一個(gè)數(shù)字工頻電壓、電流表設(shè)計(jì)

1、摘 要在實(shí)際中，有效值是應(yīng)用最廣泛的參數(shù)，電壓表的讀數(shù)除特殊情況外，幾乎都是按正弦波有效值進(jìn)行定度的。有效值獲得廣泛應(yīng)用的原因，一方面是由于它直接反映出交流信號(hào)能量的大小，這對(duì)于研究功率、噪聲、失真度、頻譜純度、能量轉(zhuǎn)換等是十分重要的；另一方面，它具有十分簡(jiǎn)單的疊加性質(zhì)，計(jì)算起來(lái)極為方便。本文詳細(xì)介紹了一個(gè)數(shù)字工頻電壓、電流表設(shè)計(jì)，以AT89S52單片機(jī)為控制核心，由電壓、電流傳感器模塊，真有效值測(cè)量模塊，信號(hào)調(diào)理模塊，AD采集模塊及控制、顯示模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)采用電壓、電流互感器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行降壓處理，經(jīng)AD736轉(zhuǎn)換得到原信號(hào)的真有效值，由TLC549轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后送入單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行簡(jiǎn)要的數(shù)據(jù)

2、處理并將結(jié)果通過(guò)LCD實(shí)時(shí)顯示，達(dá)到了較好的性能指標(biāo)。關(guān)鍵詞：工頻數(shù)字電壓（電流）表 真有效值 AD736 TLC549 AT89S520 / 32AbstractIn practice, RMS is the most widely used parameters. Except in special circumstances,voltage meter readings almost all carried out by the RMS of sine wave . The reasons of RMS is widely available, on the one hand, beca

3、use it directly reflects the size of the exchange of signal energy, which the study of power, noise, distortion, spectrum purity, energy conversion, such as it is very important; On the other hand, it has a very simple superposition of the nature of the calculation will be extremely convenient. The

4、design of single-chip Atmel Corporation AT89S52 as control core, by the current sensor module, True RMS measurement modules, signal conditioning modules, AD acquisition and control module, display module. System uses a current sensor circuit for step-down of the input signal processing, has been con

5、verted by the original AD736 True RMS signal by the TLC549 convert into single-chip digital conducted after the brief and the results of data processing in real time through the LCD display, achieve a better performance.Keyword: Digital voltage(current) meter True RMS AD736 TLC549 AT89S52目 錄第一章 緒論1&

6、#167;1.1 選題背景及意義1§1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)1第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2§2.1 方案論證與比較22.1.1 電壓、電流變換部分22.1.2 有效值測(cè)量部分2§2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2第三章 硬件設(shè)計(jì)4§3.1 傳感器電路設(shè)計(jì)43.1.1 電壓互感器43.1.2 電流互感器4§3.2 真有效值轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)53.2.1 電壓、電流切換電路53.2.2 真有效值測(cè)量電路6§3.3 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)7§3.4 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)7§3.5 單片機(jī)及顯示電路設(shè)計(jì)9第四章 軟件設(shè)計(jì)10§4.1 LCD1602

7、液晶顯示程序10§4.2 A/D轉(zhuǎn)換程序10§4.3 主程序設(shè)計(jì)12第五章 系統(tǒng)調(diào)試及誤差分析13§5.1 系統(tǒng)調(diào)試及測(cè)試結(jié)果135.1.1 AD736測(cè)試結(jié)果135.1.2 OP07測(cè)試結(jié)果135.1.3 TLC549測(cè)試結(jié)果135.1.4 工頻電壓測(cè)量精度145.1.5 工頻電流測(cè)量精度14§5.2 誤差分析14§5.3 改進(jìn)方法15結(jié)束語(yǔ)16致 謝17參考文獻(xiàn)18附錄19附錄一 完整電路圖19附錄二 程序清單20第一章 緒論§1.1 選題背景及意義 在日常的生產(chǎn)、生活和科研中，工頻電無(wú)處不在，所謂工頻就是電力供電系統(tǒng)交流電的頻率

8、，我國(guó)國(guó)家規(guī)定工頻為50赫茲，即周期為0.02秒，英、美等國(guó)規(guī)定的工頻為60赫茲。因此，對(duì)工頻電的測(cè)量也是一個(gè)應(yīng)用廣泛的實(shí)際問(wèn)題。傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器在使用時(shí)需要預(yù)先估計(jì)待測(cè)值的測(cè)量范圍，多數(shù)情況下都要從較大量程檔位逐次向小量程檔位切換，增加了操作的復(fù)雜性，且易發(fā)生誤操作損壞儀器。 近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)在社會(huì)領(lǐng)域的滲透，單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地走向深入，同時(shí)帶動(dòng)傳統(tǒng)控制日新月異更新。在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)往往作為一個(gè)核心部件來(lái)使用。電子計(jì)算機(jī)的飛躍進(jìn)步，單片機(jī)的普及與推廣，為數(shù)字多用表智能化做出了貢獻(xiàn)。作為重要的測(cè)量工具，工頻有效值多用表的發(fā)展可以說(shuō)見(jiàn)證了現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和科技進(jìn)步。

