计可以采用交流采样的方法，通过单片机来实现对交流电的电压、电流和功率因素等电参数的智能测量，减少了非线性环节，降低了硬件成本，提高了采样精度，并可同时测量多种电力参数，测量的参数可直接在LED上显示，也可安装相应软件，在计算机上显示。

而且具有使用方便、可靠，测试范围广的特点，可用于微电机行业，节能灯行业、空调行业、变压器行业等，为生产线测试提供了保障，提高了交流电检测的自动化和智能化水平。

另外，由于可以与计算机通讯，可以很容易加入计算机的统一生产管理中，具有很好的应用前景。

2.总体设计方案

2.1方案选择与设计思路

根据采样信号的不同，可以分为直流采样和交流采样两大类。

直流采样是把交流电压、电流信号转化为0～5V的直流电压，这种方法的主要优点是算法简单，便于滤波，但是由于其投资较大，维护复杂，无法对信号进行实时采集，因而在电力系统中的应用受到了限制。

交流采样是把交流量转化为±5V（或0～5V）的交流电压进行采集，交流采样实时性好、相位失真小、便于维护，随着计算机和集成电路技术的发展，交流采样原有的困难如算法复杂、提高精度难、对A/D的速度要求高等已逐步得到克服。

交流采样法具有响应速度快、投资省、工作可靠和维护简单等优点。

交流采样方法主要有同步采样、准同步采样和异步采样。

同步采样的具体作法是将信号的一个整周期（或多个周期）进行均匀离散,在每一离散点处取其瞬时值。

如被测信号频率有偏移,常利用锁相环电路或过零检测环节以保证采样同步。

同步采样对采样速率N及采样周期的选择既要满足采样定理的要求，又要满足实时处理的要求。

同步采样中由于N次均匀采样间隔h之和很难与一个周期T或m个周期mT严格相等，它们之间的差异d＝hN－mT，称作同步误差。

在实际测量中，很小的同步误差也会产生较大的测量误差。

为了减小同步误差对采样的限制，准同步采样的方法便应运而生。

准同步采样是在多个周期内均匀采样，然后根据特定的数值求积公式进行递推运算，它是以较多的数据及较长的运算时间作为代价来减小同步误差对测量的影响，而且在采样期间要求信号波形必须稳定。

同步、准同步采样适用于已知信号在某种频率范围内变动的情况，若要对频率范围很宽的信号采样，则宜采用异步采样的方法。

异步采样采取等间隔采样方式，在较多周期上利用高采样率获取大量数据，对其求平均值，这样即使存在同步误差，其影响也将大为缩小。

所以设计中采用交流采样法对220V的电压进行采样。

该设计只要包括主控电路、电流测量电路、电压测量电路、A/D转换电路和LED显示电路等几个模块。

2.2工作原理及框图

根据任务与要求该设计选用AT89S52系列的单片机作为主机，通过采样保持电路采集电压信号、电流信号和频率信号，经过放大后将采集到的模拟信号送到A/D转换器经过A/D转换电路将模拟信号转换成数字信号，再将这些数字信号送入AT89S52单片机，单片机进行数据处理，最后通过LED数码管显示出被测的电压，电流和有功功率值。

原理框图如图2-1。

图2-1原理框图

3.交流采样法的测量原理

交流采样是将二次测得的电压、电流经高精度的PT、CT隔离变成计算机可测量的交流小信号，然后再送入计算机进行处理。

直接计算U、I、P，由于这种方法能够对被测量的瞬时值进行采样，因而实时性好，效率高，相位失真小，适用于多参数测量。

交流采样法是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，再用一定的数值算法求得被测量，它与直流采样的差别是用软件功能代替硬件功能。

是否采用交流采样法取决于两个条件：

测量准确度和测量速度。

交流采样相当于用一条阶梯曲线代替一条光滑的正弦曲线，其原理误差主要有两项：

一项是用时间上离散的数据近似代替时间上连续的数据所产生的误差，这主要是由每个正弦信号周期中的采样点数决定的，实际上它取决于A/D转换器转换速度和CPU的处理时间；另一项是将连续的电压和电流进行量化而产生的量子化误差，这主要取决于A/D转换器的位数。

