基于单片机的交流功率测量仪设计与实现
1. 系统功能概述
本系统是一种基于单片机的智能交流功率测量仪，主要实现对交流电路中电压、电流及功率的实时测量与显示。通过电压互感器与电流互感器将高压与大电流信号转换为低压信号，并经整流滤波后输入到单片机的A/D采样端口进行数字化处理。系统利用测得的电压与电流值计算出功率值，并在液晶屏上显示，从而实现了对交流电能的实时监测功能。
本系统的主要功能包括：
- 电压检测功能：通过电压互感器采集交流电压信号，转换为适合单片机采样的低电平信号。
- 电流检测功能：通过电流互感器采集交流电流信号，并转换为低压信号输入单片机进行处理。
- 功率计算功能：单片机根据采集到的电压、电流信号计算出功率，并通过公式换算为实际值。
- 数据显示功能：LCD1602液晶显示屏用于实时显示电压、电流及功率值，方便用户观察。
- 系统保护与稳定性设计：在输入采样电路中加入隔离与限流保护措施，确保测量安全可靠。
该系统设计具有测量精度高、实时性强、结构简单、成本低廉等优点，适用于电力实验教学、电气测量仪表及家庭电能监测等场景。
2. 系统电路设计
整个系统由五个主要部分组成：单片机最小系统电路、交流电压采样电路、交流电流采样电路、信号整流滤波电路以及LCD显示模块。各模块之间通过数据线或控制线连接，协同完成信号采集、数据处理与显示功能。
2.1 单片机最小系统设计
系统选用 STC89C52 单片机 作为核心控制器。该芯片基于 MCS-51 内核，具有强大的I/O接口与定时器资源，支持多种外设扩展，适合用于本类数据采集与控制项目。
最小系统由电源、时钟与复位电路组成：
- 电源电路：系统采用 +5V 稳压电源供电，通过7805稳压芯片提供稳定电压。
- 时钟电路：采用11.0592MHz晶振，为单片机提供稳定的系统时钟。
- 复位电路：通过电容、电阻与按键构成上电复位电路，确保系统上电后初始化正常。
单片机的 P0、P1、P2 口用于外设控制与数据通信，P3口的部分引脚用于LCD与ADC接口。整个最小系统为信号采集与功率计算提供了核心计算平台。
2.2 电压采样电路设计
交流电压信号幅值较高，直接输入单片机会导致损坏，因此系统采用 电压互感器 对电压进行隔离与降压处理。
电压互感器输出低压交流信号后，通过分压电阻网络调节信号幅度，使信号峰值低于单片机A/D转换模块输入的电压范围（0~5V）。
随后，信号经过二极管整流与电容滤波，转换成与电压有效值成比例的直流电压信号。该信号再输入A/D转换器的电压通道进行采样，从而实现交流电压的间接测量。
此电路结构不仅保证了信号采样的安全性，也实现了良好的线性特性。
2.3 电流采样电路设计
电流采样电路采用 电流互感器（CT） 进行电流检测。电流互感器将高电流转换为比例较小的电流信号，通过负载电阻转化为电压信号，再经过整流与滤波形成直流电压。
电流互感器的输出电压与交流电流成比例关系。通过对该信号进行采样与标定，系统可以准确计算实际电流值。
为提高测量精度，滤波电路采用RC低通滤波结构，去除整流后的纹波分量，使输入单片机的信号更加平稳。
2.4 整流与滤波电路设计
交流电压与电流信号经互感器降压后仍为交流信号，不适合单片机直接采样，因此必须经过整流滤波。
整流部分采用半波整流或全波整流电路，将交流信号转换为脉动直流信号；滤波部分使用电容器进行平滑处理，输出稳定的直流电压值。
整流后的电压与原始交流信号的有效值成比例，单片机可根据标定系数计算出真实电压与电流值。
2.5 A/D 转换电路设计
由于STC89C52本身不带A/D转换功能，因此系统外接 ADC0809 模数转换芯片实现信号数字化。
ADC0809 具有 8 路输入通道，分辨率为 8 位。系统分别将电压信号和电流信号接入不同通道进行采样。
ADC与单片机通过数据总线和控制线相连：
- 地址选择端 A、B、C 用于选择通道；
- ALE、START、EOC、OE 管脚用于控制采样时序；
- 数据输出端 D0~D7 与单片机 P0 口相连，实现数据传输。
单片机周期性启动ADC采样并读取结果，为后续的功率计算提供原始数据。
2.6 显示模块设计
系统采用 LCD1602 液晶显示模块 实现测量结果的可视化显示。LCD1602 可显示两行字符，每行16个字符，可同时显示电压、电流与功率等信息。
LCD1602 通过8位数据线与控制线（RS、RW、E）与单片机连接，单片机通过调用显示函数将计算结果以字符形式显示在屏幕上。
显示示例：
U=220.0V I=2.35A
