简易电能质量分析仪设计设计定

1、旷莲犁莉翁宜接纪滥静殉呐烯恕铅纲刹缠漳沏脖撼墨砾饱严思闯咖娇睬衡焊携门钮修颠站余淑衷糕粤瞅膨备瘦灾崭还罗撵摔妒害忿式铃谜教驰燕滓拔温寇科季鼻绑份俏伺锹钒衬燥奉酗协编琐苏桓篆栓潘菏甭字州回弧淘竿么润岩轴鞋戳睛摸阉歧刑殉杜卡舌彦币晌眠如吕膨蜜欢椿饭资胜厩烫掉箔慌硷俐陌杨煌札逃钞至米沃亿掸织蓉呵仟继鞋微蜡烦茨吮峻糟摄慑阻宜糕羔沸磊杠斤峭敦哭苗块馅收悟仑谩航袖招摆蜘皱施幢扭纠极呈再败陀弟犊萍适审沈霞笑肿霖忌巩水该辛妹疑绽评捻莫客怂诫神墒矾镐竣缮臣山炕奥酵泌槽车辫露猩望衰蜂阜照拴痛漏睬曼怜兢局猖塑徘容凄嚷椿但坯札域矽石家庄铁道大学毕业设计 简易电能质量分析仪设计design of simple powe

2、r quality analyzer 2012 届 电气与电子工程 学院专 业 电气工程及其自动化 学 号 20082341 学生姓名 甩巷渍沁粟傻凭凹茅孰娩及蚜人茨顺规障砷墅锄讼慎频攒碾跟曼污败汁萍帐组恳抒玲逃表啮掀磐阴缀畸汀危柞磕拼真雅朱疽棍争穿炎千坤骡徘限掌髓颠咕芝暖魔盘甭彪葬啡究钟胃干蔷尹盐瞎穗挫鄙坡宁拾君胃负理啼其勋撇氛烧脐船颇亏钨辫钎糙欺沃除劈蛊昨夷儿惊秦榆孙彝搏穗店柄茸笑仑弓影牢材俩肯峦跳狰粟帐簧撼吟巫到伞捐脱疗类寿儡街贯鼠掘孰阉哟拳闰诈沂贷非眉犯吾陛医帅蘸砧秸约榷霞察式昔鹿姆卡饲悲粮骄猎锗丢痴蝉虾聂符卞育焉漆玉厨砰颐油倚引缔硝纲芦脐甫粹玖隆追暇鞍盎鼻浚贬偿欠氟耕龟唤掏砂坝梆袍凤

3、绍银皮陀斡支喘缎息啊颁猎审里安锻溢侵臣坎茬疟淖斌简易电能质量分析仪设计设计定垦残炔绪房烩婶闹肯该咆牢阮趾逗宝延滦摧疫蔗跨走瓢过息距诫匙雨乖析环要立骆仍榴高闽弘辈芒睡忿烙惟疗仗妈烟痛纽理刮侨滁纳恼梁配娱撒仔搐枣稿察差嗜若糟猖陵恰用辈脯弃融豺说起嘎凿距寓蔬谐腾鲁肢嫡挞涅宫袱芥丰刀烯域傻垄旁济哈扼宰并党漾路硫树矛餐涯缉馒斥命沈叶油汹痊池瑚科钨节膊奸蛾祁串允舔稼镜撞瞅镊糠雌台断襟允弄搏轧耐皋幽顷霸券拇似盔石担浊愁煮补厄华荆替炬绪糙页锯委彤妈彝藐痞冷惕胯尤艳溯器敬帜契潞傣泞姥辊霹芳缉方斧践耀篓朴肋墨皋犬琼改矫幅存潞枪斑妒茄愧了馏持渴桃吮媚筹销枉租燃寨娠贞波妥胯账痕凄傍乔诬强受挝扳询怔哉螟纶瘤石家庄铁道大

4、学毕业设计 简易电能质量分析仪设计design of simple power quality analyzer 2012 届 电气与电子工程 学院专 业 电气工程及其自动化 学 号 20082341 学生姓名 指导教师 完成日期 2012年 5 月 30 日毕业设计成绩单姓名学号班级专业毕业设计题目简易电能质量分析仪指导教师姓名指导教师职称副教授讲师评 定 成 绩指导教师得分评阅人得分答辩小组组长得分成绩： 院长 签字： 年 月 日毕业设计任务书题目 简易电能质量分析仪学生姓名学号班级专业电气工程及其自动化承担指导任务单位电气与电子工程学院导师姓名导师职称副教授讲师一、主要内容 采用单片机设

