数字式工频有效值多用表设计Word下载.docx
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该学位论文是本人指导学生完成的研究成果,已经审阅过论文的全部内容,并能够保证题目、关键词、摘要部分中英文内容的一致性和准确性。
学位论文指导教师签名:
年月日
数字工频有效值多用表设计
徐树敏
RMSdigitalmultimeterdesignedfrequency
Xushumin
XXXX年6月8日
摘要
此次数字式工频有效值多用表的设计,可以实现在数码管上显示交流电压、交流电流有效值,有功功率,无功功率和功率因数等功能。
这次设计基于单片机强大的运算、处理、控制能力和丰富的指令系统,根据离散傅里叶的知识,运用数字采样测量的方法对交流信号的参数进行分析、计算,数据计算全程由软件程序编写,以实现交流电压有效值、交流电流有效值、有功功率、无功功率和功率因数的测量。
本次硬件电路设计主要分为数据采集模块、数据处理模块和显示模块3个模块进行设计。
数据采集模块利用电位器X9241和双极性运算放大器OP07构成程控放大电路,由单片机控制不同的增益,实现对大小信号量程的自动转换,并且经由采样保持器LF398实现交流电压、交流电流信号同时采样;
采样控制信号由集成锁相环CD4046实现被测信号64倍频的产生,并且经由A/D转换器AD574A实现数据采样;
数据处理模块以单片机AT89C52为核心,实现对采集信号进行数据计算;
显示模块由并行扩展口8255,键盘和数码管实现。
关键字:
AT89C52;
工频有效值;
数据采集;
AD574A
ABSTRACT
ThedesignofthedigitalpowerfrequencyRMSmultimetercanachievethesamepowerfrequencyacvoltageRMS,currentRMS,activepower,reactivepowerandpowerfactormeasurement.Thisdesignisbasedonsinglechipmicrocomputerpowerfulcalculation,processing,controlabilityandrichinstructionsystem,accordingtotheknowledgeofthediscreteFourier,usingdigitalsamplingmeasurementmethodtoanalyzetheparametersoftheacsignal,computing,andthroughsoftwareprogramming,implementeffectivevalue,powerandpowerfactormeasurement.Thedesignofhardwarecircuitdesignmainpointsaccordingtotheacquisitionmodule,dataprocessingmoduleanddisplaymoduledesignthreemodules.DataacquisitionmoduleusingpotentiometerX9241andbipolaroperationalamplifierOP07implementationofdatasignalamplifier,andthroughthesamplingkeepLF398torealizeacvoltage,currentsignalsynchronization;
DataprocessingwithsinglechipmicrocomputerAT89C52asthecore,byintegratedphase-lockedloopCD4046to64timesthemeasuredsignalfrequency,throughtheADconverterAD574Atoamplifythesignalconversion,thenconvertsignalinputmicrocontrollertorealizethecollectionofsignalcontrolandstrictcalculation;
DisplaymoduleconsistsofliquidcrystaldisplaydriverHEF4043anddigitaltube.
Keywords:
AT89C52;
RMSpowerfrequency;
Dataacquisition;
绪论1
第1章系统总体方案设计3
1.1课题设计要求3
1.2总体方案比较与设计3
第2章硬件电路设计6
2.1数据采集电路设计6
2.1.1程控放大电路设计6
2.1.2保持电路的设计9
2.1.3信号频率倍频电路的设计10
2.1.4A/D采样电路的设计13
2.2数据处理电路设计17
2.3显示电路的设计18
第3章软件程序设计21
3.1数字式工频有效值多用表软件设计主程序流程图21
3.2交流信号采集程序设计21
3.3数据处理程序设计22
3.4键盘显示程序设计25
第4章调试26
第5章结论28
致谢29
参考文献30
