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1、基于基于 AT89C52AT89C52 控制的多功能电参数测试仪的设计控制的多功能电参数测试仪的设计目目 录录摘摘 要要 .（I）Abstract .（II）1 绪论绪论.（1）1.1 论文的选题背景.（1）1.2 论文的研究意义.（1）1.3 交流电量采集的现状及发展.（1）1.4 课题的主要内容.（2）2 系统总体设计原理系统总体设计原理.（3）2.1 交流采样法.（3）2.2 交流采样原理及相关算法 .（4）2.3 系统的工作过程 .（5）3 基础知识基础知识.（6）3.1 单八路模拟开关 CD4051.（6）3.2 AD678 的性能特点 .（7）3.3 定时器/计数器.（8）3.4
2、中断系统.（10）5 系统软件设计系统软件设计.（13）5.1 系统软件的编译环境.（13）5.2 系统软件总流程图.（14）5.3 部分功能程序的实现.（16）5.3.1 数据采集子程序流程图 .（16）5.3.2 数据处理程序流程图.（17）5.3.3 LCD 显示 .（23）5 系统组装调试系统组装调试.（25）6 结论结论.（26）致致 谢谢.（27）参考参考文文献献.（28）附录附录: :源程序源程序摘摘 要要随着电力系统的快速发展，电网容量不断增大，结构日趋复杂，电力系统 中实时监控、调度的自动化显得尤为重要，而电力参数的数据采集又是实现自 动化的重要环节，如何快速准确地采集系统中
3、各元件的电参数（电压、电流、 功率、频率等）是实现电力系统自动化的一个重要因素。 基于此，此次设计采用单片机 AT89C51 实现电力监控系统的交流采样,即系 统采集的是交流电压和电流，不需变送器进行交直流转换。模数转换器 AD574A 对三相交流电压和电流分时进行模数转换，把得到的数字量送单片机进行数据 处理，然后通过 LED 数码管显示电压和电流，频率，功率，功率因数等的实时 值。 文中论述了该系统实现电参数测量的工作原理，着重介绍了该系统的实现 过程，在此基础上，详细介绍了整个系统的软件开发过程。 关键词关键词：电力系统；交流采样；单片机；电参数测量1 绪论绪论1.11.1 论文的选题背
4、景论文的选题背景现代社会电能是一种使用最为广泛的能源，其应用程度是一个国家发展水 平的主要标志之一。随着科学技术和国民经济的发展，对电的需求量日益增加， 同时对电网运行的稳定性要求也越来越高，对电网的实时监控就显得非常重要。 随着我国电力行业的迅猛发展，电网供电品质越来越受到电力部门以及用户的 关注。 在电力监控系统中，为了维护电网运行的稳定和安全，保证用户用电的可 靠性，需要电网中各种电参量维持稳定值不变。这就需要实时的采集各种电参 量，用来监控以保证电网的稳定。 1.21.2 论文的研究意义论文的研究意义在微机技术发展初期，电力监控系统普遍采用经过变送器的直流采样方法， 即经过变送器整流后
5、的直流量。这种方法软件设计简单，对采样值只需作一次 比例变换即可得到被测量的数值，因而采样周期短。由于以上特点，该方法在 微机应用初期得到了广泛的应用。但经过变送器的直流采样方法存在一些问题， 如测量精度直接受变送器的精度和稳定性的影响，设备复杂，监控系统造价高 等。 随着科技的发展，仪器仪表的发展更新越来越进步。作为工业自动化技术工具的自动化仪表与控制装置，在高新技术的推动下，正跨入真正的数字化、 智能化、网络化的时代。微机技术的发展，使微机系统主频提高，指令功能变 强，模数转化芯片技术的提高，成本的降低，使得交流采样的运用成为可能。由于交流采样去掉变送器，按一定的规律对被测量的瞬时值进行采
6、样，用 一定的算法求得被测量，即用软件的功能代替硬件的功能，从而降低了系统造 价。所以，研究运用交流采样技术实现电量的数据采集具有很大的意义。1.31.3 交流电量采集的现状及发展交流电量采集的现状及发展电测技术发展概述近年来，随着电力系统的发展，对电测仪表的功能、精度、数据处理等方面都提出了更高的专业技术要求，以帮助工程技术人员在监督、管理现场设备运行状态时，便于测试、积累、统计、分析各种信息。尤其是计算机科学的发展与应用技术的普及，使得现代数字测量技术、显示技术、数据管理技术得到迅速发展，为测试过程的数字化、智能化创造了条件，促进了电测仪器本身的变革。目前我国电厂所采用的电参数测试仪器，可
7、分为三个类型。a）电工型仪表。b）数字式仪表是第二代仪器。c）智能型仪器是第三代仪器。1.41.4 课题的主要内容课题的主要内容问题的提出及本文研究内容目前，工厂在检修前后及运行过程中，经常使用较高等级的单元仪表，测量电压、电流、功率、频率、相位等电参数，以便累积有关用电设备的状态的信息。但是，采用单元仪表进行多种电参数的测量，存在以下问题：一是携带不便；二是操作不便；三是测量精度不满足现场要求；四是不便于管理测试数据。因此，必将会造成工作效率不高，技术人员负担较重等不良现象。因此迫切需要对电测仪表进行改进，以帮助技术人员对所测量信息进行分析，以了解现场设备运行状态。而这些功能的实现就必须采用