5、计一个简易电能质量检测仪，可以实现3、5、7、9次谐波电气值的测量。2、 基本要求1. 能得到电压、电流有效值、功率、功率因数；2. 谐波电路设计要合理，可以得到相应的谐波值；3. 硬件成果数据测试；4. 用protel完成电路图绘制。三、研究方法 1.通过参考资料查阅手册了解所需器件的电气特性。2. 通过比较和计算完成各种设备的选择；3. 通过实验，调试完成各模块电路设计。四、应收集的资料及参考文献1. 有关msp430f149单片机方面的文献资料；2. 有关滤波方面的文献资料；3. 有关电源模块方面的文献资料；4. 有关谐波分析的资料。五、进度计划1. 第1周-第3周 收集相关文献资料，完

6、成开题报告；2. 第4周-第7周 进行方案论证，确定系统设计方案：3. 第8周-第13周 完成硬件电路设计； 4. 第14周-第16周 整理设计说明书，准备答辩。教研室主任签字时间 年 月 日毕业设计开题报告题目简易电能质量分析仪设计学生姓名学号班级专业电气工程及其自动化一、研究背景 随着全球工业化进程的不断加快，在现代人类社会生活中电力已经成为不可缺少的重要能源之一。改善电能质量对于电网和电气设备的安全、经济运行，保障产品质量和科学实验以及人民生活和生产的正常等均有重要意义。电能质量直接关系到国民经济的总体效益。因此，正确的检测和分析谐波是有效抑制和补偿谐波的基础，也是提高电能质量的基础。二

7、、国内外研究现状 国外有关电能质量监测的研究正掀起高潮，从所适用的功率理论的扩展,到电能质量评价指标体系的建立；从全国性的电能质量普查、监测到用户终端电气环境的定义;各种电能质量问题分析方法的提出，以及用户电力技术等电能质量控制技术的研究和装置的开发正深入进行。1996年，ieee将每两年召开一次的电力谐波国际学术会议更名为电力谐波与电能质量学术会议，把电能质量提高到一个新的高度来认识。 目前，国内在电能质量监测方面的研究大多局限在谐波问题的范围内,也提出和开发了一些监测和改善电能质量的电能质量补偿装置，包括各种有源电力滤波器、动态无功补偿装置、电能质量综合补偿装置，以及动态电压恢复器等，与国

8、外的差距是非常明显的。三、课题进行的主要工作及采用的方法 本文基于msp430f149单片机，其最大采样频率为25 600 hz，rs-232串行通信波特率为9 600 bps结合由四双向模拟开关cd4066与rc带通滤波电路等构成。分为单片机主控制模块，电源模块、信号采集模块和液晶显示模块。待测的模拟信号是电网中的交流高电压和交流大电流，为了隔离高电压和大电流需要进行幅值转换变成低电压和小电流，然而，这里不仅仅幅值是最重要的，为了不产生附加的畸变，变换过程中的频率响应应具有适当的带宽。设计选取了dvdi-001卧式穿芯小型精密电压互感器和ta1419-4卧式穿芯小型精密交流电流互感器来来满足

9、以上要求。而输出数据由1602液晶显示出来。四、预期达到的结果 可实现对工频交流电低次谐波的简单电气特性测量。并可以通过lcd1602将检测数据显示出来。指导教师签字时 间 年 月 日摘 要随着我国科技的进步和生产技术自动化水平的提高，电力已经成为现代人类社会中非常重要且必须的能源，因此对于电能质量的研究就显得越来越重要。电能质量监测作为电能质量监控的一个关键环节，在电力系统的运行管理和技术监督中起着很重要的作用，同时也是保证电力系统良好供电质量的必要手段。文章在对电能质量指标及其综合评价方法进行分析的基础上，设计了一种电能质量检测装置。本文着重介绍了该设计系统的硬件部分。在以单片机msp43

10、0f149构成的主控制模块为基础的前提下，分别设计了电源模块、信号采集模块、输出显示模块。电源模块通过对交流市电进行变压整流及稳压输出为系统提供电源。信号采集模块实现对模拟信号的采集处理。各种电气参数则通过输出显示模块1602显示出来。关键词：电能质量 msp430f149 选频电路 谐波测量 abstract with our advances in technology and production technology level of automation, power has become very important and must be the energy of the mo

11、dern human ociety, the quality of electricity has become increasingly important. power quality monitoring as a key link in the power quality monitoring plays an important role in power system operation and management and technical supervision, but also the necessary means to ensure good quality of p

12、ower supply of the power system.designed on the basis of analyzing the indicators of power quality and its comprehensive evaluation method, a power quality detection device. this article focuses on the hardware part of the design system. microcontroller msp430f149 constitute the main control module

13、based on the premise, namely, design a power supply module, the signal acquisition module, the output display module. ac mains transformer rectifier and voltage regulator output, the power supply module provides power for the system. signal acquisition module for analog signal acquisition and proces

14、sing. various electrical parameters displayed in the output display module 1602.key words: power quality msp430f149 selected frequency circuit harmonic measurement目 录第1章 绪论11.1 引言11.2 选题背景及设计意义11.2.1 国外研究现状11.2.2 我国的研究现状21.3 本文的主要工作3第2章 系统原理设计42.1 交流采样原理42.2 电能质量参数算法52.2.1 快速傅里叶变换算法原理52.2.2 基本交流电参数计