附录一31
附录二32
绪论
一、课题背景
19世纪20年代,检流计,惠思登电桥等电工指示仪表先后出现,随着信息技术的高速发展,第一台集成电路的数字电压在70年代研制成功。
在20世纪中期以后,仪器仪表及测量控制技术应用越来越广泛,伴随着自动控制理论的产生及自动控制技术的成熟,以数/模转换环节为基础的数字式仪器有了快速的发展。
数字式仪表是指测量结果用数字形式显示的仪表,其特点是运用数字测量技术的方法,以数码的形式直接显示出被测量的大小。
数字式仪器可以分为机电式与电子式两类。
机电式有千瓦时计(火表)等,电子式有数字式电压表、数字式多用表、数字式频率计等。
和模拟式仪表相比,数字式仪表不仅具有测量速度快、精度高、读数方便且无读数误差的优点,而且有的还具有量程自动切换、编码输出、与计算机联结等功能。
工频一般是指市电的频率,各国家间不一样,在我国是50Hz。
我国电力工业部发布施行的《供电营业规则》中规定:
电力系统正常情况下,若电网装机容量超过300万,误差为±
0.2%HZ;
若电网装机容量小于300万,误差为±
0.5%HZ。
若电力系统处于非正常,供电频率允许误差不会超过±
1.0%HZ。
不同的频率对供电的影响也不一样,一般情况一个国家的电网频率是固定的,只有按照这个频率制作的设备,才能在这个国家和地区正常使用。
具体频率设定的多少,各个国家可以按照国际习惯定义,也可以自己定义,如我国民用电压,国内用的220v,国际上不少国家用的110v。
二、前景现状
我国从1953年起实行了第一个五年计划,其中重点发展对象就有仪器仪表。
在十一五到十二五期间,我国的仪器仪表迎来迅速发展,不仅呈现出新的趋势,而且取得了很多良好的成果。
随着我国成功加入WTO,我国仪器仪表行业在出口数量上有了急剧增加,并且在2003年我国成为了亚洲第二大仪器仪表生产国家。
进入十二五新时期,我国仪器仪表产业面临着许多机遇,比如风力发电、核能发电等新能源的发展及智能电网和高铁的建设,都让数字式仪器仪表有了更广阔的市场需求。
目前我国年数字万用表生产巨大,尤其中低档数字万用表,世界总产量的80%由我国生产。
数字式仪表不仅满足对电参量的测量,还可以实现对电参量的分析、控制与保护,甚至带有模拟量输出及标准通信接口。
随着对电气参数测量需求量增多,这类仪表不仅应用于监控仪表、保护仪表,而且广泛应用于建筑楼宇的能源管理系统及电气火灾监控装置。
3、研究内容及设计方法
本课题研究的内容可以分为以下几个方面:
1)阐述数字式仪表的背景和未来发展前景;
2)数字式工频有效值多用表设计采取先整体分解为各个子模块,进而对各个模块进行电路设计或程序编写,以实现各个模块的功能,最终达到实现课题设计总体功能要求的目的;
3)硬件电路设计中,采取比较法,详细对各个设计模块进行方案比较,分析优缺点,在比较的基础上确定设计方案并在proteus软件画出电路图。
在信号频率倍频电路设计中采用等相位间隔的方法在一个周期内对信号等相位采样64次,等相位间隔法具有根据采样信号频率变化时,采样间隔对应变化的优点,有效地避免了信号突然增大或减小时引起采样点增加或减少的发生,提高了测量精度;
4)软件程序设计中,运用离散傅里叶的知识,对电压电流有效值、有功功率、无功率和功率因数进行计算并通过软件程序编写。
第1章系统总体方案设计
1.1课题设计要求
(1)测量功能及量程范围
交流电压:
0~500V,交流电流:
0~50A,有功功率:
0~25kW,无功功率:
0~25kVar,功率因数(有功功率/视在功率):
0~1。
为了方便设计与制作,待测的0~500V交流电压、0~50A的交流电流均已由转换器转换成0~5V的交流电。
(2)精确度
显示为(0.000~4.999),有过量程指示,交流电压和交流电流(0.8%读数+5个字),例如,当被测电压为3V时,读数误差应小于(0.8%3V+0.005V)=0.029V。
(3)功能选择
用按键选择交流电压、交流电流、有功功率、无功功率和功率因数的测量与显示。
1.2总体方案比较与设计
1.2.1方案一
一、设计思路
采用信号调理电路,将交流电压信号u和交流电流信号i转换成相应的数字信号,通过模拟乘法器、真有效值转换器对功率、有效值等参数进行测量,然后通过多路选择器分别对有功功率、无功功率、功率因数和电压、电流有效值等信号选择控制,用数码管显示出来。
信号调理电路可以把模拟信号转换为数字信号,常应用在数据采集、控制、显示等领域。
模拟乘法器可以实现电压信号和电流信号相乘功能的的有源非线性器件,通过将电压和电流信号分别输入模拟乘法器的X和Y端口,就可以实现功率的测量。
二、方案评价
此系统硬件电路简单,但不能实现复杂的控制算法,而且成本较高,不适合学生制作,方案一原理框图如图1-1所示。
图1-1方案一原理图
1.2.2方案二
一、设计思路
以单片机AT89C52为核心芯片,单片机快速处理能力、强大的控制能力和丰富的接口及指令可以实现交流信号相关参数数据的处理。
同一路工频交流电分为电压信号
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- 数字式 有效值 多用 设计