简易电能质量监测装置的设计电子信息工程毕业论文设计.doc

简易电能质量监测装置的设计 简易电能质量监测装置的设计 摘 要 电能质量一般是指电压与电流的幅值 频率 波形等参量离规定值的偏差 有时电能质量的不正常会造成严重事故 因此电能质量问题对当前开放型经济 体系中的影响日益严重 如何保证优良的电能质量成为一项重要的研究课题 电能质量已是电网可持续发展中一个十分重要的问题 以前的电能质量监测仪的监测方式具有被动的 分散式的 针对特定电能 质量问题的特点 现在的电能质量监测仪的检测方式具有主动的 永久持续的 反映系统性能的特点 而且电能质量监测系统正在朝着在线监测 实时分析 网络化和智能化的方向发展 本文首先介绍了课题的实际意义以及电能质量监测的现状 其次对电能质 量参数的计算作了详细的描述 包括电压 电流有效值的计算 电源频率的计 算 有功功率 无功功率的计算 功率因数的计算等 然后完成了对整个系统 的硬件 软件设计 包括数据采集电路和显示电路等 最后通过系统的调试 完成了系统的任务 通过选择电压互感器 电流互感器将电源的电压 电流信 号转换成低压信号 设计信号调理电路和测频电路测出电源频率 经低压信号 采集到单片机内 通过一定算法计算电源的电压 电流 有功功率 无功功率 和功率因数等参数 实现单路电源电能的质量监测和显示 关键词 电能质量 有功功率 无功功率 功率因数 简易电能质量监测装置的设计 I ABSTRACT Power Quality generally refers to the amplitude of voltage and current frequency waveform parameters such as the deviation from the specified value Sometimes the unusual power quality can cause serious accidents so power quality issues in the current open economies growing impact how to guarantee quality of the power quality is an important research topic Grid power quality is an important sustainable development issues Previous monitoring of power quality monitors with a passive way decentralized issue specific power quality characteristics Now the power quality monitor test mode is active permanence and reflect the system performance characteristics And power quality monitoring system is developing in line monitoring real time analysis networking and intelligent direction This paper introduces the topic of practical significance and power quality monitoring of the status followed by the calculation of power quality parameters is described in detail including the voltage and current rms calculation the calculation of power frequency active power reactive power calculation the calculation of power factor then completed the whole system of hardware software design including data acquisition circuit and display circuit Finally system debugging the system completed the task By selecting the voltage transformers current transformers to the power supply voltage and current signals into voltage signals signal conditioning circuit design and measured the frequency measurement circuit power frequency low voltage signals collected by the microcontroller through a certain algorithm power supply voltage current active power reactive power