電子信息工程畢業(yè)論文設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

1、學(xué)學(xué) 士士 學(xué)學(xué) 位位 論論 文文 簡(jiǎn)易電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì) 作 者 姓 名： 學(xué)科、專業(yè) ： 電子信息工程 06 級(jí) 學(xué) 號(hào) ： 06424056 指 導(dǎo) 教 師： 完 成 日 期： 2010 年 5 月 28 日 簡(jiǎn)易電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì) 總計(jì): 畢業(yè)論文 50 頁(yè) 表 格 1 表 插 圖 14 幅 指導(dǎo)教師： 劉春玲 評(píng) 閱 人： 完成日期：2010 年 5 月 28 日 摘 要 電能質(zhì)量一般是指電壓與電流的幅值、頻率、波形等參量離規(guī)定值的偏差。 有時(shí)電能質(zhì)量的不正常會(huì)造成嚴(yán)重事故，因此電能質(zhì)量問(wèn)題對(duì)當(dāng)前開放型經(jīng)濟(jì) 體系中的影響日益嚴(yán)重，如何保證優(yōu)良的電能質(zhì)量成為一項(xiàng)重要的研究課題。

2、 電能質(zhì)量已是電網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展中一個(gè)十分重要的問(wèn)題。 以前的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的監(jiān)測(cè)方式具有被動(dòng)的、分散式的、針對(duì)特定電能 質(zhì)量問(wèn)題的特點(diǎn)?，F(xiàn)在的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的檢測(cè)方式具有主動(dòng)的、永久持續(xù)的、 反映系統(tǒng)性能的特點(diǎn)。而且電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正在朝著在線監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)分析、 網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方向發(fā)展。 本文首先介紹了課題的實(shí)際意義以及電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀；其次對(duì)電能質(zhì) 量參數(shù)的計(jì)算作了詳細(xì)的描述，包括電壓、電流有效值的計(jì)算、電源頻率的計(jì) 算、有功功率、無(wú)功功率的計(jì)算、功率因數(shù)的計(jì)算等；然后完成了對(duì)整個(gè)系統(tǒng) 的硬件、軟件設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)采集電路和顯示電路等；最后通過(guò)系統(tǒng)的調(diào)試， 完成了系統(tǒng)的任務(wù)。通過(guò)選擇電壓互感器

3、、電流互感器將電源的電壓、電流信 號(hào)轉(zhuǎn)換成低壓信號(hào)，設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路和測(cè)頻電路測(cè)出電源頻率；經(jīng)低壓信號(hào) 采集到單片機(jī)內(nèi)、通過(guò)一定算法計(jì)算電源的電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率 和功率因數(shù)等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)單路電源電能的質(zhì)量監(jiān)測(cè)和顯示。 關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；有功功率；無(wú)功功率；功率因數(shù) abstract power quality generally refers to the amplitude of voltage and current, frequency, waveform parameters such as the deviation from the specified value. so

4、metimes 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

5、 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

6、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

7、 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 trans

8、formers, 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 voltag

9、e, 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 目 錄 摘 要 .i abstract .ii 1.緒論 .1 1.1 研究的背景.1 1.2 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀與發(fā)展.1 1.3 研究的主要內(nèi)容.2 2.電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的算法研

10、究 .3 2.1 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)參數(shù)的分析.3 2.2 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的常用算法.4 3. 簡(jiǎn)易電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的硬件電路設(shè)計(jì) .6 3.1 系統(tǒng)硬件電路的整體功能設(shè)計(jì).6 3.2 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì) .6 3.2.1 電壓和電流信號(hào)的采集.6 3.2.2 信號(hào)頻率捕捉電路的設(shè)計(jì).7 3.2.3 a/d 轉(zhuǎn)換接口電路的設(shè)計(jì).8 3.3 單片機(jī)控制系統(tǒng)及外圍電路的設(shè)計(jì).11 3.3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì).11 3.3.2 鍵盤、顯示電路的設(shè)計(jì).11 4.簡(jiǎn)易電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的程序設(shè)計(jì) .13 4.1 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置軟件主程序設(shè)計(jì).13 4.2 同步采樣的設(shè)計(jì).14 4.2.1 同步采樣的分

11、類.14 4.2.2 軟件同步采樣的流程圖.14 4.3 電能參數(shù)的計(jì)算.16 4.3.1 電壓、電流有效值的計(jì)算.16 4.3.2 電源頻率的計(jì)算.18 4.3.3 有功功率、無(wú)功功率的計(jì)算.19 4.3.4 功率因數(shù)的計(jì)算.19 4.3.5 電能參數(shù)計(jì)算的 matlab 仿真結(jié)果.20 4.4 鍵盤、顯示程序設(shè)計(jì).22 4.4.1 鍵盤程序設(shè)計(jì).22 4.4.2 顯示程序設(shè)計(jì).23 5.系統(tǒng)的調(diào)試 .26 5.1 硬件調(diào)試.26 5.2 軟件調(diào)試.26 5.3 整體調(diào)試.27 總結(jié)與展望 .28 參考文獻(xiàn) .29 附錄 1 外文文獻(xiàn)譯文 .30 附錄 2 外文文獻(xiàn)原文 .29 附錄 3 部

12、分程序源代碼 .30 致謝 .46 大連大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 .47 1.緒論 1.1 研究的背景 20 世紀(jì) 60 年代開始出現(xiàn)第一代電能質(zhì)量測(cè)試儀，以前的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀 的監(jiān)測(cè)方式具有被動(dòng)的、分散式的、針對(duì)特定電能質(zhì)量問(wèn)題的特點(diǎn)。 從 20 世紀(jì) 60 年代開始出現(xiàn)第一代電能質(zhì)量測(cè)試儀至今，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)歷 經(jīng)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)從被動(dòng)的、分散式的、針對(duì)特定電能質(zhì)量問(wèn)題的監(jiān)測(cè)方 式轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)的、永久持續(xù)的、反映系統(tǒng)性能的監(jiān)測(cè)方式。現(xiàn)在，各省監(jiān)測(cè)網(wǎng) 一般是以省電力公司或電科院作為電能質(zhì)量監(jiān)督管理中心，搭建全省的網(wǎng)絡(luò)平 臺(tái)，各供電分公司分別組建子網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)數(shù)據(jù)能夠通過(guò)局域網(wǎng)向省電能質(zhì)量監(jiān) 督

