【正文】 KEYWORDS】 SingleChip。本文主要介紹了一種基于 C8051F020 單片機(jī)的電力運(yùn)行參數(shù)測量裝置，該裝置采用單片機(jī)作為測控核心，能夠自動完成電力供電線路的參數(shù)測定、運(yùn)算和顯示。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 作者簽名： 日 期： 寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） III 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下 獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） I 編號 ： 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 題目：（中文） 電力運(yùn)行參數(shù)測量裝置設(shè)計 （英文） The Design of Power Parameters Measuring Device 畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明 和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 摘 要 【 摘要 】 當(dāng)今，電能作為一種最重要的能源與我們的工作、生活有著密切的聯(lián)系，因此如何來計量它就具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本系統(tǒng)采用按鍵選擇、數(shù)碼管顯示，測量精度高，反應(yīng)速度快，界面清晰直觀。 Software Synchronization Algorithm。目前，我國主要使用的電能表有兩種：一種是感應(yīng)式機(jī)械電能表：另一種是隨著電子工業(yè)的發(fā)展而出現(xiàn)的電子式電能表，它是利用電流和電壓作用于固態(tài)電子器件產(chǎn)生電能輸出量的電能計量儀表。具有制造簡便、可靠性好和價格便宜等特點(diǎn)，經(jīng)過近一百年的不斷改進(jìn)與完善，感應(yīng)式電能表的制作技術(shù)已經(jīng)成熟。儀表的原理和結(jié)構(gòu)不同，所產(chǎn)生的誤差也不相同。因而，使用乘法器是實(shí)現(xiàn)測量電功率和電能的電子電路式測量方案的共同特點(diǎn)。其中，數(shù)字乘法器型是以微處理器為核心，經(jīng) PT、 CT 變換的被測電壓和電 流由 A/D 轉(zhuǎn)換器完成數(shù)字化處理之后，微處理器對數(shù)字化的被測對象進(jìn)行各種判斷、處理和運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)多種功能。微機(jī)化令電子式電能表功能 的增添變得容易，尤其是近幾年多種單、三相電能計量專用集成電路的成功開發(fā)使過去由分立式電子元器件搭接而成的電能表電路改制成專門的集成電路芯片，如常用的 CS5460A 和 ADE7753 等，結(jié)果在不減少功能的前提下，使電能表的體積大大減小，功耗和單位功能的成本降低、成品率提高，并可簡化電能表的電路設(shè)計，降低其工藝調(diào)整難度，從而能改進(jìn)整個電能表電路系統(tǒng)的性能，而更重要的是使電子式電能表可靠性明顯提高 [2]。一些先進(jìn)的多功能電力參數(shù)測試儀增加了固定漢字顯示、紅外線抄表接口、智能接口等功能，還可以同時計量有功電能、無功電能，記錄失壓，監(jiān)測負(fù)荷等，做到一表多用。 4) 可視化人機(jī)接口 使用高效發(fā)光二極管和低功耗液晶顯示器已成為電力參數(shù)測試儀的發(fā)展趨勢。電作為這么重要的能源，如何來計量它就具有了重 要的意義。隨著微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步， C8051F020 單片機(jī)技術(shù)體現(xiàn)了單片機(jī)集多種器件 (包括看門狗 ， FLASH 程序存儲器 ， 同 、 異步串行口 ， A/D 轉(zhuǎn)換器 ， 定時器，計數(shù)器等 )和多種功能 (增強(qiáng)可靠性的復(fù) 位系統(tǒng)、降低功耗抗干擾的 休眠模式、品種多門類全的中斷系統(tǒng)、具輸入捕獲和比較匹配輸出等多樣化功能的定時器、計數(shù)器 )于一身，從“片自為戰(zhàn)” 向片上系統(tǒng)過渡的發(fā)展方向 。 但由于存在柵欄效應(yīng)和頻譜泄漏，采樣前常需要采取同步措施校準(zhǔn)。同步采樣法的實(shí)現(xiàn)方法有兩種：硬件同步采樣法和軟件同步采樣法。 fo 經(jīng) N 分頻后與 fi 相比較，根據(jù)鎖相環(huán)工作原理，鎖定時 ifNf ?/0 ，即 iNff ?0 。它不要求采樣周期與信號周期嚴(yán)格同步，不要求同步環(huán)節(jié)，對第一次采樣的起點(diǎn)無任何要求。