基于單片機(jī)C8051F020的電力參數(shù)測(cè)量

1、基于C8051F020單片機(jī)的電力參數(shù)測(cè)量摘要：當(dāng)今，電能作為一種重要的能源，與我們的生活、工作有著密切的聯(lián)系，因此如何來(lái)測(cè)量它的參數(shù)就具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文介紹了一種基于C8051F020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)為測(cè)控核心，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。系統(tǒng)能完成對(duì)變壓器副邊電壓、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，并采用按鍵控制、數(shù)碼管顯示，測(cè)量精度高，反應(yīng)速度快，界面清晰直觀。關(guān)鍵詞：C8051F020單片機(jī)；電力參數(shù)；偏差累積增量法；數(shù)值積分引言:在傳統(tǒng)的電力參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)中，多采

2、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)，在實(shí)時(shí)性方面受到了一定的限制。隨著微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，C8051F020單片機(jī)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。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)。系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)交流采樣方法交流采樣法，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。對(duì)周期為T的被測(cè)信號(hào)，設(shè)Ts為采樣周期，在一個(gè)周期內(nèi)于z、t、t、t時(shí)刻采01iN-1樣N個(gè)點(diǎn)，令t=0，如果有：0AT=NT-T=0SAt=t-iT=0iiS(2)i=0,1,N-1同時(shí)

3、成立，則稱采樣為理想同步采樣。這時(shí)第i次采樣點(diǎn)的采樣時(shí)刻t=iT/N(3)i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)格滿足式是很困難的。為此，定義同步采樣時(shí)間誤差匕來(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：=tiT/N(4)ii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)方法是：首先測(cè)取被測(cè)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)

4、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T/N之間會(huì)出現(xiàn)誤差，這一由量化原因引起的誤差，使式(1)得不到滿足。一些文獻(xiàn)稱AT為周期誤差。這時(shí)同步采樣時(shí)間誤差：-iTiT/N=iAT/N(5)iS可見在存在周期誤差時(shí)，同步采樣時(shí)問誤差g值隨i增大而增大。在高精度測(cè)量場(chǎng)合，ii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，從而即使T=o,式(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)

5、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，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)，t一般只會(huì)有幾個(gè)微秒。若不存在周期誤差T，則g=at，這一原因引起的同步采樣時(shí)iii間誤差較小?？梢娫谲浖綔y(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)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。

6、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To,則與采樣周期Ts對(duì)應(yīng)的定時(shí)器計(jì)數(shù)值為T/(NT)，它o0一般不為整數(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(zhǎng)。以H為定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，則會(huì)產(chǎn)生AT=NLT的周期誤差(若以H+1作為計(jì)數(shù)值，則0AT=NT-NLT)顯然，AT是由采樣周期Ts的實(shí)際值與理想計(jì)算值之間的偏差00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)偏差L進(jìn)行累加，對(duì)于第0次采樣，S

7、UM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SUMvl，則這次采樣的定時(shí)器計(jì)數(shù)值取H；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A(yù)TT。0采用這種方法，可能會(huì)使某些次采樣時(shí)的值增大一個(gè)T0，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。電力參數(shù)交流采樣算法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

8、，但考慮內(nèi)部A/D采集間隔會(huì)在很大程度上影響對(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)。具體算法如下：在非正弦波情況下，相電壓、相電流的有效值定義為：Urmsrms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知、kik，則有：UaFu2

9、ATkrmsTkkk-0k-0rms若采樣間隔ATk恒定為則N=T仏T。電流和電壓有效值公式為:Urms有功功率NP=Euikkk=0視在功率S二UIrmsrms無(wú)功功率Q=Qs2-P2功率因數(shù)Pcosp=一s其他的電力參數(shù)計(jì)算公式分別如下：:Nkk=0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。硬件設(shè)計(jì)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

10、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1所示：圖1系統(tǒng)整體框圖硬件設(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)介紹如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)部分C8051F020單片機(jī)電力運(yùn)行參數(shù)測(cè)量裝置是通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

