【正文】 人機(jī)交換部分電路設(shè)計(jì) 鍵盤接口設(shè)計(jì) 在許多應(yīng)用中，一般都需要用鍵盤來輸入數(shù)據(jù)或?qū)Τ绦虻倪M(jìn)程進(jìn)行管理，因此在單片機(jī)的設(shè)計(jì)和調(diào)試實(shí)驗(yàn)中，鍵盤是一個(gè)不可缺少的部分。美國微芯公司的 PIC18F458 單片機(jī)集成了 CAN 通信接口，執(zhí)行 Bosch 公司的 議。 在使用 PICl8F458 開發(fā)交流采樣系統(tǒng)時(shí)，巧妙利用 PIC 的定時(shí)器、捕獲器實(shí)現(xiàn)跟蹤頻率的交流采樣。 5) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的時(shí)間有 OSC 引腳的晶振頻率決定。 R 164. 19K ΩR 174. 72K ΩR 104. 19K ΩC60. 01μ FC 100. 047μ FU4M C P 604V C CV I N 02＋ 1V 圖 數(shù)據(jù)采集的功能是通過 PIC18F458 單片機(jī)內(nèi)部自帶 A/D 來實(shí)現(xiàn)的，極大簡(jiǎn)化了外部硬件電路設(shè)計(jì)。根據(jù)電網(wǎng)質(zhì)量的國家標(biāo)準(zhǔn)： “測(cè)量的諧波一般為 2 到 19 次 ”， “A 級(jí)儀器頻率測(cè)量范圍為 0~2500Hz”。其中兩只為原邊端子：被測(cè)電壓輸入端 ＋ ；被測(cè)電壓輸入端 － 。這一電流通過多匝繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)與被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)正好相反，因而補(bǔ)償了原來的磁場(chǎng)，使霍爾器件的輸出逐漸減小，當(dāng) Ip 與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與 Is 與匝數(shù)相乘所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相等時(shí)， Is 不再增加，霍爾器件起到指示零磁通的作用。其中，采樣就是盡可能的獲取反映模擬量的實(shí)時(shí)信息，轉(zhuǎn)換則是將該模擬信息轉(zhuǎn)化為可供微處理器處理的數(shù)字信息。 單片機(jī)管腳 1 接復(fù)位電路，低電平時(shí)復(fù)位，管腳 3 屬于 A/D 轉(zhuǎn)換通道的兩路，接的是電壓、電流傳感器經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后的信號(hào)，管腳 10 接的是時(shí)鐘芯片的三個(gè)管腳， VCC 接的是經(jīng) H7805 電壓轉(zhuǎn)換后的 5V電源， 1 14 管腳接晶振電路，管腳 11 1 1 2 2 2 26 是 C 口 ，其 接的是 LCD 顯示的數(shù)據(jù)線， 3 3 40 管 腳接LCD 顯示的 D/I（指令 /數(shù)據(jù)通道）、 R/W（讀 /寫選擇）、 E（使能信號(hào)）， 3 34 管腳接 LCD的片選信號(hào)，管腳 1 2 22 接鍵盤， 27 管腳接測(cè)頻電路， 28 管腳接報(bào)警電路， 336 管腳接 CAN 總線的 PCA82C250T 的串口接收和發(fā)送端（ RXD、 TXD）。具體特點(diǎn)如下： 高性能的 RISC CPU ? 高達(dá) 2MB 的程序存儲(chǔ)器； ? 高達(dá) 4KB 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器； ? 高達(dá) l0MIPS 的執(zhí)行速度； ? DC~40MHz 時(shí)鐘輸入； ? 4~10MHz 帶 PLL 鎖相環(huán)有源晶振／時(shí)鐘輸入 ? 16 位寬指令 ,8 位寬數(shù)據(jù)通道； ? 帶優(yōu)先級(jí)的中斷； ? 8*8 單周期硬件乘法器。 圖 單片機(jī)簡(jiǎn)介 本系統(tǒng)采用的 PICl8F458 單片機(jī)是美國 Microchip 公司的高檔產(chǎn)品，采用了 RISC 結(jié)構(gòu)的嵌入式微控制器，其高速度、低電壓、低功耗，大電流 LCD 驅(qū)動(dòng)能力和低價(jià)位 OTP技術(shù)等都體現(xiàn)出單片機(jī)產(chǎn)業(yè)的新趨勢(shì)。 