8、以单片机为核心的多功能智能化仪器。本文介绍了基于单片机的工频交流电参数多用表的设计过程，它可同时对一路工频交流电的各种功率值、电压有效值、电流有效值等参数进行测量。根据上述问题的提出，本设计提出一种基于 AT89C52 单片机的智能电量测量仪的应用设计方案，对交流电量测量仪器的实现进行了讨论和研究 该系统具有结构简单，操作方便，成本低廉等特点，着重介绍其硬件和软件设计方法。利用单片机的控制运算功能，以软件代替硬件电路用软件计算分析出各种有效值，使硬件电路大大简化。给出了硬件设计的总体思路，提出一种测量相位角的简单办法。实验表明，该测量仪能正确测量电量。2 系统总体设计原理系统总体设计原理2.1
9、 交流采样法随着电力系统的快速发展，电网容量不断增大，结构日趋复杂，电力系统 中实时监控、调度的自动化就显得十分重要，电量的数据采集是实现自动化的 重要环节，尤其是如何准确、快速的采集系统中各元件的模拟量（电压、电流、 功率等） ，是电力系统自动化的一个重要因素。 根据采样信号的不同，可以分为直流采样和交流采样两大类。所谓直流采 样是把交流电压、电流信号转化为 05V 的直流电压，这种方法的主要优点 是算法简单，便于滤波，但是由于其投资较大，维护复杂，无法对信号进行实 时采集，因而在电力系统中的应用受到了限制。交流采样是把交流量转化为 5V（或 05V）的交流电压进行采集，交流采样实时性好、相
10、位失真小、便于 维护，随着计算机和集成电路技术的发展，交流采样原有的困难如算法复杂、 提高精度难、对 A/D 的速度要求高等已逐步得到克服。交流采样法具有响应 速度快、投资省、工作可靠和维护简单等优点，但交流采样所得到的是信号的 瞬时值，是随时间而变化的交变量，人们无法直接识别其大小和传送方向(指功 率)，这就需要通过一定的算法把信号的有关特征电量计算出来。 交流采样方法主要有同步采样、准同步采样和异步采样。同步采样的具体 作法是将信号的一个整周期(或多个周期)进行均匀离散,在每一离散点处取其瞬 时值。如被测信号频率有偏移,常利用锁相环电路或过零检测环节以保证采样同 步。同步采样对采样速率 N
11、 及采样周期的选择既要满足采样定理的要求，又 要满足实时处理的要求。同步采样中由于 N 次均匀采样间隔 h 之和很难与一 个周期 T 或 m 个周期 mT 严格相等，它们之间的差异 dhNmT，称作同 步误差。在实际测量中，很小的同步误差也会产生较大的测量误差。为了减小 同步误差对采样的限制，准同步采样的方法便应运而生。准同步采样是在多个 周期内均匀采样，然后根据特定的数值求积公式进行递推运算，它是以较多的 数据及较长的运算时间作为代价来减小同步误差对测量的影响，而且在采样期 间要求信号波形必须稳定。同步、准同步采样适用于已知信号在某种频率范围内变动的情况，若要对 频率范围很宽的信号采样，则宜
12、采用异步采样的方法。异步采样采取等间隔采 样方式，在较多周期上利用高采样率获取大量数据，对其求平均值，这样即使 存在同步误差，其影响也将大为缩小。2.22.2 交流采样原理交流采样原理及相关算法及相关算法工频参数的计算要用到电压、电流的有效值，功率等参数，而测量系统的 CPU 从 A/D 转换器读取的数据是电压、电流的瞬时值，因此应根据电压、电流 的瞬时值，计算出电压、电流的有效值、功率等参数。 将电压有效值公式（2.1）T dttuTU02)(1式（2.1） 离散化，以一个周期内有限个采样电压数字量来代替一个周期内连续变化的电压函数值，则 NT TTUdttuTU1mm2m 02u1)(1式
13、（2.2） 式（2.2）中：mT为相邻两次采样的时间间隔；mu为第 m-1 个时间间隔 的电压采样瞬时值；N 为 1 个周期的采样点数。若相邻两采样的时间间隔相等，即mT为常数 ，考虑到 N=(T/T) +1， 则有 NTNUdttuTU 1m2 m 02u11)(1式（2.3）式（2.3）就是根据一个周期各采样瞬时值及每周期采样点数计算电压信号 有效值的公式。同理，电流有效值计算公式如下：NTNIdttuTU 1m2 m 02I11)(1式（2.4） 计算一相有功功率的公式 T dtuiTP0tt1式（2.5） 离散化后为m 1mmui11NNP式（2.6）式（2.6）中：mi、mu为同一时刻的电流、电压采样值。功率因数可由下 式求UIPcos式（2.7）但在实际的测量中，上式的算法很难实现，所以本文拟采用一种与接线无 关的三相功率因数检测方法。具体内容会在第 4 章中详细讲叙。T对
