基于AVR单片机的电网测量仪的设计
基于AVR单片机的电网测量仪的设计[20200128191140]
【摘要】
本课题主要设计一款基于单片机的电网信号测量仪。该系统主要由AVR单片机最小系统、信号调理电路、OLED显示屏、按键电路、基准电源组成。该测量仪可以将市电电网内的电进行耦合采样，并将其显示在屏幕上，同时还能提供各种测量功能。其主要设计指标包括带宽大于10KHz；电压输入幅度±2.5v；可由交直流分别供电工作；通道数为1路（实为2路）。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】测量仪、AVR单片机、OLED显示屏
1.1引言 1
1.2 课题研究意义 1
第二章 系统硬件平台的架构 2
2.1 系统总体设计 2
2.2 AVR 单片机的引脚功能特点及原理 3
2.3 硬件各模块电路的设计 6
2.4 印制电路板的设计 11
第三章 系统软件平台的架构 15
3.1 软件功能的介绍 15
3.2 电网信号测试仪系统软件设计 15
第四章 电网信号测量仪的研究与实验 21
4.1 电网信号测试仪的使用方法 21
4.2 调试、测量校准以及误差分析 21
第五章 结束语与展望 25
参考文献 26
致 谢 27
第一章 绪论
1.1引言
自1972年美国尼科莱特公司研制成功了世界上首台数字示波器以来，取得很大进展。尤其是进入90年代中期以来，更是获得了突飞猛进的发展，功能多，准确度高，方便使用。早期产品中的缺点如：采样率低、实时性及带宽不足、存在较大死区时间、屏幕刷新率低等得到很大改善，综合技术指标和性能已逐步赶上并超过传统的模拟示波器。原先人们看好的模拟示波器的一些优点，如屏幕刷新率高，实时性强等，数字示波器已逐步做到。
作为当今示波器的主流产品，目前数字示波器已经逐渐将中高端示波器取代。数字示波器在大多数领域取代模拟示波器成为必然。随着科学技术的日益发展，近年来又不断增添新的家族成员，不断推出新型数字示波器。由于数字示波器引入了数字处理技术，并与计算机一起构成智能化联机系统，使其对于复杂单次瞬变信号的记录存储及分析研究非常有效。可以预料，随着锗化硅技术的深入应用、新的A/D技术的出现和扫描变换技术的发展，数字示波器将在以更高的带宽跟踪信号的瞬变快沿、更高的取样率准确测量单次信号、更大的存储量完整记录分析海量信息方面获得更大进展。
随着经济和科技的蓬勃发展，冶金、化学等现代化大工业和电气化铁路的发展，电网负荷加大，电力系统中的非线性负荷及冲击性、波动性负荷使得电网发生波形畸变(谐波)、电压波动、闪变、三相不平衡，非对称性(负序)和负荷波动性日趋严重。供用电设备的安全被电能质量的下降严重影响，降低了人民的生活质量。所以在世界各国都十分重视电能质量的管理。
我们或许急需这样的产品：它体积小易携带，只需要接入电网即可对电网电能的质量进行快速测量以及评估。
1.2 课题研究意义
电网供电下的未来生活：电价不再是一成不变，它会依据一天中不同时段来自动定价；以前只是电力系统读取用户的电表，现在用户也可看到整个城市的用电情况，从而为自己的用电进行规划，再也不用担心停电怎么办了，因为智能电
网可以在最短的时间内实现自动恢复，保证供电的连续性。
国内市面上电能质量分析仪器大多是国外进口的，价格较为昂贵，本课题所研究的就是如何自主开发一台这样的电网液晶示波器。
对于普通的电子爱好者，花很少的钱自己动手制作一台低频信号示波器，既提升了自己的实践水平，也得到一个实用的仪器。
同时针对低频信号的示波器还可以有很多扩展的地方：例如增加一块压电薄膜传感器和对应的调理电路，只需要对软件稍作修改，该系统即可成为人体脉搏、心电图示波器的低成本解决方案。
通过一段时间的制作和调试，本设计实现了一个频宽10kHz以上的低成本示波器，而其成本仅仅只要几十元人民币。经过测试，系统稳定可靠，可以很清晰的看清楚电网内的波形并对其测量。
