摘 要

当今社会日新月异飞速发展，对电力需求量也不断增长,电能紧缺问题也变得日趋严重,社会经济的发展受到了极大的制约。为了更合理高效地利用电能，更好地做到节约电能,那前提是能够对电量参数进行准确、实时地测量。这就不得不需要电子技术支持。

电子技术就是根据电子学的原理，制造某种特定功能的电路和运用电子元器件设计来解决实际问题的科学，包括电力电子技术和信息电子技术两大大的分支。信息电子技术中包括模拟电子技术和数字电子技术。其中电子技术需要电子信号进行技术处理，处理的方式包括：信号的发生、放大、滤波、转换。

文中论述了工频电压最大值测量的原理,并利用单片机技术,通过软件的编写来代替传统仪器中的大量硬件,将工频电压最大值以数字显示出来，其精确性、便利性都有很大提高。在此基础上，文中详细介绍了整个系统的软硬件开发过程。

关键词：单片机;电压最大值;系统设计

Abstract

With the increasing demand for electricity, the problem of power shortage is becoming more and more serious, which greatly restricts the development of social economy. In order to save electric energy and make rational and efficient use of electric energy, it is necessary to measure electric parameters accurately and in real time. This requires electronic technology support.

Electronic technology is based on the principles of electronics, using electronic components to design and manufacture a specific function of the circuit to solve practical problems of science, including information electronics technology and power electronics technology. Information electronics technology includes analog electronics technology and digital electronics technology. Electronic technology is the technology of processing electronic signals. The main ways of processing are signal generation, amplification, filtering and conversion.

In this paper, the principle of electric parameter measurement is discussed, and the single chip computer technology is used to replace a large number of hardware in traditional instruments with software. The maximum power frequency voltage is displayed digitally. Its accuracy and convenience are greatly improved. On this basis, the software and hardware development process of the whole system is introduced in detail. Finally, the error analysis of the system is carried out.

Key Words：Singlechip；Voltage；system design

目 录

第1章 绪论 1

1.1 工频电压最大值数字测量系统研究背景与意义 1

1.2 1.2单片机系统国外研究现状与内容 2

第2章 工频电压最大值测量系统方案 4

2.1 工频电压最大值测量系统基本内容与方案选择 4

第3章 工频电压最大值数字测量系统的硬件电路设计 6

3.1 放大电路模块 6

3.2 交直流转换模块 7

3.3 A/D转换模块 8

3.3.1 A/D转换技术的基本介绍 8

3.3.2 A/D转换元件的主要特性 9

3.4 单片机主电路模块 10

3.5 显示模块 12

3.5.1 数据寄存器与发光二极管 12

3.5.2 LED译码方式与单片机连接设计 14

第4章 工频电压最大值测量系统的软件设计 15

4.1 主程序设计 15

4.2 系统子程序设计 16

4.2.1

第5章 工频电压最大值测量系统的仿真结果与分析 21

5.1 工频电压最大值测量系统的软件调试及编译 21

5.2 工频电压最大值测量系统的硬件电路调试 22

第6章 总结 24

参考文献 25

致谢 26

附录 27

绪论

1.1 工频电压最大值数字测量系统研究背景与意义

工频电压是我们生活中接触最多的电压参数，它是指国家规定的电力工业及用电设备的统一标准电压。我国单相电源工频电压，50赫兹、220V。三相电源工频电压是50赫兹、380V 。二战期间由于产业开发和殖民统治的不平衡，从国家数量上看，世界电力频率电压没有统一标准的国家和地区。

工频检测一般是测量功率系统中的电压、电流、频率、相位以及其它参数，它在功率系统中起着非常重要的作用。初期，电气参数测量器的功能相对单一，精度不高，所以不可能分析电力网中的高调波。这样，测试·解析困难，测试结果的比较困难。通过大规模集成电路和微计算机的开发和应用，特别是数字采样技术的应用，电参数检测正朝着高精度、快速性和系统智能方向发展。为了研究电气参数的测量，首先必须研究各种电气参数的定义原理，研究检测方法。

