毕业论文(交直流电流电压同步测量技术研究)

本科毕业论文（设计）

题 目 交直流电流电压同步测量技术研究

学 院 电子信息工程学院 专 业 电子信息工程 年 级 2008级 学 号 222008315222129 姓 名 王 冬 指 导 教 师 罗庚荣 成 绩

2012年 5月 4日

目录

第1章 绪论 ......................................................................................................................................... - 3 -

1.1设计背景 ...................................................................................................................................... - 3 - 1.2设计的意义 .................................................................................................................................. - 3 - 1.3设计的要求 .................................................................................................................................. - 4 - 第2章 系统设计方案的选择 ............................................................................................................. - 5 -

2.1交直流同步测量系统总体设计方案与比较 .............................................................................. - 5 - 2.2系统控制模块（MCU） ................................................................................................................ - 6 - 2.3数据采集模块 .............................................................................................................................. - 9 - 2.4按键模块 .................................................................................................................................... - 10 - 2.5显示模块 .................................................................................................................................... - 11 - （1） 方案选择 ........................................................................................................................... - 11 - （2） LCD1602简介 .................................................................................................................... - 11 - （3） LCD1602基本参数及引脚功能 ........................................................................................ - 11 - 2.6 A/D转换模块 ............................................................................................................................ - 13 - 2.7电路设计最终方案 .................................................................................................................... - 14 - 2.8本章小结 .................................................................................................................................... - 15 - 第3章 系统硬件电路设计 ............................................................................................................... - 16 -

3.1单片机最小系统 ........................................................................................................................ - 16 - 3.2电压电流的取样电路 ................................................................................................................ - 16 - 3.3 A/D转换模块 ............................................................................................................................ - 17 - 3.4按键模块 .................................................................................................................................... - 18 - 3.5显示模块 .................................................................................................................................... - 19 - 3.6整流、过零比较电路 ................................................................................................................ - 19 - 3.7总体电路设计 ............................................................................................................................ - 21 - 3.8 本章小结 ................................................................................................................................... - 22 - 第4章 系统软件设计 ....................................................................................................................... - 23 -

4.1主程序设计 ................................................................................................................................ - 23 - 4.2子程序设计 ................................................................................................................................ - 24 -

（1）初始化子程序 ................................................................................................................. - 24 - （2）外部中断子程序 ............................................................................................................. - 25 - （3）电流、电压有效值测量子程序 ..................................................................................... - 26 - （4）功率测量子程序 ............................................................................................................. - 26 - （5）显示子程序 ..................................................................................................................... - 27 - （6）键盘扫描子程序 ............................................................................................................. - 27 - 4.3 本章小结 ................................................................................................................................... - 28 - 第5章 调试 ....................................................................................................................................... - 29 -

5.1 调试过程 ................................................................................................................................... - 29 - 5.2 结果验证 ................................................................................................................................... - 29 - 第6章 总结 ....................................................................................................................................... - 30 - 致谢 ........................................................................................................................................................... - 31 -

交直流电流电压同步测量技术研究

王冬

西南大学 电子信息工程学院，重庆 400715

摘要:本论文详细阐述了交直流电流电压同步测量装置的设计方法和基本步骤。通过电流电压采样，再送入A/D转换装置（pcf8591），将模拟量转换为数字量，经过单片机处理后，由按键装置控制，液晶显示装置显示出被测电路的各项参数。本文论述了测量装置的硬件电路和各模块的软件设计,基于单片机完成了整个测量系统的按键控制、信号处理和显示输出。 关键词： 同步测量；A/D；单片机；LCD液晶显示器；采样

The current and voltage of ac or dc synchronous measurement technology

research

Wang Dong

School of Electronic and Information Engineering Southwest China Normal University, Chongqing 400715, China

Abstract: The design elaborated the current and voltage of ac or dc synchronous measurement device’s

basic steps and design method. Through the current voltage sampling, again into A/D

Switching device (pcf8591), the analog conversion into the digital quantity, SCM processing after, the key equipment control, liquid crystal display device Show all the parameters of the circuit under test. This paper discusses the system hardware circuit and each module of the software design, based on single chip microcomputer complete the whole system button control, , signal processing and shows that the output.