13、管理中心轉(zhuǎn)發(fā)，電力監(jiān)管中心也可通過(guò)訪問(wèn)各子站數(shù)據(jù)服務(wù)器查看各監(jiān)測(cè)點(diǎn) 的原始數(shù)據(jù)。對(duì)于重點(diǎn)性的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，如電氣化鐵路典型牽引站、超大型諧波 源用戶、機(jī)場(chǎng)、軍事基地等敏感性負(fù)荷也可由電力監(jiān)管中心直接管理1。 電能質(zhì)量一般是指電壓與電流的幅值、頻率、波形等參量離規(guī)定值的偏差。 隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)控制及日 常生活中的應(yīng)用也日益廣泛。一方面大量的非線性負(fù)荷、非對(duì)稱設(shè)備以及沖擊 性負(fù)荷的投運(yùn)，使公用電網(wǎng)中產(chǎn)生了大量的諧波干擾以及電壓畸變、諧波注入、 電壓波動(dòng)和三相不平衡等問(wèn)題，電能質(zhì)量不斷惡化。另一方面基于計(jì)算機(jī)、微 電子控制技術(shù)的設(shè)備、裝置和生產(chǎn)線的不斷增加，電

14、網(wǎng)中這些負(fù)荷對(duì)電能的質(zhì) 量特別敏感，有時(shí)電能質(zhì)量的不正常會(huì)造成嚴(yán)重事故。因此電能質(zhì)量問(wèn)題對(duì)當(dāng) 前開放型經(jīng)濟(jì)體系中的影響日益嚴(yán)重，如何保證優(yōu)良的電能質(zhì)量成為一項(xiàng)重要 的研究課題。 1.2 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀與發(fā)展 現(xiàn)在的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀的檢測(cè)方式具有主動(dòng)的、永久持續(xù)的、反映系統(tǒng)性 能的特點(diǎn)。而且電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正在朝著在線監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)分析、網(wǎng)絡(luò)化和智 能化的方向發(fā)展。 未來(lái)趨勢(shì)，國(guó)際上電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)可概括為四點(diǎn)，即網(wǎng)絡(luò)化、 信息化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化。目前較為合理且流行的網(wǎng)絡(luò)模式是具有三層體系結(jié) 構(gòu)，且集成語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像等各類業(yè)務(wù)為一體的信息化綜合性網(wǎng)絡(luò)。標(biāo)準(zhǔn)化 體現(xiàn)在數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)格式標(biāo)準(zhǔn)化和顯

15、示界面標(biāo)準(zhǔn)化，采用 pqdif 作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化存儲(chǔ) 格式，使多數(shù)據(jù)源具有良好的兼容性，便于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)報(bào) 表格式和人機(jī)交互界面，使顯示界面標(biāo)準(zhǔn)化。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用先進(jìn)的數(shù)學(xué)方法和 工具對(duì)電能質(zhì)量現(xiàn)象和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘、分析和整理。對(duì)電能質(zhì)量擾動(dòng)做出 科學(xué)的評(píng)估，為電力部門改善電能質(zhì)量提供決策依據(jù)。國(guó)內(nèi)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 的發(fā)展趨勢(shì)主要是在線式電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)采用的主要監(jiān)測(cè)方 式有連續(xù)監(jiān)測(cè)、定時(shí)巡回監(jiān)測(cè)和專項(xiàng)監(jiān)測(cè)。這里連續(xù)監(jiān)測(cè)方式所使用的主要儀 器就是在線式的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，由于這種產(chǎn)品多是借助于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí) 現(xiàn)電能質(zhì)量的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，在國(guó)際上在線式的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)產(chǎn)品又被叫

16、作電能質(zhì) 量遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)產(chǎn)品。這類產(chǎn)品適用于公共供電點(diǎn)電能質(zhì)量的連續(xù)監(jiān)測(cè)和多點(diǎn)監(jiān)測(cè) 組成區(qū)域性的電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)網(wǎng)，可以連續(xù)監(jiān)測(cè)公共點(diǎn)的電壓偏差、頻率偏 差、電壓諧波。三相電壓不平衡度及用戶注入網(wǎng)的諧波電流和負(fù)序電流，具有 電能質(zhì)量指標(biāo)超限報(bào)警、數(shù)據(jù)錄取、電能質(zhì)量故障分析預(yù)報(bào)和通信等功能2。 1.3 研究的主要內(nèi)容 本文首先介紹了課題的實(shí)際意義以及電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀；其次對(duì)電能質(zhì) 量參數(shù)的計(jì)算作了詳細(xì)的描述，包括電壓、電流有效值的計(jì)算、電源頻率的計(jì) 算、有功功率、無(wú)功功率的計(jì)算、功率因數(shù)的計(jì)算等；然后完成了對(duì)整個(gè)系統(tǒng) 的硬件、軟件設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)采集電路和顯示電路等；最后通過(guò)系統(tǒng)的調(diào)試， 完成了系統(tǒng)

17、的任務(wù)。通過(guò)選擇電壓互感器、電流互感器將電源的電壓、電流信 號(hào)轉(zhuǎn)換成低壓信號(hào)，設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路和測(cè)頻電路測(cè)出電源頻率；經(jīng)低壓信號(hào) 采集到單片機(jī)內(nèi)、通過(guò)一定算法計(jì)算電源的電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率 和功率因數(shù)等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)單路電源電能的質(zhì)量監(jiān)測(cè)和顯示。 2.電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的算法研究 2.1 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)參數(shù)的分析 電能質(zhì)量指標(biāo)是與電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行相關(guān)的、能夠?qū)τ脩粽Ｉa(chǎn)工 藝過(guò)程及產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響的電力供應(yīng)綜合技術(shù)指標(biāo)描述，它涉及電壓電流波 形形狀、幅值及其頻率三大基本要素。從實(shí)用的分析角度出發(fā)，可按照電能質(zhì) 量擾動(dòng)現(xiàn)象的兩個(gè)重要表現(xiàn)特征變化的連續(xù)性和事件的突發(fā)性將電能質(zhì)量 指標(biāo)分為兩