and power factor and other parameters to achieve single supply power quality monitoring and display Key words power quality active power reactive power power factor 简易电能质量监测装置的设计 II 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 1 1 研究的背景 1 1 2 电能质量监测的现状与发展 1 1 3 研究的主要内容 2 2 电能质量监测装置的算法研究 3 2 1 电能质量监测参数的分析 3 2 2 电能质量监测装置的常用算法 4 3 简易电能质量监测装置的硬件电路设计 6 3 1 系统硬件电路的整体功能设计 6 3 2 数据采集模块的设计 6 3 2 1 电压和电流信号的采集 6 3 2 2 信号频率捕捉电路的设计 7 3 2 3 A D 转换接口电路的设计 8 3 3 单片机控制系统及外围电路的设计 11 3 3 1 单片机最小系统的设计 11 3 3 2 键盘 显示电路的设计 11 4 简易电能质量监测装置的程序设计 13 4 1 电能质量监测装置软件主程序设计 13 4 2 同步采样的设计 14 4 2 1 同步采样的分类 14 简易电能质量监测装置的设计 III 4 2 2 软件同步采样的流程图 14 4 3 电能参数的计算 16 4 3 1 电压 电流有效值的计算 16 4 3 2 电源频率的计算 18 4 3 3 有功功率 无功功率的计算 19 4 3 4 功率因数的计算 19 4 3 5 电能参数计算的 MATLAB 仿真结果 20 4 4 键盘 显示程序设计 22 4 4 1 键盘程序设计 22 4 4 2 显示程序设计 23 5 系统的调试 26 5 1 硬件调试 26 5 2 软件调试 26 5 3 整体调试 27 总结与展望 28 参考文献 29 附录 1 外文文献译文 30 附录 2 外文文献原文 29 附录 3 部分程序源代码 30 致谢 46 大连大学学位论文版权使用授权书 47 简易电能质量监测装置的设计 0 1 绪论 1 1 研究的背景 20 世纪 60 年代开始出现第一代电能质量测试仪 以前的电能质量监测仪 的监测方式具有被动的 分散式的 针对特定电能质量问题的特点 从 20 世纪 60 年代开始出现第一代电能质量测试仪至今 电能质量监测历 经几十年的发展 已经从被动的 分散式的 针对特定电能质量问题的监测方 式转变为主动的 永久持续的 反映系统性能的监测方式 现在 各省监测网 一般是以省电力公司或电科院作为电能质量监督管理中心 搭建全省的网络平 台 各供电分公司分别组建子网络 同时数据能够通过局域网向省电能质量监 督管理中心转发 电力监管中心也可通过访问各子站数据服务器查看各监测点 的原始数据 对于重点性的监测站点 如电气化铁路典型牵引站 超大型谐波 源用户 机场 军事基地等敏感性负荷也可由电力监管中心直接管理 1 电能质量一般是指电压与电流的幅值 频率 波形等参量离规定值的偏差 随着电力电子技术的飞速发展 各种电力电子装置在电力系统 工业控制及日 常生活中的应用也日益广泛 一方面大量的非线性负荷 非对称设备以及冲击 性负荷的投运 使公用电网中产生了大量的谐波干扰以及电压畸变 谐波注入 电压波动和三相不平衡等问题 电能质量不断恶化 另一方面基于计算机 微 电子控制技术的设备 装置和生产线的不断增加 电网中这些负荷对电能的质 量特别敏感 有时电能质量的不正常会造成严重事故 因此电能质量问题对当 前开放型经济体系中的影响日益严重 如何保证优良的电能质量成为一项重要 的研究课题 1 2 电能质量监测的现状与发展 现在的电能质量监测仪的检测方式具有主动的 永久持续的 反映系统性 能的特点 而且电能质量监测系统正在朝着在线监测 实时分析 网络化和智 能化的方向发展 未来趋势 国际上电能质量监测系统发展趋势可概括为四点 即网络化 信息化 标准化和智能化 目前较为合理且流行的网络模式是具有三层体系结 构 且集成语音 数据 图像等各类业务为一体的信息化综合性网络 标准化 简易电能质量监测装置的设计 1 体现在数据设计格式标准化和显示界面标准化 采用 PQDIF 作为数据转化存储 格式 使多数据源具有良好的兼容性 便于实现数据共享 采用统一的数据报 表格式和人机交互界面 使显示界面标准化 监测系统利用先进的数学方法和 工具对电能质量现象和实测数据进行挖掘 分析和整理 对电能质量扰动做出 科学的评估 为电力部门改善电能质量提供决策依据 国内电能质量监测系统 的发展趋势主要是在线式电能质量监测产品 电能质量监测采用的主要监测方 式有连续监测 定时巡回监测和专项监测 这里连续监测方式所使用的主要仪 器就是在线式的电能质量监测产品 由于这种产品多是借助于计算机网络来实 现电能质量的远程监测 在国际上在线式的电能质量监测产品又被叫作电能质 量远程监测产品 这类产品适用于公共供电点电能质量的连续监测和多点监测 组成区域性的电能质量在线监测网 可以连续监测公共点的电压偏差 频率偏 差 电压谐波 三相电压不平衡度及用户注入网的谐波电流和负序电流 具有 电能质量指标超限报警 数据录取 电能质量故障分析预报和通信等功能 2 1 3 研究的主要内容 