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1、1 引言老式的电工量（电压、电流、频率、功率因数、多种功率、纹波系数等）测量使用多种各样的测量仪表，但计算机技术的发展已经为新型电工测量系统的设计提供了也许。对顾客负载的电压、电流进行取样，应用数据采集与数据解决技术可以以便地给出电压（电流）的各次谐波成分的幅度、频率与相位，从而运用计算方式可以一次性地给出前述众多电工量，实现一机多用。1.1 课题研究的背景电学参数测量技术波及范畴广，特别是微电压、微电流、高电压以及待测信号强弱相差极大的状况下，既要保证弱信号的测量精度又要兼顾强信号的测量范畴，在技术上有一定的难度。老式的低成本仪表在测量电压、电流时都采用手动选择档位的措施来转换量程。在使用中
2、，当忘掉转换档位时，会导致仪表测量精度下降或损坏。 现代电子测量对系统的精度规定越来越高且智能化限度也越来越高。近十几年来，单片机作为微计算机一种很重要的分支，应用广泛，发展迅速，已经对人类社会产生了深远的影响。单片机在生产过程控制、自动检测、数据采集及解决、科技计算、商业管理及办公室自动化等方面获得了广泛的应用。单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低可靠性和通用灵活性等特点，特别是美国Intel公司生产的MCS-51系列单片机，由于其具有集成度高、解决功能强、可靠性好、构造简朴、价格低廉、易于使用等长处，在国内已经得到广泛的应用。由于MCS-51单片机易于学习、掌握、性能价格比高，此外以M
3、CS-51单片机的基本内核为核心的多种扩展型、增强型的单片机不断推出，因此在此后若干年内，MCS-51系列单片机仍是国内在单片机应用领域中首选机型。单片机技术在自动控制领域中有着十分广泛的应用。如汽车、航空、电话、传真、视频等，诸多行业设计自动控制状况下，一般会波及单片机技术。1.2 课题研究的意义电压、电流是基本的物理量，对电压、电流进行测量的规定是普遍存在的，无论在科学研究生产实践，或是在平常生活中，人们都需要对电压进行测量。不仅电量，虽然是非电量也常常是借助电压、电流测量的措施来进行研究。本设计的最基本的功能就是实现一定范畴内的电压、电流的测量。功率因数是交流电路的重要技术数据之一。功率
4、因数的高下，对于电气设备的运用率和分析、研究电能消耗等问题均有十分重要的意义。因此,在电力系统和工业生产中,功率因数的在线精确检测对电量计算及无功功率补偿计算十分重要。所谓功率因数，是指任意二端网络（与外界有二个接点的电路）两端电压U与其中电流I之间的位相差的余弦。在二端网络中消耗的功率是指平均功率，也称为有功功率，它等于由此可以看出，电路中消耗的功率P，不仅取决于电压V与电流I的大小，还与功率因数有关。电路的功率因数定义为有功功率P与视在功率功率S的比值，即：其中，角表达功率因数角，代表了电压U与电流I之间的夹角。功率因数也就是功率因数角的余弦，因此，测出电压与电流间的相位差，就可以计算出功
5、率因数。功率因数的大小，取决于电路中负载的性质。对于电阻性负载，其电压与电流的位相差为0，因此，电路的功率因数最大（）；而纯电感电路，电压与电流的位相差为，并且是电压超前电流；在纯电容电路中，电压与电流的位相差则为，即电流超前电压。在后两种电路中，功率因数都为0。对于一般性负载的电路，功率因数就介于0与1之间。功率因素的测量是本课题设计的一种比较重要的功能。在交流电路中，由电源供应负载的电功率有两种：一种是有功功率，一种是无功功率。有功功率是保持用电设备正常运营所需的电功率，也就是将电能转换为其她形式能量(机械能、光能、热能)的电功率。无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场的互换，并用来在
