【正文】 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)最高可?；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。 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。 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。 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。 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。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。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。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。 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。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。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]。 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]。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。此外，還具有多種控制指令，如消隱﹑閃爍﹑左移﹑右移﹑段尋址等。 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(dá) 64 只按鍵。 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。 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 。 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。每個 MCU 都可在工業(yè)溫度范圍（ 45℃到 +85℃）內(nèi)用 的電壓工作。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(jī) 命令。 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。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 是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。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。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。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。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。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) 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。 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。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 。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)。 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。 h，即 3600kW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。 以上三種方案的基本原理一樣，都是通過利用單片機(jī)的中斷和計數(shù)器來求取電壓電流的相位差。 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(jī)的寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 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。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，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(jī)的兩個外部中斷源。 其對應(yīng)的過 程如圖 25 所示 ， 實際測量 Δ t 時，主要利用了單片機(jī)的計數(shù)和中斷功能。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 ?? cos? 。 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 。就可用下式求得相位差???? 36 0t /T )(? 其中 t? 為電壓信號與電流 信號 過零 點 的時 間差。 功率因數(shù)測量 原理 要檢測供電系統(tǒng)中的功率因數(shù) ?osC ， 只須測量兩個同頻率正弦信號的相 位 差 [15]。方案一測量精度不高，故放棄。直接采用單片機(jī)計數(shù)的辦法可能得到的誤差為 1/50=2%，誤差較大 。 該方案硬件簡單且頻率測量精度高。換算得到信號的周期時間 T， F=1/T 得到頻率。 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(jī) T0 口 進(jìn) 行計數(shù)，定時一秒鐘，計數(shù)值即為電源頻率。 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。 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(jìn)行取樣。該方法的優(yōu)點是對負(fù)載的電壓、電流大小影響小。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 LRIU ?? 2 。 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(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)離散化來計算信號的有效值， 并使用 偏差累積增量法改進(jìn)軟件同步算法， 進(jìn)而 計算 系統(tǒng)電壓、電流 有效值 等 [4] [13]。積分法就是從連續(xù)周期信號有效值的定義和功率的定義出發(fā)，用數(shù)值積分近似代替連續(xù) 積分進(jìn)行計算的方法。 傅里葉變換法是將離散的采樣值經(jīng)過離散傅里葉變換 (DFT)轉(zhuǎn)換到頻域，求出基波和諧波分量，再求有效值及平均功率。 交流直接采樣方法測量交流電量的算法雖有多種，但較實用有三種，即最大值法、積分法和傅里葉變換法。 方案 一 采用了 8 位的MCS51 單片機(jī) ， 需要外加兩路 A/D 轉(zhuǎn)換 及真有效值 轉(zhuǎn)換 芯片， 外圍電路比較復(fù)雜 ，且 由于其指令周期長、在高速采樣和實時性方面受到一定的限制 。 方案 三： 該方案 以 C8051F020 單片機(jī)為核心 ，使用單片機(jī)內(nèi)部 12 位、 100 ksps 的 8 通道 ADC進(jìn)行電壓和電流的 軟件同步 采樣測量，并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 ， ， 并使用 數(shù)碼管顯示驅(qū)動及鍵盤掃描管理芯片 ZLG7289 進(jìn)行鍵盤及數(shù)碼管顯示控制，實 現(xiàn) 測量 并 顯示 變壓器的副邊電壓﹑電流 以及實驗系統(tǒng)的功率因數(shù)﹑有功功率、 無功功率 、 視在功率 和系統(tǒng)的用電量 。 系統(tǒng)方案 選擇 方案 一：該方案 采 用 MCS51 單片機(jī) ， 通過 真有效值轉(zhuǎn)換 芯片 LTC1966 將電壓、電流有效值轉(zhuǎn)化為直流電壓，并通過單片機(jī)控制 ADC0809 進(jìn)行采樣，測量電壓電流有效值，使用 8279 進(jìn)行鍵盤及數(shù)碼管顯示控制。運算量大，雖然可以采用 FFT 算法提高運算速度，所需時間仍大大高于積分和法。該算法不需增加硬件濾波裝置，就具有很強(qiáng)的濾波能力，這樣減少了前向通道誤差，降低了系統(tǒng)成本。 設(shè)對 ??tu 每周期均勻同步采樣 N 點，得到序列 ??nu ，對序列 ??nu 作離散傅立葉變換： ? ? ? ? ? ? ? ? knNnuNjknNnuNWnuNkU NnNnknNNn ????? ??? ?????? 2s i n12c o s11 101010 (221) 由于： ? ??? Tkn tdtktuTa 0 c o s2 ? (222) ? ??? Tkn tdtktuTb 0 s in2 ? (223) 積分離散化后得： ? ? knNnuNaNnkn?? ???2c o s2 10 (224) ? ? knNnuNbNnkn?? ???2s in2 10 (225) 比較式 (221)(224)(225)得出： ? ?? ?kUakn Re2? (226) ? ?? ?kUbkn Im2?? (227) 這樣可求出第 k 次諧波電壓的振幅、相角、有效值： 振幅 22 knknkm baU ?? (228) 相角 )/a rc ta n ( knknk ab?? (229) 有效值 )(2121 22knknkmk baUU ??? (230) 電流的計算方法類似于電壓。根據(jù)微積分理論，任何一個滿足 Dirichlet 條件的函數(shù)都可以展開成傅立葉級數(shù)形式。該算法實時性強(qiáng)，算法簡單，能夠計及信號中高寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）