關(guān)于測(cè)試電源PF數(shù)值的方案設(shè)計(jì)同實(shí)踐設(shè)計(jì)

1、關(guān)于測(cè)試電源PF數(shù)值的方案設(shè)計(jì)同實(shí)踐設(shè)計(jì)硬件：熊威 軟件：彭靈設(shè)計(jì)指導(dǎo)：劉剛2014.10.10摘要 本次設(shè)計(jì)的功率測(cè)試儀是基于仿遠(yuǎn)方PF9800智能電量測(cè)試儀制作，基于ATMEGA12的單片機(jī)測(cè)量電流、電壓、功率和功率因數(shù)的儀器。通過與電能計(jì)量芯片CS5460A之間的SPI通信，可讀取顯示電流有效值、電壓有效值、功率有效值及功率因數(shù)等功能。 本設(shè)計(jì)電壓采樣電路經(jīng)分壓電路，電流采樣電路采用霍爾電流傳感器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，然后將電壓、電流采樣信號(hào)進(jìn)行程控放大后送入電能計(jì)量芯片。 模塊簡(jiǎn)單，性價(jià)比高，移植性強(qiáng)。目錄u第一章 緒論u第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)u第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)u第四章 軟件

2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)u第五章 改進(jìn)和后期跟進(jìn)關(guān)于測(cè)試電源PF數(shù)值的方案設(shè)計(jì)同實(shí)踐設(shè)計(jì)n第一章 緒論1.1 設(shè)計(jì)需求 隨著公司部分項(xiàng)目產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，某些客戶要求測(cè)試電流、電壓、功率和功率因數(shù)等電氣參數(shù)。例如：EDIE ADVANCED 客戶之前要求測(cè)試EDIE的動(dòng)態(tài)電流、靜態(tài)電流等參數(shù)，隨著產(chǎn)品生產(chǎn)，又提出希望能增加顯示測(cè)試電壓、功率、功率因數(shù)等參數(shù)，因此考慮增加功率因數(shù)測(cè)試模塊。 鑒于以往SCJ項(xiàng)目測(cè)試的一些經(jīng)驗(yàn)，該測(cè)試儀要求能一板多臺(tái)測(cè)試、可與PC通信顯示、可在線仿真燒錄，并且測(cè)試板價(jià)格要合理。所以設(shè)計(jì)時(shí)考慮做成模塊化，具有成本較低，易維修，易普及和易移植等特點(diǎn)。1.2 系統(tǒng)功能和參數(shù)說明： 四窗口同

3、時(shí)顯示:電壓,電流,功率,功率因數(shù)/頻率。 電壓:75V/150V/300V/600V 電流:0.5A/2A/8A/20A 功率因數(shù):-1.0001.000 基頻:45Hz65Hz 自動(dòng)量程切換： 量程增大：測(cè)量值超過110%額定量程 量程減?。簻y(cè)量值低于20%額定量程 精度:(0.4%讀數(shù)+0.1%量程+1個(gè)字) 配有標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口，便于儀器與外界設(shè)備（PC）聯(lián)接?？稍诰€仿真燒錄程序。 可用于交流信號(hào)的測(cè)量,還可以用于直流信號(hào)以及交直流信號(hào)的測(cè)量,同時(shí)還可擴(kuò)展到具備電流、功率的上下限設(shè)定及超限聲光報(bào)警功能 校準(zhǔn)和設(shè)計(jì)過程中使用的儀器： 交流功率源：EXTECH 6700 SERIES

4、 PROGRAMMABLE AC POWER SOURCE 示波器：Tektronix TDS2014B 電壓表：Fluke 15B Digital Multmeter關(guān)于測(cè)試電源PF數(shù)值的方案設(shè)計(jì)同實(shí)踐設(shè)計(jì)n第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.2 原理框圖 儀器主要由輸入（電壓輸入和電流輸入電路）、微型計(jì)算機(jī)、顯示和接口部分組成 在電壓輸入電路中，輸入電壓經(jīng)分壓器后進(jìn)行程控放大，再送入A/D轉(zhuǎn)換器 在電流輸入電路中，取樣電流傳感器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)進(jìn)行程控放大后，再送入A/D轉(zhuǎn)換器 電壓和電流輸入信號(hào)經(jīng)A/D變換后送入微型計(jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。自動(dòng)量程切換、數(shù)據(jù)運(yùn)算、顯示及

5、輸出控制也都是由微型計(jì)算機(jī)完成2.3 理論公式說明 功率因子表征著電路輸出有功功率的能力。功率是能量的傳輸率的度量，在直流電路中它是電壓V和電流A的乘積。在交流系統(tǒng)里則要復(fù)雜些：即有部分交流電流在負(fù)載里循環(huán)不傳輸電能，它稱為電抗電流或諧波電流，它使視在功率大于實(shí)際功率。視在功率和實(shí)際功率的不等引出了功率因數(shù)，功率因數(shù)等于實(shí)際功率與視在功率的比值。所以交流系統(tǒng)里實(shí)際功率等于視在功率乘以功率因數(shù)。 即：功率因數(shù)=實(shí)際功率/視在功率。 功率因數(shù)的取值范圍為-1到+1區(qū)間，大小與電路的負(fù)載性質(zhì)有關(guān)，負(fù)載通常分為三種：阻性、感性、容性。純阻性的負(fù)載功率因數(shù)為1，如白熾燈、電熱絲等電阻負(fù)載的功率因數(shù)為1。