第二章 系统硬件平台的架构
2.1 系统总体设计
2.1.1 系统设计要求
设计一台电网液晶示波器，该示波器可以将市电电网内的电进行耦合采样，并将其显示在屏幕上，同时还提供各种测量功能。
设计指标如下：
（1）带宽大于10kHz；
（2）电压输入幅度±2.5v；
（3）可由交直流分别供电工作；
（4）通道数1路（实为2路）。
2.1.2 系统设计原理
图2.1.1 原理框图
如图2.1.1所示，这就是总原理框图。依照这个原理图可以设计出世界上几乎所有的数字示波器。而本设计要做的就是把里面的几个框里选上合适的器件。
2.1.3系统设计方案及论证
首先是关键数字域器件的选择：AD转换器、处理器以及显示器。
自带的AD转换器，速度能够满足设计要求；选用能够读取更多位数的AVR系列单片机。根据片内Flash容量以及I/O口数量，选用Atmega16。若整个系统的HEX文件烧录进去后用了80%的flash空间，则证明了所选器件的优势。
显示器选择的是OLED这种新型的显示屏，其特点显著，OLED为自发光材料，不需用到背光板，同时视角广、画质均匀、反应速度快、较易色化、用简单驱动电路即可达到制程简单、发光、可制作成绕曲面板，符合轻薄短小的原则，应用范围属于中小尺寸面板。
显示方面：主动发光、视角范围大；响应速度快，图像稳定；亮度高、分辨率高。
工作条件：驱动电压低、能耗低、可与太阳能电池、集成电路等相匹配。
适用性广：采用玻璃衬底可实现大面积的平板显示；如用柔韧性材料做衬底，可以制成可折叠的显示器。由于OLED是全固态、非真空器件，具有抗震荡、耐低温等特性，在军事方面也具有十分重要的应用，如用作坦克、飞机等现代化武器的显示端。
综上所述，总体框图如图2.1.2
图2.1.2 圈定数字域器件后的框图
2.2 AVR 单片机的引脚功能特点及原理
2.2.1 AVR单片机的特点及优点
可靠性高、功能强大、速度快、功耗低和低价位一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。
由于早期单片机主要工艺及设计水平不高、功耗高和抗干扰性能差等原因，采取稳妥方案：采用较高的分频系数对时钟分频，使指令的周期长，执行的速度慢。之后的CMOS单片机虽然采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施，但这种状态并未被彻底改观(51以及51兼容)。此间虽有某些精简指令集单片机(RISC)问世,但依然沿袭对时钟分频的作法。
AVR单片机的诞生，把机器的周期废除，并没有沿用复杂指令计算机(CISC)追求指令完备的做法；而是采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中(指令集中占大多数的单周期指令都是如此)，取指周期短，又可预取指令，使流水作业得以实现，所以可以快速的执行指令。这种在速度上的升跃，以高可靠性为其后盾的。
AVR单片机的硬件采取了8位机和16位机的折中，即采用了局部寄存器存堆(32个寄存器文件)和单体高速输入/输出的方案(即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑)。使指令执行的速度(1Mips/MHz)有所提高，以往瓶颈的现象被克服，功能有所增强；同时对外设管理的开销也减少了，硬件得结构被简化，降低了成本。所以AVR单片机在软/硬件开销、速度、性能和成本等许多方面都取得了优化和平衡，是一款高性价比的单片机。
AVR单片机内嵌有高质量的Flash程序存储器，擦写方便，支持ISP和IAP，便于产品的调试、开发、生产、更新。内嵌长寿命的EEProm可长期保存关键数据，以避免断电时数据的丢失。片内大容量的RAM不仅能够满足一般场合的使用，同时也更有效的支持使用高级语言开发系统程序,并可像MCS-51单片机那样扩展外部 RAM。
【摘要】
