電力運(yùn)行參數(shù)測(cè)量裝置設(shè)計(jì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、寧波大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 編號(hào)： 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：（中文）電力運(yùn)行參數(shù)測(cè)量裝置設(shè)計(jì)（英文）the design of power parameters measuring device畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期：

2、 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確

3、方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日摘要【摘要】當(dāng)今，電能作為一種最重要的能源與我們的工作、生活有著密切的聯(lián)系，因此如何來(lái)計(jì)量它就具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文主要介紹了一種基于c8051f0

4、20單片機(jī)的電力運(yùn)行參數(shù)測(cè)量裝置，該裝置采用單片機(jī)作為測(cè)控核心，能夠自動(dòng)完成電力供電線路的參數(shù)測(cè)定、運(yùn)算和顯示。本文詳細(xì)地介紹了電力參數(shù)的測(cè)量原理，進(jìn)行了硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)介紹了電力參數(shù)的測(cè)量設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。使用偏差累積增量法對(duì)軟件同步算法進(jìn)行改進(jìn)，采用工程上常用的數(shù)值積分算法，將連續(xù)函數(shù)離散化來(lái)計(jì)算信號(hào)的有效值，完成對(duì)變壓器副邊電壓有效值、電流有效值、有功功率、無(wú)功功率、視在功率及系統(tǒng)用電量的測(cè)量。本系統(tǒng)采用按鍵選擇、數(shù)碼管顯示，測(cè)量精度高，反應(yīng)速度快，界面清晰直觀?！娟P(guān)鍵詞】單片機(jī)；電力參數(shù)；有效值；軟件同步算法；數(shù)值積分the design of power parame

5、ters measuring deviceabstract【abstract】nowadays, the power as one of the most important source of energy with our work and daily life are closely linked, and how to measure it has important practical significance. this paper introduces an approach based on c8051f020 mcu operating parameters of power

6、 measuring device, the device monitoring and control the use of single-chip microcomputer as the core, can automatically complete the power supply line parameter determination, calculation and display. this article describes in detail the parameters of the measuring principle of electricity, a hardw

7、are system design and software system design, and focuses on the measurement of power parameters of the design and implementation. incremental method using the cumulative deviation of the software synchronization algorithm, the use of engineering numerical integration commonly used algorithm, discre

8、tization of the continuous function to calculate the rms signal to complete both sides of the transformer rms voltage, rms current, active power, reactive power, apparent power and system power consumption measurements. button to choose this system, digital display, measurement and high precision, f

9、ast response, clear and intuitive interface.【keywords】single-chip; power parameters; rms; software synchronization algorithm; numerical integration目錄摘要iabstractii目錄iii1前言11.1電力監(jiān)測(cè)裝置的現(xiàn)狀11.1.1感應(yīng)式機(jī)械電能表11.1.2電子式電能表11.2電力監(jiān)測(cè)裝置的發(fā)展方向21.3本課題的背景和意義31.4本論文的主要工作32方案論證與選擇42.1交流采樣方法選擇42.1.1交流采樣法42.1.2軟件同步采樣及同步誤差分析

10、52.1.3改進(jìn)的軟件同步實(shí)現(xiàn)方法62.2電力參數(shù)交流采樣算法72.2.1最大值法72.2.2半周期積分法72.2.3數(shù)值積分算法82.2.4離散傅立葉法92.3系統(tǒng)方案選擇102.4子模塊方案選擇112.4.1電流電壓的取樣方案112.4.2頻率測(cè)量方案122.4.3功率因數(shù)測(cè)量原理132.4.4功率因數(shù)測(cè)量法選擇142.4.5電能計(jì)算原理153系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)163.1單片機(jī)最小系統(tǒng)部分163.2鍵盤顯示部分193.3電壓、電流信號(hào)采集部分203.3.1電壓、電流采樣電路203.3.2電壓、電流全波整流電路213.3.3電壓、電流正弦波過零比較電路223.4數(shù)/模轉(zhuǎn)換部分224系統(tǒng)軟件設(shè)

11、計(jì)244.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想和一般方法244.1.1單片微機(jī)的軟件設(shè)計(jì)244.1.2軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)244.1.3軟件過程設(shè)計(jì)254.1.4軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)254.2系統(tǒng)軟件的具體設(shè)計(jì)264.2.1按鍵掃描及處理顯示模塊264.2.2功率因數(shù)測(cè)量及計(jì)算模塊274.2.3電壓、電流軟件同步采樣模塊284.2.4電壓、電流計(jì)算模塊314.2.5時(shí)鐘模塊325運(yùn)行與調(diào)試335.1系統(tǒng)的調(diào)試335.1.1單片機(jī)最小系統(tǒng)部分的調(diào)試335.1.2采樣單元的調(diào)試335.1.3軟件的調(diào)試345.2測(cè)量數(shù)據(jù)355.3結(jié)果分析356結(jié)束語(yǔ)37致謝38參考文獻(xiàn)39附錄40571 前言1.1 電力監(jiān)測(cè)裝置的現(xiàn)狀在

12、工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，電能的質(zhì)量越來(lái)越受到重視。電網(wǎng)電壓、電流的過高或過低，都會(huì)影響到電器設(shè)備的正常使用和使用壽命。應(yīng)用于電力系統(tǒng)的電力參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，在變電站一級(jí)一般都由遠(yuǎn)動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)；而在日常生活中，一般只是利用電能表進(jìn)行電量的計(jì)量，其原理是通過將有功功率對(duì)時(shí)間的積分來(lái)計(jì)算有功電能。目前，我國(guó)主要使用的電能表有兩種：一種是感應(yīng)式機(jī)械電能表：另一種是隨著電子工業(yè)的發(fā)展而出現(xiàn)的電子式電能表，它是利用電流和電壓作用于固態(tài)電子器件產(chǎn)生電能輸出量的電能計(jì)量?jī)x表。機(jī)械式電能表由于其穩(wěn)定性和精度都不高，隨著電力市場(chǎng)改革的不斷深入，我國(guó)在各級(jí)電能計(jì)量系統(tǒng)的建立中，大部分已將機(jī)械式電能表更新為電子式電能表

13、1。1.1.1 感應(yīng)式機(jī)械電能表它是利用三個(gè)不同空間和相位的磁通建立起來(lái)的交變的移進(jìn)磁場(chǎng)，在這個(gè)磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)盤上產(chǎn)生了感應(yīng)電流，根據(jù)楞次定律，這個(gè)感應(yīng)電流使得轉(zhuǎn)盤總是朝著一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)蝸桿傳遞到計(jì)數(shù)器，累計(jì)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)數(shù)，從而達(dá)到計(jì)量電能的目的。具有制造簡(jiǎn)便、可靠性好和價(jià)格便宜等特點(diǎn)，經(jīng)過近一百年的不斷改進(jìn)與完善，感應(yīng)式電能表的制作技術(shù)已經(jīng)成熟。通過雙重絕緣、加強(qiáng)絕緣和采用高質(zhì)量雙寶石軸承甚至磁懸?。ù磐疲┹S承等技術(shù)手段，其結(jié)構(gòu)和磁路的穩(wěn)定性得以提高，電磁振動(dòng)被削弱，使用壽命大大延長(zhǎng)，且過載能力明顯增強(qiáng)。因此，至今在包括我國(guó)在內(nèi)的許多發(fā)展中國(guó)家甚至是一些發(fā)達(dá)國(guó)家里，感應(yīng)式電能表仍作

