基于单片机的数字电功率表研究

摘要错误！未定义样式。PAGE2一、系统方案研究（一）系统的原理本文所研究的数字电功率表主要针对单相交流电。用电负载的功率网络模型如图1-1所示，假设该电路处于稳定状态，N代表用电负载，u代表电压有效值，i代表电流有效值，是电压电流相位角，其中U、I分别是电路的电压最大值和电流最大值，则电路的电压电流有效值为[4]：（2-1）（2-2）则负载的额定功率为：（2-3）图1-1功率网络模型从技术方面，本文需要利用控制器件实现整个系统的控制，可利用51系列单片机，51单片机价格低、性能适中、结构简单，非常适合作为小型控制系统的核心元件[5]。本文的研究思路如下：第一步，与传统方法类似，首先需要进行电路信息采样，这里的采样指的是对电路的电压信号、电流信号进行采样，由于采样数值是模拟值，而单片机是典型的数字化芯片，所以还需将模拟电压、电流信号转换成数字值，需要用到AD转换芯片，然后将采样的数字值进行滤波消除杂波干扰；然后将采样值送入单片机；最后通过软件程序将数值进行处理，经显示模块进行显示。第二步，功率计算还有另一个未知数，就是相位角，本文利用过零比较法求得，也就是利用交流电路的过零点，结合单片机的定时器，当正弦波信号在零点时，根据采样电压与电流的时间差来进行相位角测量计算，然后通过计算的相位角查表可得功率因数，最后通过功率公式计算出当前功率[6]。（二）系统功能需求本文研究的数字电功率表需要测量电压为AC220V，频率为50Hz的单相交流电各类参数，包括电压有效值、电流有效值、额定功率、功率因数等[7]。由于上述提到的参并不能被直接测量，所以应对电压、电流、相位角进行采样，并计算得到最后额定功率。本研究的重点是电压和电流采样以及相位角的测量方法，且将各个参数显示到显示屏。整个过程需要硬件电路的研究和软件程序的控制。本文研究的数字功率表具备以下几个功能：1）电压值、电流值同步显示；2）电压测量范围0-300V，电流测量范围0-5A；3）直观的显示电压、电流、功率等信息，可利用液晶显示屏完成。（三）总体方案分析根据系统总体研究思路，对系统的总体结构进行研究，数字电功率表虽因各种不同工作性质而造成的需求不一致，但是整个系统的结构是同样的，只需要根据人们不同的需要研究成多个模式进行切换。整个系统的研究需要考虑到成本估算和总体系统的稳定性，为了让数字电功率表的研究经济适用，可以普遍的在人们的生活中应用，采用较合理的总体系统研究，根据人们生活的低功耗性，高稳定性，及检测系统的方便性等。为了测量和计算功率，首先要根据功率计算公式测量相关未知因数，从上式可知，本文所需要测量的数字量包括电压有效值U、电流有效值I以及电压和电流的相位夹角，知道这三个未知数便可求得功率[8]。根据上述所需测量值，将系统分成如下模块：前置电路的电压电流采集模块、相位角大小采集模块、液晶显示功能模块、按键输入模块。整个系统的功能结构图如图1-2所示。图1-2系统功能结构图首先对于电压电流采样方法有电阻采样法和互感器法，由于电阻温度的变化对阻值有一定的影响，从而会影响采样的精度，不适用于数字电功率表，而互感器法可实现一次与二次的隔离，采样过程中，对一次电路无影响，所以本文采用互感器法对输入电压电流进行采样[9]。其次对于采样来的电流电压信号要进行整流滤波，因为信号整流后会含有一定量电压纹波，所以还需要加入RC滤波电路。然后要将采样的电压电流信息转换成单片机可以识别的信号，也就是将模拟信号转换成数字信息，这就需要模数转换器，可使用多通道模数转换芯片TLC1543，它具有转换精度高、传输速度快、价格便宜等优点。最后本文的另一个重点是相位角的测量，有傅氏滤波法和过零比较法，傅氏滤波法适用于无限长信号，而对于交流信号，过零点是其重要的特征，在此可利用过零比较法，利用电压和电流过零点的时间差来测量和计算相位角，这种方法更加精确方便[10]。浙江大学远程教育学院本科毕业论文(研究) 二、硬件电路研究PAGEPAGE17PAGE4二、硬件电路的研究（一）单片机最小系统单片机最小系统中晶振电路的作用是为单片机提供时钟，理论上讲，单片机的晶振频率越高，单片机的处理速度就越快。