LCD：實(shí)時(shí)得到電壓、電流、頻率、有功、無功功率、三相不平衡度及電壓波動(dòng)值，并通過 LCD 顯示相關(guān)數(shù)值。 (1) 數(shù)據(jù)采集模塊 本系統(tǒng)選擇的是基于霍爾效應(yīng)開環(huán)原理的電壓傳感器和電流傳感器系列，這類傳感器的副邊能夠精確的反應(yīng)原邊待測(cè)信號(hào)，具有線性好、精度高、工作范圍高、電路簡(jiǎn)單可靠等優(yōu)點(diǎn)，可以得到適合 CPU 的電壓值。 Microchip 公司為用戶的應(yīng)用開發(fā)提供了豐富的硬件和軟件支持，其中有各種檔次的硬件仿真器和編程器。 3）電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化。此類儀器的不足之處是可監(jiān)測(cè)的指標(biāo)少，通用性差、精度較低、自動(dòng)化程度較低。用戶電力技術(shù)的提出為全面解決供電網(wǎng)電能質(zhì)量問題提供了一種新的途徑。 4）隨著高性能的電力電子元器件 (例如 GTO、 IGBT、 LTT 等 )的出現(xiàn)，國外專家提出了柔性交流輸電 (FACTS)技術(shù)。對(duì)于三相三線制電路，沒有零序分量，所以，三相電量的不平衡度通常以負(fù)序分量與正序分量的有效值的百分比值來表示： %100*/ 12 UU?? ()式中： U1為三相電壓正序分量的有效值； U2為三相電壓負(fù)序分量的有效值。在單位時(shí)間內(nèi)電壓變動(dòng)的次數(shù)稱為電壓變動(dòng)的頻度。由于諧波引起的損耗以及電氣設(shè)備絕緣壽命的縮短所造成的等值損失量也很可觀。電網(wǎng)諧波產(chǎn)生的根本原因是由于系統(tǒng)中某些設(shè)備和負(fù)荷的非線性特性，即所加的電壓與電流不成線性關(guān)系而造成的波形畸變。主要有五個(gè)指標(biāo)：電壓偏差、頻率偏差、諧波含量、電壓波動(dòng)和閃變、三相電壓不平衡度。 國內(nèi)外對(duì)電能質(zhì)量確切的定義至今尚沒有形成統(tǒng)一的共識(shí)。 (3) 供電質(zhì)量。圍繞電能質(zhì)量含義，從不同角度理解通常包括： (1) 電壓質(zhì)量。諧波還會(huì)引起電力系統(tǒng)局部發(fā)生并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量被 放大，致使電容器等設(shè)備 燒毀。電壓質(zhì)量包括電壓偏差、電壓頻率偏差、電壓不平衡、電磁暫態(tài)現(xiàn)象、電壓波動(dòng)與閃變、短時(shí)電壓變動(dòng)、電壓諧波、電壓間諧波、電壓缺口、欠電壓、過電壓等；電流質(zhì)量與電壓質(zhì)量密切相關(guān)。然而，現(xiàn)代電力電子設(shè)備和非線性負(fù)載的大量使用又造成電能污染日趨嚴(yán)重，電能質(zhì)量成為電力部門及其用戶日益關(guān)注的問題。 本文在查閱國內(nèi)外電力參數(shù)檢測(cè)技術(shù)的有關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，提出了基于 PIC單片機(jī)的電能質(zhì)量檢測(cè)儀的總體設(shè)計(jì)方案 , 設(shè)計(jì)采用以 PICl8F458為核心，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換模塊、通訊轉(zhuǎn)換電路、人機(jī)交換電路、時(shí)鐘電路，最后的實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)是可行的！ 關(guān)鍵詞： PIC 單片機(jī)；電能質(zhì)量檢測(cè) ；電壓檢測(cè)；頻率轉(zhuǎn)換 II The Power Quality Analysis — hardware design Abstract Modern power electronic devices and nonlinear loads caused by heavy use of energy and pollution is worsening, power quality, power sector and its users bee a growing concern. However, with science and technology and the rapid development of the national economy, industrial production on the power quality have bee increasingly