本文首先介绍了课题的实际意义以及电能质量监测的现状 其次对电能质 量参数的计算作了详细的描述 包括电压 电流有效值的计算 电源频率的计 算 有功功率 无功功率的计算 功率因数的计算等 然后完成了对整个系统 的硬件 软件设计 包括数据采集电路和显示电路等 最后通过系统的调试 完成了系统的任务 通过选择电压互感器 电流互感器将电源的电压 电流信 号转换成低压信号 设计信号调理电路和测频电路测出电源频率 经低压信号 采集到单片机内 通过一定算法计算电源的电压 电流 有功功率 无功功率 和功率因数等参数 实现单路电源电能的质量监测和显示 简易电能质量监测装置的设计 2 2 电能质量监测装置的算法研究 2 1 电能质量监测参数的分析 电能质量指标是与电力系统安全经济运行相关的 能够对用户正常生产工 艺过程及产品质量产生影响的电力供应综合技术指标描述 它涉及电压电流波 形形状 幅值及其频率三大基本要素 从实用的分析角度出发 可按照电能质 量扰动现象的两个重要表现特征 变化的连续性和事件的突发性将电能质量 指标分为两类 稳态指标和暂态指标 3 稳态指标指那些连续变化的电能质量指标 包括电能质量相关国标规定的 电压偏差 频率偏差 电压不平衡度 谐波和闪变等指标 以及国标中暂时没 有规定的电压陷波 载波信号干扰等 稳态指标的重要特征表现为电压或者电 流的幅值 频率和相位差等在时间轴上的任一时刻总是在发生小的变化 它们 与额定值之间总是存在一定范围内的偏差 电能质量监测系统要求针对稳态指 标进行连续记录 暂态指标指那些突然出现的电能质量扰动 包括电压暂降 暂升 短时电 压中断 欠电压和瞬态过电压等 其重要特征表现为电压或者电流在短时间内 严重偏离其额定值或者理想波形 目前电能质量相关国标对于暂态指标的规定 甚少 对于暂态指标的监测 通常利用一个事件启动信号来进行触发记录 其 记录的数据包括电压和电流波形 事件的持续时间以及最大幅值等特征值 电能质量技术指标的数据分析分为针对单个监测点的分析和系统性分析 针对单个监测点的分析 在大多数情况下 需要对单个监测点的数据进行 分析 以了解该点的电能质量分布情况和变化趋势 或者找出暂态电能质量事 件的原因 就单个监测点而言 在某一时刻 描述电能质量的各指标之间存在确定的 相互关系 但是此时通常仅有一个或少数几个指标是主要的 根据这几个主要 的指标就可以比较清晰地分析出该监测点的电能质量信息 但是 对同一时刻的物理现象所表现的指标进行分析 只能看出相关指标 的微观联系 通常用于针对暂态电能质量问题的分析 以找出暂态电能质量事 件的原因 对于稳态电能质量指标而言 这种微观的分析方法是不太适用的 因为往往某个时刻的一组稳态电能质量指标没有多大的实用意义 现实中往往 简易电能质量监测装置的设计 3 结合一段时间内的统计数据进行稳态电能质量指标的统计分析 各指标的统计 结果一般不反映诸多现象的时刻特征 但是能够反映其可能包含的物理现象的 综合特征模型 便于进一步仿真分析 并提出综合的控制措施 例如各次谐波 的95 概率数据集合 通过此数据可以看出负荷的基本频谱特征 判断其属于 哪类负荷 同时也便于分析判断所设置滤波器的支路及其容量等 4 系统性分析 随着电能质量监测点的增多 监测网络的扩大 管理人员在 时间和精力上往往不能够定期对每个监测点都进行详细的 独立的电能质量分 析 考虑到电网的特征 电能质量的各个指标实际上在整个电网内有一个传递 相互影响的过程 如谐波在整个电网内的传播 以及某个监测点的电压暂降对 其相邻线路的影响等 因此 针对电能质量指标的分析 必将会发展到一个 系统性的层次上 即在整个电网结构的层面上进行全局的 系统的电能质量评 估和分析 当电能质量监测网络达到一定规模后 系统所面对的最大问题就是 海量数据的问题 海量数据会在系统存储容量 查询性能等方面给电能质量监 测系统带来很大考验 甚至可能导致整个系统的崩溃 采用系统性的分析方法 最大的优势在于可以减少直接面对无用的冗余数据 而只需要面对真正需要深 入分析的电能质量问题 5 这种情况下 可以利用数据挖掘技术来实现系统性 电能质量指标分析 采用数据挖掘技术以后 电能质量监测系统呈现给使用者 的是经过统计 整理出来的数据 通过这些数据可以很清晰地了解整个电网内 各个监测点的电能质量总体情况 然后可以选择对于电能质量问题比较严重的 监测点进行深入的分析 此时可以采用针对单个监测点的宏观或者微观的分析 方法 2 2 电能质量监测装置的常用算法 电网交流信号的采样 交流信号的采样是各个参数计算的基础 也对参数 的计算有着关键的作用 电能质量参数除了瞬态参数以外一般都是以电网的一 个周期为单位进行处理的 所以首先要确定电网当前的周期 然后根据电网的 周期进行交流信号的离散化和数字化的数据采样 并根据频率的变化调整采样 时间 至于一个周期的采样点数 一般为2 的N次方 例如 128 点 256 点等 等 这样便于后面一些参数的计算 所采集的一系列离散数字化的数据就代表 了当前电网信号的状况 对这些原始数据进行相应处理就可以获得各种参数 简易电能质量监测装置的设计 4 当然由于硬件信号处理电路的不同 可能外部的交流信号已经经过了一定的处 理 例如波形上移 波形翻转等处理 所以采样得到的一系列离散数字化的数 据首先要还原这些处理 这样才能使用下面各种参数的算法 6 谐波 谐波即对周期性的交流量进行傅立叶级数分解 