本科毕业论文---数字式工频有效值多用表

目录摘要 (Ⅰ)Abstract (Ⅱ)1 绪论 (1)1.1 数字式工频有效值多用表的功能 (1)1.2 数字式工频有效值多用表的研究背景 (1)1.3 数字式工频有效值多用表开发意义 (2)2 总体方案论证 (3)3 硬件设计 (5)3.1 放大电路设计 (5)3.2 数据采集电路设计 (8)3.3 相角测量电路设计 (13)3.4 键盘/显示电路设计 (13)3.5 看门狗电路设计 (16)3.6 数字式工频有效值多用表的工作原理 (18)3.7 单片机的选用 (19)4 软件设计 (21)4.1 数字式工频有效值多用表的总流程图 (21)4.2 交流信号的相角测量 (22)4.3 交流信号的采集程序 (23)4.4 计算电压、电流有效值程序 (24)4.5 功率因数子程序- (28)4.6 看门狗子程序 (29)4.7 键盘/显示子程序 (30)4.8 数字式工频有效值多用表的自检 (32)4.9 数字式工频有效值多用表的自动量程转换 (37)结论 (39)致谢 (40)参考文献 (41)摘要本次设计的数字式工频有效值多用表采用 89C52单片机作为核心 ,充分利用其内部的 8KB程序存储器和 256B的数据存储器来进行数据的实时采样与处理；外围使用12位的A/D转换器可使测量精度高；利用数字电位器实现增益自动控制,从而满足各种量程的测量精度。

该表可测量电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数等参数。

本文首先介绍了数字式工频有效值多用表的作用,描述了系统的设计过程,给出了系统的组成框图及各部分的原理图；说明了核心部件数字式电位器X9241的结构、性能特点；简述了交流采样法的原理及实现过程；对系统的软件设计也进行了叙述,给出了部分软件流程图。

该数字式工频有效值多用在器件上尽量做到使硬件线路简单，充分利用软件编程，弥补元器件的精度的不足。

关键词：多用表单片机数字电位器交流采样AbstractThe design of power frequency RMS DMM based on AT89C52 microcomputer. Data gathering and calculating only depend on the inner 8KB code-RAM and 256B data-RAM of 89C52.The exterior 12bit A/D and digital electric-device improve the precision, can measure effective value of voltage and effective value of electric current, active power, reactive power, power factor and so on.In this paper, the functions of digital alternating current parameter Multi-function meter are introduced. The system design process is described. The constitute frame diagram and each part on-lines diagram are given. The construction and function characteristics of core digitally controllable variable resistors X9241 are elucidated. The principle with realized process of AC sampling methods are described in brief. The software design of system is described also. The part software blocks are given.The digital DMM spent on devices do as much as a simple hardware circuits, and make full use of software programming, Components make up for the lack of accuracy. Due to limited, and there is a need to improve the design of the paper. For example, before using high precision components, and measurement algorithm further perfect.Keywords：DMM single chip microcomputer Digital potentiometer Exchange sampling1 绪论1.1 数字式工频有效值多用表的功能本设计实现了一个多功能的数字多用表。

此表除了能测直流电压，直流电流，还利用单片机的控制、运算功能，根据离散积分公式，基于对电力系统参数进行交流采样的思想，实现了同时对一路工频交流电的频率、电压有效值、电流有效值的测量。

用软件计算出有功功率、无功功率、功率因数、利用数字电位器，使系统具有自校准、自动量程转换功能。

系统充分发掘了单片机的运算能力，以软件代替硬件电路，使硬件电路大大简化。

本系统利用了数字电位器调节准确方便，使用寿命长，受外部环境影响小，性能稳定等特点。

1.2 数字式工频有效值多用表的研究背景所谓数字式仪表，就是将被测对象离散化、数据处理后以数字式显示的仪表。

第一台数字仪表出现于20世纪50年代初，之后随着电子技术的迅速发展，数字式仪表与数字化测量技术获得了迅速的发展。

目前国内外已生产有许多种测量并具有很宽技术特性范围的数字仪表，如电压表、电流表、功率表、电能表、计数器、万用表、频率计等。

数字仪表与模拟式指示仪表相比具有很多优点。

比如：准确度高、灵敏度高、输入阻抗高、操作简单、测量速度快等。

数字式仪表目前主要缺点是：结构复杂、成本高、维修困难、观察动态过程不直观。

但是，随着电子工业的发展，大规模集成电路工艺水平的提高，数字式仪表的上述缺点将越来越小。

从模拟到数字，从单一通道到综合多通道测量的发展，从单个仪表向测量信息系统过度，将各种电学量和非电学量变换成统一量（时间、频率、直流电压）后进行测量等，是近十年来测量技术发展的主要趋势。

