電力參數(shù)簡易檢測儀設(shè)計方案

1 電力參數(shù)簡易檢測儀設(shè)計方案 隨著電力的迅速發(fā)展和用戶對用電管理水平要求的不斷提高，電力系統(tǒng)越來越復(fù)雜。工業(yè)的發(fā)展、科技的進步，電力工業(yè)向大容量方向發(fā)展，企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)管理對工業(yè)電力準(zhǔn)確計量不斷提出新的要求，節(jié)能降耗是現(xiàn)代工業(yè)進步的主要標(biāo)志之一。提高電能有效利用率，對電能質(zhì)量進行綜合監(jiān)測與治理，已成為迫切需要解決的問題。要實現(xiàn)對電能質(zhì)量的綜合治理，就必須實現(xiàn)電能質(zhì)量的在線分析與實時監(jiān)測，以了解電能質(zhì)量的水平。作為電力管理系統(tǒng)組成部分的電參數(shù)測試儀也起著越來越重要的作用，然而傳統(tǒng)的電參數(shù)測試儀的功能單一，若要測量 多種電參數(shù)，則需要多個單項儀器，這一方面造成設(shè)備的浪費，另一方面同步測量難以保證，給測試和分析帶來了困難。 因此，本課題目的在以單片機為核心的工頻檢測系統(tǒng)的硬件簡單、功能較強，測量準(zhǔn)確度高，且對系統(tǒng)的時漂、溫漂可用軟件消除，不需增加硬件開銷，對組成系統(tǒng)的元器件要求不高，因而本文采用了此種方法。本文主要研究單片機在工頻電流、電壓、頻率、相位、功率因數(shù)等參數(shù)測量中的應(yīng)用。 第 1章 課程 設(shè)計的方案論證 述 目前，工廠在檢修前后及運行過程中，經(jīng)常使用較高等級的單元儀表，測量電壓、電流、功率、頻率、相位等電參數(shù)，以便累積 有關(guān)用電設(shè)備的狀態(tài)的信息。但是，采用單元儀表進行多種電參數(shù)的測量，存在以下問題：一是攜帶不便；二是操作不便；三是測量精度不滿足現(xiàn)場要求；四是不便于管理測試數(shù)據(jù)。因此，必將會造成工作效率不高，技術(shù)人員負擔(dān)較重等不良現(xiàn)象。因此迫切需要對電測儀表進行改進，以幫助技術(shù)人員對所測量信息進行分析，以了解現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)。而這些功能的實現(xiàn)就必須采用以單片機為核心的多功能智能化儀器。本文介紹了基于單片機的工頻交流電參數(shù)多用表的設(shè)計過程，它可同時對一路工頻交流電的各種功率值、電壓有效值、電流有效值等參數(shù)進行測量。 本設(shè)計提出 一種基于 交流電量測量儀器的實現(xiàn)進行了討論和研究。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，成本低廉等特點，著重介紹其硬件和軟件設(shè)計方法。利用單片機的控制運算功能，以軟件代替硬件電路用軟件計算分析出各種有效值，使硬件電路大大簡化。 2 壓電流采樣方案 由于系統(tǒng)測量的是工頻電有效值，需將大電壓、大電流變換為小電壓、電流后才能進行測量。變換電路有以下兩種方案： 方案一：采用串聯(lián)電阻分壓，該方法精度不高，輸入輸出無隔離，電阻損耗的功率較大。 方案二：采用電壓互感器，電壓互感器 利用的是電磁感應(yīng)的原理，轉(zhuǎn)換精度高，輸入輸出處于隔離狀態(tài)，控制電壓比容易。 經(jīng)上述比較，方案二明顯優(yōu)于方案一，故本文選用方案二，采用電壓互感器作為電壓變換電路。 率因數(shù)計算方案 功率因數(shù)計算有兩種方案： 方案一：把從工頻電中分離出的電壓和電流直接送到單片機中，由單片機程序?qū)?shù)據(jù)進行運算，得出結(jié)果送到顯示中。 方案二：運用電能計算芯片，將電壓和電流數(shù)據(jù)送到芯片中，芯片直接計算出結(jié)果，然后把結(jié)果送到單片機，單片機處理后直接送顯示。 方案一需要大量的程序編寫，耗費較多時間。方案二直接用芯片計算，不需要耗費時間， 而且芯片價格比較便宜。因此本設(shè)計選用方案二。 統(tǒng)總體方案 本設(shè)計采用電壓和電流互感器將工頻電信號進行分離，分別得出電壓和電流，然后經(jīng)過濾波電路，將干擾濾掉，再將電壓和電流送入電能計算芯片，進行功率因數(shù)的計算。