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1、数字功率仪研究摘 要本文所设计的是数字功率仪是以STC89C52单片机为核心控制部件。该功率仪采用霍尔式传感器采集电压和电流信号，能够精确测量电压和电流，通过高精度双通道AD转换芯片AD7705进行转换，经单片机内部处理后，输送液晶显示屏进行显示。系统实现了电压、电流以及功率的测量和显示的功能。整机结构测量精度高、操作方便、测量多种数据等特点。关键词：单片机；霍尔传感器；AD7705；功率测量Digital Power Meter ResearchAbstractThe digital power meter designed in this paper adopted STC89C52 MC
2、U as the core control part. It collected voltage and current signals through Hall sensors for precise measurement of voltage and current, converted them by means of high-precision, dual-channel, AD conversion chips of AD7705, and then transmitted them to the LCD after treatment inside the MCU. The s
3、ystem realized the measurement of voltage, current and power, as well as relevant display. The whole machine featured high precision measurement, convenient operation and multiple data measurement.Keywords：STC89C52 MCU; Hall sensor; AD7705; Power measurement 目录中英文摘要I1 引言11.1 选题背景及发展现状11.2 研究的目的及意义21
4、.3 本文的主要工作22 系统设计32.1 整体设计方案32.2 方案的选择和比较32.2.1 数据采集方案32.2.2 模数转换方案42.2.3 主控器的选择42.2.4 数据显示选择53 系统硬件设计63.1 霍尔传感器63.1.1 霍尔效应63.1.2 霍尔传感器的分类63.1.3 设计采用的霍尔传感器63.2 电压采集电路73.2.1 霍尔电压传感器TBV10/25A73.2.2 偏移电路的设计83.3 电流采集电路93.4 AD转换电路103.4.1 模数转换芯片AD7705103.4.2 AD7705的读写时序103.4.3 AD转换电路113.5 最小系统及复位电路123.5.1
5、 STC89C52单片机123.5.2 最小系统电路123.5.3 复位电路133.6 电源电路143.7 液晶显示电路143.7.1 LCD1602143.7.2 显示电路154 系统软件设计164.1 软件平台及烧写软件164.2 程序流程图165 系统调试185.1 所用仪器及设备185.2 调试试方法及步骤185.2.1 硬件电路调试185.2.2 软件程序调试195.2.3 AD7705的信号波形205.2.4 调试中碰到的问题及解决方法215.2.5 误差分析216 结论22参考文献23致谢24附录25附录一：器件清单25附录二：系统原理图和PCB图26附录三：实物图27附录四：系
6、统程序单28-III-1 引言从最近这几年来看，各种电子技术发展迅速，尤其是在计算机上的应用、电子信息的传输和处理还有集成电路的发展方面尤为明显，这些对于在电力系统的测量技术也带来了极大的影响。为了对各种用电设备的功率进行监视和控制，保证产品的质量和生产效率1。为了提高电力系统中测量仪器的精度，改进通过使用机械式功率表测量所造成的误差，能够更加精确的同时测量多个物理量，是当今电力系统测量技术的首要问题和发展方向，为了解决这个问题，数字化的电能测量仪表就诞生了。在设计智能数字表时，最主要的问题便是在使用测量工程中是否能够不受测量环境的影响都能够正确的显示测量的数值，即抗干扰能力要强。目前常见的测
7、量功率的仪表是电动系功率表，它是利用通有电流的可动线圈在另一个通电线圈形成的磁场中产生转动力矩而工作的仪表2。显然这种仪表结构复杂，而且一般分成多个量程，在测量数据时，还要大概预测所测数据的大小，从而选择合适的档位，否则会大大减少测量精度，使用比较麻烦，并且耗损大。而且有时电动式仪表测量有较大的电压或电流时，需要将其变换为小电压或电流，再测数值，测量结果还要进行换算。为了解决这些问题，数字化的测量仪表就快速发展起来了，而且，基本能够满足当今测量所需要的精度和其他要求，而其中最常见的便是数字功率表。数字功率表基本可以克服指针式功率表所带来的各类问题，不管是从精度方面，还是从实用方面，数字功率表相
8、比指针式功率表都有极大的优势，是现代测量技术的最佳选择。1.1 选题背景及发展现状伴随着现代电子信息技术的快速发展，以及计算机技术广泛而深入的应用，各种元器件的广泛使用，对于元器件的各种性能和要求随之产生，这促进了电子测量的快速发展。传统的功率测量仪的局限性一般体现在以下几个方面，一是进一步提高精度十分困难，二是仪器的功能单一，三是无法重新写人程序，实现软件升级3。数字化测量仪器与传统的测量仪器相比，其使用简单，方便携带，精度更高，实用性强，这些优势，使得数字化测量仪器将会是现代测量的一种重要方式。数字化测量仪器虽然有很多优势，但是由于才刚刚起步，还处于开发阶段，尚未得到广泛使用。如今世界的发
