数字式工频有效值多用表.docx
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数字式工频有效值多用表
摘要
本次设计的数字式工频有效值多用表采用AT89C52单片机作为核心,充分利用其内部的8KB程序存储器和256B的数据存储器来进行数据的实时采样与处理;外围使用12位的A/D转换器可使测量精度高;利用数字电位器实现增益自动控制,从而满足各种量程的测量精度。
该表可测量电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数等参数。
本文首先介绍了数字式工频有效值多用表的作用,描述了系统的设计过程,给出了系统的组成框图及各部分的原理图;说明了核心部件数字式电位器X9241的结构、性能特点;简述了交流采样法的原理及实现过程;对系统的软件设计也进行了叙述,给出了部分软件流程图。
该数字式工频有效值多用在器件上尽量做到使硬件线路简单,充分利用软件编程,弥补元器件的精度的不足。
关键词:
多用表单片机数字电位器交流采样
Abstract
ThedesignofpowerfrequencyRMSMultimeterbasedonAT89C52microcomputer.Datagatheringandcalculatingonlydependontheinner8KBcode-RAMand256Bdata-RAMofAT89C52.Theexterior12bitA/Danddigitalelectric-deviceimprovetheprecision,canmeasureeffectivevalueofvoltageandeffectivevalueofelectriccurrent,activepower,reactivepower,powerfactorandsoon.
Inthispaper,thefunctionsofdigitalalternatingcurrentparameterMulti-functionmeterareintroduced.Thesystemdesignprocessisdescribed.Theconstituteframediagramandeachparton-linesdiagramaregiven.TheconstructionandfunctioncharacteristicsofcoredigitallycontrollablevariableresistorsX9241areelucidated.TheprinciplewithrealizedprocessofACsamplingmethodsaredescribedinbrief.Thesoftwaredesignofsystemisdescribedalso.Thepartsoftwareblocksaregiven.
ThedigitalMultimeterspentondevicesdoasmuchasasimplehardwarecircuits,andmakefulluseofsoftwareprogramming,Componentsmakeupforthelackofaccuracy.Duetolimited,andthereisaneedtoimprovethedesignofthepaper.Forexample,beforeusinghighprecisioncomponents,andmeasurementalgorithmfurtherperfect.
Keywords:
MultimeterSingleChipMicrocomputerDigitalpotentiometer
Exchangesampling
目录
摘要I
1绪论1
1.1选题的背景及研究的意义1
1.2本设计研究领域的国内外研究动态及发展趋势3