随着电子技术的飞速发展，如今的微型机、单片机处理速度大大提高，同时也出现了种类繁多而且性能价格比较好的高速A/D转换器，为交流采样法奠定了坚实的基础。

算法是采样的核心问题之一，而衡量一个算法的优劣的标准主要是精度和速度。

对于通信电源监控系统来说，需要监测的量较多，对算法的准确程度要求较高，对于速度一般只要求跟上系统的采样速度即可。

因此，系统中的交流采样算法有着其特殊性，下面对系统中常用的交流采样算法加以探讨。

该设计中采用的算法是积分法，积分法就是从连续周期信号有效值定义式及平均功率定义式出发，用数值积分近似代替连续积分项进行计算的一种方法。

若将电压有效值公式（2-1）

离散化，以一个周期内有限个采样电数字量来代替一个周期内的连续变化的电压函数值，则

（2-2）

式（2-2）中：

△Tn——相邻两次采样的时间间隔。

Un——第n-1个时间间隔的电压采样瞬时值。

N——一个周期内的采样点数。

一般认为相邻两次时间相等，即△Tn为常数△T，考虑到

（2-3）

这就是根据一个周期内各采样瞬时值及采样点数来计算电压信号有效值的公式。

同理，电流有效值计算公式为：

（2-4）

计算一相有功功率的离散化公式为：

（2-5）

同理，三相有功功率为：

（2-6）

视在功率：

（2-7）

式（2-5）中

——为同一时刻的电流，电压采样值。

功率因素为：

（2-8）

显然，A/D转换精度、分辨率及速度越高，对信号的采样频率和精度就越高，则由离散公式求得的电力参数精度就越高。

由AT89S52控制的AD574完全能满足实用要求。

4.硬件设计

4.1单片机的介绍

单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。

由于单片机在工业控制领域的广泛应用，为使更多的业内人士、学生、爱好者，产品开发人员掌握单片机这门技术，于是产生单片机开发板，比较有名的例如电子人DZR-01A单片机开发板。

单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。

单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。

相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。

概括的讲：

一块芯片就成了一台计算机。

它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。

同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

单片机的出现及发展使计算机技术从通用型数值计算领域进入到智能化的控制领域。

从此，计算机技术在两个重要领域——通用计算机领域和嵌入式计算机领域都得到了极其重要的发展,并正在深深地改变着我们的社会。

单片机应用系统的设计包括单片机基本扩展、外围电路设计和程序设计、单片机应用系统开发环境、系统可靠性设计、电磁兼容性设计等内容。

通常开发一个单片机系统的步骤如图4-1。

图4-1单片机系统开发步骤

AT89S52单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

所以该设计选用AT89S52系列的单片机作为主机，单片机引脚图如图4-2。

图4-2AT89S52单片机

AT89S52单片机的功能

a．拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash

b．晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至12MHz）

c．内部程序存储器（ROM）为8KB

d．内部数据存储器（RAM）为256字节

e．32个可编程I/O口线

f．8个中断向量源

g．三个16位定时器/计数器

h．三级加密程序存储器

i．全双工UART串行通道

单片机部分管脚说明

a．VCC：

供电电压。

  b．GND：

接地。

  c．P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

  d．P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

  e．P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

  f．P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故

g．RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

h．ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

i．/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

j．/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

k．XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

l．XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

4.2复位电路的设计

如图4-3所示，单片机的RET引脚为主机提供一个外部复位信号输入端口。

复位信号是高电平有效，高电平有效的持续时间应为2个机器周期以上。

复位以后，单片机内各部件恢复到初始状态，单片机从ROM的0000H开始执行程序。

单片机的复位方式有上电自动复位和手工复位两种。

图4-3是单片机常用的上电复位和手动复位的组合电路，只要VCC上升时间不超过1ms，它们都能很好地工作。

图4-3复位电路

4.3振荡电路的设计

振荡器的特性：

 XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

如图4-4所示，单片机工作的时间基准是由时钟电路提供的。

在单片机的XTAL1和XTAL2两个引脚间，接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路，如图所示。

电路中的器件选择可以通过计算和实验确定，也可以参考一些典型电路的参数。

电路中电容器C1和C2对振荡器频率有微调作用，通常的取值范围30±10pF，石英晶体选择6MHZ或12MHZ都可以。

其结果只是机器周期时间不同，影响计数器的计数初值。

图4-4振荡电路

4.4采样保持电路

采样保持电路（sampleholddevices）简称S/H；它用在模拟/数字（A/D）转换系统中的一种电路，作用是采集模拟输入电压在某一时刻的瞬时值，并在数模转换器进行转换期间保持输出电压不变，以供模数转换。

电压信号采集电路如图4-5，采用互感器对220V交流电隔离降压，经差模放大后输入单片机。

采用VREF/2为参考电压基准，将交流电压信号的零点提升到VREF/2,使采样到的正弦信号介于0和VREF之间，单片机能够识别。

而电压信号放大采用差模放大，满足速度和精度要求。

电流信号采集电路如图4-6，采用5:

1000的交流互感器，电流信号接入互感器的输入端，输出端并联一只采样电阻，将电流信号转换为电压信号，测试原理与电压相同。

图4-5电压信号采集电路

图4-6电流信号采集电路

在测量功率时，必须同时对电压和电流信号进行采样，考虑电源频率一般不高（50Hz），根据实际情况，该设计采用单片机对电压，电流信号进行交替采样，且电流信号要经过I/U变换，转换成小于±5V的电压信号后，再送到输入端。

这样不仅可以简化硬件电路，而且减小了由于两路数据采集和处理电路不对称所带来的误差和校准困难。

4.5A/D转换原理及硬件设计

随着数字电子技术的迅速发展，各种数字设备，特别是数字电子计算机的应用日益广泛，几乎渗透到国民经济的所有领域之中。

数字计算机只能够对数字信号进行处理，处理的结果还是数字量，它在用于生产过程自动控制的时候，所要处理的变量往往是连续变化的物理量，如温度、压力、速度等都是模拟量，这些非电子信号的模拟量先要经过传感器变成电压或者电流信号，然后再转换成数字量，才能够送往计算机进行处理。

模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元