14、為主要計(jì)量工頻電能的儀表被廣泛使用。但是電力參數(shù)測(cè)量?jī)x表通常是按工頻正弦波形設(shè)計(jì)的，當(dāng)電網(wǎng)存在諧波時(shí)，將產(chǎn)生測(cè)量誤差。儀表的原理和結(jié)構(gòu)不同，所產(chǎn)生的誤差也不相同。隨著電力系統(tǒng)的不斷擴(kuò)大以及對(duì)電能合理利用的探索，使感應(yīng)式電能表暴露出準(zhǔn)確度低、使用頻率范圍窄、功能單一等缺點(diǎn)，為使電能計(jì)量?jī)x器儀表適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)代化和電能管理現(xiàn)代化飛速發(fā)展的需求，電子式電能表應(yīng)運(yùn)而生。1.1.2 電子式電能表它是利用電流和電壓作用于固態(tài)電子器件而產(chǎn)生電能輸出量的電能計(jì)量?jī)x表。由于電能是電功率對(duì)時(shí)間的積分，所以任何電子電路式計(jì)量方案的第一步就是確定電功率。因而，使用乘法器是實(shí)現(xiàn)測(cè)量電功率和電能的電子電路式測(cè)量方案的共同特點(diǎn)

15、。近二十年來(lái)，大量新型電子元器件的相繼出現(xiàn)，為電子式電能表的更新?lián)Q代奠定了基礎(chǔ)。模擬乘法器已發(fā)展成晶體管陣列平方乘法器、熱偶乘法器、可變跨導(dǎo)型乘法器、雙斜積分乘法器、霍爾效應(yīng)乘法器、時(shí)分割乘法器等幾種類型且多個(gè)品種系列；數(shù)字乘法器也已有若干種類。按所依托的乘法器類型的不同，可將電子式電能表分為模擬乘法器型電子電能表和數(shù)字乘法器型電子電能表。其中，數(shù)字乘法器型是以微處理器為核心，經(jīng)pt、ct變換的被測(cè)電壓和電流由a/d轉(zhuǎn)換器完成數(shù)字化處理之后，微處理器對(duì)數(shù)字化的被測(cè)對(duì)象進(jìn)行各種判斷、處理和運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)多種功能。這種類型的電能表利用位數(shù)較多的a/d轉(zhuǎn)換電路或自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換電路，原理上可達(dá)到很高的配

16、置準(zhǔn)確度，且它在一定周期內(nèi)對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行采樣處理的方法，保證了測(cè)量準(zhǔn)確度可不受高次諧波的影響。微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展是電子式電能表迅速進(jìn)步、日益成熟的主要技術(shù)支撐。準(zhǔn)確度高、可靠性好的元器件以及大規(guī)模集成電路等的采用，使電子式電能表的使用壽命、準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度等技術(shù)指標(biāo)均顯著改善。微機(jī)化令電子式電能表功能的增添變得容易，尤其是近幾年多種單、三相電能計(jì)量專用集成電路的成功開發(fā)使過去由分立式電子元器件搭接而成的電能表電路改制成專門的集成電路芯片，如常用的cs5460a和ade7753等，結(jié)果在不減少功能的前提下，使電能表的體積大大減小，功耗和單位功能的成本降低、成品率提高，并可簡(jiǎn)化電

17、能表的電路設(shè)計(jì)，降低其工藝調(diào)整難度，從而能改進(jìn)整個(gè)電能表電路系統(tǒng)的性能，而更重要的是使電子式電能表可靠性明顯提高2。1.2 電力監(jiān)測(cè)裝置的發(fā)展方向國(guó)內(nèi)新型多功能電力參數(shù)測(cè)試儀正朝著以下幾個(gè)方面發(fā)展：1) 體積小型化早期這類測(cè)試儀的體積比較大，安裝和使用場(chǎng)合受到諸多限制。目前代表電力參數(shù)測(cè)試儀發(fā)展方向的全電子式多功能電能表在體積、重量?jī)煞矫娑歼h(yuǎn)小于機(jī)械式或機(jī)械電子式電能表，一些測(cè)試儀己經(jīng)按照便攜式標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。2) 功能多樣化除了計(jì)量電量的基本功能外，又增加了最大需量、脈沖輸出的功能。一些先進(jìn)的多功能電力參數(shù)測(cè)試儀增加了固定漢字顯示、紅外線抄表接口、智能接口等功能，還可以同時(shí)計(jì)量有功電能、無(wú)功電

18、能，記錄失壓，監(jiān)測(cè)負(fù)荷等，做到一表多用。3) 功耗減小由于采用低功耗元件，以及具有電源管理模塊的芯片，使芯片本身以及整個(gè)系統(tǒng)的功耗大大降低。某些多功能測(cè)試儀的視在功率能做到2va以下，停電維持時(shí)電流能做到lma以下。后備電源的供給采用高效鋰電池。4) 可視化人機(jī)接口使用高效發(fā)光二極管和低功耗液晶顯示器已成為電力參數(shù)測(cè)試儀的發(fā)展趨勢(shì)。這兩種顯示器可顯示的內(nèi)容更多，逐步取代了傳統(tǒng)的繼電器、步進(jìn)電機(jī)和機(jī)械數(shù)碼輪顯示方式3。1.3 本課題的背景和意義電自從其誕生初，就開始改變著我們的生活。時(shí)至今日，電作為一種最重要的能源跟我們的工作、生活緊密地聯(lián)系著，可以這么說(shuō)，如果沒有了電，人類社會(huì)就不能正常地運(yùn)轉(zhuǎn)

19、，整個(gè)社會(huì)就會(huì)混亂。電作為這么重要的能源，如何來(lái)計(jì)量它就具有了重要的意義。單相交流電之電力運(yùn)行參數(shù)測(cè)量裝置擁有電度表（電能表）的功能，可以顯示當(dāng)前電流、電壓值，測(cè)量并顯示功率因數(shù)、有功功率、無(wú)功功率、視在功率及系統(tǒng)消耗的電能。在傳統(tǒng)的電力參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)中，多采用8051、80c196等普通單片機(jī)作為微控制器。由于其指令周期長(zhǎng)、在高速采樣和實(shí)時(shí)性方面受到一定的限制。隨著微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，c8051f020單片機(jī)技術(shù)體現(xiàn)了單片機(jī)集多種器件(包括看門狗，flash程序存儲(chǔ)器，同、異步串行口，a/d轉(zhuǎn)換器，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器等)和多種功能(增強(qiáng)可靠性的復(fù)位系統(tǒng)、降低功耗抗干擾的休眠模式、品種多門類全的中

