電力參數(shù)簡(jiǎn)易檢測(cè)儀設(shè)計(jì)方案

1 電力參數(shù)簡(jiǎn)易檢測(cè)儀設(shè)計(jì)方案 隨著電力的迅速發(fā)展和用戶對(duì)用電管理水平要求的不斷提高，電力系統(tǒng)越來越復(fù)雜。工業(yè)的發(fā)展、科技的進(jìn)步，電力工業(yè)向大容量方向發(fā)展，企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)管理對(duì)工業(yè)電力準(zhǔn)確計(jì)量不斷提出新的要求，節(jié)能降耗是現(xiàn)代工業(yè)進(jìn)步的主要標(biāo)志之一。提高電能有效利用率，對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)與治理，已成為迫切需要解決的問題。要實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的綜合治理，就必須實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的在線分析與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以了解電能質(zhì)量的水平。作為電力管理系統(tǒng)組成部分的電參數(shù)測(cè)試儀也起著越來越重要的作用，然而傳統(tǒng)的電參數(shù)測(cè)試儀的功能單一，若要測(cè)量 多種電參數(shù)，則需要多個(gè)單項(xiàng)儀器，這一方面造成設(shè)備的浪費(fèi)，另一方面同步測(cè)量難以保證，給測(cè)試和分析帶來了困難。 因此，本課題目的在以單片機(jī)為核心的工頻檢測(cè)系統(tǒng)的硬件簡(jiǎn)單、功能較強(qiáng)，測(cè)量準(zhǔn)確度高，且對(duì)系統(tǒng)的時(shí)漂、溫漂可用軟件消除，不需增加硬件開銷，對(duì)組成系統(tǒng)的元器件要求不高，因而本文采用了此種方法。本文主要研究單片機(jī)在工頻電流、電壓、頻率、相位、功率因數(shù)等參數(shù)測(cè)量中的應(yīng)用。 第 1章 課程 設(shè)計(jì)的方案論證 述 目前，工廠在檢修前后及運(yùn)行過程中，經(jīng)常使用較高等級(jí)的單元儀表，測(cè)量電壓、電流、功率、頻率、相位等電參數(shù)，以便累積 有關(guān)用電設(shè)備的狀態(tài)的信息。但是，采用單元儀表進(jìn)行多種電參數(shù)的測(cè)量，存在以下問題：一是攜帶不便；二是操作不便；三是測(cè)量精度不滿足現(xiàn)場(chǎng)要求；四是不便于管理測(cè)試數(shù)據(jù)。因此，必將會(huì)造成工作效率不高，技術(shù)人員負(fù)擔(dān)較重等不良現(xiàn)象。因此迫切需要對(duì)電測(cè)儀表進(jìn)行改進(jìn)，以幫助技術(shù)人員對(duì)所測(cè)量信息進(jìn)行分析，以了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。而這些功能的實(shí)現(xiàn)就必須采用以單片機(jī)為核心的多功能智能化儀器。本文介紹了基于單片機(jī)的工頻交流電參數(shù)多用表的設(shè)計(jì)過程，它可同時(shí)對(duì)一路工頻交流電的各種功率值、電壓有效值、電流有效值等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。 本設(shè)計(jì)提出 一種基于 交流電量測(cè)量?jī)x器的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了討論和研究。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，成本低廉等特點(diǎn)，著重介紹其硬件和軟件設(shè)計(jì)方法。利用單片機(jī)的控制運(yùn)算功能，以軟件代替硬件電路用軟件計(jì)算分析出各種有效值，使硬件電路大大簡(jiǎn)化。 2 壓電流采樣方案 由于系統(tǒng)測(cè)量的是工頻電有效值，需將大電壓、大電流變換為小電壓、電流后才能進(jìn)行測(cè)量。變換電路有以下兩種方案： 方案一：采用串聯(lián)電阻分壓，該方法精度不高，輸入輸出無隔離，電阻損耗的功率較大。 