【正文】 了 C8051F020 作為該系統(tǒng)的 控制器 。 C8051F 系列單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與 8051 兼容的 CIP51 微控制器內(nèi) 核，采用流水線結(jié)構(gòu)，單周期指令運行速度是 8051 的 12 倍， 全指令集運行速度是原來的 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 獨立式按鍵接口設(shè)計電路配置靈活，軟件實現(xiàn)簡單 的優(yōu)點，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： ? 串行接口無需外圍元件可直接驅(qū)動 LED ? 各位獨立控制譯碼 /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立 LED ? 64 鍵鍵盤控制器 內(nèi)含去抖動電路 電壓、電流信號采集部分 電壓、電流 采樣 電路 根據(jù)電壓和電流在電路中的特點 ， 電壓取樣電路可采用并聯(lián)在電源兩端來實現(xiàn)。過零檢測電路主要是由LM339 運算放大器芯片完成的。電流 I 支路與單片機的 IINT1 腳相連，計數(shù)器 T1 在 INT1 為高電平時，也進行計數(shù)，但在 INT0 中斷時就停止計數(shù)，讀出相應(yīng)的計數(shù)值 N2，有公式 oN 180)1/N2( ??? 可求出電壓和電流的相位差，并存入指定的存儲空間，以便計算功率因數(shù)的值。由于本裝置需要測量信號 (50Hz)，所以采樣頻率最好達到 (150Hz)以上。當(dāng) AD0EN 位為‘ 0’時， 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候，半波整流電路無法測出，此時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 進制碼，并同時具有 2 種譯碼方式。端口 I/O、 /RST 和 JTAG 引腳都容許 5V 的輸入信號電壓 [16]。 C8051F020 器件是完全集成的混合信號系統(tǒng)級 MCU 芯片，具有 64 個數(shù)字 I/O 引腳。單片機領(lǐng)域的大部分工作人員都熟悉 80C51 單片機，各大專院校都采用 80C51 系列單片機作為教學(xué)模型。由于我們的系統(tǒng)中 CPU 負(fù)擔(dān)并不重，所以 8 位機就夠了。鑒于方案二需要進行異或操作，需增加相應(yīng)的芯片，會增加 PCB 的制作難度，提高成本，而方案三編程簡單，且當(dāng)進行計算得出的 ? 時可與系統(tǒng)時鐘無關(guān)，只與計數(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、電流由正弦信號變成方波信號 功率因數(shù)測量 法選擇 方案一 ：將電壓、電流信號分別經(jīng)過過零比較器，產(chǎn)生 TTL 信號 。如圖 24 所示： 0 t T Δ t I U 圖 24 電壓與電流的時間差Δ t 電網(wǎng)中的交流電壓周期 T 可以通過求取頻率得到，只要能測出 Δ t 值。 方案三： 可編程計數(shù)器 T2 來實現(xiàn)頻率的測量 方案 將被測信號轉(zhuǎn)換為方波信號輸入 T2EX 端 口，作為計數(shù)器的 控制 信號， 使定時器、計數(shù)器 T2寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（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 開始計數(shù)，每次溢出 時 置“ 1” EXF2，溢出周期為固定的，讀出 RCAP2L 和 RCAP2H， 換算 可得到 信號的周期時間 T， F=1/T 得到頻率。但互感器實質(zhì)為變壓器，如果系統(tǒng)中熒光燈之類的負(fù)載較大時，電流含有較大的 3 次諧波分量；由于引入了互感 ， 所以對副邊的相位產(chǎn)生影響 ， 容易產(chǎn)生誤 差，對功率因數(shù)測量不利 [14]。實際使用中可以采用快速傅里葉變換 (FFT)以提高運算速度，但是計算量仍然偏大。 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)和極高的運行速度實現(xiàn)各種各樣的控制和測量算法，實現(xiàn)了高精度的同步數(shù)據(jù)采集處理。電壓信號 ??tu 的傅立葉級數(shù)形式為： ? ? ? ?? ???????????00c o ss i nc o ss i ns i nc o skknknktkbtkatkUtkUtu?????? (220) 式中 ?cosUakn ? 、 ?sinUbkn ? 為電壓信號的傅 立葉級數(shù)系數(shù)。此算法運算量小，可以用非常簡單的硬件實現(xiàn)。目前國內(nèi) 外已經(jīng)提出和實現(xiàn)了許多交流采樣的算法。繼續(xù)上述過程直至一個工頻周期的采樣完成。 改進的軟件同步實現(xiàn)方法 設(shè)定時器的計數(shù)周期為 T0，則與采樣周期 Ts 對 應(yīng)的定時器計數(shù)值為 ? ?0/ TNT ? ，它一般不為整數(shù)，對它截掉小數(shù)取整，得正整數(shù) H，截掉的小數(shù)部分為 L。 同步采樣時 間誤差的另一產(chǎn)生原因是，在軟件采樣時， CPU 對定時中斷的響應(yīng)時間有一定的隨機性，從而即使 Δ T=0，式 (22)也得不到完全滿足。為此，定義同步采樣時間誤差 i? 來表示第 i 次采樣點的實際采樣時刻與其理想同步采樣時刻的偏差： NTiti /i ???? (24) 目前，利用采樣值進行工頻電參量測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數(shù)并采用迭代運算的方法來消除同步誤差，所需數(shù)據(jù)較多，計算量較大，運算時間長，不適合多回路、多參量、實時性要求高的交流測量系統(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)生同步于被測信號的采樣脈沖。 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)采集計算、鍵盤顯示處理單元的功能實現(xiàn)過程，并總結(jié)了每個單元調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的問題，使 C8051F020 單片機的諸多特點得到更好的應(yīng)用，通過實際調(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)測試儀發(fā)展方向的全電子式多功能電能表在體積、重量兩方面都遠(yuǎn)小于機械式或機械電子式電能表，一些測試儀己經(jīng)按照便攜式標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計。