Key words: Synchronous measurement; A/D; Single-chip microcomputer; LCD monitor; sampling

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第1章 绪论

1.1设计背景

近年来，以信息技术为代表的新技术促进了电子行业的飞速增长，也极大地推动

了测量技术的快速发展，但是由于电能测量较电压、电流的测量更为复杂和困难，因此测量的精度较低，且操作也不方便。电能测量包含了功率测量。实现功率测量有专门的功率表，若被测电路为直流电路，不涉及到相位差，一般都会有优良的测量的精度，若被测电路为交流电路，考虑到电流电压的相位差，传统的功率表测量精度都不会很高，而且操作也比较复杂。随着电力测量技术的发展，为了提高测量精度以及简化测量操作难度，交直流同步测量装置，即不论被测电路是阻行、感性或是容性，都能对其进全面、精确、方便测量的装置便应运而生，才能适应时代发展的需求。

1.2设计的意义

交直流电流电压同步测量技术即直流电路中电流电压与交流电路中电流、电压和功率等指标的同步测量技术。尤其以交流电路中电流电压的相位差测量为研究重点。

功率的定义为P=IU cos&。单位为W，这即为有功功率。角度&为电流电压的相位角，cos&为功率因数。

在直流电路中，P=UI； 在交流电路中，P=IE cos&。

交直流同步测量装置既能对直流电路中电流、电压、功率进行测量，同时也可以对交流电路中电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数进行测量。传统的电能测量仪表，比如万用表、电功率表。在测量过程中，需要对各个参数分别测量、记录，而且对于不同的被测电路还需选择相应的量程，使用并不简便，测量精度也不高。近年来，随着电子技术、计算机技术和半导体技术的飞速发展，电力系统的测量也需紧跟时代发展

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的步伐。交直流同步测量技术的研究是对电力系统测量技术的发展与继承。

因此，为了简便测量操作、提高测量精度以及减小测量误差，设计交直流同步测量装置具有重要意义。

1.3设计的要求

（1）基本要求

1）设计并制作一个交直流电流电压同步测量装置（测量电压<300V，电流<5A）

2）至少提出三种以上的同步测量方法 （2）提高要求

1）交直流电流电压同步实时监测

2）测量装置与上位机组成远程联机测试系统

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第2章 系统设计方案的选择

2.1交直流同步测量系统总体设计方案与比较

方案一：用传统的万用表、功率计分别对被测电路进行各参数的测量。这种方式操作繁琐，不能达到同步测量的要求，而且若被测电路为交流电路时，其功率测出的结果精度不高，不适合在现场进行快速有效的测量。

方案二：采用多功能电力仪表计量芯片，如SA9904B，ATT7026A及CS5463。 南非微电子系统有限公司（SAMES） SA9904B 设计为测量有功与无功电能，RMS电源电压与频率的三相双向电能/功率测量集成电路。

ATT7026A是一颗高精度三相电能专用计量芯片，适用于三相三线和三相四线应用。其能够测量各相以及和相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量以及无功能量，同时还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数。

CS5463是一个包含两个模-数转换器（ADC）、功率计算功能、电能到频率转换器和一个串行接口的完整的功率测量芯片。它可以精确测量瞬时电压，电流和计算Irms、Vrms、瞬时功率、有功功率、无功功率。

以上芯片均是高精度的电能计量芯片。不过它们都是面向特定交流系统（三相电路或四相电路）而设计的，本次设计是交直流电流电压同步测量，测量电压范围0-300V，因此选用这些芯片并不适合。

方案三：基于单片机设计测量装置进行交直流电流电压的同步测量

设计采样电路分别对电流、电压进行采样，经A/D转换器，将模拟量变为对应的数字量，再送往单片机进行处理，通过软件控制得出电流电压值；同时将采样后的信号通过过零比较器转换成方波，再送往单片机，通过定时器得到反映其相位差的时间，计算出相位差。这样由单片机处理得出被测电路的电流、电压、功率因数、有功功率和无功功率，然后通过液晶显示器显示出来。