方案二：采用電壓互感器，電壓互感器 利用的是電磁感應(yīng)的原理，轉(zhuǎn)換精度高，輸入輸出處于隔離狀態(tài)，控制電壓比容易。 經(jīng)上述比較，方案二明顯優(yōu)于方案一，故本文選用方案二，采用電壓互感器作為電壓變換電路。 率因數(shù)計(jì)算方案 功率因數(shù)計(jì)算有兩種方案： 方案一：把從工頻電中分離出的電壓和電流直接送到單片機(jī)中，由單片機(jī)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，得出結(jié)果送到顯示中。 方案二：運(yùn)用電能計(jì)算芯片，將電壓和電流數(shù)據(jù)送到芯片中，芯片直接計(jì)算出結(jié)果，然后把結(jié)果送到單片機(jī)，單片機(jī)處理后直接送顯示。 方案一需要大量的程序編寫，耗費(fèi)較多時(shí)間。方案二直接用芯片計(jì)算，不需要耗費(fèi)時(shí)間， 而且芯片價(jià)格比較便宜。因此本設(shè)計(jì)選用方案二。 統(tǒng)總體方案 本設(shè)計(jì)采用電壓和電流互感器將工頻電信號(hào)進(jìn)行分離，分別得出電壓和電流，然后經(jīng)過濾波電路，將干擾濾掉，再將電壓和電流送入電能計(jì)算芯片，進(jìn)行功率因數(shù)的計(jì)算。得到計(jì)算結(jié)果后，將結(jié)果送到單片機(jī)中，經(jīng)處理后直接送顯示，從而完成設(shè)計(jì)。系統(tǒng)總體框圖如圖 工頻電信號(hào) 抗混疊濾波 電能計(jì)算芯片 單片機(jī) 電壓互感器 電流互感器 顯示 3 圖 統(tǒng)總體框圖 4 第 2章 硬件設(shè)計(jì) 片機(jī)最小系統(tǒng) 經(jīng)綜合分析選用單片機(jī) 合。 一種低功耗高性能的 8 位單片機(jī)，片內(nèi)帶有一個(gè) 4 線可編擦除只讀存儲(chǔ)器，它采用了 且其輸出引腳和指令系統(tǒng)和51系列單片機(jī)兼容。片內(nèi)的存儲(chǔ)器允許在線重新編程或用常規(guī)的非易失性存儲(chǔ)器編程器來編程。同時(shí)已具有三級(jí)程序存儲(chǔ)器保密的性能。如圖 1 2 3 4 5 6i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z a t e : 2 9- M a y - 20 1 2 S he e t o f F i l e : C : P R O G R A M F I L E S D E S I G N E X P L O R E R 99 S E E X A M P L E S B A C K U P 2 1 BD r a w n B y:P 1. 01P 1. 12P 1. 23P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78P 3. 5 ( T 1)15P 3. 2 ( I N T 0 )12P 3. 3 ( I N T 1 )13P 3. 4 ( T 0)14E A / V P A L 018X T A L 119R E S E . 7 ( R D )17P 3. 6 ( W R )16P 0. 039P 0. 138P 0. 237P 0. 336P 0. 435P 0. 534P 0. 633P 0. 732P 2. 021P 2. 122P 2. 223P 2. 324P 2. 425P 2. 526P 2. 627P 2. 728V C R X D ) P 3 T X D ) P 3 E ( P R O G )30P L E C 5 2p p u . 0 59 2 C+ 5片機(jī)最小系統(tǒng) 能計(jì)算芯片選型 一款高精確度的三相電能計(jì)量芯片，帶有兩路脈沖輸出功能和一個(gè)串行接口，集成了 6 路 16 位二階 數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)字積分器，高性能 準(zhǔn)電路及溫度傳感器等電路，以及所有進(jìn)行有 功，無功和視在電能計(jì)量以及有效值計(jì)量所需的信號(hào)處理元件，在 1000： l 動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)誤差小于 提供有功、無功及視在電能、電壓、電流有效值及波形采樣等數(shù)據(jù)；三相三線 /三相四線兼容。 