20、斷系統(tǒng)、具輸入捕獲和比較匹配輸出等多樣化功能的定時(shí)器、計(jì)數(shù)器)于一身，從“片自為戰(zhàn)”向片上系統(tǒng)過渡的發(fā)展方向。本文將詳細(xì)介紹高速微控制器c8051f020在電力參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)4。1.4 本論文的主要工作論文的主要內(nèi)容如下：完成裝置的設(shè)計(jì)和各部分功能軟硬件調(diào)試，在論文中以原理圖、流程圖、程序等形式詳細(xì)介紹了裝置電壓電流采樣、數(shù)據(jù)采集計(jì)算、鍵盤顯示處理單元的功能實(shí)現(xiàn)過程，并總結(jié)了每個(gè)單元調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的問題，使c8051f020單片機(jī)的諸多特點(diǎn)得到更好的應(yīng)用，通過實(shí)際調(diào)試總結(jié)了裝置中誤差存在的硬件和軟件原因，并提出了減小誤差的方案。2 方案論證與選擇2.1 交流采樣方法選擇交流采樣法，

21、即直接對(duì)連續(xù)的模擬信號(hào)進(jìn)行等間隔采樣，再用特定的數(shù)值算法進(jìn)行處理。但由于存在柵欄效應(yīng)和頻譜泄漏，采樣前常需要采取同步措施校準(zhǔn)。根據(jù)校準(zhǔn)措施不同，交流采樣法可分為同步采樣法和準(zhǔn)同步采樣法5。2.1.1 交流采樣法1) 同步采樣法同步采樣法是指采樣時(shí)間間隔ts、被測(cè)交流信號(hào)周期t0和一個(gè)周期采樣點(diǎn)數(shù)n之間滿足關(guān)系式。但實(shí)際采樣中不一定是一個(gè)整周期，故同步采樣法需要保證采樣截?cái)鄥^(qū)間等于被測(cè)連續(xù)信號(hào)整周期的整數(shù)倍。同步采樣法的實(shí)現(xiàn)方法有兩種：硬件同步采樣法和軟件同步采樣法。軟件同步采樣法一般實(shí)現(xiàn)方法是：首先測(cè)出被測(cè)信號(hào)的周期t，用該周期除以一周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)n，得到采樣間隔，進(jìn)而確定定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，利用

22、定時(shí)中斷方式實(shí)現(xiàn)同步采樣。硬件同步采樣法是：由專門的硬件電路產(chǎn)生同步于被測(cè)信號(hào)的采樣脈沖。硬件同步采樣一般是利用鎖相頻率跟蹤原理實(shí)現(xiàn)同步等間隔采樣的，電路如圖2-1所示：圖2-1 倍頻鎖相同步電路在相位比較器pd、低通濾波器lp、壓控振蕩器vco構(gòu)成的鎖相環(huán)內(nèi)加入n分頻器，輸入被測(cè)信號(hào)的頻率fi，作為鎖相環(huán)的基準(zhǔn)頻率，輸出fo為采樣頻率。fo經(jīng)n分頻后與fi相比較，根據(jù)鎖相環(huán)工作原理，鎖定時(shí)，即。由于鎖相環(huán)的實(shí)時(shí)跟蹤性，當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率fi變化時(shí)，電路能自動(dòng)快速跟蹤并鎖定，始終滿足的關(guān)系，即采樣頻率為被測(cè)信號(hào)頻率的整數(shù)n倍，從而實(shí)現(xiàn)一周期內(nèi)等間隔采樣n點(diǎn)。2) 準(zhǔn)同步采樣法實(shí)際采樣測(cè)量中，采樣周

23、期經(jīng)常不能與被測(cè)信號(hào)周期實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格同步，即n次采樣不是落在2區(qū)間上，而是落在2+區(qū)間上（稱為同步偏差或周期偏差），產(chǎn)生了同步誤差。為解決該項(xiàng)誤差，在八十年代初，清華大學(xué)戴先中教授提出了準(zhǔn)同步采樣法6，即在|不太大的情況下，當(dāng)滿足n(2+)m/2（m為最高諧波次數(shù)）時(shí)，通過增加采樣數(shù)據(jù)量和增加迭代次數(shù)來(lái)提高測(cè)量準(zhǔn)確度。它不要求采樣周期與信號(hào)周期嚴(yán)格同步，不要求同步環(huán)節(jié)，對(duì)第一次采樣的起點(diǎn)無(wú)任何要求。準(zhǔn)同步采樣降低了對(duì)信號(hào)頻率、采樣時(shí)間間隔和振蕩器頻率的要求，因此可以用要求低的振蕩器代替同步采樣中要求高的同步環(huán)節(jié)，使測(cè)量裝置簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化電路。準(zhǔn)同步采樣采樣周期不要求與信號(hào)周期同步，不需要同步環(huán)節(jié)，但它

24、需要通過增加采樣周期和每周期的采樣點(diǎn)數(shù)并采用迭代運(yùn)算的方法來(lái)消除同步誤差，所需數(shù)據(jù)較多，計(jì)算量較大，運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)，不適合多回路、多參量、實(shí)時(shí)性要求高的交流測(cè)量系統(tǒng)，而且受短暫突發(fā)性干擾的影響可能性比同步采樣法大。同步采樣可以用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件實(shí)現(xiàn)。用軟件實(shí)現(xiàn)可以省掉硬件同步環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化裝置結(jié)構(gòu)，降低成本，所以本系統(tǒng)采樣軟件同步采樣方法。然而目前常規(guī)的軟件同步實(shí)現(xiàn)方法中，存在的同步誤差限制了軟件同步采樣系統(tǒng)測(cè)量精度的進(jìn)一步提高，使它不能滿足諸如電能計(jì)量、電壓電流高次諧波分析等高精度測(cè)量場(chǎng)合的需要。因此，有必要對(duì)目前的軟件同步實(shí)現(xiàn)方法產(chǎn)生同步誤差的原因進(jìn)行分析，并找到抑制誤差的措施7。2.1.2

