基于單片機(jī)的電網(wǎng)基本參數(shù)測量

1、 存檔日期：存檔編號：本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）論 文 題 目：基于單片機(jī)的電網(wǎng)基本參量測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓系專名：別：業(yè)：年 級、學(xué) 號：指 導(dǎo) 教 師： 摘 要近些年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會生活的進(jìn)步與需要，電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量在工業(yè)生產(chǎn)中日益重要。所以，對電網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行及時有效的分析和檢測是十分必要的。建立監(jiān)測和分析電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)的系統(tǒng)，可以提高電能的質(zhì)量，并且可以及時地檢測、更新電網(wǎng)中的各項(xiàng)指標(biāo)。目前市場上有兩類電能質(zhì)量測試裝置，一種是功能簡單價格低廉，但是不能高效地檢測電能質(zhì)量參數(shù)。另一種測試裝置功能齊全但是價格偏高，故市場上并不普及。因此，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)就是想要克服上述兩種裝置的弊端，所設(shè)計(jì)

2、的電能參數(shù)測量系統(tǒng)既性能優(yōu)良、又滿足市場需求。本次設(shè)計(jì)基于電能質(zhì)量的概念，從硬件、軟件這兩方面來設(shè)計(jì)，以 51單片機(jī)為核心對電網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行測量、以及設(shè)計(jì)報(bào)警電路、保護(hù)電路。主要包括的內(nèi)容：結(jié)合 51 單片機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行信號采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理和顯示等模塊的軟硬件功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。利用傳感器模塊對電網(wǎng)的參數(shù)進(jìn)行測量，在顯示電路給出電壓、電流的測量原理。對電參數(shù)的測量采納數(shù)字信號處理技術(shù)，在系統(tǒng)性、及時性、精確性方面有著巨大的優(yōu)勢。關(guān)鍵詞：電網(wǎng)參數(shù) 單片機(jī) 電能質(zhì)量 數(shù)據(jù)顯示I AbstractFollow the fast evolution of national economy and hig

3、h standard ofliving on power system higher and higher requirement for quality ofpower energy and industrial production. So, in real-time detection andanalysis of power parameter has important significance. In ordercomplete the power quality, the first to establish the indicators of thepower quality

4、monitoring and analysis system, real time update of dataacquisition and measurement of various index in power system.On the market use of energy quality teaching Installation is dividedinto two categories, general users is good to find it difficult to as accept.Another is that cheap but simple funct

5、ion, could not fully rash the variouskilometers of quality of electric energy. So, this design is to design afull-featured, suitable for the market demand of power parametermeasurement system.In this paper, on the basis of discussing the concept of quality ofelectric energy, introduced the research

6、of power parameter system with51 microcontroller as the core of the hardware design, software design.They are mainly as follows: The software and hardware design with thecharacteristics of the 51 single chip microcomputer for power distribution,digital coversion, data module. The parameters were mea

7、sured usinginstrument transformer chip module on the grid, the principle ofmesurement of voltage, current, frequency circuit is given a value isII displayed. Measurement of parameters using signal processingtechnology, in order to improve the accuracy, real-time and system levelhas unique advantage.

8、Key words：grid parameters single chip microcomputer powerquality data showIII 目 錄摘 要.IAbstract .IV1 緒論.11.1 研究背景.11.1.1 課題研究背景及意義.11.1.2 電能質(zhì)量的定義.11.1.3 電網(wǎng)質(zhì)量問題的研究現(xiàn)狀.11.1.4 現(xiàn)階段電網(wǎng)質(zhì)量測量裝置的調(diào)查.31.2 研究目的和意義 .31.3 研究方法和構(gòu)想 .41.3.1總體設(shè)計(jì)思路理論綜述：.41.3.2總體設(shè)計(jì)思路原理框圖：.42 電網(wǎng)參量測量系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì).62.1 互感器（變壓器）模塊 .62.1.1 互感器介紹.62

9、.1.2 電壓互感器.62.1.3 電流互感器.82.1.4 電壓、電流測量回路.102.1.5 互感器模塊采集電網(wǎng)參數(shù)電路圖.122.1.6 監(jiān)測與保護(hù)電路設(shè)計(jì).122.1.7 頻率的測量.122.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）模塊.142.2.1 ADC的定義.142.2.2 A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇.142.2.3 A/D模塊和單片機(jī)模塊硬件連接.172.3 控制器模塊.182.3.1單片機(jī)最小系統(tǒng).182.3.2 MCS51單片機(jī).192.4 顯示模塊.212.4.1 LCD12864液晶顯示模塊簡介.212.4.2 模塊主要硬件構(gòu)成說明.222.4.3 模塊接口說明 .222.4.4 LCD12

10、864顯示電路硬件電路圖.242.5 電網(wǎng)參量測量系統(tǒng)總原理圖.25IV 2.6 元器件清單.263 電網(wǎng)參量測量系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì).273.1 A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換程序.273.2 LCD液晶顯示程序.284 總結(jié)與展望.32致 謝.33參考文獻(xiàn) .34V 1 緒論1.1 研究背景1.1.1 電網(wǎng)的定義在電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)屬于運(yùn)送和分派電能的中間環(huán)節(jié), 被稱作發(fā)電和用電的關(guān)聯(lián)設(shè)施。變配電所、配電線路和輸送電線路構(gòu)成輸電網(wǎng)。一般把由輸電、配電、用電設(shè)備組成的聯(lián)系發(fā)電與用電的統(tǒng)一整體稱為電力網(wǎng)，簡稱電網(wǎng)。電壓等級可以分成超高壓的有 330kV到 750kV；特高壓：直流 800kV、交流 1000kV，這

