单片机太阳能热水器测控仪的设计

.引言近些年来，随着科学技术的发展和社会生活的进步与需要，电力系统中电能质量在工业生产中日益重要。同时在这个过程中，由于社会网络化和全球经济化的不断发展，人们的生产生活方式受到了极大的影响，而在这个过程中，技术的发展也对人们的思维方式和工作方式产生了一定的冲击。当然受到这一影响的也有企业，他们在这些技术的不断发展中，逐渐地将其应用到企业的实际运行中，给企业各个方面的工作模式产生了巨大的影响。所以对电网参数进行及时有效的分析和检测是十分必要的。因为对于电网参数的及时监测，可以更好的了解和分析电能质量各项指标的系统，更为关键的是其也可以在很多程度上全面的提高电能的质量，并且可以及时地检测、更新电网中的各项指标。同时目前对于电网参数的测量，已经成为电力企业比较关注的事情，这种测量在当前的技术体系中，可以发挥其巨大的作用来帮助电力企业实现网络有效化的体系结构的建设，因此通过上述的分析我们可以看出当前的电网参数的测量正在趋向于更好的和更高级的阶段，使用其相关的先进技术来提供服务已经成为各大企业的新选择。根据本人的了解，目前市场的电力参数测量基本都是有两种，但是都存在一些弊端，而在此次论文中，本人就是想力求克服这两种装置的弊端，希望此次论文设计的电能参数测量系统既性能优良、又满足市场需求。

