电压电流的有效值测量

综合实验1

一、实验题目

基于Arduino的电压有效值测量电路设计与实现

二、项目背景

Arduino是源自意大利的一个基于开放原始码的软硬件平台，该平台包括一片具备简单I/O功效的电路板以及一套使用类似Java、C语言的Processing/Wiring开发环境。Arduino可用来开发独立运作、并具互动性的电子产品，也可以开发与PC相连的周边装置，同时能在运行时与PC上的软件进行交互。

Arduino的电路板硬件可以自行焊接组装，也可以购买已组装好的成品；而开发环境软件则可通过网络免费下载与使用。目前Arduino的硬件部分支持Atmel的ATmega 8、ATmega

168、ATmega 328等微处理器。此外，Arduino方案获得2006年Prix Art Electronica电子通讯类方面的荣誉奖。Arduino的硬件电路参考设计部分是以知识共享（Creative Commons；CC）形式提供授权，相应的原理图和电路图都可以从Arduino网站上获得。

Arduino特点：

 开放原始码的电路图设计，程式开发界面免费下载，也可依需求自己修改；

 具有多通道的数字I/O、模拟输入、PWM输出；

 具有10bit的ADC；

 Arduino 可使用ISCP线上烧入器，自行将新的IC芯片烧入“bootloader”；

 可依据官方电路图，简化Arduino模组，完成独立运作的微处理控制；

 可快速、简单、方便地与传感器、各式各样的电子元件、电子电路进行连接；

 支援多样的互动程序，如Flash、Max/Msp、VVVV、Processing等；

 使用低价格的微处理控制器；

 可通过USB接口供电。

三、实验目的

1、熟悉Arduino最小系统的构建和使用方法； 2、掌握峰值半波整流电路的工作原理；

3、根据技术指标通过分析计算确定电路形式和元器件参数；

4、画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）；

高压直流电压电流的测量

一．高压直流电流测量

测量方式：

1. 霍尔式隔离传感器（磁隔离）

2. 直放式LEM传感器

3. 平衡式LEM传感器

测量原理：

1.霍尔式隔离传感器（磁隔离）

霍尔效应: 如图所示，在一个N型半导体薄片（霍尔元件）相对两侧面通以控制电流I，在薄片垂直方向加以磁场B，则在半导体两侧面会产生一个大小与控制电流I和磁场B乘积成正比的电势UH。即 IBKUHH

这一现象叫做霍尔效应，产生的电势UH叫做霍尔电势，为灵敏度。

当I一定时，UH正比于B。

2.直放式LEM传感器：

在如图所示直放式LEM传感器中存在下列关系： VX∝iX∝LX∝B∝E

该传感器价格便宜，但是存在零点飘移。

目前市场上多为双电源，单电源数量少而且价格高且易发生磁化问题。

4. 平衡式LEM传感器:

平衡式LEM传感器自身存在动态平衡，反映速度快，其线性度、灵敏度都比直放式好，且它不受零飘的影响。如图所示，Bx与Bf相抵消直至E=0。

二．高电压测量

稳态高电压与冲击高电压区别：

稳态高电压：主要是指工频交流高压和直流高压。但所述及的测量方法或装置，有的也可用于频率在一定范围以内的高频高压或脉动成分很大的直流高压的测量。

冲击电压：无论是雷电冲击电压或操作冲击电压，均为快速变化或较快速变化的一种电压。测量冲击电压的整个测量系统包括其中的电压转换装置和指示、记录及测量仪器必须具有良好的瞬态响应特性。一些适宜于测量稳态或慢过程(如直流和交流电压)的测量系统不一定适宜于或根本不可能测量冲击电压。冲击电压的测量包括峰值测量和波形记录两个方面。

实验室与电力系统的高电压测量区别：

电力系统：电力运行部门测量交流高电压，是通过电压互感器和电压表来实现的。用电压互感器测交流电压把电压互感器的高压边接到被测电压，低压边跨接一块电压表，把电压表读数乘上电压互感器的变比，就可得被测电压值。

电力系统没有专门的冲击电压测量系统

技雍专题・一种交流电压有效值的快速测量方法　上海电器技术（２００６　Ｎｏ．１１　

一种交流电压有效值的快速测量方法　

钟奇江苏广播电视大学武进学院　

摘要：交流电压有效值测量在很多场合有十分重要的意义。文章提出了一种交流电压有效值快速测量的　新方法，该方法无需ＡＩＤ转换器，测量时问短，而且还能消除直流分量对测量结果的影响。仿真结果表　明，该方法能够方便、快速、可靠和精确地测量交流电压，有很好的实用价值。　关键词：交流电压有效值直流分量　Ａ　Ｎｏｖｅｌ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　Ｑｕｉｃｋ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　

