1

基于 8051 单片机的电力参数测量仪

2

报告内容

研究目的与意义1

研究内容2

研究成果3

结论4

3

1 研究目的与意义 许多电力设备在运行过程中，需要对其进行实时在线

测量，随时了解其各种电量参数。所以电力系统以及电力用户都迫切需要一种安全可靠、实时快速的交流电量综合检测仪器，有效地对电量参数进行测试。

该仪器以 C8051F060 单片机作为核心控制器件，可对三相 ( 三线、四线 ) 交流电路中的电参数进行实时、在线检测和通信，可用来测量电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率、有功电能、无功电能、视在电能、以及频率和功率因数等电力参数。

4

2 研究内容

2.1 硬件电路的设计调试 2.2 软件程序的编写 2.3 仪器数据测试

5

2.1 硬件电路

系统原理框图

三相电压电流信号

模拟开关互感器 信号调理

DC/DC

LCD

键盘

RS485串口

单片机A/D

7

三相电的电压和电流（三相电压、三相电流加中线电流） 7 路信号经互感器转换后再经过信号调理电路，平移、放大。由单片机控制模拟多路开关 CD4051 选择其中某路输入单片机。单片机选用 C8051F060 为核心器件，使用它内部的 16位 ADC 实现 A/D数据转换。 6 个按键及液晶显示器，实现数据显示； RS458 接口与上位机通信。