11、兩種基本上就是大負(fù)荷電網(wǎng)了。然后高壓 110、220kV；中壓 6、10、20、66kV。一般情況而言，傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，電壓的等級越高。10kV 屬于小區(qū)域供電，大概是涉及范圍在 6-10 公里。66kV 為較大地區(qū)供電，它的供電范圍大約在 80 公里；而平常我們說的 380/220V是供居民用的電壓。1.1.2 電能質(zhì)量的定義隨著電力事業(yè)的迅速發(fā)展，電網(wǎng)負(fù)荷不斷加劇，沖擊性和非線性負(fù)荷也在增長，供能系統(tǒng)電能質(zhì)量因此受到了污染。供電質(zhì)量對用戶使用設(shè)備時也作為了一種高檔的要求去使用，現(xiàn)代電力系統(tǒng)的新特征是電能質(zhì)量新的定義和意義。嚴(yán)格的講，頻率、電壓是衡量電壓質(zhì)量的主要標(biāo)準(zhǔn)。普通的說法則是指高質(zhì)量

12、的電能，包括供電、用電、電壓、電流的質(zhì)量3。通常是說導(dǎo)致用電設(shè)備不能正常使用的電壓、電流或頻率的偏差是電能質(zhì)量問題。1.1.3 電網(wǎng)質(zhì)量問題的研究現(xiàn)狀1、1980年前，電力專家認(rèn)為，能保證供電電壓處在合適的范圍之內(nèi)以及電網(wǎng)頻率的正常，也就能確保供電電網(wǎng)的質(zhì)量；同時，電力企業(yè)也認(rèn)為提高功率因數(shù)是極其重要的舉措。2、隨著生活條件的改善，工業(yè)負(fù)荷量急劇增加，電網(wǎng)快速的發(fā)展，電能是種需要多種物理參數(shù)才能全面地描述其性能的復(fù)雜商品。這些參數(shù)一般有諧波、電壓偏差、負(fù)序、電壓波動等。這方面是當(dāng)前熱門的電能質(zhì)量研究方向。3、最近幾年，電能質(zhì)量對于人們已不再陌生，人們普遍說電力系統(tǒng)電能的輸送是能量的傳遞，但也是

13、一種輸送信息。其主要內(nèi)容有頻率、電壓、電流，但1 這些東西中又卻依附了許多“壞”信息，包括諧波電壓、電壓波動、諧波電流等等，同時還有一些所謂的暫態(tài)電能質(zhì)量依附在其中。可以預(yù)言，暫態(tài)電能質(zhì)量問題將是我們研究的重要課題。4、隨著大量高新企業(yè)進(jìn)入中國市場，在這個瞬息萬變的時代里，電網(wǎng)電能質(zhì)量能否與經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展同步將會成為我們所關(guān)注的問題，所以對電能質(zhì)量的研究顯得尤為重要。同時降低網(wǎng)損、減少電力生產(chǎn)事故可提高電能質(zhì)量，直接帶來經(jīng)濟(jì)效益。隨著電力系統(tǒng)進(jìn)入市場，區(qū)域間電網(wǎng)競爭悄然來臨，誰控制好電網(wǎng)電能質(zhì)量，誰就將成為最終的贏家。所以對電能質(zhì)量分析和運(yùn)用將成為現(xiàn)代電力生產(chǎn)發(fā)展的緊迫要求10。5、目前的研究主

14、要基于以下幾個方面：（1）建立電能質(zhì)量體系主要研究電能質(zhì)量的定義、在電子消費(fèi)市場，智能儀器中的應(yīng)用及各路綜合的評價體系。（2）對電能質(zhì)量暫態(tài)信號分類主要討論暫態(tài)的各種電能質(zhì)量突變現(xiàn)象，比如說電壓暫降、電壓閃變等產(chǎn)生原因、信號辨別及控制等。市場上采用的分析方法數(shù)不勝數(shù)，比如粗糙集、小波變換、S變換等等。（3）諧波分析電能質(zhì)量測量裝置中諧波分析的開發(fā)正處在欣欣向榮的階段，各種裝置源源不斷出現(xiàn)。硬件方面有基于雙CPU系統(tǒng)、基于DSP芯片、基于單片機(jī)等，軟件方面，充分利用了CAN總線、Web技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時在線監(jiān)控。（4）算法的開發(fā)電能質(zhì)量檢測中算法是重要內(nèi)容，目前國內(nèi)外算法相關(guān)研究主要使用電壓偏差

15、分析、電壓波動和閃邊處理、高次諧波研究、三相不對稱的情況處理、頻率偏離其標(biāo)稱值等方面的處理等等，這方面的參考文獻(xiàn)很多。2 1.1.4 現(xiàn)階段電網(wǎng)質(zhì)量測量裝置的調(diào)查1、電能質(zhì)量測量分析與評估主要內(nèi)容作為大型電能質(zhì)量測試分析與評估，主要包括以下四個方面：（1）公共電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測；（2）電網(wǎng)設(shè)備兼容性的檢驗(yàn)；（3）負(fù)荷的干擾測試與電能的質(zhì)量評估糾紛測試。2、測量方法測試時間長度：干擾負(fù)荷的運(yùn)行全概況。測試間隔：當(dāng)干擾負(fù)荷運(yùn)行時，一般用到5s至5min。測試參量：三相電壓及電流大小。3、電能質(zhì)量產(chǎn)品化測試裝置現(xiàn)狀0第一，通常的電能質(zhì)量監(jiān)測方法在對電能質(zhì)量的實(shí)時監(jiān)測方面有不足。除非電能質(zhì)量波動較大，便

