【導(dǎo)讀】本系統(tǒng)應(yīng)用DSP制作交流采樣電路，使其實(shí)現(xiàn)高速、準(zhǔn)確的交流采樣，通過(guò)軟。件控制實(shí)現(xiàn)模擬微機(jī)保護(hù)跳閘功能。述設(shè)計(jì)，能夠完成對(duì)交流信號(hào)的采集、處理并將所需數(shù)值顯示出來(lái)。

　　

【正文】 5V 電源的設(shè)計(jì) 圖 LM2596 5V電源設(shè)計(jì)圖 圖中： C1=680μ F C2=220μ F L=33μ H 二極管： IN5824 電路搭建完成后，輸入 12V 電壓，通過(guò)示波器可觀察到電路輸出電壓為 5V,峰峰值電 27 壓為 150mV 左右，最大輸出電流為 3A，可以滿(mǎn)足需要 12V電源的芯片的需求。 繼電保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 由于 DSP I/O 口的驅(qū)動(dòng)能力不足以驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，所以我們利用三極管對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，在 I/O口之間加入一個(gè)電阻目的在于減小 I/O 口的輸出電流，而續(xù)流二極管的作用是防止繼電器動(dòng)作瞬間由于繼電器線(xiàn)圈的反向電動(dòng)勢(shì)擊穿三極管。 圖 跳閘繼電器設(shè)計(jì)圖 當(dāng) DSP 通過(guò) I/O 口發(fā)出跳閘指令時(shí)繼電器應(yīng)該立即跳開(kāi)切斷故障線(xiàn)路。繼電保護(hù)電路由繼電器、三極管 、續(xù)流二極管、電阻組成，線(xiàn)路連接如下圖所示。三極管 C級(jí)接 5V電源， B 級(jí)接 DSP 信號(hào)， E 接繼電器線(xiàn)圈的一個(gè)管腳。繼電器線(xiàn)圈的另一個(gè)管腳接地，并在繼電器線(xiàn)圈兩個(gè)引腳的兩端反向接入一個(gè)續(xù)流二極管。當(dāng) DSP 的 I/O 口輸出的 高電平信號(hào)時(shí)，高電平信號(hào)從 A進(jìn)入三極管，三極管導(dǎo)通，繼電器動(dòng)作。當(dāng) I/O 口輸出低電平時(shí)，三極管斷開(kāi)，繼電器觸點(diǎn)跳開(kāi)。 合閘電路的設(shè)計(jì) 合閘電路由一個(gè)上拉電阻和一個(gè)開(kāi)關(guān)組成。如圖所示，電阻與開(kāi)關(guān)串聯(lián)，電阻的另一端接高電平，開(kāi)關(guān)的另一端接低電平，電阻與開(kāi)關(guān)之間的一條線(xiàn)接 I/O 口。當(dāng)開(kāi)關(guān) 斷開(kāi)時(shí)， I/O 口通過(guò)電阻與高電平相連。由于沒(méi)有電流流過(guò)電阻，所以電阻的壓降為零， I/O口電平與高電平點(diǎn)相等。當(dāng)開(kāi)關(guān)被按下時(shí)，線(xiàn)路中產(chǎn)生電流，電流從高電平點(diǎn)流出，通過(guò)電阻和開(kāi)關(guān)，流入接地點(diǎn)。電阻上的壓降為高電平點(diǎn)的電壓，此時(shí) A點(diǎn)的電勢(shì)與接地點(diǎn)相等，即為低電平。 28 圖 合閘按鈕設(shè)計(jì)圖 數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì) 顯示電路主要是為了顯示采集的電壓和電流信號(hào)的大小以及線(xiàn)路上的負(fù)載大小。綜合經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性考慮選用數(shù)碼管顯示。選擇使用 74ls164 移位寄存器作為數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)芯片。由于需要顯示三個(gè)值，總共需要 用到十個(gè)數(shù)碼管，因?yàn)?164 芯片的可以通過(guò)移位功能將顯示信號(hào)傳遞下去，所以十個(gè)數(shù)碼管只需要一根數(shù)據(jù)線(xiàn)和一根時(shí)鐘線(xiàn)就能被控制顯示出來(lái)，程序也不復(fù)雜。 圖 74ls164級(jí)聯(lián)示意圖 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 本次軟件設(shè)計(jì)主要由鍵盤(pán)輸入程序、 LCD 液晶顯示程序、 AD 采樣程序、通信程序構(gòu)成。