【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 發(fā)，用數(shù)值積分近似代替連續(xù)積分進(jìn)行計(jì)算的方法。采用積分法微機(jī)計(jì)算量較小，裝置實(shí)時(shí)性好，適合以單片機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)。故結(jié)合實(shí)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(jī)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(jì)算信號(hào)的有效值，并使用偏差累積增量法改進(jìn)軟件同步算法，進(jìn)而計(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流測(cè)量。通過電壓互感器對(duì)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(yùn)放跟隨、全波整流，放大后送入A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)計(jì)算得到有效值。該方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)負(fù)載的電壓、電流大小影響小。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]。 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(cè)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(gè)電阻，在其中一個(gè)電阻兩端進(jìn)行取樣。該方法的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)對(duì)回路產(chǎn)生相位測(cè)量誤差，并且操作方便；缺點(diǎn)是會(huì)對(duì)副邊電流產(chǎn)生影響，但在經(jīng)過計(jì)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(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。方案二： 可編程計(jì)數(shù)器T0來實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量方案將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)輸入INT0端口，作為計(jì)數(shù)器的門控信號(hào)，在脈沖下降沿中斷，單片機(jī)定時(shí)器開始計(jì)數(shù)，下一次中斷時(shí)停止計(jì)數(shù)。換算得到信號(hào)的周期時(shí)間T，F(xiàn)=1/T得到頻率。方案三： 可編程計(jì)數(shù)器T2來實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量方案將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)輸入T2EX端口，作為計(jì)數(shù)器的控制信號(hào)，使定時(shí)器、計(jì)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(jì)數(shù)，每次溢出時(shí)置“1”EXF2，溢出周期為固定的，讀出RCAP2L和RCAP2H，換算可得到信號(hào)的周期時(shí)間T，F(xiàn)=1/T得到頻率。該方案硬件簡(jiǎn)單且頻率測(cè)量精度高。由于工頻電網(wǎng)頻率較低約為50HZ，故采用測(cè)周期取倒數(shù)的方法得到頻率。直接采用單片機(jī)計(jì)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(cè)周期采用周期倒數(shù)的辦法求頻率，這樣測(cè)量精度為1/N(N為單片機(jī)20ms計(jì)數(shù)值大概為18432)%。方案一測(cè)量精度不高，故放棄。而方案二需同時(shí)使用定時(shí)器、計(jì)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(shí)器、計(jì)數(shù)器T2，編程簡(jiǎn)單、資源占用少，所以選擇方案三測(cè)量頻率。 功率因數(shù)測(cè)量原理要檢測(cè)供電系統(tǒng)中的功率因數(shù)，只須測(cè)量?jī)蓚€(gè)同頻率正弦信號(hào)的相位差[15]。如圖24所示： 圖24 電壓與電流的時(shí)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(cè)出Δt值。就可用下式求得相位差其中為電壓信號(hào)與電流信號(hào)過零點(diǎn)的時(shí)間差。因此，問題的關(guān)鍵是求時(shí)間差Δt。為此，把兩個(gè)正弦交流信號(hào)通過零檢測(cè)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(shí)間Δt。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?？梢?，若將檢測(cè)到的電網(wǎng)電壓、電流經(jīng)波形變換為方波信號(hào)后，利用單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)檢測(cè)兩方波前沿的時(shí)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(duì)應(yīng)的過程如圖25所示，實(shí)際測(cè)量Δt時(shí)，主要利用了單片機(jī)的計(jì)數(shù)和中斷功能。圖25 電壓、電流由正弦信號(hào)變成方波信號(hào) 功率因數(shù)測(cè)量法選擇方案一：將電壓、電流信號(hào)分別經(jīng)過過零比較器，產(chǎn)生TTL信號(hào)。方波的上升沿和下降沿分別與振蕩正弦波信號(hào)的正負(fù)過零點(diǎn)對(duì)應(yīng)，產(chǎn)生的兩個(gè)TTL信號(hào)作為單片機(jī)的兩個(gè)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(jí)高于外部中斷1。單片機(jī)開機(jī)后等待外部中斷INT0及INT1，當(dāng)INT0中斷響應(yīng)時(shí)，定時(shí)器、計(jì)數(shù)器T0開始計(jì)數(shù)，當(dāng)INT1中斷響應(yīng)后，定時(shí)器、計(jì)數(shù)器T0停止計(jì)數(shù)，此時(shí)，T0中的值便是與相位差相對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值。方案二：將電壓、電流信號(hào)分別經(jīng)過過零比較器產(chǎn)生TTL信號(hào)，把電壓信號(hào)和電流信號(hào)進(jìn)行異或后與單片機(jī)的INT0相連，利用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器T0在INT0高電平時(shí)才允許計(jì)數(shù)，在下降沿時(shí)觸發(fā)INT0中斷，而停止計(jì)數(shù)，讀出的計(jì)數(shù)值N1，進(jìn)行換算后可得Δt，進(jìn)行相位差計(jì)算。方案三：將電壓、電流信號(hào)分別經(jīng)過過零比較器，產(chǎn)生TTL信號(hào)，將電壓U支路與單片機(jī)的INT0腳相連，利用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器T0在INT0高電平時(shí)才允許計(jì)數(shù)，在下降沿時(shí)觸發(fā)INT0中斷，而停止計(jì)數(shù)，讀出半個(gè)周期的計(jì)數(shù)值N1。電流I支路與單片機(jī)的INT1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)就停止計(jì)數(shù)，讀出相應(yīng)的計(jì)數(shù)值N2，N2N1即為時(shí)間Δt。以上三種方案的基本原理一樣，都是通過利用單片機(jī)的中斷和計(jì)數(shù)器來求取電壓電流的相位差。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。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(cè)出電壓和電流的相位差。 電能計(jì)算原理對(duì)于一個(gè)負(fù)荷，在時(shí)段內(nèi)消耗的電能W可以表示為瞬時(shí)功率在該時(shí)段上的積分： (233)對(duì)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(jì)算的時(shí)間差，為在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)必須計(jì)算準(zhǔn)確，故本設(shè)計(jì)采用每秒計(jì)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(jì)到3600時(shí)，電能值加1，這樣可以得到比較準(zhǔn)確的電能計(jì)算值[2]。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。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(jì)具體包括單片機(jī)最小系統(tǒng)部分（鍵盤、顯示）、信號(hào)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(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)。