6

2.1.1 单片机周边电路

C8051F060 供电电压： 2.7 ~ 3.6V 高速、流水线结构的 8051 兼容的

CIP-51 内核 59 个通用 I/O 引脚 时钟源使用外部晶振，频率为

22.1184MHz ，晶体接在 XTAL1和 XTAL2 脚之间。

三个模拟比较器 两个 16 位 ADC 5 个通用的 16 位定时器 片内看门狗定时器 两个 UART 串行接口 片内 JTAG 调试

电压检测复位

外部晶振

7

2.1.2 DC/DC 稳压电路

1IN3 OUT 2

OUT4

ADJ

U8

LM317MBSTT3100nFC26

10uFC27

L1

47uFC23

0.1uFC24

0.1uFC25

VDD

L2

47uFC28

0.1uFC29

0.1uFC30

AVDD

L3

47uFC31

0.1uFC32

0.1uFC33

AV+

L4

47uFC34

0.1uFC35

0.1uFC36

3.3V

+5V

3.3V电源产生电路

本电路板使用 ±5V 电源供电，通过 LM317M 线性稳压芯片输出稳定的3.3V 电压供给单片机 、 LCD

8

2.1.3 信号调理电路

IN1

GN

D3

OUT2

U14REF03

10μF

C40Cap Pol3

0.1μF

C9Cap Semi

+5V

PT1V1

27

R25

Res2

1OUT1

1IN-2

1IN+3

VCC+4

2IN+5

2IN-6

2OUT7

3OUT8

3IN-9

3IN+10

VCC-11

4IN+12

4IN-13

4OUT14

U10

LT1014

1KR17

2KR151K

R10

Res2

1K

R7

Res2

1KR21

Res2

2K

R26 Res2

1K

R28

Res2

1K

R11

Res2

1K

R18

Res2

1K

R22

Res2

1K

R29

Res2

1K

R32

Res2

PT3V2

IN1

GN

D3

OUT2

U16REF03

10μF

C42Cap Pol3

0.1μF

C15Cap Semi

+5V

1OUT1

1IN-2

1IN+3

VCC+4

2IN+5

2IN-6

2OUT7

3OUT8

3IN-9

3IN+10

VCC-11

4IN+12

4IN-13

4OUT14

U12

LT1014

1KR42

2KR401K

R36

Res2

1K

R34

Res2

1KR48

Res2

2K

R50 Res2

1K

R51

Res2

1K

R37

Res2

1K

R43

Res2

1K

R49

Res2

1K

R52

Res2

1K

R54

Res2

IN1

GN

D3

OUT2

U15REF03

10μF

C41Cap Pol3

0.1μF

C10Cap Semi

+5V

PT2V3

1OUT1

1IN-2

1IN+3

VCC+4

2IN+5

2IN-6

2OUT7

3OUT8

3IN-9

3IN+10

VCC-11

4IN+12

4IN-13

4OUT14

U11

LT1014

1KR19

2KR161K

R12

Res2

1K

R8

Res2

1KR23

Res2

2K

R27 Res2

1K

R30

Res2

1K

R13

Res2

1K

R20

Res2

1K

R24

Res2

1K

R31

Res2

1K

R33

Res2

PT4VN

IN1

GN

D3

OUT2

U17REF03

10μF

C43Cap Pol3

0.1μF

C16Cap Semi

+5V

1OUT1

1IN-2

1IN+3

VCC+4

2IN+5

2IN-6

2OUT7

3OUT8

3IN-9

3IN+10

VCC-11

4IN+12

4IN-13

4OUT14

U13

LT1014

1KR44

2KR411K

R38

Res2

1K

R35

Res2

1K

R39

Res2

1K

R45

Res2

+5V-5v

CT2

200

R47Res2

I11

I12

0.1μFC22

CT1

CT3

200

R46Res2

200

R53Res2

I21

I22

I31

I32

OUT0

OUT1

OUT4

OUT5

OUT2

OUT3

OUT6

七路信号调理电路

互感器，得到 -0.5V~0.5V 正弦信号

REF03输出 2.5V直流电

压作为运放负向输入

运放与电阻组成运算电路

9

2.1.3 信号调理电路

VOUT1 1

-2

+3

U1A

LT1014 +5

-6

VOUT2 7

U1B

LT1014

1K

R4

1K

R1

2K

R3

1K

R5

1K

R6

1K

R2

Input

Ref 2.5V

Output

运算电路

计算公式为：

最终输出 0.5V~2V 正弦信号

)35.2(2

1iO VV

10

2.1.4 模拟多路开关电路

单片机控制端

5V 1

DIR 2

GND 11

GND 12GND13 B714 B615 B516 B417 B318 B219 B120 B021 /OE22 3.3V23 3.3V24

A0 3

A1 4

A2 5

A3 6

A4 7

A5 8

A6 9

A7 10

U9

74LVC4245

AVDD +5V

Mul_AMul_BMul_C

ABC

EN

X62

X41 X 3

X74

VCC 16

X55

EN6

X013

VEE 7GND8

X312

C9 B10 A11

X215 X114

U7

CD4051BC

+5VMul_ENMul_AMul_BMul_C

OUT0OUT1OUT2OUT3OUT4OUT5OUT6

AIN

Mul_EN5V

1

DIR2

GND11

GND12

GND13

B714

B615

B516

B417

B318

B219

B120

B021

/OE22

3.3V23

3.3V24

A03

A14

A25

A36

A47

A58

A69

A710

U9

74LVC4245

AVDD +5V

Mul_AMul_BMul_C

ABC

EN

X62

X41

X3

X74

VCC16

X55

EN6

X013

VEE7

GND8

X312

C9

B10

A11

X215

X114

U7

CD4051BC

+5VMul_ENMul_AMul_BMul_C

OUT0OUT1OUT2OUT3OUT4OUT5OUT6

AIN

Mul_EN

调理后7路信号

单片机

模拟多路开关 CD4051 ，是单 8 通道数字控制模拟开关，有三个二进制控制输入端 A、 B、 C 和 EN 片选输入 电平转换芯片 74LVC4245 , 兼容 CD4051 和单片机的电平

11

2.1.5 按键和 LCD 显示器电路

DAC11

VREF22

VREFD3

VREF4

VBGAP15

VREF16

VRGND17

AIN1G8

AIN19

AGND10

AV+11

CNVSTR112

AVDD13

AGND14

CNVSTR015

AV+16

AGND17

AIN018

AIN0G19

VRGND020

VREF021

VBGAP022

AGND23

AV+24

DAC025

XT

AL

126

XT

AL

227

MO

NE

N28

P1.

7/A

IN2.

729

P1.

6/A

IN2.

630

P1.

5/A

IN2.

531

P1.

4/A

IN2.

432

P1.

3/A

IN2.

333

P1.

2/A

IN2.

234

P1.

1/A

IN2.

135

P1.

0/A

IN2.

036

VD

D37

DG

ND

38

P2.

739

P2.

640

P2.

541

P2.

442

P2.

343

P2.

244

P2.

145

P2.

046

P3.

747

P3.

648

P3.

549

P3.