整個(gè)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)包括主程序模塊，初始化子程序模塊和中斷服務(wù)程序模塊。主程序模塊主要包括鍵盤(pán)掃描模塊和顯示模塊。初始化子程序模塊的功能主要是設(shè)置各個(gè)寄存器，使系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)要求正常工作，并對(duì)各種變量進(jìn)行初始化。主程序主要 是調(diào) 29 用初始化子程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行初始化，并啟動(dòng)系統(tǒng)中使用的定時(shí)器，然后進(jìn)入循環(huán)體，查詢(xún)鍵盤(pán)狀態(tài)和調(diào) 用顯示子程序并等待系統(tǒng)中斷。當(dāng)發(fā)生中斷時(shí)優(yōu)先去執(zhí)行中斷服務(wù)程序 ,中斷服務(wù)程序模塊包括 A/D 采樣模塊、算法模塊及與 PC 機(jī)的串行通信模塊。在串行口中斷中，主要完成與主機(jī)的信息傳送與顯示工作。其基本思路為：先通過(guò)鍵盤(pán)選擇是進(jìn)行通信還是測(cè)量，如果選擇通信則調(diào)用通信子程序?qū)⒈４嬖跀?shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的計(jì)算得到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)；如果選擇測(cè)量，則先通過(guò)鍵盤(pán)輸入所要選的中性點(diǎn)接地系統(tǒng)類(lèi)型并用 LCD 進(jìn)行顯示；在對(duì)零序電壓，零序電流進(jìn)行采集 ，利用均方根值法對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出零序電流的有功分量和無(wú)功分量的有效值，再根據(jù)附加電阻測(cè)量絕緣阻抗的計(jì)算公式計(jì)算電阻 r 和電容 c 值，最后算出電網(wǎng)電容電流和電網(wǎng)對(duì)地絕緣電阻電流。最后由 LCD 顯示 ?cI 、 ?rI ，返回主程序循環(huán)執(zhí)行。 30 第四章 系統(tǒng)的硬件調(diào)試和系統(tǒng)測(cè)試 系統(tǒng)硬件的調(diào)試 硬件系統(tǒng)的調(diào)試分為三個(gè)部分，第一是采樣電路的調(diào)試，第二是顯示電路的調(diào)試，第三是繼電保護(hù)電路的調(diào)試。 采樣電 路的調(diào)試 將采樣電路分為兩個(gè)部分分別調(diào)試。首先將電源輸入端插入插座，對(duì)比變壓器一次側(cè)與電壓互感器二次側(cè)的電壓值，得出其電壓變比。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，變比為 1/133，與設(shè)計(jì)值1/ 相近，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 將電流互感器的一次側(cè)接入低壓負(fù)載，運(yùn)用調(diào)壓器和滑動(dòng)變阻器調(diào)整一次側(cè)電流，檢查其線(xiàn)性度和飽和電流。 將信號(hào)發(fā)生器接入運(yùn)放電路的輸入端，將示波器接到運(yùn)放的輸出端。首先將波形發(fā)生器的波形調(diào)為 0v，調(diào)整偏置電壓，將在示波器中觀測(cè)，使得波形穩(wěn)定在 。再將波形調(diào)為最大值為 ，最小值為 的正弦波，然后通過(guò) 示波器觀測(cè)其輸出端的波形。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，輸出波形為最大值為 ，最小值為 ，與設(shè)計(jì)值最大值為 ，最小值為 相近。 由于電子元件產(chǎn)生的誤差將在程序中給予矯正。 顯示電路的調(diào)試 顯示電路有四根對(duì)外接線(xiàn)，分別為信號(hào)、時(shí)鐘、 5v 電源、接地。首先將四根連線(xiàn)連入 DSP，在程序中輸入指令讓數(shù)碼管顯示十個(gè)“ 8”，檢查焊點(diǎn)是否出現(xiàn)虛焊、漏焊。然后修改程序程序，讓數(shù)碼管顯示“ 09”十個(gè)數(shù)字，檢查數(shù)碼管段碼是否有錯(cuò)。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)顯示電路可以正常工作。 繼電保護(hù)電路的調(diào)試 跳閘繼電器電路 的調(diào)試：連接采樣板的電源，用連接電源的一根引線(xiàn)碰觸三極管的 b引腳，通過(guò)觀察指示燈的顏色可以知道繼電器的開(kāi)合狀態(tài)，并且能聽(tīng)到聲音。 