测量电压、电流、功率毕业设计说明书(编辑修改稿)

测量电压、电流、功率毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

次交流信号采集电压和电流的相位，进行比较之后即可得到相位差，从而 可以计算功率因数，以致得到有功功率和无功功率。 根据电路 知识可以知道，交流电信号经过纯电阻电路后的相位是不改变的，如图所示，电压电流信号分别通过 R5和 R6 之后 ,各自的相位并没有改变，保持原来的相位，因此可以通过比较衰减后的电压和电流的相位就可得到相位差。 图中的 R1和 R2起限流作用，R3和 R4 是 LM393 电压比较器 的上拉电阻，由于 LM393 电压比较器 是集电极开路输出的，所以必须加上拉电阻，才能输出高电平 ，否则单片机有可能 检测不出其输入信号是高电平还是低电平，会造成误差 ； C1 和 C2 起到对输入信号滤波的作用，使输出的波形信号更准确； 在信号通过比较器之前，每个比较器都 由 两个二极管反向并联组成 了钳位电路 ，一次只能有一个二极管导通，而另一个处于截止状态，那么它的正反向压降就会被钳制在二极管正向导通压降 以下，从而起到保护电路的目的。 当被测电路中只有电阻负载时，电路中的电压和电流的相位是同相的，两个交流信号通过比较器后相位差为 0 ；当被测电路中还存在其他的负载（容抗和感抗），电流的相位会超前或滞后电压 的相位 0 — 090。 如图所示，过零 电压 比 较器 LM393 的引脚 3 是电压相位信号 的 输入端，其信号与引脚 2进行比较， 由于引脚 2是接地的，所以信号为零，引脚 3 只要一过零点输出 高电平或低电平。 同理， LM393 的引脚 5是电流相位信号的输入端，其信号与引脚 6 进行比较，过零时输出高电平或低电平， 经过过零比较器后得到的电压方波信号接至单片机的 INT0 口，经过过零比较器后得到的电流方波信号接至单片机的 INT1 口， 两个中断都是下降沿中断 ， INT1 一产生中断就开始计时， INT0 一产生中断就停止计时。 因为 T0（或 T1）在做定时器使用时，输入的时钟脉冲式有晶体振荡器的输出经 12 分频后到的，所以定时器可看作是对单片机机器周期的计数器，因桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 总 35 页 6 此它的技术频率为晶振频率的 1/12，该系统用的是 12MHZ 的晶振，则点时期没接收一个技术脉冲的时间间隔为 在这段时间内的时间长度为 Tus,T即为图 号 3 高电平部分的时间长度； 从而可以计算其相位差。 由于已知电路交流信号的频率为50HZ，所以它的周期为 ,所以所测到的相位差为 (T/10000)*π。 从而就可以计算出功率因数，以致可以有功功率和无功功率。 其输出信号波形如图 ，图 所示 2 号波形是电压信号， 2 号 是电流 信号波形， 3 号波形信号为比较后得到的波形。 其实本电路的相位比较方法还有一种 ，就是将两个比较器的输出信号同时接到一个或非门，比较后输出的波形如图 中的 3号波形，再将该波形信号当做外部中断源接入单片机的INT0 脚， 同时将该信号接入单片机的 T0 脚， 当出现高电平时 T0开始计时，当信号由高变低时， INT0 产生中断， T0 停止计时，并读取计时时间长度 Tus,然后再将 1/2 周期的时间 10000us 减去 Tus,得到的时间就是相位差所占的时间， 计算公式为：（ 10000T）*π /10000,因此即可计算功率角。 由于还要添加 一块或非门的芯片，增加了电路的复杂度，而且还浪费资源 ， 但是前一种方法在产生中断时需要延时，所以误差比较大，为了提高信号的精确度，最终采用了后一种比较方法。 R14KR24KR34k567U1L M 39332148V+VU1L M 393V C CR44kD11D22D33D44123U 2 A74 021J6IN T 0C110 4C210 4T0T1一次侧电压 二次侧电压一次侧电流 二次侧电流R5R6图 电压电流相位差电路 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 7 页 总 35 页 7 123 图 电压与电流相位差波形图 123 图 电压与电流相位差波形图 LM393的两个输出端信号电路都需要加电容滤波，把信号中残留的杂波滤掉，否则在信号进入单片机 ，信号中的杂波会使输出端出现错误或误差。 