450

P3.351

P3.252

P3.153

P3.054

P0.7/WR55

P0.6/RD56

P0.5/ALE57

P0.458

P0.359

P0.260

P0.161

P0.062

DGND63

VDD64

P7.7/AD7m/D765

P7.6/AD6m/D666

P7.5/AD5m/D567

P7.4/AD4m/D468

P7.3/AD3m/D369

P7.2/AD2m/D270

P7.1/AD1m/D171

P7.0/AD0m/D072

P6.7/A15m/A773

P6.6/A14m/A674

P6.5/A13m/A575

P6.

4/A

12m

/A4

76

P6.

3/A

11m

/A3

77

P6.

2/A

10m

/A2

78

P6.

1/A

9m/A

179

P6.

0/A

8m/A

080

P5.

7/A

1581

P5.

6/A

1482

P5.

5/A

1383

P5.

4/A

112

84

P5.

3/A

1185

P5.

2/A

1086

P5.

1/A

987

P5.

0/A

888

DG

ND

89

VD

D90

P4.

7/W

R91

P4.

6/R

D92

P4.

5/A

LE

93

CA

NT

X94

CA

NR

X95

TM

S96

TC

K97

TD

I98

TD

O99

RS

T10

0

U18

2G

ND

3OUT

1V

cc

U37027A

3.3v

1K

R55Res3

0.1μF

C7Cap Semi

C20.1uF

AV+

AVDD

C40.1uF

AV+

C50.1uF

AV+

0.1μFC21

+ C3747uf

0.1μFC20

Y1

22.1184MHz

C39

33pF

C38

33pF

VDD EN

A B C WR

RD

CS

2

C60.1uF

VDD

+5V

300

R9

Res2

100

R14Res2

S1

SW-PB

S2

SW-PB

S3

SW-PB

S4

SW-PB

S5

SW-PB

S6

SW-PB

4.7K

R56

Res3

4.7K

R57

Res3

4.7K

R58

Res3

4.7K

R59

Res3

4.7K

R60

Res3

4.7K

R61

Res3

0.1μF

C8

Cap Semi

0.1μF

C11

Cap Semi

0.1μF

C12

Cap Semi

0.1μF

C13

Cap Semi

0.1μF

C14

Cap Semi

0.1μF

C17

Cap Semi

3.3V

C3

0.1uF

VDD

DB

7

DB

6

DB

5

DB

4

DB3

DB2

DB1

DB0

RES

A0

C10.1uF

VDD

AIN

AIN

TXD

RXD

AL

E

TD

O

TD

I

TC

K

TM

S

设计有 6 个按键。由于键少， IO 口资源多，就直接与单片机 IO 口连接。

按键与 IO 口连接时接一个 4.7K 的电阻，当有键按下时， IO 口为低电平

12

2.1.5 按键和 LCD 显示器电路

显示器采用带有液晶显示控制器 SED1335的液晶模块 LCM3202401

1234567891011121314151617181920

JP4

LCD

10K

R63RPot

10K

R64RPot

DB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7

WRRDCS2A0RES

3.3V3.3V

LCD 接口电路图

LCD 的引脚定义

13

2.1.6 串口通信电路

470

R1

Res2

4.7K

R2Res2

+5V

3.3V

+5V

RXD

RO1 Vcc 8

RE2

B7

DE3

A6

DI4

GND5

U4

MAX485

+5V1 42 3

U5

TLP521

4.7K

R3

Res2

1KR4

Res2+5V

+5V

ALE

4.7K

R6Res2

470

R5Res2

+5V

+5V

TXD

FUSE1

JK250

FUSE2

JK250

D3TVS

SHLD

D2

TVS

D1

TVS

1

2

3

4

5

6

7

8

9

11

10

JP1

DB9

NC1ANODE2

CATHODE 3NC

4GND

5

VO6

VE7

VCC8

U1

6N137

NC1

ANODE2

CATHODE3

NC4

GND5VO6

VE7VCC8

U2

6N137

光耦隔离

14

2.1.7 电路板实物图

电压互感器

按键

电流互感器 LT1014 REF03 CD405174LVC4245

LM317

RS485

光耦 单片机

15

2.2 软件

系统初始化 频率测量模块 A/D 转换模块 数据处理模块 显示及通信模块

16

2.2.1 系统初始化

void config (void) 配置看门狗、交叉开关、端口

void SYSCLK_Init (void) 系统时钟 void T1_ini(void) void T2_Init(void) void T3_Init (void) void T4_Init(void) void comp0_Init(void) 比较器 0 void ADC0_Init(void) A/D void dataprocess(void) 数据处理 Unsigned char scankey(void) 按键扫描 void LCD_Init(void) LCD 设置 void uart0_ini(void) 串口设置

