一種便攜式電力參數(shù)監(jiān)測儀

相關(guān)專題: 芯片
高云鵬1,滕召勝1,唐 求1,周毅波2


1.湖南大學電氣與信息工程學院,湖南 長沙410082


2.廣西電力試驗研究所,廣西 南寧530023



  摘 要:介紹以PIC16F877微控制器為核心的便攜式電力參數(shù)監(jiān)測儀的硬件結(jié)構(gòu)、工作原理與軟件流程。
  

  關(guān)鍵詞:微控制器;電力參數(shù);監(jiān)測



  1 儀器的構(gòu)成與工作原理


  1.1 儀器的構(gòu)成
  

  圖1為儀器的原理框圖。儀器由傳感器、低通濾波、采樣保持、信號調(diào)理(含整形電路)、鑒相電路、PIC16F877微控制器系統(tǒng)、LCD顯示以及操作鍵等部分組成。圖中,被測交流電壓、電流信號經(jīng)過傳感器隔離變換后,變成-5~+5V的測量信號,經(jīng)低通濾波,濾除信號中的高頻干擾分量。根據(jù)同步采樣定理,PIC16F877微控制器產(chǎn)生同一采樣脈沖信號控制各采樣保持器,實現(xiàn)對多路信號的同步采樣,并將此采樣信號送PIC16F877內(nèi)部集成的10位A/D轉(zhuǎn)換器,經(jīng)過數(shù) 據(jù)分析處理,保存、打印和顯示測量結(jié)果。





  

  為增加信號過零點的變化率,提高電路的抗干擾能力,傳感器輸出的信號須經(jīng)調(diào)理電路進行限幅放大、整形得到標準的方波信號。三路方波信號送PIC16F877微控制器,可實現(xiàn)被測信號的周期測量。兩路方波信號經(jīng)過鑒相電路后,可得到與相位相關(guān)的脈沖信號,求出兩路信號的相位差值。


  1.2 儀器的工作原理
 

 。1)電壓、電流測量
 

  在一個周期內(nèi)對電壓、電流連續(xù)采樣,對得到的N個采樣數(shù)據(jù)分別計算出電壓U、電流I的有效值:






  式中,uk和ik分別為電壓和電流的第k次采樣值。
  

 。2)相位、功率測量
  

  相位的測量采用過零鑒相法,即對兩路同頻信號進行限幅放大、整形,通過記錄同向過零點時間差內(nèi)的脈沖數(shù),計算出兩路信號的相位差ø:






  式中,T為被測信號的周期,Δt為兩路信號過零點時間差值,Ts為采樣周期,n為記錄的采樣脈沖數(shù)值。
  

  求得相電壓和電流的相位差ø,則功率因數(shù)為cosø。利用電壓和電流的有效值則可計算出有功功率P=UIcosø,無功功率Q=UIsinø和視在功率S=UI。
  

 。3)電壓偏差的測量
  

  電壓偏差eu為電網(wǎng)電壓相對于額定電壓的偏離程度。計算式為:





  式中,U為被測電壓的實測值,UN為額定電壓值。
  

 。4)頻率偏差的測量
  

  電網(wǎng)頻率的測量計算通常采用測量周期的方法來實現(xiàn)。通過硬件檢測輸入信號波形的過零點,采用倍頻計數(shù)的方法求出信號周期T。也可將交流采樣法得到的采樣數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波,濾出其中的基波后,通過檢測波形過零點的時刻,求得相應(yīng)周期T,T的倒數(shù)即為電網(wǎng)的頻率。
  

  電網(wǎng)頻率的偏差ef為電網(wǎng)的實際頻率f相對于額定頻率fN(50Hz)的偏離程度,用下式表示:






  2 信息處理系統(tǒng)硬件設(shè)計
  

  圖2為信息處理系統(tǒng)的硬件電路圖。三相電壓UA、UB、UC,三相電流IA、IB、IC及中線電流IO共7路信號經(jīng)過低通濾波器MAX293濾除高頻干擾后,分別送入對應(yīng)的7片采樣保持器LF398。采樣保持器在PI-Cl6F877微控制器9腳REl產(chǎn)生的同步采樣信號控制下,完成7路信號同步采樣,將此7路被測信號分別接入2~5、7、8、10腳7個10位A/D端口引腳,進行相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理。微控制器的37~40腳為8位雙向I/O端口RB的4個引腳,輸入電平變化可引起系統(tǒng)的中斷;此4個引腳分別連接4個按鍵K1~K4。為簡化鍵盤電路,可通過軟件管理將K1~K4定義為復用鍵,實現(xiàn)選項、測量、控制、數(shù)字輸入等多種功能。液晶顯示模塊MG-12232接口控制時序采用M6800操作時序,驅(qū)動器引出的控制信號R/W、A0、E1和E2可由PIC16F877端口RB的33~36腳進行控制;驅(qū)動器DB0~DB7數(shù)據(jù)總線與端口RD的8個引腳相連。PIC16F877的25、26腳分別為全雙工異步通信的發(fā)送端和接收端,通過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232可與PC機或其他智能設(shè)備的RS232串行口實現(xiàn)雙向通信。引腳6是定時器/計數(shù)器TMR0時鐘信號的輸入端,利用其計數(shù)功能,可記錄鑒相電路送出的相位差脈沖值,從而求得對應(yīng)相電壓與相電流的相位差。此外,將引腳17設(shè)置為捕捉器的輸入端,配合時鐘源定時器TMR1工作,測量輸入的周期方波信號,可求得被測信號的頻率值。
  

  為了保證測量精度,系統(tǒng)時鐘振蕩器引腳13、14接入12M高速晶體振蕩器X1,TMR1振蕩器的輸入和輸出端15、16腳接入8M晶體振蕩器X2。圖2中的T1、R1、R2和R3構(gòu)成快速復位電路。DC/DC變換器件MAX883可輸出高穩(wěn)定的5V直流電壓VDD,作為儀器信息處理單元的工作電源與A/D參考電壓。



  3 軟件設(shè)件
  

  便攜式電力參數(shù)監(jiān)測儀的軟件采用模塊化設(shè)計思想,以主程序為核心,設(shè)計了各功能模塊子程序(主要包括初始化子程序、操作鍵管理子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、通信和顯示子程序等)。
  

  儀器啟動以后,先對INTCON、RA口、RB口、RC口、RE口和OPTION等特殊功能寄存器進行系統(tǒng)初始化設(shè)置,并對部分RAM單元進行清零操作。在微控制器檢測到保持電平后,對ADC控制寄存器ADCONl清零,低4位PCFG3~PCFG0設(shè)置為0,從而定義接入測 量信號的7個通道為模擬輸入端,參考電壓選擇為系統(tǒng)工作電壓VDD。再將控制寄存器ADCON0的控制位兼狀態(tài)位GO/DONE置1,啟動A/D轉(zhuǎn)換。被測信號經(jīng)數(shù)字化處理后,及時將數(shù)據(jù)保存在BANK0~BANK3通用寄存器中,并實時更新每次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。儀器可自動將數(shù)據(jù)處理結(jié)果與系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)定值進行比較,以檢查是否缺相。如果相差過大,則發(fā)出報警,提示檢查線路連接。LCD接口控制M6800操作時序可采用位操作指令來軟件模擬,并在通用寄存器內(nèi)開辟一段顯示緩存區(qū),通過調(diào)用顯示子程序,將緩存區(qū)中的內(nèi)容送LCD顯示。圖3為主程序流程圖。







  

  數(shù)據(jù)處理是儀器軟件設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容,圖4為數(shù)據(jù)處理子程序流程圖。根據(jù)讀取的三相電壓、三相電 流瞬時值的A/D轉(zhuǎn)換量,計算出對應(yīng)電壓和電流的有 效值及電壓偏差等電力參數(shù)值。通過寫控制寄存器CCP1CON的CCP1M3和CCP1M2工作模式粗選位為01,將CCPl模塊設(shè)置為輸入捕捉工作模式,再根據(jù)16位寄存器CCPR1抓取的定時器TMR1的累加計數(shù)值,求得被測信號的周期值。設(shè)置TMR0為計數(shù)器工作模式,并將分頻比設(shè)定為1∶1,在高速晶振X1的配合下記錄TMR0的輸入脈沖數(shù),即可得到相位差計數(shù)值。然后通過查表得出相應(yīng)的三相功率因數(shù),進一步求出三相有功功率和無功功率值,經(jīng)累加計數(shù)計算出三相 有功電量和無功電量。



 



  參考文獻




 。1]Microchip.PIC16F87X DATASHEET[Z].1999.


  
摘自《儀表技術(shù)》
   

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