9、從傳統(tǒng)的模擬多用表，到現(xiàn)在精確度和靈敏度越來(lái)越高的數(shù)字儀表，多用表的發(fā)展可謂是日新月異。目前的工頻有效值多用表的設(shè)計(jì)大概可以分為以下幾類(lèi)： （1）基于單片機(jī)的數(shù)字工頻有效值多用表，這類(lèi)儀表中，最有代表性的是89C52系列的。由于8位機(jī)在價(jià)格和性能方面的優(yōu)點(diǎn)，這類(lèi)儀表可以說(shuō)是越來(lái)越成熟，并且能根據(jù)不同的場(chǎng)合選用不同的核心芯片來(lái)滿足實(shí)際的要求。 （2）將傳統(tǒng)測(cè)量方法和現(xiàn)代數(shù)字化測(cè)量方法有機(jī)結(jié)合起來(lái)，能適用于工頻交流電特征，同時(shí)也能適用于非工頻電參數(shù)測(cè)量，以提高通用性。在這類(lèi)系統(tǒng)中，由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)量控制、數(shù)據(jù)分析處理、顯示和量程自動(dòng)轉(zhuǎn)化等功能；由CPLD器件和高速A/D芯片組成雙通道高速同步數(shù)據(jù)采集

10、電路，由鎖相倍頻電路實(shí)現(xiàn)工頻周期內(nèi)均勻等樣間隔。§1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)題目：基于單片機(jī)的工頻電壓（電流）表的設(shè)計(jì)1. 設(shè)計(jì)任務(wù)：（1）基本任務(wù)（必做）：了解工頻電壓有效值的檢測(cè)原理，設(shè)計(jì)及制作電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)50Hz，220V交流電壓有效值的檢測(cè)及顯示；（2）擴(kuò)展部分（選做）：實(shí)現(xiàn)對(duì)50Hz，220V交流電流有效值的檢測(cè)及顯示。2. 性能指標(biāo)：誤差：±5%第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)§2.1 方案論證與比較2.1.1 電壓、電流變換部分由于系統(tǒng)測(cè)量的是220V交流電有效值以及05A工頻電流有效值，需將大電壓、大電流變換為小電壓、電流后才能進(jìn)行測(cè)量。變換電路有以下兩種方案：方案

11、一：采用串聯(lián)電阻分壓，該方法精度不高，輸入輸出無(wú)隔離，電阻損耗的功率較大。方案二：采用電壓互感器，電壓互感器利用的是電磁感應(yīng)的原理，轉(zhuǎn)換精度高，輸入輸出處于隔離狀態(tài)，控制電壓比容易。經(jīng)上述比較，方案二明顯優(yōu)于方案一，故本文選用方案二，采用電壓互感器作為電壓變換電路。2.1.2 有效值測(cè)量部分測(cè)量有效值有三種方案：方案一：采用二極管整流電路，再通過(guò)峰值檢波電路測(cè)得峰值，然后根據(jù)波形因數(shù)求得相應(yīng)的有效值。方案二：利用單片機(jī)控制A/D對(duì)一個(gè)周期內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行連續(xù)多點(diǎn)采樣，然后在軟件中根據(jù)有效值計(jì)算公式，利用傅里葉變換等算法積分求平均得到有效值。方案三：采用專(zhuān)用有效值檢測(cè)芯片如AD736直接將交流信號(hào)轉(zhuǎn)

12、換直流有效值信號(hào)。方案一硬件電路較復(fù)雜，且能測(cè)得的波形有限，對(duì)不同的波形還需根據(jù)其波形因數(shù)采取不同的換算關(guān)系。方案二軟件算法過(guò)于復(fù)雜，編程難度較大，而方案三軟硬件都較簡(jiǎn)單，故設(shè)計(jì)中選用方案三。§2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)利用電壓/電流互感器和I/V 變換電路將工頻電壓/電流轉(zhuǎn)換為弱電壓。由模擬開(kāi)關(guān)選擇電壓或者電流通道，由此得到的仍然是交流信號(hào)，然后進(jìn)行有效值轉(zhuǎn)換，即可得直流信號(hào)。由于信號(hào)幅值偏小，經(jīng)過(guò)放大電路后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，所得數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后顯示。系統(tǒng)總體框圖如圖2-1所示。單片機(jī)信號(hào)調(diào)理顯示有效值轉(zhuǎn)換模擬開(kāi)關(guān)電壓互感器電壓互感器按鍵圖2-1 系統(tǒng)總框圖第三章