合閘按鈕部分的調(diào)試：將萬(wàn)用表調(diào)至 20V 直流檔，一個(gè)表筆接地，另一個(gè)表筆接到信號(hào)輸出端。在沒(méi)有按下按鈕時(shí)，測(cè)得電壓為 5v，當(dāng)按下按鈕時(shí)，測(cè)得電壓為 0v，說(shuō)明電路工作正常。 31 系統(tǒng)誤差分析 （ 1） 實(shí)驗(yàn)一： 實(shí)物如圖 所示： 4． 1 220v 系統(tǒng)誤差分析 調(diào)整調(diào)壓器，使輸入電壓有效值為 220V，電流有效值為 。在這個(gè)工作環(huán)境下程序運(yùn)行結(jié)果如表 41所示： 表 41 220v系統(tǒng)誤差分析 實(shí)際值 測(cè)量值 電壓有效值（ V） 220 電流有效值 (A) 通過(guò)實(shí)際值和程序運(yùn)行結(jié)果對(duì)比計(jì)算誤差百分比，計(jì)算結(jié)果如下： 電壓有效值誤差百分比為： %%100220 % ?????? U （ 41） 電流有效值誤差百分比為： %%100* % ????? I （ 42） （ 2） 實(shí)驗(yàn)二： 實(shí)物如 圖 所示： 32 圖 200v 系統(tǒng)誤差分析 調(diào)整調(diào)壓器，使輸入電壓有效值為 200V，電流有效 值為 。在這個(gè)工作環(huán)境下程序運(yùn)行結(jié)果如下表所示： 表 42 200v 系統(tǒng)誤差分析 實(shí)際值 測(cè)量值 電壓有效值（ V） 200 電流有效值 (A) 通過(guò)實(shí)際值和程序運(yùn)行結(jié)果對(duì)比計(jì)算誤差百分比，計(jì)算結(jié)果如下： 電壓有效值誤差百分比為： %%100200 % ????? U （ 43） 電流有效值誤差百分比為： %%100* % ????? I （ 44） （ 3） 實(shí)驗(yàn)三： 實(shí)物如 圖 所示： 調(diào)整調(diào)壓器 ，使輸入電壓有效值為 180V，電流有效值為 ,且功率因數(shù)為 。在這個(gè)工作環(huán)境下程序運(yùn)行結(jié)果如 表 所示： 33 圖 180v 系統(tǒng)誤差分析 表 180v 系統(tǒng)誤差分析 實(shí)際值 測(cè)量值 電壓有效值（ V） 180 電流有效值 (A) 通過(guò)實(shí)際值和程序運(yùn)行結(jié)果對(duì)比計(jì)算誤差百分比，計(jì)算結(jié)果如下： 電壓有效值誤差百分比為： %%100180 % ?????? U （ 45） 電流有效值誤差百分比為： %%100* % ????? I （ 46） （ 4） 實(shí)驗(yàn)四： 實(shí)物如 圖 所示： 調(diào)整調(diào)壓器，使輸入電壓有效值為 159V，電流有效值為 ,且功率因數(shù)為 。在這個(gè)工作環(huán)境下程序運(yùn)行結(jié)果如表 所示： 34 圖 160v 系統(tǒng)誤差分析 表 160v 系統(tǒng)誤差分析 實(shí)際值 測(cè)量值 電壓有效值（ V） 159 電流有效值 (A) 通過(guò)實(shí)際值和程序運(yùn)行結(jié)果對(duì)比計(jì)算誤差百分比，計(jì)算結(jié)果如下： 電壓有效值誤差百分比為： %%100159 160159% ?????? U （ 47） 電流有效值誤差百分比為： %%100* % ????? I （ 48） （ 5） 實(shí)驗(yàn)五： 實(shí)物如 圖 所示： 調(diào)整調(diào)壓器，使輸入電壓有效值為 139V，電流有效值為 ,且功率因數(shù)為 。在這個(gè)工作環(huán)境下程序運(yùn)行結(jié)果如表 所示： 35 圖 140v 系統(tǒng)誤差分析 表 140v 系統(tǒng)誤差分析 實(shí)際值 測(cè)量值 電壓有效值（ V） 139 電流有效值 (A) 通過(guò)實(shí)際值和程序運(yùn)行結(jié) 果對(duì)比計(jì)算誤差百分比，計(jì)算結(jié)果如下： 電壓有效值誤差百分比為： %%100139 % ????? U （ 49） 電流有效值誤差百分比為： %4%100* % ????? I （ 410） （ 6） 實(shí)驗(yàn)六： 實(shí)物如 圖 所示： 調(diào)整調(diào)壓器，使輸入電壓有效值為 ，電流有效值為 ,且功率因數(shù)為 。