1.3数字仪表的重要性与优点4
1.4总体分析5
1.5本设计主要完成的任务7
2总体方案论证8
3硬件设计10
3.1单片机的选用10
3.2放大电路设计12
3.3数据采集电路设计15
3.4相角测量电路设计19
3.5键盘/显示电路设计19
3.6看门狗电路设计23
3.7数字式工频有效值多用表的工作原理25
4软件设计26
4.1数字式工频有效值多用表的总流程图26
4.2交流信号的相角测量27
4.3交流信号的采集程序27
4.4计算电压、电流有效值程序29
4.5功率因数子程序33
4.6看门狗子程序33
4.7键盘/显示子程序33
4.8数字式工频有效值多用表的自检36
4.9数字式工频有效值多用表的自动量程转换40
结论42
致谢43
参考文献44
附录一原理图45
附录二数字多用表自动检定校准系统研究46
1绪论
数字多用表亦称数字万用表,是目前在电子测量及维修工作中最常用、最得力的一种数字仪表。
数字万用表迄今已有几十年的发展历史,然后逐步向高精度、多功能、集成化、智能化的方向发展。
近年来,由大规模集成电路构成的单片数字万用表和高档智能数字万用表大量问世,标志着电子测量领域的一场革命,也开创了现代电子测量技术的先河。
数字万用表具有很强的性价比,其主要优点是准确度高,分析力强,功能完善,显示直观,测量速率快,过载能力强,耗电量低,便于携带。
随着电力科学技术的发展,在精密电测量技术、计算技术、自动化技术和电子技术的基础上产生和发展起来的各种高性能的数字式仪表正在进一步取代各种传统的模拟式电工仪器与仪表,成为新一代的测量仪表而被广泛应用于国防、科研、工厂、学校、计量测试等技术领域。
作为主体和核心的数字电压表就是利用模拟—数字变换原理,以十进制数字形式显示被测电压值的数字式仪表。
相对于其他测量仪表,数字式仪表不仅测量精度高,灵敏度高,测量速度快,读数直观,抗干扰能力强,而且还具有其自身的优越性,如可程控操作,自校准,故障诊断,数据自动化计算、处理与可编程序等。
数字电压表除用于电压测量外,用它做主体,配上各种变换器插件或单元就构成了一系列的数字多用表(DMM),从而可以测量其他电量和非电量。
由于工业生产的发展和人民生活水平的提高,各种用电设备急剧增加,导致民用和工业用电量成倍增长,电网的供电质量成为一个实际问题。
供电网络前端电压偏高,而末端则电压偏低,在一定情况下会给用电设备造成不良影响。
有些用电设备还会对电网形成严重干扰,使一些设备不能正常工作。
因而迫切需要一种能够全面反映用电情况的多功能智能仪表,不仅能测量电压、电流、功率及功率因数,还要具有相应的漏电、过载、过压、欠压保护与报警功能。
对于工业用电还需具有谐波分析及数据通讯等功能。
1.1选题的背景及研究的意义
电能是一种使用最广泛的能量,随着我国国民经济不断发展,电力能源的需求也在不断的增长,国家电网的运行管理也逐步从行政手段管理过度到商业化运行管理,电参量测量已成为电气测量技术的必备手段。
电能计量是发电企业、输配电企业、电力用户之间进行资金结算的依据,它的准确性与合理性直接影响三者之间的利益。
1)在大型工厂以及企业。
稳定的电力供应和电能质量是企业生产的前提和保障。
第一,电网电压、电流的波动,将影响用电设备的功效发挥和使用寿命;第二,电网频率的波动,不仅使过多的电能转换为热能而白白浪费掉,而且严重时有可能损坏设备;第三,电网功率因数过低,将导致供电电能得不到充分利用。
因此,必须有一种设备和手段对电网中的电力参数进行实时监测并采取相应的措施,保证电力系统与设备运行良好。
2)在发电厂、变电站等供配电的主要环节。
必须实时监控线路中的电力参数、正确操作、维护,保证供电区间的供电安全与正常运行。
3)智能小区等用电环节。
为保证安全用电和防止电能的非法流失,电力参数的实时检测,特别是电能的检测是一个非常重要的问题。
4)在电网中。
