测量电压、电流、功率的数字表的设计制作

编号：

毕业设计说明书

题目：测量电压、电流、功率的

___数字表的设计制作

学院：机电工程学院

专业：电气工程及其自动化

学生姓名：张永发

学号：1200120333

指导教师：郭福力

职称： __工程师 __

题目类型：□理论研究□实验研究□√工程设计□工程技术研究□软件开发

2016 年6 月3 日

摘要

在现代检测技术中，常需用高精度数字电压表进行现场检测，将检测到的数据送入微计算机系统，完成计算、存储、控制和显示等功能.本设计是一种基于STC89C52单片机的测量电量的数字表，以STC89C52单片机和TLC1543为核心器件.该系统的数字电压表电路简单，所用的元件较少，成本低，调节工作可实现自动化：数字电表抗干扰能力强、测量速度快、测量准确度高.整个测量系统主要测量电压电流两个主要参数，只要测出这两个参数就可以计算出有功功率和无功功率。整个系统的设计完成了硬件电路的设计及软件程序的编写，通过最终硬件电路的调试及软件程序的仿真，使该系统能够在要求的条件下达到正常的测量及显示功能。在整个系统的设计过程中，主要采用了模块化的设计方法。该系统主要分为四大模块，即输入信号衰减模块、主控制模块、A/D转换模块和输出显示模块。由于实际电路中的电量参数太大，TLC1543直接采集会使器件被损坏，因此先对电量信号进行衰减，在单片机的控制下完成对电压、电流信号采集，并对电压和电流的相位进行比较得到功率角，最后将测量结果通过LCD1602液晶显示出来。该电路设计新颖、功能强大、可扩展性强。

关键字：51单片机；A/D转换器；电压电流的采样；显示屏；数字表

Abstract

In modern measuring technology，it is often required to conduct site measuring with a digital meter．The data measured will then be input into the micro-computer system to execute such functions like calculating，storing，controlling and displaying. An non-electricity measurement digital electric meter based on STC89C52 is proposed. It is a completed measurement system based on the STC89C52 and TLC1543. The digital meter features in simple electrical circuit，lower use of elements，low cost and automatic regulation. The digital meter strong anti-jamming ability, Measuring speed, high accuracy field measurement methods .The measuring system, the main measure two main arguments are voltage and current. Just measured out the two arguments, it can calculate the active power and the reactive power. In this design, the hardware circuit and software programming are both realized at the judge of hardware circuit and imitation of software program. This system can fulfill the function of measure and displaying under the demanded conditions. Over the designing of the whole system, the method of modularity is used. The system is mainly divided into four modules：for example，the module of input signal attenuation, the module of master control, the module of ADC, the module of display export signal. Due to the parameter of actual circuit quantity of electricity are enormous gross, if TLC1543 direct gathering the non-electricity signal, it will break down the device, and the digital electric meter will out of work. So, the quantity of electricity signal must take attenuation place .This system can accomplish the signal sampling of voltage and current, and compares the voltage and current phase, and gets the phase difference. The result can be displayed through the Liquid Crystal Display 1602. The circuit is modern design，powerful functions, scalability strong.

Key words：51MCU；A/D converter; sampling voltage current; screen; Digital electric meter

目录

摘要 ...................................................................................................................................... I ABSTRACT.......................................................................................................................... II 1 引言.. (1)

1.1课题背景和研究意义 (1)

1.2数字表的发展现状 (1)

1.3数字表的未来发展趋势 (1)

1.4课题研究目的和主要内容 (2)

2 系统方案设计 (3)

2.1系统原理分析 (3)

2.1.1电压、电流测量原理 (3)

2.1.2功率测量原理 (4)

2.2系统功能要求 (4)

2.3系统框图 (5)

2.4系统设计方案及技术分析 (5)

2.4.1 电压、电流采集模块 (5)

2.4.2 信号处理模块 (6)

2.4.3 模数转换模块 (6)

2.4.4 相角测量模块 (6)

3 硬件系统分析 (8)