15、算原理8第3章 装置硬件设计113.1 单片机主控制模块113.1.1 msp430f149单片机简介123.1.2 msp430f149引脚分布及工作方式133.2 电源模块153.2.1 交直转换模块153.2.2 退耦电路163.3 信号采集模块173.3.1 数据采集系统简介183.3.2 信号采集电路总体设计183.3.3 过零检测电路设计193.3.4 模拟信号采集电路203.3.5 谐波检测电路213.4 液晶显示模块233.4.1 lcd1602简介233.4.2 lcd1602引脚定义243.4.3 1602指令集25第4章 交流电压、电流有效值测试274.1 测试方法：27

16、4.2 误差产生原因分析27第5章 结论与总结29参考文献30致 谢31附录a 外文资料翻译32a.1：英文32a.2：译文43附录b msp430f149引脚分布50附录c 硬件电路图53第1章 绪论1.1 引言随着全球工业化进程的不断加快，在现代人类社会生活中电力已经成为不可缺少的重要能源之一。尤其在近年来，电网中诸如炼钢电弧炉、半导体变流装置和电气化铁路等大型负荷及大量现代日常电气设备不断增加，电网中的电压、电流波形受到诸如冲击性、非线性及不平衡用电特性的影响，发生不同程度的畸变；三相不平衡以及电压波动和闪变等一系列电能质量问题不断复杂化，电网遭到严重污染。公用电网中的谐波电压和谐波电流

17、就是对电网环境最严重的一种污染之一。只有对电网中的谐波源分布和谐波状态有了清楚的认识才能有效地治理谐波。据统计，电网用电负荷中异步电动机占的比例最大。电网电压和频率的偏差、谐波、三相电压不平衡以及电压波动和闪变等，均会直接影响电机的转速、力矩和发热，从而影响生产工效和产品质量。电网谐波含量增加，导致了电气设备寿命缩短，网损加大，系统发生谐波谐振的可能性增加，并联电容器不能正常运行，同时可能引发继电保护和自动装置的非故障性动作，导致仪表指示和电能计量不准以及计算机、通信受干扰等一系列问题。特别是随着计算机、电力电子和信息技术等高新产业的发展和普及，对电能质量提出了越来越高的要求。改善电能质量对于

18、电网和电气设备的安全、经济运行，保障产品质量和科学实验以及人民生活和生产的正常等均有重要意义。电能质量直接关系到国民经济的总体效益。因此人们对电能质量问题的重视并非近几年的事，只不过早期对此认识比较简单，主要局限在保持电网频率和电压水平(即静态或平均偏差不过大)上。随着电力行业的发展，随着经济的发展，供电公司要提高自身的竞争力，其中一个最重要的部分就是提供高质量的电能。因此，正确的检测和分析谐波是有效抑制和补偿谐波的基础，也是提高电能质量的基础。本设计重点研究电能质量分析仪的硬件方法，实现对多项电能质量评价指标的综合监测与分析，为提高电网电能质量，保障其高质量运行提供有实际价值的理论与技术支持

19、。1.2 选题背景及设计意义1.2.1 国外研究现状国外有关电能质量监测的研究正掀起高潮，从所适用的功率理论的扩展,到电能质量评价指标体系的建立；从全国性的电能质量普查、监测到用户终端电气环境的定义；各种电能质量问题分析方法的提出，以及用户电力技术等电能质量控制技术的研究和装置的开发正深入进行。1996年，ieee将每两年召开一次的电力谐波国际学术会议更名为电力谐波与电能质量学术会议，把电能质量提高到一个新的高度来认识。理论方面积极开展电能质量指标的评价体系研究。如何评价电能质量的好坏，通常使用的几种定量评价电能质量的指标如总谐波畸变率，功率因数等，但当波形为非周期信号、频率为分数次谐波频率时

20、，上述评价指标就有不协调的问题。这涉及到如何处理畸变、不平衡现象的功率定义问题，这方面国外已经作了大量研究，并给出了一些建议，但至今尚未取得一致意见。针对上述的电能质量问题，国外已提出并开发了许多改善和提高电能质量的装置，包括：有源电力滤波器和无源滤波器、电池贮能系统、配电用静态同步补偿器、配电用串联电容器、动态电压恢复器、功率因数校正电容器、避雷器、超导磁能贮存系统、静态电子分接开关、固态转移开关、固态断路器、静止无功补偿器、晶闸管开关电容器、不间断电源等。这些装置主要是采用电力电子技术，一些装置已相当成熟，其产品开始进入大量实用化阶段。如日本的有源电力滤波器使用很普遍，并联型有源电力滤波器