同时， LM393电压比较器，是集电极开路输出的，所以必须加上拉电阻，才能输 出高电平。 芯片 LM393工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源： 2～ 36V，双电源 :177。 1～177。 18V； 所以在电路设计中就使用单电源 +5V直流电压供电。 图 LM393内部框图 A/D 转换电路 A／ D 转换电路的接口设计 A／ D转换器是将模拟信号转换成数字信号的器件或装置，是一种模拟系统和计算机之间的接口，在数据采集和控制系统中得到了广泛的应用。 单片机对模拟信号的读取是采用 A/D的转换方式，这一方法对输出阻抗低，惰性强，变化缓慢，传输距离长的信号，采用 A/D转换的抗干 扰性能就比较差。 对于不需要较快检测速度信号 采集时 ， CPU发出指桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 8 页 总 35 页 8 令，定时时间一到，从读到的计数乘以一定的系数，就可以得到相应的电压值。 常用的A／ D转换方式有逐次逼近式和双斜积分式，考虑到前者转换时间短，因此选用逐次逼近式 A／ D转换器。 ADC0809为 8位逐次逼近式 A／ D转换器，分辨率为 82/1 ，转换时间 100μs左右。 在本系统中选用 +5V的直流电压为基准电压，所以 ADC0809的分辨能力为 5V/255≈, *51==1V,而 本系统要求的电 压误差小于或等于177。 2V,电流的误差小于或等于177。 ,功率误差小于或等于177。 1W,从以上的分析中看出， 0809的分辨能力完全能够满足要求。 A／ D转换器采用集成电路 ADC0809。 ADC0809具有 8路模拟量输入信号 IN0一 IN7(1～ 26— 28脚 )，地址线 C、 B、 A(23— 25脚 )决定哪一路模拟输入信号进行 A／ D转换，本电路 只需两个输入通道，即 IN0和 PCB时能够更好布线， 将地址线 C、 B、 A分别接至单片机的 、 、 ，所以 IN0和 IN1的地址线选择应分别为 的值分别为000和 010，即选择 O号通道输入模拟量电压信号 ， 选择 1号通道输入模拟量 电流 信号。 22脚 ALE为地址锁存允许控制信号，当输入为高电平时，对地址信号进行锁存。 6脚 START为启动控制信号，当输入为高电平时， A／ D转换开始。 本电路将 ALE脚 START脚接到一起，也就是地址锁存和 AD转换启动是分时进行的， 共同由单片机的 P2． 3脚控制。 7脚 EOC为 A／ D转换结束信号，当 A／ D转换结束时， 7脚输出一个正脉冲，此信号可作为 A／ D转换是否结束的检测信号或向 CPU申请中断的信号，本电路连接到单片机的 P3． 5脚。 9脚 0E为 A／ D转换数据输出允许控制信号，当 OE脚为高电平时，允许读取 A／ D转换的数字量。 该OE脚由单片机的。 10脚 CLOCK为 ADC0808的实时时钟输入端，利用单片机 引脚 定时输出一个脉冲信号给 ADC080910脚一个时钟 时钟信号。 数字量输出端 8个接到单片机的 P0口。 图 A/D转换设计电路 P0 89S52 OUT1~OUT8 ADD A ADD B ADD C START ALE OE EOC CLOCK 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 9 页 总 35 页 9 ADC0809 芯片介绍 1．主要特性 1） 8路 8位 A／ D转换器 ，即分辨率 8位。 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为 100μs。 4）单个＋ 5V电源供电。 5）模拟输入电压范围 0～＋ 5V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为 40～＋ 85摄氏度 7）低功耗，约 15mW。 2．外部特性（引脚功能） ADC0809 芯片为 28引脚为双列直插式封装，其引脚排列见图 8。 对 ADC0809 主要信号引脚的功能说明如下： IN7～ IN0—— 模拟量输入通道 ALE—— 地址锁存允许信号。 对应 ALE 上跳沿， A、 B、 C地址状态送入地址锁存器中。 START—— 转换启动信号。 START 上升沿时，复位 ADC0809； START 下降沿时启动芯片，开始进行 A/D 转换；在 A/D 转换期间， START 应保持低电平。 