16、不能全面接收到電能質(zhì)量。一般情況下只有在必要時才對電能質(zhì)量進(jìn)行校驗(yàn)。第二，傳統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測已經(jīng)滿足不了國際規(guī)定的五項(xiàng)電能質(zhì)量監(jiān)測的要求了。傳統(tǒng)的方法測量不能及時地監(jiān)測其中的幾項(xiàng)指標(biāo)，原因很多，比如說實(shí)現(xiàn)方法的困難大及國家單位的重視程度。第三，傳統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置只涉及穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量的監(jiān)測，質(zhì)并不能全面監(jiān)測動態(tài)電能質(zhì)量，是因?yàn)橹匾暢潭炔粔蛞约皩?shí)現(xiàn)的困難及監(jiān)測系統(tǒng)只能監(jiān)視其中的一項(xiàng)。第四，傳統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置精度往往達(dá)不到要求，由于多采用模擬元器件，受器件性能和信號處理方法有局限性。1.2 研究目的和意義1、大型工業(yè)生產(chǎn)對電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量要求越來越高，是因?yàn)榭茖W(xué)技術(shù)進(jìn)步了和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,故

17、實(shí)時測量與分析電網(wǎng)的參數(shù)具有重要意義。建立電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)的分析和監(jiān)測系統(tǒng)，是解決電能質(zhì)量的第一任務(wù)，即對電網(wǎng)中的各種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時同步，即有測量和數(shù)據(jù)采集兩大步。在測量過程中，更為重要的是監(jiān)控環(huán)節(jié)，例如，當(dāng)電路中出現(xiàn)短路電路怎么實(shí)施保護(hù)，當(dāng)電路中出現(xiàn)過負(fù)荷怎么實(shí)施保護(hù)，這些都是測量電網(wǎng)參數(shù)的意義的所在。3 2、在電氣電網(wǎng)系統(tǒng)中，測量電壓和電流是最為首要的。而且是要快速并且準(zhǔn)確地采集。依據(jù)不同的采集信號要求和實(shí)現(xiàn)方法的準(zhǔn)確度，一般可分為交流采樣、直流采樣兩種方法，直流采樣的一般過程是交流電壓、電流信號經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)化為 0-5V的直流電壓由儀表采集，此方法設(shè)計(jì)簡單很容易得到被測量的數(shù)值，可是采集的

18、不是實(shí)時的信號；另外測量精度和穩(wěn)定性無法保證，滿足不了電力系統(tǒng)實(shí)時性和可靠性的要求。然而交流采樣法是通過二次測得的一次側(cè)的電壓、電流，它們經(jīng)過 TV、TA 轉(zhuǎn)換為 A/D 芯片可處理的交流小信號，然后再將輸出的數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，故這種方法比直流采樣更精確，更可靠。因?yàn)?51 單片機(jī)運(yùn)行速度快再加上內(nèi)部程序并行運(yùn)行、處理復(fù)雜功能的特點(diǎn)，故采用 51 單片機(jī)和交流采樣相結(jié)合，可以滿足我的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的一般要求4。1.3 研究方法和構(gòu)想1.3.1 總體設(shè)計(jì)思路理論綜述：在我不斷學(xué)習(xí)和探索了多種測量方法之后，于是我決定采用 51單片機(jī)為核心控制 A/D 轉(zhuǎn)換器，將電網(wǎng)變換后的小幅交流模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)

19、字量，再送入單片機(jī)進(jìn)行處理數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)參數(shù)的準(zhǔn)確測量。即在模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用高速轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809，在控制部分則利用 51單片機(jī)直接控制 ADC0809對模擬信號的交流采樣。然后迅速將轉(zhuǎn)換好的 8位二進(jìn)制數(shù)存到 51單片機(jī)內(nèi)部的存儲器中去通過顯示電路顯示電壓電流的實(shí)時值。同時更為重要的是，在一次高壓電路中我選用了熔斷器和負(fù)荷開關(guān)來設(shè)計(jì)保護(hù)電路，即在一次電路正常工作時和短路故障條件下，高壓一次設(shè)備工作安全可靠，運(yùn)行維護(hù)方便。1.3.2 總體設(shè)計(jì)思路原理框圖：測量系統(tǒng)的組成電路主要包括供配電模塊、互感器模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路、51單片機(jī)模塊、LCD12864液晶顯示模塊。測量系統(tǒng)框圖如圖1.3

20、.2所示4 圖1.3.2 系統(tǒng)硬件系統(tǒng)圖6-10kv高壓電網(wǎng)經(jīng)過電壓互感器、電流互感器、變壓器后的輸出電壓為-5v-+5v，該信號符合電壓芯片ADC0809輸入端的范圍要求，通過ADC0809將輸入的小幅模擬量信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量信號傳送到51單片機(jī)中，通過液晶顯示電路分別顯示電壓和電流的大小。5 2 電網(wǎng)參量測量系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)2.1 互感器（變壓器）模塊2.1.1 互感器介紹1、互感器的工作原理、構(gòu)造各方面與變壓器差不了多少，因此也是一種變壓器，它可以將高電壓、大電流變成低電壓、小電流。由此得到電流互感器（TA）和電壓互感器(TV)兩種測量儀器，另一方面它也可用來隔離高壓，保障安全4。2