ＡＣ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｖａｌｖｅ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｉｎ　ｍａｎｙ　ｐｌａｃｅｓ　ｆｏｒ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ＡＣ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｖａｌｕｅ．Ａ　ｎｏｖｅｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｑｕｉｃｋ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ＡＣ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｖａｌｕｅ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．ＡＣ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｂｙ　ｓｈｏｒｔ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｗｉｔｈｏｕｔ　Ａ／　Ｄ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ．Ａｎｄ　ａｌｓｏ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ａｖｏｉｄ　ＤＣ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｅｒｒｏｒｓ．Ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａ　ｆａｓｔ，ｓｉｍｐｌｅ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ＡＣ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ａｃｃｕｒａｃｙ．ｉｔ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｍｏｒｅ　ｐｌａｃｅｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡＣ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｖａｌｕｅ　ＤＣ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　

Ｏ　引言　从测量原理上讲，无论是电力监测还是数字化　保护装置，电参量测量都是基于交流采样的数学模　型。常用的模型有真有效值算法、傅立叶级数算法　和快速傅立叶变换算法等¨。　。在电网电参量交流采　样计算中，最常用的数学模型有两种：真有效值算法　和全周波傅立叶级数算法，它们在实际应用中均需要　Ａ／Ｄ转换器及其信号处理电路，实现电路复杂，成　本高。同时，在对电源电压要求高的自动化控制设　备中，往往需要对电压进行实时检测并做出相应的实　时处理Ｈ　。本文基于此，提出了一种无需Ａ／Ｄ转换　器就能快速测量交流电压的方法。　１　快速测量方法的原理　一般工业控制设备的供电电压为交流２２０Ｖ或　３８０Ｖ，周期为２０　ｍｓ（频率为５０Ｈｚ）。从图１中可以观　察得到：假设取基准电压ｃ，，瞬时电压Ｕ　超过ｃ，时　刻到Ｕ　低于ｃ，时刻之间的时间称为导通时间ｔ。因为　电网电压的周期性和对称性，所以电压Ｕｘ（电源电　压有效值）与其导通时间ｔ存在着一定的对应关系。　基于此，提出了交流电压快速测量的思路：即寻找导　通时间ｔ与电压有效值　之间的关系Ｕ＝ｆ（ｔ），根据　导通时间确定电压值。　

编号：

毕业设计说明书

题 目： 测量电压、电流、功率

的数字表的设计

学 院： 机电工程学院

专 业： 电气工程及其自动化

学生姓名： * *

学 号： **********

指导教师： * * *

职 称： 工 程 师

题目类型： 理论研究  实验研究  工程设计 工程技术研究  软件开发

2010年 05月 24 日 摘 要

在现代检测技术中，常需用高精度数字电压表进行现场检测，将检测到的数据送入微计算机系统，完成计算、存储、控制和显示等功能.本设计是一种基于AT89C51单片机的测量电量的数字表，以AT89C51单片机和ADC0809为核心器件.该系统的数字电压表电路简单，所用的元件较少，成本低，调节工作可实现自动化：数字电表抗干扰能力强、测量速度快、测量准确度高.整个测量系统主要测量电压电流两个主要参数，只要测出这两个参数就可以计算出有功功率和无功功率。整个系统的设计完成了硬件电路的设计及软件程序的编写，通过最终硬件电路的调试及软件程序的仿真，使该系统能够在要求的条件下达到正常的测量及显示功能。在整个系统的设计过程中，主要采用了模块化的设计方法。该系统主要分为四大模块，即输入信号衰减模块、主控制模块、A/D转换模块和输出显示模块。由于实际电路中的电量参数太大，ADC0809直接采集会使器件被损坏，因此先对电量信号进行衰减，在单片机的控制下完成对电压、电流信号采集，并对电压和电流的相位进行比较得到功率角，最后将测量结果通过LCD1602液晶显示出来。该电路设计新颖、功能强大、可扩展性强。

关键字：AT89C51单片机;ADC0809;模块化;数字表