單相用電器分析監(jiān)測裝置設(shè)計報告

1、專業(yè)資料2017年全國大學生電子設(shè)計競賽單相用電器分析監(jiān)測裝置（K 題）2017年 8月 12日word 完美格式專業(yè)資料摘要近年來隨著計算機在社會領(lǐng)域的滲透和大規(guī)模集成電路的發(fā)展， 單片機的應(yīng)用正在不斷地走向深入，由于它具有功能強，體積小，功耗低，價格便宜，工作可靠，使用方便等特點，因此越來越廣泛地應(yīng)用于自動控制， 智能化儀器，儀表，數(shù)據(jù)采集，軍工產(chǎn)品以及家用電器等各個領(lǐng)域， 單片機往往是作為一個核心部件來使用，在根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)， 以及針對具體應(yīng)用對象特點的軟件結(jié)合， 以作完善。本系統(tǒng)先將 220V 交流電通過電流電壓互感器處理成幾百毫伏的交流信號，然后由芯片 CS5463轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并

2、通過SPI 串口通信發(fā)送給51 單片機，最后由單片機處理并顯示在LCD12864上。關(guān)鍵詞： CS5463；電參數(shù)測量； 51 單片機； SPI 通訊word 完美格式專業(yè)資料目錄一、系統(tǒng)方案 .11、液晶顯示器件的論證與選擇12、數(shù)據(jù)采集模塊的論證與選擇13、方案描述1二、系統(tǒng)理論分析與計算.21、電流互感器22、電壓互感器：23、信號處理電路：24、電壓和電流測量計算35、功率測量計算3三、電路設(shè)計 .31、信號采集和處理電路32、單片機系統(tǒng)4四、程序設(shè)計 .4五、測試方案與測試結(jié)果.51、測試方案52、測試結(jié)果及分析6五、心得體會 .6參考文獻6附錄 1：完整的測試結(jié)果圖8附錄 2：電路

3、原理圖9附錄 3：源程序9word 完美格式專業(yè)資料單相用電器分析監(jiān)測裝置（K 題）【本科組】一、系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、單片機系統(tǒng)、液晶顯示模塊組成。下面分別論證這幾個模塊的選擇。1、液晶顯示器件的論證與選擇方案一：采用 LCD12864 液晶顯示屏該屏幕驅(qū)動簡單，顯示信息明確，價格低廉。與51 單片機兼容性良好。方案二：采用 LCD1206 液晶顯示屏該屏幕價格低廉，與51 單片機兼容性良好，但是顯示內(nèi)容有限，不能顯示詳細的信息。通過比較，我們選擇方案一。2、數(shù)據(jù)采集模塊的論證與選擇方案一：采用電流互感器與電流變送器。可以直接測得較為精確的電流，經(jīng)過加法器抬升后在送到單片機AD

4、采樣，可以得到與輸入信號一致的電流波形。方案二：采用電流互感器與電壓互感器。采用 CS5463 電能計量芯片， CT118F 電流互感器， ZMPT101B 電壓互感器，可以測出具體的電流值和電壓值。 CS5463 是一個包含模 -數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC ）、功率計算功能、電能到頻率轉(zhuǎn)換器和一個串行接口的完整的功率測量芯片。它可以精確測量瞬時電壓,電流和計算 IRMS、 VRMS 、瞬時功率、有功功率、無功功率。功能齊全。綜合以上兩種方案，選擇方案二。3、方案描述220V 交流信號經(jīng)過電流互感器及電壓互感器處理后變成幾百毫伏的交流信號，然后經(jīng)過電路將信號送入CS5463 芯片實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，再通過

5、串口通信將信號傳輸給51 單片機系統(tǒng)。單片機處理信號后顯示在液晶顯示器上。系統(tǒng)總體框圖如圖1.1 所示：word 完美格式專業(yè)資料數(shù)數(shù)液220V單晶據(jù)據(jù)交片顯采處流機示集理電器圖 1.1 系統(tǒng)總體框圖二、系統(tǒng)理論分析與計算1、電流互感器電流互感器采用 CT118F，體積小，精度高，一致性好。CT118F 結(jié)構(gòu)圖如圖 2.1 所示。圖 2.1 CT118F 電流互感器結(jié)構(gòu)圖2、電壓互感器：電壓互感器采用 ZMPT101B ，互感器結(jié)構(gòu)圖如圖2.2 所示。圖 2.2 ZMPT101B 結(jié)構(gòu)圖3、信號處理電路：CS5463 芯片是一個包含兩個 模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC ）、高速電能計算功能和一個串行接

