【正文】 改進軟件同步算法， 進而 計算 系統(tǒng)電壓、電流 有效值 等 [4] [13]。 圖 23 電阻分壓 采樣原理圖 由于給定的 28V 交流電壓是經過互感得到的， 可以不 再 考慮電網隔離問題，而且電壓互感存在產生不確定的相移，雖然可以 用 程序修正，但帶來不必要的麻煩。直接采用單片機計數的辦法可能得到的誤差為 1/50=2%，誤差較大 。 為此，把兩個正弦交流信號通過零檢測器轉換為相同頻率的方波，取其正半周，其波形如圖24 所示 。單片機開機后等待外部中斷INT0 及 INT1， 當 INT0 中斷響應時，定時器 、 計數 器 T0 開始計數，當 INT1 中斷響應后，定時器 、計數器 T0 停止計數，此時， T0 中的值便是與相位差相對應的計數值。 h，即 3600kW 隨著微電子技術的不斷進步， C8051F 系列 單片機技術體現了單片機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。其中美國 Cygnal 公司推出的C8051F 系列單片機把 80C51 系列單片機從 MCU 時代推向 SoC 時代，使得以 8051 為內核的單片機上了一個新的臺階。 FLASH 存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數據存儲，并允許現場更新 8051 固件。 矩陣式接口 按鍵優(yōu)點是可提供的按鍵多，但軟件實現復雜 。利用片選信號，多 片 ZLG7289B 還可以并接在一起使用，能夠方便地實現多于 8 位的顯示或多于 64 只按鍵的應用。 電壓、電流正弦波過零比較電路 從變壓器副邊采樣得到的電壓與電流信號，送到過零檢測電路 中。 將電壓 U 支路與單片機的 INT0 腳相連，利用單片機的計數器 T0 在 INT0 高電平時才允許計數，在下降沿時觸發(fā) INT0 中斷，而停止計數，讀出半個周期的計數值 N1。基于上述原因，采樣頻率必須稍大于上述香農采樣定理中理想的最小值，一般可取 fs=(~3)fc。 寧波大學本科畢業(yè)設計（論文） 23 圖 38 12位 ADC0功能框圖 9 通道 12 位高速 ADC， 其采樣速率最高可達 100ksps，根據香農采樣定理：采樣頻率 fs 至少是原信號最高頻率 fc 的 2 倍以上，即 fs2fc 才能準確地恢復原信號。其相位相差計時電路 ， 利用單片機內部定時器計數器來測量。把他們送進單片機，可以通過軟件的計算使信號有漂移時所得的兩種幅值相互補償，提高了測量的精度。此外，還具有多種控制指令，如消隱﹑閃爍﹑左移﹑右移﹑段尋址等。 寧波大學本科畢業(yè)設計（論文） 19 圖 33 C8051F020 原理框圖 鍵盤 顯示 部分 常用的按鍵接口一般分為 “獨立式按鍵接口設計 ”、 “矩陣式接口設計 ” 和 “專用芯片式設計 ”幾種。下面列出了一些主要特性 ： ? 高速、流水線結構 的 8051 兼容的 CIP51 內核（可達 25MIPS） ? 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調試接口（片內） ? 真正 12 位、 100 ksps 的 8 通道 ADC，帶 PGA 和模擬多路開關 ? 真正 8 位 500 ksps 的 ADC，帶 PGA 和 8 通道模擬多路開關 ? 兩個 12 位 DAC，具有可編程數據更新方式 ? 64K 字節(jié)可在系統(tǒng)編程的 FLASH 存儲器 ? 4352（ 4096+256）字節(jié)的片內 RAM ? 可尋址 64K 字節(jié)地址空間的外部數據存儲器接口 ? 硬件實現的 SPI、 SMBus/ I2C 和兩個 UART 串行接口 ? 5 個通用的 16 位定時器 ? 具有 5 個捕捉 /比較模塊的可編程計數器 /定時器陣列 ? 片內看門狗定時器、 VDD 監(jiān)視器和溫度傳感器 具有片內 VDD 監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的 C8051F020 是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。隨著單片機的不斷發(fā)展，市場上出現了很多 高速、高性能的新型單片機，基于標準 8051 內核的單片機正面臨著退出市場的境地。常用的 8 位單片機有很多種 ： 如 Intel 公司的 805 8031 系列 ， ATMEL 公司的 89 系列 及Cygnal 公司推出的 C8051F 系列 。