【正文】 腳； ? 接 ZLG7289 芯片的 CLK 管腳； ? 接 ZLG7289 芯片的 DIO 管腳； ? 接 ZLG7289 芯片的 INT 管腳； C8051F020 介紹 80C51 系列單片機(jī)及其衍生產(chǎn)品在我國乃至全世界范圍獲得了非常廣泛的應(yīng)用。 隨著微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步， C8051F 系列 單片機(jī)技術(shù)體現(xiàn)了單片機(jī)集多種器件和多種功能于一身，從“片自為戰(zhàn)”向片上系統(tǒng)過渡的發(fā)展方向。下面將各部分詳細(xì)介紹如下： 單片機(jī)最小系統(tǒng)部分 常用的單片機(jī)有 8 位機(jī)、 16 位機(jī)及 32 位 機(jī)。 h，即 3600kW 以上三種方案的基本原理一樣，都是通過利用單片機(jī)的中斷和計(jì)數(shù)器來求取電壓電流的相位差。單片機(jī)開機(jī)后等待外部中斷INT0 及 INT1， 當(dāng) INT0 中斷響應(yīng)時(shí)，定時(shí)器 、 計(jì)數(shù) 器 T0 開始計(jì)數(shù)，當(dāng) INT1 中斷響應(yīng)后，定時(shí)器 、計(jì)數(shù)器 T0 停止計(jì)數(shù)，此時(shí)， T0 中的值便是與相位差相對應(yīng)的計(jì)數(shù)值。 其對應(yīng)的過 程如圖 25 所示 ， 實(shí)際測量 Δ t 時(shí)，主要利用了單片機(jī)的計(jì)數(shù)和中斷功能。 為此，把兩個(gè)正弦交流信號通過零檢測器轉(zhuǎn)換為相同頻率的方波，取其正半周，其波形如圖24 所示 。 功率因數(shù)測量 原理 要檢測供電系統(tǒng)中的功率因數(shù) ?osC ， 只須測量兩個(gè)同頻率正弦信號的相 位 差 [15]。直接采用單片機(jī)計(jì)數(shù)的辦法可能得到的誤差為 1/50=2%，誤差較大 。換算得到信號的周期時(shí)間 T， F=1/T 得到頻率。 圖 23 電阻分壓 采樣原理圖 由于給定的 28V 交流電壓是經(jīng)過互感得到的， 可以不 再 考慮電網(wǎng)隔離問題，而且電壓互感存在產(chǎn)生不確定的相移，雖然可以 用 程序修正，但帶來不必要的麻煩。該方法的優(yōu)點(diǎn)是對負(fù)載的電壓、電流大小影響小。 故結(jié)合實(shí)際，在借鑒現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)利用 C8051F020 單片機(jī) 方案， 并采用工程上常用的數(shù)值積分算法， 軟件同步采樣 將連續(xù)函數(shù)離散化來計(jì)算信號的有效值， 并使用 偏差累積增量法改進(jìn)軟件同步算法， 進(jìn)而 計(jì)算 系統(tǒng)電壓、電流 有效值 等 [4] [13]。 傅里葉變換法是將離散的采樣值經(jīng)過離散傅里葉變換 (DFT)轉(zhuǎn)換到頻域，求出基波和諧波分量，再求有效值及平均功率。 方案 一 采用了 8 位的MCS51 單片機(jī) ， 需要外加兩路 A/D 轉(zhuǎn)換 及真有效值 轉(zhuǎn)換 芯片， 外圍電路比較復(fù)雜 ，且 由于其指令周期長、在高速采樣和實(shí)時(shí)性方面受到一定的限制 。 系統(tǒng)方案 選擇 方案 一：該方案 采 用 MCS51 單片機(jī) ， 通過 真有效值轉(zhuǎn)換 芯片 LTC1966 將電壓、電流有效值轉(zhuǎn)化為直流電壓，并通過單片機(jī)控制 ADC0809 進(jìn)行采樣，測量電壓電流有效值，使用 8279 進(jìn)行鍵盤及數(shù)碼管顯示控制。該算法不需增加硬件濾波裝置，就具有很強(qiáng)的濾波能力，這樣減少了前向通道誤差，降低了系統(tǒng)成本。根據(jù)微積分理論，任何一個(gè)滿足 Dirichlet 條件的函數(shù)都可以展開成傅立葉級數(shù)形式。電流和電壓有效值公式為： ???? 1021 Nk krmsuNU (214) ???? 1021 Nk krmsiNI (215) 其他的電力參數(shù)計(jì)算公式分別如下： 有功功率 ???? 10Nk kkiuP (216) 視在功率 rmsrmsIUS ? (217) 無功功率 22 PSQ ?? (218) 功率因數(shù) SP??cos (219) 積分和法的精度與采樣點(diǎn)數(shù) N 和采樣的同步度有關(guān)。求出積分值 S 后，應(yīng)用式 (27)可以求得 有效值： 22/?SU rms ? (29) 半周期積分法有一定的濾除高頻分量的能力，因?yàn)榀B加在基頻成分上的幅度不大的高頻分量在算法中其對稱的正負(fù)半周互相抵消，剩余的未被抵消的部分所占的比重就相應(yīng)減少了，但是該算法不能抑制直流分量。 最大值法 即通過采集每周波的最大值求有效值： 2mrms UU ? (26) 此方法適宜輸入信號為純正弦周期信號情況， 多次采集求平均 值 可減小誤差 [11]。交流采樣是按照一定的規(guī)律對被測物理量的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，用一定的算法計(jì)算出被測物理量的有效值。 