数字化电参数测量仪

换成数字量，转换速率约 80 0 0 次/秒�利用微处理器 对采集到的数字量进行 计算处理，将最终 计算的数
由于它的这些硬件特 征和强大的指令系统 使得它成 为一种性能价格比很高的控制器�
据以数字的形式显示出来�通过串行通信接口，可以 实时与计算机进行通信，实现智能化�测量频率利用
3. 硬件模块单元电路 该系统整体电路 较复杂性，因此将整 个系统分
模块等�
� � 量寄存器，此寄存器能够积累电能�C 只要读出此
（1）显示电路�显示模块� 用于显示实时电压,电 寄存 器里的电能 数据，根据 电能与功 率的关系 =
� 流,功率,功率因数,频率等数 � 据�主要由段码驱动电 ，在 1 内 积累的电能数值上等 于其有功功率 ，再 � � � � � � 路� ,显示扫描电路和数码显示组成�十六个数码管能 根据公式 = / 算出功率因数值，再把功率值
C 的定时器 2 对信号进行计数处理，输 入信号先 经过处理电路变成标准方波，利用 C 的定时器 2
成实现不同功能的模 块，这种设计方法降 低了设计 的复杂性，便于调试和检测�该系统主要分为键盘控
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中等职业教育 2008 年 第 23 期
� 制和 显示模块� ,电 压电流采 集模块 ,电源模 块,通信 功率与功率因数的测量�C 5460 内有一个电
移后校准交流增益，然后校准交流偏移；
单片机 I/ O 口的占用比例，为系统未来的功能扩展
在仪器电压通道分别加入 10 ,50 ,220 ,300 留有一定的空间�而且方便系统程序的修改和升级，
的交流电压，观察电压 通道的数据是否在 精度范围 避免 了系统升 级时更 换芯片 带来的 硬件成 本开销 �
五� 结论
的交流电压是 6 4 1 ，在电流通道输入交流电流
本文设计的数字 化电参数测量仪以高 性能单片
5A 时， P9 对 P8 之间的交流电压是 4 0 2 �
机 M 89 58 A 为控制核心 组成的数据处理 电路，能满
（2）精度调试：
足本次设计所要实现 的功能，充分体现了 单片机功
电压,电流通道的校准：先校准通道 的直流偏 能强大,驱动能力强和抗干扰能力 强的优点，减少了
对应的十进制码�输入高电平有效，输出低电平�例 更加接近方波，经处 理后的信号输入到单 片机进行 如输入 0001 时，对应的 1 输出低电平，其他输出高 计数，单片机一秒后 计算的周期数就是信 号的频率
电平� 74H C 245 是双向总线发送器接收器， 具有较大
的 驱动 能力 ，把 数码 管的 - 连在 一 起， 再接 到 74H C 245 的输出端�数码管可以显示 0 到 9 十个数
� 504 5P，在每次上电时将 504 5P的数据送给 54 60， D D 位的控制�通过对芯片的初始化时（状态寄存
然后再进行测量�
器和屏蔽寄存器同时）对该位写"1"，使它在转换完
（3）测量：测量以扫描方式进行�
成后能输出低电平� 读取数据后再把状 态寄存器和
� � 电压,电流值的测量：电压,电流经 C 54 60 A / 屏蔽 寄存器 D D 位 写"1"，使得在下 次转换 完成
综
仪是计算机与数� 字控制� 理论结合的产物， 它主要用 里�在测 试仪外接一个看门 狗电路 50 45 ，该看门
于电压,电流,功率,功率因数,频率等交 流电参数的 狗电 路具有上电 复位,低 电压监视 ,看门狗 定时器 ,
� 合 综� 合� � 测试�尤其适用于电 机电器,家用电器,电热器 重新设置 CC 门限及 串行存储器功能，看门狗
的功能扩展留有一定的空间� 8958A 系列由于内
部程序存储器采用的是 闪存存储器，可以 方便系统
程序的修改和升级，避 免系统升级时更换 芯片带来
的硬件成本开销�与传统的指针式参数测量仪相比，
它具 有测试方便 ,测试范围 广,专用 性强,容易 实现
生产线的统一管理等特点�
二 硬件的电路设计
1. 硬件电路设计思想及系统框图
数字化电参数测 量仪是一种利用数字 采样技术
2. 主要芯片 SM8958A
� � 对信号进行分析处� 理的 智能型仪表，它能 够测量交 8958A 系列产品是一种内嵌 32 字节闪存和
� � 流工频信号的电流,电压,功率,功率因数,频率等参 1 字节片上 A 的 8位单片微控制器�它是 80 C51
（2）电压,电流,功率 测量电路�电压,电流,功
究
率 测量 的 主要 芯 片采 用 C 5460,C 5460 带 串口 功 能，能够同时测量电信号的电压,电流,功率,电能计 量等多功能的 A D转换芯片�
电压测量�测量电压时，交流工频信号先经过 电阻进行分压，分压后的信号 再经运放 F 353 进行