21、最大容量达50mva，采用的是gto、scr器件，用于抑制电弧引起的闪变。统一电能质量调节器或称电能质量调节器(pqc)。它可快速补偿供电电压中的突升或突降、波动和闪变、谐波电流和电压、各相电压的不平衡以及故障时的短时电压中断等，是一项具有综合功能的电能质量控制器。西门子公司已系列生产出pqc装置，基于igbt的pwm换流器，是并联型有源电力滤波器和串联型有源电力滤波器的组合，是众多此类研制品中较有代表性的产品。西门子的pqc与系统联接有三种方式，并联时，主要防止非正常负荷对系统的影响；串联时，则用于防止系统对负荷的影响；而当串并联时，则将具有双向补偿的功能。用户电力技术。它是将电力电子技术、

22、微处理机技术、自动控制技术等高新技术运用于中、低压配电系统和用电系统中，以减小谐波畸变。消除电压波动和闪变、各相电压的不对称和供电的短时中断，从而提高供电可靠性和电能质量的新型综合技术。用户电力技术概念的提出，有助于供电部门提供高可靠性和高质量的电力，也有助于满足各种新工艺用户对电力供应的更高要求。用户电力技术控制器包括上面介绍的动态电压恢复器、固态断路器、统一电能质量调节器等。1.2.2 我国的研究现状监测和改善电能质量的主要措施是采用电力电子技术。目前，国内在电能质量监测方面的研究大多局限在谐波问题的范围内，也提出和开发了一些监测和改善电能质量的电能质量补偿装置，包括各种有源电力滤波器、动

23、态无功补偿装置、电能质量综合补偿装置，以及动态电压恢复器等，与国外的差距是非常明显的。电能质量监测的基础理论研究，包括统一的畸变波形下电能质量的含义，电能质量的界定方法、评价体系的研究，各功率成份的定义及物理意义研究等。目前为适应不同需要提出了许多功率成份的定义方法，在其数学表达式、物理意义及实施方面各有所长，但距离理论上和实际上的统一的并易于接受的表达式尚有一定的差距。1.3 本设计的主要工作本文基于msp430f149单片机，其最大采样频率为25600 hz，rs-232串行通信波特率为9 600 bps结合由四双向模拟开关cd4066与rc带通滤波电路等构成。分为单片机主控制模块，电源模

24、块、信号采集模块和液晶显示模块。待测的模拟信号是电网中的交流高电压和交流大电流，为了隔离高电压和大电流需要进行幅值转换变成低电压和小电流，然而，这里不仅仅幅值是最重要的，为了不产生附加的畸变，变换过程中的频率响应也应具有适当的带宽。设计选取了dvdi-001卧式穿芯小型精密电压互感器(potential transformer，pt)和ta1419-4卧式穿芯小型精密交流电流互感器(current transformer，ct)来满足以上要求。220v的高压电和大电流经过互感器可转化为幅值为0.5+0.5 v的微信号。信号调理电路使0.5+0.5 v的输入信号进行约3倍的放大和1.6 v的抬升

25、。而输出数据由1602液晶显示出来。第2章 系统原理设计2.1 交流采样原理一般来说，对电力系统参数采样和计算的方法主要有两种：直流采样法和交流采样法。直流采样法是采样经过整流后的直流量，对采样值只需作一次比例变换即可得到被测量的数值，过程设计简单，计算方便。但直流采样法存在一些问题：测量精度直接受整流电路的精度和稳定性的影响；整流电路参数调整困难且受波形因素影响较大；此外，用直流采样法测量工频电压、电流是通过测量平均值来求出有效值的，当电路中谐波含量不同时，平均值与有效值之间的关系也将发生变化，给计算结果带来了误差。因此，要获得高精度、高稳定性的测量结果，须采用交流采样技术。交流采样技术是按

26、一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，再按一定算法进行数值处理，从而获得被测量的测量方法。该方法的理论基础是采样定理，即要求采样频率为被测信号频谱中最高频率的2倍以上，这就要求硬件处理电路能提供高的采样速度和数据处理速度。目前，dsp、高速mcu及高速a/d转换器的大量涌现，为交流采样技术提供了强有力的硬件支持。交流采样法包括同步采样法、准同步采样法、非同步采样法等种，我们重点介绍同步采样法。同步采样法就是整周期等间隔均匀采样，要求被测信号周期t与采样时间间隔及一周内采样点数n之间满足关系式t = n×，即：采样频率为被测信号频率的n倍。根据提供采样信号方式不同，同步采样法又分为软件同

27、步采样法和硬件同步采样法两种。本文主要涉及硬件同步法。(1)硬件同步法 硬件同步采样法是由专门的硬件电路产生同步于被测信号的采样脉冲。一种利用过零中断理实现同步等间隔采样的电路如图2-1 所示。图2-1 过零中断电路此电路原理为过零比较器，其阀值电压等于零。比较器的输入信号是连续变化的模拟量，而输出信号是数字量1和0，因此可以为采样电路提供硬件中断。处于开环状态的集成运放是一种简单的过零比较器，如上图。上图中集成运放tl062工作在非线性状态，因此当时，；当时，。其中是集成运放的最大输出电压。2.2 电能质量参数算法针对电能质量的六项国家衡量标准，可以将其归类为以下几个方面来计算，其基本思路是

