【正文】 了 C8051F020 作為該系統(tǒng)的 控制器 。 C8051F 系列單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，具有與 8051 兼容的 CIP51 微控制器內(nèi) 核，采用流水線結(jié)構(gòu)，單周期指令運(yùn)行速度是 8051 的 12 倍， 全指令集運(yùn)行速度是原來的 倍。片內(nèi) JTAG 調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品 MCU 進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。 專用 鍵盤 芯片 可以綜合 獨(dú)立式按鍵接口設(shè)計(jì)電路配置靈活，軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單 的優(yōu)點(diǎn)，又可以像 矩陣式 一樣提供數(shù)量眾多的按鍵。 圖 34 ZLG7289典型應(yīng)用電路原理圖 ZLG7289 特點(diǎn)： ? 串行接口無需外圍元件可直接驅(qū)動(dòng) LED ? 各位獨(dú)立控制譯碼 /不譯碼及消隱和閃爍屬性 ? 循環(huán)左移 /循環(huán)右移指令 ? 具有段尋址指令方便控制獨(dú)立 LED ? 64 鍵鍵盤控制器 內(nèi)含去抖動(dòng)電路 電壓、電流信號(hào)采集部分 電壓、電流 采樣 電路 根據(jù)電壓和電流在電路中的特點(diǎn) ， 電壓取樣電路可采用并聯(lián)在電源兩端來實(shí)現(xiàn)。過零檢測(cè)電路主要是由LM339 運(yùn)算放大器芯片完成的。電流 I 支路與單片機(jī)的 IINT1 腳相連，計(jì)數(shù)器 T1 在 INT1 為高電平時(shí)，也進(jìn)行計(jì)數(shù)，但在 INT0 中斷時(shí)就停止計(jì)數(shù)，讀出相應(yīng)的計(jì)數(shù)值 N2，有公式 oN 180)1/N2( ??? 可求出電壓和電流的相位差，并存入指定的存儲(chǔ)空間，以便計(jì)算功率因數(shù)的值。由于本裝置需要測(cè)量信號(hào) (50Hz)，所以采樣頻率最好達(dá)到 (150Hz)以上。當(dāng) AD0EN 位為‘ 0’時(shí)， AD0C 子系統(tǒng)處于低功耗關(guān)斷方式。原理圖如圖 37 所示： 圖 37 過零比較 電路 圖 本系統(tǒng)中需要獲得功率因數(shù)，就要求獲得電壓、電流的相位差。如圖 36 為全波整流的原理圖 ： 圖 36 全波整流電路圖 半波整流和全波整流電路看似差不多 ，但當(dāng)交流電波形有漂移時(shí)候，半波整流電路無法測(cè)出，此時(shí)全波整流則整流得到兩種幅值的半波。 ZLG7289B 內(nèi)部含有顯示譯碼器，可直接接受 BCD 碼 或 16 進(jìn)制碼，并同時(shí)具有 2 種譯碼方式。端口 I/O、 /RST 和 JTAG 引腳都容許 5V 的輸入信號(hào)電壓 [16]。 C8051F020 器件是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí) MCU 芯片，具有 64 個(gè)數(shù)字 I/O 引腳。單片機(jī)領(lǐng)域的大部分工作人員都熟悉 80C51 單片機(jī)，各大專院校都采用 80C51 系列單片機(jī)作為教學(xué)模型。由于我們的系統(tǒng)中 CPU 負(fù)擔(dān)并不重，所以 8 位機(jī)就夠了。鑒于方案二需要進(jìn)行異或操作，需增加相應(yīng)的芯片，會(huì)增加 PCB 的制作難度，提高成本，而方案三編程簡(jiǎn)單，且當(dāng)進(jìn)行計(jì)算得出的 ? 時(shí)可與系統(tǒng)時(shí)鐘無關(guān)，只與計(jì)數(shù)值的 比值有關(guān)，具有更大的通用性，有故選用方法一。 0 0 0 0 Δ t I U ω t ω t ω t ω t I U 圖 25 電壓、電流由正弦信號(hào)變成方波信號(hào) 功率因數(shù)測(cè)量 法選擇 方案一 ：將電壓、電流信號(hào)分別經(jīng)過過零比較器，產(chǎn)生 TTL 信號(hào) 。如圖 24 所示： 0 t T Δ t I U 圖 24 電壓與電流的時(shí)間差Δ t 電網(wǎng)中的交流電壓周期 T 可以通過求取頻率得到，只要能測(cè)出 Δ t 值。 