【正文】 uring principle of electricity, a hardware system design and software system design, and focuses on the measurement of power parameters of the design and implementation. Incremental method using the cumulative deviation of the software synchronization algorithm, the use of engineering numerical integration monly used algorithm, discretization of the continuous function to calculate the RMS signal to plete both sides of the transformer RMS voltage, RMS current, active power, reactive power, apparent power and system power consumption measurements. Button to choose this system, digital display, measurement and high precision, fast response, clear and intuitive interface. 【 KEYWORDS】 SingleChip。使用偏差累積增量法對(duì)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(jì)算信號(hào)的有效值，完成對(duì)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)用電量的測(cè)量。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(cè)量裝置，該裝置采用單片機(jī)作為測(cè)控核心，能夠自動(dòng)完成電力供電線路的參數(shù)測(cè)定、運(yùn)算和顯示。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 作者簽名： 日 期： 寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） III 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下 獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 編號(hào) ： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題目：（中文） 電力運(yùn)行參數(shù)測(cè)量裝置設(shè)計(jì) （英文） The Design of Power Parameters Measuring Device 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明 和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(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)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容 編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 摘 要 【 摘要 】 當(dāng)今，電能作為一種最重要的能源與我們的工作、生活有著密切的聯(lián)系，因此如何來計(jì)量它就具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本文詳細(xì) 地介紹了電力參數(shù)的測(cè)量原理，進(jìn)行了硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)介紹了電力參數(shù)的測(cè)量設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用按鍵選擇、數(shù)碼管顯示，測(cè)量精度高，反應(yīng)速度快，界面清晰直觀。 Power Parameters。 Software Synchronization Algorithm。電網(wǎng)電壓、電流的過高或過低，都會(huì)影響到電器設(shè)備的正常使用和使用壽命。目前，我國(guó)主要使用的電能表有兩種：一種是感應(yīng)式機(jī)械電能表：另一種是隨著電子工業(yè)的發(fā)展而出現(xiàn)的電子式電能表，它是利用電流和電壓作用于固態(tài)電子器件產(chǎn)生電能輸出量的電能計(jì)量?jī)x表。 感應(yīng)式機(jī)械電能表 它是利用三個(gè)不同空間和相位的磁通建立起 來的交變的移進(jìn)磁場(chǎng)，在這個(gè)磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)盤上產(chǎn)生了感應(yīng)電流，根據(jù)楞次定律，這個(gè)感應(yīng)電流使得轉(zhuǎn)盤總是朝著一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。具有制造簡(jiǎn)便、可靠性好和價(jià)格便宜等特點(diǎn)，經(jīng)過近一百年的不斷改進(jìn)與完善，感應(yīng)式電能表的制作技術(shù)已經(jīng)成熟。