简易电能质量监测装置设计报告

1、简易电能质量监测装置陈俣兵任加勒蔡露薇(信息工程学院)摘要：本系统以C8051F360单片机最小系统为核心，结合FPGA及双路ADS901数 据采集模块，可靠地实现了一路工频交流电的参数测量。系统硬件电路由增益和直流偏 移可调电路、180度移相电路、A/D采样模块、MCU模块、FPGA模块以及键盘显示模 块组成。经前置调理电路后的信号可以满足ADS901的幅值要求，然后通过MCU模块 控制双路A/D对信号进行采样，并做进一步的分析、处理和存储，从而实现了交流电的 频率、峰峰值、有效值、功率、功率因数等参数的测量，并能判断电压电流信号的超前、 滞后特性。关键词：电能质量监测C8051F360 F

2、PGA ADS901移相电路1 .方案比较与论证1.1系统整体方案选择方案一：采用专用功率测量芯片(CS5460A)的方式。此方案虽然简化了单片机程序 的设计，但使得外围的硬件电路变得复杂，并且由于CS5460A集成芯片固有的特性， 使得无功功率和功率因数的测量难以实现，因此在实际使用中受到了极大的制约。方案二：采用单片机和单路A/D的方式来实现。采用单片机系统控制单路A/D转换 器轮流对电压信号和电流信号进行采样并存入缓冲区，然后由CPU进行数据分析以及 功率计算。此方案可以使控制模块的设计较为简单，能够减小系统体积，降低硬件成本。 但由于对电压电流信号是轮流采样的，切换信号需要时间，使得单

3、片机控制变得复杂， 且实际测得的电压信号和电流信号之间存在一定的时间、相位差，从而使得系统效率和 精度降低。方案三：采用单片机结合FPGA，利用双路A/D采样的方式实现。利用FPGA设计 四个双口 RAM，同时采集并存储电压电流信号，通过单片机控制，读取双口 RAM中 数据并对其进行计算和处理。此方案能够实现电压电流信号的同时采样，不仅硬件电路 简单，且FPGA的高精度晶振保证A/D均匀采样，为计算精度提供保障。因此，本设计 选择方案三。1.2频率测量方案选择方案一：定时器直接测频法。此方案是利用单片机的定时器和计数器在闸门时间T 内，对待侧信号计数，根据所得计数值N，由公式f=N/T求得信号

4、频率。此方案较适合 于高频信号的测量，但对于低频信号测量的精度较低。方案二：定时器测周法。利用单片机的内部资源电压比较器，先将输入信号转化成 方波信号，再利用上升沿触发产生中断，并用定时器计算相邻两次中断的时间间隔乙T， 进而算得输入信号的频率f=1/A T。此方案只有在频率较低时才有较高的精度。方案三：采用PCA捕捉测周期法。利用单片机内部的可编程计数阵列PCA，在启 动PCA计数器的同时使能PCA的一个捕捉/比较模块捕捉被测信号的两个上升沿，并进 入中断分别读取两次16位捕捉/比较寄存器(PCA0CPLn和PCA0CPHn)的值即可得到信号周期乙频率片7。此方案不仅测量精度高，而且占用单片

5、机内部资源少，因此， 本设计选择方案三。1.3总体方案描述由于题目要求用一路正弦信号电压作为一路交流电压信号，再经移相输出作为其电 流信号，且输入电压信号范围为15V，而本系统采用的A/D转换芯片是ADS901，其 输入信号范围为12V，针对15V外部输入信号，需将其通过电压衰减电路和直流偏置 电路进行调理，因此本系统从硬件上可分为前置信号调理模块、双路A/D采样模块、 FPGA模块、MCU模块以及键盘显示模块5部分，其系统总结构框图如下：图1-1系统总框图图中，信号调理模块由增益可调电路、直流偏移可调电路、移相电路组成。电压信 号首先经过一 180度相位可调的移相电路产生模拟的电流的信号，然

