【正文】 .................................................................................... 26 采樣同步以及采樣時(shí)間分配 .......................................................................................... 27 軟件抗干擾設(shè)計(jì) .............................................................................................................. 27 5 系統(tǒng)的調(diào)試及誤差分析 ............................................................................................. 28 第 6 頁(yè) 共 40 頁(yè) 系統(tǒng) 仿真 .......................................................................................................................... 28 硬件調(diào)試 .......................................................................................................................... 29 軟件調(diào)試 .......................................................................................................................... 30 調(diào)試結(jié)果 .......................................................................................................................... 30 誤差分析 .......................................................................................................................... 31 6 結(jié)論 .................................................................................................................................. 32 謝 辭 .................................................................................................................................... 33 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................... 34 附 錄 ...................................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。所以用 單片芯片完成三相電源有功功率、電壓有效值、電流有效值 ， 及信號(hào)頻率的測(cè)量 已經(jīng)成為了學(xué)者們研究的熱點(diǎn) 。作為電力管理系統(tǒng)組成部分 —— 電力監(jiān)控儀表也起著越 來越重要的作用，針對(duì)不同領(lǐng)域的電力系統(tǒng)，研制一種 精密 的電力監(jiān)測(cè)裝置就具有非常重大的意義，它不但要能對(duì)如電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能和頻率等重要的電力參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，也需要具有完備的通信功能。營(yíng)業(yè)計(jì)費(fèi)的準(zhǔn)確性和公正性 ， 事關(guān)電力工業(yè)的發(fā)展、國(guó)家與電力用戶的合法利益。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活水平的提高，對(duì)電力能源需求也不斷增長(zhǎng)，用電量迅猛增加，致使變電站數(shù)量增加、電壓 等級(jí)提高、供電范圍擴(kuò)大及輸配電容量增大，采用傳統(tǒng)的變電站一次及二次設(shè)備已越來越難以滿足變電站安全及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、少人值班甚至無人值班的要求。 因此電力部門需要及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握用電情況，做好調(diào)度和規(guī)劃。