3.1电路测量系统的分析 (8)

3.2STC单片机简介 (8)

3.3系统前向通道 (8)

3.3.1电压、电流采样电路 (8)

3.3.2 信号处理和分析 (10)

3.3.3位角测量的前置电路 (11)

3.4模数转换电路 (12)

3.4.1 TLC1543简介 (12)

3.4.2工作过程 (12)

3.4.3硬件设计 (13)

3.5键盘电路 (15)

3.6液晶显示电路 (15)

3.7电源电路 (16)

4 系统的软件设计 (17)

4.1系统的主程序设计 (17)

4.1.1初始化子程序的设计 (18)

4.2测量子程序 (18)

4.2.1功率因数的测量子程序 (19)

4.2.2电压、电流有效值的测量 (20)

4.2.3 功率测量 (21)

4.2.4液晶显示子程序 (21)

4.2.5键盘扫描子程序 (23)

5 软件仿真与硬件调试调试部分 (24)

5.1电压、电流采集模块调试 (24)

5.2相位捕捉验证 (25)

5.3硬件制作与调试 (26)

总结 (27)

谢辞 (28)

参考文献 (29)

附录 (30)

1 引言

1.1 课题背景和研究意义

电能，作为生产和日常生活必要的一部分，在人类社会的发展过程中具有重要地位[1]。而在电能的生产、传输、分配、和使用的过程中只有通过对电能质量和负载运行情况的监测才能保证供电的可靠、灵活和经济性。因此，对于电能参数的测量具有重要意义。通过对电压、电流和功率的测量，便可以具体的描述出电信号能量的大小。在电参数的测量过程中必然会使用到测量仪表。传统的电参数测量仪表多为功能单一的模拟式针仪表。这类仪表通过电流或电压线圈的电磁感应来驱动指针偏转，测量人员通过指针在刻度表盘上的位置即可进行读数。这类传统的模拟式仪表多数在使用前需要进行机械调零，而且根据待测量数据的大小需要通过手动调节的方式来选择合适的档位。尤其是在精度要求不同的测量条件下，仍然需要根据测量所需精度的不同来选择不同准确度等级的电工测量仪表，因此操作较为复杂、通用性较差。而且由于刻度盘的读数并不直观，导致测量结果被引入了人工读数所带来的误差。因此这种传统的机械式电气测量仪表急需被一种新型的高性能测量仪表所取代。

1.2 数字表的发展现状

随着电子技术的发展，一种新型数字式测量仪表渐渐出现在人们的视线中。这种数字式仪表不同于传统的模拟式指针仪表，它采用将模拟量转化为数字量的方式将测量结果直接液晶或数码管上显示出来。这种数字表主要由输入变换部分、A/D变换部分和显示部分构成。由于数字表可以直接将测量结果通过显示部分显示出来，因此在测量过程中避免了以往因人工读数不直接而引入的测量误差。而且部分数字表还具有自动转换量程的功能，这也避免了人工切换量程时由于误操作所引发的安全事故，增加了测量过程的安全和可靠性。

数字式仪表在国外发展较早,早在二十世纪五十年代初期美国的NLS（Non-linear System）公司年就已经研发出了四位的数字电压表。后来逐渐发展成为显示位数更多的高精度数字电压表[2]。而我国在二十世纪六十年代初才开始对数字表进行研制，随着国内电子技术的发展，我国研制的数字表的稳定显示位数和精度也在不断提高，随之出现了许多六位和七位半显示的数字电压表。目前国内数字表已经实现八位半的稳定显示输出。

1.3 数字表的未来发展趋势

随着研发技术的不断进步，数字表的应用也越来越成熟，如今已被广泛的应用到工

业生产和电力行业中[3]。尤其是在一些较为恶劣的环境中，数字表以其自身的优越性仍然占有主导地位。但也由于一些复杂环境中，存在各种形式的干扰，因此对数字表性能的要求也十分苛刻。比如在磁场变化较为剧烈的环境中，仪表中的电子元件很容易受到变化磁场的干扰从而导致测量结果出错。对于精密仪表，抗干扰能力尤为重要。并且随着计算机技术的发展，通讯和智能化也被运用到各个领域，这也将成为数字表的一个新的发展趋势。因此数字表的未来发展应该有以下特点：