6、感性負(fù)載通常指電磁設(shè)備，如交流電機(jī)、變壓器、電感器等、容性負(fù)載是指電容負(fù)載，電感或電容性負(fù)載的電路功率因數(shù)都小于1 定義：電壓真有效值（URMS）、電壓瞬時(shí)值（Ui）、電流真有效值（IRMS）、電流瞬時(shí)值（Ii）、有功（平均）功率（P）和功率因數(shù)（PF）、視在功率(PA) 視在功率2=有功功率2 + 無功功率2 視在功率(PA) = URMS * IRMS 功率因數(shù)=有功功率/視在功率2.4 總體方案介紹 本測(cè)試儀基于ATMEGA128為核心MCU，通過電流和電壓采樣電路分別采樣，以及運(yùn)算放大電路和HCF4053自動(dòng)量程電路進(jìn)行信號(hào)的縮放，通過電能計(jì)量芯片CS5460A讀取電流和電壓采樣A/D

7、，然后MCU通過SPI通信，讀取瞬時(shí)電流、瞬時(shí)電壓、有效電流、有效電壓和有功功率等參數(shù)，并通過MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算得出功率因數(shù)，通過LCD1602顯示電流有效值、電壓有效值、有功功率及功率因數(shù)等參數(shù)。 可通過按鍵切換實(shí)現(xiàn)CS5460A的系統(tǒng)偏置校準(zhǔn)和系統(tǒng)增益校準(zhǔn)（可校準(zhǔn)直流電壓、交流電壓、直流電流和交流電流）等不同的校準(zhǔn)功能，并可實(shí)現(xiàn)上下限設(shè)定、報(bào)警等功能。關(guān)于測(cè)試電源PF數(shù)值的方案設(shè)計(jì)同實(shí)踐設(shè)計(jì)n第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)采樣電路和自動(dòng)量程切換電路電源電路、單片機(jī)外圍電路、電能計(jì)量電路實(shí)物圖片3.1 各電路模塊說明 電源模塊： 測(cè)試板由DC +12V火牛供電，以LM2676為+5V降壓穩(wěn)壓IC，最大

8、可輸出3A電流，以LT1931將+5V電源轉(zhuǎn)換為-5V負(fù)壓源，最大可輸出300mA電流。 RS-232模塊： 采用隔離IC ADM3251E作為RS-232通信，與傳統(tǒng)MAX232比較，該IC價(jià)格較貴，但是可大大減少在生產(chǎn)測(cè)試過程中MAX23芯片在高、低壓或者PC或產(chǎn)線公共地接地錯(cuò)誤等問題造成的測(cè)試板MAX232燒毀問題。 顯示模塊 將原來的4個(gè)7位數(shù)碼管顯示改為L(zhǎng)CD-1602A顯示，大大減小模塊面積，降低模塊成本。 采樣模塊： 電壓采樣經(jīng)分壓器（400:1）后進(jìn)行程控放大。 電流采樣利用霍爾傳感器（2000:1）后進(jìn)行程控放大 采樣輸入端需要加入二極管箝位電壓保護(hù)電路 程控放大模塊： 利用

9、OP07、NE5532和LF353運(yùn)算放大器做跟隨、放大、縮小等 利用HCF4053作為程控IC，根據(jù)MCU獲得的A/D大小自動(dòng)判斷切換放大比例做到自動(dòng)量程切換 電能計(jì)量模塊： 使用電能計(jì)量IC CS5460A，減少A/D芯片和真有效值芯片的只用，減少生產(chǎn)成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜度 可以從串行EEPROM X5045智能“自引導(dǎo)”存儲(chǔ) 可通過系統(tǒng)偏置和增益校準(zhǔn)提高采樣精度 單片機(jī)系統(tǒng)模塊： 之前因考慮功能擴(kuò)展等問題，選擇引腳較多的ATM128，實(shí)際生產(chǎn)測(cè)試板可選擇更加便宜的AT89C52等MCU 預(yù)留部分I/O口，可擴(kuò)展功能，以防客戶增加測(cè)試功能 可增加LED指示電路，顯示屏幕刷新和采樣間隔指示3.2