得到計算結(jié)果后，將結(jié)果送到單片機中，經(jīng)處理后直接送顯示，從而完成設(shè)計。系統(tǒng)總體框圖如圖 工頻電信號 抗混疊濾波 電能計算芯片 單片機 電壓互感器 電流互感器 顯示 3 圖 統(tǒng)總體框圖 4 第 2章 硬件設(shè)計 片機最小系統(tǒng) 經(jīng)綜合分析選用單片機 合。 一種低功耗高性能的 8 位單片機，片內(nèi)帶有一個 4 線可編擦除只讀存儲器，它采用了 且其輸出引腳和指令系統(tǒng)和51系列單片機兼容。片內(nèi)的存儲器允許在線重新編程或用常規(guī)的非易失性存儲器編程器來編程。同時已具有三級程序存儲器保密的性能。如圖 1 2 3 4 5 6i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z a t e : 2 9- M a y - 20 1 2 S he e t o f F i l e : C : P R O G R A M F I L E S D E S I G N E X P L O R E R 99 S E E X A M P L E S B A C K U P 2 1 BD r a w n B y:P 1. 01P 1. 12P 1. 23P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78P 3. 5 ( T 1)15P 3. 2 ( I N T 0 )12P 3. 3 ( I N T 1 )13P 3. 4 ( T 0)14E A / V P A L 018X T A L 119R E S E . 7 ( R D )17P 3. 6 ( W R )16P 0. 039P 0. 138P 0. 237P 0. 336P 0. 435P 0. 534P 0. 633P 0. 732P 2. 021P 2. 122P 2. 223P 2. 324P 2. 425P 2. 526P 2. 627P 2. 728V C R X D ) P 3 T X D ) P 3 E ( P R O G )30P L E C 5 2p p u . 0 59 2 C+ 5片機最小系統(tǒng) 能計算芯片選型 一款高精確度的三相電能計量芯片，帶有兩路脈沖輸出功能和一個串行接口，集成了 6 路 16 位二階 數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)字積分器，高性能 準(zhǔn)電路及溫度傳感器等電路，以及所有進行有 功，無功和視在電能計量以及有效值計量所需的信號處理元件，在 1000： l 動態(tài)范圍內(nèi)誤差小于 提供有功、無功及視在電能、電壓、電流有效值及波形采樣等數(shù)據(jù)；三相三線 /三相四線兼容。 5 各相提供系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，包括有效值偏移校準(zhǔn)、相位校準(zhǔn)、功率校準(zhǔn)，部對無功電能進行了補償 ;提供獨立的有功電能及無功電能脈沖輸出。這些功能特點大大減少了 軟件開發(fā)工作量，簡化了電力測量新應(yīng)用模塊的設(shè)計難度，可做到全電子或真正固體化、靜止化，以有利于提高性能，降低成本，使電能計量具有高精度、高可 靠性、免維護和雙向通訊功能。其與單片機的連接方式如圖 圖 壓互感器電路 電壓輸入端電路主要是將輸入的工頻電壓信號轉(zhuǎn)換成 以測量的電壓信號（ 5V）。以 A 相電壓模擬設(shè)計輸入為例，其他兩相輸入通道設(shè)計相同。電壓采樣電路如圖 用的電壓互感器為 入電流范圍是 0出電流范圍是 0阻 擇 220，這樣輸出的電信號最大值為 會超過 130K。 成一個 波器。 圖 壓互感器電路 6 流互感器電路 電流通道由三對差分電壓輸入，提高了抗共模干擾能力。三對輸入分別代表 A，B， C 三相?，F(xiàn)以 為例，電路如圖 示，其它電流輸入與它相同。選用的互感器 輸入電流 0出電流 電流通道 大信號電壓變換范圍為 中送往 信號取樣電阻為兩個 阻 輸出最大信號為 出信號最大約為 會超過 幅二極管起到保護作用。 圖 流互感器電路 示模塊設(shè)計 顯示采用 16 2 字符型液晶 單片機的接口電路如圖 中 去耦電容。 數(shù)據(jù)線，與單片機的 子相接。 