数字电压电流表报告

摘要

本设计以单片机STC12C5A32S2作为系统控制核心，单片机通过其内部AD 对系统输入输出的电压电流进行实时采样，再经模数转换将模拟量变为对应的数字量，之后可以利用单片机内部程序进行运算就可以得到结果，系统以1602字符型液晶作为输出器件，显示采样所得的输入输出的电压电流。经测试，作品均达到设计要求。

关键字：数字电压电流表；AD转换；实时测量

1 系统设计方案

1.1方案设计及比较

实现数字电压电流表的设计方案主要内容包括采样数据的A/D 转换，数字相乘和数字滤波三部分。因此，电功率表的设计可分为以下几个方案。

方案一：A/D 转换器和单片机

众所周知单片机内部有中央处理器(运算器、控制器和寄存器)和存储器，因此可进行数字相乘和滤波运算，并且有些单片机自带A/D 转换器，可以大大减少设计的难度。只需电压电流采集并输送到单片机内部进行数据处理就可以得出功率设计。其原理框图如图1.1所示。

图1.1 单片机实现电压电流表方案

通过直接采样电压和和通过采样电流直接输送到STC12C5A32S2单片机内部进行A/D 转换为全数字信号，然后用STC12C5A32S2单片机编程实现数字相乘和滤波，从而得到数字化功率信息，并产生系统所需控制信号，完成整个系统的功能。该方案设计简单，成本较低，可实现设计所须的最低要求。

方案二：专用电能计量芯片和单片机

随着电子电表的快速发展，目前市场上出现了很多种专用电能计量芯片众多的电能计量芯片基本原理和基本功能是一样的，都含有A/D 转换，数字相乘和滤波部分，且均有电流和电压有效值等更多电能参数。利用这类专用电能计量芯片和STC12C5A32S2单片机配合使用，可以很方便地开发出一些应用系统。图

1.2便是这类方案的原理框图。

图1.2 专用电能计量芯片和单片机实现电压电流表方案

由图1.2可知，负载的电压和电流传感器产生的可识别电压信号，然后用单片机对此脉冲进行计量，产生系统所需控制信号，完成整个系统的功能。

方案三：MSP430FE42x 系列

微控制器(MCU)-MSP430FE42x 系列是TI 公司生产的用于电子式电能仪表的片上系统，它具有完全可编程的通信功能，完全能满足从事开发诸如测量值自动读取(AMR)、智能卡预付和多费率计费等具有复杂功能的电子式电能仪表制造的需要。它具有高性能的16-位RISC 结构指令的CPU ，可实现实时信号处理和

多任务计算处理；其内部集成有SCAN IF模块，可以检测信号，并实现A/D转换，最终实现低功率测量。因此，可以对其编程，使它实现从A/D转换到数字相乘和滤波的全部数字处理过程，从而产生数字化的电压电流信息，在此基础上产生系统所需控制信号，完成整个系统的功能。图1.3是原理框图。

图1.3 用微控制器(MCU)-MSP430FE42x实现数字电压电流表方案

综合考虑，与其他两个方案相比，方案一的最大的优点就是核心电路由单片机构成，方便取材，符合课题研究的要求低功耗、低成本制作简易数字电压电流表的设计。本设计最终采用方案一，并选择STC12C5A32S2单片机作为核心芯片，实现系统控制。

2 电压电流测量电路

2.1系统框图

图2.1系统方框图

2.2 工作原理

通过电源输入利用采样电路分别对电压和电流进行采样，通过取样电阻以及组成的模块将采样电流转换成等效电压值，并将两电压值分别输入到STC单片机内部，可进行A/D转换、数字相乘、滤波运算和系统控制，最终将数据在液晶显示屏中显示，通过串行接口可将数据发送至电脑。为要使测量的精度尽量高，可在一段时间内多次采样数据，然后再在程序中处理，求出平均值。

2.3 电压测量电路

电压采集电路由电阻R1，R3分压保护电路,电容C5滤波的作用，采集数据通过VV1送到单片机。电压输入与VV1的比值等于R1+R3/R1=6：1，R1,R3取值主要考虑的是单片机STC12C5A32S2的参考电压5V。设计所要求的电压是0到30V，以最大值所计算小于5V，满足要求。R1,R3如果取太小不能起到保护电路的作用，如果取太大电信号过不去，单片机采集不到信号。所以说R1的值不能太小也不能太大，但是R1和R3的比值要适当选好。电压测量电路如图3.2所示。电压测量电路如图2.2所示。

图2.2 电压测量电路

2.4 电流测量电路

电流采集模块：R23是0.05欧的采样电阻，R13、R15是起到一个限流的作用，主要是防止电压输入的突变，如果阻值太大的话，当输入电压太小了，就没有足够的驱动能力去驱动芯片，阻值太小就有可能电压过大烧坏芯片。R26、R30是负载电阻，起到阻抗匹配的作用。LM358芯片中两路放大器对电流信号进行20倍或39倍放大，放大后输出电流通过1kΩ电阻接地，处理后信号回输到LM358的4号管脚，形成闭环调节，构成两路同相放大。最后R23两边的电压经过一定的放大输送到单片机采样。电路设计如图2.3所示：

图2.3 电流测量电路

运算放大器U3A的放大倍数=

2

3

1

out

in

U R

U R

=+

=20

运算放大器U3B的放大倍数=

2

3

1

out

in

U R

U R

=+

=39

3 程序设计

控制单片机采用STC12C5A32S2，显示模块采用LCD1602 3.1程序总体流程图

4 系统测试

4.1测试方案

1、硬件测试：对不同的模块进行调试，再级联。

2、硬件软件联调

5 测试仪器

可调直流稳压电源、数字万用表

6 测试数据

电压表测试数据