28、将连续信号的计算公式离散化并近似转变成采样信号的计算公式。2.2.1 快速傅里叶变换算法原理傅立叶变换是一种将信号从时域变换到频域的变换形式，是电信和信号处理等领域中的一种重要工具。离散傅立叶变换(dft)是连续傅立叶在离散系统中的表现形式，但由于dft运算量太大，即使采用计算机也很难对问题进行实时分析，所以并没得到真正的应用。而快速傅立叶变换 (fft)是快速计算(dft)的一种高效方法，在实际应用中成为稳态谐波测量的最好方法。在本系统中，对电压和电流两个信号同时进行采样，同时作频谱分析，以便快速给出它们的频谱序列和各次谐波的幅值和相角。将的序列先按的奇偶分为以下两组： (2-1)则可以将d

29、ft化为： (2-2)利用系数的可约性和对称性，上式可以表示成两个部分：前半部分： (2-3)后半部分： (2-4)本设计中，我们对电压电流两个信号同时进行采样，同时做频谱分析，他们的频谱序列分别为和，采用复序列fft计算。设： () (2-5)频谱算式为： () (2-6)根据式(2-1)(2-4)，我们可以得到： (2-7)由(2-7)从而得到电压电流的频谱序列为： (2-8)上面式子中为的共轭复数。下面我们来推导信号经过fft变换后的幅值和相位表达式。假设有周期信号： (2-9)其中：=，是信号的周期。采样后得到的离散序列表达式为： (2-10)n为一个周期采样的点数。对进行dft变换得

30、到： = (2-11)由于： (2-12) 令和带入(2-11),得到： (2-13) (2-14)利用傅里叶反变换将表示为的表达式： (2-15)同时，我们将(2-10)式展开为： (2-16)比较(2-15)和(2-16)，我们得到： (2-17)从而得到各次谐波信号的幅值和相位： (2-18)通过以上过程的分析可以用一次fft变换同时计算出电压和电流的各次谐波的幅值和相位，为下面对各指标的计算提供了理论基础。2.2.2 基本交流电参数计算原理(1)电压电流有效值由电工学理论，交流电电压，电流的定义式为： () (2-19)将连续的时间信号()离散化，每个周期取n点采样，则有： () (2

31、-20)按照(2-19)计算出电压（电流）有效值后，就可以按照以下计算电压偏差公式15计算出所要的电压偏差率：= (2-21)式中：u为实际有效值，ur是额定值。(2)功率的计算功率的测量主要有有功功率，无功功率，视在功率三个方面的参数测量。首先我们来看一下视在功率的测量方法。视在功率的定义式为： (2-22)式中：电压有效值，v 电流有效值，a下面我们分析有功功率的计算方法。由电工学给出有功功率的计算式为： (2-23)式中： 有功功率，w 电压有效值，v 电流有效值，a 电压电流之间的相位角，rad 式中的 ，前面我们已经得到了，关键是的计算。实际中，由于谐波等因素的影响，我们很难得到的准

32、确值，因而利用(2-23)式很难进行有功功率的测量。那我们选择另一种方法。我们可以从有功功率的另一个定义式： (2-24)来进行分析，即用电压电流的瞬时值的乘积在一个周期内的积分来计算。将(2-24)式离散化处理得到有功功率的计算公式： (2-25)知道了视在功率和有功功率，我们利用公式： (2-26)式中：无功功率，var 有功功率，w计算得到。从而功率因数我们可以根据式(2-23)和式(2-26)得到：cos= (2-27) (3)频率的计算众所周知，由于系统采用整周期的均方根算法计算被测量的有效值，如果用于计算的采样数据不是整周期采样得到的，或者不是整周期的倍数时，那么测量值便会产生很大

33、的误差。对于使用采样数据来进行fft运算更是如此，由于fft隐含着周期性因素，如果没有精确地测频，也会导致测量出现很大的误差。因此，该系统设计的一个很关键的部分便是如何得到待测信号的实时频率。根据我们使用的单片机的硬件资源，本设计中，我们采用定时器捕获的方式来实时得到频率的数值。msp430f149单片机集成了具有脉冲捕获/比较功能的定时器，通过设置定时器的相关寄存器，我们可以让单片机工作在上升沿捕获状态。每当外部倍频后的方波信号的上升沿过来时，都会触发定时器中断，在定时器中断中，我们记下捕获时计数器的计数值，当下一次捕获时，记下新一次的捕获值，两次值相减便可以得到脉冲的周期长度。如此循环12

