基于单片机单相数字电功率表的设计毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机单相数字电功率表的设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

系统 数据存储器 24C16 一、 24C16说明 在本设计中，数字功率表的系统很小，所要存储的数据比较小，所以 我选用了串行 6 E2PPOM 24C16 片外存储器。 原因在于系统掉电后它所存储的数据并不消失，并且与单片机连接的管脚也比较少 ,一定的程度上可以节约系统的硬件资源。 当然它也有一定的不足，就是在软件编程时比较麻烦。 24C16 是一个 16K 位串行 CMOS E2PROM，内部含有 2048 个 8 位字节， CATALYST 公司具有先进的 CMOS 技术 ，其 实质上 是 器件的功耗 得到 了减少。 24C16 具 有一个 16 字节页 的写缓冲器， 该缓冲器是 通过 I2C总线 的 接口 来完成 操作 的 ，另外还 具 有一个 特定 功能的写保护 引脚。 24C16 引脚图如图 3 引脚功能如下表 31 所示： V C C8S D A5S C L6W P7G N D4A 23A 12A 012 4 C 1 6 图 32 24C16 引脚图 表 31 24C16引脚功能 管脚名称 功能 A0、 A A2 器件地址选择 SDA 串行数据 /地址 SCL 串行时钟 WP 写保护 Vcc + 到 工作电压 Vss 地 二、 24C16的功能描述 24C16 支持 I2C总线数据 的很多 传送协议， I2C 总线规定， 任意一个把 数据传送到 I2C总线的器件 叫做 发送器。 任 意一个 从 I2C 总线接收数据的器件 叫做 接收器。 数据 的 传送是由产生 的 串行时钟 信号以及 所有起始 信号、 停止信号的主器件 来 控制的。 任意一个 主器件 或者 从器件都 能称为 发送器或 者 接收器，但传送数据（发送或接收）的模式 是 由主器件 来 控制。 三、 24C16的时序描述 1． 24C16 的起始信号： 时钟线为高电平期间，数据线电平从高到低的跳变作为 24C16 的起始信号。 2． 24C16 的停止信号： 7 时钟线为高电平期间，数据线电平从低到高的跳变作为 24C16 的停止信号。 24C16 的起始、停止时序如下图 33 所示： 图 33 起始、停止时序图 四、 24C16的寻址过程描述 主器件发送一个起始信号来启动发送过程，然后再发送它所需要寻址的控制命令字（从器件的地址），该控制命令字的高 4 位固定为 1010， A A A0作 为器件的地址位，用来定义 哪个器件以及器件的哪一个部分被主器件访问，而读写控制位 是由该 控制字的最低位 来控制的。 “ 1”表示对控制字进行读 的 操作，“ 0”表示对控制字进行写 的 操作。 接下来主器件 的 发送 首先 要访问从器件的地址，在起始信号 被 主器件发送和地址字节 被从器件 发送 后， 当 24C16 监视总线 的 地址 和 从 器件 发送的地址 一致 时 ， 24C16 会产生 一个响应 的 应答 的 信号（通过 SDA 线）。 24C16 再 依 据读写 的 控制位（ R/W）的状态进行读或写操作。 24C16 在系统电路中的接法如 34 图所示。 Y 111.059C 23 0 pR 1 21 0 kE A / V P3 1X 11 9X 21 8R E S E T9R D1 7W R1 6I N T 01 2I N T 11 3T 01 4T 11 5P 1 01P 1 12P 1 23P 1 34P 1 45P 1 56P 1 67P 1 78P 0 03 9P 0 13 8P 0 23 7P 0 33 6P 0 43 5P 0 53 4P 0 63 3P 0 73 2P 2 02 1P 2 12 2P 2 22 3P 2 32 4P 2 42 5P 2 52 6P 2 62 7P 2 72 8P S E N2 9A L E / P3 0T X D1 1R X D1 0U 18 0 5 1+ 5C 33 0 pC 110U+ 5R S TR DR / WP 3 . 