【導(dǎo)讀】導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝。為獲得及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部內(nèi)容。他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個。人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。本文主要介紹了一種基于C8051F020單片機(jī)的電力運(yùn)行參數(shù)測量裝置，該裝置采用單片機(jī)作為測控核心，能夠自動完成電力供電線路的參數(shù)測定、運(yùn)算和顯示。使用偏差累積增量法對軟件同步算法進(jìn)行改進(jìn)，采用工程上常用的數(shù)值積分算法，將連續(xù)函數(shù)離散化。來計算信號的有效值，完成對變壓器副邊電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、視在功率及系統(tǒng)用電量的。本系統(tǒng)采用按鍵選擇、數(shù)碼管顯示，測量精度高，反應(yīng)速度快，界面清晰直觀。

　　

【正文】 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 ? ?21,tt 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： ? ?? ??? 21tt dttituW (233) 對上式離散化可得： ??? ??10Nk kkk TiuW (234) 其中， NttTk 12 ???，則式 (227)可改為 ? ?????? 1012 Nk kkiuNttW (235) 其中， P 為有功功率，則上式即為所求的有功電能， ? ?12 tt ? 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 ? ? stt 112 ?? ，因有功功率的單位為 kW，l 度電能定義為 1kw h，即 3600kW S，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(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： 變壓器 電壓采樣 電流采樣 單 片 機(jī) 相位差 過零檢測 過零檢測 按鍵 顯示 接入 模擬負(fù)載 圖 31 系統(tǒng)框圖 硬件設(shè)計具體包括單片機(jī)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(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 805 8031 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(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。 考慮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(jī) 電 力 運(yùn)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(jī) 處理 的信號，在設(shè)計具體電路時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： 寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 C8051F020 晶振電路 ZLG7289 數(shù)碼管 鍵盤 復(fù)位電路 8 個 LED 蜂鳴器 I / O 接口 輸入輸出設(shè)備 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： ? AIN00 接全波整流后的電壓信號； ? AIN01 接全波整流后的電流信號； ? 接正弦波過零比較的電流 TTL 信號； ? 接正弦波過零比較的電壓 TTL 信號； ? 接 正弦波過零比較的電壓 TTL 信號； ? 接 ZLG7289 芯片的 CS 管腳； ? 接 ZLG7289 芯片的 CLK 管腳； ? 接 ZLG7289 芯片的 DIO 管腳； ? 接 ZLG7289 芯片的 INT 管腳； C8051F020 介紹 80C51 系列單片機(jī)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(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)正面臨著退出市場的境地。為此，一些半導(dǎo)體公司開始對傳統(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 Cygnal 公司推出的C8051F 系列單片機(jī)把 80C51 系列單片機(jī)從 MCU 時代推向 SoC 時代，使得以 8051 為內(nèi)核的單片機(jī)上了一個新的臺階。 C8051F 系列單片機(jī)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(yùn)行速度是 8051 的 12 倍， 全指令集運(yùn)行速度是原來的 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 ： ? 高速、流水線結(jié)構(gòu) 的 8051 兼容的 CIP51 內(nèi)核（可達(dá) 25MIPS） ? 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)） ? 真正 12 位、 100 ksps 的 8 通道 ADC，帶 PGA 和模擬多路開關(guān) ? 真正 8 位 500 ksps 的 ADC，帶 PGA 和 8 通道模擬多路開關(guān) ? 兩個 12 位 DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式 ? 64K 字節(jié)可在系統(tǒng)編程的 FLASH 存儲器 ? 4352（ 4096+256）字節(jié)的片內(nèi) RAM ? 可尋址 64K 字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口 ? 