基于单片机C8051F020的电力参数测量

1、基于C8051F020单片机的电力参数测量摘要：当今，电能作为一种重要的能源，与我们的生活、工作有着密切的联系，因此如何来测量它的参数就具有重要的现实意义。本文介绍了一种基于C8051F020单片机的电力运行参数测量装置。该装置采用单片机为测控核心，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。系统能完成对变压器副边电压、电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率及系统用电量的测量，并采用按键控制、数码管显示，测量精度高，反应速度快，界面清晰直观。关键词：C8051F020单片机；电力参数；偏差累积增量法；数值积分引言:在传统的电力参数测量系统中，多采

2、用8051、80C196等普通单片机作为微控制器。由于其指令周期长，在实时性方面受到了一定的限制。随着微电子技术的不断进步，C8051F020单片机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。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。系统方案设计交流采样方法交流采样法，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。对周期为T的被测信号，设Ts为采样周期，在一个周期内于z、t、t、t时刻采01iN-1样N个点，令t=0，如果有：0AT=NT-T=0SAt=t-iT=0iiS(2)i=0,1,N-1同时

3、成立，则称采样为理想同步采样。这时第i次采样点的采样时刻t=iT/N(3)i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，要严格满足式是很困难的。为此，定义同步采样时间误差匕来表示第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：=tiT/N(4)ii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：首先测取被测电信号的周期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

4、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T/N之间会出现误差，这一由量化原因引起的误差，使式(1)得不到满足。一些文献称AT为周期误差。这时同步采样时间误差：-iTiT/N=iAT/N(5)iS可见在存在周期误差时，同步采样时问误差g值随i增大而增大。在高精度测量场合，ii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=o,式(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

5、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及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内，t一般只会有几个微秒。若不存在周期误差T，则g=at，这一原因引起的同步采样时iii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。

6、改进的软件同步实现方法设定时器的计数周期为To,则与采样周期Ts对应的定时器计数值为T/(NT)，它o0一般不为整数，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AT=NLT的周期误差(若以H+1作为计数值，则0AT=NT-NLT)显然，AT是由采样周期Ts的实际值与理想计算值之间的偏差00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，S

7、UM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SUMvl，则这次采样的定时器计数值取H；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内L引起的周期误差ATT。0采用这种方法，可能会使某些次采样时的值增大一个T0，但由于一般很小，由相对周期误差引起的测量误差亦很小。电力参数交流采样算法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

8、，但考虑内部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，再求有效值及平均功率。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。具体算法如下：在非正弦波情况下，相电压、相电流的有效值定义为：Urmsrms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知、kik，则有：UaFu2

9、ATkrmsTkkk-0k-0rms若采样间隔ATk恒定为则N=T仏T。电流和电压有效值公式为:Urms有功功率NP=Euikkk=0视在功率S二UIrmsrms无功功率Q=Qs2-P2功率因数Pcosp=一s其他的电力参数计算公式分别如下：:Nkk=0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，能够计及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。硬件设计此系统是以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

10、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、电源的频率以及该系统的功率因数、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1所示：图1系统整体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：单片机最小系统部分C8051F020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

11、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2所示：图2单片机最小系统电压、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。原理图如图3所示：图3电压电流采样电路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)按键扫描及处理模块；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。键盘响应读取测量值DC转换结INT0中断INT0中断读取T0,T1记数值，计算功率因数T2捕捉中断，

12、计算系统频率中断服务程序启动T0，T1，T2进行功率因数及系统频率测量启动定时器T3ADC进行定时采样电力参数计算，在数码管上显示键盘中断服务程序开始系统初始化图4软件流程图在实际工作中是以实时测量电网参数为主要目的。通过一系列的软件设计我们可以得到数据测量、数据处理、选择控制、实时显示和实时输入等功能子模块，根据子模块的方框图，我们可以很清晰整个系统的工作流程，从而可以很容易的实现对系统的诊断和系统的维护与操作。本系统流程图如图4所示：系统测试电阻负载负载（Q）变换器输出有效值（V）本系统显示值（V）系统电流值有效值（mA）本系统显示值（mA）功率因数电压误差（）电流误差（）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阻感负载负载（Q）变换器输出有效值（V）本系统显示值（V）系统电流值有效值（mA）本系统显示值（mA）功率因数电压误差（%）电流误差（%）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击】五结束语本系统以C8051F020单片机为核心部件，利用软件编程，实现了对交流电压值、交流电流值以及功率因数、有功功率、无功功率

15、、视在功率、系统用电量的测量及显示。做到了线路简单，尽量减小电磁干扰，并充分利用软件编程，弥补元器件的精度不足。参考文献孙晋京基于ARM的嵌入式电力参数监测系统的研究D硕士论文西华大学，2007.钱君霞.基于MSP430F149的电力参数综合监测装置的研究与开发D.硕士论文.电气工程学院，河海大学，2005（3）.魏民智能型电力参数测试仪的研究与设计D硕士论文自动化学院，武汉理工大学，2003.孙佐.AVR单片机实现的电力参数测量装置J.安徽池州：池州师专学报，2006(10).梅永，王柏林电力系统信号采集与谐波测量方法J电测与仪表，2008(9),总第45卷，第513期，5-9.戴先中准同步

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