基于凌陽(yáng)16位單片機(jī)的工頻表

摘要：工頻表采用具有集成度高、數(shù)字處理速度快、功能強(qiáng)、低功耗等優(yōu)點(diǎn)的凌陽(yáng)16位單片機(jī)以數(shù)字形式對(duì)電壓有效值、電流有效值、相位角進(jìn)行顯示。設(shè)計(jì)分為三個(gè)模塊：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和顯示模塊。數(shù)據(jù)信號(hào)采集用CMOS系列產(chǎn)品CC4051和運(yùn)算放大器LM348，對(duì)大、小信號(hào)分別進(jìn)行放大處理，采用74LS00和LM324產(chǎn)生相位角；數(shù)據(jù)處理以凌陽(yáng)單片機(jī)SPCE061為核心，對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行精確控制和嚴(yán)格計(jì)算；顯示部分由CC4056驅(qū)動(dòng)和74LS138移位選擇與數(shù)碼管構(gòu)成。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)處理；顯示模塊

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    凌陽(yáng)16位單片機(jī)集成度高、體積小、可靠性好，內(nèi)部含有10位A／D轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)化了電路，16位的性能有較高的數(shù)字信號(hào)處理速度，提高了精度。凌陽(yáng)16位單片機(jī)是基于SOC的新型的數(shù)／?；旌系南到y(tǒng)級(jí)芯片。在一個(gè)芯片內(nèi)集成了單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需的模擬和數(shù)字外設(shè)及其它功能部件。另外，凌陽(yáng)單片機(jī)還增加了適合于DSP的某些特殊指令；有些系列的單片機(jī)還嵌入了LCD控制／驅(qū)動(dòng)和雙音多頻發(fā)生器功能。這些都進(jìn)一步擴(kuò)大了單片機(jī)的應(yīng)用范圍。

2 峰-峰值保持?jǐn)?shù)據(jù)采集電路
2．1 電流、電壓信號(hào)的放大電路
    考慮到要滿(mǎn)足對(duì)大小信號(hào)的處理，采用CC4051來(lái)選擇，對(duì)電壓、電流信號(hào)的放大，通過(guò)單片機(jī)對(duì)CC4051進(jìn)行控制，使放大倍數(shù)可以為1／2、X10兩種不同的值。如圖2所示。這樣能滿(mǎn)足對(duì)大小不同信號(hào)的放大要求，硬件電路簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。

2．2 數(shù)據(jù)保持部分
    對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行同時(shí)測(cè)量，可用由集成運(yùn)算放大器LM348組成的峰-峰值信號(hào)保持電路(如圖3所示)，被測(cè)信號(hào)從IN腳輸入，OUT腳是對(duì)電壓、電流進(jìn)行峰值保持功能，用凌陽(yáng)單片機(jī)的一個(gè)I／O接口就可以對(duì)保持器進(jìn)行控制。進(jìn)行測(cè)量時(shí)，用單片機(jī)同時(shí)鎖定被測(cè)電壓和電流信號(hào)的峰-峰值信號(hào)后，即可以分別測(cè)量電壓和電流量，且不需要考慮時(shí)差問(wèn)題。采用這種方案可減小系統(tǒng)帶來(lái)的誤差。

3 單片機(jī)系統(tǒng)相位角處理模塊
    相位角測(cè)量方法為先對(duì)電流信號(hào)和電壓信號(hào)分別測(cè)量。測(cè)量時(shí)，單片機(jī)先對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而此時(shí)電流信號(hào)被送到保持器進(jìn)行保持，等待電壓信號(hào)處理完畢。電壓與電流相位差φ及功率因數(shù)cosφ的測(cè)量。電路得到的各點(diǎn)波形如圖4所示。其中Uv為正弦交流電壓，Ui為同一相正弦電流變換而成的電壓波。

    由于同一相內(nèi)Uv和Ui之間有超前滯后兩種情況，且相位差均小于90°時(shí)，相功率P=0屬極少情況，故圖4分析了Ui滯后Uv的情況，對(duì)于Ui超前Uv，分析結(jié)論亦相同。由波形圖可見(jiàn)，U-I的相位差φ所允許時(shí)間Tφ=10ms-T。
    因此只要測(cè)出T的時(shí)間，求出Tφ，再按上式計(jì)算出φ，cosφ亦可隨之求出。SPCE061A內(nèi)部的十六位定時(shí)器在49．152MHz的晶振時(shí)每1μs加1，故可以用來(lái)測(cè)定T的時(shí)間。若定時(shí)器1LSB角度φ’，則φ’／0．02=180°／10ms，即φ’=1．44°。所以只要求出Tφ=1388H-T(T定時(shí)器讀出的計(jì)數(shù)值)，再乘以1．44°即為φ的實(shí)際相位角。