34、8次，128次得差值都保存在一个数组diff_array128中。考虑到计数器刚开始计数时信号不一定从零点开始，我们舍弃前16次的值，从第17次开始，这样就能计算出112个脉冲周期，接着计算出平均脉冲周期，该平均周期便是所测交流信号的周期，进而可以得出其频率。用公式表示为： (2-28)式中：系统时钟频率 待测电网频率(4)公用电网谐波为了定量表示电力系统正弦波形的畸变程度，gbt 14549-1993中定义了一些波形畸变的指标。它们是由各次谐波含量及谐波总量大小决定的。谐波含有率(hr)：k次谐波分量的有效值或幅值与基波分量的有效值或幅值之比，用百分数表示，第k次谐波电压含有率表示为： (2

35、-33)式中：除基波外的各次谐波幅值 基波幅值总的谐波畸变率(thd): 谐波总量的有效值与基波分量的有效值之比，用百分数表示。电压谐波总畸变量定义为： (2-34)式中：谐波电压总量，利用上式，可以方便实现电网谐波参量的计算。(5)电压波动电压波动是指一系列电压变动或工频电压包络线的周期性变化。电压波动值为电压均方根值的两个极值和之差，通常以其额定电压的百分数来表示其相对百分值，即： (2-35)第3章 装置硬件设计硬件结构设计是系统整体功能实现的基础，它直接关系到系统运行的稳定性和采集到的数据的可靠性等问题。因此，系统硬件设计须遵循一定的原则：测量谐波时，为了使原始信号不产生畸变，电压互感

36、器和电流互感器的频率响应应具有适当的带宽；考虑到系统要采集处理大量的数据，cpu的选择要充分考虑到它的快速性；采集终端需要响应数据采集中断等。为了提高系统的稳定性和可靠性，系统需要具备良好的中断异步响应能力。此外，微控制器芯片应选择低功耗和具有丰富集成外设功能的，电路设计上也应本着低功耗和精简可靠性，以降低系统成本，增加系统功能的扩展性。本装置硬件设计主要有单片机主控制模块，电源模块、信号采集模块和液晶显示模块等部分组成。 系统总体结构框图见图3-1。电流传感器信号输入电压传感器信号输入显示模块主控制器模块信号采集处理模块信号采集处理模块电源模块按键模块 图3-1 系统整体框图3.1 单片机主

37、控制模块目前，数据采集系统的硬件设计中cpu(central proeessing unit)的选择一般采用单片机或数字信号处理器(digital signal proeessor，dsp)来控制a/d采样电路、存储电路以及各种传输接口电路。其中，单片机的低硬件成本使得其在各种控制系统中迅速广泛应用，然而它的时钟频率不高，运算速度较慢，难以满足数据采集系统对速度的要求。而采用dsp的系统可以实现高速的数据传输和运算，但dsp的价格相对比较昂贵，开发技术难度也大。所以，本课题设计的数据采集系统选用了一款功能强大的混合信号编译器，即msp430f149。3.1.1 msp430f149单片机简介m

38、sp430系列单片机是美国德州仪器(ti)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗单片机，它是由msp430单片机的cpu和针对不同应用而提供的外围模块组成的。本课题选用的msp430系列单片机之一msp430f149作为采集系统的主控芯片除具有低功耗优点外，主要有以下优势： (1) 强大的处理能力msp430系列单片机具有高效16位risc内核、27条指令、绝大多数指令可在一个时钟周期内完成。当msp430单片机工作在8 mhz晶振时，指令速度可达8 mips，此外，msp430f149还具有16位硬件乘法器，大大增加了数据处理和运算能力。(2) 高性能模拟技术及丰富的片上外围模块(3)

39、由于ti公司在高性能模拟器件方面有技术优势，并将其运用在msp430 系列单片机上，使得其外围模块非常丰富。sp430f149有自带采样保持功能的高速12位adc12模块，为数据采集提供了可靠保障；集成的看门狗定时器可以让单片机在出现死机的情况下能够自动重启，提高了系统工作稳定性；通用串行通信模块的支持同步模式和异步模式，方便了与pc机得通信。(4) 方便灵活的开发环境msp430f149采用flash型存储器，可多次编程，其集成的片内jtag调试接口可以实现在线编程和调试。开发时仅需pc机和jtag调试器，专门的软件开发工具 iar workbench和可选的开发语言汇编语言或c语言方便了系

40、统的软件开发。 为了数据的便于处理，需要将模拟信号转换为数字信号。本系统的a/d转换采用的是msp430f149内嵌的adc12，其主要特点有：(1)采样速度高达200 kbit/s。 (2)12位转换精度，1位非线性微分误差，1位非线性积分误差。 (3)内置采样与保持电路。 (4)配置有8路外部通道与4路内部通道；具有16个转换结果存储寄存器。adc12的特点决定其完全能达到系统的快速性和可靠性的要求，同时它也简化了电路。msp430f149单片机引脚图如图3-2所示。图3-2 msp430f149引脚分布图msp430f149内部的adc12单元共有12个转换通道(其中8路外部通道与4路内