各种各样的电力电子设备被广泛应用,尤其是动态非线性负载的应用,所产生的高次谐波电流大量注入电力线路中,使得电网电压、电流波形发生畸变,同时电网频率并不是固定不变的,而是在50Hz附近波动。
但目前应用于电力系统的传统测量仪表局限于工频测量范围,不能很好的满足系统性能的要求;并且,它虽然具有讯功能,也只适合于集散控制系统,不具备与现场总线控制系统互联的功能,而且价格较高。
需要配备一种新的测量设备。
5)在智能化大厦及工矿企业的供电系统中,要求进行局部网络管理调度和进行能量管理,以提高供电质量及降低能耗。
6)现存的变电所,不少亦要进行改造,以实现监控、数据采集及能量管理。
传统的模拟仪表只能测量一路信号,且功能比较单一,各项测试结果之间的可比性难以实现。
近几年来随着半导体技术的飞速发展,新技术、新产品不断问世,以及单片机的广泛应用,各种低成本、高可靠性的专用集成电路(ASIC)应运而生,由此促进了微处理器在各类控制装置、仪器仪表中的应用,使开发新型多功能电力参数测试仪器成为可能。
随着通信技术的发展,数字化信息传送的网络技术开始广泛应用,与此同时,基于质量分析的维护管理及相关系统的测试记录、环境监视等需求的增加,都要求仪表能在当地处理信息,并在必要时允许被管理和访问,这些也使现场仪表与上级控制系统的通信量大增,另外,实际应用也不断对仪表的精度、可操作性、可维护性等方面提出新要求[1]。
因此,具备上述功能的新一代智能仪器仪表的研制和开发受到了各行各业的广泛关注。
为了能很好的检测电力参数,我国虽然引进了国外一些多功能电力参数测试仪器,但其在功能、价格、维护等方面不能完全适合我国现阶段的需要,目前应用于电力系统的传统测量仪器有很大的局限性,已经不能满足系统性能的要求。
因此迫切需要一种高质量、高可靠性、功能齐全、价格低廉的多功能电力参数测试仪。
当前,结合电力市场运作和管理的实际需要,电能量计量仪器的测量己经从简单的有功电度和无功电度测量发展到测量电压、电流、功率因数、频率、无功功率、视在功率、谐波等电力参数值的测量。
近几年来随着单片机技术和现场总线技术的飞速发展,新技术、新产品不断问世,使开发新型多功能电量测量仪成为可能。
因此,设计并生产出具备优异性能价格比、符合现场总线控制系统通讯要求的、新型的多功能仪表,已经是电力系统自动化的迫切需要。
这次选题正是为了解决上述传统测试所存在的问题而进行的。
1.2本设计研究领域的国内外研究动态及发展趋势
1.2.1国内外的研究动态
随着电力网的不断扩大和计算机测控技术的飞速发展,无人值班、少人值守站的模式已在全国电力系统内推广,特别是对城市和农村电网的改造,可大量采取将电参量的监测、监控与保护设备,下放到户外端子箱,无需再另建专门的控制室。
将监控与保护设备下放,是电网发展的趋势,也是英美等发达国家的现行模式。
在国外,研制生产的电量参数综合测试仪已基本解决了一系列电量参数的检测问题,如德国EMH公司推出的PTS1.1、PTS1.3型0.2级单、三相多功能电能表检测装置,澳大利亚红相电力设备公司生产的679型0.1级测试仪,这些产品用于单相、三相四线、三相三线接线方式,可测量各种电能参数,自动量程切换,采用全数字处理,抗干扰能力强[2]。
在国内,由于受到我国电力工业飞速发展的影响,电量参数测试仪的研制水平也在不断提高,如以深圳科陆公司为代表的CL302系列三相电量测量仪表检测装置,南京丹迪克公司的DK系列三相电测量仪表检测装置,这些产品从单一的电能计量,发展到多功能可检测电压、电流、功率、频率、相位等多种功能的现场测试仪器,但这些产品一方面存在体积大,重量重,操作繁琐成本价格也较高,另一方面在产品的稳定性、可靠性还需进一步改进完善提高[3]。
由于电力市场化改革的深入,我国在各级电能计量数据采集系统的建设中,大部分已更新的电子式电度表都为进口表,总数量近万只。
国产0.5级电子式电度表也开始在部分地区使用。