從系統(tǒng)組成可以看出，該電路的負載是接近線性的，利用上述方法可以比較準確的測出電壓和電流的相位差。方波的上升沿和下降沿分別與振蕩正弦波信號的正負過零點對應，產生的兩個 TTL 信號 作為單片機的兩個外部中斷源。就可用下式求得相位差???? 36 0t /T )(? 其中 t? 為電壓信號與電流 信號 過零 點 的時 間差。 該方案硬件簡單且頻率測量精度高。 圖 22 隔離采樣原理圖 方案二： 電阻分壓方案 電流采樣 電路 采用在變壓器副邊串入一定數值的電阻 ，并 取樣該電阻兩端分壓 ，通過測量來反映 電流 值 ；電壓采樣 電路 采用 在變壓器副邊并入一定數值的兩個電阻，在其中一個電阻兩端進行取樣。積分法就是從連續(xù)周期信號有效值的定義和功率的定義出發(fā)，用數值積分近似代替連續(xù) 積分進行計算的方法。 方案 三： 該方案 以 C8051F020 單片機為核心 ，使用單片機內部 12 位、 100 ksps 的 8 通道 ADC進行電壓和電流的 軟件同步 采樣測量，并采用工程上常用的數值積分算法，將連續(xù)函數離散化來計算信號的有效值 ， ， 并使用 數碼管顯示驅動及鍵盤掃描管理芯片 ZLG7289 進行鍵盤及數碼管顯示控制，實 現 測量 并 顯示 變壓器的副邊電壓﹑電流 以及實驗系統(tǒng)的功率因數﹑有功功率、 無功功率 、 視在功率 和系統(tǒng)的用電量 。 設對 ??tu 每周期均勻同步采樣 N 點，得到序列 ??nu ，對序列 ??nu 作離散傅立葉變換： ? ? ? ? ? ? ? ? knNnuNjknNnuNWnuNkU NnNnknNNn ????? ??? ?????? 2s i n12c o s11 101010 (221) 由于： ? ??? Tkn tdtktuTa 0 c o s2 ? (222) ? ??? Tkn tdtktuTb 0 s in2 ? (223) 積分離散化后得： ? ? knNnuNaNnkn?? ???2c o s2 10 (224) ? ? knNnuNbNnkn?? ???2s in2 10 (225) 比較式 (221)(224)(225)得出： ? ?? ?kUakn Re2? (226) ? ?? ?kUbkn Im2?? (227) 這樣可求出第 k 次諧波電壓的振幅、相角、有效值： 振幅 22 knknkm baU ?? (228) 相角 )/a rc ta n ( knknk ab?? (229) 有效值 )(2121 22knknkmk baUU ??? (230) 電流的計算方法類似于電壓。 在要求不高的場合可以采用這一算法 [1]。由于采用的具體原理不同，在硬件軟件的配置上也不一樣，以致系統(tǒng)的精度和造價也不一樣。這種作法可使偏差 L 不產生累積，從而保證在一個工頻周期內 L 引起寧波大學本科畢業(yè)設計（論文） 7 的周期誤差 0TT?? 。以 H 為定時器的計數值，則會產生0TLNT ???? 的周期誤差 （ 若以 H+1 作為計數值，則 00 TLNTNT ?????? ） 顯然， T? 是由采樣周期 Ts 的實際值與理想計算值之間的偏差引起的。 CPU 的中斷響應時間與定時器發(fā)出中斷請求信號時刻 CPU 是否在執(zhí)行其它中斷服務程序；正在執(zhí)行的當前指令是否允許 CPU 立即響應中斷；當前執(zhí)行指令的指令周期長短及當前指令已經執(zhí)行到哪一個機器周期等因素有關。當存在同步采樣時間誤差時，測量精度必定會受到影響。 同步采樣可以用硬件實現，也可以用軟件實現。硬件同步采樣一般是利用鎖相頻率跟蹤原理實現同步等間隔采樣的，電路如圖 21 所示： fo fo /N fi PD LP V C O N 分頻器 圖 21 倍頻鎖相同步電路 在相位比較器 PD、低通濾波器 LP、壓控振蕩器 VCO 構成的鎖相環(huán)內加入 N 分頻器，輸入被測信號的頻率 fi，作為鎖相環(huán)的基準頻率，輸出 fo 為采樣頻率。 2 方案論證與選擇 交流 采樣方法 選擇 交流采樣法，即直接對連續(xù)的模擬信號進行等間隔采樣，再用特定的數值算法進行處理。時至今日，電作為一種最重要的能源跟我們的工作、生活緊密地聯(lián)系著，可以這么說，如果沒有了電，人類社會就不能正常地運轉，整個社會就會混亂。 2) 功能多樣化 除了計量電量的基本功能外，又增加了最大需量、脈沖輸出的功能。