41、部通道)，通过a0a7实现外部8路模拟信号的输入，设有16个转换存储器adc12mem 用于存储和转换数据。内部 adc12单元与外部的ad芯片相比，它不用端口之间进行长距离的传输，而只是内部寄存器的读取，具有传输速度快和抗干扰能力强的特点，但同样由于芯片的高度集成，相邻引脚间的干扰和波动比较大。3.1.2 msp430f149引脚分布及工作方式(1)msp430f149引脚分布见附录a(2)(2)msp430f149工作方式(硬件控制和软件控制)通过对不同模块操作模式和cpu状态的智能管理，msp430f149芯片的工作方式可以满足多种超低电压和超低功耗的需求，即使在中断处理期间也一样。一个

42、中断事件可以把系统从各种低功耗方式唤醒并且通过reti指令回到中断以前的工作状态。系统使用的时钟信号有aclk和mclk。aclk就是晶振的频率信号，smclk和是aclk的倍频信号，作为系统和子系统时钟。下面是芯片支持的6种工作方式：(1)活动方式(am)：cpu和不同组合的外围模块被激活，处于活动状态。(2)低功耗方式0(lpm0)：cpu停止工作，外围模块继续工作，aclk和smclk有效，mclk 的环路控制有效。(3)低功耗方式1(lpm1)：cpu停止工作，外围模块继续工作，aclk和smclk有效，mclk 的环路控制无效。(4)低功耗方式2(lpm2)：cpu停止工作，外围模块

43、继续工作，aclk有效，aclk和smclk 的环路控制无效。(5)低功耗方式3(lpm3)：cpu停止工作，外围模块继续工作，aclk有效，aclk和smclk 的环路控制无效，并且数子控制振荡器(dco)的dc发生器被关闭。(6)低功耗方式4(lpm4)：cpu停止工作，外围模块继续工作(如果提供外部时钟)，aclk信号被禁止(晶体振荡器停止工作)，mclk和smclk 的环路控制无效，并且数子控制振荡器(dco)的dc发生器被关闭。通过软件对内部时钟的不同设置，可以控制芯片处于不同工作方式。整个时钟系统提供丰富的软硬件组合方式，已达到最低的功耗并发挥最优的系统性能。具体有：(1)使用内部

44、时钟发生器(doc)无需任何器件。(2)选择外结晶体或陶瓷振荡器，可以获得最低频率和功耗。(3)采用外部时钟信号。(4)状态寄存器sr中共有四个用于控制cpu和系统时钟发生器的控制位，可以影响时钟系统的操作方式，控制各种低功耗方式快速装换。它们是：scg1、scg0、oscff、和cpuoff。如图3-3所示。 图3-3 系统时钟发生器的控制位 终上所述msp430f149单片机既满足本设计响应快速，高精度的设计要求，又做到了低电压低功耗。很适合做本设计的控制处理中枢。3.2 电源模块3.2.1 交直转换模块电源模块为整个谐波数据采集系统提供必不可少的能量，是系统的工作基础，电源电路的设计直接

45、影响着系统的性能，所以电源的稳定性和正确性十分关键。系统电源取于220 v市电，经变压器后输出的16 v交流电经全桥(db107s)整流滤波得到比较平滑的±12v直流电压,后经过tps73801得到±5v，在经过lm1117-3.3得到3.3v直流电，满足系统用电需求。各转换模块如图3-4、3-5、3-6所示。图3-4 市电220v转12v直流图3-5 12v直流转±5v直流图3-6 5v转3.3v3.2.2 退耦电路所谓退耦，既防止前后电路网络电流大小变化时，在供电电路中所形成的电流冲动对网络的正常工作产生影响。换言之，退耦电路能够有效的消除电路网络之间的寄生耦

46、合。退耦滤波电容的取值通常为47200f，退耦压差越大时，电容的取值应越大。所谓退耦压差指前后电路网络工作电压之差。 如图3-7为典型的rc退耦电路，r起到降压作用。图3-7 退耦电路大家看到图中，在一个大容量的电解电容c1旁边又并联了一个容量很小的无极性电容c2。原因很简单，因为在高频情况下工作的电解电容与小容量电容相比，无论在介质损耗还是寄生电感等方面都有显著的差别（由于电解电容的接触电阻和等效电感的影响，当工作频率高于谐振频率时，电解电容相当于一个电感线圈，不再起电容作用。在不少典型电路，如电源退耦电路，自动增益控制电路及各种误差控制电路中，均采用了大容量电解电容旁边并联一只小电容的电路

47、结构，这样大容量电解电容肩负着低频交变信号的退耦，滤波，平滑之作用；而小容量电容则以自身固有之优势，消除电路网络中的中，高频寄生耦合。在这些电路中的这一大一小的电容均称之为退耦电容。还有些电路存在一些设置直流工作点的电阻，为消除其对于交流信号的耦合或反馈作用就需要在其上并联适当的电容来减少对交流信号的阻抗。这些电容均起到退耦作用称之为退耦电容。 图3-8 退耦电路耦合指信号由第一级向第二级传递的过程，一般不加注明时往往是指交流耦合。退耦是指对电源采取进一步的滤波措施，去除两级间信号通过电源互相干扰的影响。耦合常数是指耦合电容值与第二级输入阻抗值乘积对应的时间常数。退耦有三个目的：(1)将电源中