用軟件實(shí)現(xiàn)可以省掉硬件同步環(huán)節(jié)，簡化裝置結(jié)構(gòu)，降低成本 ，所以本系統(tǒng)采 樣軟件同步采樣方法 。這時第 i 次采樣點(diǎn)的采樣時刻 NTiti /?? (23) 然而同步總是相對的，絕對同步只是理想的情況。 軟件同步采樣時間誤差的產(chǎn)生與軟件同步的實(shí)現(xiàn)方法密切相關(guān)。這時同步采樣時間誤差： NTiNTiTi S //i ???????? (25) 可見在存在周期誤差時，同步采樣時問誤差 i? 值 隨 i 增大而增大。一般來說，應(yīng)保證定時中斷采樣時對其它中斷源的中斷不予響應(yīng)。可通過一種軟件同步實(shí)現(xiàn)方法減小誤差，它通過在采樣過程中修改定時器的計數(shù)值，動態(tài)確定采樣周期來減小周期誤差。在采樣過程中，偏差隨 i 值增大而不斷增大，使采樣點(diǎn)偏離同步采樣點(diǎn)的程度不斷加劇。第 i 次采樣時， SUM 的值為第 i1 次采樣時的 SUM 值與 L 的和。 采用這種方法，可能會使某些次采樣時的 |Δ ti|值 增大一個 0T ， 但由于一般很小，由相對周期誤差引 起的測量誤差亦很小 [9][10]。隨著人們對測量精度、性能的要求越來越高，在目前應(yīng)用于電力系統(tǒng)的各種測量控制儀表中，交流采樣就越來越受人們的青睞。在應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇最適宜的交流采樣算法 [11][12]。 只要采樣頻率足夠高，用梯形法近似積分的誤差可以做到很小。 數(shù)值積分算法 在非正弦波情況下，相電壓、相電流的有效值定義為： ?? Trms dtuTU 0 21 (210) ?? Trms dtiTI 0 21 (211) 在對電流電壓采樣時，每個周期采樣 N 點(diǎn)，采樣間隔為Δ T，得到離散化采樣序列 { ku }、 {ki }，則有： ??? ??1021 Nk kkrm s TuTU (212) ??? ??1021 Nk kkrms TiTI (213) 若采樣間隔Δ Tk 恒定為Δ T，則 N=T/Δ T。 離散傅立葉法 傅立葉算法的基本思路來自傅立葉級數(shù)。由于非正弦周期函數(shù)的有效值等于信號中各次諧波的有效值 的平 方和的平方根，因此電壓、電流的有效值分別為： ???? 0 2k krms UU ???? 02k krms II (231) 同理，對于有功功率，若將 ? ? ? ??? T dttituTP 01，若將 ??tu 、 ??ti 分別用傅立葉級數(shù)表示再展開，并考慮正弦函數(shù)的正交性，可得： ? ???????? 1 000 c o sK k KkKK PIUIUP ? (232) 離散傅立葉算法可以計算出各次諧波的參數(shù)值，總的電參數(shù)由各諧 波分量求出。積 分和法對信號每周波采樣幾百點(diǎn)是很容易實(shí)現(xiàn)的，傅立葉算法較難達(dá)到 [3]。 電力運(yùn)行參數(shù)測量裝置設(shè)計 方案 選擇 ：方案 三 采用了 C8051F020 單片機(jī)作為核心的控制部件，因?yàn)樗?豐富的 I/O 線 ，可作輸入輸出使用 ， 提供了 多達(dá) 5 個定時器、計數(shù)器 和 豐富的 中斷 系統(tǒng)及高達(dá) 100 ksps 的 8 路 A/D 轉(zhuǎn)換；這在 設(shè)計 系統(tǒng)時 為我們提供了 極大的方便 ，用它實(shí)現(xiàn)的好處在于 ，外圍電路 較為 簡單，另外在 ADC 的編程方面又提供 了 極其 便利的編程環(huán)境 。最大值法適宜輸入信號為純正弦周期信號情況， 多次采集求平均可減小誤差 ， 但考慮內(nèi)部 A/D 采集間隔會在很大程度上影響對峰峰值的檢測 ，會使測量不準(zhǔn)。采用積分法微機(jī)計算量較小，裝置實(shí)時性好，適合以單片機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計。如圖所示通過運(yùn)放跟隨 、 全波整流，放大后送入 A/D 轉(zhuǎn)換，單片機(jī)計算得到有效值。該方法的優(yōu)點(diǎn)是不會對回路產(chǎn)生相位測量誤差 ， 并且操作方便；缺點(diǎn)是會對副邊電流產(chǎn)生影響 ，但在經(jīng)過計算比較后發(fā)現(xiàn)影響不大。 方案二： 可編程計數(shù)器 T0 來實(shí)現(xiàn)頻率的測量 方案 將被測信號轉(zhuǎn)換為方波信號輸入 INT0 端 口，作為計數(shù)器的門控信號，在脈沖下降沿中斷，單片機(jī)定時器開始計數(shù)，下一次中斷時停止計數(shù)。 由于工頻電網(wǎng)頻率較低約為 50HZ，故采用測周期取倒數(shù)的方法得到頻率。而方案二需同時使用定時器、計數(shù)器 T0 和外部中斷 0，使用資源較多而增加編程難度，使用方案三，只需使用定時器、計 數(shù)器 T2，編程簡單、資源占用少，所以選擇方案三測量頻率。因此，問題的關(guān)鍵是求時間差Δ t?？梢?