21、、互感器的功能：（1）隔離高壓電路?；ジ衅鞯膬蛇叢豢赡苡须姷穆?lián)系，只會有磁的關(guān)聯(lián)，這樣它就能使測量儀表、保護(hù)設(shè)施與高壓電路隔離開，保證了設(shè)備和人員的安全；（2）二次設(shè)備的使用范圍可以擴(kuò)大。例如一只 5A量程的電流表，通過 TA就可測量很大的電流；同樣，一只 100V的電壓表，經(jīng)過 TV就能測出很高的電壓；（3）為了有利于更好地生產(chǎn)，降低成本，可以盡量使測量設(shè)備和繼電器小型化，標(biāo)準(zhǔn)化的。2.1.2 電壓互感器1、工作原理：TV是由鐵心、一次繞組、二次繞組構(gòu)成的。TV的一次繞組匝數(shù)多，二次匝數(shù)少，其工作原理和降壓變壓器相似，如圖2.1.1 所示。工作時，高壓電網(wǎng)回路上有一次繞組并接著，二次繞組和電

22、壓線圈并接用于測量， TV 工作時二次繞組常常是空載狀態(tài)因?yàn)殡妷壕€圈的阻抗大。TV的額定變比為：圖2.1.1 電壓互感器原理圖6 K=U1N/U2N=N1/N2（2.1）式(2.1)中：K-電壓互感器的變比；U1N-一次線圈的額定電壓；U2N-二次線圈的額定電壓，一般規(guī)定為100V；N1-一次線圈的匝數(shù)；N2-二次線圈的匝數(shù)。2、TV的分類及型號（1）雙繞組和三繞組的；（2）單相、三相和五芯柱的；（3）戶外和戶內(nèi)的；（4）干式和油浸式的等等。3、電壓互感器的選擇和校驗(yàn)電壓互感器應(yīng)按以下條件選擇18：（1）其額定電壓絕不能小于供電電網(wǎng)的額定電壓。（2）其類型匹配應(yīng)和實(shí)際安裝地點(diǎn)的工作條件及環(huán)境條

23、件（單相、三相；戶內(nèi)，戶外）相似。（3）TV應(yīng)滿足準(zhǔn)確度等級的要求。（4）TV準(zhǔn)確度等級要求我們選擇器件時，必須保證二次側(cè)所接負(fù)荷容量大小應(yīng)小于或等于額定二次容量。因?yàn)?TV 的一、二次側(cè)均有熔斷器（FU）作為保護(hù)用，故不需要校驗(yàn)動、熱穩(wěn)定度了。4、電壓互感器使用注意事項(xiàng)（1）鑒于電壓互感器一二次側(cè)是并聯(lián)運(yùn)行的，一旦發(fā)生短路時，將會產(chǎn)生很大的短路電流，很可能燒毀互感器，嚴(yán)重地將影響一次電路的安全工作。所以電壓互感器使用中二次側(cè)不允許短路，應(yīng)使電壓互感器的一、二次側(cè)都必須安裝熔斷器通過切除內(nèi)部故障實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)的功能，一般熔斷器的額定電流為 0.5A。（2）在使用電壓互感器時應(yīng)校驗(yàn)電壓互感器的極性

24、，否則其二次側(cè)所接儀表或者繼電器中的電壓大小就不是理想的電壓值，一來造成誤測量，二來引起保護(hù)裝置的誤動作。7 5、本設(shè)計(jì)采用的電壓互感器接線方式兩個單相電壓互感器接成 V/V形，如下圖 2.1.2所示，廣泛應(yīng)用于工廠變配電所的 6-10kV高壓配電輸電網(wǎng)中，測量、監(jiān)控線電壓值的任務(wù)由各儀表和繼電器來測量。圖2.1.2 電壓互感器接線圖2.1.3 電流互感器1、工作原理：電流互感器結(jié)構(gòu)和電壓互感器類似，如下圖 2.1.3所示。其中二次繞組和儀表、繼電器的以及電流線圈串接組成這里的閉合回路。因?yàn)閮x表、繼電器的電流線圈阻抗很小，故 TA工作時二次回路接近于短路的狀態(tài)。TA的額定變比為K=I1N/I2

25、N=N2/N1（2.1.3）圖2.1.3 電流互感器原理圖式中（2.1.3）： K-電流互感器的變比；I1N-一次線圈的額定電流；I2N-二次線圈的額定電流，一般規(guī)定為5A；N1-一次線圈的匝數(shù)；N2-二次線圈的匝數(shù)。8 2、分類及型號按接線方式可以分為單相、三相星形；按原理分，有電磁式、電子式的；按用途分，有測量用的和保護(hù)用的；按用途分，有保護(hù)用和測量用兩種。3、電流互感器的選擇和校驗(yàn)電流互感器應(yīng)按以下條件選擇：（1）其額定電壓應(yīng)不小于供電電網(wǎng)的額定電壓。（2）所接線路的額定電流大于或者等于其額定電流應(yīng)。（3）其類型應(yīng)和具體安裝位置的工作條件及環(huán)境條件相適應(yīng)。4、電流互感器使用注意事項(xiàng)（1）