6、口的高度集成的 模-數(shù)轉(zhuǎn)換器。圖如圖 2.3 所示它可以精確測量和計算有功電能、瞬時功率、 IRMS 和 VRMS ，用于研制開發(fā)單相 2 線或 3 線電表。 CS5460A 可以使用低成本的分流器或互感器測量電流，使用分壓電阻或電壓互感器測量電壓。CS5460A 具有與微控制器通訊的雙向串口，芯片的脈沖輸出頻率與有功能量成正比。CS5460A 具有方便的片上 AC/DC系統(tǒng)校準功能。word 完美格式專業(yè)資料圖 2.3 CS5463 引腳圖4、電壓和電流測量計算數(shù)字濾波器輸出字是基于 DC 偏移量調(diào)整和增益校準 (看系統(tǒng)校準部份 )。校準后測量的瞬時電壓 ,電流是有效的。 RMS 值是利用近

7、的 N（N 值放在周期計數(shù)寄存器中）個瞬態(tài)電壓 /電流采樣值計算，這些值可從 Vrms 和 Irms 寄存器中讀出。5、功率測量計算瞬態(tài)電壓 /電流的采樣數(shù)據(jù)相乘， 得到瞬時功率。 N 個瞬時功率平均計算出有功功率的值用來驅(qū)動電能脈沖E1 輸出。電能輸出E2 是可選的，可指示電能方向，也可輸出與視在功率成正比的脈沖。 電能輸出 E3 提供一個與無功功率或視在功率成正比的脈沖輸出。 E3 還能表示為電壓通道的電壓符號，或作為PFMON 比較器輸出。功率三、電路設(shè)計1、信號采集和處理電路220V 交流信號經(jīng)過電流互感器及電壓互感器處理后變成幾百毫伏的交流信號，然后經(jīng)過電路將信號送入CS5463 芯

8、片實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，信號采集和處理電路如圖3.1所示。word 完美格式專業(yè)資料圖 3.1信號采集和處理電路2、單片機系統(tǒng)本模塊是整個設(shè)計的核心部分，設(shè)計采用的是 STC89C52 單片機系統(tǒng)。 STC89C52 是 STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。 STC89C52 系統(tǒng)的原理圖如圖 3.2 所示。圖 3.2 STC89C52系統(tǒng)的原理圖四、程序設(shè)計本系統(tǒng)采用 C 語言編程，主函數(shù)調(diào)用編寫好的功能函數(shù)實現(xiàn)基本功能。功能函數(shù)有處理電壓信號的函數(shù)、處理電流信號的函數(shù)、處理功率信號的函數(shù)、處理溫度信號的函數(shù)。程序框圖如圖4

9、.1 所示。word 完美格式專業(yè)資料開始單片機接收信號電壓信號轉(zhuǎn)化為電壓值電流信號轉(zhuǎn)化為電流值功率信號轉(zhuǎn)化為功率值溫度信號轉(zhuǎn)化為功率值在屏幕上顯示結(jié)束圖 4.1 主函數(shù)程序框圖五、測試方案與測試結(jié)果1、測試方案（1）硬件測試檢查多次，硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。然后使用示波器測量采集模塊的波形，220V交流電經(jīng)電流互感器和電壓互感器后的信號波形如圖5.1 所示。word 完美格式專業(yè)資料圖 5.1硬件測試圖2、測試結(jié)果及分析測試結(jié)果如下表所示：（單位 /V /A /W / ）類型測試電流測試電壓測試功率負載性質(zhì)電磁爐5.79002331349感性電爐子

10、5性白熾燈0.271023363阻性機頂盒0.7215230165感性電熱水壺5.21732301200阻性電風扇0.273223062感性五、心得體會忙碌而又富有激情的四天電子大賽已經(jīng)過去了，通過這次比賽，我們受益匪淺。電子大賽不僅僅是一種理論知識的競賽，更是一種動手能力的比賽， 一種團隊精神的比賽，一種理論與實際結(jié)合的技能大賽。它需要我們具有足夠的能力做好比賽的每一個步驟，要有一顆永不言棄的心，一種強大的團隊精神，一種趨人進取的精神動力。在這次比賽過程中，我們從開始選題、方案論證與選擇到零器件的購買、硬件電路的設(shè)計、搭建、焊接與測試、程序調(diào)試付出的努力遠比其他高手

11、付出的多很多。最后在大家共同的努力下完成了比賽。參考文獻1 譚浩強 .C 語言程序設(shè)計 M. 北京 : 清華大學出版社 ,20122 張毅剛 . 單片機原理與應(yīng)用設(shè)計 M. 北京 : 電子工業(yè)出版社 ,2015word 完美格式專業(yè)資料3 基于集成芯片 CS5463的電測儀表的設(shè)計 J. 常鐵原 , 王素平 . 科技資訊 ,20134 劉月武 , 李杏春 . 新型單相雙向功率電能集成電路 CS5463 的原理與應(yīng)用 J.儀器儀表用戶 ,20105 張玲玲 . 基于 51 單片機的 LCD12864程序設(shè)計 J. 中小企業(yè)管理與科技 ( 中旬刊 ),2015word 完美格式專業(yè)資料附錄 1：完