25、 軟件同步采樣及同步誤差分析對(duì)周期為t的被測(cè)信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)于、時(shí)刻采樣n個(gè)點(diǎn)，令，如果有：(2-1)(2-2)同時(shí)成立，則稱采樣為理想同步采樣，ts為采樣周期。這時(shí)第i次采樣點(diǎn)的采樣時(shí)刻(2-3)然而同步總是相對(duì)的，絕對(duì)同步只是理想的情況。在實(shí)際同步采樣系統(tǒng)中，要嚴(yán)格滿足式(2-3)是很困難的。為此，定義同步采樣時(shí)間誤差來(lái)表示第i次采樣點(diǎn)的實(shí)際采樣時(shí)刻與其理想同步采樣時(shí)刻的偏差：(2-4)目前，利用采樣值進(jìn)行工頻電參量測(cè)量的理論和方法大多建立在理想同步采樣基礎(chǔ)上的。當(dāng)存在同步采樣時(shí)間誤差時(shí)，測(cè)量精度必定會(huì)受到影響。軟件同步采樣時(shí)間誤差的產(chǎn)生與軟件同步的實(shí)現(xiàn)方法密切相關(guān)。目前軟件同步的一般實(shí)現(xiàn)

26、方法是：首先測(cè)取被硝電信號(hào)的周期t，然后計(jì)算采樣周期并確定定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，用定時(shí)中斷方式實(shí)現(xiàn)同步采樣。由于定時(shí)器的計(jì)數(shù)周期受定時(shí)器最大計(jì)數(shù)頻率的限制不可能無(wú)限小，而微機(jī)的采樣周期ts必須以定時(shí)器計(jì)數(shù)周期的倍數(shù)來(lái)表示，從而微機(jī)實(shí)際采樣周期ts與理想計(jì)算值之間會(huì)出現(xiàn)誤差，這一由量化原因引起的誤差，使式(2-1)得不到滿足。一些文獻(xiàn)稱t為周期誤差。這時(shí)同步采樣時(shí)間誤差：(2-5)可見在存在周期誤差時(shí)，同步采樣時(shí)問誤差值隨i增大而增大。在高精度測(cè)量場(chǎng)合，i通常須取得比較大，這時(shí)同步誤差可能達(dá)到一個(gè)比較大的值。同步采樣時(shí)間誤差的另一產(chǎn)生原因是，在軟件采樣時(shí)，cpu對(duì)定時(shí)中斷的響應(yīng)時(shí)間有一定的隨機(jī)性，從而

27、即使t=0，式(2-2)也得不到完全滿足。cpu的中斷響應(yīng)時(shí)間與定時(shí)器發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)時(shí)刻cpu是否在執(zhí)行其它中斷服務(wù)程序；正在執(zhí)行的當(dāng)前指令是否允許cpu立即響應(yīng)中斷；當(dāng)前執(zhí)行指令的指令周期長(zhǎng)短及當(dāng)前指令已經(jīng)執(zhí)行到哪一個(gè)機(jī)器周期等因素有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)保證定時(shí)中斷采樣時(shí)對(duì)其它中斷源的中斷不予響應(yīng)。在這一前提下，經(jīng)過合理安排，微機(jī)中斷響應(yīng)的最長(zhǎng)時(shí)間和最短時(shí)間的差值通?？上拗茙讉€(gè)微秒內(nèi)，ti一般只會(huì)有幾個(gè)微秒。若不存在周期誤差t，則，這一原因引起的同步采樣時(shí)間誤差較小。可見在軟件同步測(cè)量系統(tǒng)中，周期誤差是影響測(cè)量精度的主要原因?？赏ㄟ^一種軟件同步實(shí)現(xiàn)方法減小誤差，它通過在采樣過程中修改定時(shí)器的計(jì)

28、數(shù)值，動(dòng)態(tài)確定采樣周期來(lái)減小周期誤差。該方法不須對(duì)測(cè)量數(shù)學(xué)模型進(jìn)行任何修改8。2.1.3 改進(jìn)的軟件同步實(shí)現(xiàn)方法設(shè)定時(shí)器的計(jì)數(shù)周期為t0，則與采樣周期ts對(duì)應(yīng)的定時(shí)器計(jì)數(shù)值為，它一般不為整數(shù)，對(duì)它截掉小數(shù)取整，得正整數(shù)h，截掉的小數(shù)部分為l。以h為定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，則會(huì)產(chǎn)生的周期誤差（若以h+1作為計(jì)數(shù)值，則）顯然，是由采樣周期ts的實(shí)際值與理想計(jì)算值之間的偏差引起的。在采樣過程中，偏差隨i值增大而不斷增大，使采樣點(diǎn)偏離同步采樣點(diǎn)的程度不斷加劇。要減小周期誤差，必須消除偏差l的累積效應(yīng)。為此，須對(duì)在采樣過程中定時(shí)器計(jì)數(shù)值取常數(shù)的常規(guī)作法進(jìn)行改進(jìn)，偏差累積增量法就是這樣一種算法。設(shè)置一單元sum對(duì)

29、偏差l進(jìn)行累加，對(duì)于第0次采樣，sum的初值為0。第i次采樣時(shí)，sum的值為第i-1次采樣時(shí)的sum值與l的和。在每次采樣前考察sum的值，若sum1，則計(jì)數(shù)值取h+1，并對(duì)sum減1。繼續(xù)上述過程直至一個(gè)工頻周期的采樣完成。這種作法可使偏差l不產(chǎn)生累積，從而保證在一個(gè)工頻周期內(nèi)l引起的周期誤差。采用這種方法，可能會(huì)使某些次采樣時(shí)的|ti|值增大一個(gè)，但由于一般很小，由相對(duì)周期誤差引起的測(cè)量誤差亦很小910。2.2 電力參數(shù)交流采樣算法電力參數(shù)的準(zhǔn)確、快速測(cè)量對(duì)于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化、保證電網(wǎng)安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有十分重要的意義。電網(wǎng)頻率并不是固定不變的，而是在50hz附近波動(dòng)。傳統(tǒng)的直流采樣算法不

30、能及時(shí)反映被測(cè)量的突變，精度與穩(wěn)定度受變送器的影響很大，己逐漸不能滿足系統(tǒng)的需要。隨著人們對(duì)測(cè)量精度、性能的要求越來(lái)越高，在目前應(yīng)用于電力系統(tǒng)的各種測(cè)量控制儀表中，交流采樣就越來(lái)越受人們的青睞。交流采樣是按照一定的規(guī)律對(duì)被測(cè)物理量的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，用一定的算法計(jì)算出被測(cè)物理量的有效值。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)提出和實(shí)現(xiàn)了許多交流采樣的算法。由于采用的具體原理不同，在硬件軟件的配置上也不一樣，以致系統(tǒng)的精度和造價(jià)也不一樣。在應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇最適宜的交流采樣算法1112。2.2.1 最大值法即通過采集每周波的最大值求有效值：(2-6)此方法適宜輸入信號(hào)為純正弦周期信號(hào)情況，多次采集求平均值可減小誤差