单片机最小系统中复位电路的作用是当单片机死机或者程序跑飞，单片机异常工作时，可以通过自动或者手动复位使单片机重启，类似于电脑的重启键。单片机最小系统如图2-1所示，图中单片机最小系统的晶振为Y1，可采用6MHz~12MHz，因为晶振频率直接影响单片机的处理速度，频率越大速度越快，故选择频率高的晶振较好，本研究中选用11.0592MHz；晶振电路中的起振电容C2、C3的电容大小为30PF。单片机的时钟电路不仅为自身提供所需时钟，在某些情况下，它还未系统提供时钟，有些需要提供时钟的芯片，它的时钟引脚与单片机的时钟引脚输出端相连接，由单片机来为其提供所需时钟。复位电路也是最小系统一部分，单片机的复位时间受极性电容C1的影响，C1越大需要的复位时间越短，一般情况下采用10-30uF，本研究中采用10uF。图2-1单片机的最小系统前置电路下面重点介绍电压电流采样电路及相位角采样电路，是本文研究的重点内容。可将电压电路采样电路、相位角采样电路、模数转换电路合并成为系统前置电路。1.电压电流采样电路根据前一章所提到的电压电流互感器法，本文使用TVA1421-01型互感器，它既可以作为电流互感器又可以作为电压互感器使用，将外部电压电流按照一定的比例进行缩小。（1）电压互感器电路如图2-2所示，TVA1421-01用作电压互感器时，其实际上是电流型互感器，其电流比为1:1，本研究中，电压互感器的一次侧和二次侧电流都为2mA。由于一次侧的分压电阻为150千欧，本文需要将0-300V的电压变为0-1V电压，转换比例为300:1，故通过计算可知二次侧电阻应取500欧姆。图2-2电压采样电路图（2）电流互感器电路TVA1421-01用作电流互感器作为电流测量使用，其为穿心式电流互感器，将被测电流的导线串入互感器中心孔。由于本文所使用的模数转换芯片TLC1543为电压型，不能识别电流信号，所以需要将电流信号转换成电压信号，则在电流互感器的二次端串接采样电阻，即可得采样电压。TVA1421-01的输入电流和输出电流成线性比例，本互感器的电流比例为1500:1，故额定电压为5A时，输出额定电流为3.33mA，此时二次侧采样电阻取300欧姆，通过计算可知二次测输出电压为0-1V。电流采样电路图2-3所示。图2-3电流采样电路（3）信号处理电路图2-4电压采集信号处理电路如图2-4所示，由电压互感器电路可知，互感器变换后电压UD为0-1V，这里需要将其经运算放大器LM358放大5倍，再经过二极管D5整流、RC组合滤波电路滤波、分压电阻分压后，最后得到0-5V的直流电压信号，将其送到A/D转换芯片。图2-5电流信号处理电路如图2-5所示，由电流互感器电路可知，经互感器变换后的电流信号电压为0-1V，需要将其经运算放大器LM358放大5倍，再经过二极管D5整流、RC组合滤波电路滤波、分压电阻分压后，最后得到0-5V的直流电压信号，将其送到A/D转换芯片。2.相位角测量电路由于交流电相对于直流电存在过零点这一特性，所以对于同一周期内的电压电流相位差，我们可以利用交流电这一特性对其进行检测，检测时需要知道交流电压与电流各自过零点的时间，然后通过单片机定时器计算，便可得到最后的相位角。如图2-6所示，相位角过零检测电路包括三部分，其一是限幅电路，它主要是完成幅值的限制，其二是光电耦合器，主要完成光电耦合，其三是过零检测电路，主要完成过零点的检测。当电路电压或电流通过互感器变换后的采样电压或电流值大于0时，则图中放大器后的1点或7点的电位小于零，二极管导通，通过光电耦合使输出端的P3.2为低电平。当电压或电流的负半轴经过零点时，1点或7点的电位大于零且近似为5V，此时二极管不导通，输出端P3.3为高电平。最后单片机利用电压和电流过零时间，通过单片机内部定时器计算，便可得出电流和电压之间的时间差，再通过相应的程控研究，最后得出功率数值。本文所利用的光电耦合器不仅有效的实现了高低电平的转换，同时可以起到电器隔离的效果，有效的提高了系统的抗干扰能力。图2-6相位角测量电路3.