【正文】 與致謝 本文緊緊圍繞課題名稱“基于 ATMEL 單片機(jī)的永磁同步電機(jī)電能參數(shù)測量硬件設(shè)計”展開，按章節(jié) ，分層次系統(tǒng)論述了該系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計方法。 （六）、 電機(jī)輸入功率的求解方法 對 于單相負(fù)載，設(shè)： 則 令 ，則 從上式可以看出，瞬時功率有兩個分量，第一個為恒定量，第二個為正弦量，而且其頻率為電壓或電流頻率的兩倍。 這種測量方式的實(shí)際應(yīng)用方法為：分別將原待測電壓和待測電流經(jīng)處理后的幅值在 5V內(nèi)的電壓信號通入過零比較器，將過零比較器的輸出端作為外部中斷來源分別接入 AT89S51 單片機(jī)的 和 端口，當(dāng)單片機(jī)接收到來自過零比較器的下降沿時會產(chǎn)生中斷，于是轉(zhuǎn)入中斷處理，在中斷處理子程序中可立即開啟定時器 ，因來自待測電壓和待測電流產(chǎn)生的中斷有時間間隔且二者頻率相同，故兩個 中斷源一定順次接收到中斷。過零比較器可采用圖 四 1 所示的設(shè)計方法。 對于三相對稱負(fù)載，交流電任意一相的功率因數(shù)就等于系統(tǒng)的功率因數(shù)。電壓測量的分辨率取決于 A/D 采樣器件的位數(shù)。 第 3 章 三相永磁電機(jī)輸入電壓和輸入電流有效值的測量方法 19 圖 三 8 采樣控制電路原理圖 （四）、 由瞬時值跟蹤有效值的理論依據(jù) 第 3 章 三相永磁電機(jī)輸入電壓和輸入電流有效值的測量方法 20 在本系統(tǒng)中，我們先通過快速的 A/D 轉(zhuǎn)換器 得到一連串 交流電壓和電流的瞬時值，這些離散的模擬信號 傳給單片機(jī)就可以按照以下的公式運(yùn)算得出離散信號的有效值。 STS 作為 A/D 轉(zhuǎn)換的狀態(tài)標(biāo)識，接入單片機(jī)的 引腳，以中斷的方式管理 A/D 轉(zhuǎn)換在更加方便的同時極大地節(jié)約了 CPU 的資源。 此部分電路的所有芯片均由變壓供電電路提供電源，由于 CD4051 芯片的正負(fù)電源電壓差值應(yīng)小于 20V，故采用串聯(lián)穩(wěn)壓管的方法為該芯片提供約 的穩(wěn)定電源電壓差值 ，這樣 CD4051 就可以接受 區(qū)間 [－ ， ]內(nèi)的電壓輸入 。 5V、177。 10V 之內(nèi)；同時 A/D 供電需要177。以下以額定電壓為 220V，額定電流為 10A 的 永磁同步 電動機(jī)為例做一介紹。下圖簡明地標(biāo)示出了 引腳功能： 圖 三 6 CHANNELS IN/OUT 0~7 為模擬量輸入通道，哪一路有效由 A、 B、 C 三個控制端決定， INH 為總控器，當(dāng) INH=1 時，不選擇任何一個通道， 芯片失效； 只有當(dāng) INH=0 時 ，才能啟動 A、 B、 C 的選擇。 由數(shù)據(jù)手冊得知，輸出電壓 U（單位“ V”）與輸入電流 I（單位“ A”）之間存在如下線性關(guān)系： 輸入電流為 20A 時，輸出電壓 ；輸入電流－ 20A 時，輸出電壓 ；無電流輸入時，輸出電壓為 。該芯片的主要特性可概括如下： ? 模擬信號傳輸路徑低噪聲； ? 通過外接電容可設(shè)置帶寬； ? 響應(yīng)輸入電流的輸出電壓的建立時間為 5us； ? 25176。典型的應(yīng)用場合包括汽車控制、負(fù)載檢測管理、供電管理和過電流保護(hù)等。 圖 三 2 數(shù)據(jù)讀取操作時序 4. AD574A 外圍電路 下圖描述了 AD574A 進(jìn)行 12 位雙極性轉(zhuǎn)換時的外圍電路接法。進(jìn)行 8 位轉(zhuǎn)換時，轉(zhuǎn)換時間 tC 最短 10us，最長 24us；進(jìn)行 12 位轉(zhuǎn)換時， tC 最短為 15us，最長為 35us。 結(jié)束后 STS 恢復(fù)為低電平。