方案三： 可編程計(jì)數(shù)器 T2 來實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量 方案 將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)輸入 T2EX 端 口，作為計(jì)數(shù)器的 控制 信號(hào)， 使定時(shí)器、計(jì)數(shù)器 T2寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 工作在 16 位捕捉方式 ， 記數(shù)初值取 0，使 T2 循環(huán)的從 0 開始計(jì)數(shù)，每次溢出 時(shí) 置“ 1” EXF2，溢出周期為固定的，讀出 RCAP2L 和 RCAP2H， 換算 可得到 信號(hào)的周期時(shí)間 T， F=1/T 得到頻率。但互感器實(shí)質(zhì)為變壓器，如果系統(tǒng)中熒光燈之類的負(fù)載較大時(shí)，電流含有較大的 3 次諧波分量；由于引入了互感 ， 所以對(duì)副邊的相位產(chǎn)生影響 ， 容易產(chǎn)生誤 差，對(duì)功率因數(shù)測(cè)量不利 [14]。實(shí)際使用中可以采用快速傅里葉變換 (FFT)以提高運(yùn)算速度，但是計(jì)算量仍然偏大。 方案二：該方案 采 用 DSP 作為核心處理器，通過 外接多通道 A/D 來 完成電壓、電流數(shù)據(jù)采集、DSP 數(shù)據(jù)處理、鍵盤顯示， 可以保證在足夠高的采樣率下，依靠 DSP 芯片的特殊結(jié)構(gòu)和極高的運(yùn)行速度實(shí)現(xiàn)各種各樣的控制和測(cè)量算法，實(shí)現(xiàn)了高精度的同步數(shù)據(jù)采集處理。電壓信號(hào) ??tu 的傅立葉級(jí)數(shù)形式為： ? ? ? ?? ???????????00c o ss i nc o ss i ns i nc o skknknktkbtkatkUtkUtu?????? (220) 式中 ?cosUakn ? 、 ?sinUbkn ? 為電壓信號(hào)的傅 立葉級(jí)數(shù)系數(shù)。此算法運(yùn)算量小，可以用非常簡(jiǎn)單的硬件實(shí)現(xiàn)。目前國(guó)內(nèi) 外已經(jīng)提出和實(shí)現(xiàn)了許多交流采樣的算法。繼續(xù)上述過程直至一個(gè)工頻周期的采樣完成。 改進(jìn)的軟件同步實(shí)現(xiàn)方法 設(shè)定時(shí)器的計(jì)數(shù)周期為 T0，則與采樣周期 Ts 對(duì) 應(yīng)的定時(shí)器計(jì)數(shù)值為 ? ?0/ TNT ? ，它一般不為整數(shù)，對(duì)它截掉小數(shù)取整，得正整數(shù) H，截掉的小數(shù)部分為 L。 同步采樣時(shí) 間誤差的另一產(chǎn)生原因是，在軟件采樣時(shí)， CPU 對(duì)定時(shí)中斷的響應(yīng)時(shí)間有一定的隨機(jī)性，從而即使 Δ T=0，式 (22)也得不到完全滿足。為此，定義同步采樣時(shí)間誤差 i? 來表示第 i 次采樣點(diǎn)的實(shí)際采樣時(shí)刻與其理想同步采樣時(shí)刻的偏差： NTiti /i ???? (24) 目前，利用采樣值進(jìn)行工頻電參量測(cè)量的理論和方法大多建立在理想同步采樣基礎(chǔ)上的。 準(zhǔn)同步采樣采樣周期不要求與信號(hào)周期同步，不需要同步環(huán)節(jié)，但它需要通過增加采樣周期和每周期的采樣點(diǎn)數(shù)并采用迭代運(yùn)算的方法來消除同步誤差，所需數(shù)據(jù)較多，計(jì)算量較大，運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)，不適合多回路、多參量、實(shí)時(shí)性要求高的交流測(cè)量系統(tǒng)，而且受短暫突發(fā)性干擾的影響可能性比同步采樣法大。硬件同步采樣法是：由專門的硬件電路產(chǎn)生同步于被測(cè)信號(hào)的采樣脈沖。 本論文的主要工作 論文的主要內(nèi)容如下：完成裝置的設(shè)計(jì)和各部分功能軟硬件調(diào)試，在論文中以原理圖、流程圖、程序等形式詳細(xì)介紹了裝置電壓電流采樣、數(shù)據(jù)采集計(jì)算、鍵盤顯示處理單元的功能實(shí)現(xiàn)過程，并總結(jié)了每個(gè)單元調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的問題，使 C8051F020 單片機(jī)的諸多特點(diǎn)得到更好的應(yīng)用，通過實(shí)際調(diào)試總 結(jié)了裝置中誤差存在的硬件和軟件原因，并提出了減小誤差的方案。 本課題的背景和意義 電自從其誕生初，就開始改變著我們的生活。