電力參數(shù) 交流采樣 算法 電力參數(shù)的準(zhǔn)確、快速測量對于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化、保證電網(wǎng)安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有十分重要的意義。在每次采樣前考察 SUM 的值，若 SUM1，則這次采樣的定時(shí)器 計(jì)數(shù)值取 H；若 SUM1，則計(jì)數(shù)值取 H+1，并對 SUM 減 1。要減小周期誤差，必須消除偏差 L 的累積效應(yīng)。該方法不須對測量數(shù)學(xué)模型進(jìn)行任何修改 [8]。在這一前提下，經(jīng)過合理安排 ，微機(jī)中斷響應(yīng)的最長時(shí)間和最短時(shí)間的差值通常可限制幾個(gè)微秒內(nèi)，Δ ti 一般 只會(huì)有幾個(gè)微秒。在高精度測量場合 ， i 通常須取得比較大，這時(shí)同步誤差可能達(dá)到一個(gè)比較大的值。目前．軟件同步的一般實(shí)現(xiàn)方 法是：首先測取被硝電信號的周期 T，然后計(jì)算采樣周期并確定定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，用定時(shí)中斷方式實(shí)現(xiàn)同步采樣。在實(shí)際同步采樣系統(tǒng)中，要嚴(yán)格滿足式 (23)是很困難的。然而目前常規(guī)的軟件同步實(shí)現(xiàn)方法中，存在的同步誤差限制了軟件同步采樣系統(tǒng)測量精度的進(jìn)一步提高，使它不能滿足諸如電能計(jì)量、電壓電流高次諧波分析等高精度測量場合的需要。準(zhǔn)同步采樣降低 了對信號頻率、采樣時(shí)間間隔和振蕩器頻率的要求，因此可以用要求低的振蕩器代替同步采樣中要求高的同步環(huán)節(jié)，使測量裝置簡單，簡化電路。由于鎖相環(huán)的實(shí)時(shí)跟蹤性，當(dāng)被測信號頻率 fi變化時(shí)，電路能自動(dòng)快速跟蹤并鎖定，始終滿足 iNff ?0 的關(guān)系，即采樣頻率為被測信號頻率的整數(shù) N 倍，從而實(shí)現(xiàn)一周期內(nèi)等間隔采樣 N 點(diǎn)。軟件同步采樣法一般實(shí)現(xiàn)方法是：首先測出被測信號的周期 T，用該周期除以一周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù) N，得到采樣間隔，進(jìn)而確定定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，利用定時(shí)中斷方式實(shí)現(xiàn)同步采樣。根據(jù)校準(zhǔn)措施不同，交流采樣法可分為同步采樣法和準(zhǔn)同步采樣法 [5]。 本文將詳細(xì)介紹高速微控制器 C8051F020 在電力參數(shù)測量系統(tǒng)中的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn) [4]。 單相交流電之電力運(yùn)行參數(shù)測量裝置擁有電度表（電能表）的功能，可 以顯示當(dāng)前電流、電壓值，測量并顯示功率因數(shù)、有功功率、無功功率、 視在功率 及 系統(tǒng)消耗的電能 。這兩種顯示器可寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 顯示的內(nèi)容更多，逐步取代了傳統(tǒng)的繼電器、步進(jìn)電機(jī)和機(jī)械數(shù)碼輪顯示方式 [3]。 3) 功耗減小 由于采用低功耗元件，以及具有電源管理模塊的芯片，使芯片本身以及整個(gè)系統(tǒng)的功耗大大降低。 電力監(jiān)測裝置的發(fā)展方向 國內(nèi)新型多功能電力參數(shù)測試儀正朝著以下幾個(gè)方面發(fā)展： 1) 體積小型化 早期這類測試儀的體積 比較大，安裝和使用場合受到諸多限制。這種類型的電能表利用位數(shù)較多的 A/D 轉(zhuǎn)換電路或自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換電路，原理上可達(dá)到很高的配置準(zhǔn)確度，且它在一定周期內(nèi)對電壓、電流信號進(jìn)行采樣處理的方法，保證了測量準(zhǔn)確度可不受高次諧波的影響。 近二十年來，大量新型電子元器件的相繼出現(xiàn)，為電子式電能表的更新?lián)Q代奠定了基礎(chǔ)。隨著電力系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大以及對電能合理利用的探索，使感應(yīng)式電能表暴露出準(zhǔn)確度低、使用頻率范圍窄、功能單一等缺點(diǎn) ， 為使電能計(jì)量儀器儀表適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)代化和電能管理現(xiàn)代化飛速發(fā)展的需求，電子式電能表應(yīng)運(yùn)而生。通過雙重絕緣、加強(qiáng)絕緣和采用高質(zhì)量雙寶石軸承甚至磁懸浮 （ 磁推 ） 軸承等技術(shù)手段，其結(jié)構(gòu)和磁路的穩(wěn)定性得以提高，電磁振動(dòng)被削弱，使用壽命大大延長，且過載能力明顯增強(qiáng)。機(jī)械式電能表由于其穩(wěn)定性和精度都不高，隨著電力市場改革的不斷深入，我國在各級電能計(jì)量系統(tǒng)的建立中，大部分已將機(jī)械式電能表更新為電子式電能表 [1]。 Numerical Integration 目 錄 摘 要 ........................................................................................................................................... II Abstract .......................................................................................................................................... V 目 錄 .......................................................................................................................................... VI 1 前言 .........................................................................................................................................1 電力監(jiān)測裝置的現(xiàn)狀 ..................................................................................................1 感應(yīng)式機(jī)械電能表 ...............................................................................................1 電子式電能表 ......................................................................................................1 電力監(jiān)測裝置的發(fā)展方向 ...........................................................................................2 本課題的背景和意義 ..................................................................................................3 本論文的主要工作 ......................................................................................................3 2 方案論證與選擇 .......................................................................................................................4 交流采樣方法選擇 ......................................................................................................4 交流采樣法 .........................................................................................................4 軟件同步采樣及同步誤差分析 .............................................................................5 改進(jìn)的軟件同步實(shí)現(xiàn)方法 ....................................................................................6 電力參數(shù)交流采樣算法 ...............................................................................................7 最大值法 .............................................................................................................7 半周期積分法 ......................................................................................................7 數(shù)值積分算法 ......................................................................................................8 離散傅立葉法 ......................................................................................................