【文章內(nèi)容簡介】 發(fā)，用數(shù)值積分近似代替連續(xù)積分進行計算的方法。采用積分法微機計算量較小，裝置實時性好，適合以單片機為核心進行設(shè)計。故結(jié)合實際，在借鑒現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)利用C8051F020單片機方案，并采用工程上常用的數(shù)值積分算法，軟件同步采樣將連續(xù)函數(shù)離散化來計算信號的有效值，并使用偏差累積增量法改進軟件同步算法，進而計算系統(tǒng)電壓、電流有效值等 [4] [13]。 子模塊方案選擇 電流電壓的取樣方案方案一：隔離采樣的方案 采用電壓互感器、電流互感器分別實現(xiàn)對電壓、電流測量。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。如圖所示通過運放跟隨、全波整流，放大后送入A/D轉(zhuǎn)換，單片機計算得到有效值。該方法的優(yōu)點是對負(fù)載的電壓、電流大小影響小。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]。 圖22 隔離采樣原理圖方案二：電阻分壓方案電流采樣電路采用在變壓器副邊串入一定數(shù)值的電阻，并取樣該電阻兩端分壓，通過測量來反映電流值；電壓采樣電路采用在變壓器副邊并入一定數(shù)值的兩個電阻，在其中一個電阻兩端進行取樣。該方法的優(yōu)點是不會對回路產(chǎn)生相位測量誤差，并且操作方便；缺點是會對副邊電流產(chǎn)生影響，但在經(jīng)過計算比較后發(fā)現(xiàn)影響不大。圖23 電阻分壓采樣原理圖由于給定的28V交流電壓是經(jīng)過互感得到的，可以不再考慮電網(wǎng)隔離問題，而且電壓互感存在產(chǎn)生不確定的相移，雖然可以用程序修正，但帶來不必要的麻煩。因此我們采用方案二電阻直接分壓的方式。 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。方案二： 可編程計數(shù)器T0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INT0端口，作為計數(shù)器的門控信號，在脈沖下降沿中斷，單片機定時器開始計數(shù)，下一次中斷時停止計數(shù)。換算得到信號的周期時間T，F(xiàn)=1/T得到頻率。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(xiàn)=1/T得到頻率。該方案硬件簡單且頻率測量精度高。由于工頻電網(wǎng)頻率較低約為50HZ，故采用測周期取倒數(shù)的方法得到頻率。直接采用單片機計數(shù)的辦法可能得到的誤差為1/50=2%，誤差較大。采用方案二，首先測周期采用周期倒數(shù)的辦法求頻率，這樣測量精度為1/N(N為單片機20ms計數(shù)值大概為18432)%。方案一測量精度不高，故放棄。而方案二需同時使用定時器、計數(shù)器T0和外部中斷0，使用資源較多而增加編程難度，使用方案三，只需使用定時器、計數(shù)器T2，編程簡單、資源占用少，所以選擇方案三測量頻率。 功率因數(shù)測量原理要檢測供電系統(tǒng)中的功率因數(shù)，只須測量兩個同頻率正弦信號的相位差[15]。如圖24所示： 圖24 電壓與電流的時間差Δt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Δt值。就可用下式求得相位差其中為電壓信號與電流信號過零點的時間差。因此，問題的關(guān)鍵是求時間差Δt。為此，把兩個正弦交流信號通過零檢測器轉(zhuǎn)換為相同頻率的方波，取其正半周，其波形如圖24所示。在一般的感性負(fù)載電路中，電流總是滯后電壓一段時間Δt。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?？梢?，若將檢測到的電網(wǎng)電壓、電流經(jīng)波形變換為方波信號后，利用單片機測控系統(tǒng)檢測兩方波前沿的時間差值Δt，即得相位差為，Δt的單位為ms，從而可得電網(wǎng)功率因數(shù)。其對應(yīng)的過程如圖25所示，實際測量Δt時，主要利用了單片機的計數(shù)和中斷功能。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。方波的上升沿和下降沿分別與振蕩正弦波信號的正負(fù)過零點對應(yīng)，產(chǎn)生的兩個TTL信號作為單片機的兩個外部中斷源。中斷觸發(fā)方式為脈沖下降沿觸發(fā)方式，且外部中斷0優(yōu)先級高于外部中斷1。單片機開機后等待外部中斷INT0及INT1，當(dāng)INT0中斷響應(yīng)時，定時器、計數(shù)器T0開始計數(shù)，當(dāng)INT1中斷響應(yīng)后，定時器、計數(shù)器T0停止計數(shù)，此時，T0中的值便是與相位差相對應(yīng)的計數(shù)值。方案二：將電壓、電流信號分別經(jīng)過過零比較器產(chǎn)生TTL信號，把電壓信號和電流信號進行異或后與單片機的INT0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)，讀出的計數(shù)值N1，進行換算后可得Δt，進行相位差計算。