13、 硬件設(shè)計(jì)§3.1 傳感器電路設(shè)計(jì)3.1.1 電壓互感器電壓傳感器電路如圖3-1所示，圖中T1為電流型電壓互感器TV19。TV19匝數(shù)比為1000:1000，輸入電流0-5mA，非線性度<0.1%。電壓互感器工作原理為：不同的輸入電壓通過(guò)限流電阻，使一次側(cè)流過(guò)不同的電流，二次側(cè)得到一個(gè)與一次相同的電流。經(jīng)運(yùn)放或電阻直接取樣，得到不同的輸出電壓，采用運(yùn)放取樣精度更高。圖中運(yùn)算放大器與電阻構(gòu)成 I-U 轉(zhuǎn)換電路，由于運(yùn)算放大器的輸入阻抗非常高，可以認(rèn)為二次電流I2全部流入反饋電阻R2。同時(shí)運(yùn)算放大器的增益很高，因此，根據(jù)U = IR得電流傳感器電路的輸出端電壓為U0 = I2*R2

14、。D1、D2為限幅二極管，在過(guò)載的情況下可以有效的保護(hù)后級(jí)運(yùn)放不被損壞。C為相位補(bǔ)償電容，可以抑制高頻域的突起現(xiàn)象。圖3-1 電壓互感器電路運(yùn)放輸出電壓和互感器輸入電壓關(guān)系為：U0 = (Ui/R1*R2)。由于輸入電流<5mA，選擇輸入限流電阻R1 = 47K，當(dāng)輸入電壓為220V時(shí)，電流I = 220/47K = 4.68mA，由此求得的電阻功率P = U*I = 1.03W，故R1選擇功率為2W的碳膜電阻?？紤]到后級(jí)AD736輸入電壓有效值<200mV，故選擇取樣電阻R2 = 40。由于電壓互感器次級(jí)有線圈，運(yùn)放選用高輸入阻抗運(yùn)放TL082。3.1.2 電流互感器電流傳感器電

15、路如圖3-2所示，圖中T2為電流互感器TA12-200。TA12-200性能參數(shù)如下：變比2000:1，輸入電流0 5A，輸出電流0 2.5mA，非線性度 0.2%，相移 5。其工作原理為：次級(jí)電流將初級(jí)電流衰減了2000倍，得到0 2.5mA的小電流，再通過(guò)電阻或運(yùn)放取樣得到電壓信號(hào)。運(yùn)放工作原理同電壓互感器，輸出電壓U0 = I*R3。圖3-2 電流互感器電路考慮到后級(jí)AD736的輸入電壓< 200mV，選擇取樣電阻R3 = 100，可求得能夠測(cè)量的初級(jí)電流為0 4A。§3.2 真有效值轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)3.2.1 電壓、電流切換電路由于系統(tǒng)要求同時(shí)對(duì)電壓、電流進(jìn)行測(cè)量，故需對(duì)電

16、壓互感器和電流互感器的信號(hào)進(jìn)行通道選擇和切換。本設(shè)計(jì)采用模擬開(kāi)關(guān)CD4053實(shí)現(xiàn)通道切換，即在電壓、電流互感器后設(shè)置一CD4053，通過(guò)單片機(jī)輸出控制信號(hào)來(lái)控制通道切換，選擇某路信號(hào)進(jìn)行有效值轉(zhuǎn)換，應(yīng)用電路如圖3-3所示。CD4053是三路二選一模擬開(kāi)關(guān)，可由三位控制位分別選擇三路輸出，其真值表如表3-1所示。本設(shè)計(jì)中只用了一路，單片機(jī)P0.3口與A相連，由控制位A選擇輸出。表3-1 CD4053真值表Input StatesOn ChannelsENABC0000X0,Y0,Z00001X0,Y0,Z10010X0,Y1,Z00011X0,Y1,Z10100X1,Y0,Z00101X1,Y0