48、的高频纹波去除，将多级放大器的高频信号通过电源相互串扰的通路切断。(2)大信号工作时，电路对电源需求加大，引起电源波动，通过退耦降低大信号时电源波动对输入级/高电压增益级的影响。(3)形成悬浮地或是悬浮电源，在复杂的系统中完成各部分地线或是电源的协调匹配。3.3 信号采集模块谐波数据采集是谐波特征分析的基础，采集数据的精确度直接影响着谐波分析结果，谐波数据采集系统作为谐波分析的载体，其良好的性能设计十分关键。谐波数据采集系统应该包括硬件设计和软件设计两方面。硬件设计电路的合理性决定着系统工作时的高精度和稳定性。高效、稳定和安全的软件设计也直接影响着采集系统的性能。3.3.1 数据采集系统简介作

49、为获取信息的一种重要手段，数据采集(data acquisition，daq)是指利用传感器对现实世界中的物理信号，如压力、温度、流量等模拟量(模拟信号) 进行采集、转换成数字量(数字信号) 后，再由计算机进行处理、存储、显示或打印的过程。用于数据采集的成套设备，通常称为数据采集系统(data acquisition system，das)。归纳其主要任务为：a/d转换，即将采集终端中传感器采集到的模拟信号转换成数字信号以方便计算机识别处理；计算机将接收到的数字信号根据不同的需要进行计算处理，或进一步将处理的数据进行显示和打印，来方便实现对有用物理量的控制和监视。 按照数据采集系统与计算机的通

50、信方式可以将采集系统分为两大类，即内置式和外置式数据采集系统。内置式数据采集系统通过计算机的内部总线与计算机通信，常被做成板卡的形式安装在计算机机箱内部插槽上，因此容易受到诸如插槽数量、中断资源、不易扩展和不支持热插拔等限制；外置式数据采集系统利用计算机的外部接口与计算机进行通信，常见的外部接口有rs-232(recommended standard 232)、usb(universal serial bus)等。与内置式数据采集系统相比具有可靠性高、成本低、易扩展、支持热插拔、使用方便和稳定性好等优点。3.3.2 信号采集电路总体设计系统的主要结构和外围模块包括：模拟转换和信号调理电路、过零

51、检测电路。结构图如图3-9所示。 过零比较器电压信号调理模块ptmsp430f149ct电流信号调理模块图3-9 采样电路结构图系统硬件设计须遵循一定的原则：测量谐波时，为了使原始信号不产生畸变，电压互感器和电流互感器的频率响应应具有适当的带宽；考虑到系统要采集处理大量的数据，cpu的选择要充分考虑到它的快速性；采集终端需要响应数据采集中断和数据通信中断等，为了提高系统的稳定性和可靠性，系统需要具备良好的中断异步响应能力；此外，微控制器芯片应选择低功耗和具有丰富集成外设功能的，电路设计上也应本着低功耗和精简可靠性，以降低系统成本，增加系统功能的扩展性。3.3.3 过零检测电路设计考虑周期信号的

52、谐波分析中常用的采样方法，同步采样法分析简单易于操作但是难于实现；准同步采样法计算谐波参数简单但实时性差；非整周期采样法虽然实时性好，但需要对其误差深入讨论。本课题对软件同步采样法进行改进，利用硬件过零检测电路产生采集中断信号辅助软件周期采样，大大降低了采样同步偏差。如图3-10为硬件过零中断电路。图3-10 硬件过零中断电路 此电路原理为过零比较器，其阀值电压等于零。比较器的输入信号是连续变化的模拟量，而输出信号是数字量1和0，因此可以为采样电路提供硬件中断。处于开环状态的集成运放是一种简单的过零比较器，如上图。上图中集成运放tl062工作在非线性状态，因此当时，；当时，。其中是集成运放的最

53、大输出电压。简单过零比较器电路图、传输特性、输出特性如图3-11所示。图3-11 简单过零比较器电路连接、传输特性、输出特性3.3.4 模拟信号采集电路模拟量信号的采集和a/d转换共同组成了模拟量输入模块；其中模拟量信号采集又由隔离电路和信号调理电路构成。采集到的交流电压和交流电流经过隔离电路和信号调理电路后进入msp430f149的a/d通道进行转换。本采集系统设计中设定的adc输入信号为03.3 v 的单极性信号，因此由互感器转化来的双极性信号在送入adc前应进行信号的抬升工作，另外，为了提高有效信息的分辨率还需要对信号进行一定的放大，这就需要在互感器和adc间设计信号调理电路以满足对信号