由于我們的系統(tǒng)中CPU負(fù)擔(dān)并不重，所以8位機(jī)就夠了。常用的8位單片機(jī)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?cè)谟布Y(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(shì)。隨著微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，C8051F系列單片機(jī)技術(shù)體現(xiàn)了單片機(jī)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(chǔ)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(jī)電力運(yùn)行參數(shù)測(cè)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(duì)電壓信號(hào)、電流信號(hào)采樣，把它們轉(zhuǎn)換成適合微機(jī)處理的信號(hào)，在設(shè)計(jì)具體電路時(shí)要考慮便于與單片機(jī)連接，故本系統(tǒng)采用C8051F020單片機(jī)構(gòu)成了一個(gè)帶數(shù)碼管顯示與鍵盤的單片機(jī)最小系統(tǒng)。最小系統(tǒng)方框圖如圖32：圖32 單片機(jī)最小系統(tǒng)方框圖C8051F020在本系統(tǒng)中應(yīng)用的接口設(shè)計(jì)：216。 AIN00接全波整流后的電壓信號(hào)；216。 AIN01接全波整流后的電流信號(hào)；216。 ；216。 ；216。 ；216。 ；216。 ；216。 ；216。 ；C8051F020介紹80C51系列單片機(jī)及其衍生產(chǎn)品在我國(guó)乃至全世界范圍獲得了非常廣泛的應(yīng)用。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。隨著單片機(jī)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)了很多高速、高性能的新型單片機(jī)，基于標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核的單片機(jī)正面臨著退出市場(chǎng)的境地。為此，一些半導(dǎo)體公司開始對(duì)傳統(tǒng)8051內(nèi)核進(jìn)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(jī)的整體性能。其中美國(guó)Cygnal公司推出的C8051F系列單片機(jī)把80C51系列單片機(jī)從MCU時(shí)代推向SoC時(shí)代，使得以8051為內(nèi)核的單片機(jī)上了一個(gè)新的臺(tái)階。 C8051F系列單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)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(yùn)行速度是8051的12倍。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。但是不能將8051的程序完全照搬的應(yīng)用于C8051F單片機(jī)中，這是因?yàn)閮烧叩膬?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(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。C8051F020器件是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，具有64個(gè)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(dá)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(gè)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(chǔ)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(chǔ)器接口216。 硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBus/ I2C 和兩個(gè)UART串行接口216。 5個(gè)通用的16 位定時(shí)器216。 具有5個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列216。 片內(nèi)看門狗定時(shí)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(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的C8051F020 是真正能獨(dú)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(chǔ)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(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)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(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、單步及運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用JTAG 調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。每個(gè)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(hào)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(dú)立式按鍵接口設(shè)計(jì)”、“矩陣式接口設(shè)計(jì)” 和“專用芯片式設(shè)計(jì)”幾種。獨(dú)立式按鍵接口設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)是電路配置靈活，軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但效率不高。矩陣式接口按鍵優(yōu)點(diǎn)是可提供的按鍵多，但軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。專用鍵盤芯片可以綜合獨(dú)立式按鍵接口設(shè)計(jì)電路配置靈活，軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，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(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。顯示的數(shù)據(jù)已經(jīng)通過測(cè)量電路測(cè)量和轉(zhuǎn)換以及通過相應(yīng)的計(jì)算處理，存儲(chǔ)在指定的RAM中，當(dāng)主程序執(zhí)行到顯示模塊時(shí)，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的顯示子程序。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。ZLG7289B內(nèi)部含有顯示譯碼器，可直接接受BCD碼或16進(jìn)制碼，并同時(shí)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(hào)，多片ZLG7289B還可以并接在一起使用，能夠方便地實(shí)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(diǎn)：216。 串行接口無需外圍元件可直接驅(qū)動(dòng)LED216。 各位獨(dú)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(dú)立LED216。 64鍵鍵盤控制器內(nèi)含去抖動(dòng)電路 電壓、電流信號(hào)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(diǎn)，電壓取樣電路可采用并聯(lián)在電源兩端來實(shí)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(shí)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(shí)別正負(fù)交替的交流信號(hào)，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(shí)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(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。把他們送進(jìn)單片機(jī)，可以通過軟件的計(jì)算使信號(hào)有漂移時(shí)所得的兩種幅值相互補(bǔ)償，提高了測(cè)量的精度。所以，本設(shè)計(jì)中將從變壓器副邊采樣得來的電壓信號(hào)通過放大轉(zhuǎn)換、全波整流后送入單片機(jī)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(hào)，送到過零檢測(cè)電路中。過零檢測(cè)電路主要是由LM339運(yùn)算放大器芯片完成的。