基于单片机的电量变送器设计

题目：基于单片机的电量变送器设计-21-第一章绪论1.1论文研究的目的及意义随着现代科学技术快速发展，让设计、制造及工艺水平也得到了提高。从而使得高精度测量、检测领域中，测量设备、测量手段和测量方法都得到了迅速发展。而电量变送器则是为了自动化系统提供能使用原始数据的重要设备，是使被测电量（如电压、电流、有功和无功电能、有功和无功频率、相位等）比例变换成与它相对应的直流输出信号的测量仪器，并且该直流输出信号可以和系统运动装置、测量显示仪表、电子计算机的输入匹配，一并构成自动化测量监控系统，随着它应用范围的日益广泛，其被使用量逐渐增大，重要性也愈来愈强。但是为了保证人们的输送电量的稳定，保证运电质量，需要一定的校准设施，其中定期计量检测成为了变电器不可缺少的一部分，而且它可以定时定期的检测输送电量的情况，保证每一时刻的电量安全，而且具有电流、电压、和各种直流和交流电量的监测等功能，所以定时计量器将会更加的被市场所认可。1.2电量变送器的发展趋势在20世纪50年代，电量变送器已经产生，只不过当时技术落后不能满足大多数的工厂等大型重型单位的需要，在人们的不断研发中，它的整体技术得到了很大的提升，而且基本的功能也是更加完美，其中它在测量上从基础的变送器转变为运用计算机控制的数字变送器。而如今技术的进步已经达到了智能化，不需要人的管理，但依然有些不足之处，还有待我们共同的努力而不断提高变电器的技术[1]。由于技术的进步，早期的模拟电量变送器已经被数字电量变送器所取代，但在一些基础工业上，由于模拟电量变送器的成本比较低，而且操作比较简单还在应用，在一些大型的工厂中，数字电量器由于计算机的操控，可以长期的保证操作正确率[2]。但是所用到的技术比较复杂，只有一些大型的国产产业才可以看到，而现在所研究的嵌入式的计算机电量测试仪，其功能更加强大，可以使技术人员在家中运用笔记本进行观测变量器的情况，更加的人为化，具有很大的发展潜力，从多年来智能仪器的飞速发展可以窥见一斑[3]。多年来，在测量技术范畴中，各种模拟指针表、电位差计、电桥及分压箱等测量设备一直占据着核心地位。尽管这些仪器仪表有工作可靠稳定、结构简单等许多长处，但也同样存在速度小、操作繁琐、量程范围不大，无法实现自动化测量的缺点。经过几十年的发展，直流量测量经历了由模拟到数字，由机械到电子式的发展，现在对高精度测量普遍采用数字测量方式。数字式仪表自问世以来发展迅猛，其应用范围也越来越广泛。数字式仪表的高速发展，使它已成为实现测量自动化、提高工作效率不可缺少的仪表。数字化是当前计量仪器仪表发展的主要方向之一。数字电量变送器所采用的采样技术有两种，分别是直流和交流采样的方法。数字电量变送器刚开始应用时，所采用的采样技术普遍是直流采样法，采样的参量为整流后的直流量[4]。电压、电流被测量时都是通过测量其平均值来决定电参量的有效值，该方法具有计算简便、设计容易的优点，只要将采样值比例变换就能计算出被测量数值[5]。然而该方法还是留有不足，比如：测量精度受整流电路的影响很大，而这种情况在谐波污染厉害时，将出现高达10%以上的偏差。电流有效值、电压有效值及相角因为计算而存在着不小的偏差，这导致计算出来的功率值也具有很大偏差。现在所具有的数据采样法多种多样，其中还有一种采样法是交流采用法，其原理是利用一些特殊规律，从而循环的采样，经过一些特定的计算方法，采用计算机的软件功能，无限次的放大采样，来减少错误率，使由于时间的连续数据更换而产生的误差变小，在其中有一些关键性的数据，从而控制着程序的正常运行，长时间内只要这些数据不发生改变，那么程序将循环达到持续的运行，保证了正常工作，从而减少了误差；剩下的误差则是由连续电压、电流进行量化而产生的，而这又是由A/D转换器的位数所决定的[6]。