1、本 科 生 毕 业 论 文论文题目 ： 数字式工频有效值多用表设计姓名 ： 徐树敏学号 ： 1020610217班级 ： 2 班年级 ： 2010 级专业 ： 电子信息工程学院 ： 机械与电子工程学院指导教师 ： 高浪琴 （副教授）完成时间 ： 2014 年 6 月 8 日作 者 声 明本人以信誉郑重声明：所呈交的学位毕业设计（论文） ，是本人在指导教师指导下由本人独立撰写完成的，没有剽窃、抄袭、造假等违反道德、学术规范和其他侵权行为。文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，不包含他人成果及为获得东华理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本设计（论文）的研究做出重要贡
2、献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。本毕业设计（论文）成果归东华理工大学所有。特此声明。毕业设计（论文）作者（签字）：签字日期： 年 月 日本人声明：该学位论文是本人指导学生完成的研究成果，已经审阅过论文的全部内容，并能够保证题目、关键词、摘要部分中英文内容的一致性和准确性。学位论文指导教师签名： 年 月 日数字工频有效值多用表设计徐树敏RMS digital multimeter designed frequencyXu shu min2014 年 6 月 8 日东华理工大学毕业论文摘 要此次数字式工频有效值多用表的设计，可以实现在数码管
3、上显示交流电压、交流电流有效值，有功功率，无功功率和功率因数等功能。这次设计基于单片机强大的运算、处理、控制能力和丰富的指令系统，根据离散傅里叶的知识，运用数字采样测量的方法对交流信号的参数进行分析、计算，数据计算全程由软件程序编写，以实现交流电压有效值、交流电流有效值、有功功率、无功功率和功率因数的测量。本次硬件电路设计主要分为数据采集模块、数据处理模块和显示模块 3 个模块进行设计。数据采集模块利用电位器 X9241 和双极性运算放大器 OP07 构成程控放大电路，由单片机控制不同的增益，实现对大小信号量程的自动转换，并且经由采样保持器LF398 实现交流电压、交流电流信号同时采样；采样控
4、制信号由集成锁相环 CD4046实现被测信号 64 倍频的产生，并且经由 A/D 转换器 AD574A 实现数据采样；数据处理模块以单片机 AT89C52 为核心，实现对采集信号进行数据计算；显示模块由并行扩展口 8255，键盘和数码管实现。关键字:AT89C52； 工频有效值； 数据采集； AD574A东华理工大学毕业论文ABSTRACTThe design of the digital power frequency RMS multimeter can achieve the same power frequency ac voltage RMS, current RMS, active
5、 power, reactive power and power factor measurement. This design is based on single chip microcomputer powerful calculation, processing, control ability and rich instruction system, according to the knowledge of the discrete Fourier, using digital sampling measurement method to analyze the parameter
6、s of the ac signal, computing, and through software programming, implement effective value, power and power factor measurement. The design of hardware circuit design main points according to the acquisition module, data processing module and display module design three modules. Data acquisition modu
7、le using potentiometer X9241 and bipolar operational amplifier OP07 implementation of data signal amplifier, and through the sampling keep LF398 to realize ac voltage, current signal synchronization; Data processing with single chip microcomputer AT89C52 as the core, by integrated phase-locked loop
8、CD4046 to 64 times the measured signal frequency, through the AD converter AD574A to amplify the signal conversion, then convert signal input microcontroller to realize the collection of signal control and strict calculation; Display module consists of liquid crystal display driver HEF4043 and digit