（1）更高的稳定性

供电的电源，现场的抗干扰能力，显示的数值的准确精度，这些性能都会越来越好。

（2）附加功能的智能化

通讯能力，控制保护功能，传输能力，历史记录功能，波形显示等。未来的电力仪表会更加智能化，更切合现场的需要。

1.4 课题研究目的和主要内容

为了克服传统指针式仪表的缺点，实现量程自动切换、读数直观、操作更加方便的电参数测量。本文采用了新型的设计方式，以互感器及其外围电路组成采样电路实现交流的信号的采样，以运放组成的精密整流电路和滤波电路实现信号的交直流变换，以TLC1543为核心的A/D电路实现模拟量到数字量的转换，以过零比较电路实现相位的测量，以单片机为核心实现对电压、电流和功率的运算并通过1602液晶模块实现测量果的直观显示。相对与传统的指针式仪表，本设计具有功能多样、读数直接、可以自动切换量程、操作方便的特点。本设计包括以下几个内容：交流采样电路，整流滤波电路，A/D转换电路，相位测量电路，液晶显示部分，按键控制部分，单片机及其外围路以及电源部分。以下是本设计需要研究的学习内容：

各章内容安排如下：

第一章前言部分简单介绍课题的发展背景、发展现状和研究意义等；

第二章是介绍设计本课题相关理论知识基础。

第三章主要对用到的单片机和各个功能电路的功能、原理、原件的选择和参数计算进详细分析；

第四章主是整个系统的软件部分进行设计并对各个功能模块电路的软件部分进行详细说明；

第五章主要是对整个设计的软件仿真与硬件调试，并对过程中出现的问题进行分析，找出合理的解决办法；

第六章是对本次课题设计的总结及未来的展望；

文章的最后是致谢以及所用到的参考文献和附录部分；

2 系统方案设计

根据要求，本设计需要同时对电压、电流、功率等电能参数信息进行实时采集。以下为本次设计中所需要的理论基础。

2.1 系统原理分析

2.1.1电压、电流测量原理

在电路原理中，可以通过二端口模型对电路中负荷的电参数进行求解。如图2.1所示：

图2.1 二端网络 本图中取电流与电压为关联参考方向，在交流电路中可以设电流和电压分别为

sin （）i wt θ=+，sin u wt =其中θ为电流超前电压的相位角。对于交流信号幅值的相对大小可以分别用峰值、平均值和有效值来表示；有效值指的是信号的均方根值（RMS ）。对于电压信号，其有效值的数学表达式如公式（2-1）所示：

R MS U = （2-1）

而对于标准正弦信号而言，其信号的有效值与峰值之间存在以下关系，如公式（2-2）所示：

0.707

RMS P U U U =≈ （2-2）

因此对于标准正弦信号而言，其有效值可以根据公式（2-2），通过获取峰值的方式来间接求得。但严格意义上来说，由于高次谐波的存在，从电网输出到民用负荷的电压波形并不是完美的正弦波。因此为保证更高的计算精度本次设计对电压有效值的计算是根据公式（2-1）进行求解的。

对于电流有效值的测量，通常是由电流按照一定比率转换为电压信号后进行求解的。根据电路原理，流经纯电阻电路的电流与电流在该电路产生的电压信号在同一时刻的波形上是可以完全重合。因此，通过电阻采样的方法既可以保证在时间上波形的同步，又可以保证数值上的对应关系。对与电流有效值的求解，从原理上讲还是对电压有效值的求解。综上，对于电流有效值的求解同样可以根据公式（2-2）和欧姆定律联合求得。