，若將檢測到的電網(wǎng)電壓、電流經(jīng)波形變換為方波信號后，利用單片機(jī)測控系統(tǒng)檢測兩方波前沿的時間差值 Δ t，即得相位差為? ? ? ? ttTt ???????? 183 6 020/3 6 0/? ， Δ t 的單位為 ms，從而可得電網(wǎng)功率因數(shù)。中斷觸發(fā)方式為脈沖下降沿觸發(fā)方式，且外部中斷 0 優(yōu)先級高于外部中斷 1。電流 I 支路與單片機(jī)的 INT1 腳相連，計數(shù)器 T1 在 INT1為高電平時，也進(jìn)行計數(shù)，但在 INT0 中斷時就停止計數(shù)，讀出相應(yīng)的計數(shù)值 N2， N2N1 即為時間Δ t。 電能計算 原理 對于一個負(fù)荷，在時段 ? ?21,tt 內(nèi)消耗的電能 W 可以表示為瞬時功率在該時段上的積分： ? ?? ??? 21tt dttituW (233) 對上式離散化可得： ??? ??10Nk kkk TiuW (234) 其中， NttTk 12 ???，則式 (227)可改為 ? ?????? 1012 Nk kkiuNttW (235) 其中， P 為有功功率，則上式即為所求的有功電能， ? ?12 tt ? 為計算的時間差，為在各個時間點(diǎn)必須計算準(zhǔn)確，故本設(shè)計采用每秒計算保存一次的方法，即 ? ? stt 112 ?? ，因有功功率的單位為 kW，l 度電能定義為 1kw系統(tǒng)整體的方框圖如圖 31 所示： 變壓器 電壓采樣 電流采樣 單 片 機(jī) 相位差 過零檢測 過零檢測 按鍵 顯示 接入 模擬負(fù)載 圖 31 系統(tǒng)框圖 硬件設(shè)計具體包括單片機(jī)最小系統(tǒng)部分（鍵盤、顯示）、信號采集部分、數(shù)模轉(zhuǎn)換部分。雖然它們在硬件結(jié)構(gòu)上相似，但在功耗、抗干擾 、內(nèi)部模擬和數(shù)字資源 等 方面后者都占較大優(yōu)勢 。其硬件裝置的作用是對電壓信號、電流信號采樣，把它們轉(zhuǎn)換成適合微機(jī) 處理 的信號，在設(shè)計具體電路時要考慮便于與單片機(jī)連接 ， 故 本系統(tǒng)采用 C8051F020 單片機(jī)構(gòu)成 了一個帶數(shù)碼管顯示與鍵盤的單片機(jī)最小系統(tǒng)。為此，一些半導(dǎo)體公司開始對傳統(tǒng) 8051 內(nèi)核進(jìn)行大的構(gòu)造，主要是提高速度和增加片內(nèi)模擬和數(shù)字外設(shè)，以期大幅度提高單片機(jī)的整體性能。但是不能將 8051 的程序完全照搬的應(yīng)用于 C8051F 單片機(jī)中，這是因?yàn)閮烧叩膬?nèi)部資源存在較大的差異，必須經(jīng)過加工才能予以使用。所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能 /禁止和配置。在使用 JTAG 調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。獨(dú)立式按鍵接口設(shè)計優(yōu)點(diǎn)是電路配置靈活，軟件實(shí)現(xiàn)簡單 ，但效率不高 。顯示的數(shù)據(jù)已經(jīng)通過測量電路測量和轉(zhuǎn)換以及通過相應(yīng)的計算處理，存儲在指定的 RAM 中，當(dāng)主程序執(zhí)行到顯示模塊時， 執(zhí)行 對應(yīng)的顯示子程序 。 ZLG7289B 采用 SPI 串行總線與微控制器接口，僅占用少數(shù)幾根 I/O 口線。原理圖如圖 35 所示： 寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 圖 35 電壓電流采樣 電路 圖 電壓、電流 全波整流電路 由于 A/D 轉(zhuǎn)換器不能識別正負(fù)交替的交流 信號， 需用整流電路來處理。 所以，本設(shè)計中將從變壓器副邊采樣得來的電壓 信號通過放大轉(zhuǎn)換、全波整流后送入單片機(jī)的 A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量 [9]。這樣 TTL 信號由 LM339 輸出端輸出 ，由于 C8051F020 工作電壓為，所以 LM339 的正電源接 。 本系統(tǒng)使用的是 C8051F020 的 定時器、計數(shù)器 T2，檢測電壓周期 T， 進(jìn)而得出電源頻率 Tf /1? ；外部中斷入 口 INT0 和 INT1 檢測電壓、電流相位差。 AMUX0、 PGA0、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式及窗口檢測器都可用軟件通過特殊功能寄存器來控制， ADC0 所使用的電壓基準(zhǔn) 可以外接或 使用內(nèi)部基準(zhǔn)。 而實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)頻率稍高于 fc 時仍有小部分信號分量存在，在 fs=2fc 時，經(jīng)過取樣所產(chǎn)生的副瓣頻譜將有一小部分和有用信號頻帶重疊