demanding. Therefore, power quality testing and analysis has important significance. In the literature on the basis of domestic and international power parameter detection technology, the overall design of the PIC microcontrollerbased power quality detector design uses a PIC18F458 as the core, the design of data acquisition and conversion modules, munication conversion circuit, the humanputer exchange circuit, clock circuit. The final experimental debugging results show that the design is feasible. Key Words: PIC microcontroller。這些問題嚴(yán)重影響了電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。為了提高電能的傳輸效率，除了要求用戶汲取的電流是單一頻率正弦波外，還應(yīng)盡量保持該電流波形與供電電壓相同。理想狀態(tài)的公用電網(wǎng)應(yīng)以恒定的頻率、標(biāo)準(zhǔn)正弦波和額定電壓對(duì)用戶供電。 (2) 電流質(zhì)量。非技術(shù)含義是指服務(wù)質(zhì)量，包括技術(shù)供電部門對(duì)用戶投訴與抱怨的反應(yīng)速度和電力價(jià)目的透明度等。根據(jù)這一定義，可以認(rèn)為電能質(zhì)量就是電壓質(zhì)量，合格的電能質(zhì)量應(yīng)當(dāng)是恒定頻率和恒定幅值的正弦波形電壓與連續(xù)供電。 頻率偏差 我國的電力系統(tǒng)額定頻率為 50Hz，頻率偏差是指電力系統(tǒng)頻率的實(shí)際值和額定值之差，用下式 表示： Nfff ??? () 式中 Δf為頻率偏差， f 為系統(tǒng)的實(shí)際頻率， fN為系統(tǒng)的額定頻率，即 50Hz。對(duì)諧波的測(cè)量一般包括：各次諧波分量幅值和相位，各次諧波含有率（ HR）、總諧波畸變率（ THD）、諧波功率（ Ph）。 電壓波動(dòng)和閃變 電壓波動(dòng)是指一系列電壓變動(dòng)或工頻電壓包絡(luò)線的周期性變化。周期性或近似周期性的波動(dòng)負(fù)荷對(duì)閃變的影響更為嚴(yán)重。 國際中對(duì)三相不平衡的規(guī)定如下： 電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)正常電壓不平衡度允許值為 2％ ，短時(shí)不得超過 4％ ，電氣設(shè)備額定工況的電壓允許不平衡度和負(fù)序電流允許值仍由各自標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。 (2) 局部并聯(lián)電容器組的投切，可補(bǔ)償系統(tǒng)無功功率，解決電壓偏低的情況，但 對(duì)輕載電壓偏高的電能質(zhì)量問題卻無能為力。其中 APF（屬于并聯(lián)補(bǔ)償）是補(bǔ)償諧波的有效工具；而 DVR（屬于串聯(lián)補(bǔ)償）通過自身的儲(chǔ)能單元，能夠在 ms 級(jí)內(nèi)向系統(tǒng)注入正常電壓與故障電壓之差，因此是抑制電壓暫降的有效裝置 ，UPQC 綜合了串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)，既能抑制電流諧波，又能補(bǔ)償電壓畸變量，是一種綜合的補(bǔ)償裝置。它具有在線監(jiān)測(cè)、精度高、升級(jí)潛力大、實(shí)時(shí)性好、體積小、成本低的特點(diǎn)，既適用于現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量分析，也適用于長期的在線監(jiān)測(cè)。 系統(tǒng)主要研究?jī)?nèi)容 本系統(tǒng)主要是通過對(duì)三相電流和電壓進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)計(jì)一套電能質(zhì)量檢測(cè)裝置，該裝置前臺(tái)進(jìn)行電流、電壓值的采集，后臺(tái)軟件系統(tǒng)通過各種算法對(duì)采樣進(jìn)行分析，從而實(shí)時(shí)得到電、電壓、頻率及電壓波動(dòng)的值，并通過 LCD 顯示相關(guān)數(shù)值。