【正文】 ............................................................................................................................. 2 2 電壓電流的測量原理 ........................................................................................................... 3 2． 1 電壓電流的測量 ................................................................................ 錯誤 !未定義書簽。該系統(tǒng)采用交流采樣技術，進行數據采樣，并通過軟件設計，采用積分算法，分析測量數據，分別計算出 電壓、電流的 有效 值。 如何快速、準確地采集 電壓、電流參數，是電力系統(tǒng)實時檢測中首 要解決的問題。此方法軟件設計簡單，對采樣值 只需作一次比例變換即可得到被測量的數值。它用軟件代替硬件的功能又使硬件的投資大大減小。 則電壓電流的有效值計算公式為： 2)(s i n1)(1 20 20 2 mT mT UdttuTdttuTU ??? ?? ? 2)(s i n1)(1 220 2 mmT IdttITdttITI ???? ? ?? 交流采樣原理是將連續(xù)變化的電流電壓的周期信號離散化，用一定的算法對離散時間信號進行分析，計算出所需的信息。設在一個周期 T 內等間隔對 U(t)、 I(t)作 N次采樣，則第 k 次采樣值 Uk、 Ik為 NkUNTkUU mk ?2s in)( ??? k=0、 1? N－ 1 )2s i n()( ?? ???? NkINTkII mk k=0、 1? N－ 1 式中： NT 為相鄰兩次采樣的時間間隔 第 4 頁 共 16 頁 交流采樣的算法很多，這里采用積分算法（又稱均方根算法）。只要采樣點數 N足夠大，就能都使電壓電流有效值的測量達到足夠的精度。 系統(tǒng)結構原理圖如圖所示： 系統(tǒng)結構原理圖 下面說明圖中主要部分的作用： （ 1）互感器 — 把電網的強電信號轉化為適合 A/D 轉換的弱電信號； （ 2）低通濾波器 — 濾除電壓信號中的高次諧波； （ 3）采樣 /保持器 — 因為電壓信號總是在變化，而 A/D 轉換總是需要一定的時間，所以需要 把轉換的信號采樣后保持一段時間，以備轉換。 4 器件 選擇 系統(tǒng) 的器件 主要包括 7 大 塊：互感器模塊 、低通濾波器模塊、模擬多路開關模塊、 A/D 轉換器模塊、 單片機主控模塊、按鍵輸入和數碼管顯示模塊。 4． 1 互感器的選擇 4． 2 低通濾波器的選擇 4． 3 采樣 /保持器的選擇 4． 4 模擬多路開關的 選擇 4． 5 A/D 轉換器的選擇 4． 5． 1 A/D 轉換的原理 實現(xiàn) A/D 轉換的方法很多，有逐位比較式、雙積分式、并行比較式以及 u/f 轉換式等，各種實現(xiàn)方法都有其各自的特點。 D/A 轉換電路可以是一個 T 型網絡，也可以是權電阻網絡。每一位在 A/D轉換電路中都對應一個標準電壓。 逐位比較式 A/D 轉換電路的工作過程如下： 首先啟動脈沖使 A/D 轉換器開始工作，寄存器 SAR 全部清零， U0輸出為 0。 第二位的比較：置 d2=“ 1” ，這時 D/A 轉換電路的輸出 U0= d1UR 21+ UR 22，電壓比較器比較Ui 與 U0 的大小，根據比較結果決定第二位 d2 是去碼還是留碼。 以一個 8 位 A/D 轉換器為例加以說明。一般逐 位比較式 A/D 轉換器一次轉換時間在幾微妙到白微妙之間，因此廣泛應用與中高速數據采集系統(tǒng)。 