电力运行参数测量装置设计本科设计说明

编号： 本科毕业设计（论文）题目：（中文）电力运行参数测量装置设计（英文）The Design of Power Parameters Measuring Device毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作与取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得与其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了意。作 者 签 名：日 期：指导教师签名： 日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部容。作者签名： 日 期：学位论文原创性声明本人重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘要摘要当今，电能作为一种最重要的能源与我们的工作、生活有着密切的联系，因此如何来计量它就具有重要的现实意义。本文主要介绍了一种基于C8051F020单片机的电力运行参数测量装置，该装置采用单片机作为测控核心，能够自动完成电力供电线路的参数测定、运算和显示。本文详细地介绍了电力参数的测量原理，进行了硬件系统的设计和软件系统的设计，并重点介绍了电力参数的测量设计与实现。使用偏差累积增量法对软件同步算法进行改进，采用工程上常用的数值积分算法，将连续函数离散化来计算信号的有效值，完成对变压器副边电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率与系统用电量的测量。本系统采用按键选择、数码管显示，测量精度高，反应速度快，界面清晰直观。关键词单片机；电力参数；有效值；软件同步算法；数值积分The Design of Power Parameters Measuring DeviceAbstractABSTRACTNowadays, 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 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 hardware 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, discretization 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, fast response, clear and intuitive interface.KEYWORDSSingle-Chip; Power Parameters;RMS; Software Synchronization Algorithm; Numerical Integration目录摘要IAbstractII目录III1前言11.1电力监测装置的现状11.1.1感应式机械电能表11.1.2电子式电能表11.2电力监测装置的发展方向21.3本课题的背景和意义31.4本论文的主要工作32方案论证与选择42.1交流采样方法选择42.1.1交流采样法42.1.2软件同步采样与同步误差分析52.1.3改进的软件同步实现方法62.2电力参数交流采样算法72.2.1最大值法72.2.2半周期积分法72.2.3数值积分算法82.2.4离散傅立叶法92.3系统方案选择102.4子模块方案选择112.4.1电流电压的取样方案112.4.2频率测量方案122.4.3功率因数测量原理132.4.4功率因数测量法选择142.4.5电能计算原理153系统硬件设计与实现163.1单片机最小系统部分163.2键盘显示部分193.3电压、电流信号采集部分203.3.1电压、电流采样电路203.3.2电压、电流全波整流电路213.3.3电压、电流正弦波过零比较电路223.4数/模转换部分224系统软件设计244.1系统软件设计的指导思想和一般方法244.1.1单片微机的软件设计244.1.2软件结构设计244.1.3软件过程设计254.1.4软件设计的主要任务254.2系统软件的具体设计264.2.1按键扫描与处理显示模块264.2.2功率因数测量与计算模块274.2.3电压、电流软件同步采样模块284.2.4电压、电流计算模块314.2.5时钟模块325运行与调试335.1系统的调试335.1.1单片机最小系统部分的调试335.1.2采样单元的调试335.1.3软件的调试345.2测量数据355.3结果分析356结束语37致38参考文献39附录4055 / 611 前言1.1 电力监测装置的现状在工业生产和日常生活中，电能的质量越来越受到重视。电网电压、电流的过高或过低，都会影响到电器设备的正常使用和使用寿命。应用于电力系统的电力参数实时监测功能，在变电站一级一般都由远动装置来实现；而在日常生活中，一般只是利用电能表进行电量的计量，其原理是通过将有功功率对时间的积分来计算有功电能。目前，我国主要使用的电能表有两种：一种是感应式机械电能表：另一种是随着电子工业的发展而出现的电子式电能表，它是利用电流和电压作用于固态电子器件产生电能输出量的电能计量仪表。