6、后两路信号同时加 到两路增益和直流偏移可调的电路，使得输出信号的幅值范围满足A/D转换芯片的要求 后送由A/D采样。于此同时，再分别将电压电流信号经过一过零比较电路转化为方波信 号后送给FPGA中的D触发器，用于对两路信号超前、滞后性质的判断。而经A/D转 换器采样后得到的数据存于FPGA中的双口 RAM中，供单片机随时读取操作并送LCD 显示。整个过程均由4x4矩阵式键盘输入控制，实现了完全的数字化控制，且人机交互 界面友好，操作十分方便。2.原理分析与参数计算2.1有效值与功率测量根据方案论证，电压和电流信号分别输入到两个A/D转换器通道，并同步采样一个 周期的输入信号转换成数字信号，再分

7、别把两路数字信号送入单片机中，根据有效值、 有功功率、无功功率、视在功率和功率因素的定义，和给出的有功功率，电压和电流有 效值计算公式(记N=128为采样点数)：电压有效值 U = N-1步u2(n)电流有效值I = ,N-1刃i2(n)* n=1* n=1平均有功功率 P =研u(n)i(n)/ Nn=1视在功率S=UI无功功率 Q =； U2 I P2功率因数Pc o s =UI采用离散积分的算法，由单片机完成电压和电流、电压和电压、电流和电流采样值 的乘法运算，得到相应的功率瞬时值，电压瞬时值的平方和电流瞬时值的平方，从而计 算得到有功功率，电压有效值，电流有效值，进而可计算得无功功率，

8、视在功率和功率 因数。本测量方法对于影响测量准确度的采样信号与被测信号的同步问题没有特定的要 求。2.2滞后、超前性质判别在判断电压、电流信号的超前滞后性质前，首先应将电压、电流信号通过两个过零 比较电路将其转换为方波信号，然后将输出的电流、电压方波信号接至D触发器，其中 电流信号用作D触发器的触发信号，电压信号为D触发器的输入信号，则通过判断D 触发器的输出结果是高电平还是低电平就可以判断电压信号是超前电流信号还是滞后 于电流信号，若输出为高，则为电压超前电流，否则则为电压滞后电流。2.3移相电路RC积分电路有一定的相移作用，主要利用电容的电流超前电压90度这一特性。输 入信号从电阻进入，输

9、出信号是从电容上输出，其与电容并联，电压相等，所以输出电 路电压的同时也滞后电流。同理，RC超前移相电路是电容器在前面，电阻在后面。见图 2-1所示，其中（a）实现滞后相移，（b）实现超前相移。（a）滞后移相（b）超前移相图2-1移相电路可通过改变RC的值来改变移相的度数，参数与相位角的关系如下:0 = Zarctan Cjl)RC6 = 2 arctan- 2nfRC三、系统软硬件设计和实现3.1模拟电路设计（1）增益、直流偏移可调电路电路分为两部分，第一部分为增益可调衰减电路，第二部分为增益为1的偏置调节 电路。电路图见图3-1，运算放大器选用低噪声双运放TL082, C8为输入隔直电容，

10、隔 掉输入信号中直流偏置。PR11为数控电位器X9C103，通过接口 P0与单片机相连，由单 片机进行档位控制，与R12构成了 1至10倍衰减可调电路，这样不但扩大了系统可测 量的输入信号范围，而且对于不同幅值的输入信号可以选择不同的衰减倍数从而使得A/D转化器在采样小信号时可以更加精确。电位器PR16与运放正向输入端相连，提供 +5V至-5V的直流偏置，R14与R15保证改变信号偏置电压时增益不会随之改变，最后通 过低通滤波器，滤除高频干扰信号。该电路的Multisum仿真图见附录1。图3-1调理电路原理图(2)移相电路移相电路如图3-2所示，运算放大器选用低噪、精密运放OP37，由R1，P