2P 3 . 3R SP 3 . 4S 1V C C8S D A5S C L6W P7G N D4A 23A 12A 012 4 C 1 6R 61 0 kR 2 81 0 kR 2 91 0 k+ 5+ 5 图 34 24C16在系统电路中接法 8 系统的前向通道 每个系统都有自己的输入信号，不然整个系统都是失败的，所以在本次设计的单片机控制系统中，必须有被测电信号的输入通道，即前向通道，以此来采集必要的输入信息。 下面是讲述本次系统前向通道的构成及接口。 电压、电流采样的前置电路 由于本系统测量电压的有效值范围是 0V 到 300V，电流有效值的范围是 0A到 5A，而模数转换器采样电压仅仅为 0 到 5V 的直流电压，所以在硬件上需要设计电压和电流的前置通道完成强电到弱电的转换。 即 外部电压或电流先经过互感电路变换、整流电路整流、分压电路分压最后才可以被模数转换器采样。 一、电压采样 将 0300V 的交流电压转换成较小的电压，此时采用 TVA142101 型电压互感器来实现。 该器件的原理是电流型电压互感器，即二次测输出的电流与输入的电压成正比，所以二次测不能开路，使用时在二次测接入采样电阻，采样电阻取 500 欧姆时，由于输出电流等于输入电流，所以采样电阻两端的电压即为 01V。 电压采样电路如图 35 所示。 R 1 150 kUS 1US 2电压采集R 35000 300 vGNDUDT 1TVA 1421 011 V2 mA 2 mA 图 35 电压采样电路图 二、电流采样 由于流过用电设备的交流电流通常比较大，所以应该把它按比列的衰减成一个安全的同特性、不失真的交流小信号。 采样电流为 5A 的交流电，所以选择 TVA142101 型电流互感器来实现。 TVA142101 型电流互感器中间有一个通孔，应用时可将待测电线穿过此孔，它输出的小信号电流也是与输入的电流成线性比例的，使用时在二次端串接电阻，即可采样到电压。 TVA142102 型作为电流互感器时，额定电压为 9A 时，输出额定电流为 6mA,故额定输入电流 5A 时，则额定输出电流为 ，此时采样电阻选用 300 欧姆，二次测输出电压为 01V。 下面为电流采样电路图 36。 9 T 2T V A 1 4 2 1 0 2I P 2I P 1电 流 采 集R 53 0 0G N DI D0 5 A3 . 3 3 m A1 V 图 36 电流采样电路 三、信号处理分析 该模块主要是将电压电流采样模块采样到的交流电压信号进行整流和平波处理，使其能被 A/D转换模块可接收的 05V直流电压信号。 下面是电压采集信号处理电路（图 37）和电流采集信号处理电路（图 38）。 567U 2 BLM 35832184U 2 ALM 358R 283 KR2310KR 2210 KR 2110 KR 2010 KD5C 9204C84.7uFW 520 K+ 5UD IN 1R 210 K电压信号处理电路 图 37 电压采集信号处理电路 由电压采样可知，互感器变换后电压 UD 为 01V，经运算放大器放大 5倍，在经过整流、滤波、分压后，可得到 05V的交流电压。 10 567I 2 BLM 35832184I 2 ALM 358R 283 KR2310KR 2210 KR 21 10 KR 20 10 KD5C 9204C84.7uFW 520 K+ 5ID IN 2R 910 K电流信号处理电路 图 38 电流信号处理电路 由电流采样电路可知，经互感器变换后电流为 ，电压 1V，调节反馈电阻 W5将电压放大 5 倍，在经过整流、滤波、分压后，可得到 05V 的交流电压。 由于交流电压或交流电流信号经互感器变换后电压值比较小，所以应先将电压电流值放大再经过二极管整 流电路进行整流，得到 010V 范围内的直流电压，因为模数转换器只接收 05V的直流电压，所以要通过电阻进行分压。 