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A/D转换器电流电压分别采样整流过零比较器单片机按键模块液晶显示模块 图 2-1 方案三原理框图 Figure 2-1 plan 3 principle diagram

方案四：设计采样电路分别对电流、电压进行采样，将电流转换成电压，经乘法电路将两路电压相乘，模拟量变为对应的数字量，若要使测量的精度要求高，可多次采样几组数据，然后再在程序中处理，求出平均值。这个方案没有考虑到交流电路中电流电压的相位差测量，因此功率因数、有功功率等参数的测量便无法实现，所以方案四不适合。

电压采样乘法器电流采样A/D转换器功率显示

图2-2 方案四原理框图

Figure 2-2 plan 4 principle diagram

考虑到设计要求中包含有直流部分的参数测量，选用专用电能计量芯片不太适合所以不采用方案二；考虑到测量精度与操作简便的要求，方案一和方案四都不满足。综合上述，本设计采用方案三。

2.2系统控制模块（MCU）

本系统是以单片机为控制模块来设计的，考虑到成本、功耗、可靠性等因素，采用宏晶STC90C516RD+单片机。

STC90C51RC/RD+系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机。

⑴ STC90C516RD+主要功能

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1) 工作电压：5.5V-3.3V

2) 工作频率范围：0~40MHz，相当于普通8051的0~80MHz，实际工作频率可达48MHz

3) 有EEPROM功能 4) 看门狗

5) 内部集成MAX810专用复位电路，外部晶体12M以下是，可省外部复位电路，复位脚可直接接地。

6) 3个16位定时器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用。

7) 4路外部中断，下降沿中断或低电平触发中断，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。

8) 通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART 9) 工作温度范围：0~75℃（商业级） ⑵ STC90C516RD+各引脚功能介绍

STC90C516RD+引脚图如图2-2，各引脚功能见表2-1考虑到系统可靠性，虽然片上有复位电路，一般在设计时还是要加一个复位电路。在XTAL1和XTAL2间接上12M晶体，再接一个小电容，可使系统工作稳定，避免噪声干扰。

图2-3 STC90C516RD+引脚图

Figure 2-3 STC90C516RD + pin figure 管脚

管脚编号

说明

P0:P0口既可作为输入/输出口，也可作为地址/数据复用总

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P0.0 –P0.7 39-32

P1.0/T2 P1.1/T2EX P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7

P2.0-P2.7

1 2 3 4 5 6 7 8 21-28

P3.0/RxD P3.1/TxD P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD P4.4/PSEN P4.5/ALE P4.6/EA RST XTAL1 XTAL2

10 11 12 13 14 15 16 17 29 30 31 9 19 18

VCC Gnd

40 20

线使用。当P0口作为输入/输出口时，P0是一个8位准双向口，上电复位后处于开端模式。P0口内部无上拉电阻，所以作I/O口必须外接10K-4.7K的上拉电阻。当P0作为地址/数据复用总线使用时，是地位8位地址线[A0-A7]，数据线的[D0-D7]，此时无需外接上拉电阻。

P1.0:标准I/O口 PORT1[0] T2:定时器/计数器2的外部输入

P1.1:标准I/O口 PORT1[1] T2EX:定时器/计数器2捕捉/重装方式触发控制 标准I/O口 PORT1[2] 标准I/O口 PORT1[3] 标准I/O口 PORT1[4] 标准I/O口 PORT1[5] 标准I/O口 PORT1[6] 标准I/O口 PORT1[7]