本课题主要设计一款基于单片机的电网信号测量仪。该系统主要由AVR单片机最小系统、信号调理电路、OLED显示屏、按键电路、基准电源组成。该测量仪可以将市电电网内的电进行耦合采样，并将其显示在屏幕上，同时还能提供各种测量功能。其主要设计指标包括带宽大于10KHz；电压输入幅度±2.5v；可由交直流分别供电工作；通道数为1路（实为2路）。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】测量仪、AVR单片机、OLED显示屏
1.1引言 1
1.2 课题研究意义 1
第二章 系统硬件平台的架构 2
2.1 系统总体设计 2
2.2 AVR 单片机的引脚功能特点及原理 3
2.3 硬件各模块电路的设计 6
2.4 印制电路板的设计 11
第三章 系统软件平台的架构 15
3.1 软件功能的介绍 15
3.2 电网信号测试仪系统软件设计 15
第四章 电网信号测量仪的研究与实验 21
4.1 电网信号测试仪的使用方法 21
4.2 调试、测量校准以及误差分析 21
第五章 结束语与展望 25
参考文献 26
致 谢 27
第一章 绪论
1.1引言
自1972年美国尼科莱特公司研制成功了世界上首台数字示波器以来，取得很大进展。尤其是进入90年代中期以来，更是获得了突飞猛进的发展，功能多，准确度高，方便使用。早期产品中的缺点如：采样率低、实时性及带宽不足、存在较大死区时间、屏幕刷新率低等得到很大改善，综合技术指标和性能已逐步赶上并超过传统的模拟示波器。原先人们看好的模拟示波器的一些优点，如屏幕刷新率高，实时性强等，数字示波器已逐步做到。
作为当今示波器的主流产品，目前数字示波器已经逐渐将中高端示波器取代。数字示波器在大多数领域取代模拟示波器成为必然。随着科学技术的日益发展，近年来又不断增添新的家族成员，不断推出新型数字示波器。由于数字示波器引入了数字处理技术，并与计算机一起构成智能化联机系统，使其对于复杂单次瞬变信号的记录存储及分析研究非常有效。可以预料，随着锗化硅技术的深入应用、新的A/D技术的出现和扫描变换技术的发展，数字示波器将在以更高的带宽跟踪信号的瞬变快沿、更高的取样率准确测量单次信号、更大的存储量完整记录分析海量信息方面获得更大进展。
随着经济和科技的蓬勃发展，冶金、化学等现代化大工业和电气化铁路的发展，电网负荷加大，电力系统中的非线性负荷及冲击性、波动性负荷使得电网发生波形畸变(谐波)、电压波动、闪变、三相不平衡，非对称性(负序)和负荷波动性日趋严重。供用电设备的安全被电能质量的下降严重影响，降低了人民的生活质量。所以在世界各国都十分重视电能质量的管理。
我们或许急需这样的产品：它体积小易携带，只需要接入电网即可对电网电能的质量进行快速测量以及评估。
1.2 课题研究意义
电网供电下的未来生活：电价不再是一成不变，它会依据一天中不同时段来自动定价；以前只是电力系统读取用户的电表，现在用户也可看到整个城市的用电情况，从而为自己的用电进行规划，再也不用担心停电怎么办了，因为智能电
网可以在最短的时间内实现自动恢复，保证供电的连续性。
国内市面上电能质量分析仪器大多是国外进口的，价格较为昂贵，本课题所研究的就是如何自主开发一台这样的电网液晶示波器。
对于普通的电子爱好者，花很少的钱自己动手制作一台低频信号示波器，既提升了自己的实践水平，也得到一个实用的仪器。
同时针对低频信号的示波器还可以有很多扩展的地方：例如增加一块压电薄膜传感器和对应的调理电路，只需要对软件稍作修改，该系统即可成为人体脉搏、心电图示波器的低成本解决方案。
通过一段时间的制作和调试，本设计实现了一个频宽10kHz以上的低成本示波器，而其成本仅仅只要几十元人民币。经过测试，系统稳定可靠，可以很清晰的看清楚电网内的波形并对其测量。
第二章 系统硬件平台的架构
2.1 系统总体设计
2.1.1 系统设计要求