测量电压电流的最终目的是对设备功率进行求解，因此接下来将对功率的测量原理。

2.1.2功率测量原理

根据初中物理对功率的定义，功率是在有效的单位时间T 内，用电器所消耗的电能是W （瓦特）。因此根据定义，功率可以由公式P=W /T 求得，但实际上计算用电器在时间T 内消耗的电能是非常困难的。因此，通常对功率的求解是根据如下公式进行求解的：

01

T

P uidt T =? （2-3）

其中u 和i 分别为电压和电流的瞬时值，通过对公式（2-3）进行变换可以得出功率的最终表达式（2-4）：

cos P UI θ= （2-4）

其中U 和I 分别为电压和电流的有效值，根据公式（2-1）可以分别对电压和电流的有效值进行求解。因此对于功率的求解还需要最后一个变量θ便可以完成。θ为以电压为相位参考时，电流的相位。因此对于功率的求解实际转换为对电压电流之间的相位差θ进行求解。

2.2系统功能要求

本设计以STC 单片机作为核心控制元件，以TLC1543及外围硬件组成信号的输入通道对交流信号进行实施信号采集的交流数字测量仪表。该仪表可以同时对负荷的电压，电流和功率进行测量，并且由于采用数字显示模块1602液晶完成被测量的输出显示，因此具有可以直观的将模拟量对应的数字量显示出来。对与数字式仪表，其工作原理是先将采集到的模拟信号进行信号类型转换，完成模拟量到数字量的对应转变。因此信号的采集和转换过程对数字表功能的实现尤为重要。本文的重点也将放在信号的采集和转换部分。本文通过互感器电路对交流信号实施采样，并通过后续电路的处理将采样到的模拟信号输入到数据转换芯片已完成数据从模拟量到数字量的转换。对于功率的测量部分，本文采用将交流信号转换为方波信号并通过逻辑运算的方法实现电流与电压之间相位差的测量以达到最终获得功率的目的。整个电路对于软硬件的要求都比较高，因此需要大量的知识储备以应对设计中出现的各种问题，经过软硬件的整体设计之后，本设计应达到以下要求：

表2-1 系统设计要求

2.3系统框图

在本设计中，需要同时对电压、电流和负荷的有功功率进行测量。而电压和电流在数值上均用有效值来表示。根据公式（2-4），在已知电压有效值和电流有效值的前提下只需要测量功率因数便可以得出功率的测量值。故，在设计上对上述内容进行了分别处理，因此可以大体分为以下几个板块：电压电流采集模块、相位角测量模块、按键模块、液晶显示模块。各模块的具体实施方案将在第三章进行介绍。整个设计的系统的结构图如图2.2所示：

2.4系统设计方案及技术分析

2.4.1 电压、电流采集模块

方案一：电阻分压采样

通过测量电路中采样电阻的串并联接法，使电流流过电阻，从而采集到电压和电流值。

方案二：电压、电流互感器

测量型互感器是一种被广泛应用在仪器仪表中的变压器，从原理上讲互感器与变压器类似，都可以将电信号按照一定的比例放大或缩小。不同于普通变压器的是互感器通常用于完成电参数的变换以达到测量的目的。常用的电压互感器二次测额定值均为100V，而电流互感器的二次侧额定电流为5A或1A。而本此设计需要将采集到的电信号直接输入AD转换器，因此需要用到一种仪表用测量型互感器，其二次侧电压一般为5mV或2.5mV但因为其依然具有互感器的特性因此可以很好的应用于电参数的测量电路当中，并完成强电到弱电的转化。而且在强电与弱电的隔离方面，互感器也具有良好的效果。

通过分析比对，方案一适用于弱电信号的测量电路，因其接法简单，并且易于实现而被采用。而方案二则多应用于需要将强电信号进行衰减采样的电路中。根据本次设计

的功能设计要求，电路需要实现0-250V交流信号的采集和测量，属于强电到弱电的转化。因此本次设计选取方案二作为本次设计的交流输入方式。

2.4.2 信号处理模块

由于电压电流互感器二次测输出电压比较小，且A/D转换器只允许0-5V的直流信号通过自身并完成信号的类型转换。因此需要对经互感器采集转换后的弱信号进行放大和整流处理。而且由于电网电压的波动可能导致转换后的电信号的幅值大于AD转换器的允许输入范围，因此需要对整流电路的输出端也就是A/D转换器的输入端进行过流和过压保护处理。