2 雙積分式 A/D 轉換 雙積分式 A/D 轉換器是一種間接 A/D 轉換器。 積分器是轉換器的核心部分，它的輸入端所接開關由定時信號 Qn 控制。比較器的輸出信號接至時鐘控制門作為開門和關門信號。當 Uc=1時，門打開，時鐘脈沖通過門加到觸發(fā)器 FF 0 的輸入端。 N 位并行比較式 A/D 轉換需要用 2n +1 個電阻串聯(lián)組成分壓器，與參考電壓端和地端直接相連的兩個電阻阻值為 R/2 ，其余個電阻阻值均為 R，分壓器上端加參考電壓 UR。 接入各電壓比較器負端的分壓器提供的各分壓值可用下式表示 待測的模擬電壓 Ui則接入各電壓比較器正端。經 2n線 — n 線編碼器后輸出對應的 n 位二進制編碼。第一個時鐘周期用于將 輸入信號寄存在可鎖存電壓比較器中，第二個時鐘周期用于對比較結果進行編碼，并輸出數據。由于位數愈多，電路愈復雜，因此制成分辨率較高的集成并行 A/D 轉換器是比較困難的。這種方法雖然在速度上做了犧牲，卻使原件數大為減少，在需要兼顧分辨率和速度的情況下常被采用。 整個電路構成可視為一個震蕩頻率受輸入電壓 Ui控制的多偕振蕩器。根據一個周期中充電電荷量與反充電電荷量相等的電荷平衡原理，可得 輸出震蕩頻率 f 上式表明，輸出電壓頻率 f 與輸入電壓 Ui成正比，從而實現(xiàn)了 U/f轉換。因此 U/f 轉換與計算機接口簡單、靈活，只要用一路輸入通道，可以是計算機（或單片機）的一根 I/O 口線、中斷源輸入或計數輸入。是一種用編碼技術實現(xiàn)的高速 A/D 轉換器，價格較高，僅用于要求高速度的場合。具有精度高、抗干擾性能好、價格低廉等特點，但速度慢。 5V，對應數字量輸出范圍為 00H~0FFH，輸出具有 TTL 三 態(tài)鎖存緩沖器，可以直接鏈接到單片機數據總線上。 8 位 A/D 轉換器是逐位比較式 A/D 轉換芯片，由控制于時序電路、逐次逼近寄存器、樹狀開關以及 256R 電阻階梯網絡等組成。 5V，若信號過小，還需進行放大。 START 上升沿時，所有內部寄存器清零， START 下降沿時，開始 A/D轉換。該信號既可以作為查詢的狀態(tài)標志，又可以作為中斷請求信號使用。 CLK：外部時鐘脈沖輸入端。其對應關系 如表所示： 地址碼 選通的模擬通道 C B A 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 第 12 頁 共 16 頁 1 1 1 IN7 通道地址碼對應關系 ALE：地址鎖存允許信號。 Vcc： +5V電源。 80C51 的特點： （ 1）集成度高。 （ 3）系統(tǒng)擴展方便。 80C51 單片機的總線大多在芯片內部不易受干擾，而且采 第 13 頁 共 16 頁 用 80C51單片機構成的應用系統(tǒng)結構簡單，容易采取各種抗干擾措施（屏蔽、接地等）， 適用環(huán)境廣，在各種惡劣的情況下都能可靠的工作 。完成單字節(jié)乘法和單字節(jié)除法僅需 4μ s（時鐘頻率為 12MHz）。 電源應采用直流 +5V電源。 P0 口是一個漏極開路的 8 位準雙向 I/O 口，每位能驅動 8 個 LSTTL負載。 ~（第 21~28 腳）： P2 口的 8 個引腳。 （第 11 腳）： TXD（串行輸出口，串行通信時，單片機由此發(fā)送信號出去）。 第 14 頁 共 16 頁 （第 15 腳）： T1（定時器 1 外 部輸入口）。在訪問片外數據存儲器時，在其下降沿鎖定低 8 位地址，以實現(xiàn) P0口的地址總線和數據總線的分時復用。 （ 3） EA/VPP（第 31 腳）：片外程序存儲器選用端。在此輸入端保持兩個機器周期的高電平有效信號，就可以完成復位操作，使單片機回復到初始化狀態(tài)。 RST 引腳還有掉電保護功能，如果在該端接有 +5V的備用電源，在 Vcc 突然掉電時，可以保護片內 RAM 中的信息不丟失。 4． 6． 