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 在過去的一個(gè)世紀(jì)里，源于科研、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)甚至戰(zhàn)爭(zhēng)的需求，電測(cè)量理論以及儀表技術(shù)不斷發(fā)展，電力儀表和普通儀表一樣，發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段 : 第一代是指針式儀表，如模擬萬用表、電壓表、電流表，這些儀表的基本結(jié)構(gòu)是電磁式、電動(dòng)式、感應(yīng)式、靜電式等，它的原理簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、容易生產(chǎn)、成本低，但由于這類儀表本身機(jī)械結(jié)構(gòu)和電磁結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性和復(fù)雜性，一般精度較低，穩(wěn)定性較差，應(yīng)用場(chǎng)合有一定的局限性。 第三代是智能儀器。 電子技術(shù)和計(jì)算 機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展是電力儀表迅速進(jìn)步、 日 益成熟的主要技術(shù)支撐。這種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品雖然能比較好的完成控制功能，但處理復(fù)雜數(shù)據(jù)的能力比較差，耗時(shí)過多 。 隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，測(cè)量電路的集成化、模塊化成為未來發(fā)展的趨勢(shì)，各大型的器件公司也紛紛推出自己計(jì)量芯片，這種集成芯片不僅精確度高，而且硬件軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高。單片機(jī)不善于數(shù)據(jù)計(jì)算，而現(xiàn)在的計(jì)量芯片有硬件乘法器、開平方器和各種計(jì)量算法如 FFT 等，剛好彌補(bǔ)了這一不足，減少了單片機(jī)系統(tǒng)需要完成的任務(wù)。比如功率表的角誤差、乘法器的瞬時(shí)功率信號(hào)頻譜、關(guān)于無功功率 (電能 )的處理方法以及電源周波電能累計(jì)模式應(yīng)用于校正等都充分說明了這一點(diǎn)，通過研究正確的校準(zhǔn)方法，可以最大限度發(fā)揮計(jì)量芯片的功能，以較低的投資實(shí)現(xiàn)從前需要很多昂貴器件才能完成的功能，使系統(tǒng)具有硬件電路簡(jiǎn)單、可靠性好、測(cè)量參數(shù)眾多、參數(shù)精度高等重要特點(diǎn)。 （ 2） 主要技術(shù)參數(shù) ： ADE7754 電能測(cè)量芯片 、 ARM/51 微處理器 、測(cè)量運(yùn)算精度 5%； （ 3） 用 Proteus 進(jìn)行軟硬件系統(tǒng)的仿真 。進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)的選型工作。 （ 3） 軟、硬件的聯(lián)合調(diào)試 第 5 頁(yè) 共 40 頁(yè) 在完成對(duì)硬件電路和軟件的獨(dú)立調(diào)試后， 用 PROTUES 對(duì)顯示模塊進(jìn)行的仿真，然后再 進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。采樣用直流采樣算法測(cè)量電壓、電流時(shí)，均是通過測(cè)量平均值來測(cè)量電量有效值的。再用帶有誤差的電壓、電流有效值以及它們的相位角計(jì)算功率，結(jié)果也必將有較大誤差。故在芯片的選型中考慮芯片的功能而在實(shí)際的應(yīng)用電路中以采集單相的交流電為準(zhǔn)。i（ k） —— 第 k個(gè)電流采樣瞬時(shí)值 。對(duì)周期信號(hào)而言，每一次正向 (或負(fù)向 )過零即代表了一個(gè)新的周期。目前一般都用晶振來獲得參考時(shí)基或頻率。I—— 電流有效值 。功率因數(shù)的計(jì)算公式為 cosΨ =P/S （ 212） 其中，勢(shì)為無源負(fù)載的阻抗角，也就是負(fù)載里電壓、電流的相位差。 測(cè)量芯片的選型 目前市場(chǎng)上主要的三相計(jì)量芯片有 ADE7754， ATT7026A 及 PL3223， 三 者都用于三相多功能電能計(jì)量，均適用于三相三線制和三相四線制具有 50Hz 或 60Hz 標(biāo)準(zhǔn)頻率的電網(wǎng)。 （ 3） ADE7754 具有 高精度，在 1000:1 動(dòng)態(tài)能量檢測(cè)范圍內(nèi)誤差小于 %；提供動(dòng)態(tài)能量、視在能量、電壓均方根值、電流均方根值、以及采樣波形數(shù)據(jù)；功率、相位與輸入失調(diào)數(shù)字化校準(zhǔn)；片內(nèi)設(shè)有溫度傳 感器（經(jīng)校正后偏差為177。而且由于系統(tǒng)需考慮功耗，低電壓供電的單片機(jī)除了能減小單片機(jī)本身功耗外，還可使外部邏輯 電路功耗降低，這對(duì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗有著重要的作用。 顯示模塊的選型 通常所用的顯示模塊有數(shù)碼管， LCD1602 以及 LCD12864。 由于本系統(tǒng)在實(shí)際情況中只能測(cè)量到單相的電量數(shù)據(jù)，故采用 LCD1602 一行顯示字符串，一行采集到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行循環(huán)顯示所采集的電壓，電流，功率，電能等值?