机械式电能表由于其稳定性和精度都不高，随着电力市场改革的不断深入，我国在各级电能计量系统的建立中，大部分已将机械式电能表更新为电子式电能表1。1.1.1 感应式机械电能表它是利用三个不同空间和相位的磁通建立起来的交变的移进磁场，在这个磁场的作用下，转盘上产生了感应电流，根据楞次定律，这个感应电流使得转盘总是朝着一个方向旋转。转盘的转动经蜗杆传递到计数器，累计转盘的转数，从而达到计量电能的目的。具有制造简便、可靠性好和价格便宜等特点，经过近一百年的不断改进与完善，感应式电能表的制作技术已经成熟。通过双重绝缘、加强绝缘和采用高质量双宝石轴承甚至磁悬浮（磁推）轴承等技术手段，其结构和磁路的稳定性得以提高，电磁振动被削弱，使用寿命大大延长，且过载能力明显增强。因此，至今在包括我国在的许多发展中国家甚至是一些发达国家里，感应式电能表仍作为主要计量工频电能的仪表被广泛使用。但是电力参数测量仪表通常是按工频正弦波形设计的，当电网存在谐波时，将产生测量误差。仪表的原理和结构不同，所产生的误差也不一样。随着电力系统的不断扩大以与对电能合理利用的探索，使感应式电能表暴露出准确度低、使用频率围窄、功能单一等缺点，为使电能计量仪器仪表适应工业现代化和电能管理现代化飞速发展的需求，电子式电能表应运而生。1.1.2 电子式电能表它是利用电流和电压作用于固态电子器件而产生电能输出量的电能计量仪表。由于电能是电功率对时间的积分，所以任何电子电路式计量方案的第一步就是确定电功率。因而，使用乘法器是实现测量电功率和电能的电子电路式测量方案的共同特点。近二十年来，大量新型电子元器件的相继出现，为电子式电能表的更新换代奠定了基础。模拟乘法器已发展成晶体管阵列平方乘法器、热偶乘法器、可变跨导型乘法器、双斜积分乘法器、霍尔效应乘法器、时分割乘法器等几种类型且多个品种系列；数字乘法器也已有若干种类。按所依托的乘法器类型的不同，可将电子式电能表分为模拟乘法器型电子电能表和数字乘法器型电子电能表。其中，数字乘法器型是以微处理器为核心，经PT、CT变换的被测电压和电流由A/D转换器完成数字化处理之后，微处理器对数字化的被测对象进行各种判断、处理和运算，从而实现多种功能。这种类型的电能表利用位数较多的A/D转换电路或自动量程转换电路，原理上可达到很高的配置准确度，且它在一定周期对电压、电流信号进行采样处理的方法，保证了测量准确度可不受高次谐波的影响。微电子技术和计算机技术的高速发展是电子式电能表迅速进步、日益成熟的主要技术支撑。准确度高、可靠性好的元器件以与大规模集成电路等的采用，使电子式电能表的使用寿命、准确度、稳定度等技术指标均显著改善。微机化令电子式电能表功能的增添变得容易，尤其是近几年多种单、三相电能计量专用集成电路的成功开发使过去由分立式电子元器件搭接而成的电能表电路改制成专门的集成电路芯片，如常用的CS5460A和ADE7753等，结果在不减少功能的前提下，使电能表的体积大大减小，功耗和单位功能的成本降低、成品率提高，并可简化电能表的电路设计，降低其工艺调整难度，从而能改进整个电能表电路系统的性能，而更重要的是使电子式电能表可靠性明显提高2。1.2 电力监测装置的发展方向国新型多功能电力参数测试仪正朝着以下几个方面发展：1) 体积小型化早期这类测试仪的体积比较大，安装和使用场合受到诸多限制。目前代表电力参数测试仪发展方向的全电子式多功能电能表在体积、重量两方面都远小于机械式或机械电子式电能表，一些测试仪己经按照便携式标准进行设计。2) 功能多样化除了计量电量的基本功能外，又增加了最大需量、脉冲输出的功能。一些先进的多功能电力参数测试仪增加了固定汉字显示、红外线抄表接口、智能接口等功能，还可以同时计量有功电能、无功电能，记录失压，监测负荷等，做到一表多用。3) 功耗减小由于采用低功耗元件，以与具有电源管理模块的芯片，使芯片本身以与整个系统的功耗大大降低。某些多功能测试仪的视在功率能做到2VA以下，停电维持时电流能做到lmA以下。后备电源的供给采用高效锂电池。4) 可视化人机接口使用高效发光二极管和低功耗液晶显示器已成为电力参数测试仪的发展趋势。这两种显示器可显示的容更多，逐步取代了传统的继电器、步进电机和机械数码轮显示方式3。1.3 本课题的背景和意义电自从其诞生初，就开始改变着我们的生活。时至今日，电作为一种最重要的能源跟我们的工作、生活紧密地联系着，可以这么说，如果没有了电，人类社会就不能正常地运转，整个社会就会混乱。电作为这么重要的能源，如何来计量它就具有了重要的意义。单相交流电之电力运行参数测量装置拥有电度表（电能表）的功能，可以显示当前电流、电压值，测量并显示功率因数、有功功率、无功功率、视在功率与系统消耗的电能。在传统的电力参数测量系统中，多采用8051、80C196等普通单片机作为微控制器。由于其指令周期长、在高速采样和实时性方面受到一定的限制。随着微电子技术的不断进步，C8051F020单片机技术体现了单片机集多种器件(包括看门狗，FLASH程序存储器，同、异步串行口，A/D转换器，定时器，计数器等)和多种功能(增强可靠性的复位系统、降低功耗抗干扰的休眠模式、品种多门类全的中断系统、具输入捕获和比较匹配输出等多样化功能的定时器、计数器)于一身，从“片自为战”向片上系统过渡的发展方向。本文将详细介绍高速微控制器C8051F020在电力参数测量系统中的应用和实现4。