本信号有时简写为 ST. A、 B、 C—— 地址线。 通道端口选择线， A为低地址， C为高地址，引脚图中为 ADDA， ADDB和 ADDC。 其地址状态与通道对应关系见表 91。 CLK—— 时钟信号。 ADC0809 的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。 通常使用频率为 500KHz 的时钟信号。 EOC—— 转换结束信号。 EOC=0,正在进行转换 ； EOC=1,转换结束。 使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。 D7～ D0—— 数据输出线。 为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。 D0为最低位， D7为最高。 OE—— 输出允许信号。 用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。 OE=0，输出数据线呈高阻； OE=1，输出转换得到的数据。 Vcc—— +5V 电源。 Vref—— 参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。 其典型值为 +5V(Vref(+)=+5V, Vref()=5V ADC0809 的工作过程是：首先输入 3 位地址，并使 ALE=1，将地址存入地址锁存器中。 此地址经译码选通 8路模拟输入之一到比较器。 START 上升沿将逐次逼近寄存器复位。 下降沿启动 A／ D 转换，之后 EOC 输出信号变低，指示转换正在进行。 直到 A／ D转换完成， EOC 变为高电平，指示 A／ D 转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 10 页 总 35 页 10 用作中断申请。 当 OE 输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 ADC0809 是根据逐位逼近的方法产生数据的。 多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8路模拟量分时输入，共用一个 A/D 转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。 地址锁存与译码电路完成对 A、 B、 C 3 个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连。 运用 ADC0809 的工作原理及其各个功能，结合本课题要求， ADC0809 转换模块的接线图如图 所示。 图 A/D转换电路 IN0 是电压信号接入通道，它的模拟信号变化范围： 0～ 5V 的直流电压，转换为数字信号传送给单 片机，再经过单片机传送 给 74HC164，最后将数据送给 LCD1602 显示输出。 IN1 是电流信号接入通道（其实是电压信号），其工作原理和 IN0 的工作原理是一样的。 引脚 12是接 +5V 直流电压的基准电压。 、 、 是 38 译码器的三个通道选择端，当选择 IN0 通道时， 、 、 的电平应分别为： 0、 0、 0。 当选择IN1 通道时， 、 、 的电平应分别为： 0、 0。 当 ADC0809 模 /数 转换结束时。 EOC 输出高电平 1,即给单片机的 口一个高电平，通知单片机模 /数 转换 已经结束，单片机立即产生 中断请求信号 ，并准备接收 ADC0809 发送的数据。 ALE 和 START 同时连接到单片机的 INT0 口， 上升沿时 ， A、 B、 C地址状态送入地址锁存器中。 同时， 复位 ADC0809； START 下降沿时启动芯片，开始进行 A/D 转换；在 A/D 转换期间， START应保持低电平。 本信号有时简写为 ST。 引脚 10 接至单片机的 口，通过单片机的软件设置，使得 口给 ADC0809 一个时钟脉冲信号，是 A/D 转换器能正常工作。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 11 页 总 35 页 11 主控电路的设计 主要功能 51系列 单片机 的主要功能为： （ 1） 8 位 CPU。 （ 2） 片内带振荡器，振荡频率 fosc 范围为 ～ 12MHZ；可有时。