硬件實現(xiàn)的 SPI、 SMBus/ I2C 和兩個 UART 串行接口 ? 5 個通用的 16 位定時器 ? 具有 5 個捕捉 /比較模塊的可編程計數(shù)器 /定時器陣列 ? 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(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(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器和寄存器，支持?jǐn)帱c、觀察點、單步及運(yùn)行和停機(jī) 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(yùn)行。每個 MCU 都可在工業(yè)溫度范圍（ 45℃到 +85℃）內(nèi)用 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]。 寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 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 ”、 “矩陣式接口設(shè)計 ” 和 “專用芯片式設(shè)計 ”幾種。獨(dú)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(dú)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(dú)立 LED），同時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： ? 串行接口無需外圍元件可直接驅(qū)動 LED ? 各位獨(dú)立控制譯碼 /不譯碼及消隱和閃爍屬性 ? 循環(huán)左移 /循環(huán)右移指令 ? 具有段尋址指令方便控制獨(dú)立 LED ? 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： 寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 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(jìn)單片機(jī)，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(bǔ)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(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，送到過零檢測電路 中。過零檢測電路主要是由LM339 運(yùn)算放大器芯片完成的。將電壓波形變換可直接接到比較器的兩個輸入端 ， 其反相輸入端接地，作為過零電壓的參考電 壓。這樣 TTL 信號由 LM339 輸出端輸出 ，由于 C8051F020 工作電壓為，所以 LM339 的正電源接 。由于電網(wǎng)中會出現(xiàn)電壓不穩(wěn)的情況，所以在過零比較前加入由兩個二極管組成的穩(wěn)壓的電路。原理圖如圖 37 所示： 圖 37 過零比較 電路 圖 本系統(tǒng)中需要獲得功率因數(shù)，就要求獲得電壓、電流的相位差。其相位相差計時電路 ， 利用單片機(jī)內(nèi)部定時器計數(shù)器來測量。 本系統(tǒng)使用的是 C8051F020 的 定時器、計數(shù)器 T2，檢測電壓周期 T， 進(jìn)而得出電源頻率 Tf /1? ；外部中斷入 口 INT0 和 INT1 檢測電壓、電流相位差。 將電壓 U 支路與單片機(jī)的 INT0 腳相連，利用單片機(jī)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(jī)的 IINT1 腳相連，計數(shù)器 T1 在 INT1 為高電平時，也進(jìn)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，有公式 oN 180)1/N2( ??? 可求出電壓和電流的相位差，并存入指定的存儲空間，以便計算功率因數(shù)的值。 數(shù) /模轉(zhuǎn)換部分 C8051F020 的 ADC0 子系統(tǒng)包括一 個 9 通道的可編程模擬多路選擇器（ AMUX0），一個可編程增益放大器（ PGA0）和一個 100ksps、 12 位分辨率的逐次逼近寄存器型 ADC， ADC 中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器。 AMUX0、 PGA0、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式及窗口檢測器都可用軟件通過特殊功能寄存器來控制， ADC0 所使用的電壓基準(zhǔn) 可以外接或 使用內(nèi)部基準(zhǔn)。 只有當(dāng) ADC0 控制寄存器中的 AD0EN 位被置“ 1” 時 ADC0 子系統(tǒng)（ ADC0、跟蹤保持器和 PGA0）才被允許工作。當(dāng) AD0EN 位為‘ 0’時， AD0C 子系統(tǒng)處于低功耗關(guān)斷方式。 寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 圖 38 12位 ADC0功能框圖 9 通道 12 位高速 ADC， 其采樣速率最高可達(dá) 100ksps，根據(jù)香農(nóng)采樣定理：采樣頻率 fs 至少是原信號最高頻率 fc 的 2 倍以上，即 fs2fc 才能準(zhǔn)確地恢復(fù)原信號。 而實際應(yīng)用中，當(dāng)頻率稍高于 fc 時仍有小部分信號分量存在，在 fs=2fc 時，經(jīng)過取樣所產(chǎn)生的副瓣頻譜將有一小部分和有用信號頻帶重疊引起失真?；谏鲜鲈?，采樣頻率必須稍大于上述香農(nóng)采樣定理中理想的最小值，一般可取 fs=(~3)fc。由于本裝置需要測量信號 (50Hz)，所以采樣頻率最好達(dá)到 (150Hz)以上。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 SAR 時鐘，則一次 AD 需要 16*=8us，這樣，根據(jù) AD 的采樣速率，其一個工頻周期內(nèi)最