得到频率为大于1 的整数倍基波频率的分量 随着工业技术的发展 不断有新的电力电子装置和 其他非线性负荷接入电网 导致电网谐波水平逐年升高 同时目前大量使用微 电子器件的仪表和设备 其对谐波干扰极其敏感 因此 谐波问题一直是主要 的电能质量问题 一般电网信号都满足关系式 所以电网中 ff 主要存在的是奇次谐波 如3 次 5 次等 而偶次谐波的含量一般都很小 所 以在谐波分析中一般只关注奇次谐波 这样对于运算量也会减少很多 电压闪变 电压闪变是人眼对灯闪的主观感觉 当然在具体衡量电网质量 的时候不能用主观感觉描述 需要采用某个具体的参数描述 在电压闪变方面 一般利用电压调幅波的频率 波形和幅值相关的参数进行描述 三相不平衡度 三相不平衡度指三相电力系统中三相电压或电流不平衡的 程度 理想的三相电力系统是三相对称系统 即三相电压应有相同的幅值 且 相位角互差120 但实际由于各相负荷等各种因素 电力系统并不是完全平 衡的 三相不平衡会带来各种危害 例如引起电机发热和振动 影响其正常运 行 使一些设备的效率下降 也会导致其使用寿命缩短 不平衡达到一定程度 还会产生各种电力事故 7 简易电能质量监测装置的设计 5 3 简易电能质量监测装置的硬件电路设计 3 1 系统硬件电路的整体功能设计 电压互 感器 电流互 感器 频率捕捉 电路 A D 转换 接口电路 单片机计 算电路 键盘 显示 图 3 1 系统整体框图 其中电压互感器和电流互感器的作用是把高压电源信号转变成低压信号接 入电路 频率捕捉电路的功能是测出电源频率的波动范围 通过数据采样和 A D转换送到单片机计算电路分析数据 通过键盘控制显示的内容 3 2 数据采集模块的设计 3 2 1 电压和电流信号的采集 通过电压互感器和电流互感器把电源的电压和电流接入电路中 电磁感应 式电压互感器其工作原理与变压器相同 基本结构也是铁心和原 副绕组 特 点是容量很小且比较恒定 正常运行时接近于空载状态 电压互感器本身的阻 抗很小 一旦副边发生短路 电流将急剧增长而烧毁线圈 为此 电压互感器 的原边接有熔断器 副边可靠接地 以免原 副边绝缘损毁时 副边出现对地 高电位而造成人身和设备事故 测量用电压互感器一般都做成单相双线圈结构 其原边电压为被测电压 如电力系统的线电压 可以单相使用 也可以用两 台接成 V V 形作三相使用 实验室用的电压互感器往往是原边多抽头的 以适 应测量不同电压的需要 供保护接地用电压互感器还带有一个第三线圈 称三 简易电能质量监测装置的设计 6 线圈电压互感器 三相的第三线圈接成开口三角形 开口三角形的两引出端与 接地保护继电器的电压线圈联接 正常运行时 电力系统的三相电压对称 第 三线圈上的三相感应电动势之和为零 一旦发生单相接地时 中性点出现位移 开口三角的端子间就会出现零序电压使继电器动作 从而对电力系统起保护作 用 线圈出现零序电压则相应的铁心会出现零序磁通 这种三相电压互感器采 用旁轭式铁心 10KV 及以下时 或采用三台单相电压互感器 对于这种互感器 第三线圈的准确度要求不高 但要求有一定的过励磁特性 即当原边电压增加 时 铁心中的磁通密度也增加相应倍数而不会损坏 在供电用电的线路中电流大大小小相差悬殊从几安到几万安都有 为便于 二次仪表测量需要转换为比较统一的电流 另外线路上的电压都比较高如直接 测量是非常危险的 电流互感器就起到变流和电气隔离作用 8 目前显示仪表 大部分是指针式的电流表 所以电流互感器的二次电流大多数是安培级的 现 在的电量测量大多数字化 而计算机的采样的信号一般为毫安级 0 5V 4 20mA 等 微型电流互感器二次电流为毫安级 主要起大互感器与采样之间的 桥梁作用 3 2 2 信号频率捕捉电路的设计 1 LM339 芯片介绍 LM339 集成块内部装有四个独立的电压比较器 该电压比较器的特点是 失调电压小 典型值为 2mV 电源电压范围宽 单电源为 2 36V 双电源电压为 1V 18V 对比较信号源的内阻限制较宽 共模范围很大 为 0 Ucc 1 5V Vo 差动输入电压范围较大 大到可以等于电源电压 输出端电位可灵活方便地选用 LM339 集成块采用 C 14 型封装 由于 LM339 使用灵活 应用广泛 所以世 界上各大 IC 生产厂 公司竟相推出自己的四比较器 如 IR2339 ANI339 SF339 等 它们的参数基本一致 可互换使用 LM339 类似于增益不可调的运算放大器 每个比较器有两个输入端和一个 输出端 两个输入端一个称为同相输入端 用 表示 另一个称为反相输 简易电能质量监测装置的设计 7 入端 用 表示 用作比较两个电压时 任意一个输入端加一个固定电压 做参考电压 也称为门限电平 它可选择 LM339 输入共模范围的任何一点 另一端加一个待比较的信号电压 当 端电压高于 端时 输出管截止 相当于输出端开路 当 端电压高于 端时 输出管饱和 相当于输出 端接低电位 两个输入端电压差别大于 10mV 就能确保输出能从一种状态可靠 地转换到另一种状态 因此 把 LM339 用在弱信号检测等场合是比较理想的 LM339 的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管 在使用时输出端到 正电源一般须接一只电阻 称为上拉电阻 选 3 15K 选不同阻值的上拉电阻 会影响输出端高电位的值 