Port2：P2口内部有上拉电阻，既可作为输入/输出口，也可作为高8位地址总线使用（A8-A15）。当P2口作为输出/输出口时，P2是一个8位准双向口。

P3.0:标准I/O口 PORT3[0] RxD:串口1数据接收端 P3.1:标准I/O口 PORT3[1] TxD:串口1数据发送端

P3.2:标准I/O口 PORT3[2] INT0:外部中断0，下降沿中断或低电平中断

P3.3:标准I/O口 PORT3[3] INT1:外部中断1，下降沿中断或低电平中断

P3.4:标准I/O口 PORT3[4] T0:定时器0的外部输入 P3.5:标准I/O口 PORT3[5] T1:定时器1的外部输入 P3.6:标准I/O口 PORT3[6] WR:外部数据存储器写脉冲 P3.7:标准I/O口 PORT3[7] RD:外部数据存储器读脉冲 P4.4:标准I/O口 PORT4[4] PSEN:外部程序存储器选通信号输出引脚

P4.5:标准I/O口 PORT4[5] ALE:地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚

P4.6:标准I/O口 PORT4[6] EA:内外存储器选择引脚 复位脚

内部时钟电路反相放大器输入端，接外部晶振的一个引脚。当直接使用外部时钟是，此引脚是外部是钟源的输入端。 内部时钟电路反相放大器输出端，接外部晶振的另一端。当直接使用外部时钟源是，此引脚可浮空，此时XTAL2实际将XTAL1输出的时钟进行输出。 电源正极 电源负极，接地

表2-1 单片机引脚功能表

Table 2-1 single chip microcomputer pin function table

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2.3数据采集模块

由于本系统测量电压有效值范围是0到300V，电流有效值是0到5A，而A/D转换器采样电压仅仅为0到5V的直流电压，所以需要设计一个数据采集模块。若被测电路是直流电路，采用精密分压电阻，将高电压降至A/D转换器采样电压的范围内；若被测电路是交流电路，采用互感器隔离采样，然后经放大器放大采样值，整流电路整流、分压电路分压最后才被A/D采样。

互感器参数如图2-4和2-5所示。

图2-4 电流互感器参数

Figure 2-4 current transformer parameters

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图2-5 电压互感器参数

Figure 2-5 voltage transformer parameters

2.4按键模块

选择显示电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数时，要用按键进行控制，所以需要设计一个按键模块。

一般有两种方式可供选择，即使用独立式键盘或矩阵式键盘。

独立式键盘是指直接使用I/O口构成的单个按键电路。其配置灵活，软件结构简单。 矩阵式键盘是由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上，行线、列线分别连接到按键开关的两端。其特点是简单且不增加成本，不过一般用在按键数量较多的场合。

本系统按键共5个按键即电压显示、电流显示、有功功率显示、无功功率显示和功率因数显示，为简化软件结构，采用独立式键盘。

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2.5显示模块

（1）

方案选择

要显示系统测量的结果，需要设计一个显示模块。一般有两种方式可供选择，即LED数码管和LCD显示屏。

LED数码管是由发光二极管排列组成的一显示器件。它采用低电压扫描驱动，具有：耗电少、使用寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角大、可视距离远等特点。不过数字显示不稳定，显示文字是还要增加驱动，若用于本系统，会使电路过于复杂，显示效果不理想。

LCD显示器的原文是Liquid Crystal Display，取每字的第一个字母组成，中文多称「液晶平面显示器」或「液晶显示器」。其工作原理就是利用液晶的物理特性：通电时排列变得有序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过，说简单点就是让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。其有零辐射、低功耗、散热小、体积小、图像还原精确、字符显示锐利等特点。