31、11。2.2.2 半周期積分法半周期積分法的依據(jù)是一個(gè)正弦量在任意半個(gè)周期內(nèi)絕對(duì)值的積分為一常數(shù)s，積分值和積分的起始角無(wú)關(guān)。（2-7）式（2-7）可以用梯形法近似求出：（2-8）式（2-8）中 第k次采樣值；一周期的采樣點(diǎn)數(shù)；k=0時(shí)的采樣值；k=n/2時(shí)的采樣值。只要采樣頻率足夠高，用梯形法近似積分的誤差可以做到很小。求出積分值s后，應(yīng)用式(2-7)可以求得有效值：(2-9)半周期積分法有一定的濾除高頻分量的能力，因?yàn)榀B加在基頻成分上的幅度不大的高頻分量在算法中其對(duì)稱的正負(fù)半周互相抵消，剩余的未被抵消的部分所占的比重就相應(yīng)減少了，但是該算法不能抑制直流分量。此算法運(yùn)算量小，可以用非常簡(jiǎn)單的

32、硬件實(shí)現(xiàn)。在要求不高的場(chǎng)合可以采用這一算法1。2.2.3 數(shù)值積分算法在非正弦波情況下，相電壓、相電流的有效值定義為： (2-10)(2-11)在對(duì)電流電壓采樣時(shí)，每個(gè)周期采樣n點(diǎn)，采樣間隔為t，得到離散化采樣序列、，則有：(2-12)(2-13)若采樣間隔tk恒定為t，則n=t/t。電流和電壓有效值公式為：(2-14)(2-15)其他的電力參數(shù)計(jì)算公式分別如下：有功功率(2-16)視在功率(2-17)無(wú)功功率(2-18)功率因數(shù)(2-19)積分和法的精度與采樣點(diǎn)數(shù)n和采樣的同步度有關(guān)。在系統(tǒng)速度允許的情況下，可以增加采樣點(diǎn)數(shù)以提高運(yùn)算精度，一般每周波可采樣幾百點(diǎn)。該算法實(shí)時(shí)性強(qiáng)，算法簡(jiǎn)單，能

33、夠計(jì)及信號(hào)中高次諧波的影響，在不需要測(cè)量基波和各次諧波參數(shù)值的情況下，可以選用此算法2。2.2.4 離散傅立葉法傅立葉算法的基本思路來(lái)自傅立葉級(jí)數(shù)。根據(jù)微積分理論，任何一個(gè)滿足dirichlet條件的函數(shù)都可以展開成傅立葉級(jí)數(shù)形式。電壓信號(hào)的傅立葉級(jí)數(shù)形式為：(2-20)式中、為電壓信號(hào)的傅立葉級(jí)數(shù)系數(shù)。設(shè)對(duì)每周期均勻同步采樣n點(diǎn)，得到序列，對(duì)序列作離散傅立葉變換：(2-21)由于：(2-22)(2-23)積分離散化后得：(2-24)(2-25)比較式(2-21)(2-24)(2-25)得出：(2-26)(2-27)這樣可求出第k次諧波電壓的振幅、相角、有效值：振幅(2-28)相角(2-29)

34、有效值(2-30)電流的計(jì)算方法類似于電壓。由于非正弦周期函數(shù)的有效值等于信號(hào)中各次諧波的有效值的平方和的平方根，因此電壓、電流的有效值分別為：(2-31)同理，對(duì)于有功功率，若將，若將、分別用傅立葉級(jí)數(shù)表示再展開，并考慮正弦函數(shù)的正交性，可得：(2-32)離散傅立葉算法可以計(jì)算出各次諧波的參數(shù)值，總的電參數(shù)由各諧波分量求出。該算法不需增加硬件濾波裝置，就具有很強(qiáng)的濾波能力，這樣減少了前向通道誤差，降低了系統(tǒng)成本。但傅立葉算法復(fù)雜。運(yùn)算量大，雖然可以采用fft算法提高運(yùn)算速度，所需時(shí)間仍大大高于積分和法。積分和法對(duì)信號(hào)每周波采樣幾百點(diǎn)是很容易實(shí)現(xiàn)的，傅立葉算法較難達(dá)到3。 2.3 系統(tǒng)方案選擇

35、方案一：該方案采用mcs-51單片機(jī)，通過真有效值轉(zhuǎn)換芯片ltc1966將電壓、電流有效值轉(zhuǎn)化為直流電壓，并通過單片機(jī)控制adc0809進(jìn)行采樣，測(cè)量電壓電流有效值，使用8279進(jìn)行鍵盤及數(shù)碼管顯示控制。方案二：該方案采用dsp作為核心處理器，通過外接多通道a/d來(lái)完成電壓、電流數(shù)據(jù)采集、dsp數(shù)據(jù)處理、鍵盤顯示，可以保證在足夠高的采樣率下，依靠dsp芯片的特殊結(jié)構(gòu)和極高的運(yùn)行速度實(shí)現(xiàn)各種各樣的控制和測(cè)量算法，實(shí)現(xiàn)了高精度的同步數(shù)據(jù)采集處理。方案三：該方案以c8051f020單片機(jī)為核心，使用單片機(jī)內(nèi)部12 位、100 ksps 的8 通道adc進(jìn)行電壓和電流的軟件同步采樣測(cè)量，并采用工程上常

36、用的數(shù)值積分算法，將連續(xù)函數(shù)離散化來(lái)計(jì)算信號(hào)的有效值，并使用數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)及鍵盤掃描管理芯片zlg7289進(jìn)行鍵盤及數(shù)碼管顯示控制，實(shí)現(xiàn)測(cè)量并顯示變壓器的副邊電壓電流以及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功率因數(shù)有功功率、無(wú)功功率、視在功率和系統(tǒng)的用電量。電力運(yùn)行參數(shù)測(cè)量裝置設(shè)計(jì)方案選擇：方案三采用了c8051f020單片機(jī)作為核心的控制部件，因?yàn)樗胸S富的i/o線，可作輸入輸出使用，提供了多達(dá)5個(gè)定時(shí)器、計(jì)數(shù)器和豐富的中斷系統(tǒng)及高達(dá)100 ksps 的8路a/d轉(zhuǎn)換；這在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)為我們提供了極大的方便，用它實(shí)現(xiàn)的好處在于，外圍電路較為簡(jiǎn)單，另外在adc的編程方面又提供了極其便利的編程環(huán)境。方案一采用了8位的mcs