5 各相提供系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，包括有效值偏移校準(zhǔn)、相位校準(zhǔn)、功率校準(zhǔn)，部對(duì)無功電能進(jìn)行了補(bǔ)償 ;提供獨(dú)立的有功電能及無功電能脈沖輸出。這些功能特點(diǎn)大大減少了 軟件開發(fā)工作量，簡(jiǎn)化了電力測(cè)量新應(yīng)用模塊的設(shè)計(jì)難度，可做到全電子或真正固體化、靜止化，以有利于提高性能，降低成本，使電能計(jì)量具有高精度、高可 靠性、免維護(hù)和雙向通訊功能。其與單片機(jī)的連接方式如圖 圖 壓互感器電路 電壓輸入端電路主要是將輸入的工頻電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成 以測(cè)量的電壓信號(hào)（ 5V）。以 A 相電壓模擬設(shè)計(jì)輸入為例，其他兩相輸入通道設(shè)計(jì)相同。電壓采樣電路如圖 用的電壓互感器為 入電流范圍是 0出電流范圍是 0阻 擇 220，這樣輸出的電信號(hào)最大值為 會(huì)超過 130K。 成一個(gè) 波器。 圖 壓互感器電路 6 流互感器電路 電流通道由三對(duì)差分電壓輸入，提高了抗共模干擾能力。三對(duì)輸入分別代表 A，B， C 三相?，F(xiàn)以 為例，電路如圖 示，其它電流輸入與它相同。選用的互感器 輸入電流 0出電流 電流通道 大信號(hào)電壓變換范圍為 中送往 信號(hào)取樣電阻為兩個(gè) 阻 輸出最大信號(hào)為 出信號(hào)最大約為 會(huì)超過 幅二極管起到保護(hù)作用。 圖 流互感器電路 示模塊設(shè)計(jì) 顯示采用 16 2 字符型液晶 單片機(jī)的接口電路如圖 中 去耦電容。 數(shù)據(jù)線，與單片機(jī)的 子相接。 阻值可調(diào)的電位器，用來調(diào)整液晶顯示的對(duì)比度；當(dāng) 子對(duì)地電壓為 0V 時(shí)液晶顯示最為清晰。 A、 K 為 光燈的電源端子和接地端子，其中電源端子 主電源相接。正常情況下 開以減小電度表能耗；在電量查詢時(shí)閉合 通背光燈電源。顯示與按鍵相結(jié)合，用來實(shí)現(xiàn)電量參數(shù)的查詢顯示、異常事件記錄查詢顯示以及時(shí)鐘參數(shù)初值輸入調(diào)整結(jié)果顯示。當(dāng)沒有中斷發(fā)生時(shí)，進(jìn)行總的有功、無功電量顯示。字符顯示是通過 讀入該字符的 實(shí)現(xiàn)，把該字符對(duì)應(yīng)的 通過 寫入 內(nèi)部寄存器中。 7 圖 片機(jī)與 1602的接口電路 通過控制端子 R/W 的狀態(tài)組合實(shí)現(xiàn)指令的寫入以及數(shù)據(jù)的讀、寫操作，操作說明參考表 示。 表 作說明 8 第 3章 軟件設(shè)計(jì) 主程序流程圖 電參數(shù)測(cè)試儀的控制程序包括主程序；各類子程序；中斷服務(wù)子程序。它由內(nèi)部定時(shí)或外部中斷信號(hào)啟動(dòng)執(zhí)行。主程序的流程圖如圖 示。在主程序中，主要工作是初始化系統(tǒng)、 示、與上位機(jī)進(jìn)行通信、判斷是否有按鍵輸入、設(shè)置參數(shù)等。其中系統(tǒng)初始化主要完成對(duì)單片機(jī)定時(shí)器，看門狗以及存儲(chǔ)器等進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置好后系統(tǒng)進(jìn)入自檢模塊。檢測(cè)系統(tǒng)配置以及工作情況是否出現(xiàn)異常，若發(fā)現(xiàn)異常則進(jìn)行相應(yīng)的處理，在自檢模塊未檢測(cè)出異常后，讀取表的參數(shù)和實(shí)時(shí)時(shí)鐘，進(jìn)而進(jìn)入電量處理模塊。該模塊主要是對(duì)專用 電能計(jì)量芯片進(jìn)行相應(yīng)配置以及讀取經(jīng)過電能芯片處理后的電量信息，并且把所讀取的電量保存到相應(yīng)的存儲(chǔ)模塊中，并在 進(jìn)行相應(yīng)的顯示。在此過程中如果發(fā)現(xiàn)有按鍵輸入，則進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。 