考虑系统的设计需求，采用LCD液晶屏显示。在本系统中采用LCD1602液晶显示器。 （2）

LCD1602简介

LCD1602是字符型液晶显示模块，专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。

（3）

LCD1602基本参数及引脚功能

1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如图2-6

图2-6 LCD1602尺寸图 Figure 2-6 LCD1602 size figure

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引脚功能说明：

1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表

编号 1 2 3 4 5 6 7 8

符号 VSS VDD VL RS R/W E D0 D1

引脚说明 电源地 电源正极 液晶显示偏压 数据/命令选择 读/写选择 使能信号 数据 数据

编号 9 10 11 12 13 14 15 16

符号 D2 D3 D4 D5 D6 D7 BLA BLK

引脚说明 数据 数据 数据 数据 数据 数据 背光源正极 背光源负极

表2-2 LCD1602引脚接口说明表

Table 2-2 LCD1602 pin interface specifications table

第1脚：VSS为地电源。 第2脚：VDD接5V正电源。

第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。

第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。

第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。 第15脚：背光源正极。 第16脚：背光源负极。

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2.6 A/D转换模块

PCF8591是单片、单电源低功耗8位CMOS数据采集器件，具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I2C总线接口。PCF8591的3个地址引脚A0, A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个I2C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。本系统采用PCF8591作为A/D转换器。其引脚图如图2-7所示。

（1）PCF8591 基本参数和引脚功能

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

单独供电

PCF8591的操作电压范围2.5V-6V 低待机电流 通过I2C总线串行输入/输出

PCF8591通过3个硬件地址引脚寻址 PCF8591的采样率由I2C总线速率决定 4个模拟输入可编程为单端型或差分输入

自动增量频道选择 图2-7 PCF8591引脚图 PCF8591的模拟电压范围从VSS到VDD Figure 2-7 PCF8591 pin figure PCF8591内置跟踪保持电路 8-bit逐次逼近A/D转换器 通过1路模拟输出实现DAC增益

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图2-8 PCF8591内部结构图

Figure 2 to 8 PCF8591 internal structure

AIN0～AIN3：模拟信号输入端。 A0～A3：引脚地址端。 VDD、VSS：电源端（2.5～6V）。 SDA、SCL：I2C 总线的数据线、时钟线。 OSC：外部时钟输入端，内部时钟输出端。

EXT：内部、外部时钟选择线，使用内部时钟时 EXT 接地。 AGND：模拟信号地。 AOUT：D/A 转换输出端。 VREF：基准电源端。

2.7电路设计最终方案

综合上述各个模块的选择方案，本系统设计方案选定： （1）采用STC90C516RD+作为系统主控芯片

（2）以ZMCT103C 和ZMPT107隔离采样为主的数据采集模块

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（3）独立式按键结构

（4）采用LCD1602作为显示模块 （5）PCF8591提供A/D转换

2.8本章小结

本章主要讨论了交直流电流电压同步测量装置总体实现方案，根据目标制定方案，接着又分析了实现方案的一些技术问题，在确定方案后，给出了实现方案的各个模块的设计方法。

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第3章 系统硬件电路设计

3.1单片机最小系统

STC90C516RD+是一款超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。内部集成MAX810专用复位电路，当时钟频率在6MHz时，该复位电路是可靠的；当时钟频率在12MHz是，勉强可用。在要求不高的情况下，可在复位脚外接电阻电容复位。电路图如图3-1所示。

图3-1 单片机最小系统

Figure 3-1 single chip minimize system

3.2电压电流的取样电路

1) 对于直流电路：

采用精密的分压电阻将大电流（电压）转换成小电流（电压）。 2) 对于交流电路

选用微型电压互感器，其变化比为2mA/2mA，负载小于等于47Ω。电路图如图3-2所示。

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图3-2 电压采样电路

Figure 3-2 voltage sampling circuit

选用微型电流互感器，其变化比为5A/5mA，负载小于等于100Ω。电路图如图3-3所示

图3-3 电流采样电路

Figure 3-3 current sampling circuit

3.3 A/D转换模块

采用PCF8591数据采集芯片的逐次逼近转换技术实现A/D转换。

在A/D转换周期将临时使用片上D/A和高增益比较器。一个AD转换周期总是开始于发送一个有效读模式地址给PCF8591之后。AD转换周期在应答时钟脉冲的后沿被触发，并在传输前一次转换结果是执行。

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一旦一个转换周期被触发，所选通道的输入电压采样将保存到芯片并被转换为对应的8位二进制码。取自差分输入的采样将被转换为8位二进制补码。

转换结果被保存在ADC数据寄存器等待传输。如果自动增量标志被置1，将选择下一个通道。在读周期传输的第一个自己包含前一次读周期的转换结果代码。电路图如图3-4所示。