26、電流互感器二次側(cè)不能開路。（2）電流互感器連線時，一定要注意其端子的極性，要不然其二次側(cè)所接繼電器或者儀器中經(jīng)過的電流就不是理想的電流，這樣一來導(dǎo)致誤測量，二來引起不必要的事故。5、本設(shè)計(jì)采用的電流互感器接線方式TA通常連在 A、C相上，這樣的接法也叫做兩相不完全星形接線，中性點(diǎn)不接地的三相三線制電路中（如 6-10kV高壓電網(wǎng)電路中）普遍使用這種接法的。兩相 V形（兩相兩式）連線如圖 2.1.4所示。圖2.1.4 電流互感器兩相V形接法9 2.1.4 電壓、電流測量回路1、降壓變壓器（降壓站）（1）變電站的一次回路我們需要多大的電網(wǎng)容量，相應(yīng)的發(fā)電站就會生產(chǎn)相應(yīng)等級的更大的電網(wǎng)值，那部分的電

27、路就是通常人們所說的電網(wǎng)回路 。7（2）變電站的二次回路變電站的二次回路是包含：測量回路、保護(hù)回路、控制回路及調(diào)節(jié)保護(hù)回路等部分。其中測量回路包括：計(jì)量測量和保護(hù)測量，負(fù)責(zé)指示和記錄一次設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。控制回路則是通過控制開關(guān)設(shè)備的合與跳實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的投入和退出。2、測量回路這里我主要闡述測量回路和保護(hù)電路，測量回路分為電壓回路與電流回路8。設(shè)計(jì)的要求是測量電網(wǎng)的電壓、電流值。（1）電壓測量回路一方面本設(shè)計(jì)是以中壓10kV 電網(wǎng)為測量對象，線路上的電壓一般都比較高如直接測量是非常危險的，需要通過電力變壓器來轉(zhuǎn)換，這里我們選用降壓站。一般所謂的10kV線路是指線電壓而言，即A-B、B-C、C-A

28、相之間的電壓為10kV，所以僅接入一臺電壓互感器即可同時檢測到2相線路。3kV以上高壓電網(wǎng)首先通過電壓互感器(TV)將各類高電壓變?yōu)榭蓽y量的統(tǒng)一的100V 電壓。電壓表并接在100V電壓母線上。在互感器模塊中，我采用了GB1207-2006標(biāo)準(zhǔn)中JDJ-10型的電壓互感器（單相，額定頻率50Hz,其中一次繞組A和B相之間的電壓為10kV,二次側(cè)繞組的額定電壓為100V,0.5級的精度標(biāo)準(zhǔn)）。本設(shè)計(jì)采用的電壓互感器測量范圍為10kV 左右的高壓交流電，我同時考慮電壓波動的影響以及ADC0809芯片的電壓范圍為-5V- +5V，在TV二次回路后加一個電壓分組電路即可把 100V 直流電壓信號變成+

29、5V 的信號。測量電路如圖2.1.5所示。10 圖2.1.5 電壓轉(zhuǎn)換電路（2）電流測量回路在發(fā)電、變電、輸電、配電及用電的電路路中電流大小不一，小的幾安，大的到幾萬安都有，為便于測量需要轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)值來才好 。在這里電流互感9器就起到電流變換為主要作用。電流二次回路的流過的電流值就是電流互感器（TA）的二次側(cè)的固定的一個值為5A。由于電流互感器輸出的是電流信號，需經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)換電路變成電壓信號，以滿足A/D對采樣信號的要求。這里我采用運(yùn)放知識，充分利用運(yùn)放的“虛短”和“虛斷”的概念，將 5A 左右的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，如下圖 2.1.6電路：圖2.1.6電流轉(zhuǎn)化為電壓電路圖11 2

30、.1.5 互感器模塊采集電網(wǎng)參數(shù)電路圖圖2.1.7 電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集接線圖2.1.6 監(jiān)測與保護(hù)電路設(shè)計(jì)1、熔斷器保護(hù)熔斷器的基本工作原理就是當(dāng)主電路出現(xiàn)短路故障或是過電流時，它的熔體被熔斷，使接在高壓引出線或串接在被保護(hù)的電氣設(shè)備免受過電流的損害。本設(shè)計(jì)中就需要考慮到三相電相與相之間或是一相與地之間可能發(fā)生短路，產(chǎn)生很大的電流，用斷路器就可起到保護(hù)電路；另一方面，由顯示電路顯示的電網(wǎng)參數(shù)及和被測電網(wǎng)相比較，當(dāng)出現(xiàn)測得電流過大時，產(chǎn)生過負(fù)荷，這時熔斷器也可實(shí)現(xiàn)過負(fù)荷保護(hù)21。2、開關(guān)保護(hù)在此次設(shè)計(jì)中，我在一次高壓電路中采樣了高壓負(fù)荷開關(guān)，它的功能就是通過自身簡單的滅弧裝置，來通斷一定的負(fù)荷電流；本

31、身帶脫口器的負(fù)荷開關(guān)在負(fù)荷過大的情況下可自動跳閘。故具有隔離高壓電源、保障電路安全的優(yōu)勢。2.1.7 頻率的測量1、測量頻率的意義頻率直接反映了電能質(zhì)量，生活中如電機(jī)旋轉(zhuǎn)，電網(wǎng)測試都需要頻率這一指標(biāo)的。2、測量頻率的方法三種常用的測量方法：（1）比較法。即通過與標(biāo)準(zhǔn)頻率相比較，求出被測頻率值，是一種準(zhǔn)確度比較高的測量方法。12 （2）無源測量法。即任何一種無源網(wǎng)絡(luò)，如果其頻率特性存在極值，這種網(wǎng)絡(luò)都可以用來測量頻率。（3）計(jì)數(shù)法。即利用標(biāo)準(zhǔn)頻率與被測頻率進(jìn)行比較來測頻，是一種比較廣泛的使用的方法。3 、用諧振法測量頻率這里我采用無源測量法中的諧振法來測量頻率。（1）諧振法測量頻率的原理11：L