9、展越来越趋于数字化，数字化已成为当今世界一个重要的标志，其在社会生活和经济发展中的作用也有极为明显。所以，若是把它放在一个国家的层次来说，数字化水平的发展程度将代表着我们国家在全球的科技领域的技术水平的高低。数字化的时代已经到来，它影响着我们生活的方方面面，所以我们必须要充分的重视它。我国是世界上最大的发展中国家，同时也是世界第二位能源生产国和消耗国4。所以提高电力测量技术变得极为重要，必须要在全球测量技术的前沿，而且测量技术还要可以把我国的科技水平展现出来。在科技水平不断提高的时代，各种技术的更新速度都必须能够跟上时代的进步。时代在不断的进步，如果没能够做到绝对领先于他人，就需要不断的更新，
10、才能够不被时代所抛弃，才有机会保持在世界的前沿。特别是随着消费电子的快速发展，所以可以预测电子测量仪器业在今后几年内，在合成仪器的强势带动下，在集成芯片、集成电路的背景下，数字化测量仪器必定赢来很大的发展空间。如今，我国的经济水平在不断提高，电力在生活中越来越重要，电力测量技术的重要性也由此上升。随着经济全球化，未来几年，这种情况将会一直保持下去，所以电子测量仪器在市场中的需求程度也将不断提高。而且由于数字化水平的提高，数字化的测量仪器将迎来黄金时期。智能电力仪表作为智能电网的基础配备之一将随用户端配电智能化和节能政策的推进市场需求量会逐步扩大5。在今后的几年中，电子测量技术在测量市场中将会一
11、直占有着极其重要的位置，不可替代。1.2 研究的目的及意义在电力发展迅速的当代，电能的测量和管理只会越来越重要，甚至可能会成为一个独立的领域。然而电能的测量与电压和电流的测量相比，其精度的提高会更加困难和复杂。对于功率的测量需要有一个可以将测量的电压和电流相乘的电路结构6。测量功率的精度将会是测量电压和测量电流的精度的乘积，为了提高其精度，设计相对较为理想的方案，具有极高的研究价值和使用价值。设计采用单品机来实现电压和电流的相乘，能够更好的提高测量精度。通过设计以单片机为核心控件的数字功率仪，可以充分发挥单片机的作用，提高其在电子信息技术研究中的地位，使得整个电子信息产业都能够快速发展。1.3
12、 本文的主要工作本文介绍的是一种通过霍尔传感器进行直流信号的采样方案。本文所介绍的采样电路主要是通过霍尔传感器的来建立的，霍尔传感器不仅可以用来测量直流电压和电流的大小，还可以用来测量交流电压和电流的瞬时值，通过两路模数转换将采集到的电压值和电流值送入单片机中，通过单片机的软件设计，把电压、电流以及功率的大小送至液晶显示屏进行显示。本设计，计算简单，使用方便，能够精确的测量所测功率的数值。2 系统设计图2-1系统结构图2.1 整体设计方案系统结构图如图2-1所示，电压信号和电流信号分别通过霍尔电压传感器和霍尔电流传感器转换成电压信号，经过AD模数转换后变为数字信号送到STC89C52单片机处理
13、后，最后送到LCD1602显示。2.2 方案的选择和比较2.2.1 数据采集方案方案一：采用电阻的串并联设计采样电路。电压信号通过并联大电阻进行采样，电流信号通过串联小电阻进行采样，通过计算电阻两端的电压来得到相应电流的大小，电路相对来说比较简单，只需要通过合理的电路连接就可以实现，制作成本低；但是采用这种采样方式测量精度相对较低，而且测量范围小，无法满足设计要求。方案二：采用霍尔传感器设计采样电路。采用半导体材料制成的霍尔元件具有高灵敏度、高稳定和高信噪比等优点7。霍尔电压传感器可以把输入的电压信号转换为电流信号，将电流流经电阻得到变换后的小电压信号，电流信号则可以直接使用霍尔电流传感器转换
14、为小电压信号再送到模数转换电路，电路相对来说比较复杂，而且成本比前一个方案要高。不过霍尔传感器初、次级之间是绝缘的，其输入对输出的影响相对较小，而且不仅可用于测量直流，在测量交流和脉冲信号时也有极高的精度。霍尔传感器还具有良好的抗脉冲电压干扰特性，线性度好，测量速度快，测量范围大等优点，同时可以根据用户的需要灵活选定量程。基于以上分析比较，本设计采用方案二，虽然霍尔电流传感器具有多个量程，但是为了提高电流传感器的测量精度，而且学生电源最大只能提供4A的电流，所以在本次设计中直接采用最低的量程，即5A。为了安全，测量的最大电压值设定为30V。2.2.2 模数转换方案方案一：采用ADC0832设计
15、转换电路。ADC0832是8位双通道逐次逼近AD转换器。具有单端和差分输入两种工作方式，可以避免模拟信号远传中受到的干扰8。具有体积小，兼容能力强，外设简单，性比价高等优点。虽然本方案电路简单，不需要外加电路，但由于分辨率仅8位，其返回数值在0-255之间，对应输入电压05V，电压精度为19.53mV，不满足本系统所要求的设计指标，故不采用此方案。方案二：采用AD7705设计转换电路。美国AD公司推出的AD7705，此芯片采用-转换技术，具有2个16位模拟转换通道，片内带可编程数字滤波器，它具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪声性能以及低电压低功耗的特点9。可是其外设电路相对来说，比较复杂，必须接一个外部晶振。显然AD7705比ADC0832有更高的分辨率，当基准电压设计为5V时，其返回数值在065535，电压精度可达到76.29V，精度相对提高了256倍，采用此芯片，更符合本系统所要求的设计指标，故采用此方案。2.2.3 主控器的选择方案一：采用AT89系列单片机作为主控芯片。AT89系列单片机是ATMEL公司所生产的带有4K可擦除、可编程只读存储器的低电压、高性能8位COMS微处理器10。具有价格低廉，可多次查除，高速度，低功耗，