因为当输出晶体三极管截止时 它的集电极电压基 本上取决于上拉电阻与负载的值 9 另外 各比较器的输出端允许连接在一起 使用 2 SS16 二极管介绍 SS16是一种低功耗 快恢复的肖特基二极管 具有反向恢复时间极短的特 点 在电路中起保护作用 3 信号频率捕捉电路原理图 R17 100K R25 100K R28 1K R32 3K R36 100K C16 104F C21 104FC22 0 68 R29 3K V D1 SS16 V D2 SS16 V D3 SS16 V D4 SS16 R30 10K R33 10K U A U B U C O UT 2 O UT 1 V IN1 IN1 IN2 IN2 5V R18 100K 5V FRE Q C13 104F 5V O UT 3 O UT 4 G ND IN4 IN4 IN3 IN3 U 3 L M339 图 3 2 信号频率捕捉电路原理图 3 2 3 A D 转换接口电路的设计 1 ADC0809芯片简介 ADC0809是带有8位A D转换器 8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑 的CMOS组件 它是逐次逼近式A D转换器 可以和单片机直接接口 ADC0809由 简易电能质量监测装置的设计 8 一个8路模拟开关 一个地址锁存与译码器 一个A D转换器和一个三态输出锁 存器组成 多路开关可选通8个模拟通道 允许8路模拟量分时输入 共用A D 转换器进行转换 三态输出锁器用于锁存A D转换完的数字量 当OE端为高电 平时 才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据 10 ADC0809各脚功能如下 D7 D0 8位数字量输出引脚 IN0 IN7 8位模拟量输入引脚 VCC 5V工作电压 GND 地 REF 参考电压正端 REF 参考电压负端 START A D转换启动信号输入端 ALE 地址锁存允许信号输入端 EOC 转换结束信号输出引脚 开始转换时为低电平 转换结束时为高电 平 OE 输出允许控制端 用以打开三态数据输出锁存器 CLK 时钟信号输入端 一般为500KHz A B C 地址输入线 地址输入和控制线 4 条 ALE 为地址锁存允许输入线 高电平有效 当 ALE 线为高电平时 地址锁 存与译码器将 A B C 三条地址线的地址信号进行锁存 经译码后被选中的通 道的模拟量进转换器进行转换 A B 和 C 为地址输入线 用于选通 IN0 IN7 上的一路模拟量输入 通道选择表如下表所示 表 3 1 ADC0809 的通道选择表 CBA 选择的通道 000IN0 001IN1 010IN2 011IN3 100IN4 101IN5 简易电能质量监测装置的设计 9 110IN6 111IN7 数字量输出及控制线 11 条 ST 为转换启动信号 当 ST 上跳沿时 所有内部寄存器清零 下跳沿时 开始进行 A D 转换 在转换期间 ST 应保持低电平 EOC 为转换结束信号 当 EOC 为高电平时 表明转换结束 否则 表明正在进行 A D 转换 OE 为输出允 许信号 用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据 OE 1 输 出转换得到的数据 OE 0 输出数据线呈高阻状态 D7 D0 为数字量输出线 CLK 为时钟输入信号线 因 ADC0809 的内部没有时钟电路 所需时钟信号必须 由外界提供 通常使用频率为 500KHz VREF VREF 为参考电压输 入 ADC0809 应用说明 ADC0809 内部带有输出锁存器 可以与 AT89S51 单片机 直接相连 初始化时 使 ST 和 OE 信号全为低电平 送要转换的哪一通道的地 址到 A B C 端口上 在 ST 端给出一个至少有 100ns 宽的正脉冲信号 是否 转换完毕 我们根据 EOC 信号来判断 当 EOC 变为高电平时 这时给 OE 为高 电平 转换的数据就输出给单片机了 2 A D 转换电路原理图 EA VP 31 X1 19 X2 18 RE SE T 9 INT 0 12 INT 1 13 T0 14 T1 15 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P0 0 39 P0 1 38 P0 2 37 P0 3 36 P0 4 35 P0 5 34 P0 6 33 P0 7 32 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 RD 17 WR 16 PSEN 29 AL E P 30 TX D 11 RX D 10 89C51 C C 6M Hz C R 5V D CK Q Q AL E D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 CL OCK ST ART AL E OE EO C AD DA AD DB AD DC RE F IN 7 RE F AD C0809 D0 3 Q0 2 D1 4 Q1 5 D2 7 Q2 6 D3 8 Q3 9 D4 13 Q4 12 D5 14 Q5 15 D6 17 Q6 16 D7 18 Q7 19 OE 1 LE 