目前代表電力參數(shù)測(cè)試儀發(fā)展方向的全電子式多功能電能表在體積、重量?jī)煞矫娑歼h(yuǎn)小于機(jī)械式或機(jī)械電子式電能表，一些測(cè)試儀己經(jīng)按照便攜式標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。模擬乘法器已發(fā)展成晶體管陣列平方乘法器、熱偶乘法器、可變跨導(dǎo)型乘法器、雙斜積分乘法器、霍爾 效應(yīng)乘法器、時(shí)分割乘法器等幾種類型且多個(gè)品種系列；數(shù)字乘法器也已有若干種類。因此，至今在包括我國(guó)在內(nèi)的許多發(fā)展中國(guó)家甚至是一些發(fā)達(dá)國(guó)家里 ，感應(yīng)式電能表仍作為主要計(jì)量工頻電能的儀表被廣泛使用。電網(wǎng)電壓、電流的過高或過低，都會(huì)影響到電器設(shè)備的正常使用和使用壽命。 本文詳細(xì) 地介紹了電力參數(shù)的測(cè)量原理，進(jìn)行了硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)介紹了電力參數(shù)的測(cè)量設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。 RMS。轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)蝸桿傳遞到計(jì)數(shù)器，累計(jì)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)數(shù)，從而達(dá)到計(jì)量電能的目的。由于電能是電功率對(duì)時(shí)間的積分，所以任何電子電路式 計(jì)量方案的第一步就是確定電功率。準(zhǔn)確度高、可靠性好的元器件以及大規(guī)模集成電路等的采用，使電子式電能表的使用壽命、準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度等技術(shù)指標(biāo)均顯著改善。后備電源的供給采用高效鋰 電池。由于其指令周期長(zhǎng)、在高速采樣和實(shí)時(shí)性方面受到一定的限制。但實(shí)際采樣中 STN? 不一定是一個(gè)整周期，故同步采樣法需要保證 采樣截?cái)鄥^(qū)間等于被測(cè)連續(xù)信號(hào)整周期的整數(shù)倍 。為解決該項(xiàng)誤差，在八十年代初，清華大學(xué)戴先中教授提出了準(zhǔn)同步采樣法 [6]，即在 |Δ |不太大的情況下，當(dāng)滿足N(2π +Δ )M/2π（ M 為最高諧波次數(shù)）時(shí)，通過增加采樣數(shù)據(jù)量和增加迭代次數(shù)來提高測(cè)量準(zhǔn)確度。 軟件同步采樣 及同步誤差分析 對(duì)周期為 T 的被測(cè)信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)于 0t 、 1t 、?、 it 、?、 1?Nt 時(shí)刻采樣 N 個(gè)點(diǎn)，令 00?t ，如果有： 0????? TTNT S (21) 1,1,0 0?? ????? Ni Titt Sii ?? (22) 同時(shí)成立，則稱采樣為理想同步采樣， Ts 為采樣周期。一些文獻(xiàn)稱 Δ T 為周期誤差。 可見在軟件同步測(cè)量系統(tǒng)中，周期誤差是影響測(cè)量精度的主要原因。 設(shè)置一單元 SUM 對(duì)偏差 L 進(jìn)行累加， 對(duì)于第 0 次采樣， SUM 的初值為 0。傳統(tǒng)的直流采樣算法不能及時(shí)反映被測(cè)量的突變，精度與穩(wěn)定度受變送器的影響很大，己逐漸不能滿足系統(tǒng)的需要。 ? ? ???? /22s i n2s i n2 2/02/0 r m sr m sr m s Ut d tUdttUS ???? ?? ?? （ 27） 式 （ 27） 可以用梯形法近似求出： sNk Nk TuuuS ?????? ??? ???12/1 2/0 2121 （ 28） 式（ 28）中 ku — 第 k 次采樣值； N — 一周期的采樣點(diǎn)數(shù)； 0u — k=0 時(shí)的采樣值； 2/Nu — k=N/2 時(shí)的采樣值。該算法實(shí)時(shí)性強(qiáng)，算法簡(jiǎn)單，能夠計(jì)及信號(hào)中高寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 次諧波的影響，在不需要測(cè)量基波和各次諧波參數(shù)值的情況下，可以選用此算法 [2]。運(yùn)算量大，雖然可以采用 FFT 算法提高運(yùn)算速度，所需時(shí)間仍大大高于積分和法。 交流直接采樣方法測(cè)量交流電量的算法雖有多種，但較實(shí)用有三種，即最大值法、積分法和傅里葉變換法。