综上，信号处理模块需要设计整流电路、过流保护和过压保护电路。

2.4.3 模数转换模块

本次设计需要对电信号进行实时测量，且待测量为在时间上连续变化的交流模拟信号，因此首先需要对该信号进行类型的转换。由连续变化的模拟信号转化为时间上离散的数字信号的过程就需要用到A/D转换器。而就本次设计而言，对于交流量的测量过程中，首先要将有效值为0~250V的交流电压信号转换为单片机内部可以读取的电平信号。根据设计要求，电压的误差需要控制在±2V以内，相对于本设中需要测量电压信号的最大量程而言允许误差基本在满量程测量数值0.8%左右。但考虑到硬件电路的设计与制作过程意外引入的干扰问题和模拟信号的采集和输入部分产生的误差，工程上通常选用精度为设计要求10倍以上的A/D芯片作为最佳选择。

根据信号输出方式的不同A/D又可以分为两种：串行输出式、并行输出式。并行传输方式的优点是传输速率快，但由于需要多通道数据同时传输，因此占用了较多的芯片资源，对于I/O有限而需要采集的信号较多时，这种方式基本不予采用，并且并行输出方式的A/D电路布线较为复杂。相比之下，串行输出方式的A/D所构成的电路具有布线简单的特点，因此本次选用位数较高的串行A/D芯片来同时满足电路对布线和传输速率的要求，而且在价格方面本次选用的TLC1543多通道串行A/D与常用的ADC0809相比也十分相近，具有极高的性价比。因此选用由美国TI公司生产的多通道、高性价比的TLC1543串行A/D作为本次设计的模数转换芯片。

2.4.4 相角测量模块

功率因数是指正弦信号的电压超前于电流的相角的余弦值。对于相位角的测量可以有以下几种方案：

方案一：采用过零比较的方法来测量相位角

对于标准正弦信号而言，其波形会周期性的通过零点，根据信号每次通过零点的

时间便可以求出信号的相位角。

方案二：通过傅立叶变换的方式来求取输入信号的相角。

此种方法在精度上的确优于第一种方案，但由于其算法实施较为复杂。此种方法主要应用于系统精度要求极高，且信号复杂的情况。

综上，本次设计采用方案一的办法来实现系统的相位测量功能。

3 硬件系统分析

3.1电路测量系统的分析

单片机电路测量系统主要由STC89C52、系统前向输入通道（电压和电流的采样电路）、按键电路和液晶显示电路组成。这部分电路主要需要完成以下任务：

1) 完成对系统输入通道采集到的信号的数据处理；

2) 通过调用显示函数将处理结束后的数据通过液晶显示出来;

3.2 STC 单片机简介

本次设计使用深圳宏晶科技公司生产的增强型STC89C52单片机，内部带有8K 的程序存储空间最高工作频率可达40Mhz.相对与传统51单片机，该芯片在内部增加了可以10万次擦写的EEPROM ，而且相对于51单片机，52单片机在片内也增加了定时器T2，因此资源上更为丰富，且由于兼具价格低廉，性价比高的优点所以深受广大电子爱好者的喜爱。正是基于众多优点，本次设计选用STC89C52RC 作为核心控制元件。

3.3 系统前向通道

一个完整整的系统，应该同时具备信号的输入、输出和处理环节。为提高系统的优越性和完整性，本系统也同样对信号设有输入通道。根据设计要求，本系统需要对电压0-250V 、电流0-5A 的强电信号进行测量，为实现设计的数字化，就必须将通道内的模拟信息进行转化，这一过程将用到A/D 转换元件。但由于A/D 的允许输入信号变化范围有限，因此就需要将输入信号进行再一次转换，由0-250V 的交流电转化为0-5V 的直流电，这一过程就需要互感器电路和整流电路的参与。因此在硬件方面需要位系统设置电压电流的前向处理通道。