18、類：穩(wěn)態(tài)指標(biāo)和暫態(tài)指標(biāo)3。 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)指那些連續(xù)變化的電能質(zhì)量指標(biāo)，包括電能質(zhì)量相關(guān)國(guó)標(biāo)規(guī)定的 電壓偏差、頻率偏差、電壓不平衡度、諧波和閃變等指標(biāo)，以及國(guó)標(biāo)中暫時(shí)沒(méi) 有規(guī)定的電壓陷波、載波信號(hào)干擾等。穩(wěn)態(tài)指標(biāo)的重要特征表現(xiàn)為電壓或者電 流的幅值、頻率和相位差等在時(shí)間軸上的任一時(shí)刻總是在發(fā)生小的變化，它們 與額定值之間總是存在一定范圍內(nèi)的偏差。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求針對(duì)穩(wěn)態(tài)指 標(biāo)進(jìn)行連續(xù)記錄。 暫態(tài)指標(biāo)指那些突然出現(xiàn)的電能質(zhì)量擾動(dòng)，包括電壓暫降、暫升、短時(shí)電 壓中斷、欠電壓和瞬態(tài)過(guò)電壓等，其重要特征表現(xiàn)為電壓或者電流在短時(shí)間內(nèi) 嚴(yán)重偏離其額定值或者理想波形。目前電能質(zhì)量相關(guān)國(guó)標(biāo)對(duì)于暫態(tài)指標(biāo)的規(guī)定 甚

19、少。對(duì)于暫態(tài)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，通常利用一個(gè)事件啟動(dòng)信號(hào)來(lái)進(jìn)行觸發(fā)記錄，其 記錄的數(shù)據(jù)包括電壓和電流波形、事件的持續(xù)時(shí)間以及最大幅值等特征值。 電能質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)的數(shù)據(jù)分析分為針對(duì)單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分析和系統(tǒng)性分析。 針對(duì)單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分析：在大多數(shù)情況下，需要對(duì)單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行 分析，以了解該點(diǎn)的電能質(zhì)量分布情況和變化趨勢(shì)，或者找出暫態(tài)電能質(zhì)量事 件的原因。 就單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)而言，在某一時(shí)刻，描述電能質(zhì)量的各指標(biāo)之間存在確定的 相互關(guān)系，但是此時(shí)通常僅有一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)指標(biāo)是主要的，根據(jù)這幾個(gè)主要 的指標(biāo)就可以比較清晰地分析出該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電能質(zhì)量信息。 但是，對(duì)同一時(shí)刻的物理現(xiàn)象所表現(xiàn)的指標(biāo)進(jìn)行分析，只能看出相關(guān)

20、指標(biāo) 的微觀聯(lián)系，通常用于針對(duì)暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題的分析，以找出暫態(tài)電能質(zhì)量事 件的原因；對(duì)于穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量指標(biāo)而言， 這種微觀的分析方法是不太適用的， 因?yàn)橥硞€(gè)時(shí)刻的一組穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量指標(biāo)沒(méi)有多大的實(shí)用意義。現(xiàn)實(shí)中往往 結(jié)合一段時(shí)間內(nèi)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析，各指標(biāo)的統(tǒng)計(jì) 結(jié)果一般不反映諸多現(xiàn)象的時(shí)刻特征，但是能夠反映其可能包含的物理現(xiàn)象的 綜合特征模型，便于進(jìn)一步仿真分析，并提出綜合的控制措施。例如各次諧波 的95%概率數(shù)據(jù)集合，通過(guò)此數(shù)據(jù)可以看出負(fù)荷的基本頻譜特征，判斷其屬于 哪類負(fù)荷，同時(shí)也便于分析判斷所設(shè)置濾波器的支路及其容量等4。 系統(tǒng)性分析：隨著電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的增多，

21、監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)大，管理人員在 時(shí)間和精力上往往不能夠定期對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)都進(jìn)行詳細(xì)的、獨(dú)立的電能質(zhì)量分 析?？紤]到電網(wǎng)的特征，電能質(zhì)量的各個(gè)指標(biāo)實(shí)際上在整個(gè)電網(wǎng)內(nèi)有一個(gè)傳遞、 相互影響的過(guò)程。如諧波在整個(gè)電網(wǎng)內(nèi)的傳播，以及某個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電壓暫降對(duì) 其相鄰線路的影響等。 因此，針對(duì)電能質(zhì)量指標(biāo)的分析，必將會(huì)發(fā)展到一個(gè) 系統(tǒng)性的層次上，即在整個(gè)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的層面上進(jìn)行全局的、系統(tǒng)的電能質(zhì)量評(píng) 估和分析。當(dāng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到一定規(guī)模后，系統(tǒng)所面對(duì)的最大問(wèn)題就是 海量數(shù)據(jù)的問(wèn)題。海量數(shù)據(jù)會(huì)在系統(tǒng)存儲(chǔ)容量、查詢性能等方面給電能質(zhì)量監(jiān) 測(cè)系統(tǒng)帶來(lái)很大考驗(yàn)，甚至可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。采用系統(tǒng)性的分析方法， 最大的優(yōu)

22、勢(shì)在于可以減少直接面對(duì)無(wú)用的冗余數(shù)據(jù)，而只需要面對(duì)真正需要深 入分析的電能質(zhì)量問(wèn)題5。這種情況下，可以利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性 電能質(zhì)量指標(biāo)分析。采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)以后，電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)呈現(xiàn)給使用者 的是經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)、整理出來(lái)的數(shù)據(jù)，通過(guò)這些數(shù)據(jù)可以很清晰地了解整個(gè)電網(wǎng)內(nèi) 各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電能質(zhì)量總體情況，然后可以選擇對(duì)于電能質(zhì)量問(wèn)題比較嚴(yán)重的 監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行深入的分析此時(shí)可以采用針對(duì)單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的宏觀或者微觀的分析 方法。 2.2 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的常用算法 電網(wǎng)交流信號(hào)的采樣：交流信號(hào)的采樣是各個(gè)參數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)，也對(duì)參數(shù) 的計(jì)算有著關(guān)鍵的作用。電能質(zhì)量參數(shù)除了瞬態(tài)參數(shù)以外一般都是以電網(wǎng)的一 個(gè)周期為單