17、,Z10110X1,Y1,Z00111X1,Y1,Z11*NONE圖3-3 模擬開(kāi)關(guān)與真有效值轉(zhuǎn)換電路3.2.2 真有效值測(cè)量電路系統(tǒng)的核心是測(cè)量交流電壓、電流的有效值，因此有效值測(cè)量的精度將直接影響系統(tǒng)最終的精度。有效值測(cè)量集成電路視其測(cè)量范圍和精度有多種規(guī)格可選，較通用的有Analog公司的AD536、AD636、AD736及AD737等。考慮到成本等因素，系統(tǒng)選用的是AD736，應(yīng)用電路如圖3-3所示。該器件是按有效值隱含運(yùn)算而設(shè)計(jì)，能計(jì)算任意復(fù)雜波形的高精度真有效值-直流轉(zhuǎn)換器件，其精度優(yōu)于0.3%，波峰因素 5，相對(duì)穩(wěn)定時(shí)間快，是當(dāng)前集成真有效值轉(zhuǎn)換器性能較好的一種。AD736有效值

18、測(cè)量原理如下:一個(gè)交變信號(hào)的有效值定義為 （1）這里，為信號(hào)的有效值，T為測(cè)量時(shí)間，是一個(gè)時(shí)間的函數(shù)，但不一定是周期性的。對(duì)等式兩邊進(jìn)行平方得： （2）右邊的積分項(xiàng)可以用一個(gè)平均來(lái)近似 （3）這樣式（2）可以簡(jiǎn)化為： （4）等式兩邊除以得： （5）這個(gè)表達(dá)式就是測(cè)量一個(gè)信號(hào)真實(shí)有效值的基礎(chǔ)。AD736也是采用的這一原理。圖中CC為低阻抗輸入端耦合電容一般取值為1020uF；CF為輸出端濾波電容一般取10uF；CAV為平均電容，它是AD736的關(guān)鍵外圍元件，用于進(jìn)行平均值運(yùn)算。其大小將直接影響到有效值的測(cè)量精度，尤其在低頻時(shí)更為重要。多數(shù)情況下可選33uF。§3.3 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)前

19、級(jí)AD736的輸出信號(hào)最大幅值為200mV，后級(jí)TLC549的分辨率為5V/256即19.5mV，且具有±0.5LSB的誤差，所以要想達(dá)到題目要求的測(cè)量誤差±5%，就需要把AD736的輸出信號(hào)放大到400mV以上才行。由于AD的輸入電壓越大，轉(zhuǎn)換精度越高，考慮到TLC549參考電壓為+5V，且輸入工頻電壓具有±15%的誤差，采用同相放大電路，放大倍數(shù)設(shè)置為21倍。應(yīng)用電路如圖3-4所示，由OP07、R1、R2組成同向放大器，放大倍數(shù)A = 1 + R2/R1 = 21,對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行21倍的同向放大以保證系統(tǒng)的測(cè)量精度要求。圖3-4 信號(hào)調(diào)理電路§3.4

20、 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)TLC549是美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的8位串行A/D轉(zhuǎn)換器芯片，可與通用微處理器、控制器通過(guò)CLK、CS、DATA OUT三條口線進(jìn)行串行接口。具有4MHz片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘和軟、硬件控制電路，轉(zhuǎn)換時(shí)間最長(zhǎng)17s， TLC549為40 000次/S?？偸д{(diào)誤差最大為±0.5LSB，典型功耗值為6mW。采用差分參考電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍，VREF-接地，VREF+VREF- 1V，可用于較小信號(hào)的采樣。其應(yīng)用電路如圖3-5所示，CS、DO、CLK分別與AT89S52單片機(jī)的P0.0、P0.1、P0.2口相接。圖3-5 A/D轉(zhuǎn)換電路 TLC549均有

21、片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘，該時(shí)鐘與I/O CLOCK是獨(dú)立工作的，無(wú)須特殊的速度或相位匹配。其工作時(shí)序如圖3-6所示。圖3-6 TLC549操作時(shí)序一組通常的控制時(shí)序?yàn)椋?（1）將CS置低。內(nèi)部電路在測(cè)得CS下降沿后，再等待兩個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘上升沿和一個(gè)下降沿后，然后確認(rèn)這一變化，最后自動(dòng)將前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高位(D7)位輸出到DATA OUT端上。（2）前四個(gè)I/O CLOCK周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5個(gè)位(D6、D5、D4、D3)，片上采樣保持電路在第4個(gè)I/O CLOCK下降沿開(kāi)始采樣模擬輸入。（3）接下來(lái)的3個(gè)I/O CLOCK周期的下降沿移出第6、7、8(D2、D1、D0)個(gè)轉(zhuǎn)換位。 （4