6、电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外做功，而是转变为其她形式的能量。但凡有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。无功功率决不是无用功率，它的用处很大。电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，电动机的转子磁场就是靠从电源获得无功功率建立的。变压器也同样需要无功功率，才干使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合。在正常状况下，用电设备不仅要从电源获得有功功率，同步还需要从电源获得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，那么，这些用
7、电设备就不能维持在额定状况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运营。无功功率对供、用电产生一定的不良影响，重要表目前：(1)减少发电机有功功率的输出。(2)减少输、变电设备的供电能力。(3)导致线路电压损失增大和电能损耗的增长。(4)导致低功率因数运营和电压下降，使电气设备容量得不到充足发挥。从发电机和高压输电线供应的无功功率，远远满足不了负荷的需要，因此在电网中要设立某些无功补偿装置来补充无功功率，以保证顾客对无功功率的需要，这样用电设备才干在额定电压下工作。这就是电网需要装设无功补偿装置的道理。由此可见通过仪器测量电路中的有用功率和无用功率，从而变化电路中的有用功率和无
8、用功率的比例，对于电器设备的正常工作显得十分的重要。1.3 智能仪表国内外发展概况智能仪器/仪表是计算机技术向测量仪器移植的产物。是具有微计算机或微解决器的测量仪器。由于它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，有着智能的作用(体现为智能的延伸或加强等)，因而被称之为智能仪器。这一观点已逐渐被国内外学术界所接受。如国内电磁测量信息解决仪器学会于1988年正式成立“自动测试与智能仪器专业学组”，1986年IMECO(InternationalM easurementConfederation，国际测量联合会)以“智能仪器”为主题召开了专门的讨论会，IFAC (Internationa
9、lFederation of Automatic Control,国际自动控制联合会)1988年的理事会正式确立“智能元件及仪器”(In telligentC omponentsa ndI nstruments)(TC25)( C&I)为其系列学术委员会之一。此外，1989年5月在国内武汉召开了第一界测试技术与智能仪器国际学术讨论会(ISMT 1189),自从 1971年世界上浮现了第一种微解决器(美国Intel公司4004型4位微解决器芯片)以来，微计算机技术得到了迅猛的发展。测量仪器在它的影响下有了新的活力，获得了新的进步。电子计算机从过去的庞然大物己经可以在某种特定条件下缩小到可以置于测
10、量仪器之中，作为仪器的控制器、存储器及运算器，并使其具有智能的作用。概括起来说，智能仪器在测量过程自动化、测量成果的数据解决及一机多用(多功能化)等方面己经获得巨大进步。到80年代，可以说，在高精确度、高性能、多功能的测量仪器中已经很少有不采用微计算机技术的了。总的来说，老式仪表的不断的改善，新型仪表也不断的浮现，老式的手持式仪表表，在采用了单片微机控制之后，功能更加多样，使用更加以便、可靠，并且精确度大为提高。1.4 本课题的重要工作随着电子技术的飞速发展，此前的机械式的电压、电流、功率因素、有用功率和无用功率测量仪表已经徐徐的被电子仪表所替代。并且目前的电子产品的一种明显的特点是：体积越来
11、越小，功能越来越多元化，性能越来越好。鉴于目前的电子产品的发展趋势，本课题设计一种电工测量复用系统，该系统可以同步完毕电压、电流、功率因素角、有用功率、无用功率等物理参数的测量和计算。同步可以通过按键的选择在LED数码管上面显示的参数值。本课题的重要工作和设计内容如下：1查阅电工测量仪表的有关资料；2检索复用表资料；3掌握多通道信号的取样与数据采集技术；4掌握多种电工量的概念；5设计完毕此复用表；6复用表程序设计；2 总体方案的设计及构成2.1 系统的基本功能一般来说，电子测量仪器的硬件构成涉及：模拟信号输入部分、信号解决部分、模数转换部分和人机交互部分。但每一部分的具体实现措施应结合仪器所需