取 C 546 0 电流有 效值寄存器 中的 A /D转 换值，再 通过软件进行非线性补 偿等方法，可得出进行显示�
图 2-1 主程序流程图
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（1）初始 化：54 6� 0 初始化，504 5P初始 化，单片 （1）通过用示波器观察仪器的芯片 C 54 6 0B 第
成 �软件 部分 主要 采用 单片 机 语言 对各 模块 进 行程 序设 计 �电压 �电 流 �功率 的 计算 是采 用
� � � � � 直 接读 取 0的 寄存 器的 算法 �功 率 因数 的计 算是 采 用 � / � 频 率 的计 算是 通
过 2 定 时器 测量来 实现 �
关 键词 单 片机 电参 数
合
否正常�
（5）屏幕的晃动 是因为显示扫描的 间隔时间太
研
模拟 部分：P4 与 P8 之 间的电 压+5 0.2 是 长�显示采用的是定时扫描的方式，在修改程序的过
否正常， P5 与 P8 之间的电压 -5 0.2 是否正常 , 程中，把定时时间减短�
究
在电压 通道输入 交流电压 220 时 P2对 P8 之间
� 积 累的 电 能数 值上 等 于 其有 功 功率 P� 根 据公 式 （3）PF 和 H 的指示灯太亮 是由于指示 灯高电
=P / I得出功率因数值�
平的时间比低电平的时间多�将高电平的时间减少，
（4）显 示：将电压 ,电流,功率 ,功率因 数,频率 低电平时间增加，直到符合要求为止�
测量的值进行显示�
位选选通，74H C2 4� 5� 作为段码驱动� 经三 极管 8050 对信号波形 进行放大 ， 52 1 光耦合
数码管的位选选用芯片 74 145 为 B CD�十进 器防止前级电路对后级 电路的影响，74H C14 施密特 制译码�驱动器，输入信号为 B C D二进制码，输出为 触发反相器能很好地 消除信号波形的毛刺 ，使信号
放大，C 通过双四选一模 拟开关 4052 选择不同的 反馈电阻，从而达到控制运算 放大器 F 353 放大倍
数的 目的， 经放大 后的电压 信号输 入 C 546 0 进行 A D转换，存储在电压有效值寄存器中�C 访问该
寄存 器可得到 转换结 果，再 得到对 应电压有 效值� C 把读出的电压值用数码管显示�二极管 D2,D7
够同时显示电压,电流,功 率,功 率因数四个数据，每 与功率因数值用数码管显示� � 个数据以四个数码管显 示四位数，功率因 数与频率 频率测量�测量频率时利用单片机的定时 器/
� 的 显 示通 过 一 个 开关 进 行 切换 � 通 过 2.0,2 .1, 计数器 2 对信号进行计数�输入信号先经运算放大 � 2.2,2 .3 控制两片 74 145 来进行十六个数码管的 器 084 构成 的积分 电路对 波形进 行初步 整型，再
内，如果不在精度范围内，需要重新校准电压通道；
随着微控制器技术,显示技术,传感器技 术及计算机
在电流 通道分别加入 0.01A ,0.05A ,0.1A ,1A, 技术的发展，电参数测量仪技术将 会进一步提高，并
3A ,5A ,20A 的交流电流，观察电流通道的数据是否 会有更为广阔的应用前景�
在精度范围之内，如果不在精度范 围内，需 要重新校
（4）数 据平均 是采用滑 动平 均法，即 原来 的几
四� 仪器的调试
个数据加上一个新数 据求平均；响应是如 果数据比
1. 硬件电路的调试方法及步骤
平均数据大到一定的百分比 （因各个参数比例系数
综
（1）检查工作电压是否正常：
不一样，所以 根据实验所 得数据而定），用新 数据将
数字 部分：P1 与 P7 之 间的电 压+5 0.2 是 以前的所有数据取代�
研
具 � � 和照明电器生产厂的生 产线,实验室和质检部门� 电路的作用是防止 C 程序跑乱而出现错误码�测
本 系统中 信号 的核心 处理 部分采 用 8958A 单片 试仪的系统如图 1-1 所示：
究
机，在 D 显示驱动部分采用 74 C 245 作为段码驱
图 1-1 硬件电路系统框图
动，可以减少单片机 / 口的占用比例，为系统未来
数�该� 仪� 器将被测信� 号� � 通过信号处理电路 转换成适 微控制器家族的派生产品� 8958A 的 D 封装具
� � � � 当幅� 值� � 的电信号，再以 远大于被测信号的 频率将此 有 32 个 / 口， C C / 封装则具 有多达 36 个
� 电信号分割成离散的信号 ，即对信 号进行采样，把离 / 口且片上 32 字 节的闪 存既可以 当作程 序空 散的数字信号经过量化处理，利用高速 A D 转换器转 间又可以当作数据空间，或者数据 和程序混合空间 �
并通过数码管显示� 三� 系统软件的设计 程序流程如图 2-1 所示：
码，只要对双向总线发送器接收器 74H C2 45 的输入
综