圖 程序流程圖 9 能計(jì)算模塊設(shè)計(jì) 電參數(shù)測(cè)量是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中對(duì)各種電參數(shù)進(jìn)行計(jì)量處理的程序，是實(shí)現(xiàn)其智能型電參數(shù)測(cè)試儀的基本功能的程序，也是電參數(shù)測(cè)試儀軟件系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的程序。這一程序模塊包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)上電時(shí)對(duì)各電量值的恢復(fù)、單片機(jī)通過串行接口（ ）讀取電能計(jì)量芯片上的各個(gè)存放電參數(shù)的寄存器的值，對(duì)各電量 脈沖進(jìn)行累計(jì)計(jì)算得到所需的電量信息，保存所關(guān)心的電量數(shù)據(jù)等程序。 在電能計(jì)量模塊中單片機(jī)通過 對(duì)電能計(jì)量芯片（ 行讀寫操作、初始化、以及對(duì)計(jì)量芯片進(jìn)行采樣存儲(chǔ)。對(duì)計(jì)量芯片進(jìn)行讀寫操作實(shí)現(xiàn)了對(duì)計(jì)量芯片給定地址進(jìn)行讀出和寫入的操作。所有計(jì)量芯片的操作都是通過芯片上的寄存器來完成的。每個(gè)寄存器都有唯一的地址標(biāo)識(shí)。若對(duì)寄存器進(jìn)行訪問，首先要寫通訊寄存器，然后才可以對(duì)相應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。通訊寄存器是一個(gè) 8 位寄存器，控制著計(jì)量芯片和主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。通訊寄存器的內(nèi)容包含了待操作的寄存器 地址以及要進(jìn)行的是讀還是寫的信息。 計(jì)量芯片初始化完成對(duì)計(jì)量芯片的初始設(shè)置，實(shí)際上就是將校表數(shù)據(jù)以及初始值都寫入到 應(yīng)的寄存器當(dāng)中。初始化模塊除了系統(tǒng)復(fù)位后被調(diào)用外，還在對(duì) 作的錯(cuò)誤累計(jì)大于錯(cuò)誤最大值的時(shí)候被調(diào)用，這也是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)有效方法。 對(duì)計(jì)量芯片進(jìn)行采樣存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)了將從電能計(jì)量芯片寄存器中取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類管理，采樣值經(jīng)過修正后存放于存儲(chǔ)器的相應(yīng)位置，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存、顯示或是進(jìn)行異常檢測(cè)。對(duì)計(jì)量芯片的采樣必須定時(shí)完成，并且時(shí)間間隔還應(yīng)該適中，時(shí)間間隔太短會(huì) 占用 多時(shí)間，時(shí)間間隔太長(zhǎng)有會(huì)使計(jì)量芯片中的寄存器數(shù)據(jù)溢出。電能計(jì)量模塊主要流程圖如圖 10 圖 能計(jì)算芯片流程圖 11 第 4章 系統(tǒng)誤差分析 測(cè)試方法：在測(cè)試中，分別用 440容和 10 歐姆串聯(lián)、 10感與 姆電阻串聯(lián)負(fù)載來測(cè)試電路的移相相位、功率因數(shù)、頻率、判斷負(fù)載的性質(zhì)、有功功率、視在功率，再與示波器的顯示值比較計(jì)算誤差。 表 性負(fù)載測(cè)試數(shù)據(jù) 表 性負(fù)載測(cè)試數(shù)據(jù) 在對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí)原本要進(jìn)行對(duì)電容充電放大處理，但后來沒有很 好的處理充放電與 樣的關(guān)系使數(shù)據(jù)測(cè)量誤差加大。在選擇運(yùn)放和制作電路初期因?yàn)闆]考慮到個(gè)環(huán)節(jié)帶來的誤差信號(hào)，電路沒有加調(diào)零電阻，運(yùn)放的失調(diào)電壓、偏置電流、溫漂的影響。電路設(shè)計(jì)初考慮不周全致使在測(cè)試中遇到了很多的問題，比如沒有考慮不到電壓電流的方向。