1.4 本论文的主要工作论文的主要容如下：完成装置的设计和各部分功能软硬件调试，在论文中以原理图、流程图、程序等形式详细介绍了装置电压电流采样、数据采集计算、键盘显示处理单元的功能实现过程，并总结了每个单元调试过程中发现的问题，使C8051F020单片机的诸多特点得到更好的应用，通过实际调试总结了装置中误差存在的硬件和软件原因，并提出了减小误差的方案。2 方案论证与选择2.1 交流采样方法选择交流采样法，即直接对连续的模拟信号进行等间隔采样，再用特定的数值算法进行处理。但由于存在栅栏效应和频谱泄漏，采样前常需要采取同步措施校准。根据校准措施不同，交流采样法可分为同步采样法和准同步采样法5。2.1.1 交流采样法1) 同步采样法同步采样法是指采样时间间隔Ts、被测交流信号周期T0和一个周期采样点数N之间满足关系式。但实际采样中不一定是一个整周期，故同步采样法需要保证采样截断区间等于被测连续信号整周期的整数倍。同步采样法的实现方法有两种：硬件同步采样法和软件同步采样法。软件同步采样法一般实现方法是：首先测出被测信号的周期T，用该周期除以一周期采样点数N，得到采样间隔，进而确定定时器的计数值，利用定时中断方式实现同步采样。硬件同步采样法是：由专门的硬件电路产生同步于被测信号的采样脉冲。硬件同步采样一般是利用锁相频率跟踪原理实现同步等间隔采样的，电路如图2-1所示：图2-1 倍频锁一样步电路在相位比较器PD、低通滤波器LP、压控振荡器VCO构成的锁相环加入N分频器，输入被测信号的频率fi，作为锁相环的基准频率，输出fo为采样频率。fo经N分频后与fi相比较，根据锁相环工作原理，锁定时，即。由于锁相环的实时跟踪性，当被测信号频率fi变化时，电路能自动快速跟踪并锁定，始终满足的关系，即采样频率为被测信号频率的整数N倍，从而实现一周期等间隔采样N点。2) 准同步采样法实际采样测量中，采样周期经常不能与被测信号周期实现严格同步，即N次采样不是落在2区间上，而是落在2+区间上（称为同步偏差或周期偏差），产生了同步误差。为解决该项误差，在八十年代初，清华大学戴先中教授提出了准同步采样法6，即在|不太大的情况下，当满足N(2+)M/2（M为最高谐波次数）时，通过增加采样数据量和增加迭代次数来提高测量准确度。它不要求采样周期与信号周期严格同步，不要求同步环节，对第一次采样的起点无任何要求。准同步采样降低了对信号频率、采样时间间隔和振荡器频率的要求，因此可以用要求低的振荡器代替同步采样中要求高的同步环节，使测量装置简单，简化电路。准同步采样采样周期不要求与信号周期同步，不需要同步环节，但它需要通过增加采样周期和每周期的采样点数并采用迭代运算的方法来消除同步误差，所需数据较多，计算量较大，运算时间长，不适合多回路、多参量、实时性要求高的交流测量系统，而且受短暂突发性干扰的影响可能性比同步采样法大。同步采样可以用硬件实现，也可以用软件实现。用软件实现可以省掉硬件同步环节，简化装置结构，降低成本，所以本系统采样软件同步采样方法。然而目前常规的软件同步实现方法中，存在的同步误差限制了软件同步采样系统测量精度的进一步提高，使它不能满足诸如电能计量、电压电流高次谐波分析等高精度测量场合的需要。因此，有必要对目前的软件同步实现方法产生同步误差的原因进行分析，并找到抑制误差的措施7。2.1.2 软件同步采样与同步误差分析对周期为T的被测信号在一个周期于、时刻采样N个点，令，如果有：(2-1)(2-2)同时成立，则称采样为理想同步采样，Ts为采样周期。这时第i次采样点的采样时刻(2-3)然而同步总是相对的，绝对同步只是理想的情况。在实际同步采样系统中，要严格满足式(2-3)是很困难的。为此，定义同步采样时间误差来表示第i次采样点的实际采样时刻与其理想同步采样时刻的偏差：(2-4)目前，利用采样值进行工频电参量测量的理论和方法大多建立在理想同步采样基础上的。当存在同步采样时间误差时，测量精度必定会受到影响。软件同步采样时间误差的产生与软件同步的实现方法密切相关。目前软件同步的一般实现方法是：首先测取被硝电信号的周期T，然后计算采样周期并确定定时器的计数值，用定时中断方式实现同步采样。由于定时器的计数周期受定时器最大计数频率的限制不可能无限小，而微机的采样周期TS必须以定时器计数周期的倍数来表示，从而微机实际采样周期TS与理想计算值之间会出现误差，这一由量化原因引起的误差，使式(2-1)得不到满足。一些文献称T为周期误差。这时同步采样时间误差：(2-5)可见在存在周期误差时，同步采样时问误差值随i增大而增大。在高精度测量场合，i通常须取得比较大，这时同步误差可能达到一个比较大的值。同步采样时间误差的另一产生原因是，在软件采样时，CPU对定时中断的响应时间有一定的随机性，从而即使T=0，式(2-2)也得不到完全满足。CPU的中断响应时间与定时器发出中断请求信号时刻CPU是否在执行其它中断服务程序；正在执行的当前指令是否允许CPU立即响应中断；当前执行指令的指令周期长短与当前指令已经执行到哪一个机器周期等因素有关。一般来说，应保证定时中断采样时对其它中断源的中断不予响应。在这一前提下，经过合理安排，微机中断响应的最长时间和最短时间的差值通常可限制几个微秒，ti一般只会有几个微秒。若不存在周期误差T，则，这一原因引起的同步采样时间误差较小。可见在软件同步测量系统中，周期误差是影响测量精度的主要原因。