【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 感器的精度可分為 , 等三級(jí)。本次設(shè)計(jì)采用的電壓互感器為 SPT204 型，額定輸出電壓為 20~20V。 2．電流互感器 測(cè)量高壓線路的電流，或測(cè)量大電流不宜將儀表直接接入電路，而用一臺(tái)有一定的電壓比的升壓變壓器，即電流互感器將高壓線路隔開(kāi)。電流互感器的一次側(cè)額定電流的范圍可為 5~25000，而次側(cè)的電流均為 5A 或1A。電流互感器存在變流比和相位倆種誤差。這些誤差也是由電流互感器本身的勵(lì)磁電流和漏阻抗及儀表的阻抗等一些因數(shù)引起的，也是從設(shè)計(jì)和材料倆方面著眼去減小這些誤差。本次設(shè)計(jì)采用的電流互感器型號(hào)為。其技 術(shù)參數(shù)為：額定一次側(cè)電流為 150~400A；額定二次側(cè)電流為 5A 或 1A。；額定電壓 . CPU 的選擇 本系統(tǒng)的 CPU 選擇 8098 單片機(jī)。 8098 是 MCS96 系列一種很實(shí)用的單片微型計(jì)算機(jī)。目前，在我過(guò)市場(chǎng)較為流行。由于它有很高的性?xún)r(jià)比和良好的工業(yè)應(yīng)用特性，越來(lái)越受到廣大微機(jī)用戶(hù)的重視。 8098 單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的核心組成元件，對(duì)該系統(tǒng)的可靠性，穩(wěn)定性等各項(xiàng)性能都起著非常重要的作用。 8098 單片機(jī)主要由以下個(gè)部分組成： 1) 中央處理單元 CPU 2) 地址寄存器單元 3) 特殊功能寄存器地址譯碼器 4) 存儲(chǔ)器控 制器 MCR 和程序計(jì)數(shù)器 SPC 5) 端口 3（ P3）端口 4（ P4） 6) 定時(shí)器單元 11 7) 高速輸入 /輸出通道（ HSI0HSI3） 8) 中斷控制單元 9) 串行接口單元 10) 10） D/A 轉(zhuǎn)換單元 11) 端口 0（ P0）和端口 2（ P2） 12) 多路轉(zhuǎn)換器 13) A/D 轉(zhuǎn)換單元 14) 時(shí)鐘發(fā)生器 上述 14 個(gè)單元都有明確分工，但它們又是一個(gè)有機(jī)的整體。在時(shí)鐘的指揮下， 8098 單片機(jī)既能對(duì)數(shù)字 /模擬信號(hào)進(jìn)行處理，又可以和外部世界交換信息。 8098 單片機(jī)是位準(zhǔn) 16 為單片機(jī)，與 MCS51 系列的單片機(jī)相比而言，其優(yōu)點(diǎn)是： 高效的指令系統(tǒng)： 8098 可進(jìn)行高速算術(shù)運(yùn)算， 16 位加 法只需 1us 就可完成。 16 位乘法和 32 位對(duì) 16 為的除法也只不過(guò)用 。這是 MCS51無(wú)法與之相比的。 自帶 4 通道 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，當(dāng)晶振為 12MHz 時(shí)， A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間為22us。 可編程高速輸入機(jī)構(gòu) HIS，可用內(nèi)部定時(shí)器為時(shí)鐘來(lái)控制記錄外部時(shí)間發(fā)生的信號(hào)，一共可記錄 8 個(gè)事件。 電壓和電流檢測(cè)電路 檢測(cè)電路主要檢測(cè)電網(wǎng)的電壓，電流，相位差，并將其值送入 8098單片機(jī)，以用來(lái)進(jìn)行下一不的計(jì)算。 1．電流檢測(cè)電路 如圖 所示，輸入電流 i 是由電流互感器檢測(cè)得到的。電流 i 經(jīng)過(guò)I/V 變換，變化成為 電壓信號(hào)。