因此，至今在包括我國(guó)在內(nèi)的許多發(fā)展中國(guó)家甚至是一些發(fā)達(dá)國(guó)家里 ，感應(yīng)式電能表仍作為主要計(jì)量工頻電能的儀表被廣泛使用。儀表的原理和結(jié)構(gòu)不同，所產(chǎn)生的誤差也不相同。 電子式電能表 它是利用電流和電壓作用于固態(tài)電子器件而產(chǎn)生電能輸出量的電能計(jì)量?jī)x表。因而，使用乘法器是實(shí)現(xiàn)測(cè)量電功率和電能的電子電路式測(cè)量方案的共同特點(diǎn)。模擬乘法器已發(fā)展成晶體管陣列平方乘法器、熱偶乘法器、可變跨導(dǎo)型乘法器、雙斜積分乘法器、霍爾 效應(yīng)乘法器、時(shí)分割乘法器等幾種類型且多個(gè)品種系列；數(shù)字乘法器也已有若干種類。其中，數(shù)字乘法器型是以微處理器為核心，經(jīng) PT、 CT 變換的被測(cè)電壓和電 流由 A/D 轉(zhuǎn)換器完成數(shù)字化處理之后，微處理器對(duì)數(shù)字化的被測(cè)對(duì)象進(jìn)行各種判斷、處理和運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)多種功能。 微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展是電子式電能表迅速進(jìn)步、日益成熟的主要技術(shù)支撐。微機(jī)化令電子式電能表功能 的增添變得容易，尤其是近幾年多種單、三相電能計(jì)量專用集成電路的成功開發(fā)使過去由分立式電子元器件搭接而成的電能表電路改制成專門的集成電路芯片，如常用的 CS5460A 和 ADE7753 等，結(jié)果在不減少功能的前提下，使電能表的體積大大減小，功耗和單位功能的成本降低、成品率提高，并可簡(jiǎn)化電能表的電路設(shè)計(jì)，降低其工藝調(diào)整難度，從而能改進(jìn)整個(gè)電能表電路系統(tǒng)的性能，而更重要的是使電子式電能表可靠性明顯提高 [2]。目前代表電力參數(shù)測(cè)試儀發(fā)展方向的全電子式多功能電能表在體積、重量?jī)煞矫娑歼h(yuǎn)小于機(jī)械式或機(jī)械電子式電能表，一些測(cè)試儀己經(jīng)按照便攜式標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。一些先進(jìn)的多功能電力參數(shù)測(cè)試儀增加了固定漢字顯示、紅外線抄表接口、智能接口等功能，還可以同時(shí)計(jì)量有功電能、無功電能，記錄失壓，監(jiān)測(cè)負(fù)荷等，做到一表多用。 某些多功能 測(cè)試儀的視在功率能做到 2VA 以下，停電維持時(shí)電流能做到 lmA 以下。 4) 可視化人機(jī)接口 使用高效發(fā)光二極管和低功耗液晶顯示器已成為電力參數(shù)測(cè)試儀的發(fā)展趨勢(shì)。 本課題的背景和意義 電自從其誕生初，就開始改變著我們的生活。電作為這么重要的能源，如何來計(jì)量它就具有了重 要的意義。 在傳統(tǒng)的電力參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)中，多采用 805 80C196 等普通單片機(jī)作為微控制器。隨著微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步， C8051F020 單片機(jī)技術(shù)體現(xiàn)了單片機(jī)集多種器件 (包括看門狗 ， FLASH 程序存儲(chǔ)器 ， 同 、 異步串行口 ， A/D 轉(zhuǎn)換器 ， 定時(shí)器，計(jì)數(shù)器等 )和多種功能 (增強(qiáng)可靠性的復(fù) 位系統(tǒng)、降低功耗抗干擾的 休眠模式、品種多門類全的中斷系統(tǒng)、具輸入捕獲和比較匹配輸出等多樣化功能的定時(shí)器、計(jì)數(shù)器 )于一身，從“片自為戰(zhàn)” 向片上系統(tǒng)過渡的發(fā)展方向 。 本論文的主要工作 論文的主要內(nèi)容如下：完成裝置的設(shè)計(jì)和各部分功能軟硬件調(diào)試，在論文中以原理圖、流程圖、程序等形式詳細(xì)介紹了裝置電壓電流采樣、數(shù)據(jù)采集計(jì)算、鍵盤顯示處理單元的功能實(shí)現(xiàn)過程，并總結(jié)了每個(gè)單元調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的問題，使 C8051F020 單片機(jī)的諸多特點(diǎn)得到更好的應(yīng)用，通過實(shí)際調(diào)試總 結(jié)了裝置中誤差存在的硬件和軟件原因，并提出了減小誤差的方案。 但由于存在柵欄效應(yīng)和頻譜泄漏，采樣前常需要采取同步措施校準(zhǔn)。 交流采樣法 1) 同步采樣法 同步采樣法是指采樣時(shí)間間隔 Ts、被測(cè)交流信號(hào)周期 T0 和一個(gè)周期采樣點(diǎn)數(shù) N 之間滿足關(guān)系式 STNT ??0 。同步采樣法的實(shí)現(xiàn)方法有兩種：硬件同步采樣法和軟件同步采樣法。硬件同步采樣法是：由專門的硬件電路產(chǎn)生同步于被測(cè)信號(hào)的采樣脈沖。 fo 經(jīng) N 分頻后與 fi 相比較，根據(jù)鎖相環(huán)工作原理，鎖定時(shí) ifNf ?/0 ，即 iNff ?0 。 