22、）最后，片上采樣保持電路在第8個(gè)I/O CLOCK周期的下降沿將移出第6、7、8(D2、D1、D0)個(gè)轉(zhuǎn)換位。保持功能將持續(xù)4個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘周期，然后開(kāi)始進(jìn)行32個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘周期的A/D轉(zhuǎn)換。第8個(gè)I/O CLOCK后，CS必須為高，或I/O CLOCK保持低電平，這種狀態(tài)需要維持36個(gè)內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘周期以等待保持和轉(zhuǎn)換工作的完成。如果CS為低時(shí)I/O CLOCK上出現(xiàn)一個(gè)有效干擾脈沖，則微處理器/控制器將與器件的I/O時(shí)序失去同步；若CS為高時(shí)出現(xiàn)一次有效低電平，則將使引腳重新初始化，從而脫離原轉(zhuǎn)換過(guò)程。§3.5 單片機(jī)及顯示電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)作為主控制器，LCD1602

23、液晶顯示電壓和電流有效值。AT89S52具有功能強(qiáng)、體積小、成本低、功耗小等特點(diǎn)，它可單獨(dú)地完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能，能在軟件的控制下準(zhǔn)確、迅速、高效地完成程序設(shè)計(jì)者事先規(guī)定的任務(wù)。系統(tǒng)顯示采用常用的字16字X2行的字符型液晶模塊，其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等諸多優(yōu)點(diǎn)，使得在各類(lèi)儀表和低功耗系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。與數(shù)碼管相比該模塊還有位數(shù)多、顯示內(nèi)容豐富、程序簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用接口電路如圖3-7所示，包括單片機(jī)、復(fù)位電路、晶振電路、LCD1602。單片機(jī)P2.0P2.2口作為L(zhǎng)CD的控制口，P1口為L(zhǎng)CD的并行數(shù)據(jù)口,AT89S52對(duì)TLC549轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處

24、理后通過(guò)LCD實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。圖3-7 單片機(jī)與顯示電路第四章 軟件設(shè)計(jì)§4.1 LCD1602液晶顯示程序LCD1602是一種用點(diǎn)陣圖形來(lái)顯示字符的液晶顯示器，其最多可以顯示2行，每行16個(gè)字符。模塊內(nèi)部自帶字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM）,字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫(xiě)、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫(xiě)的英文字母“A”的代碼是（41H），顯示時(shí)模塊把代碼41H發(fā)給液晶模塊，我們就能在液晶上看到字母“A”1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，豐富的指令可以完成液晶的時(shí)序控制、工作方式式設(shè)置和數(shù)據(jù)顯示等。向LCD寫(xiě)指令時(shí)，將RS端選中為指令寄

25、存器，R/W選中為寫(xiě)模式，P2.2腳發(fā)出高低電平的跳變，即可將指令碼通過(guò)P1口送給LCD。寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，只需將RS端改為數(shù)據(jù)寄存器即可。其操作時(shí)序如圖4-1所示。圖4-1 LCD1602操作時(shí)序§4.2 A/D轉(zhuǎn)換程序TLC549是8位串行AD，與單片機(jī)只有三個(gè)接口：CS、CLK、DO。CS是片選信號(hào)，CLK是數(shù)據(jù)操作時(shí)鐘，DO是串行數(shù)據(jù)輸出口。程序流程圖如圖4-2所示。NY結(jié)束選中TLC549，CS置低CS置高是第8位？初始化,CS為高,CLK為低,移位計(jì)數(shù)位01.4us后，置CLK為高讀DO，置CLK為低圖4-2 AD轉(zhuǎn)換流程圖A/D轉(zhuǎn)換，TLC549操作子程序如下所示：unsign

26、ed char TLC549_ADC()uchar i;uchar ad_data;CS=1;CLK=0;CS=0;_nop_();_nop_();for(i=0;i<8;i+)ad_data<<=1;ad_data|=DO;CLK=1;_nop_();CLK=0;CS=1;for(i=17;i>0;i-) _nop_();return(ad_data);§4.3 主程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)上電復(fù)位后，從主程序開(kāi)始執(zhí)行。主程序需將A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，轉(zhuǎn)換位十進(jìn)制數(shù)，并送到LCD顯示。程序中為提高測(cè)量精度，對(duì)A/D采樣得到的數(shù)據(jù)采取均值濾波的算法，即求多次采樣