23、位進(jìn)行處理的，所以首先要確定電網(wǎng)當(dāng)前的周期。然后根據(jù)電網(wǎng)的 周期進(jìn)行交流信號(hào)的離散化和數(shù)字化的數(shù)據(jù)采樣，并根據(jù)頻率的變化調(diào)整采樣 時(shí)間。至于一個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)，一般為2 的n次方，例如:128 點(diǎn)、256 點(diǎn)等 等，這樣便于后面一些參數(shù)的計(jì)算。所采集的一系列離散數(shù)字化的數(shù)據(jù)就代表 了當(dāng)前電網(wǎng)信號(hào)的狀況，對(duì)這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理就可以獲得各種參數(shù)。 當(dāng)然由于硬件信號(hào)處理電路的不同，可能外部的交流信號(hào)已經(jīng)經(jīng)過(guò)了一定的處 理，例如波形上移、波形翻轉(zhuǎn)等處理，所以采樣得到的一系列離散數(shù)字化的數(shù) 據(jù)首先要還原這些處理，這樣才能使用下面各種參數(shù)的算法6。 諧波: 諧波即對(duì)周期性的交流量進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解，

24、得到頻率為大于1 的整數(shù)倍基波頻率的分量。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，不斷有新的電力電子裝置和 其他非線性負(fù)荷接入電網(wǎng)，導(dǎo)致電網(wǎng)諧波水平逐年升高。同時(shí)目前大量使用微 電子器件的儀表和設(shè)備，其對(duì)諧波干擾極其敏感。因此，諧波問(wèn)題一直是主要 的電能質(zhì)量問(wèn)題。一般電網(wǎng)信號(hào)都滿足關(guān)系式，所以電網(wǎng)中 ff 主要存在的是奇次諧波，如3 次、5 次等，而偶次諧波的含量一般都很小，所 以在諧波分析中一般只關(guān)注奇次諧波，這樣對(duì)于運(yùn)算量也會(huì)減少很多。 電壓閃變: 電壓閃變是人眼對(duì)燈閃的主觀感覺。當(dāng)然在具體衡量電網(wǎng)質(zhì)量 的時(shí)候不能用主觀感覺描述，需要采用某個(gè)具體的參數(shù)描述。在電壓閃變方面， 一般利用電壓調(diào)幅波的頻率、波形和幅

25、值相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行描述。 三相不平衡度: 三相不平衡度指三相電力系統(tǒng)中三相電壓或電流不平衡的 程度。理想的三相電力系統(tǒng)是三相對(duì)稱系統(tǒng)，即三相電壓應(yīng)有相同的幅值，且 相位角互差120。但實(shí)際由于各相負(fù)荷等各種因素，電力系統(tǒng)并不是完全平 衡的。三相不平衡會(huì)帶來(lái)各種危害，例如引起電機(jī)發(fā)熱和振動(dòng)，影響其正常運(yùn) 行，使一些設(shè)備的效率下降，也會(huì)導(dǎo)致其使用壽命縮短。不平衡達(dá)到一定程度 還會(huì)產(chǎn)生各種電力事故7。 3. 簡(jiǎn)易電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的硬件電路設(shè)計(jì) 3.1 系統(tǒng)硬件電路的整體功能設(shè)計(jì) 電壓互 感器 電流互 感器 頻率捕捉 電路 a/d 轉(zhuǎn)換 接口電路 單片機(jī)計(jì) 算電路 鍵盤 顯示 圖 3.1 系統(tǒng)整體框圖

26、其中電壓互感器和電流互感器的作用是把高壓電源信號(hào)轉(zhuǎn)變成低壓信號(hào)接 入電路，頻率捕捉電路的功能是測(cè)出電源頻率的波動(dòng)范圍，通過(guò)數(shù)據(jù)采樣和 a/d轉(zhuǎn)換送到單片機(jī)計(jì)算電路分析數(shù)據(jù)，通過(guò)鍵盤控制顯示的內(nèi)容。 3.2 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì) 3.2.1 電壓和電流信號(hào)的采集 通過(guò)電壓互感器和電流互感器把電源的電壓和電流接入電路中，電磁感應(yīng) 式電壓互感器其工作原理與變壓器相同，基本結(jié)構(gòu)也是鐵心和原、副繞組。特 點(diǎn)是容量很小且比較恒定，正常運(yùn)行時(shí)接近于空載狀態(tài)。電壓互感器本身的阻 抗很小，一旦副邊發(fā)生短路，電流將急劇增長(zhǎng)而燒毀線圈。為此，電壓互感器 的原邊接有熔斷器，副邊可靠接地，以免原、副邊絕緣損毀時(shí)，副邊出現(xiàn)

27、對(duì)地 高電位而造成人身和設(shè)備事故。測(cè)量用電壓互感器一般都做成單相雙線圈結(jié)構(gòu)， 其原邊電壓為被測(cè)電壓（如電力系統(tǒng)的線電壓） ，可以單相使用，也可以用兩 臺(tái)接成 v-v 形作三相使用。實(shí)驗(yàn)室用的電壓互感器往往是原邊多抽頭的，以適 應(yīng)測(cè)量不同電壓的需要。供保護(hù)接地用電壓互感器還帶有一個(gè)第三線圈，稱三 線圈電壓互感器。三相的第三線圈接成開口三角形，開口三角形的兩引出端與 接地保護(hù)繼電器的電壓線圈聯(lián)接。正常運(yùn)行時(shí)，電力系統(tǒng)的三相電壓對(duì)稱，第 三線圈上的三相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之和為零。一旦發(fā)生單相接地時(shí)，中性點(diǎn)出現(xiàn)位移， 開口三角的端子間就會(huì)出現(xiàn)零序電壓使繼電器動(dòng)作，從而對(duì)電力系統(tǒng)起保護(hù)作 用。線圈出現(xiàn)零序電壓則

28、相應(yīng)的鐵心會(huì)出現(xiàn)零序磁通。這種三相電壓互感器采 用旁軛式鐵心（10kv 及以下時(shí)）或采用三臺(tái)單相電壓互感器。對(duì)于這種互感器， 第三線圈的準(zhǔn)確度要求不高，但要求有一定的過(guò)勵(lì)磁特性（即當(dāng)原邊電壓增加 時(shí)，鐵心中的磁通密度也增加相應(yīng)倍數(shù)而不會(huì)損壞） 。 在供電用電的線路中電流大大小小相差懸殊從幾安到幾萬(wàn)安都有。為便于 二次儀表測(cè)量需要轉(zhuǎn)換為比較統(tǒng)一的電流，另外線路上的電壓都比較高如直接 測(cè)量是非常危險(xiǎn)的。電流互感器就起到變流和電氣隔離作用8。目前顯示儀表 大部分是指針式的電流表，所以電流互感器的二次電流大多數(shù)是安培級(jí)的?，F(xiàn) 在的電量測(cè)量大多數(shù)字化，而計(jì)算機(jī)的采樣的信號(hào)一般為毫安級(jí)（0-5v、4- 2