为适应电力工业市场化进展,国家电力公司计划在2010年实现用户选择市场,电子式电度表的应用将要有更大的发展。
单相电子式电度表于1993年由国内厂商试制成功,1994年在华东有2000只使用,且第一年的故障率小于1%。
这批表很受基层用电管理部门欢迎,因而装用量增长很快。
三相全电子电度表,我国现在大部分是0.5级产品,市场占有率不高。
进口表的有些功能及软件等方面不能完全满足我国国情的需要。
根据国际上电力市场化的经验,电能计量是今后电力市场改革的核心[4]。
电能计量要具备高精度、高可靠性、免维护和双向通讯功能,具有便于电力公司向用户提供增值服务,能适应国外已开始实行的产权和数据共享的管理模式。
1.2.2电量检测仪表的发展趋势
回顾电子仪器的发展过程,交流电参数检测仪表的发展经历了从直接作用模拟的指针式仪表,到数字式仪表,又到智能化仪表的过程。
具体从仪器的工作原理来看,它经历了三代:
第一代模拟式电子仪器,大量指针的电压表、电流表、功率表及一些通用测试仪器均是典型的模拟式仪器。
这一代仪器功能简单,精度低,响应速度慢。
第二代是数字电子仪器。
它的基本工作原理是将待测的模拟信号转换成数字信号,进行测量,结果以数字形式输出显示。
它的精度高,速度快,读数清晰、直观,结果可打印输出,也容易与计算机技术相结合。
同时因数字信号便于远距离传输,所以数字式电子仪器实用于遥测、遥控。
第三代就是智能仪器。
它是在数字化的基础上用微机装备起来,它是计算机技术与电子仪器相结合的产物。
它具有数据存储、运算、逻辑判断能力,能根据被测参数的变化自选量程。
可自动校正、自动补偿、自寻故障等,可以做一些需要人类的智慧才能完成的工作,即具备了一定的智能,故称为智能仪器。
另外,虚拟仪器的出现及其应用领域的不断扩大,已给仪器仪表产业指明了一个发展趋势,仪器标准逐渐向计算机标准靠拢。
这样,可以充分利用计算机的软硬件资源。
不同功能的仪器仅体现于测量模块及其软件的不同,而各种测量功能都是由磁盘中的测量程序来完成的。
仪器仪表不再以传统的独立形式出现了,一台计算机只要配备相应的测量模板或扩展机箱,就可立即成为存储示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪、数字多用表、通用计数器、函数发生器或仪器控制器等。
目前,高精度的电量检测和校验仪器仪表已经与计算机、软件、大规模集成电路、甚至是网络技术的联系越来越紧密,因此,研制出虚拟式电量检测和校验仪器作为未来的一种新型仪器,它的诞生已经为时不远了。
1.3数字仪表的重要性与优点
1.3.1数字化测量仪器的重要性
随着社会对电力需求量的不断增长,电能紧缺问题日趋严重,极大地制约着社会经济的发展。
为做到节约电能并合理高效地利用电能,这就需要对电量参数进行准确、实时地检测,因此,对测试计量仪器也提出了越来越高的要求。
许多工业设备在运行过程中,需要对其进行实时在线测量,随时了解其各种电量参数。
所以电力系统以及电力用户都迫切需要一种安全可靠、实时快速的交流电量综合检测仪器,有效地对电量参数进行测试。
1.3.2数字化测量仪器的优点
1)读数清晰。
不论从何角度,什么视力,最后读数是一致的,而模拟仪表则不同,从左边看读数可能偏高,从右边看可能偏低,视力好的读的精确些,视力不好的只能是个概数。
2)便于远距离传输。
模拟信号由于是个电压值,在长途的传输中,线路电阻对原信号损耗很大。
而数字仪表测得的是脉冲编码信号。
虽然传输线路上也有噪声,不过只要使编码脉冲的幅度超出噪声电平之上,虽经长距离传输亦不损失其精度。
因此,数字仪表特别适于遥控遥测。
3)操作方便。
有些模拟仪表,如同电位差计来测量电压是非常复杂的,须反复平衡才能取得近视值。
而用数字电压表测量电压,只要一按电键,就能自动地把被测电压显示出来。
4)能打印输出以减少人为误差。
数字仪表的测量结果可用编码形式驱动打字机将所测数值印在纸带上。