27、數(shù)據(jù)的平均值。程序中，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果的誤差，在軟件中進(jìn)行補(bǔ)償。主程序流程圖如圖4-3所示。開(kāi)始顯示電壓求平均值求平均值A(chǔ)D轉(zhuǎn)換AD轉(zhuǎn)換電流檔電壓檔SEL=0？初始化YN圖4-3 主程序流程圖第五章 系統(tǒng)調(diào)試及誤差分析§5.1 系統(tǒng)調(diào)試及測(cè)試結(jié)果在系統(tǒng)整體調(diào)試時(shí)，若調(diào)試不成功，由于整體焊接已經(jīng)完成，很難檢查到底哪部分有錯(cuò)誤。為此，我們采用了邊焊接邊調(diào)試的方法，即將系統(tǒng)分成若干模塊，每個(gè)模塊完成后就進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，最后再進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。調(diào)試過(guò)程中，用到的儀器設(shè)備如下：直流穩(wěn)壓電源、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、示波器、萬(wàn)用表等。5.1.1 AD736測(cè)試結(jié)果在本設(shè)計(jì)中真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD736是系統(tǒng)

28、的核心，其精度將直接影響系統(tǒng)整體測(cè)量精度。為驗(yàn)證其精度，對(duì)AD736模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表5-1所示。表 5-1 AD736測(cè)試結(jié)果輸入電壓有效值(mV)103050100120150180200輸出電壓有效值(mV)9.8130.0550.09100.50120.94150.01180.98201.3平均誤差0.59%5.1.2 OP07測(cè)試結(jié)果OP07構(gòu)成了后級(jí)同相放大電路，其理論設(shè)計(jì)放大倍數(shù)為 A = 21。實(shí)際測(cè)試結(jié)果如表5-2所示。表5-2 OP07測(cè)試結(jié)果輸入直流電壓(mV)5080100130150180200輸出直流電壓(V)1.051.672.092.723.153.

29、774.18平均放大倍數(shù)20.935.1.3 TLC549測(cè)試結(jié)果A/D轉(zhuǎn)換精度關(guān)系到測(cè)得電壓值精度，TLC549是8位串行A/D，參考電壓為+5V，其分辨率F = 5/256 = 19mV。測(cè)試結(jié)果如表5-3所示。表5-3 TLC549測(cè)試結(jié)果輸入直流電壓(V)0.000.401.662.563.154.104.574.90測(cè)得電壓值(V)0.010.411.642.543.134.094.594.93平均誤差±1.2%5.1.4 工頻電壓測(cè)量精度系統(tǒng)所有模塊焊接完成后，就可以進(jìn)行聯(lián)調(diào)，由于工頻電網(wǎng)電壓存在±15%的誤差，在不同時(shí)間段測(cè)試結(jié)果如表5-4所示。 采用3位半萬(wàn)

30、用表測(cè)得值作為標(biāo)準(zhǔn)值。表5-4 電壓測(cè)量結(jié)果萬(wàn)用表測(cè)得值(V)215217219221216217系統(tǒng)測(cè)得值(V)216218218223217219平均誤差0.46%5.1.5 工頻電流測(cè)量精度電流測(cè)量時(shí)，選用功率為300W左右的電熱杯作負(fù)載，F(xiàn)LUKE鉗形電流表測(cè)得值作為標(biāo)準(zhǔn)值。測(cè)試結(jié)果如表5-5所示。表5-5 電流測(cè)量結(jié)果鉗形表測(cè)得值(A)1.501.551.541.561.571.53系統(tǒng)測(cè)得值(A)1.491.531.541.551.561.54平均誤差0.44%§5.2 誤差分析從測(cè)試結(jié)果可知，電壓測(cè)量誤差為，電流測(cè)量誤差為，小于題目要求的±5%，分析誤差來(lái)源，

31、主要有以下原因：1. 電壓互感器、電流互感器存在非線性誤差。2. 電壓互感器輸入限流電阻R1工作時(shí)功率達(dá)到1W，發(fā)熱量較大，致使其溫度升高電阻變小，而運(yùn)放采樣輸出電壓Uv = (Ui/R1)*R2，從而是輸出電壓變高，測(cè)得電壓有效值變大。3. AD736轉(zhuǎn)換誤差及OP07放大電路誤差。4. TLC549參考電壓波動(dòng)會(huì)引起AD轉(zhuǎn)換誤差，以及分辨率有限和±0.5LSB誤差。5. 電路板為手工焊接，電磁兼容性考慮不周和外界的電磁干擾。§5.3 改進(jìn)方法本設(shè)計(jì)雖然完成了題目要求的功能與性能指標(biāo)，但仍有許多地方可以改進(jìn)。例如：輸入的工頻電壓中存在豐富的高頻諧波分量，為達(dá)到更高的精度可