在处理信号时，要保护测量设备，所以在信号送入 TLC1543 之前并联一个稳压二极管以对直流电压信号进行稳压，确保输出电压在 05V以内的范围，经过上面一系列的处理得出的电压值才能与电路的真实值相等。 电压（或者电流）量程的自动转换则通过软件来实现，关于量程转换将在第四章软件设计中具体介绍，在此就不再叙述。 相位角测量的前置电路 利用过零点来测量电压、电流的相位差。 对于某一正弦信号，都会出现 周期性的出现过零点，我们只要测出过零点的时间就可以得出电压、电流的相位差。 该电路主要由限幅电路、过零检测器和光电耦合器组成。 在前面一节中，对于电压与电流的采集，我们是通过互感器来获得的，在本节中我还是采用互感器来获得电压电流的真实值。 当电路电压或电流通过互感器变换后的采样电压或电流值大于 0 时，则 1点（ 7 点）的电位小于零，发光二极管导通，使光电耦合器作用导致 输出低电平。 当电压（电流）的负半轴经过零点时， 1 点（ 7 点）的电位大于零且近似为 5V，这个时候发光二极管不导通，使得光电耦合器不作用 输出为 高电平。 由于已知本系统所测量的电路频率主要为 50HZ 的交流电，在系统中电压接入 INT0（单片机的 管脚），电流接入 INT1（单片机的 管脚），这样根据电压和电流过零的时间差，再通过软件编程我们可以计算出电压和电流之间相差的相位角，从而满足了设计要求。 由此可看出在这个电路中光电耦合器有两种作用：电气隔离和电平转换。 11 R 1 81 0 kR 1 91 0 kU 5D 1 21 0 VD 1 01 0 VR 2 15 . 1 kR 2 03 0 0+ 5 + 5P 3 . 2G N DU DG N DR 2 41 0 kR 2 51 0 kU 6D 1 61 0 VD 1 51 0 VR 2 75 . 1 kR 2 63 0 0+ 5 + 5P 3 . 3G N DI DG N D电 压 相 位 角 测 量电 流 相 位 角 测 量32184U 2 AL M 3 5 8+ 5567U 2 BL M 3 5 8+ 5 图 39 相位角测量电路 模数转换电路 信号处理后出来的是模拟量，而单片机接收的信号 只是数字量，所以 A/D 转换电路是功率测量中必不可少的一部分。 本次设计选用的 A/D 转换芯片作为处理器，在此选择有 11 路模拟量输入的 TLC1543 转换器，因为 TLC1543 不仅转换时间很快、采样的精度高而且使用单片机 I/O 接口少，完全可以满足系统的测量要求。 为了 TLC1543 转换器能可靠的运行，需要对其各个控制端进行学习。 一、 TLC1543 简介 （ 1） TLC1543 是 20脚封装的 CMOS 芯片 ，也是 10 位开关电容 按 逐次逼近 的方法进行模 /数转换 的转换 器。 TLC1543 引脚图如图 310 所示。 （ 2）输入端有三个和 三态输出端 有 一个：片选（ CS）、输入 /输出时钟（ I/O CLOCK）、地址输入端（ ADDRESS）以及数据输出端（ DATA OUT）。 具有一个 四线接口 ， 可以直接与主处理器或其他 的 外围串行口进行高速数据传输。 （ 3）片内 部 含有 一个 14路 多路 的 选择器， 可供选择的有：在 11 个输入中的 可以选择 1个 ，在 内部 含有 3 个 带有 自测试 的 电压 可以选择一个。 （ 4）片内 还 设有自动采样 的 保持电路。 在转换结束时， EOC 输出端变高以指示转换的完成。 （ 5）系统 的 时钟 应在 片内产生 并 且 与 I/O CLOCK 同步。 （ 6）片内 设有 转换器 ， 使该器 件具有 以下特点： 高速（单次转换 的 时间 10us）、高精度（ 10 位 的 分辨率、最大 +LSB 线性 的 误差）和低噪声。 12 A 01A 12A 23A 34A 45A 56A 67A 78A 89。