模数转换电路由于单片机的输入端直接收数字量，故需要模数转换芯片将电流电压采样电路转换过来的小直流电压转换成数字量。本文选用的A/D转换芯片为具有11路模拟量输入的TLC1543模数转换器，相对于传统的ADC0809，它具有转换时间快、采样的精度高等优点，且价格适中完全可以满足本系统的要求。如图2-7所示为模数转换电路图。TLC1543芯片的基准电压5V由外部电源提供，本文将TLC1543设置成单极性输出，可以有效的提高采样精度，这样也就大大提高了系统的精度。模数转换芯片TLC1543可直接与单片机连接，其引脚SDO、ADDR、CS、CLK、EOC分别接到单片机的输入端口P2.0-P2.4口上，实现了单片机的数字量输入。为单片机的控制提供了重要的前置保障。图2-7TLC1543的硬件电路图（三）键盘模块键盘是整个系统人机交互中的输入端，人们可利用键盘输入实现数字电功率表的各项功能。按键电路的原理图比较简单，其功能的实现原理采用的是扫描法，我们一般需要将行线和列线进行分开，使用行线作为输出，使用列线作为输入，通过行线输出的均为低电平，列线的输入主要是按键功能实现状态。键盘电路如图2-8所示，本系统的功能键较少，可设置为5个按键，选择了独立式按键。为了保护单片机的IO接口，每个按键串联电阻后与单片机的输出端口相连接。可以通过检测不同输入线的电平状态判断按键工作。本研究中，可将5个按键分别定义为：显示电压、显示电流、显示功率因数、显示功率、复位按键。图2-8键盘电路（四）显示模块数字电功率表需要显示电压电流等数值信息，可选取简单的可编程显示模块，本可选用型号是SMC1604A的液晶显示器，它不仅易于编程，而且最多显示四行字符，与本文功率表要求的功能相符合。液晶显示器电路如图2-9所示。数据输入端D0-D7与单片机的P2引脚相接，E、RW、RS引脚分别与单片机的P3.7、P3.6、P3.5引脚相接。LCD液晶显示模块是人机交互的输出界面，它能直观的显示本系统的电压电流及功率数值。将抽象的温湿度模拟量以数字的形式直观的显示出来，方便人们获取信息，这也是科技的进步和电功率表智能化的体现。图2-9液晶显示器电路图浙江大学远程教育学院本科毕业论文(研究) 三、软件研究三、软件程序的研究（一）主程序的研究主程序是整个系统的控制主框架，它实现了系统的无限循环，按照一定的顺序调用相关子程序，根据其具体的功能指令，完成数字电功率表的各项功能。主程序流程图如图3-1所示。程序开始首先进行系统的初始化，然后调用显示子程序，显示系统储存的电压、电流、功率因数、功率等；然后调用测量主程序，对当前的系统数值进行再次测量；其次，检测是否有按键产生，若没有，则显示当前数值，若有按键，则调用按键子程序对按键信息进行识别，重新调用测量子程序对其进行测量，测量系统的电压、电流、功率因数、功率，最后通过显示子程序显示测量的数值。整个系统是一个无限循环的过程，可以有效的测量当前的系统数值，实时性强，响应快。图3-1主程序流程图（二）初始化子程序初始化子程序使系统的前置子程序，它可以实现相应的存储单元进行清零、设定定时器工作方式等等，初始化程序的流程图如图4-2所示，具体步骤如下：1)启动后，首先应对单片机重新设置堆栈；2)清24C16写保护，读取存储器的内容是否等于当前的设定值0AAH；3)设置单片机定时器的工作方式4）设置通信速率波特率，本系统暂时设定波特率为4800。5）液晶显示的初始化，液晶清零。图3-2初始化流程图（三）测量子程序测量程序是整个系统中最主要的子程序，主要包括电压电流有效值测量、功率因数测量以及功率计算，测量子程序的流程图如图3-3所示。图3-3测量子程序流程图测量子程序根据其功能又分为以下几个子程序：（1）功率因数子程序首先要测量电压电流之间的相位差，由于单片机工作原理可知，其定时器T0计数方式1，定时器T1计数方式2。如图4-5所示，为测量电路实测波形。当输入端INT0由0变成1时，电压波形发生正向跳变，打开定时器T0，开始计数；当输入端INT1由0变成1时，电流波形发生正向跳变，则关闭定时器T0。