單相電參數(shù)測(cè)量?jī)x

1、 單相電參數(shù)測(cè)量?jī)x 摘要本系統(tǒng)以單片機(jī)ATMEGA32為控制核心，控制ATT7022B和其他外設(shè)，實(shí)現(xiàn)各種電參數(shù)測(cè)試與其他功能的基本控制。系統(tǒng)的硬件部分包括最小系統(tǒng)板，數(shù)據(jù)采集電路、人機(jī)交互界面三大部分。數(shù)據(jù)采集部分由互感器、信號(hào)的前級(jí)處理和ATT7022B內(nèi)集成七路二介sigma-delta ADC轉(zhuǎn)換組成，不但能測(cè)量單相電參數(shù)，而且還可以測(cè)量三相電參數(shù)、溫度。ATT7022B的精度比較高，非線(xiàn)性測(cè)量小于0.1%，電壓、電流有效值精度優(yōu)于0.5%。人機(jī)界面部分為4*4鍵盤(pán)輸入，紅外鍵盤(pán)，128*64點(diǎn)陣式液晶顯示等。軟件部分應(yīng)用單片機(jī)C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了本設(shè)計(jì)的控制功能，包括基本的電參量和時(shí)間顯示，

2、和發(fā)揮部分的打印功能、預(yù)置、報(bào)警等功能，由于系統(tǒng)資源豐富，還可以方便的擴(kuò)展其應(yīng)用。AbstractATMEGA32 microcontroller to the system for the control of the core, control ATT7022B and other peripherals, electrical parameters of various tests and other basic functions of control. The hardware of the system board, including the smallest, data acq

3、uisition circuit, the three most human-computer interface. Data Acquisition part by the transformer, the first-class signal processing and integration within seven ATT7022B Road two-sigma-delta ADC conversion components, not only to measure single-phase power parameters, but also can measure the thr

4、ee-phase power parameters and temperature. ATT7022Bs accuracy is relatively high, non-linear measuring less than 0.1%, voltage and current accuracy of better than 0.5%. Some human-computer interface for 4 * 4 keyboard input, infrared keyboard, 128 * 64 dot-matrix LCD, and so on.Application of softwa

5、re part of the C program of the design of the control functions, including the basic parameters of the show ,time , and play a part of the printing function, preferences, alarm functions, the system is rich in resources, can also facilitate the expansion of its application . 第一部分：方案比較與論證在輸入電路中，采樣較大的

6、幅度動(dòng)態(tài)范圍（1V380V）也給前級(jí)的信號(hào)處理理電路提出了很高的要求。對(duì)于各模塊我們有以下一些不同的方案：1 控制部分方案一：可采用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?，如CPLD、FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是：系統(tǒng)需要大量的控制液晶顯示和鍵盤(pán)，大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷话闶鞘褂脿顟B(tài)機(jī)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，即所解決的問(wèn)題都是規(guī)則的有限狀態(tài)轉(zhuǎn)換問(wèn)題。本系統(tǒng)狀態(tài)較多，難度較大。方案二：采用51系列單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是：內(nèi)部有4K字節(jié)的Flash Rom，其內(nèi)部也沒(méi)有集成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，若外部擴(kuò)展EEPROM，會(huì)因干擾而造成數(shù)據(jù)丟失。方案三：本系統(tǒng)基于A(yíng)VR系列單片機(jī)ATMEGA32來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橄到y(tǒng)需要大量的數(shù)據(jù)處理、采集和人機(jī)界面。內(nèi)

7、部帶有32K字節(jié)的Flash Rom，和1K的EEPROM，滿(mǎn)足題目要求的打印功能。外擴(kuò)1302時(shí)鐘芯片。 綜合以上三種方案考慮，我們選擇ATMEG32來(lái)實(shí)現(xiàn)。2 數(shù)據(jù)采集部分方案一：采用傳統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器，由于A(yíng)/D轉(zhuǎn)換器需要很高的精度，所以幾毫伏的干擾信號(hào)就會(huì)直接影響最后的測(cè)量精度。由于電信號(hào)的測(cè)量，對(duì)AD的轉(zhuǎn)換速度要求很高，所以不宜采用傳統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器及其電路。方案二：本部份采用ATT7022B來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，因?yàn)锳TT7022B內(nèi)部集成了七路二介sigma-delta ADC、數(shù)字濾波模塊。其精度也優(yōu)于傳統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換。而且還能測(cè)量各種常見(jiàn)的電參數(shù)，還有內(nèi)置溫度測(cè)量。因此我們選擇第

