三相电源检测系统设计三相电源检测系统设计摘 要本设计采用AT89C51单片机实现三相电压与电流的检测。

该设计可检测三相交流电压（AC220V×3）及三相交流电流（A、B、C 线电流0～5A）。

本系统的变压器、放大器、A/D 转换和计算产生的综合误差满足5%的精度要求。

输出采用128×64 LCD 方式显示，单片机电源部分直接由AC220V 交流电经整流、滤波、稳压供电。

系统采用数字时钟芯片和8kB 的RAM 进行存储器的扩展。

关键词关键词：：三相交流电 AD 转换 变压器 LCD 显示 8KB RAM1.引言当前电力电子装置和非线性设备的广泛应用，使得电网中的电压、电流波形发生严重畸变，电能质量受到严重的影响和威胁；同时，各种高性能家用电器、办公设备、精密试验仪器、精密生产过程的自动控制设备等对供电质量敏感的用电设备不断普及对电力系统供电质量的要求越来越高，电能质量问题成为各方面关注的焦点，电能质量检测是当前的一个研究热点，有必要对三相电信号进行采样，便于进一步分析控制。

目前，精度要求不高的交流数字电压表大多采用平均值原理，只能测量不失真时的正弦信号有效值，因此受到波形失真的限制而影响测量精度和应用范围。

真有效值数字仪表可以测量在任何复杂波形而不必考虑波形种类和失真度的特点以及测量精确度高、频带范围宽、响应速度快的特点而得到广泛应用。

提高系统的测量精度、稳定性特性是设计中的关键。

真有效值的数字电压数字电压表和以往的仪表有所不同的是可以检测波形复杂的三相交流电压电流。

这些都是以单片机为基础的智能化仪表，同时充分表明单片机是一个应用于对象体系的智能化工具。

本设计用单片机进行三相电压与电流的硬件检测系统。

该系统检测三相交流电压（AC220V×3）及三相交流电流（A、B、C线电流0～5A）。

本系统的变压器、放大器、A/D转换和计算产生的综合精度满足5%要求。

输出显示采用128×64点阵的LCD，单片机电源由AC220V交流供电通过变压与整流稳压电路实现。

系统配有数字时钟芯片、8kB的RAM存储器扩展芯片。

2总体设计方案总体设计方案框架如图2-1所示，由交流信号处理部分、A/D转换电路、51单片机控制、数据存储器电路、LCD显示电路以及稳压电源电路组成。

图2-1总体系统原理图2.1 设计思路本设计分为直流稳压电源、三相交流电压电流表和存储器扩展模块。

其中，三相电压电流表部分，以AT89C51作为控制核心，待测信号通过电压电流互感电路、衰减运放电路，之后送入真有效值转换电路，转换成直流信号，经放大后使得满足输入A/D 转换需求，转换完成后单片机取走A/D 转换器的数值，再进行数据处理，处理后数据送给LCD 将其显示，具体流程如图2-2所示。

存储器扩展模块是用一片6264芯片扩展8K B 数据存储器。

图2-2系统流程图2.2 总体方案设计与论证对电力参数的采样方法一般主要有两种，即直流采样法和交流采样法。

直流采样法采样的是整流变换后的直流量，软件设计简单，计算方便，但测量精度受整流电路影响调整困难。

交流采样法则是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，再按一定算法进行数据处理，从而获得被测量，因而较之直流采样法更易获得高精度，高稳定测量结果。

下面我们选取三种方案来比较：方案一：对信号进行精密整流并积分，得到正弦电压的平均值，再进行ADC 采样，利用平均值和有效值之间的简单换算关系，计算出有效值并显示。

这里只用了简单的整流滤波电路和单片机就可以完成交流信号有效值的测量，但此方法对非正弦波的测量会引起较大的误差。

方案二：利用高速ADC 对信号调理过的电压（电流）信号进行采样，单片机采集一周期或几个周期内的数据存入存储器中并计算其均方根值，即可得到调理后的有效值：交流电压电流 电压电流互感 衰减运放电路真值有效值转换 放大及A/D 转换AT 89 C51 控制LCD 显示此方案具有抗干扰能力强、设计灵活、精度高等优点，但调试困难，高频时采样困难而且计算量大，增加了软件难度。

方案三：采用集成芯片R S M-DC真有效值变换器LTC1966。

LTC1966主要应用于便携测量仪表，精度高，频带宽，而且是具有灵敏度好测量速度快、测量面广、功耗低等特点。

采用LTC只需要将符合芯片要求幅值的测量信号加到它的输入端，不必考虑被测信号波形的参考失真，就可以得到它的有效值，即有效值的计算交给硬件去处理，大大简化了软件的复杂度，并且测试方便。

综上所述，根据题目要求和实际操作情况，就精度、带宽、功耗、输入信号电平、波峰因数和稳定时间、容易操作度等因素考虑，我们采用方案三。

2.3各分部分方案（1）直流稳压电源部分直流稳压电源部分一般由变压器、整流电路、滤波电路以及稳压电路组成。

整流滤波电路采用桥式整流滤波电路，稳压电路采用集成稳压芯片。

该设计简单准确性高，如图2-3所示。

图2-3 直流稳压电源模块（2）输入通道部分采用一定变比的互感器将较大的电压电流变成较小的电压电流值再经分压电阻进行再次的电压变换，之后送入下级的集成运放中进行衰减到合适的电压范围，目的是为了满足真有效值转换芯片输入端的条件。