12、完毕的功能、成本及有关技术的发展与成熟限度等因素综合考虑。本课题考虑设计一种系统，该系统能完毕电压测量、电流测量、功率因素测量、有用功率测量和无用功率测量的规定。重要的设计思路是对顾客负载的电压、电流模拟量进行取数字样，应用数据采集与数据解决技术可以以便地给出电压（电流）的各次谐波成分的幅度、频率与相位，通过比较电压、电流的相位差，计算出功率因素角，最后运用计算方式可以得到有用功率和无用功率，从而实现一种仪器测量众多电工量。2.2 设计方案比较根据以上系统所需完毕的功能和特点，本设计提出方案1和方案2，并进行比较最后得出方案1比较适合这次的毕业设计。2.2.1 设计方案一在方案1中，电工测量复
13、用表系统设计的核心芯片采用的MCS-51系列单片机。本电工测量系统选用AT89C51单片机作为系统的核心。该单片机具有两个外部中断，两个定期中断，方波输入接入其中一种中断，当用低脉冲到来，触发外部中断0，同步定期器0开始计数，通过计算得到功率因素角。模拟数字转换芯片采用的是8位串行AD转换芯片ADC0832，运用该芯片实现把电压和电流模拟信号转换为数字信号。通过前面得到的电压、电流和功率因素角等值，然后计算得到有用功率和无用功率，最后通过按键选择显示内容。系统重要分为：电源部分、模拟数字转换部分、方波输入电路、晶振电路、显示电路、复位等电路。图1为基于MSC-51单片机的设计框图。图1 基于M
14、SC-51单片机设计框图2.2.2 设计方案二在方案2中，电工测量复用表系统设计的核心芯片采用的PIC系列单片机。选用PIC16C74单片机作为系统的核心。该单片机内置具有8路10 位 A/D转换，3个硬件定期器，方波输入接入其中一种中断，当用低脉冲到来，触发外部中断0，同步定期器0开始计数，通过计算得到功率因素角。外部电压和电流接入到其中的两个AD转换AN0和AN1。通过前面得到的电压、电流和功率因素角等值，然后计算得到有用功率和无用功率，最后通过按键选择显示内容。系统重要分为：电源部分、电压输入、电流输入、方波输入电路、晶振电路、显示电路、复位等电路。图2为基于PIC单片机的设计框图。图2
15、基于PIC单片机设计框图2.2.3 方案比较方案1采用的是MSC-51系列单片机，该系列单片机没有集成AD转换的功能，因此需要外接一种AD转换芯片，这样硬件电路比较复杂，但是由于MSC-51是大多数高校的单片机的入门课程，并且其开发工具也比较多，也有诸多人已经自制出一套免费的开发工具，因此开发成本比较低廉，比较适合学生毕业设计选用。方案2采用的是PIC系列单片机，该系列单片机集成了8路10位AD转换的功能，不需要外接AD转换芯片，这样硬件电路十分简朴，但是由于PIC系列单片机的开发工具费用比较昂贵，前期一次性投入比较大，比较适合公司的选用。综合分析，本次毕业设计采用方案1进行设计。2.3 系统
16、的设计原则电工测量复用表是科学研究生产实践，平常生活的重要保证，其功能、测量设备和技术都应遵循如下原则:1. 系统设计满足现行电子仪表技术规范的规定。2. 先进性。系统将在理解国内外发展动态，吸取其经验和成果的基本上进行方案设计，使系统的技术性能和水平具有明显的先进性。3. 可靠性。系统运营安全可靠，性能稳定，可以在恶劣环境下长期工作。4. 通用性。在设计时，应充足考虑其应用对象的共性，使系统具有较强的通用性。5. 扩展性。系统的设计容量要足够大，满足系统此后扩大需要。6. 经济性。系统的造价经济合理，性能价格高。7. 操作维护以便。在软件方面，规定人机界面和谐，操作简便;在硬件方面，规定维护检修以便。3 硬件构造与设计电工测量复用表设计分为硬件设计部分和软件设计部分，硬件是软件的基本，软件是硬件的灵魂，下面