，F(xiàn)將主要部分 簡(jiǎn)要說明如下，詳細(xì)說明見本章的相應(yīng)小節(jié)。 電參數(shù)處理部分的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心部分，它是電參數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵，是電能計(jì)量功能的體現(xiàn)，它包括前端采樣部分完成原始參數(shù)的精確采樣及初步的整流濾波處理，以及電參數(shù)計(jì)量部分對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和運(yùn)算來獲得更多有用數(shù) 據(jù)，直接得到各相電壓、電流有效值及有功、無功、視在電能值 。本測(cè)量模塊在實(shí)際場(chǎng)合中可應(yīng)用于單相電壓電流使用， Ua、 Un 通過一個(gè) 220V/12V 的變壓器 連至負(fù)載 ，以保證測(cè)量的安全性 。 圖 33 電壓前段采樣電路 圖 34 電流前端采樣電路 為滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的需求，功率因數(shù) (PF)等于 1 時(shí)以及功率因數(shù)較低時(shí)的精度要求，設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)應(yīng)該遠(yuǎn)高于基本技術(shù)指標(biāo)。對(duì)于有效值測(cè)量和功率測(cè)量 , 能夠逐相進(jìn)行校準(zhǔn) ,并且輸出實(shí)時(shí)有功脈沖 ,在全量程測(cè)量范圍內(nèi)有功測(cè)量的誤差可以保持在 1%以內(nèi)。，177。所有輸入引腳具有內(nèi)置靜電放電 (ESD)保護(hù)電路。片上基準(zhǔn)電壓額定標(biāo)稱值為 177。 第 13 頁(yè) 共 40 頁(yè) （ 3） VN， VCP， CBP， VAP：電壓通道的模擬輸入?？梢酝ㄟ^內(nèi)部寄存器 PGA 選擇輸入信號(hào)的最大值為177。所有的輸入引腳均能承受177?？善帘蔚闹袛喟ǎ河泄﹄娔芗拇嫫骱鸵曉陔娔芗拇嫫靼霛M和速率達(dá)到 26kSPS 的波形采樣。在串行口的時(shí)鐘信號(hào) SCLK 的下降沿從該引腳輸入數(shù)據(jù)。 （ 8） DOUT：串行口的數(shù)據(jù)輸出端。 （ 1） OPMODE( 0Ah) : 在芯片復(fù)位后 , 它的缺省值為 4h。 （ 3） MASK( 0Fh) : ADE7754 提供 15 種中斷 , 每種中斷是否被屏蔽就是由該寄存器對(duì)應(yīng)的位是否為 1 來決 定 ,本系統(tǒng)利用了它的 LENERGY、 SAGA、 SAGB、 SAGC 的中斷類型 , 需要在程序中根據(jù)需要設(shè)定相應(yīng)的值。 （ 5） MMODE( 0Bh) : 用來選擇累加 過零次數(shù)的相電壓 ,同時(shí)也選擇對(duì)某一相或某幾相進(jìn)行周期測(cè)量、 缺相檢測(cè)、 過零檢測(cè)等等。 （ 1）電流的測(cè)量。每相的電流通道在信號(hào)通路中都有一個(gè)乘法器，電流波形可以改變士 50%，這主要是由寫入 12 位有符號(hào)電流波形增益寄存器 (AIGA 則， BIGA取， CIGA 取 )中的 2 進(jìn)制數(shù)決定的。 （ 2）電壓的測(cè)量。 （ 3）周期的測(cè)量。因此，通常的求功率方式是采用記脈沖的方法，由單片機(jī)處理 ADE7754 的脈沖輸出引腳如 CF 的值進(jìn)行計(jì)算，但是所有電子式計(jì)量芯片在進(jìn)行停電實(shí)驗(yàn)時(shí)都會(huì)發(fā)生丟失 n 個(gè)脈沖的情況，這是采用電子技術(shù)不可避免的原理性缺陷，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來說，丟脈沖的現(xiàn)象長(zhǎng)期積累會(huì)造成可觀的電能浪費(fèi)，這對(duì)于追求成本控制的用戶來說是不可忍受的。軟件測(cè)量的一種方法是主控單片機(jī)定時(shí)在 t1 和 t2讀取 ADE7754的能量寄存器，將兩次能量值相減再除以時(shí)間差，如公式 (31)。 第 16 頁(yè) 共 40 頁(yè) 因此在本設(shè)計(jì)中采用了另一種方法， ADE7754 提供了兩個(gè)周期累加電能寄存器 LAENERGY( 3h) 和 LVAENERGY ( 6h) , 在 LINCYC 減到 0 之后就更新寄存器的值 ,如圖38 所示。這兩個(gè)寄存器需要分時(shí)復(fù)用才能夠依次測(cè)得各相的功率 , 因此只要通過控制 WATMODE( 0Dh)和 VAMODE( 0Eh)就可以分別 由公式 （ 32） 準(zhǔn)確得出每一相的有功功率 P和視在功率 S。 圖 39 ADE7754 外圍電路 第 17 頁(yè) 共 40 頁(yè) STC89C52 單片機(jī) STC89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。另外 STC89X52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2種 軟件 可選擇節(jié)電模式。 圖 310 STC89C52 芯片 和 atmel 對(duì) 比 的 STC89C52RC 單片機(jī) : （ 1）