37、-51單片機(jī)，需要外加兩路a/d轉(zhuǎn)換及真有效值轉(zhuǎn)換芯片，外圍電路比較復(fù)雜，且由于其指令周期長(zhǎng)、在高速采樣和實(shí)時(shí)性方面受到一定的限制。方案三采用了dsp芯片，現(xiàn)在技術(shù)比較先進(jìn)的dsp雖然可以在數(shù)字處理上達(dá)到很高的速度和精度，但因大部分dsp內(nèi)部不帶a/d，需要外接多通道a/d來(lái)實(shí)現(xiàn)采集，這除了會(huì)增加硬件成本，還會(huì)影響整個(gè)裝置的可靠性，同時(shí)，dsp的開發(fā)工具比較昂貴，這不太符合本裝置低成本設(shè)計(jì)的目的。交流直接采樣方法測(cè)量交流電量的算法雖有多種，但較實(shí)用有三種，即最大值法、積分法和傅里葉變換法。最大值法適宜輸入信號(hào)為純正弦周期信號(hào)情況，多次采集求平均可減小誤差，但考慮內(nèi)部a/d采集間隔會(huì)在很大程度上

38、影響對(duì)峰峰值的檢測(cè)，會(huì)使測(cè)量不準(zhǔn)。傅里葉變換法是將離散的采樣值經(jīng)過離散傅里葉變換(dft)轉(zhuǎn)換到頻域，求出基波和諧波分量，再求有效值及平均功率。實(shí)際使用中可以采用快速傅里葉變換(fft)以提高運(yùn)算速度，但是計(jì)算量仍然偏大。積分法就是從連續(xù)周期信號(hào)有效值的定義和功率的定義出發(fā)，用數(shù)值積分近似代替連續(xù)積分進(jìn)行計(jì)算的方法。采用積分法微機(jī)計(jì)算量較小，裝置實(shí)時(shí)性好，適合以單片機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)。故結(jié)合實(shí)際，在借鑒現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)利用c8051f020單片機(jī)方案，并采用工程上常用的數(shù)值積分算法，軟件同步采樣將連續(xù)函數(shù)離散化來(lái)計(jì)算信號(hào)的有效值，并使用偏差累積增量法改進(jìn)軟件同步算法，進(jìn)而計(jì)算系統(tǒng)電壓、電

39、流有效值等 4 13。2.4 子模塊方案選擇2.4.1 電流電壓的取樣方案方案一：隔離采樣的方案 采用電壓互感器、電流互感器分別實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流測(cè)量。通過電壓互感器對(duì)變壓器副邊輸出的28v交流電壓采樣得到相應(yīng)電壓值，采樣電壓。如圖所示通過運(yùn)放跟隨、全波整流，放大后送入a/d轉(zhuǎn)換，單片機(jī)計(jì)算得到有效值。該方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)負(fù)載的電壓、電流大小影響小。但互感器實(shí)質(zhì)為變壓器，如果系統(tǒng)中熒光燈之類的負(fù)載較大時(shí)，電流含有較大的3次諧波分量；由于引入了互感，所以對(duì)副邊的相位產(chǎn)生影響，容易產(chǎn)生誤差，對(duì)功率因數(shù)測(cè)量不利14。 圖2-2 隔離采樣原理圖方案二：電阻分壓方案電流采樣電路采用在變壓器副邊串入一定數(shù)值的電

40、阻，并取樣該電阻兩端分壓，通過測(cè)量來(lái)反映電流值；電壓采樣電路采用在變壓器副邊并入一定數(shù)值的兩個(gè)電阻，在其中一個(gè)電阻兩端進(jìn)行取樣。該方法的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)對(duì)回路產(chǎn)生相位測(cè)量誤差，并且操作方便；缺點(diǎn)是會(huì)對(duì)副邊電流產(chǎn)生影響，但在經(jīng)過計(jì)算比較后發(fā)現(xiàn)影響不大。圖2-3 電阻分壓采樣原理圖由于給定的28v交流電壓是經(jīng)過互感得到的，可以不再考慮電網(wǎng)隔離問題，而且電壓互感存在產(chǎn)生不確定的相移，雖然可以用程序修正，但帶來(lái)不必要的麻煩。因此我們采用方案二電阻直接分壓的方式。2.4.2 頻率測(cè)量方案方案一：記數(shù)一秒測(cè)頻率方案將采樣得來(lái)的電壓信號(hào)經(jīng)過過零比較，然后將產(chǎn)生的方波信號(hào)送入單片機(jī)t0口進(jìn)行計(jì)數(shù)，定時(shí)一秒鐘，計(jì)數(shù)值

41、即為電源頻率。方案二： 可編程計(jì)數(shù)器t0來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量方案將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)輸入int0端口，作為計(jì)數(shù)器的門控信號(hào)，在脈沖下降沿中斷，單片機(jī)定時(shí)器開始計(jì)數(shù)，下一次中斷時(shí)停止計(jì)數(shù)。換算得到信號(hào)的周期時(shí)間t，f=1/t得到頻率。方案三： 可編程計(jì)數(shù)器t2來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率的測(cè)量方案將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為方波信號(hào)輸入t2ex端口，作為計(jì)數(shù)器的控制信號(hào)，使定時(shí)器、計(jì)數(shù)器t2工作在16位捕捉方式，記數(shù)初值取0，使t2循環(huán)的從0開始計(jì)數(shù)，每次溢出時(shí)置“1”exf2，溢出周期為固定的，讀出rcap2l和rcap2h，換算可得到信號(hào)的周期時(shí)間t，f=1/t得到頻率。該方案硬件簡(jiǎn)單且頻率測(cè)量精度高。由于工頻電網(wǎng)頻率較

42、低約為50hz，故采用測(cè)周期取倒數(shù)的方法得到頻率。直接采用單片機(jī)計(jì)數(shù)的辦法可能得到的誤差為1/50=2%，誤差較大。采用方案二，首先測(cè)周期采用周期倒數(shù)的辦法求頻率，這樣測(cè)量精度為1/n(n為單片機(jī)20ms計(jì)數(shù)值大概為18432)誤差只有0.0054%。方案一測(cè)量精度不高，故放棄。而方案二需同時(shí)使用定時(shí)器、計(jì)數(shù)器t0和外部中斷0，使用資源較多而增加編程難度，使用方案三，只需使用定時(shí)器、計(jì)數(shù)器t2，編程簡(jiǎn)單、資源占用少，所以選擇方案三測(cè)量頻率。2.4.3 功率因數(shù)測(cè)量原理要檢測(cè)供電系統(tǒng)中的功率因數(shù)，只須測(cè)量?jī)蓚€(gè)同頻率正弦信號(hào)的相位差15。如圖2-4所示： 圖2-4 電壓與電流的時(shí)間差t電網(wǎng)中的交流

