【正文】 業(yè)設計 數字式工頻有效值多用表 5 優(yōu)化和控制功能。按儀器出現的先后順序和先進性，可將儀器儀表劃分為三大類產品。 數字式工頻有效值多用表的研究背景 所謂數字式儀表，就是將被測對象離散化、數據處理后以數字式顯示的儀表。該表可測量電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因數等參數 。用軟件計算出有功功率、無功功率、功率因數、利用數字電位器，使系統具有自校準、自動量程轉換功能。數字式儀表目前主要缺點是：結構復雜、成本高、維修困難、觀察動態(tài) 過程不直觀。這類儀器儀表的基本工作原理是將模擬量變?yōu)閿底至?，采用邏輯運算硬件電路實現測量功能。但測量精度較差，它的使用和發(fā)展受到了一定的限制。由四組開關來決定直流電壓 ,直流電流 ,交流電壓 ,交流電流的輸入 .直流部分 ,直流電 壓 ,直流電流經過分壓后經 A/D 轉換后送入單片機 ,由單片機計算電壓 ,電流的有效值以及功率 .交流部分 ,交流信號放大后，一方面由過零比較電路轉為方波信號，由單片機計數器測量出信號周期和測量出電壓、電流之間的相位差；同時電壓、電流信號經 A/D采樣轉換后送入單片機。 方案二 電路如圖 32所示，以數字電位器 X9241 作為運算放大器 OP07 的反饋電阻，這樣可根據輸入信號的幅度大小，選擇不同的放大倍數，實現量程的自動轉 換。 X9241 采用 20引腳雙列直插封裝 。每個陣列的 VH和 VL以及每個電阻段之間的接點（即抽頭）通過 FET 開關連接滑動輸出端 VW；而滑動端 VW 在電阻陣列中的位置由 WCR 控制。 徐州師范大學生畢業(yè)設計 數字式工頻有效值多用表 11 數據采集電路設計 數據采集電路的方案比較 方案一：因為要測出功率值，所以一個周期內要對交流電壓、電流信號同時取點采樣。W RR D——A D 5 7 41 0 0 K1 0 0 K0 . 1 u F圖 33 采樣 /保持電路 模擬開關 CD4051 多路開關的主要用途是把模擬信號分時地送入 A/D 轉換器，或者把經計算機處理后的數據由 D/A 轉換器轉換成的模擬信號，按一定的順序輸出到不同的控制回路中去。 CD4051 帶有三個通道選擇輸入端 A,B,C 和一個禁止端。如果輸入模擬量是直流量或者被測信徐州師范大學生畢業(yè)設計 數字式工頻有效值多用表 13 號模擬量隨時間變化緩慢， S/H電路也可以省去。 捕捉時間（ Tac） ：所謂捕捉時間是指從開始采樣至采樣保持器輸出達到當前輸入信號的值所需要的時間。因而僅對高精度的 A/D 轉換器有影響。小電容可提高采樣頻率，但精度較低。 A0： A0 信號具有兩種含義：當 CR/ 為低時， A0 為高，啟動 8 位 A/D 轉換； A0為低，啟動 12 位 A/D 轉換。 AD574A 的 CE、 8/12 、 CS 、 CR/ 和 A0 對其工作狀態(tài)的控制過程?？刂七壿嬚嬷当硪姳?32。 A口： 8位數據輸入鎖存器和 8位數據輸出鎖存器 /緩沖器 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS i z eBD a t e : 27 M a y 2021 S he e t of F i l e : C : \ P r ogr a m F i l e s \ D e s i gn E xpl or e r 99 S E \ E xa m pl e s \ S H I H O N ~ D BD r a w n B y :abfcgdeadpa b c d e f gabfcgdedpabfcgdedpabfcgdedpa c d e f g a b c d e f g a b c d e f gbBPa b c d e f gA B C D LD DH BIH E F 4543a b c d e f gA B C D LD DH BIH E F 4543a b c d e f gA B C D LD DH BIH E F 4543a b c d e f gA B C D LD DH BIH E F 4543QTHRDISGNDV C CRTRIGCvoltN E 555QDCD QSDC L K74H C 74+ 5V10K10K C C+ 5VD0D1D2D3D4D5D6D7P A 0P A 1P A 2P A 3P A 4P A 5P A 6P A 7P B 0P B 1P B 2P B 3P B 4P B 5P B 6P B 7P C 0P C 1P C 2P C 3P C 4P C 5P C 6P C 7RDWRA0A1R E S E TCSA2A3A4A5A6A78255 圖 37 鍵盤 /顯示電路圖 B口： 8位數據輸入鎖存器和 8位數據輸出鎖存器 /緩沖器 C口： 8位數據輸入鎖存器和 8位數據輸出鎖存器 /緩沖器 8255 有 3 種工作方式，在 8255 中有一個控制字用來選擇工作方式和 A、 B、 C三個端口。當鎖存端 LD=1 時，鎖存器輸出隨數據輸入端 DCBA 的變化而變化，當 LD=0 時，鎖存器保存最近數據，并禁止鎖存器接受數據。軟件看門狗不需外接硬件電路，但系統需要出讓一個定時器資源，這在許多系統中很難辦到，而且若系統軟件運行不正常，可能導致看門狗系統也癱瘓。