11 U 74LS373 1 1 IN 6 IN 5 IN 4 IN 3 IN 2 IN 1 IN 0 U NO R U NO R 简易电能质量监测装置的设计 10 图 3 3 A D 转换电路原理图 由于 ADC0809 片内无时钟 可利用 89C51 提供的地址锁存允许信号 ALE 经 D 触发器 2 分频后获得 ALE 引脚的频率是 89C51 单片机时钟频率的六分之一 单片机时钟频率采用 6MHz 则 ALE 引脚的输出频率为 1MHz 再 2 分频后为 500KHz 恰好符合 ADC0809 对时钟频率的要求 由于 ADC0809 具有输出三态锁 存器 其 8 位数据输出引脚可直接与数据总线相连 地址译码引脚 C B A 分 别与地址总线低 3 位 A2 A1 A0 相连 以选通 IN0 IN7 中的一个通路 将 P2 7 地址总线 A15 作为片选信号端 在启动 A D 转换时由单片机的写信号 和 P2 7 引脚信号控制 ADC 的地址锁存和转换启动 由于 ALE 和 START 连在一 起 因此 ADC0809 在锁存地址的同时 启动并进行转换 在读取转换结果时 用低电平的读信号和 P2 7 引脚经 1 级或非门后 产生的正脉冲作为 OE 信号 用以打开三态输出锁存器 3 3 单片机控制系统及外围电路的设计 3 3 1 单片机最小系统的设计 在智能化仪器仪表中 控制核心均为微处理器 而单片机以高性能 高速 度 体积小 价格低廉 稳定可靠而得到广泛应用 是设计智能化仪器仪表的 首选微控制器 单片机结合简单的接口电路即可构成单片机最小系统 它是智 能化仪器仪表的基础 也是测控 监控的重要组成部分 11 单片机最小系统是在以 MCS 51 单片机为基础上扩展 使其能更方便地运 用于测试系统中 不仅具有控制方便 组态简单和灵活性大等优点 而且可以 大幅度提高被测试的技术指标 从而能够大大提高产品的质量和数量 单片机 以其功能强 体积小 可靠性高 造价低和开发周期短等优点 称为在实时检 测和自动控制领域中广泛应用的器件 在工业生产中称为必不可少的器件 尤 其是在日常生活中发挥的作用也越来越大 3 3 2 键盘 显示电路的设计 键盘显示电路中 键盘采用独立键盘 按键直接与 89C51 的 I O 口线相连 简易电能质量监测装置的设计 11 通过读 I O 口判断各 I O 口线的电平状态 即可识别出按下的键 4 个数码管 直接与 89C51 的 P0 口相连 每个数码管用一条选通线 EA VP 31 X1 19 X2 18 RE SE T 9 INT 0 12 INT 1 13 T0 14 T1 15 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P0 0 39 P0 1 38 P0 2 37 P0 3 36 P0 4 35 P0 5 34 P0 6 33 P0 7 32 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 RD 17 WR 16 PSEN 29 AL E P 30 TX D 11 RX D 10 89C51 RRR 5V C C 6M Hz 5V C R Q PN P Q PN P Q PN P Q PN P VCC a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp DS VCC a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp DS VCC a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp DS VCC a bf c g d e DPY 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp DS VCC 图 3 4 键盘显示电路原理图 简易电能质量监测装置的设计 12 4 简易电能质量监测装置的程序设计 4 1 电能质量监测装置软件主程序设计 电能质量监测装置软件的主程序流程图如图 4 1 所示 开始 初始化 同步采样程 序 A D转换程序 键盘程序是 否启动 C51程序 显示程序 Y N 图 4 1 电能质量监测装置主程序流程图 简易电能质量监测装置的设计 13 4 2 同步采样的设计 4 2 1 同步采样的分类 目前 大多都是通过同步采样方法建立理论和算法后来采样 分析周期电 气信号 由于实际工程中的采样很难达到理想的同步 存在同步误差 使数据分 析的准确性和测量的精确度受到影响 因此 选择合适的采样方法 减小同步 误差是提高测量精度的关键 12 电网交流电气信号参数的采样方法主要有直流采样方法和交流采样方法 直流采样法是采集经变送器的直流量 软件设计简单 计算方便 但直流采样法 测量精度直接受整流电路的精度和稳定性影响 同时直流采样一般只能反映被 测量的单一信息 如有效值 无法实现实时信号的采集 从而造成测量装置产 生误差 为了满足高精度 高稳定性测量的要求 现在普遍采用交流采样技术 交流采样技术是按一定要求对被测信号的瞬时值进行采样 然后对采样值 进行分析处理 并获取被测量的信息 交流采样对A D转换速度和CPU处理速度 要求较高 算法复杂 但交流采样包含信息量大 实时性好 相位失真小 