在這個(gè)工作環(huán)境下程序運(yùn)行結(jié)果如表 所示： 36 圖 120v 系統(tǒng)誤差分析 通過(guò)實(shí)際值和程序運(yùn)行結(jié)果對(duì)比計(jì)算誤 差百分比，計(jì)算結(jié)果如下 表 120v 系統(tǒng)誤差分析 實(shí)際值 測(cè)量值 電壓有效值（ V） 電流有效值 (A) 電壓有效值誤差百分比為： %% % ?????? U （ 411） 電流有效值誤差百分比為： %%100* % ????? I （ 412） （ 7） 實(shí)驗(yàn)七： 實(shí)物如 圖 所示： 調(diào)整調(diào)壓器，使輸入電壓有效值為 ，電流有效值為 ,且功率因數(shù)為 。在這個(gè) 工作環(huán)境下程序運(yùn)行結(jié)果如表 所示： 37 圖 47 100v 系統(tǒng)誤差分析 表 47 100v 系統(tǒng)誤差分析 實(shí)際值 測(cè)量值 電壓有效值（ V） 電流有效值 (A) 通過(guò)實(shí)際值和程序運(yùn)行結(jié)果對(duì)比計(jì)算誤差百分比，計(jì)算結(jié)果如下： 電壓有效值誤差百分比為： %% % ?????? U （ 413） 電流有效值誤差百分比為： %%100* % ????? I （ 414） 通 過(guò)對(duì)上面的實(shí)驗(yàn)，我們得到了七組不同運(yùn)行條件下的實(shí)驗(yàn)值，在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算中我們知道測(cè)量電壓對(duì)于實(shí)際值的誤差 %U? 最大值為 %最小值為 ﹣ %，測(cè)量電流相對(duì)于實(shí)際值的誤差最大值為 %最小值為 ﹣ %。 在 對(duì)電壓有效值 誤差計(jì)算中 ，通過(guò)統(tǒng)計(jì)表 計(jì)算 出 誤差平均值百分比 和 平均差百分比 ，對(duì)以上 七 組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如 表 58： 實(shí)際值 U （ V） 測(cè)量值 U? （ V） 誤差百分比 %U? 38 %? 200 % %? %? % %? %? 電 壓有效值 誤差百分比平均值 與平均差百分比 ： % %%%%%%% ??????????E U （ 415） % %%%%%%% ????????D U （ 416） 在 對(duì)電流有效值 誤差計(jì)算中 ，通過(guò)統(tǒng)計(jì)表 計(jì)算 出 誤差平均值百分比 和 平均差百分比 ，對(duì)以上 七 組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如 表 59： 實(shí)際值 I （ A） 測(cè)量值 I? （ A） 誤差百分比 %I? %? %? %? %? %4? %? %? % %%%4%%%% ??????????E I （ 417） % %%%4%%%% ????????D I （ 418） 以上 七 組數(shù)據(jù)的分析結(jié)果中可以看出，在不同的運(yùn)行條件下，我們得到 電壓有效值誤差平均值百分比為 %? 平均差百分比 為 % ，電流 有效值 誤差平均值百分比為 39 %? 平均差百分比為 % 。 通過(guò)誤差分析可以看出該系統(tǒng)在精度上滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求，也進(jìn)一步證明了該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)電網(wǎng)電壓、 電流 采樣具有一定得的實(shí)時(shí) 性 和準(zhǔn)確性 ， 也 實(shí) 現(xiàn) 了為微機(jī)保護(hù)可靠動(dòng)作提供保證。 調(diào)試過(guò)程中存在的問(wèn)題及解決方法 在電路的調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)電路有兩處不合理的設(shè)計(jì)。第一是偏置電壓峰峰值電壓過(guò)大，嚴(yán)重影響到采樣的精確度，第二是各級(jí)運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)設(shè)置不合理，電壓過(guò)低，造成容易受到外界信號(hào)的干擾導(dǎo)致信號(hào)嚴(yán)重失真。 在改進(jìn)之前，當(dāng)時(shí)偏置電壓是由 LM2596adj提供的，并且運(yùn)放的設(shè)計(jì)偏置電壓為。 LM2596adj 是一個(gè)可調(diào)電壓的開(kāi)關(guān)式電源芯片，開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換效率高，但是對(duì)外圍電路的性能要求也高。開(kāi)始 C1和 C2采用的是 耐壓值為