可通过一种软件同步实现方法减小误差，它通过在采样过程中修改定时器的计数值，动态确定采样周期来减小周期误差。该方法不须对测量数学模型进行任何修改8。2.1.3 改进的软件同步实现方法设定时器的计数周期为T0，则与采样周期Ts对应的定时器计数值为，它一般不为整数，对它截掉小数取整，得正整数H，截掉的小数部分为L。以H为定时器的计数值，则会产生的周期误差（若以H+1作为计数值，则）显然，是由采样周期Ts的实际值与理想计算值之间的偏差引起的。在采样过程中，偏差随i值增大而不断增大，使采样点偏离同步采样点的程度不断加剧。要减小周期误差，必须消除偏差L的累积效应。为此，须对在采样过程中定时器计数值取常数的常规作法进行改进，偏差累积增量法就是这样一种算法。设置一单元SUM对偏差L进行累加，对于第0次采样，SUM的初值为0。第i次采样时，SUM的值为第i-1次采样时的SUM值与L的和。在每次采样前考察SUM的值，若SUM1，则计数值取H+1，并对SUM减1。继续上述过程直至一个工频周期的采样完成。这种作法可使偏差L不产生累积，从而保证在一个工频周期L引起的周期误差。采用这种方法，可能会使某些次采样时的|ti|值增大一个，但由于一般很小，由相对周期误差引起的测量误差亦很小910。2.2 电力参数交流采样算法电力参数的准确、快速测量对于实现电网调度自动化、保证电网安全与经济运行具有十分重要的意义。电网频率并不是固定不变的，而是在50Hz附近波动。传统的直流采样算法不能与时反映被测量的突变，精度与稳定度受变送器的影响很大，己逐渐不能满足系统的需要。随着人们对测量精度、性能的要求越来越高，在目前应用于电力系统的各种测量控制仪表中，交流采样就越来越受人们的青睐。交流采样是按照一定的规律对被测物理量的瞬时值进行采样，用一定的算法计算出被测物理量的有效值。目前国外已经提出和实现了许多交流采样的算法。由于采用的具体原理不同，在硬件软件的配置上也不一样，以致系统的精度和造价也不一样。在应用中应根据实际情况选择最适宜的交流采样算法1112。2.2.1 最大值法即通过采集每周波的最大值求有效值：(2-6)此方法适宜输入信号为纯正弦周期信号情况，多次采集求平均值可减小误差11。2.2.2 半周期积分法半周期积分法的依据是一个正弦量在任意半个周期绝对值的积分为一常数S，积分值和积分的起始角无关。（2-7）式（2-7）可以用梯形法近似求出：（2-8）式（2-8）中 第k次采样值；一周期的采样点数；k=0时的采样值；k=N/2时的采样值。只要采样频率足够高，用梯形法近似积分的误差可以做到很小。求出积分值S后，应用式(2-7)可以求得有效值：(2-9)半周期积分法有一定的滤除高频分量的能力，因为叠加在基频成分上的幅度不大的高频分量在算法中其对称的正负半周互相抵消，剩余的未被抵消的部分所占的比重就相应减少了，但是该算法不能抑制直流分量。此算法运算量小，可以用非常简单的硬件实现。在要求不高的场合可以采用这一算法1。2.2.3 数值积分算法在非正弦波情况下，相电压、相电流的有效值定义为： (2-10)(2-11)在对电流电压采样时，每个周期采样N点，采样间隔为T，得到离散化采样序列、，则有：(2-12)(2-13)若采样间隔Tk恒定为T，则N=T/T。电流和电压有效值公式为：(2-14)(2-15)其他的电力参数计算公式分别如下：有功功率(2-16)视在功率(2-17)无功功率(2-18)功率因数(2-19)积分和法的精度与采样点数N和采样的同步度有关。在系统速度允许的情况下，可以增加采样点数以提高运算精度，一般每周波可采样几百点。该算法实时性强，算法简单，能够计与信号中高次谐波的影响，在不需要测量基波和各次谐波参数值的情况下，可以选用此算法2。2.2.4 离散傅立叶法傅立叶算法的基本思路来自傅立叶级数。根据微积分理论，任何一个满足Dirichlet条件的函数都可以展开成傅立叶级数形式。电压信号的傅立叶级数形式为：(2-20)式中、为电压信号的傅立叶级数系数。设对每周期均匀同步采样N点，得到序列，对序列作离散傅立叶变换：(2-21)由于：(2-22)(2-23)积分离散化后得：(2-24)(2-25)比较式(2-21)(2-24)(2-25)得出：(2-26)(2-27)这样可求出第k次谐波电压的振幅、相角、有效值：振幅(2-28)相角(2-29)有效值(2-30)电流的计算方法类似于电压。由于非正弦周期函数的有效值等于信号中各次谐波的有效值的平方和的平方根，因此电压、电流的有效值分别为：(2-31)同理，对于有功功率，若将，若将、分别用傅立叶级数表示再展开，并考虑正弦函数的正交性，可得：(2-32)离散傅立叶算法可以计算出各次谐波的参数值，总的电参数由各谐波分量求出。该算法不需增加硬件滤波装置，就具有很强的滤波能力，这样减少了前向通道误差，降低了系统成本。但傅立叶算法复杂。运算量大，虽然可以采用FFT算法提高运算速度，所需时间仍大大高于积分和法。积分和法对信号每周波采样几百点是很容易实现的，傅立叶算法较难达到3。 2.3 系统方案选择方案一：该方案采用MCS-51单片机，通过真有效值转换芯片LTC1966将电压、电流有效值转化为直流电压，并通过单片机控制ADC0809进行采样，测量电压电流有效值，使用8279进行键盘与数码管显示控制。