P=517.0W该模块不仅直观展示了测量结果，还能根据需要动态更新显示内容，方便用户实时监控系统运行状态。
3. 系统程序设计
系统软件采用模块化设计结构，主要包括主程序、电压测量模块、电流测量模块、功率计算模块、LCD显示模块和ADC采样模块。各功能模块相互独立，通过主程序进行协调与调度，保证系统运行的稳定性与可维护性。
3.1 主程序设计
主程序是系统的核心，负责初始化、周期性采样、计算与显示。程序流程如下：
- 系统初始化（LCD、ADC、定时器）
- 读取电压与电流采样值
- 计算实际电压、电流与功率
- 调用LCD显示函数输出结果
- 定时刷新，循环执行
主程序代码示例如下：
c
#include <reg52.h>
#include "lcd1602.h"
#include "adc0809.h"
#include "math.h"
float voltage, current, power;
void main() {
System_Init();
LCD_Init();
ADC_Init();
while(1) {
voltage = Get_Voltage();
current = Get_Current();
power = voltage * current;
LCD_Show(voltage, current, power);
DelayMs(500);
}
}该程序通过周期性循环，实现数据采集与显示的实时更新。
3.2 ADC 采样程序设计
ADC模块程序负责启动转换、等待完成并读取采样结果。由于ADC0809为外部并行接口，需要严格的时序控制。
c
unsigned char ADC_Read(unsigned char channel) {
ADC_Address = channel;
ALE = 1; ALE = 0;
START = 1; START = 0;
while(!EOC); // 等待转换结束
OE = 1;
value = P0;
OE = 0;
return value;
}采样值范围为 0~255，对应输入电压 0~5V。单片机通过比例换算获得真实电压与电流。
3.3 电压与电流计算程序
根据标定参数，将ADC采样值换算为实际电压、电流值：
c
float Get_Voltage() {
unsigned char adc_value = ADC_Read(0);
return (adc_value / 255.0) * 500.0; // 假设满量程对应500V
}
float Get_Current() {
unsigned char adc_value = ADC_Read(1);
return (adc_value / 255.0) * 10.0; // 假设满量程对应10A
}该转换公式可通过实验标定精确调整比例系数，确保测量精度。
3.4 功率计算与显示模块
功率计算公式为：
P=Urms×Irms P = U_{rms} \times I_{rms} P=Urms×Irms
由于系统采集的是与有效值成比例的直流信号，因此可以直接通过上述公式计算瞬时功率。
显示程序如下：
c
void LCD_Show(float U, float I, float P) {
LCD_SetCursor(0,0);
LCD_Printf("U=%.2fV I=%.2fA", U, I);
LCD_SetCursor(1,0);
LCD_Printf("P=%.2fW", P);
}LCD显示采用浮点格式输出，确保读数直观准确。
3.5 延时与系统初始化模块
c
void DelayMs(unsigned int ms) {
unsigned int i, j;
for(i=0; i<ms; i++)
for(j=0; j<120; j++);
}
void System_Init() {
P0 = 0xFF;
P2 = 0xFF;
LCD_Init();
ADC_Init();
}该模块用于系统上电后初始化硬件状态，确保各模块工作正常。
4. 系统性能与总结
本系统利用单片机实现了对交流电压、电流及功率的自动检测与计算，整个过程包括信号采样、A/D转换、数值计算与实时显示。
其主要特点如下：
- 测量精度高：通过互感器采样与数字处理，减小测量误差。
- 安全性好：高低压信号隔离，确保单片机与操作人员安全。
- 实时性强：系统循环采样频率高，可实时反映电能变化。
- 扩展性强：可进一步增加功率因数计算、能量累计等功能。
本设计在电力监测和实验教学中具有较高的实用价值，展示了单片机在电能测量与数据处理领域的强大应用能力。