电压、电流、频率是电量测量中最基本的三个测量值，其中电压测量最频繁。另外，随着电子技术的发展，经常需要测量高精度的电压，因此以各种电压测量的数字系统为对象。另一方面，由于能够直接反映电力、噪音、失真、光谱纯度、能量转换等研究中非常重要的交流信号能源的大小，所以最大值也被广泛使用。另一方面，安全电压值指以1. 414除以最大值。进而，在使用中存在许多非线性负荷的情况下，高调波电流成分增加，电力网的波形变形。另外，需要测量识别的最大值。即，无论电压为哪个波形，其最大值都除以1.414。根据该调整，必须等于添加到试料中的电压值。如果测试电压失真，则最大值与有效值的比例可以不是上述关系，而是检测误差。测试电压不正确的测量会导致测试结果的误认和测试装置的损伤。

在电气设备的功率频率电压测试中，实验物品发生闪络和断路器断路击穿通常发生在最大电压测试时。通常，系统电压波形均匀，上下半波是对称的正弦波。此时，最大电压与有效值之比为1.414。但是，很多污染源都存在于系统。这些在严重歪曲电压波形的动作中产生各种高调波。由于歪曲的波形传播系统附近的设备和行，并且测试电压波形也失真，所以最大电压和有效值的比例不是1.414。

1.2单片机系统国外研究现状与内容

（1）国外研究现状

1958年集成电路登场，自出现以来它以惊人的速度发展。目前，全球每年生产600亿元、数万元的集成电路。在电子信息产业发展过程中，生产量的增加、应用的扩大、新产品的开发、成本效益的提高是由于集成电路产业的发展。从电子计测器、计算机系统到通信设备，从国防尖端到工业和民生领域，与集成电路密切相关。据报道，发达国家已经有300多个微控制器用于家用电器。目前，全球国民生产总值的70%以上与集成电路有关。电子设备中的集成电路的价值比从1980年代的7%到现在已经发展到30%以上，一些军事设备已经发展到80%以上。集成电路自出现以来一直在工业中扮演着至关重要的角色，现已成为发展电子信息技术的核心以及衡量综合国力的重要标志。

目前，单晶体管系统的集成化发展迅速，甚至已经达到109晶体管/芯片。尤其是随着半导体技术的进步和发展，电子科学技术的有效集成和小型化已成为现实。通过电子科学技术的特定应用，电路的实现确保了包括毫米传感器的使用，有效提高信息处理能力和单元的合并，对许多产品的出现提供有效的设计的合并方法，为很多产品外观的有效设计提供了多元化的选择这必将影响整个集成。电路产业和集成电路的应用带来了划时代的进步，集成电路从以前的“集成电路”发展成了“集成系统”的新概念。电子模块也可以给称为微电子功能组件。它使用微电子技术将集成电路和微电子部件（例如，薄片电阻器和小型电解电容器）组装到商业组件（二次整合）中。单芯片计算机是微计算机应用技术的重要领域。广泛应用于工业智能机器、光电子设备、自动检测、信息处理、家电产品等。当它产生时，它是计算机发展历史的一个重要里程碑。尺寸很小。它具有诸多优点，如全功能、高成本性能和独特特点。工业控制，先进的武器，通讯设备，信息处理，家电等嵌入式应用的领导者。随着微电子技术和计算机技术的快速发展，其性能将持续提高，价格将降低，大大促进检测技术的进步。1980年代以后，智能设备、虚拟设备、网络化检测技术相继出现，逐步形成了完整的检测系统。

（2）数字测量系统设计内容

数字测量是将通过模拟数字转换测量的模拟量转换为数字量。数字测量技术涵盖了广泛的领域，包括各种一般专业的数字IC、数字接口电路、数据收集系统、数字设备（包括智能仪器），覆盖了实时测量和支配系统。近年来，数码技术和计算机一直被用于提高测量的精度、可靠性、灵活性和自动化。电压的测量实际上被广泛使用。例如，数字电压计、数字功率表和其他测量工具。数字电压计又称DVM。它使用数字测量技术将连续模拟信号转换成不连续离散的数字格式，以显示它们。数字机器因正确、方便的读取、高精度、小错误、高灵敏度和分辨率、高速测量速度快特性而广受欢迎。这篇设计将从多个维度来分析通过单片机组成的数字测量工频电压最大值的设计过程及其各部分电路的组成和运行原理，而且还说明了程序如何驱动单片机进而使系统运行起来的原理及方法。