方案二：该方案采用DSP作为核心处理器，通过外接多通道A/D来完成电压、电流数据采集、DSP数据处理、键盘显示，可以保证在足够高的采样率下，依靠DSP芯片的特殊结构和极高的运行速度实现各种各样的控制和测量算法，实现了高精度的同步数据采集处理。方案三：该方案以C8051F020单片机为核心，使用单片机部12 位、100 ksps 的8 通道ADC进行电压和电流的软件同步采样测量，并采用工程上常用的数值积分算法，将连续函数离散化来计算信号的有效值，并使用数码管显示驱动与键盘扫描管理芯片ZLG7289进行键盘与数码管显示控制，实现测量并显示变压器的副边电压电流以与实验系统的功率因数有功功率、无功功率、视在功率和系统的用电量。电力运行参数测量装置设计方案选择：方案三采用了C8051F020单片机作为核心的控制部件，因为它有丰富的I/O线，可作输入输出使用，提供了多达5个定时器、计数器和丰富的中断系统与高达100 ksps 的8路A/D转换；这在设计系统时为我们提供了极大的方便，用它实现的好处在于，外围电路较为简单，另外在ADC的编程方面又提供了极其便利的编程环境。方案一采用了8位的MCS-51单片机，需要外加两路A/D转换与真有效值转换芯片，外围电路比较复杂，且由于其指令周期长、在高速采样和实时性方面受到一定的限制。方案三采用了DSP芯片，现在技术比较先进的DSP虽然可以在数字处理上达到很高的速度和精度，但因大部分DSP部不带A/D，需要外接多通道A/D来实现采集，这除了会增加硬件成本，还会影响整个装置的可靠性，同时，DSP的开发工具比较昂贵，这不太符合本装置低成本设计的目的。交流直接采样方法测量交流电量的算法虽有多种，但较实用有三种，即最大值法、积分法和傅里叶变换法。最大值法适宜输入信号为纯正弦周期信号情况，多次采集求平均可减小误差，但考虑部A/D采集间隔会在很大程度上影响对峰峰值的检测，会使测量不准。傅里叶变换法是将离散的采样值经过离散傅里叶变换(DFT)转换到频域，求出基波和谐波分量，再求有效值与平均功率。实际使用中可以采用快速傅里叶变换(FFT)以提高运算速度，但是计算量仍然偏大。积分法就是从连续周期信号有效值的定义和功率的定义出发，用数值积分近似代替连续积分进行计算的方法。采用积分法微机计算量较小，装置实时性好，适合以单片机为核心进行设计。故结合实际，在借鉴现有产品的基础上，本系统利用C8051F020单片机方案，并采用工程上常用的数值积分算法，软件同步采样将连续函数离散化来计算信号的有效值，并使用偏差累积增量法改进软件同步算法，进而计算系统电压、电流有效值等 4 13。2.4 子模块方案选择2.4.1 电流电压的取样方案方案一：隔离采样的方案采用电压互感器、电流互感器分别实现对电压、电流测量。通过电压互感器对变压器副边输出的28V交流电压采样得到相应电压值，采样电压。如图所示通过运放跟随、全波整流，放大后送入A/D转换，单片机计算得到有效值。该方法的优点是对负载的电压、电流大小影响小。但互感器实质为变压器，如果系统中荧光灯之类的负载较大时，电流含有较大的3次谐波分量；由于引入了互感，所以对副边的相位产生影响，容易产生误差，对功率因数测量不利14。图2-2 隔离采样原理图方案二：电阻分压方案电流采样电路采用在变压器副边串入一定数值的电阻，并取样该电阻两端分压，通过测量来反映电流值；电压采样电路采用在变压器副边并入一定数值的两个电阻，在其中一个电阻两端进行取样。该方法的优点是不会对回路产生相位测量误差，并且操作方便；缺点是会对副边电流产生影响，但在经过计算比较后发现影响不大。图2-3 电阻分压采样原理图由于给定的28V交流电压是经过互感得到的，可以不再考虑电网隔离问题，而且电压互感存在产生不确定的相移，虽然可以用程序修正，但带来不必要的麻烦。因此我们采用方案二电阻直接分压的方式。2.4.2 频率测量方案方案一：记数一秒测频率方案将采样得来的电压信号经过过零比较，然后将产生的方波信号送入单片机T0口进行计数，定时一秒钟，计数值即为电源频率。方案二： 可编程计数器T0来实现频率的测量方案将被测信号转换为方波信号输入INT0端口，作为计数器的门控信号，在脉冲下降沿中断，单片机定时器开始计数，下一次中断时停止计数。换算得到信号的周期时间T，F=1/T得到频率。方案三： 可编程计数器T2来实现频率的测量方案将被测信号转换为方波信号输入T2EX端口，作为计数器的控制信号，使定时器、计数器T2工作在16位捕捉方式，记数初值取0，使T2循环的从0开始计数，每次溢出时置“1”EXF2，溢出周期为固定的，读出RCAP2L和RCAP2H，换算可得到信号的周期时间T，F=1/T得到频率。该方案硬件简单且频率测量精度高。由于工频电网频率较低约为50HZ，故采用测周期取倒数的方法得到频率。直接采用单片机计数的办法可能得到的误差为1/50=2%，误差较大。采用方案二，首先测周期采用周期倒数的办法求频率，这样测量精度为1/N(N为单片机20ms计数值大概为18432)误差只有0.0054%。方案一测量精度不高，故放弃。而方案二需同时使用定时器、计数器T0和外部中断0，使用资源较多而增加编程难度，使用方案三，只需使用定时器、计数器T2，编程简单、资源占用少，所以选择方案三测量频率。2.4.3 功率因数测量原理要检测供电系统中的功率因数，只须测量两个同频率正弦信号的相位差15。