基于单片机单相数字电功率表的设计

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1、摘要本文主要讲述了基于单片机的单相数字电功率表的设计。该单相数字功率表采用AT89C52单片机作为中央处理器，其间通过检测电压电流值，采用过零比较法利用单片机的定时器计算出相位角，最后依据得出电网功率，最后将检测到的测量值显示在液晶显示器上。另外本文介绍了其相关硬件电路和软件程序流程图，本设计主要包括下面几方面：交流信号数据采样与处理、模数转换、单片机应用与编程、液晶显示。随着社会的发展，电子产品逐渐朝着数字化、信息化、自动化方向发展，本设计的数字功率表也逐渐取代了传统指针式模拟功率表，其具有抗干扰能力强、精度高、可扩展性强、集成方便等优点，具有良好的研究意义。关键词：单片机 数据采集 过零比

2、较 液晶显示IAbstractThis paper describes the design of single-phase digital electric power meter based on MCU.The single phase digital power meter using AT89C52 microcontroller as the central processor, which by detecting the voltage and current value, the zero crossing comparison method the use of singl

3、e-chip timer to calculate the phase angle, finally based on the results of the power, the measurement of the detected value displayed on the LCD monitor.This paper also introduces the related hardware circuit and software program flow chart, the design mainly includes the following aspects: sampling

4、 and processing, analog-to-digital conversion, application and programming, MCU LCD AC signal data.With the development of society, electronic products gradually towards digitization, informatization, automation development direction, the design of the digital power meter has gradually replaced the

5、traditional analog pointer type power meter, it has advantages of strong anti-interference ability, high precision, strong expansibility, easy to be integrated, with good research significance.Keywords:microcontroller data acquisition more than zero liquid crystal displayI目 录摘要IAbstractII第1章 概 述11.1

6、 设计背景与意义11.2 研究内容1第2章 系统方案设计22.1 系统基本思想22.2 系统功能要求22.3 系统框图32.4 设计方案及技术分析32.4.1 电压电流采集模块32.4.2 信号处理模块42.4.3 模数转换模块42.4.4 相位角测量模块4第3章 系统硬件分析53.1 电路测试系统的分析53.1.1 单片机最小系统简介53.1.2 数据存储器24C1653.2 系统的前向通道83.2.1 电压、电流采样的前置电路83.2.2 相位角测量的前置电路103.2.3 模数转换电路113.3 键盘电路153.4 液晶显示电路15第4章 系统软件设计184.1 Keil编程软件介绍18

7、4.2 程序设计184.2.1 系统的主程序设计184.2.2 初始化子程序的设计194.2.3 测量子程序214.2.4 液晶显示子程序264.2.5 键盘扫描子程序28第5章 系统调试过程305.1 Proteus软件应用305.2 电压、电流采集模块调试305.3 相位角测量模块调试315.4 液晶显示模块调试335.5系统调试33第6章 总结35参考文献37致 谢38附录A:原理图39附录B：仿真图40附录C：部分程序41I第1章 概 述1.1 设计背景与意义随着社会的发展，电能在人们的生活中无处不在，并以各种形式影响着人们的生活。现在人们的基本生存得到保障，对用电设备工作状态的了解与

8、要求也越来越高。这些工作状态主要包括电网电压、设备工作电流、工作环境、压力、湿度等，只有满足所有用电设备的最大要求才能确保人身的安全问题。电网电压与工作电流的稳定是设备长期运行的前提，而功率表是电压电流最终的体现方式，因此，对功率表的测量显得尤为重要。最近几年，随着电子、计算机和半导体三方面技术的飞速发展，电力系统在测量方面也发生了巨大的变革。功率表一直以来作为重要的工业测量仪表，广泛被应用于电工与电子技术领域，目前，电能表、电子式功率计采用的工作原理，基本上是依据功率的定义，采用各种乘法器来实现电压与电流的乘积，而本设计采用数值采样法，对电压电流信号进行同时采样，以获得较高的精度。与传统方法

9、不同，本设计采用过零比较法利用单片机的定时器对电压与电流的的时间差进行确定，从而计算出电压与电流的相位角，再经查表得出功率因数，最后计算出电网功率。家庭用电主要是交流电，所以本设计主要研究的是单相交流数字电功率表。其采用数字化测量技术，分开采集电压电流，再通过软件编程计算出功率。测量的过程中，通过把连续的模拟量（交流输入的电压和电流）转换成不连续的、离散的数字形式。传统的指针式电能表功能单一且精度低，以不能满足社会的需求，故采用单片机的数字功率表，精度高、抗干扰能力强、集成方便，还可与PC机进行实时通讯。目前，集成的数字功率表功能强大、使用方便、体积小，广泛应用与电子及电工测量、工业自动化仪表

10、、自动测试系统等智能数字化领域，在市场上受到很多人的青睐。1.2 研究内容本设计是针对单相交流数字电压表系统的研究，以单片机为核心，设计并制作0-300V交流电压、0-5A交流电流的采集、电压超前电流的相位角的硬件系统。在制作硬件系统的平台上编写相关的程序并实现功率的计算与显示。系统采用51单片机作为核心处理器，通过硬件电路和软件编程，控制模数转换器工作和液晶显示器显示。本设计主要包括下面几方面内容：交流信号数据采样与处理、模数转换、单片机应用与编程、液晶显示。49第2章 系统方案设计2.1 系统基本思想本设计是针对二端网络（如图2-1）电路中参数的测量，假设端电流i及端电压u是在关联的参考下

11、，分别为，其中是电压超前于电流的相位角，则瞬时功率，其中U、I分别是电路的电压有效值和电流有效值，通过滤除高频交流分量，就可以得到功率的有效值。图2-1 二端网络本课题主要研究的电路电网中对正在运行时的参量进行测量、保存、显示，对于单片机软件的开发，可以选用C语言或者汇编语言进行编程。本设计中我选择利用C语言进行编程。本设计基本的设计思路如下：首先，对于电路中的电压和电流的测量，可以通过系统的前置电路把其转换成可供采样电压信号，再通过AD转换送入单片机处理，由软件读出，然后进行处理，处理后参数由液晶显示器显示出来。其次，对相位角的测量，采用过零比较的方法利用单片机的定时器对电压与电流过零点的时