图3-4 模数转换模块

Figure 3-4 A/D conversion module

3.4按键模块

根据功能需求：电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数，设立5个独立按键即可实现。

图3-5 按键模块电路图

Figure 3-5 key module circuit diagram

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3.5显示模块

1）、1602LCD基本参数

1602LCD基控制器大部分为HD44780。主要技术参数： 显示容量：16×2个字符 芯片工作电压：4.5V-5.5V 工作电流：2.0mA（5.0V）

字符尺寸：2.95×4.35（W×H）mm

图3-6 液晶显示电路图

Figure 3-6 liquid crystal display circuit diagram

3.6整流、过零比较电路

测量电流电压相角方法：使用互感器采样电流和电压后，通过整流电路，去掉负电平部分，然后用过零比较器将正弦波形变为方波，即只有高电平与零；再将输出的信号分别送入单片机外部中断INT0和INT1口进行处理。由此需用到整流电路和过零比较器。本系统选用LM339过零比较器

LM339简介

LM339为低功耗、低失调电压比较器，具有全温度范围的失调电压漂移低，输入差动电压范围等于电源电压，能为TTL、DTL、ECL、MOS等逻辑系统兼容等特点。

LM339引脚如图3-7所示。引脚功能见表3-1所示。电路图如图3-8所示。

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图3-7 LM339引脚图 Figure 3-7 LM339 pin figure

引脚 引脚功能

1 输出端2 2 输出端1

3 电源

1 4 反向输入端 1 5 正向输入端 2 6 反向输入端 2 7 正向输入端

符号 OUT2 OUT1 VCC+ IN-(1) IN+(1) IN-(2) OUT(2)

引脚 8 9 10 11 12 13 14

引脚功能 反向输入端3 正向输入端3 反向输入端4 正向输入端4 电源 输出端4 输出端3

符号 IN-(3) IN+(3) IN-(4) IN+(4) VCC- OUT4 OUT3

表3-1 LM339引脚功能表

Table 3-1 LM339 pin function table

图3-8 LM339电路图

Figure 3 to 8 LM339 circuit diagram

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3.7总体电路设计

图 3-9 总体电路设计图 Figure 3-9 overall circuit design

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3.8 本章小结

本章是交直流电流电压同步测量装置硬件电路设计部分，主要介绍了STC90C51单片机的使用，A/D转化芯片PCF8591引脚功能等，同时在电路图的绘制过程中，也掌握了Protel99画图软件的使用方法。

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第4章 系统软件设计

上一章设计了系统的硬件结构，但是硬件的运行离不开软件的支持，所以软件设计是系统必不可少的一部分。本章主要针对交直流同步测量装置各模块进行详细的软件设计，主要包括：主控程序、相位角测量程序、显示子程序、按键子程序、采样子程序等。 4.1主程序设计

主程序是交直流同步测量系统的主框架。本系统是一个测量系统，需要不断的更新数据，所以主程序应是一个无限循环的程序，在顺序执行的过程中不断调用有关的子程序和执行相应的服务子程序。 主程序框图如图4-1所示。

开始调用初始化子程序调用显示子程序开外部中断读A/D数据得到信号幅值N计算功率调用按键扫描子程序有键按下？Y键值判别子程序电压测量子程序电流测量子程序功率因数测量子程序有功功率测量子程序无功功率测量子程序

图4-1 主程序流程图

Figure 4-1 main program flow chart

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系统初始化完成后，调用显示子程序，显示出系统预置画面。设置中断方式，开启外部中断，运行中断内部子程序，得出相位差。读A/D数据得出电流电压有效值，计算出功率。调用按键扫描子程序，根据键值判别子程序判别按键值，跳到相应的功能子程序显示出相应的参数，再调用显示子程序显示。