由于 8098 單片機(jī)對(duì)輸入的電壓信號(hào)有一定的范圍要求（ 0~5V）所以要將通過(guò) I/V 變換得 12 圖 電流檢測(cè)電路 來(lái)的電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。假定電流 i 經(jīng)過(guò) I/V 變換后得到的電壓為10~10V，因此，調(diào)理規(guī)則如下： ui=10V 時(shí)， Uo=0V ui=0V 時(shí)， Uo= ui=10V 時(shí)， Uo=5V 并計(jì)算各電阻值： ①當(dāng) ui=0 時(shí)， u+=u=0 若要使得輸出電壓 uo=, 令（ R5+R61`） /（ R6+R62`） =5/6 R61`和 R62`分別是電位器 R6`的倆側(cè)電阻值。 則 R6`滑頭電壓為 10V。再者： ()/R3=(u+10)/R4 得到 R3/R4=1/4。 所以可令： R6=1K， R5=8K， R6`=3K（滑頭處于 1/3 的位置） R3=1K， R4=4K。 ②當(dāng) ui=10V 時(shí)， uo=5V。 則有：（ uou） /R3=（ u +10） /R4。得到 u=u+=2V。 因此（ R2+R22`） /（ R1+R2+R2`） =1/5。 ③當(dāng) ui=10V 時(shí)， uo=0 則有：（ uou） /R3=（ u +10） /R4。得到 u=u+=2V。 因此（ R2+R22`） /（ R1+R2+R2`） =1/5。 結(jié)論與②相符。 因此可令： R1=6K， R2=1K， R2`=3K（滑頭處于 1/3 處）。 在本次設(shè)計(jì)中電流互感器的額定輸出電流為 1A，所以 R0=10。 13 因此電流信號(hào)經(jīng)過(guò) I/V 變換，和電壓調(diào)理電路后，就變成了 0~5V 的電壓信號(hào)，滿足了 8098 單片機(jī)的要求 2．電壓檢測(cè)電路 如圖 所示，電壓互感器輸出電壓為 ui 經(jīng)過(guò)差動(dòng)放大器放大后得到 10~10 的電壓，和電流檢測(cè)電路一樣，經(jīng)過(guò)電壓調(diào)理電路后得到 0~5V的電壓，再輸入到 8098 的模擬量輸入口。 圖 電壓檢測(cè)電路 R12=6K， R14=1K， R13=3K（滑頭處于 1/3 位置） R15=1K， R16=4K， R18=3K（滑頭處于 1/3 位置） R17=8K， R19=1K。 電壓互感器使用 SPT204 型，額定輸出電壓為 20~20V。所以在差動(dòng)放大器中，則可令 R9=4K， R11=2K， R10=4K。 電流和電壓信號(hào)在處理的前后波形圖下 所示。 圖 電流和電壓的波形圖 電流和電壓信號(hào)經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換后，輸入單片機(jī) 8098 的模擬輸入口。 3． A/D 轉(zhuǎn)換器 8098 單片機(jī)內(nèi)部的 A/D 轉(zhuǎn)換器有三部分組成：多路轉(zhuǎn)換器，采樣保持器和 10 位 ADC，其結(jié)構(gòu)圖如圖 。 14 圖 （ 1）多路轉(zhuǎn)換器 8098芯片的引腳 ACH7/~ACH4/量，而單片機(jī)內(nèi)部只有一個(gè)保持器和一個(gè) 10 位 ADC，它們?cè)谀骋粫r(shí)刻只能接待一種模擬信號(hào)，為此，需要多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)把關(guān)，因?yàn)槎嗦忿D(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)具有“多中選一”的功能。多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)受 A/D 命令寄存器控制。 