9、al tube.Key words: AT89C52; RMS power frequency; Data acquisition; AD574A东华理工大学毕业论文 目 录绪 论 .1第 1章 系统总体方案设计 .31.1 课题设计要求 .31.2 总体方案比较与设计 .3第 2章 硬件电路设计 .62.1 数据采集电路设计 .62.1.1 程控放大电路设计 .62.1.2 保持电路的设计 .92.1.3 信号频率倍频电路的设计 .102.1.4 A/D 采样电路的设计 .132.2 数据处理电路设计 .172.3 显示电路的设计 .18第 3章 软件程序设计 .213.1 数字式工频有效值
10、多用表软件设计主程序流程图 .213.2 交流信号采集程序设计 .213.3 数据处理程序设计 .223.4 键盘显示程序设计 .25第 4章 调试 .26第 5章 结论 .28致 谢 .29参考文献 .30附录一 .31附录二 .32东华理工大学毕业论文 绪论0绪 论一、课题背景19 世纪 20 年代，检流计，惠思登电桥等电工指示仪表先后出现，随着信息技术的高速发展，第一台集成电路的数字电压在 70 年代研制成功。在 20 世纪中期以后，仪器仪表及测量控制技术应用越来越广泛，伴随着自动控制理论的产生及自动控制技术的成熟，以数/模转换环节为基础的数字式仪器有了快速的发展。数字式仪表是指测量结果
11、用数字形式显示的仪表，其特点是运用数字测量技术的方法，以数码的形式直接显示出被测量的大小。数字式仪器可以分为机电式与电子式两类。机电式有千瓦时计(火表)等，电子式有数字式电压表、数字式多用表、数字式频率计等。和模拟式仪表相比，数字式仪表不仅具有测量速度快、精度高、读数方便且无读数误差的优点，而且有的还具有量程自动切换、编码输出、与计算机联结等功能。工频一般是指市电的频率,各国家间不一样，在我国是 50Hz。我国电力工业部发布施行的供电营业规则中规定：电力系统正常情况下，若电网装机容量超过300 万，误差为0.2%HZ;若电网装机容量小于 300 万，误差为0.5%HZ。若电力系统处于非正常，供
12、电频率允许误差不会超过1.0%HZ。不同的频率对供电的影响也不一样，一般情况一个国家的电网频率是固定的，只有按照这个频率制作的设备，才能在这个国家和地区正常使用。具体频率设定的多少，各个国家可以按照国际习惯定义，也可以自己定义，如我国民用电压，国内用的 220v，国际上不少国家用的110v。二、前景现状我国从 1953 年起实行了第一个五年计划，其中重点发展对象就有仪器仪表。在十一五到十二五期间，我国的仪器仪表迎来迅速发展，不仅呈现出新的趋势，而且取得了很多良好的成果。随着我国成功加入 WTO，我国仪器仪表行业在出口数量上有了急剧增加，并且在 2003 年我国成为了亚洲第二大仪器仪表生产国家。
13、进入十二五新时期，我国仪器仪表产业面临着许多机遇，比如风力发电、核能发电等新能源的发展及智能电网和高铁的建设，都让数字式仪器仪表有了更广阔的市场需求。目前我国年数字万用表生产巨大，尤其中低档数字万用表，世界总产量的 80由我国生产。数字式仪表不仅满足对电参量的测量，还可以实现对电参量的分析、控制与保护，甚至带有模拟量输出及标准通信接口。随着对电气参数测量需求量增多，这类仪表不仅应用于监控仪表、保护仪表，而且广泛应用于建筑楼宇的能源管理系统及电气火灾监控装置。东华理工大学毕业论文 绪论13、研究内容及设计方法本课题研究的内容可以分为以下几个方面：1) 阐述数字式仪表的背景和未来发展前景；2) 数
14、字式工频有效值多用表设计采取先整体分解为各个子模块，进而对各个模块进行电路设计或程序编写，以实现各个模块的功能，最终达到实现课题设计总体功能要求的目的；3) 硬件电路设计中，采取比较法，详细对各个设计模块进行方案比较，分析优缺点，在比较的基础上确定设计方案并在 proteus 软件画出电路图。在信号频率倍频电路设计中采用等相位间隔的方法在一个周期内对信号等相位采样 64 次，等相位间隔法具有根据采样信号频率变化时，采样间隔对应变化的优点，有效地避免了信号突然增大或减小时引起采样点增加或减少的发生，提高了测量精度；4) 软件程序设计中，运用离散傅里叶的知识，对电压电流有效值、有功功率、无功率和功
15、率因数进行计算并通过软件程序编写。东华理工大学毕业论文 绪论2第 1章 系统总体方案设计1.1 课题设计要求（1）测量功能及量程范围交流电压：0500V，交流电流：0 50A，有功功率：025kW，无功功率：025kVar，功率因数（有功功率/视在功率）：01 。为了方便设计与制作，待测的 0500V 交流电压、050A 的交流电流均已由转换器转换成 05V 的交流电。（2）精确度显示为（0.0004.999） ，有过量程指示，交流电压和交流电流 （0.8读数5 个字） ，例如，当被测电压为 3V 时，读数误差应小于 （0.8 3V0.005V） 0.029V 。（3）功能选择用按键选择交流电
16、压、交流电流、有功功率、无功功率和功率因数的测量与显示。1.2 总体方案比较与设计1.2.1 方案一一、 设计思路采用信号调理电路，将交流电压信号 u 和交流电流信号 i 转换成相应的数字信号，通过模拟乘法器、真有效值转换器对功率、有效值等参数进行测量，然后通过多路选择器分别对有功功率、无功功率、功率因数和电压、电流有效值等信号选择控制，用数码管显示出来。信号调理电路可以把模拟信号转换为数字信号，常应用在数据采集、控制、显示等领域。模拟乘法器可以实现电压信号和电流信号相乘功能的的有源非线性器件，通过将电压和电流信号分别输入模拟乘法器的 X 和 Y 端口，就可以实现功率的测量。二、方案评价此系统硬件电路简单，但不能实现复杂的控制算法，而且成本较高，不适合学生制作，方案一原理框图如图 1-1 所示。