当输入端INT1再次由0变成1，电压波形发生正向跳变时，再次打开定时器T0，这样往复循环。根据定时器T0中所保存的数值Tx，通过公式（3-1）注：T指交流电路周期（f=50HZ），指电压和电流之间的相位差。可求出相位角的大小：（3-2）其中T为电路的周期，可以得到其中（3-3）将公式3-3带入公式3-2，计算可得相位角的值。通过查表查出功率因数。图3-4实测输出电压电流波形图功率因数子程序流程图如3-5所示。图3-5功率因数子程序（2）电压电流测量子程序电压电流的输入值与输出值呈线性关系。具体对应值为输入电压0-300V对应输出电压0-5V，输入电流0-5A对应输出电流电压值0-5V。由于交流电的频率为50Hz，则系统周期为T=20ms，设定模数转换的时间为10us，设信号一个周期的采样次数为N，根据如下公式计算电压电流有效值。电压有效值：（3-4）电流有效值：（3-5）式3-4与3-5中的k为采样顺序号，u(k)为第k时刻的输入电压瞬时值，i(k)为第k时刻输入电流瞬时值。通过上式计算可得电压电流有效值，电压测量子程序如图3-6所示，电流测量子程序如图3-7所示。图3-6电压测量流程图图图3-7电流测量流程图（3）功率计算功率无法通过测量直接显示，需根据上述电压电流有效值与功率因素的测量值进行计算。根据公式（3-6）根据上式可以计算出功率值。功率计算程序流程图如图3-8所示。

图3-8功率测试流程图浙江大学远程教育学院本科毕业论文(研究) 四、系统的调试PAGEPAGE23系统的调试（一）电压电流采集模块的调试首先对前述章节中提到的电压电流采集模块进行仿真研究和调试。将系统输入电压为0-300V交流电压信号经过电压互感器变为0-1V的小交流电压信号，再经过信号处理电路可以得出0-5V的交流电压信号。如图4-1所示，通过电路仿真可以得到电压最小值为0.01V；如图4-2所示，通过电路仿真可以得到电压最大值为4.68V。将0-5A输入交流电流信号经电流互感器变为0-1V的小交流电压信号，再经过电流信号处理电路后可得出0-5V的交流电压信号。如图4-3所示，通过电路仿真可以得到电流电压的最小值为0.01V；如图4-4所示，通过电路仿真可以得到电流电压的最大值为4.68V。通过以上仿真可知，电流电压采集模块存在一些误差，但是误差在允许的范围内。图4-1电压采集到最小值图4-2电压采集到最大值图4-3电流采集到最小值图4-4电流采集到最大值（二）相位角模块的调试相位角测量电路是本文重点所研究和解决的问题，在前述章节中，对功率因数的计算进行了详细的讲解，通过过零比较法，通过测量同频率的电压与电流两个正弦信号，经过零点的时间T1和T2，并计算两者之间的时间差ΔT=T2-T1，从而得到相位角。仿真结果如下图所示。图4-5为电压相位采集波形，图4-6为电流相位采集波形，通过其过零点的时间点计算出时间差，查表得到功率因数。图4-5电压相位采集波形图4-6电流相位采集波形浙江大学远程教育学院本科毕业论文(研究) 结束语结束语本文研究了一款基于单片机的数字电功率表，通过对其硬件电路与软件程序的研究，实现了其电压电流显示、功率因数的测量、功率的计算等功能，本文所研究的数字电功率表，具有精度高、抗干扰性强、体积小、读数直观等优点，同时降低了成本，实现了数字化控制。本文的具体结论如下：（1）电压电流信号的采集本文通过互感器法完成了大电压（电流）到小电压（电流）的转换，使用电压（电流）互感器法不仅提高了对一次侧的测量精度还有效的实现了一次侧与二次侧的电气隔离，保证了人身安全，同时又提高了电压（电流）采集模块的抗干扰性能，从而有效的提高了电功率表的抗干扰性能。（2）相位角的测量本文利用交流电的过零点特性，通过采集同一周期内交流电压信号与交流电流信号的时间差，结合单片机内部定时器来确定相位角，再经过查表得到功率因数。这种方法的实现大大提高了相位角的测量准确性，是一种数字化的测量方法。（3）系统仿真研究本文利用Proteus仿真软件对电路及软件进行了相关的仿真与调试，对电压与电流采集仿真、相位角测量仿真以及液晶显示仿真。通过仿真研究可