在 8098 單片機(jī)中，有倆個(gè) 專(zhuān)用寄存器與 A/D 轉(zhuǎn)換器的工作情況直接相關(guān)，它們是 A/D 命令寄存器（ AD_COMMAND,8 位，地址 =02H）和 A/D 結(jié)果寄存器（ AD_RESULT， 16 位，地址 =02H， 03H）。 AD_COMMAND 的數(shù)據(jù)格式如圖 。在使用 AD_COMMAND 時(shí)應(yīng)注意以下問(wèn)題： ①向 02H 單元寫(xiě)入一條命令僅能進(jìn)行一個(gè)通道的 A/D 轉(zhuǎn)換，若需要多通道工作，必須分時(shí)多次寫(xiě)入命令。但應(yīng)該注意，當(dāng)某次轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行時(shí)，若啟動(dòng)另一次新的轉(zhuǎn)換，將會(huì)使正在進(jìn)行的轉(zhuǎn)換被取消。由于 AD_COMMAND為雙緩沖結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)命令啟動(dòng)的 A/D 轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行時(shí)，第二個(gè)命令照樣可以寫(xiě)入到該寄存器中，但此命令必須是由 HSO 所規(guī)定的時(shí)刻啟動(dòng)，保證上一次的轉(zhuǎn)換結(jié)束后在開(kāi)始轉(zhuǎn)換過(guò)程。 ②只要啟動(dòng)一次 A/D 轉(zhuǎn)換， A/D 結(jié)果寄存器便被清零。鑒于此，存放于 A/D 結(jié)果寄存器中的某一次轉(zhuǎn)換結(jié)果必須及時(shí)轉(zhuǎn)移，不然，上一次結(jié)果 15 未取走，后一次轉(zhuǎn)換過(guò)程又開(kāi)始，勢(shì)必造成原來(lái)的結(jié)果無(wú)效。 圖 AD_RESUL 的數(shù)據(jù)格式如圖 所示。該寄存器不能按字而只能按字節(jié)分倆次讀取。通常，可以采用查詢(xún)方式或中斷方式來(lái)判斷 A/D 轉(zhuǎn)換是否已經(jīng)結(jié)束，但是由于 8098 中的 A/D 轉(zhuǎn)換輸入口只要 ACH7 具有中斷功能，所以使用查詢(xún)法。 圖 （ 2）采樣保持器 采樣保持器的作用：強(qiáng)制外來(lái)采樣信號(hào)在一個(gè)采樣周期內(nèi)按照某中規(guī)律變化，或者說(shuō)，它可以解決倆個(gè)相鄰采樣點(diǎn)之間的差值問(wèn)題。 8098 單片機(jī)內(nèi)部的保持器為零階保持器，當(dāng)某一路模擬量進(jìn)入該采樣保持器后，其變化規(guī)律如圖 。圖中的曲線是原始模擬信號(hào)，折線是經(jīng)過(guò)保持器的加工后的模擬信號(hào)， T 代表采樣周期。 零階保持器的傳遞函數(shù)為 SeSH ST??? 1)(0。 圖 模擬量的采樣于保持 16 （ 3） 10 位 ADC 10 位 ADC 的輸入量來(lái)源于零階保持器，輸出量為 10 位數(shù)字信號(hào)。 10位 ADC 具有以下特點(diǎn)： ①逐次逼近法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其工作原理與廣為應(yīng)用 ADC0809 芯片基本相同，但轉(zhuǎn)換精度和分辨率明顯要高于 ADC0809。 ② 10 位 ADC 的啟動(dòng)信號(hào)取自 8098 芯片的內(nèi)部。啟動(dòng)后，外來(lái)的采樣模擬信號(hào)（經(jīng)過(guò)保持之后）與 10 位 ADC 內(nèi)部 D/A 轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的模擬信號(hào)逐位進(jìn)行比較，分辨一為要比較倆次，費(fèi)時(shí) 16T， 分辨 10 位共需要 160T?？紤]到存放轉(zhuǎn)換結(jié)果的時(shí)間為 8T，所以， 10 位 ADC 的總轉(zhuǎn)換時(shí)間 ?T 為168T。