如图2-4所示： 图2-4 电压与电流的时间差t电网中的交流电压周期T可以通过求取频率得到，只要能测出t值。就可用下式求得相位差其中为电压信号与电流信号过零点的时间差。因此，问题的关键是求时间差t。为此，把两个正弦交流信号通过零检测器转换为一样频率的方波，取其正半周，其波形如图2-4所示。在一般的感性负载电路中，电流总是滞后电压一段时间t。在该设计中，采用相位法检测电压电流的相位差，其指导思想是功率因数的定义，即。可见，若将检测到的电网电压、电流经波形变换为方波信号后，利用单片机测控系统检测两方波前沿的时间差值t，即得相位差为，t的单位为ms，从而可得电网功率因数。其对应的过程如图2-5所示，实际测量t时，主要利用了单片机的计数和中断功能。图2-5 电压、电流由正弦信号变成方波信号2.4.4 功率因数测量法选择方案一：将电压、电流信号分别经过过零比较器，产生TTL信号。方波的上升沿和下降沿分别与振荡正弦波信号的正负过零点对应，产生的两个TTL信号作为单片机的两个外部中断源。中断触发方式为脉冲下降沿触发方式，且外部中断0优先级高于外部中断1。单片机开机后等待外部中断INT0与INT1，当INT0中断响应时，定时器、计数器T0开始计数，当INT1中断响应后，定时器、计数器T0停止计数，此时，T0中的值便是与相位差相对应的计数值。方案二：将电压、电流信号分别经过过零比较器产生TTL信号，把电压信号和电流信号进行异或后与单片机的INT0相连，利用单片机的计数器T0在INT0高电平时才允许计数，在下降沿时触发INT0中断，而停止计数，读出的计数值N1，进行换算后可得t，进行相位差计算。方案三：将电压、电流信号分别经过过零比较器，产生TTL信号，将电压U支路与单片机的INT0脚相连，利用单片机的计数器T0在INT0高电平时才允许计数，在下降沿时触发INT0中断，而停止计数，读出半个周期的计数值N1。电流I支路与单片机的INT1脚相连，计数器T1在INT1为高电平时，也进行计数，但在INT0中断时就停止计数，读出相应的计数值N2，N2-N1即为时间t。以上三种方案的基本原理一样，都是通过利用单片机的中断和计数器来求取电压电流的相位差。鉴于方案二需要进行异或操作，需增加相应的芯片，会增加PCB的制作难度，提高成本，而方案三编程简单，且当进行计算得出的时可与系统时钟无关，只与计数值的比值有关，具有更大的通用性，有故选用方法一。从系统组成可以看出，该电路的负载是接近线性的，利用上述方法可以比较准确的测出电压和电流的相位差。2.4.5 电能计算原理对于一个负荷，在时段消耗的电能W可以表示为瞬时功率在该时段上的积分：(2-33)对上式离散化可得：(2-34)其中，则式(2-27)可改为(2-35)其中，P为有功功率，则上式即为所求的有功电能，为计算的时间差，为在各个时间点必须计算准确，故本设计采用每秒计算保存一次的方法，即，因有功功率的单位为kW，l度电能定义为1kwh，即3600kWS，故则当上式值累计到3600时，电能值加1，这样可以得到比较准确的电能计算值2。3 系统硬件设计与实现此系统是以C8051F020为主控制器，系统把取样采集电路得来的两路信号分别通过放大、整流, 再通过A/D转换芯片，实时把模拟量转化为数字量，再经单片机分析处理，进行数值积分，可得到变压器副边电压值、电流值、电源的频率以与该系统的功率因数、有功功率、无功功率和系统消耗的电能，并送到外部显示单元显示。系统整体的方框图如图3-1所示：图3-1 系统框图硬件设计具体包括单片机最小系统部分（键盘、显示）、信号采集部分、数模转换部分。下面将各部分详细介绍如下：3.1 单片机最小系统部分常用的单片机有8位机、16位机与32位机。由于我们的系统中CPU负担并不重，所以8位机就够了。常用的8位单片机有很多种：如Intel公司的8051、8031系列，ATMEL公司的89系列与Cygnal公司推出的C8051F系列。虽然它们在硬件结构上相似，但在功耗、抗干扰、部模拟和数字资源等方面后者都占较大优势。随着微电子技术的不断进步，C8051F系列单片机技术体现了单片机集多种器件和多种功能于一身，从“片自为战”向片上系统过渡的发展方向。考虑到我们所需要的程序存储器的空间以与存单元，选择了C8051F020作为该系统的控制器。单片机电力运行参数测量装置是通过硬件与软件密切配合完成的。其硬件装置的作用是对电压信号、电流信号采样，把它们转换成适合微机处理的信号，在设计具体电路时要考虑便于与单片机连接，故本系统采用C8051F020单片机构成了一个带数码管显示与键盘的单片机最小系统。最小系统方框图如图3-2：图3-2 单片机最小系统方框图C8051F020在本系统中应用的接口设计： AIN00接全波整流后的电压信号； AIN01接全波整流后的电流信号； P2.0接正弦波过零比较的电流TTL信号； P2.1接正弦波过零比较的电压TTL信号； P2.2接正弦波过零比较的电压TTL信号； P3.4接ZLG7289芯片的CS管脚； P3.5接ZLG7289芯片的CLK管脚； P3.6接ZLG7289芯片的DIO管脚； P3.7接ZLG7289芯片的INT管脚；C8051F020介绍80C51系列单片机与其衍生产品在我国乃至全世界围获得了非常广泛的应用。单片机领域的大部分工作人员都熟悉80C51单片机，各大专院校都采用80C51系列单片机作为教学模型。