简易电能质量检测装置设计方案

1 简易电能 质量检测装置 设计方案 一、系统设计方案及原理图 体设计思想 通过分析赛题得，本检测装置主要有主控制器模块、显示模块、按键模块和信号变换与处理模块等组成，系统整体框图如下图 1 所示。 图 1 系统整体框图 单片机只能处理数字量，其 I/0 口的 平有一定的限制：间，低电平在 间，并且模数转换器一般只能采样正的信号值，故输入的交流电压与电流信号要分别经电压变换与处理模块和电流变换与处理模块处理后，才能送数模转换器进行采样与量化处理。其工作过程为：主控制器模块将数模转换器输入的数据处理后，通过显示模块进行显示，按键模块可通过主控制器模块，来间接控制显示模块显示内容的切换。 要单元模块电路图及分析 源部分电路 2 图 2 电源部分电路图 为便于本试题的设计与制作，设定待测的 100 5001050 5计中，通过采样保持电路实现了对电压和电流两路信号的分别保持，保证了电压信号和电流信号采样的同时性，从而确保了功率测量的准确性。 片机主控制电路 图 3 主控制器部分原理图 电源电路提供稳定的 +作电压，时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，复位电路使单片机实现初始化状态复位。 的串行接口能方便的与其它串行传送信息的外围设备实现双机，多机通信。它的内部有一个 10 位 一个差分输入多路选择器，可提供 10 位 换电路。 系统用 为 过 放，进行整波，并用 18V 稳压源进行稳压。利用 荡电路实现一个信号输入同 时产生电压与电流信号输入的效果，来得到其波形的相位差。同时通过调节连端的电阻来校正输入数据的准确程度。 因为模数转换器 以要在电压和电流两个数模转换通道前各加一个波形移位电路，其原理图如上图 3所示，使输入波形不失真的全部移到二维数轴的正半轴以上。 相电路 3 在交流电路中，电阻电路是线性的，电容的相位超前 90 度，电感的相位滞后 90 度。选择不同的 值，能使 成电路的输出相对输入产生不同的相移，理论上一级 大相移可达 90 度，通常可以 2 级、 3级串联使用（在 振荡器中），这样最大相移可达 2700。适当改变 的值，则可满足不同的相移要求。本系统移相电路将输入的电压信号移位后代表同一路的电流信号，便于系统的调试。 示系统 图 5 显示电路原理图 显示模块我们使用了 12864F 这款液晶模块。这块液晶是点阵型液晶模块，自带中文字库。选择这块液晶模块是从系统实际需要和将来的扩展空间出发考虑的。由于 显示模块只需显示设定输出值和实际输出值，从降低成本出发不必使用更高级的液晶模块。 二、 系统硬件设计与计算 号波一周期采样点数的确定 由奈奎斯特采样定理得，在信号频率变化时若都能保证对信号周波内等间隔、均匀采样 60个点，经 且可以对普通信号的 30次以下的谐波进行分析，这足以满足赛题要求测量 5次的谐波含量的要求，同时考虑到采样点数较少时，积分法进行运算的误差就难以达到系统的精度要求。所以 样时，一周期内采样的点数我们取 64，即用软件倍频的方法对输入信号 的频率 64倍频，然后以此频率作为 样信号的处理 输入的交流电压、电流信号的公式证明 假设输入信号的基波信号为频率为的正弦波电压 )s ( 0 其中 2 0f ， 00 4 则 0 s o ss o s = 0 s s + 0 s ss （ 1） 0 s o sc o ss 若将 作 U 的复数振幅 ，则 s o s （ 2）对 号每周采样 N 次产生采样序列 k 002s = ， 其中 采样间隔。 对 行离散傅里叶变换得到基波分量的频谱系数 10212 10102s = RI 1 对正弦输入信号可证明 3） RI 11 是输入信号的基波频谱系数， 的正整数，代表第 k 次的采样。由式 (1) (2)和 (3)三式可得出 的关系。 1111 = s o s 对于 样可得其复数振幅的实部和虚部： 102s k ， 102co k 对另一路输入的交流电流信号可同样应用上述公式求出 x 次谐波分量的复数振幅的实部和虚部 。 流电压有效值电流有效值有功功率、无功功率和视在功率的计算。 设 别为基波或 x 次谐波交流电压、电流、有功功率、无功功率（ x=0时，表示基波， x=1、 3、 5.示对应的谐波），则有： 2/)( 22 2/)( 22 2/)( 2/)( x 5 总的输入信号的有效值，有功、无功功率，功率因数为： 2221 ， 21 21 ， 21 ， 上两式可采用近似计算公式 )3(35 222 m ， m ，其相对误差为 % 三、系统软件设计 系统软件流程见附录。 四、系统的检测方法及理解 试仪器及测试方法 测试仪表 ：函数信号发生器 /计数器，数字万用表，示波器 测试方法 ：用函数信号发生器产生正弦信号波作为电压信号波输入，此电压信号经移相电路移相后作为同一路的电流信号输入，经采样送单片机处理后显示，将显示的各数值同示波器观察值和万用表侧得值作比较，计算出各误差值。 本部分测试结果及分析 流电压有效值和交流电流有效值测试结果如下表 1 率测试结果如下表 2 视在功率 PF=P/S 挥部分测试结果及分析 流电压输入频率的测试结果如下表 3 五、小结 在本次设计中我们仔细分析了电路图的排版结构，用最适合的方式接线，大大缩小了电路的规模，使系统内部的干扰及串扰大大降低，这使系统调试的难度降低。通过对器件的仔细挑选，我们力图使硬件系统简单化，在不降低系统参数的条件下降低成本。 现分析设计过程中系统产生误差的原因： （ 1）单片机 输出 （ 2）采样电阻精度误差。 （ 3） A/ （ 4）整个系统版由手工焊接完成，布线时无法避免线路之间和外界的电池干扰。 （ 5）功率的测量是由电压、电流的测量值间接计算所得，由于误差的累计效应会使有功功率、无功功率和视在功率与理论值存在误差。 6 经过多日努力，我们的设计基本完成了题目要求，由于仿真软件的限制，可能效果不是非常理想。本次设计极大的锻炼了我们各方面的能力，虽然我们遇到很多困难和障碍，但是合作与努力，困难与希望并存。通过本次设计，我们深刻体会到共同协作和团队精神 的重要，也强烈的意识到课本知识与实际相结合的重要性。我们将继续努力争取更大的进步。 附录 主要元器件清单 元器件 型号 数目 单片机 整流桥 变压器 220V 10W 12V*2 1 三端稳压芯片 三端稳压芯片 三端稳压芯片 三端稳压芯片 集成运放 集成运放 与非门芯片 74 三端稳压管 高速二极管 液晶显示模块 12864F 1 电解电容 220025V 2 电解电容 22025V 2 电解电容 1025V 2 电解电容 10025V 1 电解电容 125V 3 电容 3 电容 1 电阻 1 电阻 10 电阻 510 1 电阻 2 电阻 12 按钮 3 7 电感 10 电位器 010 附录 总程序图 8 附录 数据表 表 1 电压有效值和电流有效值测试结果 9 输入电压有效值（ V） 测得电压有效值（ V） 测量误差（ %） 允许误差（ %） 是否满足要求 是 输入电流有效值（ A） 测得电流有效值（ A） 测量误差（ %） 允许误差（ %） 是否满足要 求 是 表 2 功率测试结果 输入 (峰值 ) 各功率理论值 各功率测得值 各功率测量误差 (%) 电压/V 电流/A P/W Q/（ %） 是否满足要求 46 46 001 49 51 51 0007 54 附录 主程序源代码 # 10 #03; /基本和发挥部分多个界面切换 04; /基本发挥切换，开关形式 1=基本部分； 0=发挥部分 02; /发挥部分谐波显示 /波形显示切换 /* * 常量及全局变量定义 */ #00000 #600000 # 15 #1 =1270,5,422,3,252,1; =1271,4,421,4,250,3; ; ; ; ; ; ; ; /*显示 */ c6;/有效值 v6; ; ; 11 6; ; 0; 11; j=0; ; /; ; ; i=0; ; ; ; 12 ; ; ; ; ; ; /; ; ; 29; /电流采样 29; /电压采样 /历史电压电流最值 /发挥部分按键次数记录 /基本部分按键次数记录 /* * 函数声明 */ ; /内部振荡器初始化 ; /端口初始化函数 ; /始化函数 ; /能函数 ; /能函数 ; /定时器初始化程序 ; ; ; i; 13 i=0;i=100) 9; 0); F:0., 0); ); P:,); 0); 2); Q:,); 0); (3000); /比较最值 15 if(1) /第一次，人为赋最值 v v c c if(v /最大电压改变 v if(v /最大电流改变 c if(cj) j; j; j=1;j(2) ; /方波 1) /方波 /放大 1000 倍 /024; *c; /024*707; 707; /放 大 1000 倍 024; *c 21 cc10; ; ; ; ; j=2;j) j; j; j=1;j(2) ; /方波 1) / 方波 /放大 1000 倍 *v; /正弦波 707; /放大 1000 倍 024; *vvv10; 22 sw=vc pw=sw* / qw=sw* / sw=000; pw=000; qw=000; /pf=0000; pf=pf=00; ; ; ; ; ; / / /基本部分 if(1) / /清发挥部分标志及临时变量 ; / /按键扫描 /基本部分功率显示和最值显示界面切换 000); 23 ; ; if() ; if() ; ; /最值界面 ; / if(1) ; /功率显示界面 ; /最大值最小值显示界面 发挥部分 / /清基本部分标志及临时变量 ; / ; /功率界面标志 24 / /发挥部分谐波显示界面切换 000); /标志取反 /清屏 ); ; if(0)/显示谐波数据 / /按键扫描 /发挥部分谐波显示界面切换 000); ; if() ; ; /谐波显示界面 25 /计算波形数据 ; /描绘波形 000); /* * 系统时钟初始化函数 */ = 0i = 0; i 20; i+); / us |= 0( 0= 0); = 0 /* * 初始化函数 */ 0= 0 /对应外部基准输入引脚配置为模拟输入 0 /默认不设置 = 0 /对应外部模拟电压输入引脚配置为模拟输入 0 /默认不设置 = 0 /交叉开关跳过模拟输入引脚 = 0 /交叉开关跳过模拟输入引脚 26 0 /各功能不连到端口引脚 0 /交叉开关使能 /* * 始化函数 */ 0 /使用外部 压基准 0 /输入通道 ( 0 /输入通道 (端方式 ) 3; /换时钟 0 /* * 能函数 */ 1; /* *定时器 2 初始化函数 */ =0 /定时器 2 高低字节使用系统时钟 /定时器 2 工作在 16 位自动重装载方式 /; / /定时器重载寄存器 定时 50; /; /=0 /比较器 0 中断使能 /=0 /比较器 1 中断使能 27 ; /开定时器 2 中断 ; /; /启动定时器 =0 /时器高优先级 /定时器 0 初始化函数 0 / 6= 0 / a 1:48 M /定时器 1 初始化函数 = 0 / 6= 0 / a 1:48 M /* * 定时器 2