成为目 前数据采集系统中主要的采样方式 13 目前工程上使用的同步采样技术有硬 件同步采样和软件同步采样 1 硬件同步采样 硬件同步采样通过专门设计的硬件电路来实现对被测信号采样脉冲的同步 由于电网的频率并非固定在某一个值 而是存在一定的偏差 因此需使采样频率 实时跟踪电网信号频率变化来减少采样误差 2 软件同步采样 软件同步采样是通过在定时中断服务程序中对定时器重置定时值来实现的 首先 通过测量电网信号周期T 然后根据周期T以及每周期内采样点数N 来确 定定时器时间 T N 当定时时间 到时 产生中断请求实现同步采 样 软件同步采样不需要专门的硬件电路 成本低 只需在程序中设置中断程序 即可实现 14 简易电能质量监测装置的设计 14 4 2 2 软件同步采样的流程图 在软件设计中 主要是两个中断时间的实现 AD的采样触发信号源为 F2812 的通用定时器1的溢出信号 在定时器中断中启动AD采样 通过修改 F2812的计数寄存器可以设置相应的采样频率 从而可以设置AD 的采样率 利 用AD 转换完成信号触发DSP芯片的外部中断INT1信号 在外部中断程序中依次 读取6 通道的采集数据 其流程图如图4 2所示 定时T0入口 开启AD采样 使能定时器 比较中断 中断标志位 复位 清除相应的 应答标志位 返回 图 4 2 定时器中断流程图 简易电能质量监测装置的设计 15 开始 关闭外部中断1 依次读取6同道 数据并将数据 放入SRAM中 开启外部中断1 清除相应的应 答标志位 返回 图 4 3 外部中断INT1程序流程图 4 3 电能参数的计算 4 3 1 电压 电流有效值的计算 在单片机中实现开根号 原理 假如和都是二进制序列 取值0或1 B b 0 0 1 1 2 2 1 1 2222 BBBBM m m m m 0 0 1 1 2 2 1 1 2222 bbbbN n n n n MN 2 简易电能质量监测装置的设计 16 N的最高位可以根据M的最高位直接求得 1 n b 1 m B 设m已知 因为 所以 mm M22 1 22 1 22 mm N 如果m是奇数 设 那么21mk 1 1 2 222 kk k N kn 1 2 1 1 m kn 如果m是偶数 设 那么km2 12 22 k k N 1 2 k 11 kn 2 m kn 所以完全有决定 1 n b 1 m B 余数 22 11 2 n n MMb N的次高位可以采用试探法来确定 2 n b 因为 假设 则1 1 n b1 2 n b 2 12222224 11112 22222 nnnnn nnnnn bbbbb 然后比较余数是否大于等于 这种比较只须根据 1 M 224 12 22 n nn bb 便可作出判断 其余低位不做比较 1 m B 2 m B 42 n B 若 则假设有效 余数 224 112 22 n nn Mbb 1 2 n b 2 12224 21121 22212 nnn nn MMbbM 若 则假设无效 余数 224 112 2 2 n nn Mbb 0 2 n b 12 MM 同理 可以从高位到低位逐次求出M的平方根N的各位 使用这种算法计算32位数的平方根时最多只须比较16次 而且每次比较时 不必把M的各位逐一比较 尤其是开始时比较的位数很少 所以消耗的时间远 简易电能质量监测装置的设计 17 低于牛顿迭代法 根据相电压的有效值定义 若为相邻两次采样的时间间隔 为第 k T kU k个时间间隔的电压采样的瞬时值 有 4 1 0 2 1 N k k TkU T U 1 若相邻两次采样的时间间隔相等及为时间常数 则有 k T T T T N 4 1 0 2 1 N k kU N U 2 同理可得电流的有效值公式 4 1 0 2 1 N k kI N I 3 4 3 2 电源频率的计算 结合实际情况 采用硬件测频的方法 输入电压经变换 隔离后通过50 Hz 带通滤波器获得平滑的正弦波信号 消除经方波形成器后整形为上升沿陡峭的 方波 然后接入到测量CPU的可编程计数阵列 PCA 模块 利用其上升沿捕获功能 得到PCA计数器在每个方波周期内的计数值N 于是输入电压的频率f为 4 cp f N f 1 4 其中为PCA的计数频率 cp f 简易电能质量监测装置的设计 18 4 3 3 有功功率 无功功率的计算 1 有功功率的计算 用单片机实现 cos计算 利用高级语言自动生成查表程序 利用高级语言自动生成查表程序的实质就是利用高级语言的计算功能 把 原本复杂的计算转换为简单的查表结果 以文本文件的形式输出查表程序 在 单片机编程中将该段程序插入相应的程序中去 在应用中需要注意的是 查表 结果没有小数 故在计算输出时要四舍五入 查表结果只能在0 255之间 超 出此范围要加以处理 有一点要注意的是 在插入查表程序时特别要注意查表 程序不能跨过0 255的页面 有功功率电能用于做功被消耗 它们转化为热能 光能 机械能或化学 能等 称为有功功率 又叫 平均功率 15 交流电的瞬时功率不是一个恒定 值 功率在一个周期内的平均值叫做有功功率 它是指在电路中电阻部分所 消耗的功率 以字母 P表示 单位瓦特 4 1 1 1 N k kk iu N P 5 其中N为一个电网周期的采样点数 和分别为对应点的电压瞬时值和 k u k i 电流瞬时值 2 无功功率的计算 无功功率本身并不做功 但会降低传输线路的效率并增加其线损 