交直流电流电压同步测量方案设计王冬.doc

方案与电路设计
一、 方案设计
交直流同步测量技术的研究，包括电流、电压、功率等指标的测量。其中关键在于功率的测量方法。
功率的定义为P=IU cosθ。单位为W，这即为有功功率。角度θ为电流电压的相位角，cosθ为功率因数。
在直流电路中，P=UI；
在交流电路中，P=IE cosθ。
设计方案：对电流电压进行采样，再经模数转换器，模拟量变为相应的数字量，将转化成的数字量再送往单片机中。这即为对电压电流的变量的计算；再把电压电流的采样通过过零比较器，转换成方波然后送往单片机的INT0口和INT1口就可以计算出电压电流之间的角度从而通过软件控制算出采样过来的功率，然后通过按键模块控制和液晶显示模块分别进行控制和显示。

图1-1 同步测量装置框图

主控芯片选择STC90C516RD+单片机。数据采样选择电压互感器和电流互感器，A/D转化模块选择PCF8591芯片，按键模块采用独立式按键，显示模块则用LM1602液晶显示器。

二、硬件电路设计
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。

图2-1 单片机最小系统

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）装换成小电流（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300欧，2次回路输出直接与A/D转换器相连。

图2-2 电压采样电路

选用微型电流互感器，其变化比为5A/5mA，负载小于等于100欧，2次回路输出直接与A/D转换器相连。

图2-3 电流采样电路

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。
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。

图2-4 模数转换模块
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2-5 按键模块电路图

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2-6 液晶显示电路图