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。電流I支路與單片機的INT1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，N2N1即為時間Δt。以上三種方案的基本原理一樣，都是通過利用單片機的中斷和計數(shù)器來求取電壓電流的相位差。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。從系統(tǒng)組成可以看出，該電路的負(fù)載是接近線性的，利用上述方法可以比較準(zhǔn)確的測出電壓和電流的相位差。 電能計算原理對于一個負(fù)荷，在時段內(nèi)消耗的電能W可以表示為瞬時功率在該時段上的積分： (233)對上式離散化可得： (234)其中，則式(227)可改為 (235)其中，P為有功功率，則上式即為所求的有功電能，為計算的時間差，為在各個時間點必須計算準(zhǔn)確，故本設(shè)計采用每秒計算保存一次的方法，即，因有功功率的單位為kW，l度電能定義為1kwh，即3600kWS，故則當(dāng)上式值累計到3600時，電能值加1，這樣可以得到比較準(zhǔn)確的電能計算值[2]。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。系統(tǒng)整體的方框圖如圖31所示：圖31 系統(tǒng)框圖硬件設(shè)計具體包括單片機最小系統(tǒng)部分（鍵盤、顯示）、信號采集部分、數(shù)模轉(zhuǎn)換部分。下面將各部分詳細(xì)介紹如下： 單片機最小系統(tǒng)部分常用的單片機有8位機、16位機及32位機。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。常用的8位單片機有很多種：如Intel公司的8058031系列，ATMEL公司的89系列及Cygnal公司推出的C8051F系列。雖然它們在硬件結(jié)構(gòu)上相似，但在功耗、抗干擾、內(nèi)部模擬和數(shù)字資源等方面后者都占較大優(yōu)勢。隨著微電子技術(shù)的不斷進步，C8051F系列單片機技術(shù)體現(xiàn)了單片機集多種器件和多種功能于一身，從“片自為戰(zhàn)”向片上系統(tǒng)過渡的發(fā)展方向?？紤]到我們所需要的程序存儲器的空間以及內(nèi)存單元，選擇了C8051F020作為該系統(tǒng)的控制器。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。其硬件裝置的作用是對電壓信號、電流信號采樣，把它們轉(zhuǎn)換成適合微機處理的信號，在設(shè)計具體電路時要考慮便于與單片機連接，故本系統(tǒng)采用C8051F020單片機構(gòu)成了一個帶數(shù)碼管顯示與鍵盤的單片機最小系統(tǒng)。最小系統(tǒng)方框圖如圖32：圖32 單片機最小系統(tǒng)方框圖C8051F020在本系統(tǒng)中應(yīng)用的接口設(shè)計：216。 AIN00接全波整流后的電壓信號；216。 AIN01接全波整流后的電流信號；216。 ；216。 ；216。 ；216。 ；216。 ；216。 ；216。 ；C8051F020介紹80C51系列單片機及其衍生產(chǎn)品在我國乃至全世界范圍獲得了非常廣泛的應(yīng)用。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。隨著單片機的不斷發(fā)展，市場上出現(xiàn)了很多高速、高性能的新型單片機，基于標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核的單片機正面臨著退出市場的境地。為此，一些半導(dǎo)體公司開始對傳統(tǒng)8051內(nèi)核進行大的構(gòu)造，主要是提高速度和增加片內(nèi)模擬和數(shù)字外設(shè)，以期大幅度提高單片機的整體性能。其中美國Cygnal公司推出的C8051F系列單片機把80C51系列單片機從MCU時代推向SoC時代，使得以8051為內(nèi)核的單片機上了一個新的臺階。 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。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。但是不能將8051的程序完全照搬的應(yīng)用于C8051F單片機中，這是因為兩者的內(nèi)部資源存在較大的差異，必須經(jīng)過加工才能予以使用。其中C8051F020以其功能較全面，應(yīng)用較廣泛的特點成為C8051F的代表性產(chǎn)品，其性能價格比在目前應(yīng)用領(lǐng)域也極具競爭力。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。下面列出了一些主要特性：216。 高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP51內(nèi)核（可達25MIPS）216。 