2.基于单片机的电力参数的电路实际设计在此次论文的电力参数的设计中，本人主要是从电能质量的概念出发，将研究的重点放在了电力参数测量设计分别从硬件、软件这两方面来进行设计，同时以51单片机为核心对电网参数进行测量以及设计报警电路、保护电路。接下来就此展开分析。2.1基于单片机的电力参数的硬件电路设计对于单片机的电力参数测量系统的硬件电路设计，主要是包括了硬件电路结构框图、部分硬件电路设计、液晶屏设计等三个大部分，同时此次论文的设计的电力参数主要是通过分析，以此来更多的获得电力参数的频率和，电能、谐波含量、畸变率，电压有效值，另外还有电流有效值及电压初相角等等参数。当然在这个过程中，我们要清楚的是硬件对整体的电力参数的测量的重要性，所以在实际的设计中，必须要根据实际的情况进行。2.1.1硬件电路结构框图关于硬件电路结构，根据设计的需要，其一般都是需要包信号的输入通道、微控制器外围电路和输出通道及电源模块等部分，在其输入通道中，其主要是有相关的电流的互感器和分压电路等部分组成，输出通道则是由显示界面，另外还有相关的R485的数据传送线路组成；杜宇微控制器，其主要的功能是完成整体的参数的处理，相关的软件的控制，还有必要的网络的通信；而其电源电路，则主要是从电网中获取相关的电力，以此来保证测量机器的正常运行，在单片机的运行中，其提供稳定的直流3.3V和5V电压，相关的整体结构框图见下图2-1。图2-1结构框图2.1.2部分硬件电路设计1.电压采集和调理电路一般情况下，单片机的电压是和电网中的电压有差别的，它不能直接使用，而是在这个过程中，必须要进行电压调理电路，以此来将整个的工作电压降低到适合单片机采集的弱电压才可以。因此在此次论文中，本人的设计便在此时采用电阻降压电路将工频电压降到幅值3.3V的电压信号，同时更为关键的是为了更好的防止电压超限对运算放大电路及单片机造成破坏，本人在整个电路的采集过程中，使用了二极管D1、D2首尾相连，以此来避免其可能出现的高压情况，防止其对运算放大电路及单片机造成的破坏。图2-2电压采集和调理电路在整个的电路中，本人先将其的电路电压将低到幅值为3.3V的正负交替的电压信号，然而遗憾的是由于对于单片机而言，其更多的时候是不能同时采集正负信号，而是只能采集正信号，此外更为关键的是其同电压信号的正负一般都是呈现对称的，所以其输出分压信号Uaout通常情况下都是直接接入二极管D21转化为正半波信号，之所以这样做的目的就是为了可以最大化的减少单片机的存储和计算量，如图2-3所示。图2-3电压信号调理电路对于此次论文的电压信号调理电路，为了避免设备及人身安全，本人还设计了电压跟随电路和滤除高频谐波信号，本人根据实际的情况设计了电阻器R38，另外还有电容器C30并联在一起组成的滤波电路。具体的见上图2-3。2.电流采集和调理电路对于电力参数测量的电流采集和调理电路，由于在实际的电路中，多半情况下其都会含有大量谐波分量的电流波形，而不单单是一种具有正负对称的正弦波形，所以在这样的情况下，本人认为有必要对整体的电路中的电流进行采样，并且要使用全波形采样电路。所以通过上述的分析，本人设计的电流采样调理电路如图2-4所示。图2-4电流采集和调理电路通过上图的分析我们可以看出，整个电路的三相电流，都是按照相应的顺序经过了电流互感器，电路的电压偏置、滤波、放大等信号调理的步骤，在整个电路的最后，其将最终的结果传送到微控制器进行AD采样。当然在这个过程中，整体的电路设计中的电流互感器基本采用的都是额定电流为100A的电磁式电流互感器，而其互感器过电容器C23都是经过电阻器R60将电流信号转换为电压值，经过典型的放大电路输出的。3.RS485通信电路关于整个的电路中的RS485通信模块，由于整个的RS485总线硬件结构简单、易于控制、价格低廉，因此其在各领域应用目前是非常广泛的，同时其整体采用的基本都是总线式的拓补结构，这种结构一般情况下主要是有集成电路MAX485、光电耦合器，另外还有电阻器和三极管，这种结构说明的是其在同一总线上最多可以挂载32各节点。因此基于上述的分析本设计选择了RS485数据通信模式，该电路中6N137为光偶，其主要是包括光的发射、光的接受及信号的放大组成这样的组成在很大程度上扩展了远程控制通信，使得其可以很好的与上位机进行数据之间的交换，达到了远程控制，具体的见图2-5.图2-5RS485通信电路4.电源电路电源电路模块的主要作用就是给整个的电路供电，包括测量及其的液晶显示屏，微控制器的芯片，另外还有相关的动作单及最为关键的485通信模块供电，以此来更好的保证整个的电路系统的安全和稳定及高效性。关于高频开关电源，其主要包括滤波电路、整流电路、电压钳位电路、高频变压器、反馈电路等部分组成，这种开关具有可靠性和高稳定性及其体积小，重量轻等优点，因此此次论文中，本人对于电源电路的设计，主要是采用了高频开关电源，如图2-6所示。图2-6电源电路2.1.3液晶屏设计我们知道人机交互是指人与计算机之间通过既有的编程语言来完成人和计算机之间的信息交换过程，这一部分的主要作用就是通过对于设备的控制来完成整个电力参数测量运行。因此基于上述的分析，本人在实际的设计中主要采用的是迪文的DMT80480C050_02WT型号的液晶显示屏，这个显示屏的规格5.0英寸、800×480图形点阵，这是一款四线电阻式的触摸屏，其整体的工作电压为为5.0V。2.2单片机的选取与外围电路的设计2.2.1单片机的选取关于单片机的选取，本人主要是选的SiliconLaboration公司开发的单片机C8051F120，这种单片机具有多种嵌入式系统所需的各种外设，其内在的芯片一般都是采用的高速和流水线结构的与8051兼容的CIP-51内核，更为关键的是其还具有片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器等，该微控制器利用内部锁相环，运用速度最大值高达100MHz，可以满足FFT算法的要求。另外由于FFT算法的倒序，所以其基本都是采用的是三角函数的简化计算以及电流电压的采集点，而在这个过程中，由于其整个的电路发展的波形数据的保存功能，液晶屏的显示对单片机的存储空间有较高的要求。更为关键的是此次设计中采用的C8051F129JUBEI，单片机的RAM及128k的可编程FLASH存储器由于其自身具备和采样速度的要求，因此选取不同的数模转换器基本是可以满足以上对存储空间的要求的。而且此次设计中选择的芯片C8051F120的主要负责电压电流的精度采样，FFT算法的数据处理，液晶屏的显示，执行机构的动作阈值的设定，远程数据的传输等功能。2.2.2单片机的外围电路的设计关于单片机的外围电路，本次论文的单片机的外围电路有晶振电路、复位电路、电源电路、JTAG电路、时钟和数据存储构成等。具体的设计图见图2-7。图2-7单片机的外围电路的设计根据上述的分析，本人选择的是微控制器C8051F120，这种控制器的工作电压是3.3V的工作电压，所以采用型号为SP6260集成芯片产生稳定的3.3V电压。而对于整个的电路的晶振电路，本人在采用的是外部晶体方式，其相关的频率为24.5MHZ，因此对于其而言，其总体的晶体谐振器应该接到XTAL1和XTAL2引脚之间。当然这个电路的复位采用的是通过看门狗硬件的方式来实现的，其相关的CAT1161WI芯片是一款EEPROM存储器芯片，用低压CMOS技术容量大小为16K，另外在此次的论文设计中，本人还根据情况选择了HYM8563T实现实时时钟功能。2.3基于单片机的电力参数测量的软件设计对于基于单片机的电力参数测量的软件程序，本人在实际的设计中鉴于模块化的编程方法具有思路清晰和便于移植的优点，经过考虑之后采用了模块化编程方法，以此来更好的帮助整个设计缩短程序的开发周期。2.3.1电力参数测量的程序流程关于电力参数测量的程序流程，在整个的主程序中都是涵盖了单片机的系统设置，各部分的寄存器的设置，另外还有相关的中断向量及A/D转换器初始化和时钟初始等模块。所以电力参数测量的程序流程都是对整个系统的初始化，对电流电压的采样及485通讯等进行了很好的程序的调动，以此来更好的计算出设电力参数测量的相关功率及谐波含量等。流程图如图2-8所示。图2-8软件程序流程而在这个过程中的AD采样的流程，通过下图我们可以比较清晰的看出采样的流程图。如图2-9所示。图2-9AD采样的流程图通过上述的流程图分析，我们可以看出其整个的设计中，单片机在对其进行通电之后，都是首先是进行的各个端口、AD转换器、中断等寄存器及各种变量参数进行初始化；其次是整个系统的等待采样触发信号，与此同时，系统的AD开始转换进行采样，并且进行AD转换器的配合实现对电压和电流信号的循环采样，档期进行一个周期后，就会开始相关数据的存贮，当然其也会在这个过程中对其采样的数据进行判断，通过相关的数据来判断其是否满足要求，如果其是可以满足要求，那么就及时进入FFT数据处理模块来计算电压电流的各次谐波分量，并且根据公式计算相应电参数，最后进行显示电参数进行数据存储，并且进行下一周期采样。2.3.2485通信模块485通信模块主要是主机定时向从机发送命令，并等待从机的回复指令。因此在一般情况下，485总线在多机通信系统中的某一时刻，通过一种异步半双工的通信总线，这种总线一般采用的是主从式的通信，其呈现出来的状态只有一种，所以其主机处于主导和支配地位。此外还采用了FFT算法。FFT算法的子程序具体步骤如图2-10所示：图2-10FFT算法的程序步骤