32、C 諧振電路在頻率等諧振頻率時，頻率特性有一個峰值；被測頻率通過互感線圈與一個諧振回路耦合，調(diào)節(jié)回路的可變電容 C，如圖 1所示，則回路中的電路 i和電容器端電壓UC 就會發(fā)生變化，當(dāng)回路諧振時，即f=f0=1/2* LC的二次方根電流i和電壓UC達(dá)到最大值，根據(jù)諧振時的L、C值求得被測頻率f。（2）諧振測量法實(shí)質(zhì)：事先用標(biāo)準(zhǔn)頻率對可變電容進(jìn)行刻度，然后反過來用C的調(diào)節(jié)柄位置確定被測頻率值，整個過程就是一個比較的過程。（3）本方法類似頻率計(jì)的原理如圖2.1.8。（4）諧振法測量頻率的電路圖2.1.9。圖 2.1.8 頻率計(jì)原理圖13 圖2.1.9 諧振法測量頻率的電路圖2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D

33、）模塊2.2.1 ADC的定義A/D轉(zhuǎn)換，顧名思義就是模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的過程，很好理解，也可認(rèn)為是一個整流的過程。而ADC是一種通過某種電路將模擬量轉(zhuǎn)換為與之成比例的數(shù)字量的器件，大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展給了設(shè)計(jì)者們設(shè)計(jì)芯片的空間?；谳斎氲紸/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號必須是電壓信號，故本設(shè)計(jì)要測量的電流信號就需要通過功放電路轉(zhuǎn)換為電壓信號12。另一方面ADC的輸出的數(shù)字信號有8位、10位、12位的。再者整個轉(zhuǎn)換的過程是模擬信號先經(jīng)過采樣將時間離散化，再通過保持過程，再經(jīng)過量化過程即對幅值離散化，最后通過編碼過程輸出輸出信號。2.2.2 A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇1、根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器性能指標(biāo)選型（1

34、）分辨率轉(zhuǎn)換器所能分辨的模擬量的最小信號的能力，用二進(jìn)制表示。（2）轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換速率（3）量程它指的是A/D所能轉(zhuǎn)換的電壓范圍，比如0-5V。（4）線性度14 線性度是指實(shí)際輸出值和理論值之間的最大差值，不包括滿刻度誤差、量化誤差及偏移誤差。（5）量化誤差由A/D轉(zhuǎn)換器的有限分辨率而引起的誤差，通常即指1個或半個最小數(shù)字量的模擬變化量。在此設(shè)計(jì)中，上一模塊互感器模塊最終輸出電壓為-5v-+5v，作為此模塊的模擬輸入電壓，這里我選用ADC0809芯片。2、ADC0809的選用在初步了解了ADC芯片的性能指標(biāo)之后，我開始考慮選用怎樣一種類型的芯片才好。回想到大四學(xué)過的一門單片機(jī)課里有這個芯片介紹

35、，所以趕緊找到了此書。我采用了里面寫到了ADC芯片與單片機(jī)的典型應(yīng)用的例題，故就選擇了課本上的ADC0809芯片。另外，ADC0809是逐次逼近式的，相對其他類型A/D轉(zhuǎn)換器速度較快且精度較高13。它的分辨率為8位，采樣正+5V電源供電，里面帶有一個8路通道的轉(zhuǎn)換開關(guān)，是對8路中的任意一路模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換的。它的芯片管腳圖如圖2.2.1所示，采用DIP28封裝。管腳功能介紹如下：（1）IN7IN0:八路模擬量輸入通道。（2）ALE:鎖存地址輸入端 。（3）START:轉(zhuǎn)換啟動。（4）C、B、A:地址線、通道端口選擇線。選通IN7IN0中的一路模擬量，其中C為高位。（5）CLK:時鐘輸入信號引腳

36、。ADC0809外接時要求鐘頻率為10kHz-1280kHz，一般都送入640kHz。（6）EOC:轉(zhuǎn)換結(jié)束腳，高電平有效。（7）D7D0:8位數(shù)據(jù)輸出線。（8）OE:輸出允許管腳,當(dāng)高電平時有效，允許轉(zhuǎn)換結(jié)果從A/D轉(zhuǎn)換器的三態(tài)輸出鎖存器輸出數(shù)據(jù)。（9）VCC:+5V電源。（10）VREF:參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號進(jìn)行比較，作為逐次逼近的基準(zhǔn)。它的典型值為+5V(VREF(+)=+5V, VREF(-)=-5V),一般與VCC相連。15 12345678910111213142827262524232221201918171615IN3IN4IN5IN6IN7STEOCD3OEC

37、LKVCCVREF+GNDD1IN2IN1IN0ABCALED7D6D5D4D0VREF-D2圖2.2.1 ADC0809管腳圖3、8051單片機(jī)與ADC0809連接會遇到兩個問題。我的第一個問題是模擬信號通道的選擇，第二個問題是A/D怎么傳送轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)的選通的通道間的關(guān)系如下表1所示：表1 通道選擇表14。C、B、A地址與C00001111B00110011A被選擇的通道0IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7101010116 2.2.3 A/D模塊和單片機(jī)模塊硬件連接圖2.2.3A/D模塊與單片機(jī)模塊連接圖兩個過程：51單片機(jī)的P2.7口起到了控制作用。1、兩路模擬通道的選擇