第2章 工频电压最大值测量系统方案

2.1工频电压最大值测量系统基本内容与方案选择

了解工频电压最大值测量算法，设计基于单片机的工频电压最大值测量系统的硬件与软件。假设被测对象基本参数为：单相交流电压最大值限制在350V之内。

测量工频电压最大值有三种方案:

方案一：采用二极管整流电路，通过峰值检测电路测量峰值，通过比较波形系数得到工频电压最大值。

方案二: A/D由单片机控制，对一个周期内的信号进行多点的连续采样，然后通过软件中的信号电压处理得到最大值。

方案三:采用专用有效值或者均方根处理检测芯片如AD736直接将交流信号转换直流有效值信号,然后通过最大值与有效值的转换关系得出最大值。

方案一的硬件电路设计过于复杂，而且效果不是很理想，其能测得的波形并不能达到全部要求，对于不同的波形计算方法也不尽相同，还要根据其波形因数采取不同的换算关系，导致了软件的计算过于繁琐。方案二软件算法过于简单，借鉴了太多封装好的东西。而方案三软硬件既不是很简单也没有用别人封装好的元件。具体方案如下.

系统包括放大电路模块、交直流转换模块、A/D转换模块、单片机主电路、显示模块、键盘等。先利用放大电路将工频电降为低压，此时得到的依然是交流信号，经过交直流转换模块后将交流信号抬升变成直流信号，随后用A/D转换将模拟信号转换成数字信号，并送到单片机进行进一步处理。显示模块采用数码管动态显示，键盘进行控制、方便功能扩展。系统原理框图如图所示2.1

图2.1电压最大值测量系统原理框图

根据要求，我选用了AT89C52单片机作为此次设计的核心控制器。A/D转换由LTC1864元件实现。它需要与单片机的接口p2.3、p2.5和p2.7引脚相连接。电压显示采用4位LED数码管。LED数字信号输入，由AT89C51的P1.5、P1.6、P1.7端口连接74HC595，后者连接到每个RN1排阻、排阻和LED连接，LED就会收到信号显示数据。

本设计采用仿真设计的交流电压检测系统电路。三个滑动变阻器和变压器装置用于调节输入电压。RV3的模拟调节可以采用不同的“实测”交流电压。由LM358构成的升压电路经过变压器电压转换和RV2降压后，可以将最大交流电压2V提高到0-4V直流电压。采用LTC1864进行A/D转换和公式转换。LTC1864将信号传输至AT89C51，AT89C51将信号连接至74HC595数据寄存器。数据寄存器以数字形式将当前交流电压传输到4位数字管。:

第3章 工频电压最大值测量系统硬件电路设计

系统的硬件电路设计采用分系统的设计方法,按照信号的行走流程,依次可以分为放大电路、交直流转换模块、A/D转换模块、单片机主电路模块、显示模块、键盘等。利用模块的方法更容易设计，也更容易根据要求来进行更改，其思路更清晰。下面根据电压信号的传输顺序一一介绍。

3.1放大电路模块

放大电路如图3.1所示，图中T为电压传感器TRAN-2P2S。V1是正弦交流电，其频率设置为50赫兹，其振幅为350伏（所需的最大电压为350伏），其次是一个仅用于测量交流电压的电阻器。利用均方根有效值电压表可以观察各参数是否正常，可以更直观地显示系统电压。它将工频线路中的大电压感应得到较小的电压。根据电压传感器的电压转换公式:

设置正负线圈的电感值。

图3.1放大电路模块

在本系统中因为电压最大值要求为350v,所以变压器设置为一级线圈匝数为1H与二级匝数都设置为1H，耦合系数设置M为0.04。因为公式3-1与3-2

所以变压降低到了原来的0.04倍，幅值350V的电压变为14V，并没有达到后面模块的要求所以有设置了个可变电阻RV2，通过滑动来更改电阻比值，达到下一模块所需电压的量