11、R1与C1 组成滞后移相电路，将电压信号移相后得到模拟的电流信号，通过调节电位器PR1使得 相位在0至180度之间变化。R3, R4保证在调节相位时增益不变。由于元器件不是理想的，使得相位变化不能精确达到180度，总会存在允许范围内 的微小误差。Multisum仿真图详见附录2。模拟电路部分整体原理图与PCB版图详见附录图3与附录图4。5图3-2移相电路图3.2 FPGA内部系统设计FPGA选用的是Altera公司的EP1C6T144C8芯片。由于ADS901是十位的A/D， 因此在FPGA模块中，设计了四个双口 RAM来存储A/D采样所得到的两路信号数据。 这四个双口 RAM分别用来存储电压

12、、电流两路信号的高8位数据和低8位数据，并采 用右对齐方式进行存储，即使高8位数据的前6位数据始终为零，其地址详情见表3-1。 单片机在读取数据时只需将读得的高八位数据乘上258再加上低八位数据即可得到A/D 转换的十位数据。表3-1双口 RAM表RAM大小功能lpm_ram_dp0128B(4000H407FH)存储电压信号低八位数据lpm_ram_dp1128B(4100H417FH)存储电压信号高八位数据lpm_ram_dp2128B(4200H427FH)存储电流信号低八位数据lpm_ram_dp3128B(4300H437FH)存储电流信号高八位数据此外，为了使A/D能够稳定地对50

13、Hz的工频信号进行采样，在FPGA中还设计了 一分频电路对50MHz的晶振频率进行7812.5分频后作为A/D的时钟信号，使其能在输 入信号的每个周期内稳定地采集128个点。在FPGA中还调用了 D触发器，用于单片机对电信号超前、滞后性质的判别。3.3软件流程本系统中单片机的软件设计主要用以实现频率测量、系统控制、数据处理与分析以 及人机交互四大功能，其软件流程图如下：图3-5软件流程图具体程序详见附录5。四、参数测试方案与结果分析4.1测量仪器合成函数信号发生器，EE1412数字式万用表，ESCORT 3136A（3）双通道示波器，TDS 20124.2交流电压、电流有效值测试（输入为正弦信

14、号）测试方法：a）输入频率为50Hz，峰-峰值为0V至10V的正弦波，测量电压有效值，电流有效值，有功功率，无功功率，视在功率和功率因数；b）输入幅度为5V，频率为20Hz至80Hz的正弦波，测量信号频率；表4-1记录了系统测量数据：表4-1参数测量数据表测量参数交流电压/V表头值10864210.80.4实测值10.0047.9956.0224.0142.0261.0250.8120.409交流电流/A表头值10864210.80.4实测值10.0027.9355.9453.9632.0271.0130.8220.414电压有效值/V实测值3.5302.8072.1091.4070.7150

15、.3620.2880.143电流有效值/A实测值3.5352.8212.1101.4110.7150.3630.2890.144有功功率/W实测值12.7517.8104.4101.9600.5000.1280.0820.020无功功率/var实测值2.3811.1190.6060.3100.0890.0210.0120.005视在功率/VA实测值12.4817.9204.4601.9840.5120.1310.0830.020功率因素实测值-0.981-0.989-0.988-0.987-0.9840.9840.9880.965信号频率/Hz表头值3035404550556065实测值29.

16、92134.91039.89844.88749.87254.85659.84664.831注：以上数据均为测量3次取其平均值交流电压有效值最大相对误差：0.4861%交流电流有效值最大相对误差：0.6546%频率最大相对误差：0.256%结果分析：几乎全部数据均在误差范围之内，说明系统性能优良、稳定五、总结本系统以C8051F360单片机最小系统为核心，结合FPGA模块，利用两路AD来同 时对电压电流信号进行采样，且做到了电路衰减倍数可数控，大大提高了系统的精确性 和灵活度和方便性，从而可以有效可靠地实现了电能网络各项参数的测量，并用LCD 直观形象地将测量数据及波形显示出来。整个系统工作有效可靠并能达到另人满意的技 术指标。六、参考文献1解德英谢品芳付志红郑可，电网工频信号非整周期采样误差分析，2010 王伟 杨济民韩晓丽 张兰，基于C8051F060的自适应高精度频率计设计，2009刘兵，基于Multisim2001仿真软件的移相电路设计与仿真，