随着单片机的不断发展，市场上出现了很多高速、高性能的新型单片机，基于标准8051核的单片机正面临着退出市场的境地。为此，一些半导体公司开始对传统8051核进行大的构造，主要是提高速度和增加片模拟和数字外设，以期大幅度提高单片机的整体性能。其中美国Cygnal公司推出的C8051F系列单片机把80C51系列单片机从MCU时代推向SoC时代，使得以8051为核的单片机上了一个新的台阶。 C8051F系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051兼容的CIP-51微控制器核，采用流水线结构，单周期指令运行速度是8051的12倍，全指令集运行速度是原来的9.5倍。熟悉MCS-51系列单片机的工程技术人员可以很容易地掌握C8051F的应用技术并能进行软件的移植。但是不能将8051的程序完全照搬的应用于C8051F单片机中，这是因为两者的部资源存在较大的差异，必须经过加工才能予以使用。其中C8051F020以其功能较全面，应用较广泛的特点成为C8051F的代表性产品，其性能价格比在目前应用领域也极具竞争力。C8051F020器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64个数字I/O引脚。下面列出了一些主要特性： 高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51核（可达25MIPS） 全速、非侵入式的在系统调试接口（片） 真正12 位、100 ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关 真正8 位500 ksps 的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关 两个12 位DAC，具有可编程数据更新方式 64K字节可在系统编程的FLASH存储器 4352（4096+256）字节的片RAM 可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口 硬件实现的SPI、SMBus/ I2C和两个UART串行接口 5个通用的16 位定时器 具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列 片看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器具有片VDD 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F020 是真正能独立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。FLASH 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。片JTAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU 进行非侵入式（不占用片资源）、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步与运行和停机命令。在使用JTAG 调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。每个MCU 都可在工业温度围（-45到+85）用2.7V-3.6V 的电压工作。端口I/O、/RST 和JTAG 引脚都容许5V 的输入信号电压16。图3-3 C8051F020原理框图3.2 键盘显示部分常用的按键接口一般分为“独立式按键接口设计”、“矩阵式接口设计” 和“专用芯片式设计”几种。独立式按键接口设计优点是电路配置灵活，软件实现简单，但效率不高。矩阵式接口按键优点是可提供的按键多，但软件实现复杂。专用键盘芯片可以综合独立式按键接口设计电路配置灵活，软件实现简单的优点，又可以像矩阵式一样提供数量众多的按键。本系统主要使用数码管来显示当前测得的电压、电流和功率等数据，显示精度要求为4位数字。显示的数据已经通过测量电路测量和转换以与通过相应的计算处理，存储在指定的RAM中，当主程序执行到显示模块时，执行对应的显示子程序。本系统采用ZLG7289数码管显示驱动与键盘扫描管理芯片，可直接驱动8位共阴式数码管（或64只独立LED），同时还可以扫描管理多达64只按键。ZLG7289B部含有显示译码器，可直接接受BCD码或16进制码，并同时具有2种译码方式。此外，还具有多种控制指令，如消隐闪烁左移右移段寻址等。ZLG7289B采用SPI串行总线与微控制器接口，仅占用少数几根I/O口线。利用片选信号，多片ZLG7289B还可以并接在一起使用，能够方便地实现多于8位的显示或多于64只按键的应用。图3-4 ZLG7289典型应用电路原理图ZLG7289特点： 串行接口无需外围元件可直接驱动LED 各位独立控制译码/不译码与消隐和闪烁属性 循环左移/循环右移指令 具有段寻址指令方便控制独立LED 64键键盘控制器含去抖动电路3.3 电压、电流信号采集部分3.3.1 电压、电流采样电路根据电压和电流在电路中的特点，电压取样电路可采用并联在电源两端来实现。电流取样电路可采用串联在电路回路中的电阻分压来实现17。