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、時分割乘法器等幾種類型且多個品種系列；數(shù)字乘法器也已有若干種類。因此，至今在包括我國在內(nèi)的許多發(fā)展中國家甚至是一些發(fā)達國家里 ，感應(yīng)式電能表仍作為主要計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)的測量原理，進行了硬件系統(tǒng)的設(shè)計和軟件系統(tǒng)的設(shè)計，并重點介紹了電力參數(shù)的測量設(shè)計與實現(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人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，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)動經(jīng)蝸桿傳遞到計數(shù)器，累計轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)數(shù)，從而達到計量電能的目的。由于電能是電功率對時間的積分，所以任何電子電路式 計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、在高速采樣和實時性方面受到一定的限制。但實際采樣中 STN? 不一定是一個整周期，故同步采樣法需要保證 采樣截斷區(qū)間等于被測連續(xù)信號整周期的整數(shù)倍 。為解決該項誤差，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，通過增加采樣數(shù)據(jù)量和增加迭代次數(shù)來提高測量準(zhǔn)確度。 軟件同步采樣 及同步誤差分析 對周期為 T 的被測信號在一個周期內(nèi)于 0t 、 1t 、?、 it 、?、 1?Nt 時刻采樣 N 個點，令 00?t ，如果有： 0????? TTNT S (21) 1,1,0 0?? ????? Ni Titt Sii ?? (22) 同時成立，則稱采樣為理想同步采樣， Ts 為采樣周期。一些文獻稱 Δ T 為周期誤差。 可見在軟件同步測量系統(tǒng)中，周期誤差是影響測量精度的主要原因。 設(shè)置一單元 SUM 對偏差 L 進行累加， 對于第 0 次采樣， SUM 的初值為 0。傳統(tǒng)的直流采樣算法不能及時反映被測量的突變，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 — 一周期的采樣點數(shù)； 0u — k=0 時的采樣值； 2/Nu — k=N/2 時的采樣值。該算法實時性強，算法簡單，能夠計及信號中高寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 次諧波的影響，在不需要測量基波和各次諧波參數(shù)值的情況下，可以選用此算法 [2]。運算量大，雖然可以采用 FFT 算法提高運算速度，所需時間仍大大高于積分和法。 交流直接采樣方法測量交流電量的算法雖有多種，但較實用有三種，即最大值法、積分法和傅里葉變換法。通過電壓互感器對 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 。 頻率測量方案 方案一：記數(shù) 一秒測頻率方案 將 采樣得來的 電壓信號 經(jīng)過 過零 比較 ，然后 將 產(chǎn)生 的方波 信號送入 單片機 T0 口 進 行計數(shù)，定時一秒鐘，計數(shù)值即為電源頻率。方案一測量精度不高，故放棄。在該設(shè)計中，采用相位法檢測電壓電流的相位差，其指導(dǎo)思想是功率因數(shù)的定義，即 ?? cos? 。 方案三 ：將電壓、電流信號分別經(jīng)過過零比較器，產(chǎn)生 TTL 信號， 將電壓 U 支路與單片機的寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 INT0 腳相連，利用單片機的計數(shù)器 T0 在 INT0 高電平時才 允許計數(shù)，在下降沿時觸發(fā) INT0 中斷，而停止計數(shù)，讀出半個周期的計數(shù)值 N1。 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(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 的兩路信號分別通過 放大、 整流 , 再通過 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，實時把模擬量轉(zhuǎn)化為 數(shù)字 量，再經(jīng)單片機分析處理， 進行 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 電 力 運行參數(shù)測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)并能進行軟件的移植。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持?jǐn)帱c、觀察點、單步及運行和停機 命令。 本系統(tǒng)主要使用數(shù)碼管來顯示當(dāng)前測得的 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 分壓來實現(xiàn) [17]。將電壓波形變換可直接接到比較器的兩個輸入端 ， 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 9 通道的可編程模擬多路選擇器（ AMUX0），一個可編程增益放大器（ PGA0）和一個 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 SAR 時鐘，則一次 AD 需要 16*=8us，這樣，根據(jù) AD 的采樣速率，其一個工頻周期內(nèi)最高可。 只有當(dāng) ADC0 控制寄存器中的 AD0EN 位被置“ 1” 時 ADC0 子系統(tǒng)（ ADC0、跟蹤保持器和 PGA0）才被允許工作。由于電網(wǎng)中會出現(xiàn)電壓不穩(wěn)的情況，所以在過零比較前加入由兩個二極管組成的穩(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)動及鍵盤掃描管理芯片，可直接驅(qū)動 8 位共陰式數(shù)碼管（或64 只獨立 LED），同時還可以掃描管理多達 64 只按鍵。每個 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