10、Layout中需要注意的問題和要點(diǎn) 1.電流與電壓采樣模塊部分因?yàn)橛懈摺⒌碗妷汉痛?、小電流，所以在Layout時(shí)一定要合理布局布線，注意可能出現(xiàn)高、低壓和大、小電流部位的元器件和走線間隔，以避免安全問題。 2.因?yàn)闇y(cè)試的信號(hào)范圍大，有些時(shí)候會(huì)有極低的信號(hào)。所以在信號(hào)的經(jīng)過運(yùn)放縮放部位，信號(hào)走線盡量短以避免干擾影響精度。 3.布局時(shí)要充分考慮以后在生產(chǎn)過程中的一些問題，考慮到生產(chǎn)效率問題，往往一塊測(cè)試板可能需要測(cè)試6到10臺(tái)產(chǎn)品，所以布局要盡量緊湊，減小整個(gè)拼板的面積，方面生產(chǎn)時(shí)測(cè)試板的擺放和調(diào)試等問題。考慮到維修問題，布局要注意元件位置，并盡量模塊化，并避免出現(xiàn)一個(gè)模塊損壞影響整塊測(cè)試板的測(cè)試

11、等情況。 4.鋪銅過程中設(shè)置好柵格間距等，避免孤立銅以及部分元件與鋪銅間距。關(guān)于測(cè)試電源PF數(shù)值的方案設(shè)計(jì)同實(shí)踐設(shè)計(jì)n第四章 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1 軟件系統(tǒng)需求 1.顯示程序：四窗口同時(shí)顯示:電壓,電流,功率,功率因數(shù)/頻率 2.按鍵校準(zhǔn)等程序：可切換實(shí)現(xiàn)CS5406A的系統(tǒng)偏置校準(zhǔn)和系統(tǒng)增益校準(zhǔn)（可校準(zhǔn)直流電壓、交流電壓、直流電流和交流電流）等不同的校準(zhǔn)功能，并可實(shí)現(xiàn)上下限設(shè)定、報(bào)警等功能。 3.與PC通信模塊程序：將MCU獲取與運(yùn)算后的最終信息傳遞顯示到PC上顯示。4.2 軟件調(diào)試中的問題 1.經(jīng)過系統(tǒng)偏置校準(zhǔn)和系統(tǒng)增益校準(zhǔn)后，測(cè)量結(jié)果與實(shí)際結(jié)果值仍有偏差，且偏差不成線性關(guān)系，解決方案：采

12、用分段做軟件補(bǔ)償校準(zhǔn)，提高測(cè)試精度。 2.計(jì)算測(cè)量結(jié)果時(shí)，浮點(diǎn)運(yùn)算很占CPU資源，導(dǎo)致按鍵掃描有時(shí)INT，解決方案：采用分時(shí)采樣計(jì)算，分時(shí)顯示結(jié)果。 3.系統(tǒng)偏置校準(zhǔn)和系統(tǒng)增益校準(zhǔn)中直流電壓、交流電壓、直流電流和交流電流校準(zhǔn)問題。關(guān)于測(cè)試電源PF數(shù)值的方案設(shè)計(jì)同實(shí)踐設(shè)計(jì)n第五章 改進(jìn)和后期跟進(jìn) 需要改進(jìn)的地方： 徹底刪除板上7段數(shù)碼管顯示模塊，減小模塊面積 調(diào)整LCD和蜂鳴器的布局位置，使其更合理 實(shí)際測(cè)試板可將ATM128更改為更便宜的ATM89C52等MCU 需要注意和增加的地方 當(dāng)測(cè)量大電流或是電壓或電流包含高頻成分，接線時(shí)應(yīng)特別注意可能會(huì)相互產(chǎn)生干擾和噪音問題 導(dǎo)接線應(yīng)盡可能短 測(cè)量電

13、流時(shí)盡可能使用粗導(dǎo)線 為減少對(duì)地的分布電容，導(dǎo)線及接地線應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離一起外殼 ATM128的復(fù)位信號(hào)與X5045的復(fù)位信號(hào)電平相反，所以如果使用ATM128時(shí)可選擇X5043作為EEPROM芯片，否則需要增加電平轉(zhuǎn)換電路 設(shè)計(jì)體會(huì)： 增加對(duì)于常用采用電路設(shè)計(jì)方案的了解，知道了很多對(duì)于交直流信號(hào)采用電路方案，以及在采樣過程中需要規(guī)避和注意的知識(shí)，加深了對(duì)于高、低電壓電路布局和Layout的知識(shí) 加深了對(duì)于基本運(yùn)算放大器組成的各種應(yīng)用電路的理解，對(duì)于運(yùn)算放大器做跟隨、同相放大電路、反相放大電路等應(yīng)用的作用和原理有了更好的理解 對(duì)于制作生產(chǎn)自動(dòng)測(cè)試機(jī)架的考慮，有了一個(gè)很好的總結(jié)。在以后的測(cè)試板制作過程中，一定要充分考慮易于移植、易于維修和測(cè)試數(shù)據(jù)更穩(wěn)定等問題 后期根據(jù)本次單板的設(shè)計(jì)制作會(huì)考慮如果滿足EDIE等其他MODE一次測(cè)試6到10臺(tái)負(fù)載的大測(cè)試板 電子技術(shù)的發(fā)展日新月異，一些新型電子器件和集成芯片功能越來越強(qiáng)、精度越來越高，很多