按仪器出现的先后顺序和先进性，可将仪器仪表划分为三大类产品。

第一类产品是模拟式仪器仪表。

这种仪表至今仍在广泛地使用着。

比如指针式的电压表、电流表、功率表等。

第二类产品是数字肢仪器仪表，它在准确度和灵敏度等方面都远远优于模拟式仪表。

这类仪器仪表的基本工作原理是将模拟量变为数字量，采用逻辑运算硬件电路实现测量功能。

这类仪器仪表的发展很快，目前正在各个领域被广泛地使用。

第三类产品是智能仪器仪表，它的基本原理是借助计算机（PC）采用软件替代部分硬件实现逻辑运算与数据传输、存储等功能，所以也被称之为微机化仪器仪表。

它具有数据采集、显示数字处理及优化和控制功能。

智能仪器仪表将朝着开放仪器的体系结构（PC仪器系统）和虚拟仪器方向发展，是今后一个时期仪器仪表发展的一个重要方向。

1.3 数字式工频有效值多用表的开发意义与普通的模拟多用表相比，数字式多用表的测量功能较多，它不但能测量直流电压、直流电流等参数，而且能测量交流电压、交流电流、功率、功率因数等。

除测量功能外，还有自动量程转换、自检等功能。

普通多用表具有电路简单、成本低、测量、使用方便等特点。

但测量精度较差，它的使用和发展受到了一定的限制。

而数字式多用表具有很高的灵敏度和准确度，显示清晰直观、功能齐全、性能稳定、可靠性好、省电、小巧轻便等优点。

由于数字式多用表具有很多优点，因此，得到了迅速发展和普及，具有开发的意义。

2 总体方案论证方案一：系统采用对电压、电流信号分别测量，测量功率时则将电压、电流信号取出，然后进行功率计算，原理框图如图2-1所示。

整个系统是采用模拟控制方式，硬件电路实现复杂，功率因数测量难以实现，系统还不能实现复杂的控制算法。

图2-1 方案一原理框图方案二：采用89C52单片机来实现。

单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。

多用表的组成框图如图2-2所示。

由四组开关来决定直流电压,直流电流,交流电压,交流电流的输入.直流部分,直流电压,直流电流经过分压后经A/D转换后送入单片机,由单片机计算电压,电流的有效值以及功率.交流部分,交流信号放大后，一方面由过零比较电路转为方波信号，由单片机计数器测量出信号周期和测量出电压、电流之间的相位差；同时电压、电流信号经A/D 采样转换后送入单片机。

单片机系统在每个信号周期内分别采样N个电压、电流值，根据离散积分公式计算出电压、电流的有效值以及有功功率、无功功率、功率因数。

在测量过程中，单片机系统根据不同的信号有效值，自动改变数字电位器的参数,以改变信号放大倍数,使系统对信号采样保持在最佳线性状态，保证了测量的精度。

比较以上两种方案，方案一是模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂控制和计算，控制方案的改善也较麻烦。

方案二是采用以89C52为控制核心的单片机控制系统，可以实现显示、打印、与微机通讯等功能，大大提高了系统的智能化，并且系统所测结果的精度有很大提高。

故经过对两种方案的比较，本设计及制作采用了方案二。

图2-2 多用表的组成框图3 硬件设计3.1 放大电路设计3.1.1 放大电路的方案比较方案一：采用集成运放芯片OP07对电压、电流信号进行放大处理，如图3-1所示：图3-1 信号放大电路可根据理论公式进行计算211/R R V V K in out +== 212*13R R R R R +=选择不同的阻值就可以选择不同的放大倍数。

R1选用4KΩ，R2选用1KΩ，R3选用0.8KΩ时，放大倍数可以达到5倍，但是由于系统的影响，放大倍数不能达到准确的倍数，并且这种放大处理不能同时满足对大小信号的处理，在放大器的前端还要加上一个电压比较电路把电压信号和基准电压进行比较，电压大于1V 时则不需要放大处理。

方案二 电路如图3-2所示，以数字电位器X9241作为运算放大器OP-07的反馈电阻，这样可根据输入信号的幅度大小，选择不同的放大倍数，实现量程的自动转 换。

芯片X9241具有四个非易失性数控电位器单元，每个单元有63个可以被滑动单元访问的抽头点，单片机可通过X9241的串行接口（SCL ，SDA ）改变任意一个电位器的输出阻值。