8、二種方案。3 前級(jí)輸入電路方案一：采用電阻分壓方式輸入?？梢院?jiǎn)化電路，但是電網(wǎng)的外加干擾使得輸入信號(hào)的不穩(wěn)定。方案二：采用電壓互感器和電流互感器的方式輸入?？梢詫⑿酒c電網(wǎng)進(jìn)行隔離，從而可以獲得良好的抗干擾性能。因此我們選擇這種方案根據(jù)題目要求，系統(tǒng)可以分為三個(gè)基本塊，由一片位的ATMEGA32單片機(jī)組成控制模塊；由ATT7022B和前階輸入電路組成采樣模塊；而人機(jī)界面由液晶顯示、鍵盤(pán)等組成，如圖1所示。ATT7022B前級(jí)輸入電路圖1單片機(jī) ATMEGA32LCD 128*64打印機(jī)鍵盤(pán)或手操機(jī) 第二部分：理論分析與計(jì)算1 數(shù)據(jù)等效采樣分析每一個(gè)通道結(jié)束一個(gè)采樣周期后，通道號(hào)加1，進(jìn)入下一個(gè)

9、采樣周期。針對(duì)不同性質(zhì)電參數(shù)所對(duì)應(yīng)的交、直流信號(hào)，不僅要采用不同的采樣方法，還要對(duì)內(nèi)置A/D的控制采用不同的觸發(fā)方式。對(duì)交流信號(hào)采用定時(shí)的檢測(cè)采樣法和內(nèi)部定時(shí)觸發(fā)方式，對(duì)直流信號(hào)采用隨機(jī)采樣法和軟件觸發(fā)方式。2 計(jì)量參數(shù)1） 功率：功率是有符號(hào)的量，所有的有功和無(wú)功都有方向。有功功率的公式是。功率的計(jì)算，對(duì)相參數(shù)是寄存器的讀數(shù)還原為原碼（即寄存器的讀數(shù)是二進(jìn)制，在讀最高位為1時(shí)，需要取反加1操作。為0時(shí)，就是本身）后除以28。在三相中，對(duì)合相參數(shù)還原為原碼后除以26，計(jì)算出的值還應(yīng)乘以系數(shù)3200/N（N是脈沖常數(shù)），當(dāng)完成功率增益補(bǔ)償?shù)男Ｕ螅褪菍?shí)際的功率。無(wú)功測(cè)量中根據(jù)真無(wú)功功率定義公式

10、，無(wú)功功率。采用數(shù)字移相濾波器，完成對(duì)電壓信號(hào)移相90度的信號(hào)處理，在保證信號(hào)幅頻響應(yīng)不衰減的前提下，能夠?qū)?0-1500Hz的采樣信號(hào)進(jìn)行移相90度的處理。功率因數(shù)和相角：兩者都是有符號(hào)的值，在寄存器里以補(bǔ)碼形式存放，最高位為0時(shí)為正，否則為負(fù)。功率因數(shù)寄存器讀數(shù)還原為原碼后除以223就得到功率因數(shù)值，當(dāng)校表完成相位補(bǔ)償后，就是電網(wǎng)實(shí)際的功率因數(shù)值。其功率因數(shù)的公式為。2）電壓、電流：電壓計(jì)算是讀取寄存器的值除以213，即為測(cè)量值。通常第7路ADC用于檢測(cè)零線(xiàn)電流的大小，其有效值和基本的電壓電流的計(jì)算公式相同。3）頻率：因?yàn)殡妷盒盘?hào)的過(guò)零點(diǎn)，測(cè)出的電網(wǎng)的基波的頻率，以補(bǔ)碼的形式存放在寄存器，

11、因頻率值不可能為負(fù)，所以最高位不為1。讀取寄存器的值除以213，就是頻率值。該參數(shù)不需要校正。4）電量：即電流在時(shí)間上的積分，其關(guān)系式為 5）其它：時(shí)間設(shè)定、時(shí)間顯示、設(shè)置大負(fù)載、溫度、失壓檢測(cè)、視在功率、校驗(yàn)數(shù)據(jù)等。 第三部分：電路分析與設(shè)計(jì)1 前級(jí)輸入通道電路采用電壓互感器和電流互感器的方式輸入?？梢詫⑿酒c電網(wǎng)進(jìn)行隔離，從而可以獲得良好的抗干擾性能。如圖3-1a所示。圖3-1a中的ICI與ICO和UA與N都為電網(wǎng)電壓，圖中的參數(shù)是對(duì) 220V為參考電壓而設(shè)計(jì)的。如：R12=(UA-N)/Iua 令I(lǐng)ua=1mA電流采樣和電壓采樣都是通過(guò)互感器來(lái)完成的，我們采用單端接線(xiàn)方式。如圖3-1b所

