毕业论文草稿
毕业论文
1.1电测技术发展概述
近年来，随着电力系统的发展，对电测仪表的功能、精度、数据处理等方面都提出了更高的专业技术要求，以帮助工程技术人员在监督、管理现场设备运行状态时，便于测试、积累、统计、分析各种信息。尤其是计算机科学的发展与应用技术的普及，使得现代数字测量技术、显示技术、数据管理技术得到迅速发展，为测试过程的数字化、智能化创造了条件，促进了电测仪器本身的变革。
目前我国电厂所采用的电参数测试仪器，可分为三个类型。
a）电工型仪表。b）数字式仪表是第二代仪器。c）智能型仪器是第三代仪器。
1.2问题的提出及本文研究内容
目前，工厂在检修前后及运行过程中，经常使用较高等级的单元仪表，测量电压、电流、功率、频率、相位等电参数，以便累积有关用电设备的状态的信息。但是，采用单元仪表进行多种电参数的测量，存在以下问题：一是携带不便；二是操作不便；三是测量精度不满足现场要求；四是不便于管理测试数据。因此，必将会造成工作效率不高，技术人员负担较重等不良现象。因此迫切需要对电测仪表进行改进，以帮助技术人员对所测量信息进行分析，以了解现场设备运行状态。而这些功能的实现就必须采用以单片机为核心的多功能智能化仪器。本文介绍了基于单片机的工频交流电参数多用表的设计过程，它可同时对一路工频交流电的各种功率值、电压有效值、电流有效值等参数进行测量。
参考文献
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11、谈宏华，陈康，涂坦，肖仁伟．基于AT89C51的数据采集系统设计．机电一体化
２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段及途径：
2系统硬件设计
数字式多用表硬件部分主要包括：信号调理电路，信号放大电路，模拟开关与A/D转换电路，波形变化电路，单片机，扩展I/O口及键盘显示电路等几部分组成。
2.1电压、电流信号调理电路
用高精度电流互感器、电压互感器降压隔离变压器来完成电流、电压信号的获取。由于电力线路中存在复杂的谐波，会严重影响仪表的测量精度，因此将获取的电信号经过低通滤波器滤波，除去信号中的谐波干扰。电压互感器部分采集信号经过低通滤波器除去谐波干扰，再由分压电路限幅，输出极微弱的电压信号。
2.2放大电路设计
由精密仪表放大器INA141构成放大电路，利用数字电位器AD5242作为放大器的反馈电阻，通过对不同信号幅度的判断，调整AD5242的阻值，使放大器的放大倍数改变，保证系统工作在最佳线性状态，并实现自动换档。以半导体和单晶硅为芯片，采用专门的制造工艺，把晶体管、场效应管、二极管、电阻和电容等元件及它们之间的连线所组成的完整电路制作在一起，使之具有特定的功能。集成放大电路最初多用于各种模拟信号的运算上，故被称为集成运算放大电路，简称集成运放。集成运放广泛应用于模拟信号的处理和发生电路之中，因其高性能、低价位，在大多数情况下，已取代了分立元件放大电路。
2.3量程自动转换电路设计
在多路信号检测过程中，多个通道共用一个放大器，信号经放大器处理后至A/D转换器。由于各个输入量送到放大器的信号电平不同，放大器的增益也应不同。即使对于单通道的信号输入，如果该信号的变化范围较大，当放大器增益固定时，也常出现小信号得不到有效放大而降低A/D转换精度的情况。如用某热电偶测量温度，当温度变化范围为700℃～1000℃时，传感器输出电压为20μV～50mV，为使上限不超过A/D转换器的最高输入电压（假设是5V），放大器增益最大选为100，则竟放大后的信号电压为2mV～5V，
显然，2mV左右的信号转换结果为数少，精度低。一般情况下，应使被转换量落在A/D 转换线性特性区间之内，并尽可能使模拟量在1/2满度与接近满度的区域中转换。解决的方法就是对小信号输入采用高放大倍数，对大信号输入采用小放大倍数，即根据未知参数量值的范围，自动地选择合适的增益，以切换到合适的量程。
过去实现量程自动转换的方法是在采集通道中设置可变增益放大器，借助量程转换开关，控制其通断，获得所需要的量程。这样的设计转换速度慢，档位设置简单，精度低，势必对系统的精度和和快速响应造成影响。所以本设计采用了以数字电位器代替量程转换开关的方法，用数字电位器作为仪表放大器的反馈电阻，这种数字电位器阻值变化台阶多，调整灵敏度高，对提高仪表测量精度效果非常好。而且可以由单片机对其直接编程控制，也使电路进一步简化，因此，数字电位器在新型测量仪表的量程变换电路中，被广泛的应用。
2.4波形变换电路
通过放大电路放大后的正弦交流电信号，电压幅值被限制在0V～5V之间，但是这样的信号属于模拟信号，是不能直接送入单片机中进行数据处理的，为此设计中首先通过波形变换电路，将正弦交流电信号转换成方波信号，而方波信号符合数字信号高低电平的特点，可以直接输入到单片机中，而无须再次经过数/模转换。波形变换电路由过零比较器、反相器及与非门组成，用于相角的测量。