檢測(cè)儀檢測(cè)出電能參數(shù)異常，檢測(cè)儀可以報(bào)警并把檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳，方便了對(duì)事故的處理，減少更大的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)今后相同時(shí)段、地段的電能變化也有了數(shù)據(jù)支持。它有很多的優(yōu)點(diǎn)：精簡(jiǎn)指令集，易學(xué)易用；八級(jí)硬件堆棧；具有同步串行口 I2C/SPI總線操作，可用于控制外部實(shí)時(shí)時(shí)鐘、 EEPROM。 (6) 通信模塊 CANBUS 是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，具有極高的可靠性，可用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播幾種方式傳遞和接 收數(shù)據(jù)。它的尋址方式簡(jiǎn)單：寄存器間接尋址、立即數(shù)尋址、直接尋址和位尋址。 高級(jí)的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換特性 ? 10 位，高達(dá) 8 個(gè)通道的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 (A/D)： — 休眠時(shí)可以轉(zhuǎn)換； — 8 個(gè)輸入通道可用； ? 模擬比較模塊：可編程多路輸入 /輸出技術(shù)； ? 比較器參考電壓模塊； ? 可編程的低電壓探測(cè)模塊 (LVD)：支持低電壓檢測(cè)時(shí)產(chǎn)生中斷； ? 可編程的鎖定復(fù)位 (BOR)。 (2) 復(fù)位電路 這是一個(gè)典型的低電平復(fù)位電路，當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，電容兩端電壓 不能發(fā)生突變，復(fù)位電路接芯片 1 腳復(fù)位，隨著電容的充電過程，電容兩端電壓逐漸升高，電容相當(dāng)于斷路，此時(shí) 1 腳達(dá)到正常工作的電壓時(shí)，芯片進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。 電壓和電流的檢測(cè) 本設(shè)計(jì)采用霍爾電流傳感器 CHB— 300S 和電壓傳感器 CHV— 100。從宏觀上看，次級(jí)的補(bǔ)償電流安匝數(shù)在任何時(shí)間都與初級(jí)被測(cè)電流的安匝數(shù)相等即： Np?Ip＋ Ns?Is＝ 0。 電壓傳感器的輸出端應(yīng)用與磁補(bǔ)償型電流傳感器相同，見圖 。 PICl8F458 單片機(jī)的片內(nèi) A/D 為單極性，因此要將交流信號(hào)經(jīng)過放大、濾波，再提升電位后才能送入單片機(jī)。 PIC18F458 的模數(shù)轉(zhuǎn) 換模塊 ADC 具有以下特性： 1) 它是一個(gè) 10 位的 ADC。 本系統(tǒng)引出 8 路模擬輸入通道，但只用到其中 6 路，具體分配情況見表 1。OP07 構(gòu)成的電壓跟隨器 ,起緩沖 、隔離、提高帶載能力的作用，由 LM393A 構(gòu)成一個(gè)過零比較電路將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與電壓信號(hào)頻率相同的方波信號(hào)以采集頻率信息， D D2 兩個(gè)反向穩(wěn)壓二極管起限定電平幅度的作用。它的優(yōu)點(diǎn)是電路接口比較簡(jiǎn)單，只需很少的外圍電路就可實(shí)現(xiàn) CAN 通信，受硬件限制比較少。非編碼式鍵盤可分獨(dú)立式鍵盤和行列式鍵盤兩種 。 S2S W P BS3S W P BS5S W P BR 134. 7ΩR 144. 7ΩR84. 7ΩR94. 7ΩS4S W P B19 202122V C C 圖 鍵盤電路設(shè)計(jì) 接口設(shè)計(jì) (1) 芯片介紹 在各種智能型儀器和便攜式產(chǎn)品中，除了顯示字符、數(shù)字之外，通常還需要顯示各種圖形、曲線及文字，并且可用實(shí)現(xiàn)上下左右滾動(dòng)、動(dòng)畫、閃爍及文本特征顯示等功能。 液晶的第 5 腳用于液晶顯示對(duì)比度的調(diào)節(jié)。接線方法見圖