3.3.1电压、电流采样电路

将0-250V 的交流电压转换成较小的电压，此时采用PT107

型电压互感器来实现。

该器件的原理是电流型电压互感器，即二次测输出的电流与输入的电压成正比，所以二次测不能开路，通常互感器的接法有两种，如图3.3.1和3.3.2所示：图中的C和r是用来补偿相移的。通过软件补偿或不需要补偿相移的场合，电容C 及电阻r可以不接。图中运算放大器为OP07系列，运算放大器的电源电压通常取±15V 或±12V。根据设计手册，图3.3.1电阻R和限流电阻R'要求温度系数优于50ppm。电阻选取时应注意工作电阻的工作电流合理选择适合功率值的电阻。在A/D转换器为低压输入时，互感器可以采用图3.3.2在二次侧并联一个电阻，但采样电压不得大于0.5V有效值,当采样电压大于0.3V时角差会增大。因此在需要测量相位的电路设计中优先考虑第一种。由于本次设计使用的AD采用0~5V的直流输入，并且对有功功率的测量正是通过测量电流与电压之间的相位角间接得到的，为了尽可能使有功功率的测量达到要求，本次设计采用图3.3.1方式。

图3.3.1的输入端并联的两个二极管用来保护运放，当输入电压高于二极管的正向导通压降时，输入电压会被钳位在±1.7V左右，达到保护运放的目的。根据理想运放的

U=U/R'。而互特性，反馈回路的电流与反向输入端的电流相等，此时运放的输出电压o i

R的阻值。考虑到电感器两侧的理想工作电流为2ma,由输入电压的最大值可以计算出’

阻的工作电流和发热状况，本设计中R’选择为120K额定功率为2W、精度为1%的金属膜电阻。

由于接入A/D的信号为0-5V变化范围内，故接入A/D转换器的信号有效值应为3.5V。根据理想运放的性质，此时反馈回路的电阻应为1.25K欧姆，为保证输出电压精度，本次设计采用精密电位器串联定值电阻的方式来完成。具体电路如图3.3所示：

图3.3.3 电压采样电路

对于电流采样电路而言，由于流过用电设备的交流电流通常较大，为保证A/D转换器能够正常运行，因此必须将信号按照一定比例衰减，将其转换为峰值为0-5V（有效值为0-3.5V）不失真的弱电信号。对交流0-5A的强电信号采样需要CT103测量型电流互感器来完成。互感器在使用时，需要将用电负荷的单根电源线传过互感器元件中央的孔洞。当电路通电时在互感器的输出端便会有电流流出。根据设计规范，电流互感器的二次侧不允许开路，因此互感器的输出端需要串接采样负载。

CT103型作为电流互感器时，额定电流为5A时，输出额定电流为5mA,此时采样为保证输出电压的峰值为0-5V，则同样选取图3.1的接法，采样电阻经计算为700欧左右，为保证输出精度，本次采用精密电位器串联定值电阻的方式来完成。具体电路如图 3.4所示：

图3.3.4 电流采样电路

该电路再接法上与电压互感器二次侧的电路类似，原理也基本相同，这里不做赘述。

3.3.2 信号处理和分析

由于本次用到的A/D转换器的允许输入为0~5V的直流电压信号，因此由交流采样电路得到的交流信号必须经过整流电路才可以接入AD。传统的全波整流电路一般由二极管或整流桥构成。但由于二极管的正向导通过程存在死区，这对于信号幅值小于死区电压的弱电信号而言是非常不利的，因此这种传统的全波整流电路并不适合本文。基于以上考虑本此设计选取一种由双运放组成的绝对值电路来实现交流信号的精密整流。具体电路如图3.5所示：