2.5多路开关与A/D转换电路
要让交流电模拟量信号采样到单片机进行数据处理，必须经过A/D转换电路，设计中，需要对电压、电流两路信号进行采样，所以设置一个多路开关CD4051对信号进行选通。
2.5.1多路开关选择
多路开关是一种三稳态电路，它可以根据选通端的电平，决定输人端与输出端的状态。当选通端处在选通状态时，输出端的状态取决于输人端的状态；当选通端处于截止状态时，则不管输人端电平如何，输出端都呈高阻状态。由于模拟开关具有功耗低、速度快、无机械触点、体积小和使用寿命长等特点，因而，在自动控制系统和计算机中得到了广泛应用。多路开关的作用主要是用于信号切换，如在某一时刻接通某一路，让该路信号输入而让其它路断开，从而达到信号切换的目的。
2.5.2 A/D2.5.2 转换器选择
目前，计算机接受的信息只能是数字量。A/D转换器的功能是将任意模拟信号，如电压或电流，按一定的位数变换成数字代码。因此，A/D转换器是连接模拟世界与数字世界的桥梁，它担负着将模拟信号变换成适合数字处理的二进制代码的任务。随着设计技术的提高和加工工艺的改进，A/D 转换器的转换速度越来越高。目前，8位A/D转换器的转换速度已经达到1.5GHz；并且，有些A/D 转换器还可以工作在欠采样状态。本设计中，A/D转换器选用功能强大的12位的AD678。AD678是美国AD公司生产的200kHz的12位A/D转换器。它主要由高速采样保持放大器、ADC5V基准源、时钟产生电路、控制逻辑和数字量输出接口等组成。
2.6单片机
单片机具有集成度高，功能强，可靠性高，体积小，功耗低，使用方便，价格低廉等特点，在各个领域得到了广泛的应用和发展。单片机最早是以嵌入式微控制器(EmbeddedMicrocontroller)的面貌出现的。在嵌入式系统中，它是应用最多的核心器件。在计算机主导工业生产并且日益走进家庭生活的今天，从家用电器、工业控制、医疗仪器到军事应用，到处都有单片机的存在。
2.6.1 单片机的选择
单片机是一个系统中的关键部分，控制系统的每一个环节都有它的参与，正是这种智能化的元件才使许多原来依靠繁琐的硬件电路才能完成的功能轻松用软件实现，在新型的数字式仪表中，都通过软件编程来实现，而且其测量精度和运行的稳定性，比硬件电路完成的测量更胜一筹。AT89C52是8位8051单片机的派生产品，它们在完全保留8051 指令系统和硬件结构的大框架外，进行了多方面的加强、扩展、翻新和创新，非常合适在本设计中使用，而且价格低廉。
2.6.2时钟电路
AT89C52的时钟方式有两种，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。本设计从简化电路方面考虑，采用内部时钟方式。
2.6.3复位电路
复位电路常采用上电复位和按钮复位两种方式，除了上电复位外，有时还需要人工按钮复位。考虑到系统在实际运行中可能会出现死机的情况，自动复位不能实现，于是就采用了上电复位与按钮复位兼有的复位电路，确保系统安全运行。
2.7扩展I/O口
单片机本身提供的输入输出口线并不多，只有P1准双向口的8位I/O线和P3口的某些位线可作为输入输出线使用。因此，在多数应用系统中，AT89C52单片机都需要外扩输入输出（I/O）接口芯片。51系列单片机的外部数据存储器RAM和I/O是统一编址的，拥护可以把外部64K字节的数据存储器RAM空间的一部分作为扩展I/O接口的地址空间，每一个接口芯片中的一个功能寄存器口地址就相当于一个RAM存储单元，CPU可以象访问外部存储器 RAM那样访问外部接口芯片，对其功能寄存器进行读、写操作。结合实际需要，本设计采用了8255芯片作为扩展的I/O口，主要用于键盘和显示电路的接口设计。
2.8显示电路设计
液晶显示器作为一种低功耗显示器件，广泛应用于计算器、数字式仪表等低功耗系统中。但一般使用的液晶显示器均为七段笔划式，只能显示数字和少量字符，对于较复杂的字符或图形则无能为力。而点阵式液晶显示模块可以显示各种各样的字符(包括简单的汉字)，而且点阵显示模块具有可编程能力，与单片机接口方便。因此，从电子表到计算器，从袖珍式仪表到便携式微型计算机以及一些文字处理机都广泛应用了液晶显示器，本设计中选用点阵式液晶显示器LM12864。
2.9键盘电路设计
键盘在单片机应用系统中是一个很关键的部件，它能向计算机输入数据、传送命令等功能，是人工干预计算机的主要手段。键盘实质上是一组按键开关的集合。通常，按键所用开关为机械弹性开关，均利用了机械触点的合、断作用。一个电压信号通过机械触点的断开、闭合过程。由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定的接通，在断开时也不会一下子断开。因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5ms～10ms，这是一个很重要的时间参数，在很多场合都要用到。