随着技术的不断发展，电子技术也在时代的进步潮流中不断进步，而且使得微型处理器技术也在不断的发展[7]，在此期间，为了交流采集的运用，A/D转换器也因此被研发，而且不断的改进，从而使交流采样更加的被广泛接受并应用。与直流采样法相比交流采样法具有如下几个方面的优势：在硬件结构方面简化了变送器，降低了成本；电量变送器的精度及变送器的抗干扰能力都是由高精度数字滤波算法从根本上提高的[8]；电量变送器的适应能力很不错，不需改变硬件，只要调整程序就能够改变电量变送器的工作状态。1.3电量变送器的作用在对一些交流电压，交流电流，还有功率问题，频率问题等因素的监控方面，电量变送器取得了关键作用，而且在一些电池的检测方面，以及电网的自动调度方面已经被人们广泛使用[9]。它主要从以下两个角度对其所处系统的性能产生作用：测量速度，是系统快速运行的基础，唯有符合特定时间条件，电量变送器才能发挥它的功用；测量精度，是系统正确反应当前状态的主要条件，唯有确保特定精度要求，电量变送器才能被赋予其实际意义。综上可知电力系统是否能安全稳定运行，电量变送器的性能在这其中起到了至关重要的作用。在电力系统日益进步形成大功率、庞杂网络的现在，为了合理地监测、支配并协调电力系统的运行方式，并且能迅速处理各类对整个系统正常运行产生影响的事故以及不正常情况，让电力系统故障和设备损坏所产生的损失减少到最低，电量变送器的性能被要求愈来愈高，即：一定要确切地对被测电量的变化做出反应，剔除杂音、克服扰乱；一定要迅速反应，让电力系统的保护控制装置迅速做出响应。1.4论文研究内容本论文研究的主要内容是基于80C196KC单片机的电量变送器的硬件组成、软件编写，通过对系统中的电压和电流进行交流采样，然后结合A/D采样处理器对结果的处理后，根据傅里叶算法研究电量变送器的同步采样的可行性。第二章总体方案设计本论文所研究的电量变送器是采用英特尔公司生产的80C196KC芯片作为中央处理器，硬件总设计框图有五部分构成，分别是：中央处理器、信号输入电路、采样保持器、极性变换电路、存贮器和外围接口电路。当程序规划时，按照软件定时器0在采样周期内控制采样，当周期采样结束后，运行软件定时器1进入计算子程序。为尽量让系统运行稳定，缩减主程序被中断程序中断的次数，A/D转换应该结束中断而选择外设事务服务器。显示子程序中各参量的循环显示是通过定时器1溢出中断来控制的。本论文的程序构成为主程序及中断处理程序。经由A/D转换器处理后得出结论。第三章电量变送器的硬件构成本论文所研究的电量变送器是采用英特尔公司生产的80C196KC芯片作为中央处理器，硬件总设计框图有五部分构成，分别是：中央处理器、信号输入电路、采样保持器、极性变换电路、存贮器和外围接口电路，具体框图如图（3.1）所示：图3.1硬件总框图3.180C196KC芯片80C196KC芯片属于CHMOS16位单片机，性能较高，是由英特尔公司生产的，它的主要性能特点如下：80C196KC采用寄存器一寄存器和“水平窗口”、“垂直窗口”结构，其中“水平窗口”可直接寻址专用寄存器的个数增多，而“垂直窗口”的作用则是把片内的的RAM（512字节）中的任意局部映射到00H~0FFH空间中的顶部，因此中央处理器可以访问512字节的寄存器空间，这样一方面解决了一般结构中具有的累加器瓶颈效应，让操作速度及数据吞吐能力都大大提高，另一方面对于所有中断服务程序局部变量所指定的专用寄存器[10]，去掉了中断服务过程中保护及恢复寄存器现场所需要的软件费用，大大简化了程序设计。80C196KC芯片可使用多达24MHz的晶体振荡频率，当2分频后，就能得到内部状态周期且每个指令的执行时间相对不长，可用于复杂的计算。8通道A/D转换器，可根据具体需要选择10位或8位转换方式以加快转换过程。16位监视定时器，当系统出现软件或硬件故障时，监视定时器会做出反应让系统复位，为系统恢复故障开辟的一条途径，使系统的抗干扰力得到提高。4个软件定时器，可实现复杂系统的定时中断。