38、當(dāng)P2.7口寫入（WR有效）時，脈沖的上升沿使ADC的ALE端有效，即地址開始鎖存（這確保 ADC0809 能將數(shù)字量送入該單片機(jī)中的）：將模擬通道的選擇信號A、B、C低3位地址分別接A2、A1、A0端，也即51的P0.0、P0.1、P0.2口，并由此選擇IN0-IN7中的一路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。同時，因?yàn)镾TARET管腳和ALE管腳連接在一起，故脈沖的下降沿來到時，將清除逐次逼近寄存器，就會開始啟動A/D轉(zhuǎn)換2、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送15。當(dāng)P2.7口讀入（WR有效）時，此時低3位地址已無意義，ADC的OE端有效，保存A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)果的自帶輸出三態(tài)鎖存器打開，把數(shù)據(jù)送上給單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線。最后我們通過查詢

39、方式來確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換是否完成，即通過測試ADC0809的EOC端，若此信號有效（EOC=1，注意到P2.7口才有效），轉(zhuǎn)換已結(jié)束，并接著進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送了。17 2.3 控制器模塊2.3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)1、最小單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，指的是能讓自己工作起來的所必須的最基本的條件的部件組成，本設(shè)計(jì)使用的系統(tǒng)包括：單片機(jī)、晶振電路以及復(fù)位電路就夠了。2、晶振電路晶振可以說是單片機(jī)的大心臟，沒有它就無法實(shí)現(xiàn)工作，有外部晶振和內(nèi)部晶振之分。典型的晶振值取 11.0592MHz 或者 12MHz，電路組成如圖 2.3.1 所示。圖2.3.1 晶振電路3、復(fù)位電路單片機(jī)在開機(jī)時都需復(fù)位，同時重新啟動

40、時也需要它。外部電路在其 RET腳產(chǎn)生 24 個時鐘周期以上的高電平時，單片機(jī)內(nèi)部初始復(fù)位16。為了使單片機(jī)能夠正常復(fù)位，必需使復(fù)位脈沖寬度保持2s 以上。手動復(fù)位電路如圖 2.3.2所示。圖2.3.2 復(fù)位電路系統(tǒng)的復(fù)位電路由+5V電源供電，在電阻上獲得正脈沖，維持脈沖的寬度為18 10us,便可使單片機(jī)復(fù)位。手動復(fù)位是通按下鍵SW，電源開始對電容C充電，這時 RST 端迅速達(dá)到高電平；而松開 SW，電容向外放電，即恢復(fù)為低電平，此時單片機(jī)得到可靠復(fù)位。2.3.2 MCS51單片機(jī)（1）MCS51單片機(jī)簡介MCS51單片機(jī)我所學(xué)單片機(jī)知識8051最為常見，所以我選擇51單片機(jī)來完成此次設(shè)計(jì)。

41、由中央處理器、只讀存儲器、隨機(jī)存儲器、并行口、串行口和中斷系統(tǒng)等組成，這種系列單片機(jī)采程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是分開的。（2）單片機(jī)各部分組成及主要特性如下：1.中央處理器，由控制器和運(yùn)算器組成。然后它的特性主要有：它是8位的；具有位尋址的功能，即布爾代數(shù)處理器；內(nèi)部是單字節(jié)指令；+5V電源供電，40引腳DIP封裝。2.存儲器，顯而易見就是存儲東西的，它有片內(nèi)和片外之分，又有程序和數(shù)據(jù)存儲器兩大類，然后它的特性就是片內(nèi)的集成在芯片內(nèi)部，片外的通過電路板的三總線與51相連接17。3.I/O接口，也叫輸入/輸出端口，它們是51和外界聯(lián)系進(jìn)行信息交換、控制的必經(jīng)途徑，分為串口和并口之分，串口是一位一位

42、地傳的，而并口是將數(shù)據(jù)同時傳送。4.定時器/計(jì)數(shù)器，它們均由兩個8位的寄存器組成，通過指令可以對它們存取數(shù)據(jù)。5.中斷系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生計(jì)算機(jī)的中斷時，CPU暫時停止原來程序的執(zhí)行，立刻為外圍設(shè)備服務(wù)，即執(zhí)行中斷服務(wù)程序，在執(zhí)行完這一過程后又回到原來的程序繼續(xù)下去。（3）MCS51單片機(jī)的工作方式1.復(fù)位方式：51單片機(jī)在我使用它工作時都需要通過這種方式進(jìn)行。2.程序執(zhí)行方式：分為連續(xù)與單步執(zhí)行。簡單地說單步執(zhí)行就是在執(zhí)行一條程序時，就可以逐步檢查程序，立刻發(fā)現(xiàn)問題并解決問題；而連續(xù)就是51按程序事先排好的任務(wù)，自動連續(xù)地執(zhí)行下去。3.節(jié)電方式：節(jié)電就是降低功耗 ，讓單片機(jī)低功耗工作。19 4.編程