这就是避免了人工抄字的麻烦,也可以减少因工作疲劳所带来的抄写差错。
尤其当快速测量,人们的反映速度跟不上时,这种优越性更加明显。
5)与计算技术相结合为自动测量和自动计算提供方便。
在一些大型系统或复杂过程的测量中,有些数据须要多次演算和比较才能求出得。
若采用模拟仪表,则必须经过多次测量多次运算才能得出结果,这样不仅耗费时间,而且有损精度。
若采用数字仪表则可克服缺点,输出的编码脉冲可以直接加到计算机进行计算,不管有多少个被测数据和程序,计算机总可以很快求出结果来。
这个结果可以打字,也可以用作其设备的控制信号,为整个工业自动化提供方便。
所以从优点可以看出它的重要性,它是工业自动化所必需,也是实现社会现代化所必需。
因为只要电子仪器自动化了,其它的各种物理量,化学量均可转换成电量而成为数字测量,即为实现自动测量、自动控制创造了条件。
现在看来,除了那些需要判断趋势性的模拟仪表以外,其它所有仪表都非数字化不可,这是势在比行的事情,知识时间早晚的问题了,我们应该积极主动地促进这种转变过程。
虽然数字仪表目前的成本较高,但这是前进中的问题,随着产量的增加,工艺的成熟和器件成本的降低,这个问题是可以逐步得得到解决的。
1.4总体分析
由前面的情况可以看出,电子测量仪器目前正处在一个大转折时期,也就是在数字化的基础上采用微处理器实现全机自动化。
综合国外发展电子测量仪器的经验教训,我们认为有以下几点值得研究。
1)我们究竟是迎头赶上还是远远抛在后面。
举例来说,一块微处理器片相当于几千只晶体管。
我们究竟是努力制造微处理器片还是继续采用分立的晶体管来装配呢?
如果我们沿袭过去的办法,那就愈来愈被动。
因此,有必要立即着手微处理器仪器的设计和淮备工作。
2)外国人搞了十多年用一般程序计算机控制的自动测试仪器,再来搞微处理器自动测试仪器的,我们是不是也要经过外国人这条道路。
从总的情况来说,对通用电子测量仪器,外国人走的是一条弯路。
我们既然是一张白纸,就应画最新最美的图画,干脆跳过外国人所走过的这一段弯路,直接进入采用微程序的微处理机技术,从而可以为我们节省十多年的时间,可以缩短赶超世界先进水平的过程,当然一些高速度测量仪器在目前微处理机技术还不能达到的范围,还应使用一般程序计算机技术,如高速集成电路的测量,这只是个别情况。
3)我们怎样使关键器件迅速立足于国内。
数字仪器的发展包括自动化所需微处理器均需采用大规模集成电路技术,大规模集成电路的重要性,已得到很多人的重视,并采取了不少措施,如集中力量大会战等。
现在看来,这样做还不能适应当前发展的需要,而目前急需要有更多的半导体工厂转过来搞大规模集成电路和微处理机。
在这个转变中所需的关键工艺设备究竟如何解决呢了依靠外国进口可能性太少,依靠国家调拔可能性不大,因为国家不可能拿出这样多的设备来武装很多的厂同时干。
可能采取的措施之一是半导体厂制造的微处理器和大规模集成电路供某些整机仪器厂使用,由器件厂和整机厂以协作形式共同来完成此任务。
整机研制单位也应该研制一些关键电路。
同时为了减少任务的复杂性,可以事先规定某半导体厂只生产一、两种微处理器片,因为这样一方面可增大产量降低成本,同时也可设计专用生产线,工艺装备就大为简化,以期早日取得效果。
4)电子测量仪器制造厂须适应目前的变化。
如果与过去传统生产的电子测量的概念相比,目前的发展有两方面的倾向。
第一是电子测量仪器向多功能、综合测试发展,这样原来需要几部仪器或几个品种能办到的事情,现在一部仪器就可以办到,所以从一定的范围来说,仪器品种会相对地减少。
第二是电子仪器与计算技术相结合可能组成更复杂的系统。
而这个系统不可能由一个工厂承担,可能要组织大协作。
不管哪一种情况,一个仪器制造厂抱住若干仪器整机生产的情况可能要有所变动,而要求有更多的仪器制造工厂转过来生产电子测量仪器所需的单元部件,如计数器、显示器、时钟系统、电源、数字面板等。
这些产品的生产更应该是产量大、质量高、成本低、而且要符合标准化,以利其它单位选用。
