單相用電器分析監(jiān)測裝置設計報告

年4月19日單相用電器分析監(jiān)測裝置設計報告文檔僅供參考單相用電器分析監(jiān)測裝置（K題）8月12日摘要

近年來隨著計算機在社會領域的滲透和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機的應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)具體硬件結構，以及針對具體應用對象特點的軟件結合，以作完善。本系統(tǒng)先將220V交流電經(jīng)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轉換成數(shù)字信號并經(jīng)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。關鍵詞：CS5463；電參數(shù)測量；51單片機；SPI通訊目錄一、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、電路設計 31、信號采集和處理電路 32、單片機系統(tǒng) 4四、程序設計 4五、測試方案與測試結果 51、測試方案 52、測試結果及分析 6五、心得體會 6參考文獻 6附錄1：完整的測試結果圖 7附錄2：電路原理圖 7附錄3：源程序 8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，可是顯示內(nèi)容有限，不能顯示詳細的信息。經(jīng)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。能夠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采樣，能夠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，能夠測出具體的電流值和電壓值。CS5463是一個包含模-數(shù)轉換器（ADC）、功率計算功能、電能到頻率轉換器和一個串行接口的完整的功率測量芯片。它能夠精確測量瞬時電壓,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)轉換功能，再經(jīng)過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：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結構圖如圖2.1所示。圖2.1CT118F電流互感器結構圖2、電壓互感器：電壓互感器采用ZMPT101B，互感器結構圖如圖2.2所示。圖2.2ZMPT101B結構圖3、信號處理電路：CS5463芯片是一個包含兩個ΔΣ模-數(shù)轉換器（ADC）、高速電能計算功能和一個串行接口的高度集成的ΔΣ模-數(shù)轉換器。圖如圖2.3所示它能夠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能夠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。圖2.3CS5463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。I5、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P=三、電路設計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芯片實現(xiàn)模數(shù)轉換功能，信號采集和處理電路如圖3.1所示。圖3.1信號采集和處理電路2、單片機系統(tǒng)本模塊是整個設計的核心部分，設計采用的是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3.2STC89C52系統(tǒng)的原理圖四、程序設計本系統(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4.1所示。圖4.1主函數(shù)程序框圖五、測試方案與測試結果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，而且檢查無誤，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。圖5.1硬件測試圖2、測試結果及分析測試結果如下表所示：（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，經(jīng)過這次比賽，我們受益匪淺。電子大賽不但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、硬件電路的設計、搭建、焊接與測試、程序調(diào)試付出的努力遠比其它高手付出的多很多。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語言程序設計[M].北京:清華大學出版社,[2] 張毅剛.單片機原理與應用設計[M].北京:電子工業(yè)出版社,[3]基于集成芯片CS5463的電測儀表的設計[J].常鐵原,王素平.科技資訊,[4]劉月武,李杏春.新型單相雙向功率／電能集成電路CS5463的原理與應用[J].儀器儀表用戶,[5]張玲玲.基于51單片機的LCD12864程序設計[J].中小企業(yè)管理與科技(中旬刊),附錄1：完整的測試結果圖附錄2：電路原理圖附錄3：源程序voidmain(){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) { 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_GetCurrentRMS(); //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，因此跟電流電壓一起讀取 //CS5463_Init(); //重新初始化芯片 } //SndCom1Data(MeasureData,16); } }}staticvoidCS5463_GetVoltRMS(void) {floatG=0.5,result; //typedeffloatfp32; 就是浮點類型inttemp1; //intuint8temp,i,j; //byteCS5463ReadReg(REG_VRMSR,RX_Buff); //讀取電壓有效值 i=0;result=0;while(i<3){ temp=RX_Buff[i]; 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78mvresult=result*CS5463_VScale;//V_Coff; //計算電壓值220V*250mv/(110mv/1.414)=704.8V 能夠暫時不用result*=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+0x30); ee=temp1%10; LCM_WriteDatOrCom(1,ee+0x30); LCM_WriteString("V");}staticvoidCS5463_GetCurrentRMS(void){fp32G=0.5,result;uint32temp1;uint8temp,i,j;CS5463ReadReg(REG_IRMSR,RX_Buff); //讀取電流有效值i=0;result=0;while(i<3){ temp=RX_Buff[i]; j=0; while(j<8) { if(temp&0x80) { result+=G; } temp<<=1; j++; G=G/2; } i++;}result=result*CS5463_IScale;//I_Coff; //計算電流值暫時不用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_WriteDatOrCom(1,cc+0x30); dd= (temp1%100)/10; LCM_WriteDatOrCom(1,dd+0x30); ee=temp1%10; LCM_WriteDatOrCom(1,ee+0x30); LCM_WriteString("mA");}staticvoidCS5463_GetPactiveRMS(void){fp32G=1.0,result;uint8temp,i,j;uint32temp1;CS5463ReadReg(0x14,RX_Buff); //讀取有功功率REG_Pactivetemp=RX_Buff[0];if(temp&0x80) //如果為負數(shù)，計算原碼{ RX_Buff[0]=~RX_Buff[0]; //原來為取反+1，這里因為精度的原因，不+1 RX_Buff[1]=~RX_Buff[1]; RX_Buff[2]=~RX_Buff[2]; }i=0;result=0;while(i<3){ temp=RX_Buff[i]; j=0; while(j<8) { if(temp&0x80) { result+=G; } temp<<=1; j++; G=G/2; } i++;}result=result*13125;temp1=(uint32)result;LCM_WriteDatOrCom(0,0x8C); //26W12345W 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); 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; } else { LED1=1; }}staticvoidCS5463_GetPactiveRMS(void){fp32G=1.0,result;uint8temp,i,j;uint32temp1;CS5463