3 CPU 時序 振蕩器輸出的脈沖經 2分頻（即頻率變?yōu)樵瓉淼?1/2）成為內部時鐘信號，用作單片機內部各功能部件按序協(xié)調工作的控制信號，其周期稱為時鐘周期。指令周期以機器周期為單位，分為單周期指令、雙周期指令和 4 周期指令，只有乘法、除法指令是 4 周期指令。 LED 顯示器是由發(fā)光二極管組成的、用來顯示特定字段的顯示器。同樣共陽極 LED顯示器，就是將所有發(fā)光二極管的陽極接在一起，構成公共陽極，使用時，公共陽極接 高電平 ，這樣當某個發(fā)光二極管的陰極加有低電平時，那個發(fā)光二極管就被點亮，而加高電平時則不點亮。但是，使用靜態(tài)顯示方式時，需要的 I/O 口線數量較多，因此一般只有當顯示的位數較少時，才采用靜態(tài)顯示。在多位 LED 顯示時，為了簡化硬件電路，常常將所有位的段選線并聯(lián)在一起 ，由一個 8 位的 I/O 口控制，而各位的共陽極或共陰極引腳則分別由單獨的 I/O 口來控制，以實現(xiàn)各位得分時選通。 （ 3）以此類推，當關掉最后一個 LED 塊時，再 次選通第一個 LED 塊，這樣反復循環(huán)。 第 18 頁 共 16 頁 5． 2 分頻電路設計 由于 ADC0808 模數轉換器沒有內部時鐘，所以必須外接時鐘。 第 19 頁 共 16 頁 5． 3 ADC0808 與單片機的接口電路 ADC0808模數 轉換器 共有 8路模擬輸入通道，該電路只用到其中的兩個輸入通道（ IN0、 IN1）。 由于 輸入 是雙極性，所以參考電壓輸入引腳 VREF(+)和 VREF()分別接 +5v和 5v。 模擬 /數字轉換完成之后， 在讀取結果時， 單片機的片選信號 和 讀 控制信號 RD 都為低電平， 經過或非門后，產生的正脈沖作為 OE 信號 ， 用以打開三態(tài)輸出鎖存器， 單片機數據總線上出現(xiàn) A/D轉換的結果。 第 20 頁 共 16 頁 6 軟件設計 開 始初 始 化兩 路 信 號 是否 采 完交 流 采樣 模 塊數 據 轉換 模 塊有 效 值 計算 模 塊顯 示 以 及報 警 模 塊轉 換 下一 通 道NY 第 21 頁 共 16 頁 開 始初 始 化采 6 4 個 點 是否 結 束啟 動 A / D 轉換查 詢 轉 換 是否 結 束讀 取 數據開 定 時器等 待 定 時中 斷關 定 時 器 并從 裝 初 值NNYNY數 據 轉 換Y 第 22 頁 共 16 頁 開 始初 始 化6 4 個 數 據 是否 處 理 完取 反最 低 位 = 1右 移 一 位 ， 取出 最 低 位計 算 并累 加s = s * 5s u m = s u m + s * sn 8有 效 值 計 算NYYNNY 第 23 頁 共 16 頁 開 始s u m = s q rt(s u m /6 4 )有 效 值 補 償報 警 以 及 顯 示 include include include include define uchar unsigned char define IN0 XBYTE[0xfef8] //設置 ADC0809 的通道 0 地址 sbit ad_busy=P3^5。 //延時子程序 void xianshi0(float s0)。 unsigned char i,j,n,m,b,x[64]。IN0。 第 24 頁 共 16 頁 TR0=0。 for(j=0。 //查詢等待轉換結束 x[j]=*ad_adr。 TR0=0。j64。1==1)。n++) { x[j]=x[j]1。 s=s+(float)m/b。 //有效值 if(i==0) 第 25 頁 共 16 頁 {sum=sum*220/3。 //調用電流顯示子程序 ad_adr++。i++) { P3_0=0。 P3_0=1。 } } 第 26 頁 共 16 頁 開 始初 始 化i 5 0 0 0 P 3 _ 0 = 0延