改過了后將電流采樣電阻短路減少了電流大小，后來通過設(shè)計(jì)差分電路采集電流從而解決了問題。 12 第 5章 課程設(shè)計(jì)總結(jié) 本設(shè)計(jì)對(duì)當(dāng)前電參數(shù)測(cè)試儀的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，同時(shí)運(yùn)用電參數(shù)測(cè)量原理作為理論基礎(chǔ)，利用專用電能計(jì)量芯片和單片機(jī)的數(shù)據(jù)采樣和處理能力，以達(dá)到工頻檢測(cè)的目的。 本設(shè)計(jì) 采用電壓互感器與電流互感器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，將采集到的信號(hào)傳遞給電能計(jì)量芯片，電能計(jì)量模塊選用的是美國(guó) 司的電能計(jì)量芯片 要完成的工作是完成對(duì)所需要的電量信息的計(jì)量處理并存儲(chǔ)在各個(gè)寄存器內(nèi)。選用的單片機(jī)是 主要完成的工作是控制 且讀取其寄存器中的數(shù)據(jù)，通過 示所需要的電參數(shù)信息，并且可以通過按鍵輸入來設(shè)置相對(duì)應(yīng)的參數(shù)。由于工頻檢測(cè)在當(dāng)今社會(huì)的用電管理系統(tǒng)中發(fā)揮越來越重要的作用，其功能也得以多樣化拓展，本文中所設(shè)計(jì)的電參數(shù)測(cè)試儀僅實(shí)現(xiàn)了電參數(shù)測(cè)試儀眾多功能中最基本的部分，由于采用的是單片機(jī)作為主控制部分，可利用其擴(kuò)展性，使電能表的功能得以增強(qiáng)和完善，比如通過其擴(kuò)展接口與專用的介質(zhì)相連接，比如 等可以實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)功能，根據(jù)不同的時(shí)段設(shè)置不同的電價(jià)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)費(fèi)率的功能。由于建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的需要，電參數(shù)測(cè)試儀在用電管理系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步得以體現(xiàn)，此類電表的應(yīng)用將具有深遠(yuǎn)的前景，對(duì)其的研究和設(shè)計(jì)也具有重要的社會(huì)意義。 13 參考文獻(xiàn) 1 張洪潤(rùn) 馬鳴鶴 M北京 2 余孟嘗 M3 金美星 J4 李靜 于文斌 J5 馮建勤 喬智 J6 梁金海 數(shù)字式自動(dòng)量程工頻有效值多用表 7 趙新民 智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 8 楊代華 武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社 9 張永瑞 西安：西安 電子科技大學(xué)出版社 14 附錄 附錄 I 系統(tǒng)總圖 15 附錄 統(tǒng)程序 # /全局變量說明 0,1,3,E4,p,v;/電量參數(shù) 000; /功率參考 a13,c16; /示處理 1,3; /脈沖計(jì)數(shù)變量和事件發(fā)生次數(shù)變量 (c0,a1,(c1,c2,b1,b2,b3,b4,b5,(b1,b2,b3,();/測(cè)試 碌狀態(tài) ( /設(shè)定顯示位置 ;/寫入 數(shù)據(jù)到 ;/始化 ; ; ; /存儲(chǔ)函數(shù)及接口變量說明 /通過 線向 入一個(gè)字符數(shù) 據(jù) 16 /向 入一個(gè)長(zhǎng)整型數(shù)據(jù) /從 字符數(shù)據(jù) /從 長(zhǎng)整型數(shù)據(jù) ; ; /接口變量說明 (4;/別與 用 S=; 34; 35; 33; /時(shí)鐘函數(shù)及接口說明 (6; 15; E=; /其他函數(shù)說明及接口變量定義 ,00 時(shí)延時(shí)約 1 秒 ();/8051 初始化 ;/始化 ;/始化 ;/時(shí)間檢測(cè)與定時(shí)存儲(chǔ) ;/功率檢測(cè)與變比切換 ();/電量參數(shù)存儲(chǔ)