同时对 一些设备也会产生影响 所以无功功率是一般电网中非常关注的一个参数 采 用公式 4 N k kNk ui N Q 1 4 1 6 进行计算 其中N为一个电网周期的采样点数 和分别为电流和电压 k i k u 的瞬时值 由此求得的无功功率带有符号 负号表示容性 正号表示感性 简易电能质量监测装置的设计 19 4 3 4 功率因数的计算 在交流电路中 电压与电流之间的相位差的余弦叫做功率因数 用符号 表示 在数值上 功率因数是有功功率和视在功率的比值 即 4 S P cos 7 在具有阻抗的交流电路中 电压有效值与电流有效值的乘积 称为视在功 率 视在功率的平方 有功功率的平方 无功功率的平方 即 4 222 QPS 8 4 3 5 电能参数计算的 MATLAB 仿真结果 1 当电压与电流相位一致时 有功功率P1 4 7220e 004 无功功率 V1 1 7746e 013 仿真图像如图4 4所示 图 4 4 电压与电流相位一至时的仿真图像 2 当电压滞后电流90度时 有功功率P2 5 3239e 012 无功功率V2 4 7220e 004 仿真图像如图4 5所示 简易电能质量监测装置的设计 20 图 4 5 电压滞后电流90度的仿真图像 当电压滞后电流60度时 有功功率P3 2 3610e 004 无功功率V3 4 0893e 004 仿真图像如图4 6所示 图 4 6 电压滞后电流60度的仿真结果图像 简易电能质量监测装置的设计 21 4 4 键盘 显示程序设计 4 4 1 键盘程序设计 键盘是由若干按钮组成的开关矩阵 它是单片机系统中最常用的输入设备 用户能通过键盘向计算机输入指令 地址和数据 一般单片机系统中采和非编 码键盘 非编码键盘是由软件来识别键盘上的闭合键 它具有结构简单 使用 灵活等特点 因此被广泛应用于单片机系统 按钮开关的抖动问题组成键盘的 按钮有触点式和非触点式两种 单片机中应用的一般是由机械触点组成的 16 图 4 7 键盘的结构图 图 4 8 输入端的波形图 图 4 5 是键盘的结构图 当开 关 S 未被按下时 P2 6 输入为高电平 S 闭合后 P2 6 输入为低电平 由于按钮是机械触点 当机械触点断开 闭合时 会有抖动动 P2 6 输入端的波形如图 4 6 所示 这种抖动对于人来说是感觉不 到的 但对计算机来说 则是完全能感应到的 因为计算机处理的速度是在微 秒级 而机械抖动的时间至少是毫秒级 对计算机而言 这已是一个 漫长 的时间了 中断时曾有个问题 就是说按钮有时灵 有时不灵 其实就是这个 原因 你只按了一次按钮 可是计算机却已执行了多次中断的过程 如果执行 的次数正好是奇数次 结果正确 如果执行的次数是偶数次 那就不对了 为 使 CPU 能正确地读出 P2 口的状态 对每一次按钮只作一次响应 就必须考虑 如何去除抖动 常用的去抖动的办法有两种 硬件办法和软件办法 单片机中 常用软件法 软件法其实很简单 就是在单片机获得 P2 6 口为低的信息后 简易电能质量监测装置的设计 22 不是立即认定 S1 已被按下 而是延时 10 毫秒或更长一些时间后再次检测 P2 6 口 如果仍为低 说明 S1 的确按下了 这实际上是避开了按钮按下时的抖动 时间 而在检测到按钮释放后 P2 6 为高 再延时 5 10 个毫秒 消除后沿的 抖动 然后再对键值处理 不过一般情况下 我们常常不对按钮释放的后沿进 行处理 实践证明 也能满足一定的要求 当然 实际应用中 对按钮的要求 也是千差万别 要根据不一样的需要来编制处理程序 但以上是消除键抖动 键盘程序的流程图如图 4 9 所示 开始 有键闭合 调用延时子程 序延时6ms 2次调用延时子 程序延迟12ms 有键闭合 判断闭合键键 号 闭合键释放 否 输入键号 返回 Y N Y N 图 4 9 键盘程序流程图 4 4 2 显示程序设计 1 LED 显示器 常用的 LED 显示器为 8 段 每一个段对应 1 个发光二极管 这种显示器有 简易电能质量监测装置的设计 23 共阳极和共阴极 2 种 共阴极 LED 显示器的发光二极管的阴极连接在一起 通 常公共阴极接地 当某个发光二极管的阳极为高电平时 发光二极管点亮 相 应的段被显示 同样共阳极 LED 显示器的发光二极管的阳极连接在一起 通常 公共阳极接正电压 当某个发光二极管的阴极接低电平时 发光二极管被点亮 相应的段被显示 由 N 各 LED 显示块可拼接成 N 位的 LED 显示器 LED 显示器 有静态显示和动态显示两种显示方式 LED 显示器工作于静态显示方式时 各 位的共阴极 或共阳极 连接在一起并接地 5V 每位的段码线分别与一个 8 位的锁存器输出相连 静态显示器的亮度较高 显示位数较多的情况下 一 般都采用动态显示方式 而动态显示是实质是以牺牲 CPU 的时间来换取器件的 减少 2 显示程序流程图 简易电能质量监测装置的设计 24 开始 初始化 送段码 取显示 查表取出段码 将段码送SBUF 1B的段码输 完 清除标志位 指向下一个数 据单元 段码个数为 0 关闭显示器 返回 N Y Y N 图 4 10 显示程序流程图 简易电能质量监测装置的设计 25 5 系统的调试 5 1 硬件调试 硬件电路设计完成后 需要测试电路能否正常工作 用单片机 WAVE 仿真 器对系统硬件进行诊断与检查 程序的输入与修改 硬件电路 程序的运行与