29、0ma 等） 。微型電流互感器二次電流為毫安級(jí)，主要起大互感器與采樣之間的 橋梁作用。 3.2.2 信號(hào)頻率捕捉電路的設(shè)計(jì) (1)lm339 芯片介紹: lm339 集成塊內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，該電壓比較器的特點(diǎn)是： 失調(diào)電壓小，典型值為 2mv； 電源電壓范圍寬，單電源為 2-36v，雙電源電壓為1v-18v； 對(duì)比較信號(hào)源的內(nèi)阻限制較寬； 共模范圍很大，為 0（ucc-1.5v）vo； 差動(dòng)輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓； 輸出端電位可靈活方便地選用。 lm339 集成塊采用 c-14 型封裝，由于 lm339 使用靈活，應(yīng)用廣泛，所以世 界上各大 ic 生產(chǎn)廠、公司竟相推

30、出自己的四比較器，如 ir2339、ani339、sf339 等，它們的參數(shù)基本一致，可互換使用。 lm339 類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè) 輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個(gè)稱為反相輸 入端，用“-”表示。用作比較兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓 做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇 lm339 輸入共模范圍的任何一點(diǎn)） ， 另一端加一個(gè)待比較的信號(hào)電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止， 相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出 端接低電位。兩個(gè)輸入端電壓差別大于 10mv 就能確保輸出能從

31、一種狀態(tài)可靠 地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把 lm339 用在弱信號(hào)檢測(cè)等場(chǎng)合是比較理想的。 lm339 的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時(shí)輸出端到 正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選 3-15k） 。選不同阻值的上拉電阻 會(huì)影響輸出端高電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時(shí)，它的集電極電壓基 本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值9。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起 使用。 (2)ss16 二極管介紹 ss16是一種低功耗、快恢復(fù)的肖特基二極管,具有反向恢復(fù)時(shí)間極短的特 點(diǎn),在電路中起保護(hù)作用 (3)信號(hào)頻率捕捉電路原理圖 r17 100k r25 100k r28 1k r

32、32 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 圖 3.2 信號(hào)頻率捕捉電路原理圖 3.2.3 a/d 轉(zhuǎn)換接口電路的設(shè)計(jì) (1)adc0809芯片簡(jiǎn)介 adc0809

33、是帶有8位a/d轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯 的cmos組件。它是逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。adc0809由 一個(gè)8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè)a/d轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖 存器組成。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用a/d 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存a/d轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)oe端為高電 平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)10。 adc0809各腳功能如下： d7-d0：8位數(shù)字量輸出引腳。 in0-in7：8位模擬量輸入引腳。 vcc：+5v工作電壓。 gnd：地。 ref（+）：參考電壓正端。 ref

34、（-）：參考電壓負(fù)端。 start：a/d轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)輸入端。 ale：地址鎖存允許信號(hào)輸入端。 eoc：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電 平。 oe：輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。 clk：時(shí)鐘信號(hào)輸入端（一般為500khz） 。 a、b、c：地址輸入線。 地址輸入和控制線：4 條 ale 為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng) ale 線為高電平時(shí)，地址鎖 存與譯碼器將 a，b，c 三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通 道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。a，b 和 c 為地址輸入線，用于選通 in0in7 上的一路模擬量輸入。通道選擇表如下表所示

35、。 表 3.1 adc0809 的通道選擇表 cba 選擇的通道 000in0 001in1 010in2 011in3 100in4 101in5 110in6 111in7 數(shù)字量輸出及控制線：11 條 st 為轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng) st 上跳沿時(shí)，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時(shí)， 開始進(jìn)行 a/d 轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，st 應(yīng)保持低電平。eoc 為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng) eoc 為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行 a/d 轉(zhuǎn)換。oe 為輸出允 許信號(hào)，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。oe1，輸 出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；oe0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。d7d0 為數(shù)字量輸出線。 cl

36、k 為時(shí)鐘輸入信號(hào)線。因 adc0809 的內(nèi)部沒(méi)有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)必須 由外界提供，通常使用頻率為 500khz，vref（），vref（）為參考電壓輸 入。 adc0809 應(yīng)用說(shuō)明:adc0809 內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與 at89s51 單片機(jī) 直接相連。初始化時(shí)，使 st 和 oe 信號(hào)全為低電平。送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地 址到 a，b，c 端口上。在 st 端給出一個(gè)至少有 100ns 寬的正脈沖信號(hào)。是否 轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù) eoc 信號(hào)來(lái)判斷。當(dāng) eoc 變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，這時(shí)給 oe 為高 電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機(jī)了。 (2)a/d 轉(zhuǎn)換電路原理圖 ea /vp 31

37、 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

38、 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 圖 3.3 a/d 轉(zhuǎn)換電路原

39、理圖 由于 adc0809 片內(nèi)無(wú)時(shí)鐘，可利用 89c51 提供的地址鎖存允許信號(hào) ale 經(jīng) d 觸發(fā)器 2 分頻后獲得，ale 引腳的頻率是 89c51 單片機(jī)時(shí)鐘頻率的六分之一。 單片機(jī)時(shí)鐘頻率采用 6mhz，則 ale 引腳的輸出頻率為 1mhz，再 2 分頻后為 500khz，恰好符合 adc0809 對(duì)時(shí)鐘頻率的要求。由于 adc0809 具有輸出三態(tài)鎖 存器，其 8 位數(shù)據(jù)輸出引腳可直接與數(shù)據(jù)總線相連。地址譯碼引腳 c、b、a 分 別與地址總線低 3 位 a2、a1、a0、相連，以選通 in0-in7 中的一個(gè)通路。將 p2.7（地址總線 a15）作為片選信號(hào)端，在啟動(dòng) a/d