由于 CS 只能是位控方式連接，一般與單片機的 P1口或 P3 口相接，圖 211 中用的是 、 、 分別與 X5045的片選端 CS 、串行輸入 SI、串行時鐘 SLK 和串行輸出 SO 相連，二者的 RESET 引腳相連。 X5045 的存儲器與 CPU 可通過串行通信方式接口，共有 4096 個位，可以按 512 8個字節(jié)來放置數據 。 徐州師范大學生畢業(yè)設計 數字式工頻有效值多用表 21 （ 3） 看門狗定時器 看門狗定時器的作用是通過監(jiān)視 WDI 輸入來監(jiān)視微處理器是否激活。 電壓有效值計算公式： ???N12N1Vm mV （ 1） 式（ 1）中， N 為每周期采樣次數， vm為第 m次采樣的電壓瞬時值。 徐州師范大學生畢業(yè)設計 數字式工頻有效值多用表 24 4 軟件設計 數字式工頻有效值多用表的 總流程圖 如圖 41 所示 開 始初 始 化直 流 信 號 交 流 信 號是 直 流 信 號 嗎 ？測 量 相 位啟 動 A / D 轉 換換 量 程 ？改 變 X 9 2 4 1 值計 算 各 種 功 率 值 顯 示鍵 值 處 理按 鍵 按 下 了 嗎 ？是否否是是否 圖 41 總流程圖 徐州師范大學生畢業(yè)設計 數字式工頻有效值多用表 25 交流信號的相角測量 測量相位的原理 將兩個同頻被測信號整形為兩個方波信號，其前后沿分別對應于被測信號的正向過零點和負向過零點，然后測量出這兩個同頻方波的前沿（或后沿）之間的時間差比例，即為這 兩個被測信號之間的相位差，簡稱相差。 出口信息：和在 R1 中，最高位進位在 CY中。 徐州師范大學生畢業(yè)設計 數字式工頻有效值多用表 32 出口信息：結果仍在 R0 中。 出口信息： OV=0 時，結果在 R0 中， OV=1 時，溢出。 因此，要獲得電壓，電流信號間的相位差，只要獲得兩個計數值 N 和 n，通過(1)式計算即可。 功率、功率因數的測量 若電壓超前或滯后電流時間為Δ T，電壓周期為 T，則電壓、電流間的相位差為 : Ф =360*Δ T/T (3) 功率因數和功率分別為 : ?? cos? (4) 徐州師范大學生畢業(yè)設計 數字式工頻有效值多用表 22 有功功率： ?VIP? (5) 視在功率 : VIS? (6) 無功功率 : 22 PSQ ?? (7) 單片機的選用 本設計 選用 的是 ATMEL 公司的 AT89C52 單片機。 3. X5045 的程序接口： wren_cmd：設置寫允許。 2. 工作原理 （ 1） 上電復位 向 X5045 加電時會激活其內部的上電復位電路，從而使 RESET 引腳有效。系統時鐘電路選擇 12MHz 的晶振。 看門狗實際上是一個計數器，一般給看門狗一個大數，程序開始運行后看門狗開始倒 計數。當 BI=1 時關顯 示。 1輸入， 0輸出 D1： B口。電壓、電流信號通過比較器后形成方波 ,分別送至單片機 0INT ， 1INT 引腳，由單片機計數測出其波形寬度，即可計算出周期及相位差，從而實現測量交流電頻率和功率因數之目的。 8/12 和 A0 端用來控制啟動轉換的方式和數據輸出格式。 STS：工作狀態(tài)信號，高表示正在轉換，低表示轉換結果。 1LSB。 徐州師范大學生畢業(yè)設計 數字式工頻有效值多用表 14 4. LF398 采樣保持器 LF398 價格低廉，在國內應用非常廣泛。顯然， A/D 轉換的采樣時間必須大于捕捉時間，才能保證采樣階段充分地采集到輸入模擬信號。圖 26中，電容 C 為保持電容，運放 A1和 A2 都接成跟隨器，其運行狀態(tài)由方式控制端來決定。當 INH 為 0 是，允許通道接通；當 INH為 1是，禁止通道接通。 多路開關的種類很多，例如 CD4051（雙向 8 路）、 CD4066（ 4 路單向）、 CD7501（單向 8 路）、 CD4052（單向，差動， 4 路）等等。方案電路簡單，全部通過軟件實現。 WCR 是一種易失性存貯器，其內容可通過指令改寫，上電時裝入數據寄存器 R0 的內容 。 X9241的工作電壓為 5V。在本系統中，通過對不同信號幅度的判斷，來調整 X9241 的電阻值 ,使運算放大器的放大倍數改變 ,保證系統工作于 最佳線性狀態(tài) ,并實現了量程的自動 轉換。在測量過程中，單片機系統根據不同的信號有效值，自動改變數字電位器的參數 ,以改變信號放大倍數 ,使系統對信號采樣保持在最佳線性狀態(tài)，保 證了測量的精度。由于數字式多用表具有很多優(yōu)點，因此，得到了迅速發(fā)展和普及，具有開發(fā)的意義。第三類產品是智能儀器儀表，它的基本原理是借助計算機（ PC）采用軟件替代部分硬件實現邏輯運算與數據傳輸、存儲等功能，所以也被稱之為微機化儀器儀表。 從模擬到數字，從單一通道到綜合多通道測量的發(fā)展，從單個儀表向測量信息系統過度，將各種電學量和非電學量變換成統一量（時間、頻率、直流電壓）后進行測量等，是近十年來測量技術發(fā)展的主要趨勢。 本系統利用了數字電位器調節(jié)準確方便，使用壽命長，受外部環(huán)境影響小，性能穩(wěn)定等特點。徐州師范大學生畢業(yè)設計