按所依托的乘法器類型的不同，可將電子式電能表分為模擬乘法器型電子電能表和數字乘法器型電子電能表。 但是電力參數測量儀表通常是按工頻正弦波形設計的，當電網存在諧波時，將產生測量誤差。應用于電力系統(tǒng)的電力參數實時監(jiān)測功能， 在變電站一級一般都由遠動裝置來實現；而在日常生活中，一般只是利用電能表進行電量的計量，其原理是通過將有功功率對時間的積分來計算有功電能。使用偏差累積增量法對軟件同步算法進行改進，采用工程上常用的數值積分算法，將連續(xù)函數離散化來計算信號的有效值，完成對變壓器副邊電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、視在功率及系統(tǒng)用電量的測量。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。本人授權 大學可以將本學位論文的全部或部分內容 編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 Power Parameters。 感應式機械電能表 它是利用三個不同空間和相位的磁通建立起 來的交變的移進磁場，在這個磁場的作用下，轉盤上產生了感應電流，根據楞次定律，這個感應電流使得轉盤總是朝著一個方向旋轉。 電子式電能表 它是利用電流和電壓作用于固態(tài)電子器件而產生電能輸出量的電能計量儀表。 微電子技術和計算機技術的高速發(fā)展是電子式電能表迅速進步、日益成熟的主要技術支撐。 某些多功能 測試儀的視在功率能做到 2VA 以下，停電維持時電流能做到 lmA 以下。 在傳統(tǒng)的電力參數測量系統(tǒng)中，多采用 805 80C196 等普通單片機作為微控制器。 交流采樣法 1) 同步采樣法 同步采樣法是指采樣時間間隔 Ts、被測交流信號周期 T0 和一個周期采樣點數 N 之間滿足關系式 STNT ??0 。 2) 準同步采樣法 實際采樣測量中，采樣周期經常不能與被測信號周期實現嚴格同步，即 N 次采樣不是落在 2π寧波大學本科畢業(yè)設計（論文） 5 區(qū)間上，而是落在 2π +Δ 區(qū)間上（ Δ 稱為同步偏差或周期偏差），產生了同步誤差。因此，有必要對目前的軟件同步實現方法產生同步誤差的原因進行分析，并找到抑制誤差的措施 [7]。由于定時器的計數周期受定時器最大計數頻率的限制不可能 無限小，而微機的采樣周期 TS必須以定時器計數周期的倍數來表示，從而微機實際采樣周期 TS 與理想計算值 NT/ 之間會出現誤差，這一由量化原因引起的誤差 ， 使式 (21)得不到滿足。若不存在周期 誤差Δ T，則 ii t??? ，這一原因引起的同步采樣時間誤差較小。 為此，須對在采樣過程中定時器計數值取常數的常規(guī)作法進行改進， 偏差累積增量法 就是這樣一種算法。電網頻率并不是固定不變的，而是在 50Hz 附近波動。 半周期積分法 半周期積分法的依據是一個正弦量在任意半個周期內絕對值的積分為一常數 S，積分值和積分的起始角α無關。在系統(tǒng)速度允許的情況下，可以增加采樣點數以提高運算精度，一般每周波可采樣幾百點。但傅立葉算法復雜。方案三采用了 DSP 芯片，現在技術比較先進的DSP 雖然可以在數字處理上達到很高的速度和精度，但因大部分 DSP 內部不帶 A/D，需要外接多通寧波大學本科畢業(yè)設計（論文） 11 道 A/D 來實現采集，這除了會增加硬件成本，還會影響整個裝置的可靠性，同時， DSP 的開發(fā)工具比較昂貴，這不太符合本裝置低成本 設計的目的。 子模塊方案 選擇 電流電壓的取樣方案 方案一 ： 隔離采樣的方案 采用電壓互感器、電流互感器分別實現對電壓、電流測量。因此我們采用方案二電阻直接分壓的方式。采用方案 二 ，首先測周期采用周期倒數的辦法求頻率，這樣測量精度為 1/N(N 為單片機 20ms 計數值大概為 18432)誤差只有 %。 在 一般的感性負載電路中 ，電流總是滯后電壓一段時間 Δ t。 方案二： 將電壓、電流信號分別經過過零比較器產生 TTL 信號，把電壓信號和電流信號進行異或后與單片機的 INT0 相連， 利用單片機的計數器 T0 在 INT0 高電平時才允許計數，在下降沿時觸發(fā) INT0 中斷，而停止計數，讀出的計數值 N1，進行換算后可得Δ t，進行相位差計算 。 S，故則當上式值累計到 3600 時，電能值加 1，這樣可以得到比較準確的電能計算值 [2]。 考慮到我們所需要的程序存儲器的空間以及內存單元，選擇