40、轉(zhuǎn)換時(shí)由單片機(jī)的寫信號(hào) 和 p2.7 引腳信號(hào)控制 adc 的地址鎖存和轉(zhuǎn)換啟動(dòng)，由于 ale 和 start 連在一 起，因此 adc0809 在鎖存地址的同時(shí)，啟動(dòng)并進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)， 用低電平的讀信號(hào)和 p2.7 引腳經(jīng) 1 級(jí)或非門后，產(chǎn)生的正脈沖作為 oe 信號(hào)， 用以打開三態(tài)輸出鎖存器。 3.3 單片機(jī)控制系統(tǒng)及外圍電路的設(shè)計(jì) 3.3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 在智能化儀器儀表中，控制核心均為微處理器，而單片機(jī)以高性能、高速 度、體積小、價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠而得到廣泛應(yīng)用，是設(shè)計(jì)智能化儀器儀表的 首選微控制器，單片機(jī)結(jié)合簡(jiǎn)單的接口電路即可構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)，它是智 能化儀器

41、儀表的基礎(chǔ)，也是測(cè)控、監(jiān)控的重要組成部分11。 單片機(jī)最小系統(tǒng)是在以 mcs-51 單片機(jī)為基礎(chǔ)上擴(kuò)展，使其能更方便地運(yùn) 用于測(cè)試系統(tǒng)中，不僅具有控制方便、組態(tài)簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以 大幅度提高被測(cè)試的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。單片機(jī) 以其功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、造價(jià)低和開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，稱為在實(shí)時(shí)檢 測(cè)和自動(dòng)控制領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中稱為必不可少的器件，尤 其是在日常生活中發(fā)揮的作用也越來(lái)越大。 3.3.2 鍵盤、顯示電路的設(shè)計(jì) 鍵盤顯示電路中，鍵盤采用獨(dú)立鍵盤。按鍵直接與 89c51 的 i/o 口線相連， 通過(guò)讀 i/o 口判斷各 i/o 口線的電

42、平狀態(tài)，即可識(shí)別出按下的鍵。4 個(gè)數(shù)碼管 直接與 89c51 的 p0 口相連，每個(gè)數(shù)碼管用一條選通線。 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 r

43、d 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

44、 c g d e dpy 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp ds? vcc 圖 3.4 鍵盤顯示電路原理圖 4.簡(jiǎn)易電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的程序設(shè)計(jì) 4.1 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置軟件主程序設(shè)計(jì) 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置軟件的主程序流程圖如圖 4.1 所示 開始 初始化 同步采樣程 序 a/d轉(zhuǎn)換程序 鍵盤程序是 否啟動(dòng)？ c51程序 顯示程序 y n 圖 4.1 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置主程序流程圖 4.2 同步采樣的設(shè)計(jì) 4.2.1 同步采樣的分類 目前,大多都是通過(guò)同步采樣方法建立理論和算法后來(lái)采樣、分析周期電 氣信號(hào)。由于實(shí)際工程中的采樣很難達(dá)到理想的同步,存在同步誤差,使數(shù)

45、據(jù)分 析的準(zhǔn)確性和測(cè)量的精確度受到影響。因此,選擇合適的采樣方法、減小同步 誤差是提高測(cè)量精度的關(guān)鍵12。 電網(wǎng)交流電氣信號(hào)參數(shù)的采樣方法主要有直流采樣方法和交流采樣方法。 直流采樣法是采集經(jīng)變送器的直流量,軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,計(jì)算方便。但直流采樣法 測(cè)量精度直接受整流電路的精度和穩(wěn)定性影響,同時(shí)直流采樣一般只能反映被 測(cè)量的單一信息(如有效值) ,無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)的采集,從而造成測(cè)量裝置產(chǎn) 生誤差。為了滿足高精度、高穩(wěn)定性測(cè)量的要求,現(xiàn)在普遍采用交流采樣技術(shù)。 交流采樣技術(shù)是按一定要求對(duì)被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣,然后對(duì)采樣值 進(jìn)行分析處理,并獲取被測(cè)量的信息。交流采樣對(duì)a /d轉(zhuǎn)換速度和cpu處理

46、速度 要求較高,算法復(fù)雜,但交流采樣包含信息量大,實(shí)時(shí)性好,相位失真小,成為目 前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中主要的采樣方式13。目前工程上使用的同步采樣技術(shù)有硬 件同步采樣和軟件同步采樣。 (1)硬件同步采樣 硬件同步采樣通過(guò)專門設(shè)計(jì)的硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)采樣脈沖的同步。 由于電網(wǎng)的頻率并非固定在某一個(gè)值,而是存在一定的偏差,因此需使采樣頻率 實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)信號(hào)頻率變化來(lái)減少采樣誤差。 (2)軟件同步采樣 軟件同步采樣是通過(guò)在定時(shí)中斷服務(wù)程序中對(duì)定時(shí)器重置定時(shí)值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 首先,通過(guò)測(cè)量電網(wǎng)信號(hào)周期t, 然后根據(jù)周期t以及每周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)n 來(lái)確 定定時(shí)器時(shí)間(= t /n ) 。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí), 產(chǎn)生

47、中斷請(qǐng)求實(shí)現(xiàn)同步采 樣。軟件同步采樣不需要專門的硬件電路,成本低,只需在程序中設(shè)置中斷程序 即可實(shí)現(xiàn)14。 4.2.2 軟件同步采樣的流程圖 在軟件設(shè)計(jì)中，主要是兩個(gè)中斷時(shí)間的實(shí)現(xiàn)。ad的采樣觸發(fā)信號(hào)源為 f2812 的通用定時(shí)器1的溢出信號(hào)，在定時(shí)器中斷中啟動(dòng)ad采樣，通過(guò)修改 f2812的計(jì)數(shù)寄存器可以設(shè)置相應(yīng)的采樣頻率，從而可以設(shè)置ad 的采樣率。利 用ad 轉(zhuǎn)換完成信號(hào)觸發(fā)dsp芯片的外部中斷int1信號(hào)，在外部中斷程序中依次 讀取6 通道的采集數(shù)據(jù)。其流程圖如圖4.2所示： 定時(shí)t0入口 開啟ad采樣 使能定時(shí)器 比較中斷 中斷標(biāo)志位 復(fù)位 清除相應(yīng)的 應(yīng)答標(biāo)志位 返回 圖 4.2

48、定時(shí)器中斷流程圖 開始 關(guān)閉外部中斷1 依次讀取6同道 數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù) 放入sram中 開啟外部中斷1 清除相應(yīng)的應(yīng) 答標(biāo)志位 返回 圖 4.3 外部中斷int1程序流程圖 4.3 電能參數(shù)的計(jì)算 4.3.1 電壓、電流有效值的計(jì)算 在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)開根號(hào) 原理： 假如和都是二進(jìn)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 n的最高位可以根據(jù)m的最高位直接求得。 1n b 1m b 設(shè)m已知，因?yàn)?，所以 mm m22 1 22 1 22 mm n 如果m是奇數(shù)，設(shè)