图3.3.5 信号处理电路

如图3.5所示，运放U1：A够成半波电路，当运放的反向输入端输入为正电压时，管子D2导通D1截至，此时运放U1：A的输出为负电压。当输入电压反向时，管子D1导通D2截至，此时形成深度负反馈，电压输出为0。运放U1：B的作用是将运放U1:A的输入和输出电压进行反向求和。要想整个电路能够实现全波整流的作用，关键就在于阻值的匹配，电阻之间必须满足以下关系：

3126

R R =R 2R （3.1） 为了使电路能够按照正常的精度稳定运行，本设计采用定值电阻与精密可调电位器串联的形式来保证整流电路的输出精度。另外考虑到运放输入电流的平衡问题，运放的同相输入端与地线之间需要串接平衡电阻。在处理信号时，需要考虑测量元件的过压和过流问题，因此需要在模数转换通道之前对芯片进行保护。具体可以将TLC1543的输入端并联一个稳压二极管以对直流电压信号进行稳压，确保输出电压在0-5V 以内的范围。经过上面一系列的处理便可以得出与实际电路近似相等的真实值。为进一步优化电路的设计精度，本电路在原有的基础上增加了量程切换电路，由八路模拟开关CD4051作为核心元件，由软件控制自动实现，具体内容在下一章节进行详细叙述这里不再叙述。量程切换的硬件电路如下图3.6所示：

图3.3.6 量程切换电路

3.3.3位角测量的前置电路

本设计利用电压电流的过零点来测量电压、电流的相位差。对于正弦信号而言，其信号都会周期性的通过零点，因此只需要测出信号通过零点的具体时间，便可以近乎准确的得出电压与电流之间的相位差。

如下图3.7所示：

图3.3.7 相位差测量电路

该电路主要由限幅电路和过零检测电路组成。文章在前面的章节中，已经提到电压和电流的具体方法。本章将继续延续前文的做法，以互感器部分输出的输出作为相位检测电路信号的来源。当电路电压或电流通过互感器变换后的采样电压或电流值大于0时，则过零比较器的输出为高电平，当电压（电流）的负半周经过零点时过零比较器输出为低电平，通过对电压电流输出电平进行逻辑求和运算便可以得出一组新的方波脉冲信号，电路上将异或门的输出端同时引入单片机的INT1（单片机的P3.3管脚），和T1（单片机的P3.4管脚）。这样根据电压和电流过零的时间差，再通过软件编程我们可以计算出电压和电流之间相差的相位角，从而达到设计要求。

3.4 模数转换电路

对于强电的数字化测量过程，必须现将强电信号进行衰减和转化，所以A/D转换电路在电路的测量过程中是必不可少的一部分。在此，本设计选取有11路模拟量输入的TLC1543作为信号的数据转换单元，该芯片转换时间很快、采样的精度高而且使用单片机I/O接口少，因此完全可以满足系统的测量要求。为了TLC1543转换器能可靠的运行，需要对其各个控制端进行学习。

3.4.1 TLC1543简介

图3.4.1 TLC1543引脚图

TLC1543为20脚封装，逐次逼近式模数转换芯片，其最快转换时间为10us。其引脚图如图3.4.1所示。该芯片设有3个内部通道和11个外部通道。三个内部通道主要用于通道选择时通道地址的校验。当芯片内部参考电压为电源电压时，三个内部通道的输出数据分别为十六进制的3FF、200、0。因此在信号转换之前可以先进行内部地址校验。

该芯片带有串行数据输出口，支持SPI通信方式其工作原理与ADC0832类似这里不做赘述。

3.4.2工作过程

TLC1543工作时序如图3.4.2所示，其工作过程分为两个周期：访问周期和采样周期。由时序图可以看出，当通道选择的地址数据进入到A/D内部需要花费4个时钟周期。在第四个时钟周期后需要花费6个时钟周期进行采样。虽然本次使用的A/D转换器完成

一次转换的最快时间为10us,但由于本次单片机使用的外部时钟为12MHz,因此单片机的I/O口输出的模拟信号时钟周期最短为2us,因此在速度上受到一定限制，但对于50Hz的正弦交流信号来说，在时间数量级上还是非常占有优势的。并且根据采样定理，2us的时钟周期所对应的系统单次采样时间完全可以胜任对单周期内电压和电流信号的同时采样。