43、電壓周期t可以通過求取頻率得到，只要能測(cè)出t值。就可用下式求得相位差其中為電壓信號(hào)與電流信號(hào)過零點(diǎn)的時(shí)間差。因此，問題的關(guān)鍵是求時(shí)間差t。為此，把兩個(gè)正弦交流信號(hào)通過零檢測(cè)器轉(zhuǎn)換為相同頻率的方波，取其正半周，其波形如圖2-4所示。在一般的感性負(fù)載電路中，電流總是滯后電壓一段時(shí)間t。在該設(shè)計(jì)中，采用相位法檢測(cè)電壓電流的相位差，其指導(dǎo)思想是功率因數(shù)的定義，即。可見，若將檢測(cè)到的電網(wǎng)電壓、電流經(jīng)波形變換為方波信號(hào)后，利用單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)檢測(cè)兩方波前沿的時(shí)間差值t，即得相位差為，t的單位為ms，從而可得電網(wǎng)功率因數(shù)。其對(duì)應(yīng)的過程如圖2-5所示，實(shí)際測(cè)量t時(shí)，主要利用了單片機(jī)的計(jì)數(shù)和中斷功能。圖2-5 電

44、壓、電流由正弦信號(hào)變成方波信號(hào)2.4.4 功率因數(shù)測(cè)量法選擇方案一：將電壓、電流信號(hào)分別經(jīng)過過零比較器，產(chǎn)生ttl信號(hào)。方波的上升沿和下降沿分別與振蕩正弦波信號(hào)的正負(fù)過零點(diǎn)對(duì)應(yīng)，產(chǎn)生的兩個(gè)ttl信號(hào)作為單片機(jī)的兩個(gè)外部中斷源。中斷觸發(fā)方式為脈沖下降沿觸發(fā)方式，且外部中斷0優(yōu)先級(jí)高于外部中斷1。單片機(jī)開機(jī)后等待外部中斷int0及int1，當(dāng)int0中斷響應(yīng)時(shí)，定時(shí)器、計(jì)數(shù)器t0開始計(jì)數(shù)，當(dāng)int1中斷響應(yīng)后，定時(shí)器、計(jì)數(shù)器t0停止計(jì)數(shù)，此時(shí)，t0中的值便是與相位差相對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值。方案二：將電壓、電流信號(hào)分別經(jīng)過過零比較器產(chǎn)生ttl信號(hào)，把電壓信號(hào)和電流信號(hào)進(jìn)行異或后與單片機(jī)的int0相連，利用單

45、片機(jī)的計(jì)數(shù)器t0在int0高電平時(shí)才允許計(jì)數(shù)，在下降沿時(shí)觸發(fā)int0中斷，而停止計(jì)數(shù)，讀出的計(jì)數(shù)值n1，進(jìn)行換算后可得t，進(jìn)行相位差計(jì)算。方案三：將電壓、電流信號(hào)分別經(jīng)過過零比較器，產(chǎn)生ttl信號(hào)，將電壓u支路與單片機(jī)的int0腳相連，利用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器t0在int0高電平時(shí)才允許計(jì)數(shù)，在下降沿時(shí)觸發(fā)int0中斷，而停止計(jì)數(shù)，讀出半個(gè)周期的計(jì)數(shù)值n1。電流i支路與單片機(jī)的int1腳相連，計(jì)數(shù)器t1在int1為高電平時(shí)，也進(jìn)行計(jì)數(shù)，但在int0中斷時(shí)就停止計(jì)數(shù)，讀出相應(yīng)的計(jì)數(shù)值n2，n2-n1即為時(shí)間t。以上三種方案的基本原理一樣，都是通過利用單片機(jī)的中斷和計(jì)數(shù)器來(lái)求取電壓電流的相位差。鑒于方案

46、二需要進(jìn)行異或操作，需增加相應(yīng)的芯片，會(huì)增加pcb的制作難度，提高成本，而方案三編程簡(jiǎn)單，且當(dāng)進(jìn)行計(jì)算得出的時(shí)可與系統(tǒng)時(shí)鐘無(wú)關(guān)，只與計(jì)數(shù)值的比值有關(guān)，具有更大的通用性，有故選用方法一。從系統(tǒng)組成可以看出，該電路的負(fù)載是接近線性的，利用上述方法可以比較準(zhǔn)確的測(cè)出電壓和電流的相位差。2.4.5 電能計(jì)算原理對(duì)于一個(gè)負(fù)荷，在時(shí)段內(nèi)消耗的電能w可以表示為瞬時(shí)功率在該時(shí)段上的積分：(2-33)對(duì)上式離散化可得：(2-34)其中，則式(2-27)可改為(2-35)其中，p為有功功率，則上式即為所求的有功電能，為計(jì)算的時(shí)間差，為在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)必須計(jì)算準(zhǔn)確，故本設(shè)計(jì)采用每秒計(jì)算保存一次的方法，即，因有功功率的單

47、位為kw，l度電能定義為1kwh，即3600kws，故則當(dāng)上式值累計(jì)到3600時(shí)，電能值加1，這樣可以得到比較準(zhǔn)確的電能計(jì)算值2。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)此系統(tǒng)是以c8051f020為主控制器，系統(tǒng)把取樣采集電路得來(lái)的兩路信號(hào)分別通過放大、整流, 再通過a/d轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)時(shí)把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，再經(jīng)單片機(jī)分析處理，進(jìn)行數(shù)值積分，可得到變壓器副邊電壓值、電流值、電源的頻率以及該系統(tǒng)的功率因數(shù)、有功功率、無(wú)功功率和系統(tǒng)消耗的電能，并送到外部顯示單元顯示。系統(tǒng)整體的方框圖如圖3-1所示：圖3-1 系統(tǒng)框圖硬件設(shè)計(jì)具體包括單片機(jī)最小系統(tǒng)部分（鍵盤、顯示）、信號(hào)采集部分、數(shù)模轉(zhuǎn)換部分。下面將各部分詳細(xì)介紹

48、如下：3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)部分常用的單片機(jī)有8位機(jī)、16位機(jī)及32位機(jī)。由于我們的系統(tǒng)中cpu負(fù)擔(dān)并不重，所以8位機(jī)就夠了。常用的8位單片機(jī)有很多種：如intel公司的8051、8031系列，atmel公司的89系列及cygnal公司推出的c8051f系列。雖然它們?cè)谟布Y(jié)構(gòu)上相似，但在功耗、抗干擾、內(nèi)部模擬和數(shù)字資源等方面后者都占較大優(yōu)勢(shì)。隨著微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，c8051f系列單片機(jī)技術(shù)體現(xiàn)了單片機(jī)集多種器件和多種功能于一身，從“片自為戰(zhàn)”向片上系統(tǒng)過渡的發(fā)展方向?？紤]到我們所需要的程序存儲(chǔ)器的空間以及內(nèi)存單元，選擇了c8051f020作為該系統(tǒng)的控制器。單片機(jī)電力運(yùn)行參數(shù)測(cè)量裝置是通