49、，那么21mk ， 1 1 2 222 kk k n ，kn1 2 1 1 m kn 如果m是偶數(shù)，設(shè)，那么km2 ， 12 22 k k n 1 2 k ，11kn 2 m kn 所以完全有決定。 1n b 1m b 余數(shù) 22 11 2 n n mmb n的次高位可以采用試探法來(lái)確定。 2n b 因?yàn)椋僭O(shè)，則1 1 n b1 2 n b 2 12222224 11112 22222 nnnnn nnnnn bbbbb 然后比較余數(shù)是否大于等于。這種比較只須根據(jù) 1 m 224 12 22 n nn bb 、.、便可作出判斷，其余低位不做比較。 1m b 2m b 42 n b 若，則假設(shè)

50、有效，；余數(shù) 224 112 22 n nn mbb 1 2 n b ； 2 12224 21121 22212 nnn nn mmbbm 若，則假設(shè)無(wú)效，余數(shù)。 224 112 2 *2 n nn mbb 0 2 n b 12 mm 同理，可以從高位到低位逐次求出m的平方根n的各位 使用這種算法計(jì)算32位數(shù)的平方根時(shí)最多只須比較16次，而且每次比較時(shí) 不必把m的各位逐一比較，尤其是開始時(shí)比較的位數(shù)很少，所以消耗的時(shí)間遠(yuǎn) 低于牛頓迭代法。 根據(jù)相電壓的有效值定義，若為相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔，為第 k t ku k個(gè)時(shí)間間隔的電壓采樣的瞬時(shí)值，有 （4- 1 0 2 1 n k k tku t

51、u 1） 若相鄰兩次采樣的時(shí)間間隔相等及為時(shí)間常數(shù)，則有 k tt t t n （4- 1 0 2 1 n k ku n u 2） 同理可得電流的有效值公式： （4- 1 0 2 1 n k ki n i 3） 4.3.2 電源頻率的計(jì)算 結(jié)合實(shí)際情況,采用硬件測(cè)頻的方法。輸入電壓經(jīng)變換、隔離后通過(guò)50 hz 帶通濾波器獲得平滑的正弦波信號(hào),消除經(jīng)方波形成器后整形為上升沿陡峭的 方波,然后接入到測(cè)量cpu的可編程計(jì)數(shù)陣列(pca)模塊,利用其上升沿捕獲功能 得到pca計(jì)數(shù)器在每個(gè)方波周期內(nèi)的計(jì)數(shù)值n ,于是輸入電壓的頻率f為 （4- cp f n f 1 4） 其中為pca的計(jì)數(shù)頻率。 cp

52、f 4.3.3 有功功率、無(wú)功功率的計(jì)算 (1)有功功率的計(jì)算 用單片機(jī)實(shí)現(xiàn) cos計(jì)算：利用高級(jí)語(yǔ)言自動(dòng)生成查表程序。 利用高級(jí)語(yǔ)言自動(dòng)生成查表程序的實(shí)質(zhì)就是利用高級(jí)語(yǔ)言的計(jì)算功能，把 原本復(fù)雜的計(jì)算轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單的查表結(jié)果，以文本文件的形式輸出查表程序，在 單片機(jī)編程中將該段程序插入相應(yīng)的程序中去。在應(yīng)用中需要注意的是：查表 結(jié)果沒(méi)有小數(shù)，故在計(jì)算輸出時(shí)要四舍五入；查表結(jié)果只能在0255之間，超 出此范圍要加以處理。有一點(diǎn)要注意的是，在插入查表程序時(shí)特別要注意查表 程序不能跨過(guò)0255的頁(yè)面。 有功功率電能用于做功被消耗，它們轉(zhuǎn)化為熱能、光能、機(jī)械能或化學(xué) 能等，稱為有功功率；又叫 平均功率

53、15。交流電的瞬時(shí)功率不是一個(gè)恒定 值，功率在一個(gè)周期內(nèi)的平均值叫做有功功率，它是指在電路中電阻部分所 消耗的功率，以字母 p表示，單位瓦特 。 （4- 1 1 1 n k kk iu n p 5） 其中n為一個(gè)電網(wǎng)周期的采樣點(diǎn)數(shù)，和分別為對(duì)應(yīng)點(diǎn)的電壓瞬時(shí)值和 k u k i 電流瞬時(shí)值。 (2)無(wú)功功率的計(jì)算 無(wú)功功率本身并不做功，但會(huì)降低傳輸線路的效率并增加其線損，同時(shí)對(duì) 一些設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生影響。所以無(wú)功功率是一般電網(wǎng)中非常關(guān)注的一個(gè)參數(shù)。采 用公式： （4- n k knk ui n q 1 4 1 6） 進(jìn)行計(jì)算，其中n為一個(gè)電網(wǎng)周期的采樣點(diǎn)數(shù)，和分別為電流和電壓 k i k u 的瞬時(shí)

54、值。由此求得的無(wú)功功率帶有符號(hào)，負(fù)號(hào)表示容性，正號(hào)表示感性。 4.3.4 功率因數(shù)的計(jì)算 在交流電路中，電壓與電流之間的相位差的余弦叫做功率因數(shù)，用符號(hào) 表示。在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即 （4- s p cos 7） 在具有阻抗的交流電路中，電壓有效值與電流有效值的乘積，稱為視在功 率，視在功率的平方= 有功功率的平方+ 無(wú)功功率的平方。即： （4- 222 qps 8） 4.3.5 電能參數(shù)計(jì)算的 matlab 仿真結(jié)果 (1)當(dāng)電壓與電流相位一致時(shí)：有功功率p1 = 4.7220e+004；無(wú)功功率 v1 =1.7746e-013。仿真圖像如圖4.4所示： 圖 4.4