外设事务服务器PTS（PeripheralTransactionServer），它能提供与直接存贮器访问（DMA）类似的响应，而不执行中断服务程序，也就是不执行中断调用、保护现场（PUSHA、POPA）返回指令，使中断服务的开销极大的降低，对于大量的数据传输，连续多通道A/D转换器和外围交易服务器的可批量处理，避免了系统定期中断主程序采取频繁断裂，使系统的稳定性提高。3.2信号输入电路电压（电流）互感器、运放转换器及多路转换器共同构成了信号输入电路[11]。电网信号通过互感器以后被降成弱电，通过运放和多路选择器构成的多路转换开关，实现正常信号和故障信号对不同通道、不同放大倍数的选择，最终使得进入采保的信号幅值范围在—2.5V~2.5V之间。具体电路如图（3.2）所示。图3.2信号输入电路3.3采样保持器6个采样保持器根据CPU发出的控制信号实现6个通道信号采样和保持采样保持器电路图如图（3.3）所示。图3.3采样保持器3.4极性变换电路信号经采样保持器后的输出是双极性的，而80C196KC的A/D转换器只能对0~+5V的正信号进行转换。因此需要极性变换电路把信号转换为0~+5V之间的信号。极性变换电路图如图（3.4）所示。极性变换后输入电压（VIN）与输出电压（VOUT）之间有如下关系：VOUT=—（—2.5+VIN）=2.5—VIN（3—1）图3.4极性变换3.5存贮器和外围接口电路80C196KC芯片没有内部ROM且RAM不足，所以需要对其做出扩展，这时要使用8279可编程显示接口，来对系统程序计算结果和表征系统状态进行显示，扩展电路如图（3.5）所示。图中各接口的端口地址译码是由可编程逻辑器件GAL（GenericArrayLogic）实现的，对于许多逻辑功能都能用它来实现，简化了硬件电路，其具体作用为：被重新分配给该设备的逻辑功能，且它还拥有硬件加密单元，可以被用来避免电路设计被复制和非法复制。图3.5贮存器和外围接口电路3.6实验显示结果对连续两个周期、6个通道的采样值进行计算（双通道的信号作为电流，单通道的信号作为电压），得到存放在RAM内的各信号幅值、有效值和有功功率、无功功率、功率因数、频率如表（3.1）所示，经标度变换、转换为十进制数后的结果如表（3.2）所示。对市电用万用电表测量得有效值为220V，幅值为，频率为50Hz，电路实际功率因数为：，则理论上有功功率为：138361（W），无功功率为：44309（Var）。与表（3.2）对比：表3.1计算结果（十六进制数）周期相电流/电压幅值有效值有功无功功率因数频率第一周期A电流6194H44FFH352AE8FFH10E7515BH3B87A11FH电压61A6H450CHB电流617FH44F0H电压61B2H4515HC电流6175H44EAH电压6197H4510H第二周期A电流6153H44D1H3518229FH10DCE500H3B9电压6185H44F5HB电流6174H44E9H电压61A8H450DHC电流6179H44ECH电压6198H4504H表3.2经标度变换、转换为十进制数后的计算结果周期相电流/电压幅值有效值有功无功功率因数频率第一周期A电流312.25220.788139375(W)44311(Var.)0.95249.9999电压312.475220.950B电流311.988220.600电压312.625221.063C电流311.963220.525电压312.288221.000第二周期A电流311.438220.213139183(W)44205(Var.)0.953电压312.063220.663B电流311.85220.513电压312.5220.963C电流311.913220.550电压312.3220.850幅值最大绝对误差为：312.625—311.127=1.498相对误差为：（1.498/311.127）×100%=0.48%有效值最大绝对误差为：221.063—220=1.063相对误差为：（1.063/220）×100%=0.48%有功功率最大绝对误差为：139375—138361=1014相对误差差为：（1014/138361）×100%=0.73%无功功率最大绝对误差为：44311—44039=272相对误差为：（272/44039）×100%=0.62%功率因数和频率与实测值基本没有误差。