43、和校驗(yàn)方式：一般我們從P0口寫入編程信息，再由片內(nèi)EPROM內(nèi)容來校驗(yàn)內(nèi)容的準(zhǔn)確程度。（4）MCS51引腳圖見圖2.3.3圖2.3.3 MCS-51系列單片機(jī)邏輯管腳圖具體引腳的功能說明如下：（1）電源線：1.VCC（40引腳）：接正電源，+5V為正常工作電壓；2.GND（20引腳）：接地；（2）端口線：1.P0口（P0.0P0.7，3239引腳）：51單片機(jī)的P0口可作為通用I/O接口使用來驅(qū)動8個TTL輸入；也可作為數(shù)據(jù)/地址總線口使用。2.P1口（P1.0P1.7，18引腳）：P1口每一位均可作為輸入線或者輸出線使用的，如果作為輸入，鎖存器必須變成1。它的每個引腳只能驅(qū)動4個TTL負(fù)載。

44、3.P2口（P2.0P2.7，2128引腳）：它一般作為外部存儲器的高8位地址，如果P2口不用作地址接口時，也可作為通用I/O接口使用，故它是一個準(zhǔn)雙向I/O接口。4.P3口（P3.0P3.7，1017引腳）我們一般用作I/O接口功能用，它的功能和P1口功能基本相同。(3)控制線：1.RST（9引腳）：復(fù)位信號引腳。+5V電源給51芯片供電時，時鐘電路開始工作，此時在此引腳上會出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平，即系統(tǒng)開始復(fù)位。2.ALE(30引腳)：地址鎖存允許信號。3.PSEN（29引腳）：片內(nèi)ROM選通線。20 4.EA/VPP:它們分別代表允許訪問外部程序存儲器/編程電源線。51內(nèi)部程序存

45、儲器內(nèi)存超過4KB地址時，就會讀取外部程序存儲器指令 。這里的復(fù)用引腳功18能體現(xiàn)在：在Flash編程期間,EA也接收12V的編程電壓。2.3.3 蜂鳴器報(bào)警電路蜂鳴器的報(bào)警電路的設(shè)計(jì)由一個三極管和一個蜂鳴器組成。當(dāng)電流和電壓超過正常范圍，單片機(jī)將給予一個高電平，蜂鳴器報(bào)警，并在液晶屏上及時做出提示。當(dāng)電流和電壓正常范圍內(nèi)時，單片機(jī)輸出信號為低電平，蜂鳴器不工作。與單片機(jī)的連接如圖2.3.4所示。圖2.3.4 報(bào)警電路2.4 顯示模塊2.4.1 LCD12864液晶顯示模塊簡介1、定義：我使用的這種分辨率是很高的液晶顯示模塊，再次想實(shí)現(xiàn)全中文人機(jī)交互圖形界面，只要利用自身靈活的接口方式和簡單方

46、便的操作指令即可實(shí)現(xiàn)，拿該液晶顯示原理與其他液晶顯示原理相比較，一方面價格是低于其它液晶模塊的，更重要的一方面是硬件電路結(jié)構(gòu)和顯示程序要簡單點(diǎn)2、基本特性：12。（1）低電源電壓供電：+3.0V- +5.5V；（2）顯示分辨率：128×64 點(diǎn)；（3）2MHz的時鐘頻率；（4）視角方向：6 點(diǎn)；（5）背光方式：功耗為普通LED 的1/5甚至只有1/10，側(cè)部白色LED；21 （6）無需片選信號，簡化軟件設(shè)計(jì)；（7）內(nèi)置DC-DC 轉(zhuǎn)換電路故無需外加負(fù)壓；（8）通訊方式：串行、并口均可使用。2.4.2 模塊主要硬件構(gòu)成說明控制器接口信號說明：1、RS，R/W的配合選擇決定控制界面的4種

47、模式；2、E信號如下表2：表2 E信號功能表E狀態(tài)高>低高執(zhí)行動作I/O緩沖送給DRDR送給I/O緩沖無動作結(jié)果配合W寫數(shù)據(jù)或者指令配合R讀數(shù)據(jù)或者指令無動作低/低 >高2.4.3 模塊接口說明表3 模塊接口說明表管腳號管腳名稱 電 平管 腳 功 能 描 述電源地123VSS0VVCC 3.0- +5V電源正V0-對比度（亮度）調(diào)整RS=H,DB7至DB0數(shù)據(jù)的顯示RS=L,DB7至DB0指令數(shù)據(jù)的顯示R/W=H,E=H,數(shù)據(jù)被讀到DB7至DB0R/W=L,E=HL, DB7至DB0數(shù)據(jù)被寫入IR或者DR使能信號4RS(CS） H/L5 R/W(SID) H/L6 E(SCLK) H/L78DB0DB1DB2DB3DB4H/LH/LH/LH/LH/L三態(tài)數(shù)據(jù)線三態(tài)數(shù)據(jù)線9三態(tài)數(shù)據(jù)線1011三態(tài)數(shù)據(jù)線三態(tài)數(shù)據(jù)線22 1213141617181920DB5DB6DB7NCH/LH/LH/L-三態(tài)數(shù)據(jù)線三態(tài)數(shù)據(jù)線三態(tài)數(shù)據(jù)線空腳RESET H/L復(fù)位端，低電平有效LCD驅(qū)動電壓輸出端背光源正端（+5V）背光源負(fù)端VOUT-AKVDDVSS注：字符顯示的RAM的地址與32個字符顯示區(qū)域有著一一對應(yīng)的關(guān)系，其對應(yīng)關(guān)系如下表4所示。表4 液晶屏顯示地址對應(yīng)的數(shù)據(jù)及文字80H電 壓