49、過硬件與軟件密切配合完成的。其硬件裝置的作用是對(duì)電壓信號(hào)、電流信號(hào)采樣，把它們轉(zhuǎn)換成適合微機(jī)處理的信號(hào)，在設(shè)計(jì)具體電路時(shí)要考慮便于與單片機(jī)連接，故本系統(tǒng)采用c8051f020單片機(jī)構(gòu)成了一個(gè)帶數(shù)碼管顯示與鍵盤的單片機(jī)最小系統(tǒng)。最小系統(tǒng)方框圖如圖3-2：圖3-2 單片機(jī)最小系統(tǒng)方框圖c8051f020在本系統(tǒng)中應(yīng)用的接口設(shè)計(jì)： ain00接全波整流后的電壓信號(hào)； ain01接全波整流后的電流信號(hào)； p2.0接正弦波過零比較的電流ttl信號(hào)； p2.1接正弦波過零比較的電壓ttl信號(hào)； p2.2接正弦波過零比較的電壓ttl信號(hào)； p3.4接zlg7289芯片的cs管腳； p3.5接zlg7289芯

50、片的clk管腳； p3.6接zlg7289芯片的dio管腳； p3.7接zlg7289芯片的int管腳；c8051f020介紹80c51系列單片機(jī)及其衍生產(chǎn)品在我國(guó)乃至全世界范圍獲得了非常廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)領(lǐng)域的大部分工作人員都熟悉80c51單片機(jī)，各大專院校都采用80c51系列單片機(jī)作為教學(xué)模型。隨著單片機(jī)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)了很多高速、高性能的新型單片機(jī)，基于標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核的單片機(jī)正面臨著退出市場(chǎng)的境地。為此，一些半導(dǎo)體公司開始對(duì)傳統(tǒng)8051內(nèi)核進(jìn)行大的構(gòu)造，主要是提高速度和增加片內(nèi)模擬和數(shù)字外設(shè)，以期大幅度提高單片機(jī)的整體性能。其中美國(guó)cygnal公司推出的c8051f系列單片機(jī)把8

51、0c51系列單片機(jī)從mcu時(shí)代推向soc時(shí)代，使得以8051為內(nèi)核的單片機(jī)上了一個(gè)新的臺(tái)階。 c8051f系列單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，具有與8051兼容的cip-51微控制器內(nèi)核，采用流水線結(jié)構(gòu)，單周期指令運(yùn)行速度是8051的12倍，全指令集運(yùn)行速度是原來(lái)的9.5倍。熟悉mcs-51系列單片機(jī)的工程技術(shù)人員可以很容易地掌握c8051f的應(yīng)用技術(shù)并能進(jìn)行軟件的移植。但是不能將8051的程序完全照搬的應(yīng)用于c8051f單片機(jī)中，這是因?yàn)閮烧叩膬?nèi)部資源存在較大的差異，必須經(jīng)過加工才能予以使用。其中c8051f020以其功能較全面，應(yīng)用較廣泛的特點(diǎn)成為c8051f的代表性產(chǎn)品，其性能價(jià)格

52、比在目前應(yīng)用領(lǐng)域也極具競(jìng)爭(zhēng)力。c8051f020器件是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)mcu芯片，具有64個(gè)數(shù)字i/o引腳。下面列出了一些主要特性： 高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的cip-51內(nèi)核（可達(dá)25mips） 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)） 真正12 位、100 ksps的8通道adc，帶pga和模擬多路開關(guān) 真正8 位500 ksps 的adc，帶pga和8通道模擬多路開關(guān) 兩個(gè)12 位dac，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式 64k字節(jié)可在系統(tǒng)編程的flash存儲(chǔ)器 4352（4096+256）字節(jié)的片內(nèi)ram 可尋址64k字節(jié)地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口 硬件實(shí)現(xiàn)的spi、smbus/

53、i2c 和兩個(gè)uart串行接口 5個(gè)通用的16 位定時(shí)器 具有5個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列 片內(nèi)看門狗定時(shí)器、vdd監(jiān)視器和溫度傳感器具有片內(nèi)vdd 監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的c8051f020 是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能/禁止和配置。flash 存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新8051固件。片內(nèi)jtag調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品mcu 進(jìn)行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn)、單步及運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用jtag

54、 調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。每個(gè)mcu 都可在工業(yè)溫度范圍（-45到+85）內(nèi)用2.7v-3.6v 的電壓工作。端口i/o、/rst 和jtag 引腳都容許5v 的輸入信號(hào)電壓16。圖3-3 c8051f020 原理框圖3.2 鍵盤顯示部分常用的按鍵接口一般分為“獨(dú)立式按鍵接口設(shè)計(jì)”、“矩陣式接口設(shè)計(jì)” 和“專用芯片式設(shè)計(jì)”幾種。獨(dú)立式按鍵接口設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)是電路配置靈活，軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但效率不高。矩陣式接口按鍵優(yōu)點(diǎn)是可提供的按鍵多，但軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。專用鍵盤芯片可以綜合獨(dú)立式按鍵接口設(shè)計(jì)電路配置靈活，軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，又可以像矩陣式一樣提供數(shù)量眾多的按鍵。本系統(tǒng)主要使用數(shù)碼管來(lái)顯

55、示當(dāng)前測(cè)得的電壓、電流和功率等數(shù)據(jù)，顯示精度要求為4位數(shù)字。顯示的數(shù)據(jù)已經(jīng)通過測(cè)量電路測(cè)量和轉(zhuǎn)換以及通過相應(yīng)的計(jì)算處理，存儲(chǔ)在指定的ram中，當(dāng)主程序執(zhí)行到顯示模塊時(shí)，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的顯示子程序。本系統(tǒng)采用zlg7289數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)及鍵盤掃描管理芯片，可直接驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管（或64只獨(dú)立led），同時(shí)還可以掃描管理多達(dá)64只按鍵。zlg7289b內(nèi)部含有顯示譯碼器，可直接接受bcd碼或16進(jìn)制碼，并同時(shí)具有2種譯碼方式。此外，還具有多種控制指令，如消隱閃爍左移右移段尋址等。zlg7289b采用spi串行總線與微控制器接口，僅占用少數(shù)幾根i/o口線。利用片選信號(hào)，多片zlg7289b還可以并接在一起使用，能夠方便地實(shí)現(xiàn)多于8位的顯示或多于64只按鍵的應(yīng)用。圖3-4 zlg7289典型應(yīng)用電路原理圖zlg7289特點(diǎn)： 串行接口無(wú)需外圍元件可直接驅(qū)動(dòng)led 各位獨(dú)立控制譯碼/不譯碼及消隱和閃爍屬性 循環(huán)左移/循環(huán)右移指令 具有段尋址指令方便控制獨(dú)立led 64鍵鍵盤控制器內(nèi)含去抖動(dòng)電路3.3 電壓、電流信號(hào)采集部分3.3.1 電壓、電流采樣電路根據(jù)電壓和電流在電路中的特點(diǎn)，電壓取樣電路可采用并聯(lián)在電源兩端來(lái)實(shí)現(xiàn)。電流取樣電路可采用串聯(lián)在電路回