2) 準(zhǔn)同步采樣法 實(shí)際采樣測(cè)量中，采樣周期經(jīng)常不能與被測(cè)信號(hào)周期實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格同步，即 N 次采樣不是落在 2π寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 區(qū)間上，而是落在 2π +Δ 區(qū)間上（ Δ 稱為同步偏差或周期偏差），產(chǎn)生了同步誤差。它不要求采樣周期與信號(hào)周期嚴(yán)格同步，不要求同步環(huán)節(jié)，對(duì)第一次采樣的起點(diǎn)無任何要求。 準(zhǔn)同步采樣采樣周期不要求與信號(hào)周期同步，不需要同步環(huán)節(jié)，但它需要通過增加采樣周期和每周期的采樣點(diǎn)數(shù)并采用迭代運(yùn)算的方法來消除同步誤差，所需數(shù)據(jù)較多，計(jì)算量較大，運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)，不適合多回路、多參量、實(shí)時(shí)性要求高的交流測(cè)量系統(tǒng)，而且受短暫突發(fā)性干擾的影響可能性比同步采樣法大。用軟件實(shí)現(xiàn)可以省掉硬件同步環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化裝置結(jié)構(gòu)，降低成本 ，所以本系統(tǒng)采 樣軟件同步采樣方法 。因此，有必要對(duì)目前的軟件同步實(shí)現(xiàn)方法產(chǎn)生同步誤差的原因進(jìn)行分析，并找到抑制誤差的措施 [7]。這時(shí)第 i 次采樣點(diǎn)的采樣時(shí)刻 NTiti /?? (23) 然而同步總是相對(duì)的，絕對(duì)同步只是理想的情況。為此，定義同步采樣時(shí)間誤差 i? 來表示第 i 次采樣點(diǎn)的實(shí)際采樣時(shí)刻與其理想同步采樣時(shí)刻的偏差： NTiti /i ???? (24) 目前，利用采樣值進(jìn)行工頻電參量測(cè)量的理論和方法大多建立在理想同步采樣基礎(chǔ)上的。 軟件同步采樣時(shí)間誤差的產(chǎn)生與軟件同步的實(shí)現(xiàn)方法密切相關(guān)。由于定時(shí)器的計(jì)數(shù)周期受定時(shí)器最大計(jì)數(shù)頻率的限制不可能 無限小，而微機(jī)的采樣周期 TS必須以定時(shí)器計(jì)數(shù)周期的倍數(shù)來表示，從而微機(jī)實(shí)際采樣周期 TS 與理想計(jì)算值 NT/ 之間會(huì)出現(xiàn)誤差，這一由量化原因引起的誤差 ， 使式 (21)得不到滿足。這時(shí)同步采樣時(shí)間誤差： NTiNTiTi S //i ???????? (25) 可見在存在周期誤差時(shí)，同步采樣時(shí)問誤差 i? 值 隨 i 增大而增大。 同步采樣時(shí) 間誤差的另一產(chǎn)生原因是，在軟件采樣時(shí)， CPU 對(duì)定時(shí)中斷的響應(yīng)時(shí)間有一定的隨機(jī)性，從而即使 Δ T=0，式 (22)也得不到完全滿足。一般來說，應(yīng)保證定時(shí)中斷采樣時(shí)對(duì)其它中斷源的中斷不予響應(yīng)。若不存在周期 誤差Δ T，則 ii t??? ，這一原因引起的同步采樣時(shí)間誤差較小?？赏ㄟ^一種軟件同步實(shí)現(xiàn)方法減小誤差，它通過在采樣過程中修改定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，動(dòng)態(tài)確定采樣周期來減小周期誤差。 改進(jìn)的軟件同步實(shí)現(xiàn)方法 設(shè)定時(shí)器的計(jì)數(shù)周期為 T0，則與采樣周期 Ts 對(duì) 應(yīng)的定時(shí)器計(jì)數(shù)值為 ? ?0/ TNT ? ，它一般不為整數(shù)，對(duì)它截掉小數(shù)取整，得正整數(shù) H，截掉的小數(shù)部分為 L。在采樣過程中，偏差隨 i 值增大而不斷增大，使采樣點(diǎn)偏離同步采樣點(diǎn)的程度不斷加劇。 為此，須對(duì)在采樣過程中定時(shí)器計(jì)數(shù)值取常數(shù)的常規(guī)作法進(jìn)行改進(jìn)， 偏差累積增量法 就是這樣一種算法。第 i 次采樣時(shí)， SUM 的值為第 i1 次采樣時(shí)的 SUM 值與 L 的和。繼續(xù)上述過程直至一個(gè)工頻周期的采樣完成。 采用這種方法，可能會(huì)使某些次采樣時(shí)的 |Δ ti|值 增大一個(gè) 0T ， 但由于一般很小，由相對(duì)周期誤差引 起的測(cè)量誤差亦很小 [9][10]。電網(wǎng)頻率并不是固定不變的，而是在 50Hz 附近波動(dòng)。隨著人們對(duì)測(cè)量精度、性能的要求越來越高，在目前應(yīng)用于電力系統(tǒng)的各種測(cè)量控制儀表中，交流采樣就越來越受人們的青睞。目前國(guó)內(nèi) 外已經(jīng)提出和實(shí)現(xiàn)了許多交流采樣的算法。在應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇最適宜的交流采樣算法 [11][12]。 半周期積分法 半周期積分法的依據(jù)是一個(gè)正弦量在任意半個(gè)周期內(nèi)絕對(duì)值的積分為一常數(shù) S，積分值和積分的起始角α無關(guān)。 只要采樣頻率足夠高，用梯形法近似積分的誤差可以做到很小。此算法運(yùn)算量小，可以用非常簡(jiǎn)單的硬件實(shí)現(xiàn)。 數(shù)值積分算法 在非正弦波情況下，相電壓、相電流的有效值定義為： ?? 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