12、整的測試結(jié)果圖word 完美格式專業(yè)資料附錄 2：電路原理圖附錄 3：源程序void main()CS5463_Init();LCM_init();/初始化液晶顯示器LCM_clr();/ 清屏chn_disp(tab1); / 顯示歡迎字DelayM(500);/ 顯示等留3 秒while(1)word 完美格式專業(yè)資料sta= CS5463_GetStatusReg();/ 檢測中斷產(chǎn)生的原因if(0x01=(sta&0x01)/ 讀取電流電壓CS5463_ResetStatusReg();/ 清除標志CS5463_GetVoltRMS();/ 獲取電壓CS5463_GetCurr

13、entRMS();/獲取電流CS5463_GetPactiveRMS();/獲取功率if(0x02=(sta&0x02)/ 讀取溫度CS5463_GetVoltRMS();/ 獲取電壓CS5463_GetTemperature();/溫度讀取不需要太頻繁，所以跟電流電壓一起讀取/CS5463_Init();/ 重新初始化芯片/SndCom1Data(MeasureData,16);static void CS5463_GetV oltRMS(void)float G = 0.5,result;/typedef floatfp32;就是浮點類型int temp1;/intuint8 te

14、mp,i,j;/byteCS5463ReadReg(REG_VRMSR,RX_Buff);/ 讀取電壓有效值i = 0;result = 0;while(i<3)temp = RX_Buffi;j = 0;while(j<8)if(temp&0x80)result += G;temp <<= 1;j+;G = G/2;i+;/ 電壓在 220 時取樣電壓為78mvword 完美格式專業(yè)資料result = result*CS5463_VScale;/V_Coff;/計算電壓值220V*250mv/(110mv/1.414)=704.8V可以暫時不用result

15、*= 100;/單位為 mV （毫伏）12345mv5 位你怎么顯示temp1 = (uint32)result;LCM_WriteDatOrCom(0,0x84);aa= temp1/10000;LCM_WriteDatOrCom(1,aa+0x30);bb= (temp1%10000)/1000;LCM_WriteDatOrCom(1,bb+0x30);cc=(temp1%1000)/100;LCM_WriteDatOrCom(1,cc+0x30);LCM_WriteDatOrCom(1,0x2e);dd= (temp1%100)/10;LCM_WriteDatOrCom(1,dd+0x3

16、0);ee=temp1%10;LCM_WriteDatOrCom(1,ee+0x30);LCM_WriteString(" V");static void CS5463_GetCurrentRMS(void)fp32 G = 0.5,result;uint32 temp1;uint8 temp,i,j;CS5463ReadReg(REG_IRMSR,RX_Buff);/ 讀取電流有效值i = 0;result = 0;while(i<3)temp = RX_Buffi;j = 0;while(j<8)if(temp&0x80)result += G;te

17、mp <<= 1;j+;G = G/2;i+;result = result*CS5463_IScale;/I_Coff;/ 計算電流值暫時不用word 完美格式專業(yè)資料result *= 1000;/ 單位 mA( 毫安 )12345matemp1 = (uint32)result;LCM_WriteDatOrCom(0,0x94);aa= temp1/10000;LCM_WriteDatOrCom(1,aa+0x30);bb= (temp1%10000)/1000;LCM_WriteDatOrCom(1,bb+0x30);cc=(temp1%1000)/100;LCM_Writ

18、eDatOrCom(1,cc+0x30);dd= (temp1%100)/10;LCM_WriteDatOrCom(1,dd+0x30);ee=temp1%10;LCM_WriteDatOrCom(1,ee+0x30);LCM_WriteString(" mA");static void CS5463_GetPactiveRMS(void)fp32 G = 1.0,result;uint8 temp,i,j;uint32 temp1;CS5463ReadReg(0x14,RX_Buff);/讀取有功功率REG_Pactivetemp = RX_Buff0;if(temp&a

19、mp;0x80)/ 如果為負數(shù)，計算原碼RX_Buff0 = RX_Buff0;/本來為取反 +1，這里因為精度的原因，不+1RX_Buff1 = RX_Buff1;RX_Buff2 = RX_Buff2;i = 0;result = 0;while(i<3)temp = RX_Buffi;j = 0;while(j<8)if(temp&0x80)result += G;temp <<= 1;j+;G = G/2;word 完美格式專業(yè)資料i+;result = result*13125;temp1 = (uint32)result;LCM_WriteDatOr

20、Com(0,0x8C);/26W12345Waa= temp1/10000;LCM_WriteDatOrCom(1,aa+0x30);bb= (temp1%10000)/1000;LCM_WriteDatOrCom(1,bb+0x30);cc=(temp1%1000)/100;LCM_WriteDatOrCom(1,cc+0x30);dd= (temp1%100)/10;LCM_WriteDatOrCom(1,dd+0x30);ee=temp1%10;LCM_WriteDatOrCom(1,ee+0x30);LCM_WriteString(" W");if(temp1>9)LED1 = 0;elseLED1 = 1;static void CS5463_GetPactiveRMS(void)fp32 G = 1.0,result;uint8 temp,i,j;uint32 temp1;CS5463ReadReg(0x14,RX_Bu