通過電壓互感器對(duì) 變壓器副邊輸出的 28V 交流電壓 采樣 得到相應(yīng)電壓 值，采樣電壓 LRIU ?? 2 。 頻率測(cè)量方案 方案一：記數(shù) 一秒測(cè)頻率方案 將 采樣得來的 電壓信號(hào) 經(jīng)過 過零 比較 ，然后 將 產(chǎn)生 的方波 信號(hào)送入 單片機(jī) T0 口 進(jìn) 行計(jì)數(shù)，定時(shí)一秒鐘，計(jì)數(shù)值即為電源頻率。方案一測(cè)量精度不高，故放棄。在該設(shè)計(jì)中，采用相位法檢測(cè)電壓電流的相位差，其指導(dǎo)思想是功率因數(shù)的定義，即 ?? cos? 。 方案三 ：將電壓、電流信號(hào)分別經(jīng)過過零比較器，產(chǎn)生 TTL 信號(hào)， 將電壓 U 支路與單片機(jī)的寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 INT0 腳相連，利用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器 T0 在 INT0 高電平時(shí)才 允許計(jì)數(shù)，在下降沿時(shí)觸發(fā) INT0 中斷，而停止計(jì)數(shù)，讀出半個(gè)周期的計(jì)數(shù)值 N1。 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 此系統(tǒng)是以 C8051F020 為主控制器，系統(tǒng)把取樣采集電路得來 的兩路信號(hào)分別通過 放大、 整流 , 再通過 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)時(shí)把模擬量轉(zhuǎn)化為 數(shù)字 量，再經(jīng)單片機(jī)分析處理， 進(jìn)行 數(shù)值積分， 可得到變壓器副邊電壓 值、電流值、電源的頻率以及該系統(tǒng)的功率因數(shù)、有功功率、無功功率 和系統(tǒng)消耗的電能 ，并送到外部顯示單元顯示。 單片機(jī) 電 力 運(yùn)行參數(shù)測(cè)量裝置是通過硬件與軟件密切配合完成的。熟悉 MCS51 系列單片機(jī)的工程技術(shù)人員可以很容易地掌握 C8051F 的應(yīng)用技術(shù)并能進(jìn)行軟件的移植。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、單步及運(yùn)行和停機(jī) 命令。 本系統(tǒng)主要使用數(shù)碼管來顯示當(dāng)前測(cè)得的 電壓、電流和 功率 等數(shù)據(jù)，顯示精度要求為 4 位數(shù)字。 電流取樣電路可采用串聯(lián)在電路回路中 的 電 阻 分壓來實(shí)現(xiàn) [17]。將電壓波形變換可直接接到比較器的兩個(gè)輸入端 ， 其反相輸入端接地，作為過零電壓的參考電 壓。 數(shù) /模轉(zhuǎn)換部分 C8051F020 的 ADC0 子系統(tǒng)包括一 個(gè) 9 通道的可編程模擬多路選擇器（ AMUX0），一個(gè)可編程增益放大器（ PGA0）和一個(gè) 100ksps、 12 位分辨率的逐次逼近寄存器型 ADC， ADC 中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測(cè)器。在 ADC 中選擇 2MHz 的晶振，根據(jù) C8051F020 的 AD 轉(zhuǎn)換速度，轉(zhuǎn)換一次需要 16 個(gè) SAR 時(shí)鐘，則一次 AD 需要 16*=8us，這樣，根據(jù) AD 的采樣速率，其一個(gè)工頻周期內(nèi)最高可。 只有當(dāng) ADC0 控制寄存器中的 AD0EN 位被置“ 1” 時(shí) ADC0 子系統(tǒng)（ ADC0、跟蹤保持器和 PGA0）才被允許工作。由于電網(wǎng)中會(huì)出現(xiàn)電壓不穩(wěn)的情況，所以在過零比較前加入由兩個(gè)二極管組成的穩(wěn)壓的電路。一般有全波整流和半波整流 兩 種方法 ， 這里用全波整流電路來實(shí)現(xiàn)幅值的翻轉(zhuǎn) [18]。 本系統(tǒng)采用 ZLG7289 數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)及鍵盤掃描管理芯片，可直接驅(qū)動(dòng) 8 位共陰式數(shù)碼管（或64 只獨(dú)立 LED），同時(shí)還可以掃描管理多達(dá) 64 只按鍵。每個(gè) MCU 都可在工業(yè)溫度范圍（ 45℃到 +85℃）內(nèi)用 的電壓工作。其中 C8