设计一台电网液晶示波器，该示波器可以将市电电网内的电进行耦合采样，并将其显示在屏幕上，同时还提供各种测量功能。
设计指标如下：
（1）带宽大于10kHz；
（2）电压输入幅度±2.5v；
（3）可由交直流分别供电工作；
（4）通道数1路（实为2路）。
2.1.2 系统设计原理
图2.1.1 原理框图
如图2.1.1所示，这就是总原理框图。依照这个原理图可以设计出世界上几乎所有的数字示波器。而本设计要做的就是把里面的几个框里选上合适的器件。
2.1.3系统设计方案及论证
首先是关键数字域器件的选择：AD转换器、处理器以及显示器。
自带的AD转换器，速度能够满足设计要求；选用能够读取更多位数的AVR系列单片机。根据片内Flash容量以及I/O口数量，选用Atmega16。若整个系统的HEX文件烧录进去后用了80%的flash空间，则证明了所选器件的优势。
显示器选择的是OLED这种新型的显示屏，其特点显著，OLED为自发光材料，不需用到背光板，同时视角广、画质均匀、反应速度快、较易色化、用简单驱动电路即可达到制程简单、发光、可制作成绕曲面板，符合轻薄短小的原则，应用范围属于中小尺寸面板。
显示方面：主动发光、视角范围大；响应速度快，图像稳定；亮度高、分辨率高。
工作条件：驱动电压低、能耗低、可与太阳能电池、集成电路等相匹配。
适用性广：采用玻璃衬底可实现大面积的平板显示；如用柔韧性材料做衬底，可以制成可折叠的显示器。由于OLED是全固态、非真空器件，具有抗震荡、耐低温等特性，在军事方面也具有十分重要的应用，如用作坦克、飞机等现代化武器的显示端。
综上所述，总体框图如图2.1.2
图2.1.2 圈定数字域器件后的框图
2.2 AVR 单片机的引脚功能特点及原理
2.2.1 AVR单片机的特点及优点
可靠性高、功能强大、速度快、功耗低和低价位一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。
由于早期单片机主要工艺及设计水平不高、功耗高和抗干扰性能差等原因，采取稳妥方案：采用较高的分频系数对时钟分频，使指令的周期长，执行的速度慢。之后的CMOS单片机虽然采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施，但这种状态并未被彻底改观(51以及51兼容)。此间虽有某些精简指令集单片机(RISC)问世,但依然沿袭对时钟分频的作法。
AVR单片机的诞生，把机器的周期废除，并没有沿用复杂指令计算机(CISC)追求指令完备的做法；而是采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中(指令集中占大多数的单周期指令都是如此)，取指周期短，又可预取指令，使流水作业得以实现，所以可以快速的执行指令。这种在速度上的升跃，以高可靠性为其后盾的。
AVR单片机的硬件采取了8位机和16位机的折中，即采用了局部寄存器存堆(32个寄存器文件)和单体高速输入/输出的方案(即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑)。使指令执行的速度(1Mips/MHz)有所提高，以往瓶颈的现象被克服，功能有所增强；同时对外设管理的开销也减少了，硬件得结构被简化，降低了成本。所以AVR单片机在软/硬件开销、速度、性能和成本等许多方面都取得了优化和平衡，是一款高性价比的单片机。
AVR单片机内嵌有高质量的Flash程序存储器，擦写方便，支持ISP和IAP，便于产品的调试、开发、生产、更新。内嵌长寿命的EEProm可长期保存关键数据，以避免断电时数据的丢失。片内大容量的RAM不仅能够满足一般场合的使用，同时也更有效的支持使用高级语言开发系统程序,并可像MCS-51单片机那样扩展外部 RAM。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/4330.html
