摘要：通过对工频交流电性能指标的分析，我们提出了用单片机来测量交流电用电指标的方法，并用AT89 C51实现了多用表的设计。
关键词：单片机 工频多用表
为满足变电所和用户用电指标监视需要，我们设计了数字式工频多 用表，该表可以测量交流电压，交流电流的有效值；瞬时最大、最小值；有功功率；无功功 率和功率因数等指标，并实现了测量中的量程自动转换，测量结果显示，过量程指示及测量总谐波的有效值等功能，现简介如下。
1 测量原理及理论分析
根据交流电指标的定义：
式中，Uαυ、Iαυ是有效值，λ是功率因数，P是有功功率，S是视在功率， T是周期，φ是电压与电流间的相位差角。用离散化一个周期内有限个采样数字量来代替一个周期内连接变化的函数值，可以得到：
式中，N是一个周期的采样点数，uj(t)和ij(t)为第j个时间间隔内电压、电流的瞬时值 ；要求uj(t)和ij(t)为同一时刻的采样值，相邻两次采样的时间间隔为Tj；Tj＝T／N。
因此，只要采样得到uj(t)和ij(t)，则可以计算得到P、S和λ。用A/D以时分复用的 试对交流电压和交流电流分时进行采样：工频为50Hz，采样率为5K，采样10个周期(200ms) ，共采样1000个点。在计算功率因数时，只要求出输入信号的电压与电流之间的相位差角， 即可求出功率因数。由于是分时采样，因此电压和电流的采样信号在时间上有一个固有的时 间差ΔT(0.2ms)，这样实际所测量相位差角φ的结果必然产生一个固有
所以，本表的固有的计算误差是1%。
视在功率S等于交流电压与交流电流有效值的乘积，即：S＝ＵαυＩαυ，只 要计算出视在功率，有功功率则可根据(4)式得出。
求出了视在功率和有功功率后，可以根据下列公式求出无功功率：
2 系统硬件设计
系统框图如图1所示，硬件电路主要包括：前端调理、A/D采样、单片机控制系统、键盘与显示电路和电源电路等。
电压及电流互感器先将输入信号衰减到0-4伏峰峰值，再用12位A/D转换器TLC2543对0～4V的 信号进行采样，单片机对采样后的数字信号进行处理，从而实现了对交流电压、交流电流有 效值，有功功率，无功功率和功率因数的测量与显示。为了信号过大时，不会对仪表造成永 久性伤害，将输入信号衰减到0-4V峰峰值。A/D采样后的信号，如果幅度大于4V峰峰值，则 说明信号过大而报警。另外，为了测量总谐波的有效值，在A/D之前加了一级中心频率为50H z的有源带阻小滤波器，以滤除基波分量，要保证1%的测量精度，滤波器对工频信号的衰减 要大于40dB。由于滤波器同时对谐波成分也有衰减，因此，必须用软件的方法对谐波进行恢复。
控制运算电路主要由AT89C51单片机，74LS373锁存器和RAM组成。显示部分由5位数码管组成 ，由于动态扫描显示将占用单片机的大量时间，因此我们采用静态的方法显示。键盘设有系 统复位、功能切换、最大值、最小值四个功能键。3 系统软件设计
系统软件由MCS-51汇编语言编制而成，整个软件采用模块化结构设计 ，本系统软件主要由主程序模块、七个测量功能子模块及显示子模块组成。程序流程图如图 2所示。
系统软件可实现以下功能：
(1)对交流电压、电流的有效值进行测量和显示；
(2)可测量交流电的有功功率、无功功率和功率因数；
(3)可按键方式选择电压基波及总谐波的有效值测量与显示；
(4)具有量程自动转换功能；
(5)能用按键控制实现交流电压、交流电流、有功功率、无功功率测试中的最大值、最小值 的测量及显示。
主程序框图如图3所示，可分为初始化和键盘命令管理两部分。在系统加电后，初始化模块 完成必要的初始化工作，如：对T0，T1计数器计数值和工作模式的设定，对串行口工作方式的设定等等。初始化后，系统进入测量功能命令循环。当没有新的键盘命令时，系统反复循环，不断采样、计算、显示当前采样值；当有新的键盘命令时，则在显示完当前值后调 用相应的新功能处理子程序进行采样、计算、显示。
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