基于单片机的数字电功率表研究_开题报告

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随着社会的发展，电能在人们的生活中无处不在，并以各种形式影响着人们的生活。现在人们的基本生存得到保障，对用电设备工作状态的了解与要求也越来越高。这些工作状态主要包括电网电压、设备工作电流、工作环境、压力、湿度等，只有满足所有用电设备的最大要求才能确保人身的安全问题[2]。电网电压与工作电流的稳定是设备长期运行的前提，而功率表是电压电流最终的体现方式，因此，对功率表的测量显得尤为重要[2]。

（一）国内研究现状

我国电子测量领域的起步较晚，早期的电能表以及功率表采用的工作原理，基本上是依据功率的定义，采用各种乘法器来实现电压与电流的乘积，而进行测量与计算。这种方法的测量精度不高[3]。后来，为了提高测量精度，采用数值采样法，对电压电流信号进行同时采样，以获得较高的精度。与传统方法不同，数值采样法利用交流电的过零点，采用过零比较法利用单片机的定时器对电压与电流的的时间差进行确定[4]，从而计算出电压与电流的相位角，再经查表得出功率因数，最后计算出电网功率。

传统的指针式电功率表功能单一且精度低，以不能满足社会的需求。单片机的发展为数字式电功率表提供了重要的技术支持。采用单片机的数字功率表，精度高、抗干扰能力强、集成方便，还可与PC机进行实时通讯。数字电功率表本质上是一个用户，利用单片机构成一个最小系统，实现多种功能[5]。

目前，集成的数字功率表功能强大、使用方便、体积小，广泛应用与电子及电工测量、工业自动化仪表、自动测试系统等智能数字化领域，在市场上受到很多人的青睐。

（二）国外研究现状

在国外，越来越多的电力设备投入到电网中运行，用电负载作为配电网末端的设备，其电压、电流、功率等信息的实时采集和监测是设备用户必须要知晓的信息。目前欧美国家，随着各类电气设备的智能化、自动化程度的提升，对用电负载配置数字电功率表已经成为了基本要求[6]。

随着半导体技术、集成电路（IC）和微处理器技术的发展，欧美国家的数字电路和数字化测量技术也有了巨大的进步，从而促使了数字电功率表的快速发展，并不断出现新的类型[7]。

目前，数字电功率表的内部核心部件是A/D转换器，转换的精度很大程度上影响着数字电功率表的准确度[8]，因而，以后数字电功率表的发展就着眼在高精度和低成本这两个方面[9]。 如何提高数字电功率表的实时性、准确性，采用何种相位角计算方法是目前亟待解决的难题[10]。

二、研究内容

本设计是针对单相交流数字电功率表系统的研究，以单片机为核心，设计并制作0-300V交流电压、0-5A交流电流的采集、电压超前电流的相位角的硬件系统。在制作硬件系统的平台上编写相关的程序并实现功率的计算与显示。系统采用51单片机作为核心处理器，通过硬件电路和软件编程[9]，控制模数转换器工作和液晶显示器显示。本设计主要包括下面几方面内容：交流信号数据采样与处理、模数转换、单片机应用与编程、液晶显示[10]。

关键技术：

（1）电压电流采集模块电路的设计研究；

（2）相位角测量前置电路设计研究；

（3）模数转换电路的设计研究；

实施方案：

（1）对单片机知识进行研究分析，对需求分析进行调研；

（2）设计系统总体框架

（3）基于单片机的硬件设计

（4）系统软件设计

对于电路中的电压和电流的测量，可以通过系统的前置电路把其转换成可供采样电压信号，再通过AD转换送入单片机处理，由软件读出，然后进行处理，处理后参数由液晶显示器显示出来。其次，对相位角的测量，采用过零比较的方法利用单片机的定时器对电压与电流过零点的时间差来进行确定，再通过计算就可以确定电压与电流的相位差，故功率因数可以通过查表得到。最后，功率的测量则是通过公式计算出来的。电路每一个时刻所对应的电压、电流、功率、功率因数四个参数可以通过液晶显示器显示出来。

三. ^范文提纲格式

一、绪论  

（一）课题的背景及意义；

（二）研究内容

二、系统方案设计 

（一）系统功能需求；

（二）系统总体框图

（三） 设计方案及技术分析

三、系统硬件设计

（一）单片机最小系统

（二）前置电路设计

（三）键盘模块设计

（四）显示模块设计

四、 软件设计

（一）编程软件介绍

（二） 模块详细设计

五、系统调试

四. 参考文献

[1]杨秀丽. 数字采样宽频功率测量关键技术研究[D].北京化工大学,2017.

[2]刘秀成.三相电路功率的测量方法[J].电气电子教学学报,2004(03):63-66.

[3]余伟. 基于DSP的钳形功率表的研究与实现[D].西安科技大学,2010.

[4]肖贵桥,朱莉,高社贤.三相功率表和三相有功电能表错误接线速排法[J].高压电器,2011,47(12):66-70+75.

[5]田社平,陈洪亮.关于对称三相电路无功功率测量的讨论[J].电气电子教学学报,2009,31(04):55-56+63.

[6]张明霞.两表法和三表法测量三相电路功率[J].机电信息,2009(36):166-167.

[7]伊元梅,温宗周.基于51单片机的数字功率表设计[J].微型机与应用,2012,31(10):28-30.

[8]Sun Hao, Yuan Huimei, Lu Simei. A Design of Three-Phase Digital Watt-Hour Power Meter on SOPC Platform[P]. Information Technology and Computer Science, 2009. ITCS 2009. International Conference on,2009.

[9]查六一,邵建龙,周玉岩.三相四线制电路中两功率表法计量误差分析[J].电力系统及其自动化学报,2010,22(05):76-79.

[10]张明金.对三相电路有功功率测量方法的探讨[J].中国现代教育装备,2008(10):126-128.