如果真有效值转换器输出值较小则还需再加一级运放放大到0-5V以便输入到A/D转换器中。

（3）ADC转换部分ADC0809是CM OS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、参考电源5v时能分辨出19.6mv电压、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。

是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。

基于本设计需要六路电路转换，满足本设计的要求。

（4）显示部分采用点阵型LCD显示。

点阵型LCD虽然占用I/O口资源较多，控制页较复杂，但其功能却是强大的，信息量丰富且直观易懂。

而且液晶显示功耗低，体积小，质量轻。

3.硬件实现部分3.1电源电路根据题目电路设计要求，需要+5V、+15V和-15V直流供电，对电源的供电要求不高，故利用普通变压器设计电源对系统供电，电路图如图3-1所示。

变压器输入220V交流电压，输出7V和19V交流电压。

经过桥式整流输出脉动电压，7V 交流电压经过470uF的滤波电容得到平稳的直流电压。

此电压再经过三端稳压器7805稳压，输出稳定的+5V电压。

19V交流电压经过滤波电容可得平稳的直流电压，此电压再经过分别三端稳压器7815和7915稳压，输出稳定的+15V和-15V 电压。

其中稳压芯片输出后接470uF和0.1uF电容为了抑制共模干扰，使得直流电源更加稳定。

图3-1 稳压电压电源电路3.2电压电流互感电路电压互感器原理类似变压器，电流互感器的结构较为简单，由相互绝缘的一次绕组、二次绕组、铁心以及构架、壳体、接线端子等组成。

其工作原理与变压器基本相同，一次绕组的匝数(N1)较少，直接串联于电源线路中，一次负荷电流通过一次绕组时，产生的交变磁通感应产生按比例减小的二次电流；二次绕组的匝数(N2)较多，与仪表、继电器、变送器等电流线圈的二次负荷串联形成闭合回路。

本设计电压互感器匝数比选择10:1；电流互感器匝数比选择1:10，电压互感器一次、二次电流大小与一次二次绕组匝数成正比，电流互感器一次、二次电流大小与一次二次绕组匝数成反比三相电源电压。

电压互感器和电流互感器接法如图3.2所示。

图3-2 电压电流互感电路3.3电压信号采样电路图3-3 电压采样电路由于三相的情况和一相的情况类似，这里只介绍采集一相的情况。

电压信号经互感器变换后经电阻分压，取的分压值传给后级，为了提高带负载能力同时使得前后级隔离，减小后面电路对互感电压电流的影响，以便减少误差，在互感器后面加了一级电压跟随器，此跟随器使用通用放大器741，由于真有效值转换芯片的输入限制，需要对信号进行必要的调理，考虑到变压器和分压比，调整反向比例运放衰减系数选择进行的10倍衰减，运放输出连接LTC1966真有效值转换芯片IN1端，输出的电压即为前级交流信号的有效值，因为输出为模拟数值幅值较小，还需加一级10倍的运算放大器，使得信号在0-5V的范围内，以便A/D 转换接收。

同时电源端都加了0.1uF电容为了防止高频干扰。

使芯片更稳定可靠工作，具体电路详见图3-3所示。

3.4衰减放大电路基于测量范围的考虑，真有效值直流转换器LTC1966最高输入电压为1V，所以需要将待测信号或进行衰减或进行放大。

如图3-4所示，这里把采样的4V 左右的电压衰减10倍到0.4V到真有效转换器。

图3-4 衰减放大电路3.5真有效转换电路LTC1966是一个R S M至DC转换器，它可接受单端或差动输入信号，并支持最大为4的峰值因数，共模输入范围为轨至轨幅度。

差动输入范围为1V PEAK，并提供绝无仅有的线性度。

具有高精确度0.1%增益准确度（范围50Hz至1KHz）、0.25%的整体误差（范围50Hz至1KHz），高线性度，0.02%线性度允许简便的系统调校。

真值有校值转换电路如图3-5所示。

图3-5 真值有效值转换电路3.6电流采样电路图3-6 电流采样电路电流采样原理和电压采样差不多，只是电流互感器过来的是电流值，需要进行电流电压变换才可输入给后面的运放电路进行处理，这里采用最为简单的方法即通过一个精密电阻将电流信号的变化转换成电压信号的变化，后面就和电压采样方法一样，进行衰减调理真有效值转换然后A/D转换，三相和一相硬件组成类似，故这里只介绍一相情况如图3-6所示。

3.7 数字时钟电路该设计中ADC0808 CL K上的时钟频率为500k Hz。

为得到此频率，AT89C52采用12M Hz的时钟频率，然后经过74L S74芯片4分频得到500k Hz，此时的转换速度为128us。

数字时钟电路如图3-7所示。

图3-7 数字时钟电路3.8 A/D转换部分ADC0808是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。

其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

ADC0808是ADC0809的简化版本，功能基本相同。

一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D转换，实际使用时采用ADC0809进行A/D转换。

本设计基于有六路电压采样，故用ADC08088个输入端口其中的6个分时复用。

将单片机的P0.0、P0.1和P0.2通过74L S373地址锁存器与ADC0808的ADDA、ADDB和ADDC相连接，分时选择ADC0808的采集通道IN0——IN5。

ADC0808的地址由P0口和P2口提供，即P0口作为地址/数据复用口，提供低8位地址；P2口提供高8位地址。

由于从可变电阻器上引出的电压是从IN0口输入ADC0808的，所以要求P0.0、P0.1和P0.2初始状态为低电平。