11、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2所示：圖2單片機(jī)最小系統(tǒng)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)在電路回路中的電阻分壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。原理圖如圖3所示：圖3電壓電流采樣電路軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，各功能模塊由相應(yīng)的子程序來(lái)完成，使系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)清晰，便于調(diào)試和修改。系統(tǒng)軟件主要包含下列功能模塊：1)按鍵掃描及處理模塊；2)顯示模塊；3)電壓、電流采樣控制模塊；4)電壓、電流計(jì)算模塊；5)時(shí)鐘模塊。鍵盤響應(yīng)讀取測(cè)量值DC轉(zhuǎn)換結(jié)INT0中斷INT0中斷讀取T0,T1記數(shù)值，計(jì)算功率因數(shù)T2捕捉中斷，

12、計(jì)算系統(tǒng)頻率中斷服務(wù)程序啟動(dòng)T0，T1，T2進(jìn)行功率因數(shù)及系統(tǒng)頻率測(cè)量啟動(dòng)定時(shí)器T3ADC進(jìn)行定時(shí)采樣電力參數(shù)計(jì)算，在數(shù)碼管上顯示鍵盤中斷服務(wù)程序開始系統(tǒng)初始化圖4軟件流程圖在實(shí)際工作中是以實(shí)時(shí)測(cè)量電網(wǎng)參數(shù)為主要目的。通過一系列的軟件設(shè)計(jì)我們可以得到數(shù)據(jù)測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、選擇控制、實(shí)時(shí)顯示和實(shí)時(shí)輸入等功能子模塊，根據(jù)子模塊的方框圖，我們可以很清晰整個(gè)系統(tǒng)的工作流程，從而可以很容易的實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的診斷和系統(tǒng)的維護(hù)與操作。本系統(tǒng)流程圖如圖4所示：系統(tǒng)測(cè)試電阻負(fù)載負(fù)載（Q）變換器輸出有效值（V）本系統(tǒng)顯示值（V）系統(tǒng)電流值有效值（mA）本系統(tǒng)顯示值（mA）功率因數(shù)電壓誤差（）電流誤差（）7018.418

13、.29272269.50.9980.600.9210018.718.65195192.30.9980.271.3813018.918.90153152.40.99700.3916019.119.00127124.30.9970.522.1319019.219.11101100.90.9960.470.10阻感負(fù)載負(fù)載（Q）變換器輸出有效值（V）本系統(tǒng)顯示值（V）系統(tǒng)電流值有效值（mA）本系統(tǒng)顯示值（mA）功率因數(shù)電壓誤差（%）電流誤差（%）2019.219.2075.075.50.96200.674019.319.3070.169.90.96800.296019.319.3266.166.60

14、.9670.100.768019.319.3362.562.70.9680.160.3210019.219.2058.658.60.9690012019.219.2156.156.30.970.050.3614019.219.2354.254.30.9710.160.1816019.219.2752.552.60.9710.360.1918019.219.2850.050.70.9710.421.4020019.319.3048.249.00.97201.66幺士擊】五結(jié)束語(yǔ)本系統(tǒng)以C8051F020單片機(jī)為核心部件，利用軟件編程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)交流電壓值、交流電流值以及功率因數(shù)、有功功率、無(wú)功功率

15、、視在功率、系統(tǒng)用電量的測(cè)量及顯示。做到了線路簡(jiǎn)單，盡量減小電磁干擾，并充分利用軟件編程，彌補(bǔ)元器件的精度不足。參考文獻(xiàn)孫晉京基于ARM的嵌入式電力參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究D碩士論文西華大學(xué)，2007.錢君霞.基于MSP430F149的電力參數(shù)綜合監(jiān)測(cè)裝置的研究與開發(fā)D.碩士論文.電氣工程學(xué)院，河海大學(xué)，2005（3）.魏民智能型電力參數(shù)測(cè)試儀的研究與設(shè)計(jì)D碩士論文自動(dòng)化學(xué)院，武漢理工大學(xué)，2003.孫佐.AVR單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的電力參數(shù)測(cè)量裝置J.安徽池州：池州師專學(xué)報(bào)，2006(10).梅永，王柏林電力系統(tǒng)信號(hào)采集與諧波測(cè)量方法J電測(cè)與儀表，2008(9),總第45卷，第513期，5-9.戴先中準(zhǔn)同步

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