32、考慮在電壓互感器后設(shè)置一低通濾波器，保留50HZ基頻信號(hào)，濾除高頻諧波分量；由于電流測(cè)量范圍為05A，當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí)，為保證較高的測(cè)量精度，可在電流互感器后設(shè)置一程控放大電路以切換量程，提高小電流的測(cè)量精度。結(jié)束語(yǔ)經(jīng)過(guò)20天得團(tuán)結(jié)協(xié)作，我們圓滿完成了此次實(shí)習(xí)任務(wù)，作品達(dá)到了題目要求的各項(xiàng)性能指標(biāo)。本次實(shí)習(xí)是為畢業(yè)設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備、打好基礎(chǔ)，通過(guò)這次實(shí)習(xí)，我們熟悉了一個(gè)課題或項(xiàng)目的完成過(guò)程，從查找資料，確定方案，設(shè)計(jì)電路，軟件編寫(xiě)，焊接電路，系統(tǒng)調(diào)試到最后的報(bào)告撰寫(xiě)，每一個(gè)過(guò)程我們都學(xué)到了很多，收獲了很多，理論設(shè)計(jì)和動(dòng)手實(shí)踐能力得到了很大提升。在實(shí)習(xí)過(guò)程我們小組分工明確，既有自己獨(dú)立完成的模塊又緊

33、密配合，因此 得以順利完成課題。實(shí)習(xí)成果不是單一知識(shí)的結(jié)晶，實(shí)習(xí)遇到了好多難題，學(xué)過(guò)的一些知識(shí)點(diǎn)有 所遺忘，我們完成課題的同時(shí)也鞏固了理論知識(shí)。通過(guò)實(shí)習(xí)理論聯(lián)系實(shí)際，以前一些不甚理解的理論也變得容易理解了。與此同時(shí)我們也學(xué)到了一些寶貴的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，例如：這次實(shí)習(xí)的課題是工頻電壓表的設(shè)計(jì)，由于事前對(duì)220V電壓重視不夠，在電路測(cè)試階段不小心將工頻電壓用表筆短接，導(dǎo)致電路板部分模塊燒壞，不得不重新焊接；再有，學(xué)電磁兼容課時(shí)布線的要求都很了解，但在本次實(shí)習(xí)時(shí)卻沒(méi)有用上，電路走線不夠規(guī)范，以致模塊之間相互干擾，最后不得以把電路分在兩塊板上。這些讓我們明白了手工焊接硬件電路最后的效果可能會(huì)理論設(shè)計(jì)有較大區(qū)

34、別，需要細(xì)致調(diào)試。我們想有了這些教訓(xùn)，以后我們小組都不會(huì)再犯類(lèi)似錯(cuò)誤。這次做實(shí)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)也會(huì)使我們終身受益，我們感受到做論文是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己研習(xí)和研究的過(guò)程。希望這次的經(jīng)驗(yàn)?zāi)茏屛覀冊(cè)谕髮W(xué)習(xí)中驅(qū)策我們繼續(xù)前進(jìn)。 致 謝時(shí)光匆匆如流水，轉(zhuǎn)眼二十天的暑期實(shí)習(xí)即將結(jié)束，實(shí)習(xí)論文的的完成也隨之進(jìn)入了尾聲。從開(kāi)始進(jìn)入設(shè)計(jì)到論文的順利完成，一直都離不開(kāi)老師、同學(xué)給我們小組熱情的幫助，在這里請(qǐng)接受我們誠(chéng)摯的謝意!在本次實(shí)習(xí)設(shè)計(jì)過(guò)程中，XXX教授對(duì)本次實(shí)習(xí)課題從構(gòu)思、資料收集到最后報(bào)告撰寫(xiě)的各個(gè)環(huán)節(jié)給予細(xì)心指引與教導(dǎo)，使我們對(duì)工頻電壓表的設(shè)計(jì)有了深刻的認(rèn)識(shí)，在此表示衷心感謝。X老師嚴(yán)

35、謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、豐富淵博的知識(shí)、 積極進(jìn)取的科研精神以及誨人不倦的師者風(fēng)范是我們終生學(xué)習(xí)的楷模。此外，要向帶國(guó)賽小組仍要在百忙之中抽時(shí)間對(duì)本次實(shí)習(xí)進(jìn)行檢查、評(píng)審的XXX老師表示感謝！同時(shí)，也要感謝XXX、XXX老師，他們?cè)诒敬螌?shí)習(xí)的硬件調(diào)試階段給出了許多寶貴意見(jiàn)和建議。老師們高深精湛的造詣與嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)精神將永遠(yuǎn)激勵(lì)著我們。最后感謝XX學(xué)院給我們提供充足的實(shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)和這么好的硬件實(shí)習(xí)環(huán)境，使得本次實(shí)習(xí)得以順利結(jié)束，并極大提高了我們的理論和動(dòng)手能力，為以后的畢業(yè)論文設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1 劉春生，真有效值A(chǔ)C/DC轉(zhuǎn)換器AD736及其在RMS儀表電路中的應(yīng)用，國(guó)外電子元器件，2001，9