4.2子程序设计

（1）初始化子程序

系统初始化包括：系统堆栈地址，定时器工作方式，液晶显示屏，外部中断。 在本系统中由于在测量电流和电压之间的相位差的时候要用到T1、T0以及外部中断，所以在初始化时要设定定时器的工作方式，这里设定T1、T0为定时模式；由于单片机在复位后堆栈为07H,所以要重新设置堆栈。液晶显示器在重新上电后必须重新初始化才能显示字符。整个初始化程序流程图如图4-2所示。

开始确定堆栈，清写保护设置定时器T1、T0工作方式,设置外部中断初始化液晶显示器，显示系统预置的画面结束 图4-2 初始化程序流程图

Figure 4-2 initial program flow char

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（2）外部中断子程序

测量是整个系统的核心，测量子程序是整个程序的主体内容。本系统外部中断子程序是主要的测量程序。其流程如图：

设置中断触发方式为边沿触发（本系统为下降沿触发），INT1输入的是电压信号，INT0输入的是电流信号。在电压信号负跳变触发中断时，开启定时器T1、T0，进行计时，到电流信号负跳变触发中断时，关闭定时器T1，T1保存的时间为t，当电压信号再次触发中断时，关闭定时器T0，T0保存的时间为T。由公式&=t/T*2π（&为电流、电压的相位差）计算得出电流电压的相位差，查表得到功率因数。其流程图如图4-3所示。

外部中断INT1

开始Y定时器T0是否开启？N关闭T0得到信号周期开启定时器T0开启定时器T1

结束 外部中断INT0

开始定时器T0是否开启YN停止定时器T1得到相差

结束

图4-3 功率因数测量流程图

Figure 4-3 power factor measuring flow chart

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（3）电流、电压有效值测量子程序

读A/D数据到单片机处理，取出最大值，即为电流、电压最大值，记为Imax、Umax，由公式I=Imax/1.414、U=Umax/1.414计算得出电流电压有效值。其流程图如图4-4所示。

开始读A/D值到单片机取最大值存入数据寄存器由公式计算电流电压有效值 图4-4 电流、电压有效值测量流程图

Figure 4-4 current, voltage RMS measuring flow chart

结束（4）功率测量子程序

准确来讲，功率不是直接测出来的，而是通过软件间接算出来的。测量得到电流、电压有效值、功率因数；由公式P=U*I*cos&便可计算出有功功率的值，由P1=U*I-P便可计算出无功功率的值。其流程如图4-5所示。

开始读取电流、电压、功率因数值将3者相乘，结果保存到数据寄存器

结束 4-5 功率测量流程图

Figure 4-5 power measurement flow chart

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（5）显示子程序

显示子程序包括两个部分，显示处理程序和显示字符程序。显示处理程序是将我们要显示的数据转换成液晶能显示的ASCAL码送往显示缓冲区。液晶显示字符程序是将要显示的数据送到液晶显示器的显示RAM中，在这个过程中必须要确定显示RAM地址。其流程如图4-6所示。

开始开始模式符号U、I、P、P1、COS送显示缓冲区设置DDRAM地址1电压值取出、电流值取出、有功功率值取出、无功功率值取出、功率因数值取出送第一行要显示的数据设置DRAM地址2送往缓冲区送第二行要显示的数据

返回

返回

图4-6 液晶显示程序流程图

Figure 4-6 liquid crystal display program flow chart

（6）键盘扫描子程序

通过检测输入线的电平状态边可以容易的判断哪个按键被按下了。扫描流程如图4-7所示。

开始有键按下？YP1.0为低电平检查P1口电平状态电压显示电流显示P1.1为低电平功率因数显示P1.2为低电平有功功率显示P1.3为低电平无功功率显示P1.4为低电平N