这样转换的电压幅值可以缩小保证电压转换后符合后面模块能够输入的电压范围。设置开关，方便关闭系统。系统中可以通过调节RV3来调节被测的交流电压，也可以通过直接修改电源输出来获得不同的电压。

其经过双重降压的原因是根据实际考虑的，因为市面上的电感变压器所降压后的电压并不能直接接于后面的运算放大器，所以在经过电感变压器之后有再次设置了滑动变阻器，而且需要选择有显示百分比的电阻器，可以刚好的观测降压后的电压。

3.2交直流转换模块

LM358是一个放大器，里面包括两套独立的高增益运算放大器。除此之外还自带内部频率补偿功能。在合适的工作条件下，电源电流与电源电压互相没有影响。它的应用包括如直流增益模块在内的所有其他其中运算放大器可以由单一电源供电的应用。

其参数为内频补偿；高直流电压增益（约100dB）；单位增益带宽（约1MHz）；宽电源电压范围：单电源（3-30V）；双电源（ 1.5， 15V）；电压摆幅率（0.3V/us）；低功耗电流，适用于电池电源或低输入偏压电流；低输入失调电压和失调电流；共模输入电压范围宽，包括接地；差模输入电压范围宽，等于电源电压范围；输出电压摆幅大(Vcc=0至1.5V)。

在这个模块工作的电压范围是0~5V，然而外部信号是幅值高达350V的交流电压，所以我在交直流转换模块之前连接了放大电路模块，让信号幅度降下来。。
在电路中，变压器和可变电阻RV2将外部振幅为350V的工频电压改为振幅为2V（有效值1.41V）的电压。在开始测试变化的被测电压之前，应先将电阻RV3调到最上端，这样子就可以将输入电压调为最大值247V，然后再调整RV2，使送到的LM358输入端的电压为1.41V（对应幅值为2V），注意不能调得过大，因为运放LM358构成的电压提升电路将幅值为2V的交流电压（−2～ 2V）提升2V后变为0～ 4V的正弦电压，所以严禁将振幅为大于3V或小于2V的交流电输入，过大或过小的的电压幅度都会影响最后信号的处理。虚拟示波器B通道的蓝色波形可以观察到这一现象，明显不满足模拟通道输入非负电压的要求，尝试将LM358电压提升电路改为大于3V或小于2V也不能满足要求。

如图3.2所示，对交直流变换器模块的系统电路进行了仿真。AC/DC转换器模块将电压降低的AC的负部分升级为正值，从而将其转换为DC。随后可以通过调节RV3，可以获得不同的“测量”交流电压。经变压器电压转换和RV2降压后，由LM358构成的升压电路可将2V的最大交流电压提高到0-4V的直流电压。然后，通过A/D转换模块，可以更容易地识别出单片机处理后的最大工频电压。在不饱和的情况下，用叠加原理得到公式

根据式3-3设置电阻以达到电路设计要求，得出R1=10000欧姆，R2=10000欧姆，R3=5000欧姆，实现将电压抬升的目的。

图3.2 直流转换模块电路图

3.3 A/D转换模块

A/D转换是模数转换。与D/A转换恰恰相反，它是将模拟信号转换成数字信号。这个模块的核心就是模数转换器（A/D转换器）。A/D转换器是通过一定的电路将模拟量转换成数字量的转换器。模拟信号可以是电压、电流等电信号或者是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号，但在A/D转换之前，必须通过各种传感器将A/D转换器的输入信号转换成电压信号。AD有多种类型，如积分型、逐次逼近型、并行/串行比较型等。该系统决定采用逐次逼近法LM358进行转换。

3.3.1 A/D转换技术的基本介绍

A/D转换技术指标主要有六项，包括分辨率、量化误差、偏移误差、满刻度误差、转化速率与线性度等。

分辨率，模拟信号的变化定义为分辨率指数字大小变化最小时满刻度与2^n的比值。分辨率，也称为精度，通常用数字信号的数字表示。

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