當(dāng)晶振頻率 fosc=12MHz 時(shí)， ?T =42μ s。顯然， CPU 若要讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，必須在 10 位 ADC 被啟動(dòng)后的 168T 之外。 ③轉(zhuǎn)換精度， 10 位 ADC 的 Vcc 應(yīng)與 VREF 分離。 VREF 的標(biāo)稱(chēng)值為 +5V，由單獨(dú)的穩(wěn)定電源供電。 設(shè)采樣模擬信號(hào)值為 Vin，模擬地與數(shù)字地共為一點(diǎn)，且其電平值為ANGNDV ，那么， 10 位 ADC 的轉(zhuǎn)換結(jié)果可以用下述公式計(jì)算： A N G N DREFA N G N DIN VV VVD ??? *1023 。 (31) 相位檢測(cè)電路 1．相位檢測(cè)原理 檢測(cè)線路圖如圖 所示，下面來(lái)介紹該裝置的工作原理。 （ 1）電流互感器的輸出電流經(jīng)過(guò)電阻后，接入運(yùn)算放大器 74LS3 的輸入端。而且該輸入端還并入了倆個(gè)正反向限幅二極管如次可檢測(cè)該相電流 （ 2）電壓經(jīng)過(guò)電壓互感器后接至另一個(gè)運(yùn)算放大器的輸入端，這樣便把該相的電壓和電流的正弦波轉(zhuǎn)換成為方波，因此倆個(gè)運(yùn)放構(gòu)成波形轉(zhuǎn)換 環(huán)節(jié)。 （ 3）算放大器的輸出，經(jīng)過(guò)光電耦合 TSL117 隔離后，輸入到 8098單片機(jī)的高速輸入端（ HSI0， HSI1）由單片機(jī)進(jìn)行編程運(yùn)算得到相位差和功率因數(shù)。 17 圖 相位檢測(cè)原理圖 其波形圖如圖 所示 圖 相位檢測(cè)波形圖 下面來(lái)講解一下 8098 單片機(jī)高速輸入口 HSI 的原理 2．高速輸入 HSI 口 8098 的 HSI 口與普通的輸入端口相比，具有以下特點(diǎn)： HIS 不僅能檢測(cè)某輸入線上的狀態(tài)變化，而且能同時(shí)記錄狀態(tài)變化發(fā)生的 時(shí)刻； HSI 內(nèi)部的 FIFO 寄存器和保持寄存器一起，可記錄多達(dá) 8 個(gè)時(shí)間。，供 CPU 在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻讀取和處理。 HSI 有四條輸入線，每條線均可檢測(cè) 4 種方式的狀態(tài)變化。 輸入引腳的控制 HIS 共有 4 個(gè)輸入引腳，即 HSI0~HSI3，其中 HSI2， HSI3 與 HSO4， HSO5復(fù)用，其功能的選擇分別有 IOC0， IOC1 控制。各引腳可單獨(dú)開(kāi)放或關(guān)閉，由 IOC1 的相位來(lái)控制。如圖 ，若引腳的功能被關(guān)閉，則此引腳上觸發(fā)的事件將不能進(jìn)入 FIFO 隊(duì)列中。 18 圖 引腳 功能的控制 HSI 有關(guān)的特殊功能寄存器 （ 1）定時(shí)器 T1（ 0AH，只讀） T1 是 HSI 記錄外部事件發(fā)生時(shí)刻的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。 （ 2） HSI 方式寄存器 每條高速輸入線均有 4 中事件觸發(fā)方式，由高速輸入方式寄存器（ HISMODE）負(fù)責(zé)選定。圖 為該方式寄存器各位的分布情況。由圖可見(jiàn)，每條高速輸入均有倆個(gè)方式選擇位，所謂方式選擇位，就是定義何種輸入信號(hào)作為一個(gè)應(yīng)當(dāng)記錄的事件， 4 種事件觸發(fā)方式定義如下： 方式選擇位 事件定義 00 8 個(gè)正跳變?yōu)橐皇录? 01 每個(gè)正跳變?yōu)橐皇录? 10 每個(gè)負(fù)跳變?yōu)橐皇录? 11 每個(gè)跳變（無(wú)論正負(fù)