原理图如图3-5所示：图3-5 电压电流采样电路图3.3.2 电压、电流全波整流电路由于A/D转换器不能识别正负交替的交流信号，需用整流电路来处理。一般有全波整流和半波整流两种方法，这里用全波整流电路来实现幅值的翻转18。如图3-6为全波整流的原理图：图3-6 全波整流电路图半波整流和全波整流电路看似差不多，但当交流电波形有漂移时候，半波整流电路无法测出，此时全波整流则整流得到两种幅值的半波。把他们送进单片机，可以通过软件的计算使信号有漂移时所得的两种幅值相互补偿，提高了测量的精度。所以，本设计中将从变压器副边采样得来的电压信号通过放大转换、全波整流后送入单片机的A/D转换为数字量9。3.3.3 电压、电流正弦波过零比较电路从变压器副边采样得到的电压与电流信号，送到过零检测电路中。过零检测电路主要是由LM339运算放大器芯片完成的。将电压波形变换可直接接到比较器的两个输入端，其反相输入端接地，作为过零电压的参考电压。这样TTL信号由LM339输出端输出，由于C8051F020工作电压为3.3V，所以LM339的正电源接3.3V。由于电网中会出现电压不稳的情况，所以在过零比较前加入由两个二极管组成的稳压的电路。原理图如图3-7所示：图3-7 过零比较电路图本系统中需要获得功率因数，就要求获得电压、电流的相位差。其相位相差计时电路，利用单片机部定时器计数器来测量。本系统使用的是C8051F020的定时器、计数器T2，检测电压周期T，进而得出电源频率；外部中断入口INT0和INT1检测电压、电流相位差。将电压U支路与单片机的INT0脚相连，利用单片机的计数器T0在INT0高电平时才允许计数，在下降沿时触发INT0中断，而停止计数，读出半个周期的计数值N1。电流I支路与单片机的IINT1脚相连，计数器T1在INT1为高电平时，也进行计数，但在INT0中断时就停止计数，读出相应的计数值N2，有公式可求出电压和电流的相位差，并存入指定的存储空间，以便计算功率因数的值。3.4 数/模转换部分C8051F020的ADC0子系统包括一个9通道的可编程模拟多路选择器（AMUX0），一个可编程增益放大器（PGA0）和一个100ksps、12位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器。AMUX0、PGA0、数据转换方式与窗口检测器都可用软件通过特殊功能寄存器来控制，ADC0所使用的电压基准可以外接或使用部基准。只有当ADC0控制寄存器中的AD0EN位被置“1”时ADC0子系统（ADC0、跟踪保持器和PGA0）才被允许工作。当AD0EN位为0时，AD0C子系统处于低功耗关断方式。图3-812位ADC0功能框图9通道12位高速ADC，其采样速率最高可达100ksps，根据香农采样定理：采样频率fs至少是原信号最高频率fc的2倍以上，即fs2fc才能准确地恢复原信号。而实际应用中，当频率稍高于fc时仍有小部分信号分量存在，在fs=2fc时，经过取样所产生的副瓣频谱将有一小部分和有用信号频带重叠引起失真。基于上述原因，采样频率必须稍大于上述香农采样定理中理想的最小值，一般可取fs=(2.53)fc。由于本装置需要测量信号(50Hz)，所以采样频率最好达到 (150Hz)以上。在ADC中选择2MHz的晶振，根据C8051F020的AD转换速度，转换一次需要16个SAR时钟，则一次AD需要16*0.5=8us，这样，根据AD的采样速率，其一个工频周期最高可以采样2500次，而本装置考虑到部RAM以与实际计算量的大小，每个工频周期采样128个点，即采样频率达(6400Hz)，这样不但满足上述采样定理的要求，而且完全在AD的采样速率围，且ADC的12位分辨率也使装置达到很高的精度2 16。4 系统软件设计系统软件结构采用模块化设计，各功能模块由相应的子程序来完成，使系统软件结构清晰，便于调试和修改。系统软件主要包含下列功能模块：1) 按键扫描与处理模块；2) 显示模块；3) 电压、电流采样控制模块；4) 电压、电流计算模块；5) 时钟模块。本系统涉与的计算、处理工作很多。汇编语言编译效率高，但计算能力不强，较大规模的复杂程序设计困难，且开发周期长，可读性与维护性都比较差。系统软件编程语言采用C语言，C语言是一种结构化程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具有汇编语言的功能。C语言库函数丰富，运算速度快，具有良好的可移植性，而且可以实现直接对系统硬件的控制。目前的C语言编译器编译效率很高，可达到最优汇编程序的1.2倍-1.5倍，软件采用模块化程序设计，利于程序的调试和维护，C语言在这些方面具有得天独厚的优点。4.1 系统软件设计的指导思想和一般方法4.1.1 单片微机的软件设计一般对于较大规模软件的设计主要分为两个阶段完成：首先进行结构设计，然后进行过程设计。结构设计主要是确定程序由哪些模块组成，以与这些模块之间的关系；过程设计确定每个模块的处理过程，也即是详细设计阶段的任务。4.1.2 软件结构设计进行软件的结构设计，首先要从实现角度把一个复杂的系统的功能进行分解。结合算法描述仔细分析数据流程图中的每个处理，如果一个处理的功能过分复杂，就必须把它的功能适当地分解成一系列比较简单的功能模块。模块化就是把程序划分成若