对各电量的测量结果表明本电量变送器能较准确的测量各电量。从实验结果可以得出，本论文所研究的电量变送器不论在理论和还是硬件方面都是正确的，它能测量出对电量的有效值、幅值、有功无功功率、功率因数和频率。第四章电量变送器的软件设计当程序规划时，按照软件定时器0在采样周期内控制采样，当周期采样结束后，运行软件定时器1进入计算子程序。为尽量让系统运行稳定，缩减主程序被中断程序中断的次数，A/D转换应该结束中断而选择外设事务服务器。显示子程序中各参量的循环显示是通过定时器1溢出中断来控制的。本论文的程序构成为主程序及中断处理程序。4.1主程序采样周期、系统初始化、PTSA/D模式设置、频率赋初值、中断设置和相关寄存器清零构成了主程序[12]，框图如图（4.1）。图4.1主程序框图4.2软件定时器0中断软件定时器0中断程序通过PTS周期的方式是由预定的采样周期来运行ACH0通道的A/D转换，其原理框图如图（4.2）。图4.2软件定时器0中断4.3PTSA/D模式当PTS通道被A/D转换结束中断映射到时，PTS就需要出现A/D模式，即当PTS模式出现后，A/D转换将再次开始，而上回的结果要被存放于存贮器表格中。在PTS通道选通前必须进行模式控制块初始化模A/D式下，其控制块格式如表（4.1）。它包含4个寄存器：PTSCOUNT、PTSCON、S/D和REG寄存器，其中PTSCON的作用是设置工作方式；A/D转换的次数由PTSCOUNT来设置；S/D指向一个用于存放A/D命令和转换结果的表格；REG主要作用为存放一个暂存寄存单元（暂存A/D表格中命令）的地址[13]。在一个PTSA/D周期中，下列动作应该在中央处理器不干预的情况下自动完成：表4.1PTSA/D控制块不用不用REG（HI）REG（LO）S/D（HI）S/D（LO）PTSCONPTSCOUNTREG指向的暂存寄存器中应装入S/D寄存器所指的A/D表格中的一个字（A/D命令）。2）S/D寄存器的值增2，把A/D-RESULT寄存器的内容装到由S/D寄存器所指向的单元中。3）把暂存单元内的A/D命令装入A/D-COMMAND寄存器，启动一次新的A/D转换。4）由PTSCON寄存器中的值决定S/D寄存器的需值增加，且要指向表格中一个新的A/D命令。5）PTSCOUNT的值减1，直到减至零，否则持续A/D转换，并且可以在允许的情况下申请一次END-OF-PTS中断。因此在PTSA/D模式下，在变电器采样中，每一个采样点有6个通道，其中仅有一个通道需要CPU的处理，CPU简称处理器，可以有效的解释计算机中的一些数据，而剩下的通道不需要CPU的处理从而减少了成本，CPU的作用是可以有效的预防一些由于外界因素而造成的影响，其最终的结果最后被保存在计算机中的寄存器内部，其中在寄存器中是以数字格式的地址值而保留。而为了避免计算机的数据受到干扰与破坏，需要把循环所收集的数据放在不同的地址中，从而使所收集的数据不发生相互干扰现象，从而有效的防治了数据的破坏，可以使计算机更好的保存数据，而这些模式的进行需要中断程序的保护，但由于程序不断的循环，直到说收集的数据快到达到饱和时，下一周期的数据与上一周期的数据可以双向保存，从而有效的节省了计算机的空间。其程序框图如图4.3。