返回

图4-7 键盘扫描程序流程图

Figure 4-7 keyboard scan process flow diagram

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4.3 本章小结

本章是系统的软件设计部分：软件主体结构构和各个功能子程序。通过系统的软件设计，对测量的过程和各个模块的控制提供一个有序的步骤，对实现系统功能有重要意义。

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第5章 调试

5.1 调试过程

本次设计是对交直流电流电压同步测量技术的研究，在研究基础上设计一个交直流电流电压同步测量装置。对于电路电流和电压的测量：通过系统采样电路将其转换成可供采样的电信号，通过A/D芯片PCF8591送入单片机处理，由软件读出，处理后参数有液晶显示器LM1602显示出采样电流和采样电压。对于相位角&的测量，采用过零比较的方法利用单片机中断和定时器对电流和电压过零点的时间差进行确定，再通过计算可以确定电压与电流的相位差。通过查表得出功率因数，由公式计算出有功功率和无功功率，再显示出结果。

5.2 结果验证

本系统的键盘模块为独立式键盘，由5个独立按键组成，验证试验完成的功能为：不同按键按下，使显示器显示对应的数据。在完成键盘电路的硬件连接后，调试程序，按下K1键，显示器显示电流值；按下K2键，显示器显示电压值；按下K3键，显示器显示功率因数值；按下K4键，显示器显示有功功率值；按下K5键，显示器显示无功功率值。

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第6章 总结

经过将近一个学期的努力，在罗老师的指导下，我顺利的完成了交直流电流电压同步测量技术研究的论文设计。虽然最终并没有完成交直流电流电压同步测量装置的制作，但是在这个设计的过程中，我感觉自己成熟了许多，无论是学习上还是为人处世上都有了很大的进步。

在本次设计过程中给我感触最深的便是老师的正确指导以及同学间的合作。在早期，看到这个论文题目：交直流电流电压同步测量技术研究的时候非常迷茫，有种无处下手的感觉。我模糊的理解了同步的意义，查阅资料也显得文不对题，后来在与老师的交流中，我重新正确的认识了本次论文的意义和研究内容，才顺利开展了后面的工作。后面每当我遇到瓶颈的时候，老师都能正确的指导我解决问题。还有很多事情在无法及时与老师联系时，同班的同学也能同我一起讨论，帮我走出困境。我想我的这个毕业论文要是没有同学的合作和老师的正确指导是不可能完成的。

本次论文设计有很多不足的地方，最主要的就是没有完成交直流电流电压同步测量装置的制作。其实设计这个系统的理论方法还是比较合理的。只是由于条件限制，才没能完成这个系统的设计。比如在采样电路中，电流互感器、电压互感器的参数并不理想，若重新换参数好点的价格也比较贵。还有在调试时，电源、示波器等仪器也比较欠缺。

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致谢

在这次毕业设计即将结束之际，首先要感谢我的指导老师罗老师，能够为我提供这样一个难得的锻炼机会。并且能够在百忙之中抽出时间来指导我，为我解答疑难问题，并且为我们申请开放实验室，力求给我们良好的调试环境。

这次毕业设计不仅仅是对我大学四年来只是的考查，更是对自己的动手能力，协调能力的一次很好的训练。

最后，在这次毕业设计过程中，同样感谢那些帮助过我的同学以及系里老师的关心。

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参考文献

[1] 徐泳龙.单片机原理及应用[M].机械工业出版社，2004.

[2] 刘大茂.智能仪器（单片机应用系统设计）[M].机械工业出版社，1996. [3] 付家才.单片机控制工程实践技术[M].化学工业出版社，2004.

[4] [美]赛尔吉欧·佛朗哥.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M].西安交通大学出版社，2004.

[5] [美]John R . Hufault.运算放大器应用电路集萃. 中国计量出版社，1989. [6] 吴国经.单片机应用技术[M].中国电力出版社，2004.

[7] 陆坤，李之权等.电子设计技术[M].电子科技大学出版社，1997.

[8] 阎石.数字电子技术（第五版）[M].高等教育出版社，2007：489-494. [9] 李广弟.单片机基础[M].北京航空航天大学出版社，1994：27-49.

[10] 周航慈.单片机应用程序设计技术[M].北京航空航天大学出版社，2002：198-213. [11] 刘守义.单片机应用技术[M].西安电子科技大学出版社，2008：30-32.

[12] 陈清山.世界最新集成运算放大器特性、引脚及互换全集[M].湖南科学技术出版社，2005.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/sp9.html