【正文】 ........................... 24 單片微機(jī)的軟件設(shè)計(jì) ......................................................................................... 24 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .................................................................................................... 24 軟件過程設(shè)計(jì) .................................................................................................... 25 軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù) ......................................................................................... 25 寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） VII 系統(tǒng)軟件的具體設(shè)計(jì) ................................................................................................ 26 按鍵掃描及處理顯示模塊 .................................................................................. 26 功率因數(shù)測(cè)量及計(jì)算模塊 .................................................................................. 27 電壓、電流軟件同步采樣模塊 ........................................................................... 28 電壓、電流計(jì)算模塊 ......................................................................................... 31 時(shí)鐘模塊 ........................................................................................................... 32 5 運(yùn)行與調(diào)試 ............................................................................................................................ 33 系統(tǒng)的調(diào)試 .............................................................................................................. 33 單片機(jī)最小系統(tǒng)部分的調(diào)試 ............................................................................... 33 采樣單元的調(diào)試 ................................................................................................ 33 軟件的調(diào)試 ....................................................................................................... 34 測(cè)量數(shù)據(jù) .................................................................................................................. 35 結(jié)果分析 .................................................................................................................. 35 6 結(jié)束語 ................................................................................................................................... 37 致謝 .............................................................................................................................................. 38 參考文獻(xiàn) ....................................................................................................................................... 39 附錄 .............................................................................................................................................. 40 1 前言 電力監(jiān)測(cè)裝置的現(xiàn)狀 在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，電能的質(zhì)量越來越受到重視。 近二十年來，大量新型電子元器件的相繼出現(xiàn)，為電子式電能表的更新?lián)Q代奠定了基礎(chǔ)。這兩種顯示器可寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 顯示的內(nèi)容更多，逐步取代了傳統(tǒng)的繼電器、步進(jìn)電機(jī)和機(jī)械數(shù)碼輪顯示方式 [3]。軟件同步采樣法一般實(shí)現(xiàn)方法是：首先測(cè)出被測(cè)信號(hào)的周期 T，用該周期除以一周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù) N，得到采樣間隔，進(jìn)而確定定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，利用定時(shí)中斷方式實(shí)現(xiàn)同步采樣。在實(shí)際同步采樣系統(tǒng)中，要嚴(yán)格滿足式 (23)是很困難的。該方法不須對(duì)測(cè)量數(shù)學(xué)模型進(jìn)行任何修改 [8]。交流采樣是按照一定的規(guī)律對(duì)被測(cè)物理量的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，用一定的算法計(jì)算出被測(cè)物理量的有效值。根據(jù)微積分理論，任何一個(gè)滿足 Dirichlet 條件的函數(shù)都可以展開成傅立葉級(jí)數(shù)形式。 傅里葉變換法是將離散的采樣值經(jīng)過離散傅里葉變換 (DFT)轉(zhuǎn)換到頻域，求出基波和諧波分量，再求有效值及平均功率。換算得到信號(hào)的周期時(shí)間 T， F=1/T 得到頻率。 其對(duì)應(yīng)的過 程如圖 25 所示 ， 實(shí)際測(cè)量 Δ t 時(shí)，主要利用了單片機(jī)的計(jì)數(shù)和中斷功能。下面將各部分詳細(xì)介紹如下： 單片機(jī)最小系統(tǒng)部分 常用的單片機(jī)有 8 位機(jī)、 16 位機(jī)及 32 位 機(jī)。其中 C8051F020 以其功能較全面，應(yīng)用較廣泛的特點(diǎn)成為C8051F 的代表性產(chǎn)品，其性能價(jià)格比在目前應(yīng)用領(lǐng)域也極具競(jìng)爭(zhēng)力。 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。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。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。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。 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。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。 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。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? 。 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。 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。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]。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。 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。 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。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 。后備電源的供給采用高效鋰 電池。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。 RMS。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。 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)。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。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)。 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。 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。 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。繼續(xù)上述過程直至一個(gè)工頻周期的采樣完成。此算法運(yùn)算量小，可以用非常簡(jiǎn)單的硬件實(shí)現(xiàn)。 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。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]。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。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。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。端口 I/O、 /RST 和 JTAG 引腳都容許 5V 的輸入信號(hào)電壓 [16]。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。當(dāng) AD0EN 位為‘ 0’時(shí)， AD0C 子系統(tǒng)處于低功耗關(guān)斷方式。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)