图3.4.2 TLC1543工作时序图

具体时序使用方法如下：

（1）片选CS高电平，EOC高电平，CLK时钟低电平；

（2）片选CS低电平，开始读出第一位数据；

（3）在第一个时钟上升沿，输入一个地址数据；

（4）之后在每个时钟的下降沿输出AD转换数据，在上升沿输入地址数据；

（5）TLC1543是10位转换器，因此有10个时钟；

（6）一个操作过程结束后，片选CS高电平，EOC会在最后第10个时钟的下降沿触发低电平，开始AD转换，此时，输出被禁止，等到转换结束后EOC置位1，代表转换结束。等到CS片选再次低电平，开始第二次操作。

3.4.3硬件设计

TLC1543的基准由外电路提供，在本设计中由于对采样的精度要求较高，所以在编程的时候软件要将TLC1543设置成单极性输出，MSB做前导输出并且输出的数据长度为10位。TLC1543可直接与单片机连接，SDO、ADDR、CS、CLK、EOC分别接到单片机P1.0-P1.4口上。根据本次设计要求，系统需要对0-250V交流电进行采样，之前的章节已经对采样电路进行了简单的介绍，为保证被采样的电压信号能够顺利进入A/D转换器，本设计在理论上将电路的输出电压控制在0-5V范围内。但在实际的应用中，电路并不是完美的，考虑到电网电压的波动情况，尤其在夜间用电用户的增加可能导致实际的电压比实测值大得多，为保证AD转换器能够正常工作，必需在其输入端增加限幅电路，简单的方法可以通过稳压二极管来实现。由于稳压二极管工作在稳压区的电流很

大，为保护二极管能够有效工作，需要在采样电路的输出端与稳压二极管之间增加限流电阻。TLC1543硬件电路图为3.4.3所示，TLC1543的输入寄存器格式如表3.1所示，根据硬件原理图和表格3.1可以确定出各个量程的的通道地址以及TLC1543的控制格式如表3.2所示。

表3.1 TLC1543的输入寄存器格式

表3.2 各个量程通道对应地址和控制格式

3.5 键盘电路

键盘分独立键盘和矩阵键盘，但它们都是由一组按压式或触模式开关构成的阵列。键盘的各个功能依据具体的设计来定。在本次设计系统中，系统的功能键比较少，一共就4个按键，所以在硬件设计的时候选择独立式的按键。由于51单片机P2口作为接口使用时可以省略上拉电阻，因此电路也变得简单化，每个按键都接入参考地，以供单片机检测。本设计中，将这五个按键分别定义为控制测试系统的显示电压、显示电流、显示功率因数、显示功率、复位。本次设计的键盘电路如图3.5.1所示：

图3.5.1 按键电路

3.6 液晶显示电路

通常，只需要显示英文和数字的的电路，可以通过液晶和数码管来实现。而液晶显显示又可以分为2*16位显示的LCD1602和128*64位显示的LCD12864。

本此设计只有三种变量需要显示，分别为电压U，电流I，和有功功率P。根据设计要求，电压误差须在2V

±范围内，而待测电压最高为250V，也就是说电压的显示部分需要显示的字节数会控制在6~8字节。电流测量误差须在0.1A

±范围内，需要显示的最大电压值为5A。因此电流显示部分所需要显示的字节数会控制在6字节以内。同理，功率显示部分最多需要8字节显示。若要将所有参数同时显示出来最多需要32个字节。

元件和方案的选择应该从电路的复杂程度和经济方面进行考虑。根据上述分析，虽然数码管最具经济性，但由于显示的位数较多，导致数码管的驱动电路较为复杂。而具有最大显示位数的LCD12864虽然在电路上较为简单且满足设计需要的显示位数，但价格较为昂贵。而具有最大32位字符显示的LCD1602在电路的复杂程度和经济性方面的优势是上述两种方案无法取代的。