另一个值得注意的问题是仪器制造厂的新产品试制速度必须加快,微处理器自七十年代诞生以来到1976年为止,在技术发展上很快,平均每个新产品在技术上处于领先地位只有两年,如果我们利用现成的微处理器制造仪器,八、九年搞不成,到出来新产品时又要被淘汰了。
所以我们必须要千方百计加速新产品试制。
争取一、两年时间拿出一批新产品来,那我们才有可能赶得上时代前进的速度。
5)实现电子测量仪器数字化、标准化、系列化、并统一接口。
为了实现测量仪器的自动化,就必须先数字化,这是需要。
微处理器和大规模集成电路的优越性只有大量生产才能发挥,只有实行测量仪器的标准化、系列化把各种复杂的要求统一在几种适于生产的规格上,使半导体生产厂的产量大,品种单纯,有利于成本降低,反过来会促进电子测量仪器的发展。
由于自动化测量仪器多成系统地工作,因此要求它们能互相配合使用,因此就必须要统一接口,为了国际上的交流,这个接口最好全世界统一。
目前IEEE已提出了一个488-75仪器接口母线标准,在没有特殊的情况下,我们最好采纳。
在日常的生产、生活和科研中,工频电无处不在,因此对工频电的测量也是一个应用广泛的实际问题。
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逐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。
这里将讲述一种可自动切换量程的智能化的高精度工频有效值多用表。
它采用将D/A可控衰减放大器与A/D转换器相结合的方法来提高精度,并通过单片机进行实时控制,来完成对电压、电流的逐点采样及自动量程切换,并由单片机对采集数据进行相应处理后得到测量结果,完成检测。
1.5本设计主要完成的任务
本课题开发的多能电量测量仪,可作为面向对象的分布式电力自动化系统中的一种新型电力远动装置(RTU)的一个模块。
它结合高性能的单片机技术、高精度A/D转换,通过采集交流供电线路的交流电压和电流,利用快速傅立叶级数计算出基本电量电流、电压,再利用其他电量和基本电量的关系,计算出有功功率、无功功率、有功电能、无功电能、功率因数、视在功率等电力参数。
本设计的开发综合了计算机、通信、检测、自动化方面的知识,是实现配/变电自动化、智能化的理想装置,满足了电力自动化系统的要求。
根据上述的仪器基本功能,本设计所要完成的主要工作是完成多功能电量测量仪的硬件设计。
具体任务包括如下:
1)确定最佳数据采集方法,找出交流采样同步的优化措施。
2)根据傅立叶级数的基本理论,计算出基于交流采样的电量参数:
电压、电流有效值,功率、电能、功率因数、频率等。
3)硬件电路的设计。
包括:
单片机硬件系统的设计,采样测量电路的设计,键盘、显示等。
4)误差分析及改善措施。
2总体方案论证
方案一:
系统采用对电压、电流信号分别测量,测量功率时则将电压、电流信号取出,然后进行功率计算,原理框图如图2-1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,系统还不能实现复杂的控制算法。
图2-1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控制算法和逻辑控制。
多用表的组成框图如图2-2所示。
由四组开关来决定直流电压、直流电流、交流电压、交流电流的输入。
直流部分:
直流电压、直流电流经过分压后再经A/D转换后送入单片机,由单片机计算电压、电流的有效值以及功率。
交流部分,交流信号放大后,一方面由过零比较电路转为方波信号,由单片机计数器测量出信号周期和测量出电压、电流之间的相位差;同时电压、电流信号经A/D采样转换后送入单片机。
单片机系统在每个信号周期内分别采样N个电压、电流值
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