定时器

17

2.2.2 频率测量模块

正弦信号比较器

CP0方波 T4计数

T4计数，T2定时

T2停止，时间time

频率：f=frenum/time

T4溢出，计数frenum

Y

N

程序流程图

18

2.2.3 A/D 转换模块

采样数加1

T3装载定时值

启动AD转换

将数据Um、Im存入RAM

转换结束

转换下一通道

7路通道转换结束

采样数达到？

计算U、I、P等

N

Y

N

Y

N

循环交替选取通道channel0~channel6

确定 A/D 转换器的采样时间间隔 ,T3 实现。

定时器 3 溢出产生中断，进入中断程序后，起动A/D 转换器。

全部采样完成后进行数据处理

数据测量部分的流程图

19

2.2.4 数据处理模块

电压、电流有效值：

其中， N 为采样点数， 为第 m 个采样点的瞬时值。

电压、电流相位差：基于谐波分析

为第 i 相信号的电压，最高次谐波次数为 L

其中， 为 k 次谐波最大值， 为 k 次谐波的初相位。

N

mmxN

X1

21

2mx

)(tU i

)sin()sincos()(1

ikik

L

kikiki tkAtkbtkatU

ikA ik

20

2.2.4 数据处理模块 第 1 相基波相位差：

功率因数： 有功功率： 视在功率： 无功功率：

cos

P VT

S VI2 2Q S P

1

11 11

2( )cos 2

N

n

na u n

N N

1

11 11

2( )sin 2

N

n

nb u n

N N

11

1111 arctan

b

a

T

24111 电压超前电流的相位

τ 为相邻二通道开始测量时刻的时间差，

一个基波周期采样 N 次。

21

2.2.5 显示及通信模块

LCD显示

有按键操作？

键值处理

Y

N

中断返回

UART0中断标志为1？

送数据到SBUF0

Y

N

串口中断入口

按键、显示流程图 串口通信流程图

22

2.3 仪器数据测试通道 频率（ Hz ） Uo（ V)

理论值 实测值 误差 理论值 实测值 误差

0 50 49.94 0.12% 1.38 1.379 0.07%

1 50 50.01 0.02% 1.38 1.378 0.14%

2 50 50.03 0.06% 1.38 1.381 0.07%

3 0 0 1.38 1.38 0.00%

4 50 50.01 0.02% 1.38 1.381 0.07%

5 50 49.9 0.02% 1.38 1.382 0.14%

6 50 49.9 0.02% 1.38 1.381 0.07%

23

　

电压与电流之间的相位差（ rad)

视在功率（ W) 有功功率（ W)

理论值 实测值 理论值 实测值 误差 理论值 实测值 误差

A相 0 0.001 1.9044 1.895 0.49% 1.9044 1.895 0.49%

B相 0 0.001 1.9044 1.902 0.12% 1.9044 1.902 0.12%

C相 0 0.001 1.9044 1.897 0.39% 1.9044 1.897 0.39%

2.3 仪器数据测试

24

3 研究成果

完成了电力参数测量仪器的软、硬件设计，能够实现对外界三相模拟信号电压、电流的测量。

测试了性能指标，仪器主要技术指标如下：（ 1 ）电压测量范围：三相电压 0～ 220V ；（ 2 ）电流测量范围： 0～ 5A ；（ 3 ）频率测量范围： 45～ 60HZ ；（ 4 ）电压 / 电流准确度等级：高于 0.2级；（ 5 ）其它电量准确度等级：高于 0.5级。

25

4 结论

本文介绍的设计方案由于采用了 C8051F060 单片机，其丰富的片上功能模块使得外围电路大大简化，从而降低了成本，提高了运行可靠性。

展望：（ 1 ）如果将该系统进一步提高为可测量各次谐波

就使得该系统功能更加完善。（ 2 ）增加片外时钟芯片，这样可记录仪表采集的

各种事件的准确时间。

26