當(dāng) 、 CE 引腳均有效且 為低電平（轉(zhuǎn)換）時，若 A0=0，初始化 12 位的轉(zhuǎn)換，若 A0=1，初始化 8 位的轉(zhuǎn)換；當(dāng) 、 CE 引腳均有效且 為高電平（讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果）時，若 =1，啟動 12 位轉(zhuǎn)換結(jié)果的并行輸出；若 =0，A0=0，輸出一個字節(jié)作為 12位轉(zhuǎn)換結(jié)果的高八位或 8位轉(zhuǎn)換結(jié)果；若 =0， A0=1，輸出第二個字節(jié)， 12 位轉(zhuǎn)換結(jié)果的低四位補(bǔ)零 ； Pin5. ， 高電平為讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，低電平為轉(zhuǎn)換指令； Pin6. CE， 芯片使能信號，高電平有效； Pin7. VCC， 電源正電壓輸入，可選擇輸入 +12V 或 +15V，前者可識別的范圍為 — ，后者可識別的范圍為 — ； Pin8. REF OUT， 10V 參考電壓輸出引腳，接 10V 參考電壓的低電勢； Pin9. AC， 模擬地； Pin10. REF IN， 10V 參考電壓輸入引腳，接 10V 參考電壓的高電勢； Pin11. VEE， 電源負(fù)電壓輸入，可選擇輸入 12V 或 15V，前者可識別的范圍為 — ，后者可識別的范圍為 — ； Pin12. BIP OFF， 補(bǔ)償調(diào)整端，調(diào)整 ADC 輸出的零點(diǎn)； 第 3 章 三相永磁電機(jī)輸入電壓和輸入電流有效值的測量方法 12 Pin13. 10VIN， 此引腳和 AC 組合用于量程為 0— 10V 或 5V— 5V 的電壓輸入； Pin14. 20VIN， 此引腳和 AC 組合 用于量程為 0— 20V 或 10V— 10V 的電壓輸入； Pin15. DC， 數(shù)字地； Pin16— Pin27. DB0— DB11， 分為三個半字節(jié)，三態(tài)并行緩沖輸出口，用于轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出； Pin28. STS， 狀態(tài)輸出線，轉(zhuǎn)換周期開始變高，結(jié)束后變低。 )或177。 （一）、 瞬時值 測量方法的引出 由于三相永磁同步電動機(jī)的用途和功能不同，其額定輸入電壓也不同，以電子電路測量相對較大的電壓 和電流 信號時，存在以下幾個問題： (1). 驅(qū)動電動機(jī)的來自電網(wǎng)的電壓 和電流 通常較大，不可能直接輸入電子電路； (2). 交流電壓信號正負(fù) 交變，通常 AD 轉(zhuǎn)換器不能處理為負(fù)值的信號； (3). 電壓信號和電流信號被采樣 需要依次進(jìn)行 ； (4). 電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號元件的選擇； (5). 最終的測量精度直接受 AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度和單片機(jī)的處理速度的影響和限制； 針對以上問題， 應(yīng)先把 較大的電壓信號 作 降壓處理 ，使得輸入低壓 電路的信號位于合理范圍內(nèi)；電流信號不能直接被測量，可使用霍爾電流傳感器把電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號； 為使 AD 轉(zhuǎn)換器輪流采樣電壓信號和電流信號，可使用模擬開關(guān)選擇輸入信號 ；另外 在合理的成本考慮內(nèi)應(yīng)盡可能地選擇速度較高的 AD 轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)。 CPU 正是通過對這幾部分的控制與管理，使得單片機(jī)完成指定的任務(wù)。設(shè)置暫存器的目的是暫 時存放某些中間過程所產(chǎn)生的信息，以避免破壞通用寄存器的內(nèi)容。 2. 運(yùn)算器 運(yùn)算器是用來對數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯操作的執(zhí)行部件，包括算術(shù)／邏輯部 件 ALU、 累 加器 ACC、暫存寄存器、程序狀態(tài)字寄存器 PSW（ Program Status Word）、 BCD 碼運(yùn)算調(diào)整電路 和 通用 寄存器 等。 （ 3） 時序部件 時序部件由時鐘電路和脈沖分配器組成，用于產(chǎn)生操作控制所需的時序信號。 如果 要求不按順序執(zhí)行指令， 可 執(zhí)行一條 調(diào)用指令或 跳轉(zhuǎn) 指 令 ，將要 執(zhí)行的指令地址送入PC，取代原有的指令地址。它具有自動加 1 的功能， PC 在 加至該指令字節(jié)個數(shù) 后，才指向下一條將要執(zhí)行的指令地址。通常 ，它由指令寄存器 、 指令譯碼器 、 程序計數(shù)器 和等組成。 1. 控制器 控制器是用來指揮和控制 CPU 的部件。收／發(fā)數(shù)據(jù) 都是對同一地址 99H 進(jìn)行的。 （六）、 串行口 AT89S51 單片機(jī)內(nèi)部有一個可編程的、全雙工的串行 口。 它們的 最大計數(shù)值 均 為 2161=65535。兩個定時器中斷請求是當(dāng)定時器溢出時，由硬件分別 向 CPU 發(fā)出的，CPU 響應(yīng)中斷后，由硬件自動清除 標(biāo)志位 TF0 或 TF1。 XTAL1： 片內(nèi)振蕩器反相放大器和時鐘發(fā)生器的輸入端。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次 有效。當(dāng) 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器 有效 ，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。只有讀 引腳 時才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線 。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL） 。 當(dāng) P2 口被寫 1 時， 管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。 P1 口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P0 口： P0 口 是 一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8 位 TTL 門電流。 并行 I/O 口（ PORT 0PORT 3） ： AT89S51 單片機(jī)共有 4 個 8 位的并行 I/O第 2 章 AT89S51 單片機(jī)構(gòu)造及其控制原理簡介 6 口，每個口都由 1 個驅(qū)動器和 1 個鎖存器組成，并行 I/O 口主要用于實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備中數(shù)據(jù)的 并行輸入 /輸出。 只讀存儲器（ ROM） ： ROM 用于存儲程序和固定的常數(shù)， 掉電后 存儲的數(shù)據(jù)不消失。 第 2 章 AT89S51 單片機(jī)構(gòu)造及其控制原理簡介 5 圖 二 1 中央處理器（ CPU） ： 中央處理器是單片機(jī)的核心部分， 是 MCU 的大腦和心臟， 主要任務(wù)是 完成操作和控制功能。其主要性 能特點(diǎn)如下： （ 1） 擁有 4k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲器； （ 2） 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）； （ 3） 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口； （ 4） 5 個中斷優(yōu)先級、 2 層中斷嵌套中斷； （ 5） 6 個中斷源； （ 6） 2 個 16 位可編程定時器 /計數(shù)器； （ 7） 2 個全雙工串行通信口； （ 8） 看門狗（ WDT）電路； （ 9） 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路； （ 10） 與 MCS51 兼容； （ 11） 全靜態(tài)工作 時鐘頻率 ： 0Hz33MHz； （ 12） 三級程序存儲器保密鎖定； （ 13） 可編程串行通道；