12、示。圖中的IC1與IC2和Ua1與Ua2是電流互感器的二次側(cè)信號(hào)。VxP和VxN輸入電路中的電阻1 .2K和電容0.01uF構(gòu)成了抗混疊濾波器，并采用溫度性能較好的元器件，從而保證良好的溫度特性。2.數(shù)據(jù)采集電路題目要求電路要有很高采樣速率。ATT7022B片內(nèi)集成了7路16位的ADC，采用雙端差分信號(hào)輸入。如圖3-2。輸入最大的正弦信號(hào)的有效值是1v。對(duì)采樣保持及數(shù)據(jù)采集進(jìn)行了精確的時(shí)序控制，而且要求的采樣速率比較快。因此用到了24.576M的晶振和兩個(gè)30P的電容，各個(gè)電器件都是經(jīng)過(guò)參考電壓設(shè)計(jì)的。然后再與前級(jí)輸入電路就構(gòu)成了數(shù)據(jù)采集電路。我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)，還考慮了三相電的測(cè)量。（具體原理圖見(jiàn)

13、附錄一）3控制電路控制電路的作用是將采集的數(shù)據(jù)處理并產(chǎn)生與各個(gè)外設(shè)相關(guān)的信號(hào)。主控電路以ATMEGA32為核心內(nèi)部32K FLASH ROM；單片機(jī)使用8M晶振，PA口外接上拉電阻，增大了帶負(fù)載能力；PB口作為外部顯示數(shù)據(jù)輸送端口；剩余端口作為鍵盤(pán)、紅外鍵盤(pán)、打印、外擴(kuò)時(shí)鐘芯片等其它功能。（電路原理參考附錄二）第四部分：系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)  單片機(jī)程序的設(shè)計(jì)是依據(jù)單片機(jī)完成數(shù)據(jù)采集電路的控制、數(shù)字顯示、鍵盤(pán)、紅外鍵盤(pán)、打印等功能的管理。其程序流程圖如下：后臺(tái)程序：前臺(tái)程序：系統(tǒng)初始化測(cè)量模塊參數(shù)管理模塊計(jì)算模塊刷新顯示判斷任務(wù)預(yù)設(shè)部分（時(shí)間等）打印等返回主程序看門(mén)狗程序復(fù)位各個(gè)參數(shù)的顯示鍵

14、盤(pán)處理模塊通訊模塊鍵盤(pán)中斷或紅外鍵盤(pán)中斷入口溫度顯示錯(cuò)誤信息報(bào)警 第五部分：系統(tǒng)測(cè)試1測(cè)試儀器：采用T0S-100系列數(shù)位式功率表，擁有4種測(cè)量功能:V、A、W、PF。其中V、A基本精度0.2級(jí)，W基本精度0.5級(jí)，我們還可以使用更高精度的，但由于條件所限。2參數(shù)測(cè)試： 1）電壓、電流的測(cè)試：測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。表1.電壓、電流測(cè)試數(shù)據(jù)電壓（V）50100150200250300電流（A）1.383.884.286.188.4810.00測(cè)量電流(A)1.383.874.266.158.449.96測(cè)量電壓(V)50100150199249298誤差電壓0%0%0%0.50%0.40%0.67

15、%電流0%0.26%0.47%0.48%0.47%0.40%2）功率、功率因數(shù)及頻率本測(cè)量為非感性負(fù)載測(cè)量，利用電壓電流關(guān)系。測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示：表2功率測(cè)試數(shù)據(jù)電流(mA)138.64187.88229.46266.68297.92327.86電壓(V)50100150200250300有功功率理論值(w)6.9318.7934.4253.3474.4898.36有功功率測(cè)量值(w)6.9318.7934.3253.1874.2698.04功率因數(shù)理論值PF1.001.001.001.001.001.00功率因數(shù)測(cè)量值PF1.001.001.001.000.990.99誤差有功功率0%0%0

16、.290.30%0.30%0.33%功率因數(shù)0%0%0%0%1.00%1.00%*注 有功功率無(wú)功功率 功率因數(shù)表3頻率和電量的測(cè)試：電壓 50100150200250300頻率測(cè)量(Hz)505050505050電量測(cè)量(KWH)042112206319446588理論電量(KWH)0.421.122.073.204.475.90誤差頻率0%0%0%0%0%0%電量0%0%0.48%0.31%0.22%0.34%*電量為： 時(shí)間采樣周期為1分鐘。3其他功能測(cè)試 經(jīng)測(cè)試，無(wú)功功率和電能、溫度、打印、設(shè)大負(fù)載斷電報(bào)警功能、手操機(jī)、時(shí)間設(shè)定都能正常運(yùn)行，有功功率也能夠顯示浮點(diǎn)數(shù)。4誤差分析 測(cè)試電壓和功率因數(shù)時(shí)誤差較大，分析得知是在感性元件的感性作用，同時(shí)測(cè)試儀器的精度還不是很