阻值可調(diào)的電位器，用來調(diào)整液晶顯示的對比度；當(dāng) 子對地電壓為 0V 時液晶顯示最為清晰。 A、 K 為 光燈的電源端子和接地端子，其中電源端子 主電源相接。正常情況下 開以減小電度表能耗；在電量查詢時閉合 通背光燈電源。顯示與按鍵相結(jié)合，用來實現(xiàn)電量參數(shù)的查詢顯示、異常事件記錄查詢顯示以及時鐘參數(shù)初值輸入調(diào)整結(jié)果顯示。當(dāng)沒有中斷發(fā)生時，進行總的有功、無功電量顯示。字符顯示是通過 讀入該字符的 實現(xiàn)，把該字符對應(yīng)的 通過 寫入 內(nèi)部寄存器中。 7 圖 片機與 1602的接口電路 通過控制端子 R/W 的狀態(tài)組合實現(xiàn)指令的寫入以及數(shù)據(jù)的讀、寫操作，操作說明參考表 示。 表 作說明 8 第 3章 軟件設(shè)計 主程序流程圖 電參數(shù)測試儀的控制程序包括主程序；各類子程序；中斷服務(wù)子程序。它由內(nèi)部定時或外部中斷信號啟動執(zhí)行。主程序的流程圖如圖 示。在主程序中，主要工作是初始化系統(tǒng)、 示、與上位機進行通信、判斷是否有按鍵輸入、設(shè)置參數(shù)等。其中系統(tǒng)初始化主要完成對單片機定時器，看門狗以及存儲器等進行設(shè)置，設(shè)置好后系統(tǒng)進入自檢模塊。檢測系統(tǒng)配置以及工作情況是否出現(xiàn)異常，若發(fā)現(xiàn)異常則進行相應(yīng)的處理，在自檢模塊未檢測出異常后，讀取表的參數(shù)和實時時鐘，進而進入電量處理模塊。該模塊主要是對專用 電能計量芯片進行相應(yīng)配置以及讀取經(jīng)過電能芯片處理后的電量信息，并且把所讀取的電量保存到相應(yīng)的存儲模塊中，并在 進行相應(yīng)的顯示。在此過程中如果發(fā)現(xiàn)有按鍵輸入，則進行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。 圖 程序流程圖 9 能計算模塊設(shè)計 電參數(shù)測量是實現(xiàn)系統(tǒng)中對各種電參數(shù)進行計量處理的程序，是實現(xiàn)其智能型電參數(shù)測試儀的基本功能的程序，也是電參數(shù)測試儀軟件系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的程序。這一程序模塊包括：單片機上電時對各電量值的恢復(fù)、單片機通過串行接口（ ）讀取電能計量芯片上的各個存放電參數(shù)的寄存器的值，對各電量 脈沖進行累計計算得到所需的電量信息，保存所關(guān)心的電量數(shù)據(jù)等程序。 在電能計量模塊中單片機通過 對電能計量芯片（ 行讀寫操作、初始化、以及對計量芯片進行采樣存儲。對計量芯片進行讀寫操作實現(xiàn)了對計量芯片給定地址進行讀出和寫入的操作。所有計量芯片的操作都是通過芯片上的寄存器來完成的。每個寄存器都有唯一的地址標(biāo)識。若對寄存器進行訪問，首先要寫通訊寄存器，然后才可以對相應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)進行傳輸。通訊寄存器是一個 8 位寄存器，控制著計量芯片和主機之間的數(shù)據(jù)傳輸。通訊寄存器的內(nèi)容包含了待操作的寄存器 地址以及要進行的是讀還是寫的信息。 計量芯片初始化完成對計量芯片的初始設(shè)置，實際上就是將校表數(shù)據(jù)以及初始值都寫入到 應(yīng)的寄存器當(dāng)中。初始化模塊除了系統(tǒng)復(fù)位后被調(diào)用外，還在對 作的錯誤累計大于錯誤最大值的時候被調(diào)用，這也是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的一個有效方法。 對計量芯片進行采樣存儲實現(xiàn)了將從電能計量芯片寄存器中取得的數(shù)據(jù)進行分類管理，采樣值經(jīng)過修正后存放于存儲器的相應(yīng)位置，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存、顯示或是進行異常檢測。對計量芯片的采樣必須定時完成，并且時間間隔還應(yīng)該適中，時間間隔太短會 占用 多時間，時間間隔太長有會使計量芯片中的寄存器數(shù)據(jù)溢出。