3.基于单片机的电力参数测量的仿真分析关于单片机的电力参数测量的仿真分析，本人根据设计的真实需要，通过对电压信号和电流信号的分析，设计了基于MATLAB的电力参数测量的仿真模型，以此来更好的验证FFT算法的正确性，同时可以实现电力监测仪软件系统的进一步优化。3.1仿真模型基本结构在此次论文中的仿真模型，主要是由电力系统波形发生器、信号调理和单片机模块三部分组成。在这个里面，其涉及的波形发生器包括理想电力系统仿真数据、复杂电力系统仿真数据以及电网实测采样数据；另外关于其信号调理模块通过电流互感器模型主要的作用是通过对复杂波形发生器的数据进行采样来更好的调理产生适合单片机处理的数据，进而在此基础上进行FFT算法处理，从而在前面的步骤之后可以更、真实的计算出电压、电流和谐波含量以及畸变率等电力参数。仿真模型图如下3-1：图3-1仿真电力系统波形发生器一般情况下，在电力参数测量的设计中，为了使该模型更具有普遍应用价值，MATLAB/SIMULINK模块都是在设计中通过简单的调用设置来构建相关的电力系统模型。而电力系统模型就是其感性负载的三相整流电路，这种整流电路含有大量谐波分量，所以在此次论文中本人通过MATLAB/SIMULINK模块设计了带感性负载的三相整流电路。其仿真模型如图3-2所示。图3-2电力系统MATLAB/SIMULINK仿真模型3.2单片机模块我们知道单片机最为主要的功能就是负责信号的采集和电参数及其他部分的计算，所以MATLAB模型的单片机模块也应该就是硬件模拟和软件算法两部分，对于这两个部分来讲，其在硬件模拟中，主要的部分是包括采样和计时器和计算器；而其软件算法则是包括了FFT算法及电参数计算等。单片机模块的整体框图如3-3所示：图3-3单片机模块的整体框图3.3采样及定时器关于程序设计中的采样，本人是根据香农采样定理，采样频率至少大于等于采样信号最高频率的两倍。因此在论文中，本文设计频率自动跟踪模块检测输入信号周期T，通过采样保持模块和脉冲方波电路实现一个周期T采样点N为128。同时对于定时器内部包括脉冲检测和累加计数及置1输出三部分。其运行的过程主要是把一个0.02s的周期分成N个计数点，然后每检测到一个计数点则累加计数，直到累加达到N，则认为完成0.02s计时，输出1，并且进行累加计数。3.4仿真结果分析在论文中，由于MATLAB软件本身自带的模块可以精确检测上述输入信号的电参量，同时本人在设计中也采用MATLAB/SIMULINK模块搭建的电力系统仿真模型产生的电压电流波形，通过MATLAB软件Powergui模块FFTAnalysis功能对输入波形进行频频分析如3-4和3-5图所示。图3-4电压波形及频谱分析图3-5电流波形及频谱分析从上述的图表分析我们可以看出该MATLAB型产生的电参量与Powergui模块FFTAnalysis功能计算的电参量误差满足标准要求，这些误差是由于采样精度以及FFT程序中对三角函数的简化等因素造成的，因此本文设计基于单片机电力参数测量的程序通过MATLAB仿真模型可以准确计算电力系统的电参量，有效地对电力系统进行谐波分析。

4.总结此次论文中，本人根据电力参数测量的相关的技术要求和软硬件要求，本人选取了SiliconLaboration公司开发的单片机C8051F120，设计了基于它的电力参数测量系统，以此希望实现对电力系统的各种参数的详细分析，为电能质量的治理提供了可靠依据。同时通过分析我们可以看出由于科技的不断发展和更新，在很大程度也是促进了电力系统的控制监视等新的手段的出现，因此基于这样的环境，必须建立起以计算机为核心的智能化的电力监测系统。

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