36、。2 熊光宇，真RMS-DC變換器AD736/AD737，1995，6。3 雷葆華，梁金海，劉俊，數(shù)字式自動(dòng)量程工頻有效值多用表，應(yīng)用科技，2000,1。4 梁琴，AD637高精度真有效值數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)，應(yīng)用研究，2008，11。5 楊米俠，萬(wàn)建軍，基于TLC549的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電子元器件應(yīng)用，2009，9。5 趙新民，王祁，智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1999。6 楊代華等，單片機(jī)原理及應(yīng)用，武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2000。7 張永瑞等，電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)，西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1994。8 費(fèi)業(yè)泰，誤差理論與數(shù)據(jù)處理(第五版)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2

37、004，6。9 Low Cost，Low Power，True RMS-to-DC Converter AD736 Corp，Analog Device，USA，1995附 錄附錄一 完整電路圖附錄二 程序清單#include <reg51.h>#include <intrins.h>#include <string.h>#include <stdarg.h>#include <stdio.h>sbit LCD_RS = P20; /定義P2.0口為L(zhǎng)CD的RS腳sbit LCD_RW = P21; /定義P2.1口為L(zhǎng)CD的RW腳s

38、bit LCD_EN = P22; /定義P2.2口為L(zhǎng)CD的EN腳sbit CS = P00;sbit DO = P01;sbit CLK = P02;sbit MUXO = P03;sbit MUXI = P04;#define LCD_DATA P1 /定義P4口為L(zhǎng)CD的數(shù)據(jù)線#define uint unsigned int#define uchar unsigned charuint Volt=0;uint Curt=0;uchar Voltage6;uchar Current6;void Delay(uint t);void LCD1602_Init();void LCD1602

39、_Write(uchar dat,uchar cd);void LCD1602_SetPos(uchar x,uchar y);/*向LCD屏幕上輸出一串字符函數(shù)*/void LCD1602_Print( uchar x,uchar y,unsigned char *pszFormat, . )uchar str17;/定義數(shù)組str,記錄要顯示的字符，字符串以'0'結(jié)尾uchar n,i;/*以下4行所用函數(shù)定義于stdarg.h中實(shí)現(xiàn)的功能是將pszFormat指向的內(nèi)容給str*/va_list va;va_start(va, pszFormat);vsprintf(st

40、r,pszFormat,va);va_end(va); LCD1602_SetPos(x,y); /設(shè)置LCD的行列地址n = strlen(str); /記錄str長(zhǎng)度f(wàn)or( i=0;i<n;i+ )LCD1602_Write(stri,1);/向LCD寫(xiě)入要顯示的字符/*延時(shí)函數(shù)*/void delay(uint k) uint i,j; for(i=0;i<k;i+) for(j=0;j<200;j+); /*LCD初始化函數(shù)*/void LCD1602_Init()LCD_EN = 0; /給LCD使能端一個(gè)高低電平跳變Delay(15);/*三次顯示模式設(shè)置*/L

41、CD1602_Write(0x30,0); / F1顯示模式設(shè)置Delay(1);LCD1602_Write(0x30,0); / F2Delay(1);LCD1602_Write(0x30,0); / F3Delay(1);LCD1602_Write(0x01,0); /clear，清顯示屏Delay(1);LCD1602_Write(0x0c,0); /開(kāi)顯示、光標(biāo)，光標(biāo)閃爍Delay(1);LCD1602_Write(0x3c,0);/8位總線，雙行顯示/Delay(1);/*LCD顯示地址設(shè)置*/void LCD1602_SetPos(uchar x,uchar y)if( x = 0

42、 ) LCD1602_Write(0x80+y,0);/第一行，地址碼+0x80else if(x = 1) LCD1602_Write(0xC0+y,0);/第二行，地址碼+0xc0/*向LCD寫(xiě)數(shù)據(jù)或指令*/void LCD1602_Write(uchar dat,uchar cd)uchar i;LCD_RS = cd;/cd=1,選中數(shù)據(jù)寄存器，cd=0選中指令寄存器LCD_RW = 0;/RW低電平進(jìn)行寫(xiě)操作LCD_EN = 1;LCD_DATA = dat; /將數(shù)據(jù)或指令送給LCDfor( i=80;i>2;i- ) ;/延時(shí)/Delay(1);LCD_EN = 0;/EN端由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，LCD執(zhí)行命令LCD_RW = 1;for( i=80;i>2;i