電能計量模塊主要流程圖如圖 10 圖 能計算芯片流程圖 11 第 4章 系統(tǒng)誤差分析 測試方法：在測試中，分別用 440容和 10 歐姆串聯(lián)、 10感與 姆電阻串聯(lián)負載來測試電路的移相相位、功率因數(shù)、頻率、判斷負載的性質(zhì)、有功功率、視在功率，再與示波器的顯示值比較計算誤差。 表 性負載測試數(shù)據(jù) 表 性負載測試數(shù)據(jù) 在對信號進行測量時原本要進行對電容充電放大處理，但后來沒有很 好的處理充放電與 樣的關(guān)系使數(shù)據(jù)測量誤差加大。在選擇運放和制作電路初期因為沒考慮到個環(huán)節(jié)帶來的誤差信號，電路沒有加調(diào)零電阻，運放的失調(diào)電壓、偏置電流、溫漂的影響。電路設(shè)計初考慮不周全致使在測試中遇到了很多的問題，比如沒有考慮不到電壓電流的方向。改過了后將電流采樣電阻短路減少了電流大小，后來通過設(shè)計差分電路采集電流從而解決了問題。 12 第 5章 課程設(shè)計總結(jié) 本設(shè)計對當(dāng)前電參數(shù)測試儀的發(fā)展現(xiàn)狀進行分析，同時運用電參數(shù)測量原理作為理論基礎(chǔ)，利用專用電能計量芯片和單片機的數(shù)據(jù)采樣和處理能力，以達到工頻檢測的目的。 本設(shè)計 采用電壓互感器與電流互感器對信號進行采集，將采集到的信號傳遞給電能計量芯片，電能計量模塊選用的是美國 司的電能計量芯片 要完成的工作是完成對所需要的電量信息的計量處理并存儲在各個寄存器內(nèi)。選用的單片機是 主要完成的工作是控制 且讀取其寄存器中的數(shù)據(jù)，通過 示所需要的電參數(shù)信息，并且可以通過按鍵輸入來設(shè)置相對應(yīng)的參數(shù)。由于工頻檢測在當(dāng)今社會的用電管理系統(tǒng)中發(fā)揮越來越重要的作用，其功能也得以多樣化拓展，本文中所設(shè)計的電參數(shù)測試儀僅實現(xiàn)了電參數(shù)測試儀眾多功能中最基本的部分，由于采用的是單片機作為主控制部分，可利用其擴展性，使電能表的功能得以增強和完善，比如通過其擴展接口與專用的介質(zhì)相連接，比如 等可以實現(xiàn)預(yù)付費功能，根據(jù)不同的時段設(shè)置不同的電價可以實現(xiàn)復(fù)費率的功能。由于建設(shè)節(jié)約型社會的需要，電參數(shù)測試儀在用電管理系統(tǒng)中的優(yōu)勢將進一步得以體現(xiàn)，此類電表的應(yīng)用將具有深遠的前景，對其的研究和設(shè)計也具有重要的社會意義。 13 參考文獻 1 張洪潤 馬鳴鶴 M北京 2 余孟嘗 M3 金美星 J4 李靜 于文斌 J5 馮建勤 喬智 J6 梁金海 數(shù)字式自動量程工頻有效值多用表 7 趙新民 智能儀器設(shè)計基礎(chǔ) 爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 8 楊代華 武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社 9 張永瑞 西安：西安 電子科技大學(xué)出版社 14 附錄 附錄 I 系統(tǒng)總圖 15 附錄 統(tǒng)程序 # /全局變量說明 0,1,3,E4,p,v;/電量參數(shù) 000; /功率參考 a13,c16; /示處理 1,3; /脈沖計數(shù)變量和事件發(fā)生次數(shù)變量 (c0,a1,(c1,c2,b1,b2,b3,b4,b5,(b1,b2,b3,();/測試 碌狀態(tài) ( /設(shè)定顯示位置 ;/寫入 數(shù)據(jù)到 ;/始化 ; ; ; /存儲函數(shù)及接口變量說明 /通過 線向 入一個字符數(shù) 據(jù) 16 /向 入一個長整型數(shù)據(jù) /從 字符數(shù)據(jù) /從 長整型數(shù)據(jù) ; ; /接口變量說明 (4;/別與 用 S=; 34; 35; 33; /時鐘函數(shù)及接口說明 (6; 15; E=; /其他函數(shù)說明及接口變量定義 ,00 時延時約 1 秒 ();/8051 初始化 ;/始化 ;/始化 ;/時間檢測與定時存儲 ;/功率檢測與變比切換 ();/電量參數(shù)存儲