55、 電壓與電流相位一至?xí)r的仿真圖像 (2)當(dāng)電壓滯后電流90度時(shí)：有功功率p2 =5.3239e-012；無(wú)功功率v2 =- 4.7220e+004。仿真圖像如圖4.5所示： 圖 4.5 電壓滯后電流90度的仿真圖像 當(dāng)電壓滯后電流60度時(shí)：有功功率p3 =2.3610e+004；無(wú)功功率v3 =- 4.0893e+004。仿真圖像如圖4.6所示： 圖 4.6 電壓滯后電流60度的仿真結(jié)果圖像 4.4 鍵盤、顯示程序設(shè)計(jì) 4.4.1 鍵盤程序設(shè)計(jì) 鍵盤是由若干按鈕組成的開關(guān)矩陣，它是單片機(jī)系統(tǒng)中最常用的輸入設(shè)備， 用戶能通過(guò)鍵盤向計(jì)算機(jī)輸入指令、地址和數(shù)據(jù)。一般單片機(jī)系統(tǒng)中采和非編 碼鍵盤，非編

56、碼鍵盤是由軟件來(lái)識(shí)別鍵盤上的閉合鍵，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用 靈活等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)。按鈕開關(guān)的抖動(dòng)問(wèn)題組成鍵盤的 按鈕有觸點(diǎn)式和非觸點(diǎn)式兩種，單片機(jī)中應(yīng)用的一般是由機(jī)械觸點(diǎn)組成的16。 圖 4.7 鍵盤的結(jié)構(gòu)圖 圖 4.8 輸入端的波形圖 圖 4.5 是鍵盤的結(jié)構(gòu)圖，當(dāng)開 關(guān) s 未被按下時(shí)，p2.6 輸入為高電平，s 閉合后，p2.6 輸入為低電平。由于按鈕是機(jī)械觸點(diǎn)，當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)斷開、閉合時(shí)， 會(huì)有抖動(dòng)動(dòng)，p2.6 輸入端的波形如圖 4.6 所示。這種抖動(dòng)對(duì)于人來(lái)說(shuō)是感覺不 到的，但對(duì)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，則是完全能感應(yīng)到的，因?yàn)橛?jì)算機(jī)處理的速度是在微 秒級(jí)，而機(jī)械抖動(dòng)的時(shí)間至少是毫秒級(jí)

57、，對(duì)計(jì)算機(jī)而言，這已是一個(gè)“漫長(zhǎng)” 的時(shí)間了。中斷時(shí)曾有個(gè)問(wèn)題，就是說(shuō)按鈕有時(shí)靈，有時(shí)不靈，其實(shí)就是這個(gè) 原因，你只按了一次按鈕，可是計(jì)算機(jī)卻已執(zhí)行了多次中斷的過(guò)程，如果執(zhí)行 的次數(shù)正好是奇數(shù)次，結(jié)果正確，如果執(zhí)行的次數(shù)是偶數(shù)次，那就不對(duì)了。為 使 cpu 能正確地讀出 p2 口的狀態(tài)，對(duì)每一次按鈕只作一次響應(yīng)，就必須考慮 如何去除抖動(dòng)，常用的去抖動(dòng)的辦法有兩種：硬件辦法和軟件辦法。單片機(jī)中 常用軟件法，軟件法其實(shí)很簡(jiǎn)單，就是在單片機(jī)獲得 p2.6 口為低的信息后， 不是立即認(rèn)定 s1 已被按下，而是延時(shí) 10 毫秒或更長(zhǎng)一些時(shí)間后再次檢測(cè) p2.6 口，如果仍為低，說(shuō)明 s1 的確按下了，這

58、實(shí)際上是避開了按鈕按下時(shí)的抖動(dòng) 時(shí)間。而在檢測(cè)到按鈕釋放后（p2.6 為高）再延時(shí) 5-10 個(gè)毫秒，消除后沿的 抖動(dòng)，然后再對(duì)鍵值處理。不過(guò)一般情況下，我們常常不對(duì)按鈕釋放的后沿進(jìn) 行處理，實(shí)踐證明，也能滿足一定的要求。當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)按鈕的要求 也是千差萬(wàn)別，要根據(jù)不一樣的需要來(lái)編制處理程序，但以上是消除鍵抖動(dòng)。 鍵盤程序的流程圖如圖 4.9 所示： 開始 有鍵閉合？ 調(diào)用延時(shí)子程 序延時(shí)6ms 2次調(diào)用延時(shí)子 程序延遲12ms 有鍵閉合？ 判斷閉合鍵鍵 號(hào) 閉合鍵釋放 否？ 輸入鍵號(hào) 返回 y n y n 圖 4.9 鍵盤程序流程圖 4.4.2 顯示程序設(shè)計(jì) (1)led 顯示器 常

59、用的 led 顯示器為 8 段。每一個(gè)段對(duì)應(yīng) 1 個(gè)發(fā)光二極管。這種顯示器有 共陽(yáng)極和共陰極 2 種。共陰極 led 顯示器的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，通 常公共陰極接地。當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，相 應(yīng)的段被顯示。同樣共陽(yáng)極 led 顯示器的發(fā)光二極管的陽(yáng)極連接在一起，通常 公共陽(yáng)極接正電壓，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陰極接低電平時(shí)，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮， 相應(yīng)的段被顯示。由 n 各 led 顯示塊可拼接成 n 位的 led 顯示器。led 顯示器 有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種顯示方式。led 顯示器工作于靜態(tài)顯示方式時(shí)，各 位的共陰極（或共陽(yáng)極）連接在一起并接地（+5v） ；每位

60、的段碼線分別與一個(gè) 8 位的鎖存器輸出相連。靜態(tài)顯示器的亮度較高。顯示位數(shù)較多的情況下，一 般都采用動(dòng)態(tài)顯示方式。而動(dòng)態(tài)顯示是實(shí)質(zhì)是以犧牲 cpu 的時(shí)間來(lái)?yè)Q取器件的 減少。 (2)顯示程序流程圖 開始 初始化 送段碼 取顯示 查表取出段碼 將段碼送sbuf 1b的段碼輸 完？ 清除標(biāo)志位 指向下一個(gè)數(shù) 據(jù)單元 段碼個(gè)數(shù)為 0？ 關(guān)閉顯示器 返回 n y y n 圖 4.10 顯示程序流程圖 5.系統(tǒng)的調(diào)試 5.1 硬件調(diào)試 硬件電路設(shè)計(jì)完成后，需要測(cè)試電路能否正常工作。用單片機(jī) wave 仿真 器對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行診斷與檢查；程序的輸入與修改；硬件電路、程序的運(yùn)行與 在線仿真調(diào)試；程序的固化。用