4 電路調(diào)試方法和過(guò)程
    采用先分別調(diào)試各單元模塊，調(diào)通后再進(jìn)行整機(jī)調(diào)試的方法，提高調(diào)試效率。
4．1 數(shù)據(jù)采集、放大模塊調(diào)試
    利用P3．4和P3．5控制模擬開(kāi)關(guān)CC4051，使輸入信號(hào)與函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出相聯(lián)，通過(guò)改變P3．4和P3．5管腳的電平來(lái)改變放大倍數(shù)，用萬(wàn)用表測(cè)試輸入輸出電壓，再調(diào)節(jié)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的輸出，用萬(wàn)用表測(cè)試輸入輸出電壓是否正確；數(shù)據(jù)保持器則用單片機(jī)P1．4來(lái)控制，并用示波器觀察波形。調(diào)試結(jié)果顯示，模塊可以正常工作。
4．2 數(shù)據(jù)信號(hào)頻率相位角模塊調(diào)試
    將函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的輸出與相位角處理模塊輸入相聯(lián)接，調(diào)節(jié)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，用示波器觀察該模塊的輸出波形，并與單片機(jī)P3．3口相連接。經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，相位角模塊電路能正常工作。
4．3 A／D轉(zhuǎn)換模塊調(diào)試
    由于凌陽(yáng)單片機(jī)SPCE061內(nèi)部有2個(gè)10位的A／D轉(zhuǎn)換器，因此不用接外部A／D轉(zhuǎn)換電路，只需要編寫(xiě)程序?qū)ζ溥M(jìn)行簡(jiǎn)單測(cè)試即可正常工作。
    當(dāng)每個(gè)獨(dú)立模塊能正常工作了，再把各模塊線路連接好進(jìn)行系統(tǒng)程序調(diào)試，被測(cè)的兩路輸入信號(hào)電壓、電流波型可先采用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行模擬，接上凌陽(yáng)單片機(jī)SPCE061仿真器進(jìn)行調(diào)試程序，對(duì)數(shù)據(jù)采集、放大模塊的各輸入、輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)頻率相位角模塊的相位角進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)系統(tǒng)程序調(diào)試成功后，再把程序下載到凌陽(yáng)單片機(jī)SPCE061中進(jìn)行整機(jī)調(diào)試。最后把調(diào)試結(jié)果顯示出來(lái)，整個(gè)系統(tǒng)能正常工作。

5 誤差分析及改善措施
    (1)采用SPCE061A的10位A／D轉(zhuǎn)換器測(cè)量零電壓時(shí)，顯示在0．0048828125～0．009765625v之間跳動(dòng)，原因是SPCE061A的10位A／D轉(zhuǎn)換時(shí)，有1～2個(gè)步長(zhǎng)的誤差，即4．8828125～9．765625mV之間。由于誤差恒定，采用軟件對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。
    (2)由于電路信號(hào)處理部分的元器件以及模擬開(kāi)關(guān)CC4051上有一定的壓降(約20mV)，雖經(jīng)軟件、硬件修正，在小幅值的情況下仍會(huì)有一定誤差。
    (3)整個(gè)系統(tǒng)板由手工焊接完成，布線無(wú)法避免線路之間以及外界的電磁干擾，從而會(huì)導(dǎo)致一定的誤差。
    (4)功率的測(cè)量由電壓、電流的測(cè)量值間接得到，由于誤差的累計(jì)效應(yīng)也會(huì)使有用功率、無(wú)用功率測(cè)量值與理論值存在差異。

6 結(jié)束語(yǔ)
    數(shù)字式工頻有效值多用表以數(shù)字方式對(duì)電壓有效值、電流有效值、功率角進(jìn)行顯示，功率的測(cè)量由間接得到。本系統(tǒng)以SPCE061為核心部件，利用軟件編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電壓值、交流電流值、功率角的測(cè)量。盡量做到線路簡(jiǎn)單，減小電磁干擾，充分利用軟件編程，彌補(bǔ)元器件的精度不足。
    數(shù)字式工頻有效值多用表以數(shù)字的方式對(duì)電壓有效值、電流有效值、功率角進(jìn)行顯示，從而可以得到有功功率、無(wú)功功率和功率因數(shù)，方便實(shí)用。在設(shè)計(jì)中采用凌陽(yáng)單片機(jī)具有速度快、價(jià)格低、可靠性高、體積小、實(shí)用、功耗低等特點(diǎn)。