图4.3PTS中断程序4.4软件定时器1中断软件定时器在每个周期具有一定的规律性，在每个周期延迟中需要采集一些数据，再进入计算机的下一个程序，在这个过程中需要采集两个不一样的点，进入计算机的下一个程序后然后再进行一定的周期采样这一程序，经过计算机精密的计算后，再进行下一周期的采样与采集，其中的软件定时器起到了重要的作用，它在计算机中需要开放软件定时器，其中软件定时器起到了中断的作用,最后PTS结束中断，然后持续进行，直到关闭了软件定时器，从而停止了循环停止了采样，其中再进行周期运算时，需要用到很多周期信号，在每一个周期中采用上一周期的数据，最后可以在计算机中查看所有数据。程序框图如图（4.4）。图4.4软件定时器l中断程序4.5定时器1溢出中断16位定时器l每经过8个状态周期计数增1，当计数达0FFFFH时产生溢出中断并重新开始下一轮的计数，通过设定定时器1的溢出次数，可以使显示器循环显示A相电流、电压，B相电流、电压，C相电流、电压，无功功率、有功功率,功率因数、频率。在定时器1溢出中断处理程序中必须重新开放中断以保证能准确地按预定的采样率进行采样[14]。程序框图如图（4.5）。图4.5定时器1溢出中断4.6傅里叶算法原理傅里叶算法是以周期函数为基础，把信号分解为整数倍基频的分量之和，然后采用一组正交函数，作为样品函数，将样品函数与周期函数进行积分变换即可求出与样品函数频率相同的分量的虚、实部。设周期函数的时域表达式为：（4—1）将样品函数与周期函数作积分变换，则可得到：（4—2）（4—3）其中：T=1/f为函数的周期，XkRe，XkIm分别为第k次谐波分量的实部和虚部。所以，第k次谐波向量可表示为：（4—4）相应的幅值和相角分别为：（4—5）（4—6）当表达信号x（t）的坐标原点被确定以后，x（t0）及三角函数因其周期性的特点，不管t0取任意值，各分量的实、虚部XkRe，XkIm将始终保持不变，因而计算出来的各分量的相位也是保持不变的，而且因为相位具有相对性[15]，通常是对不于某一坐标原点来定义的，所以，当不同信号拥有共同的坐标原点时，不同时间点的t0计算出的相量表达式相角具有绝对可比性。4.7A/D转换结果的处理80C196KC的A/D转换为10位，其精度为：5/1024=0.0048828V，转换的结果是比例式的，当输入电压与VREF之比为1时，10位的转换结果全为l，一般情况下，A/D转换的结果为：（4—7）根据式（4—7）的转换公式及极性变换电路，可得实际输入的电压与A/D转换结果之间存在着这样的关系：输入电压=（1FFH—A/D结果）（4—8）其中，IFFH对应于电压为2.5V的A/D转换结果。暂时不考虑因子5/1024，令电压输入值为UIN，A/D结果为Uad，则：UIN=2.5-Uad（4—9）在电量变送器中基本要按照上式进行预处理，使得采样结果的每一个采样值都要被执行一次减法运算，以便计算量随采样信号的数量和每周期采样点数的增加而增大。下面从傅里叶算法出发，推导一种不需对每一采样值进行处理的方法。对式（4—9）作傅里叶变换：（4—10）（4—11）从上述两式可以看到，将采样值按式（4—9）处理后再经傅里叶计算所得的结果与直接将采样值进行傅里叶计算所得的结果仅仅相差一个符号，因此在计算程序中不必对采样结果进行预处理而直接使用它们来计算虚、实部，只是计算所得的虚、实部与实际值相反，故在程序中只要对计算所得的虚、实部取反即可得到实际的虚、实部。第五章结论我所做的论文是基于单片机的电量变送器，其中比较老式的有微机式电量变送器，它已经得到了人们的普遍认可，而我认为其中有一定的缺陷，我所做的电量变送器采用了80C196KC单片机为核心，它可以有效的预防微机式的响应延迟，受到自然因素影响大等缺点，可以有效的提高变电器的精度，在供能方面可以更持久，更加高效，而且也满足了人们日常生活中用电的需要。本文所设计的电路中，包含了可以自行中断还有诊断等功能，以及预防各种自然因素等特殊因素的影响的作用，其中我所做的变电器是由纯手工制成，从而可避免机器化大量生产产生的一些不必要的误差，制作简单，能提高其可靠性，虽然在生产上更加复杂，但