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）216。 真正12 位、100 ksps的8通道ADC，帶PGA和模擬多路開關(guān)216。 真正8 位500 ksps 的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關(guān)216。 兩個12 位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式216。 64K字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器216。 4352（4096+256）字節(jié)的片內(nèi)RAM216。 可尋址64K字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口216。 硬件實現(xiàn)的SPI、SMBus/ I2C 和兩個UART串行接口216。 5個通用的16 位定時器216。 具有5個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列216。 片內(nèi)看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器具有片內(nèi)VDD 監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的C8051F020 是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能/禁止和配置。FLASH 存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051固件。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。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。在使用JTAG 調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運行。每個MCU 都可在工業(yè)溫度范圍（45℃到+85℃） 的電壓工作。端口I/O、/RST 和JTAG 引腳都容許5V 的輸入信號電壓[16]。圖33 C8051F020 原理框圖 鍵盤顯示部分常用的按鍵接口一般分為“獨立式按鍵接口設(shè)計”、“矩陣式接口設(shè)計” 和“專用芯片式設(shè)計”幾種。獨立式按鍵接口設(shè)計優(yōu)點是電路配置靈活，軟件實現(xiàn)簡單，但效率不高。矩陣式接口按鍵優(yōu)點是可提供的按鍵多，但軟件實現(xiàn)復(fù)雜。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。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。顯示的數(shù)據(jù)已經(jīng)通過測量電路測量和轉(zhuǎn)換以及通過相應(yīng)的計算處理，存儲在指定的RAM中，當(dāng)主程序執(zhí)行到顯示模塊時，執(zhí)行對應(yīng)的顯示子程序。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。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。此外，還具有多種控制指令，如消隱﹑閃爍﹑左移﹑右移﹑段尋址等。ZLG7289B采用SPI串行總線與微控制器接口，僅占用少數(shù)幾根I/O口線。利用片選信號，多片ZLG7289B還可以并接在一起使用，能夠方便地實現(xiàn)多于8位的顯示或多于64只按鍵的應(yīng)用。圖34 ZLG7289典型應(yīng)用電路原理圖ZLG7289特點：216。 串行接口無需外圍元件可直接驅(qū)動LED216。 各位獨立控制譯碼/不譯碼及消隱和閃爍屬性216。 循環(huán)左移/循環(huán)右移指令216。 具有段尋址指令方便控制獨立LED216。 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)。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]。原理圖如圖35所示：圖35 電壓電流采樣電路圖 電壓、電流全波整流電路由于A/D轉(zhuǎn)換器不能識別正負(fù)交替的交流信號，需用整流電路來處理。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]。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。把他們送進單片機，可以通過軟件的計算使信號有漂移時所得的兩種幅值相互補償，提高了測量的精度。所以，本設(shè)計中將從變壓器副邊采樣得來的電壓信號通過放大轉(zhuǎn)換、全波整流后送入單片機的A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量[9]。 電壓、電流正弦波過零比較電路從變壓器副邊采樣得到的電壓與電流信號，送到過零檢測電路中。過零檢測電路主要是由LM339運算放大器芯片完成的。