电力参数在线检验专业系统设计

题目：电力系统多参数在线检测系统设计指引教师：但愿学生姓名：专业：电气工程及其自动化班级：电气10-3班完毕日期：5月24日声明郑重声明，此论文（设计）是本人在有关教师指引下完毕，没有抄袭、抄袭她人成果，否则，由此导致一切后果由本人负责。本人签名：

新疆大学科学技术学院学生毕业论文（设计）任务书学生姓名学号242专业电气工程及其自动化班级电气10-3班论文（设计）题目电力系统多参数在线检测系统设计论文（设计）来源教师自拟规定完毕内容1设计出电力系统电压、电流、频率、功率因数等参数在线检测方案。2设计出完整以51单片机为主控制整体系统图。3写出完整系统程序。4完毕毕业论文书写。指引教师签名

摘要随着电力系统迅速发展，电网容量不断增大，构造日趋复杂，电力系统中实时监控、调度自动化显得尤为重要，而电力参数数据采集又是实现自动化重要环节，如何迅速精确地采集系统中各元件电参数（电压、电流、功率、频率等）是实现电力系统自动化一种重要因素。基于此，本次设计采用单片机80C51实现电力监控系统交流采样,即系统采集是交流电压和电流，不需变送器进行交直流转换。模数转换器ADC0809对三相交流电压和电流分时进行模数转换，把得到数字量送入单片机进行数据解决，然后通过LCD数码管显示电压和电流，频率，功率，功率因数等实时值。文中阐述了该系统实现电参数测量工作原理，着重简介了该系统实现过程，在此基本上，详细简介了整个系统软件开发过程。核心词：电力系统；交流采样；电气参数ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofelectricpowersystem，networkcapacityisincreasing，andthegrowingcomplexityofthestructure，electricpowersystemreal-timemonitoringandSchedulingAutomationisparticularlyimportant.Thedataacquisitionoftheelectricparametersisalsoanimportantpartofautomation.Howquicklyandaccuratelyacquisitiontheelectricalparameters(voltage，current，power，frequency，etc.)ofsystemcomponentsisanimportantfactortoachievepowersystemautomation.Basedonthepaperadopts80C51SCMtoachieveACsamplingofelectricparameters.ThattheacquisitionsystemisACvoltageandcurrent，transmitterwithoutAC-DCconversion.TheA/DconverterADC0809makesthree-phaseACvoltageandcurrentbetransformedtodigitalquantityfromanalogquantityatdifferenttimes.TheSCMfinishesdataprocessing.Meanwhile，thereal-timevalueofvoltageandcurrent，frequency，PowerfactoraredisplayedthroughLCDdisplay.Inthearticleelaboratedthissystemtorealizetheelectricalparametersurveyprincipleofwork，introducedemphaticallythissystemrealizedtheprocess，basedonthis，introducedoverallsystem'ssoftwarecompilationprocessandvarioussubroutinesrealizationindetail.Keywords：ElectricPowerSystem；ACsampling；DigitalElectricalParameter目录1绪论 11.1论文选题背景 11.2论文研究意义 11.3交流电量采集现状及发展 11.4课题重要内容 22系统总体设计原理 32.1交流采样法 32.2交流采样原理及有关算法 32.3系统工作过程 43主控芯片有关内容简介 53.180C51单片机引脚 53.280C51单片机基本构成构造 63.3中断系统 83.4复位电路 103.5ADC0809A/D转换器 104系统硬件设计 124.1复位电路及时钟电路 124.2电流、电压采样电路 134.3功率因数采样电路 134.4频率采样电路 154.5LCD1602液晶显示 154.6总体硬件电路 175系统软件设计 185.1系统软件总流程图 185.2某些功能程序实现 185.2.1数据采集子程序流程图 185.2.2数据解决程序流程图 196结论 26致谢 27参照文献 28附录 29系统源程序： 291绪论1.1论文选题背景当代社会电能是一种使用最为广泛能源，其应用限度是一种国家发展水平重要标志之一。随着科学技术和国民经济发展，对电需求量日益增长，同步对电网运营稳定性规定也越来越高，对电网实时监控就显得非常重要。随着国内电力行业迅猛发展，电网供电品质越来越受到电力部门以及顾客关注。在电力监控系统中，为了维护电网运营稳定和安全，保证顾客用电可靠性，需要电网中各种电参量维持稳定值不变。这就需要实时采集各种电参量，用来监控以保证电网稳定。。1.2论文研究意义在微机技术发展初期，电力监控系统普遍采用通过变送器直流采样办法，即通过变送器整流后直流量。这种办法软件设计简朴，对采样值只需作一次比例变换即可得到被测量数值，因而采样周期短。由于以上特点，该办法在微机应用初期得到了广泛应用。但通过变送器直流采样办法存在某些问题，如测量精度直接受变送器精度和稳定性影响，设备复杂，监控系统造价高等。随着科技发展，仪器仪表发展更新越来越进步。作为工业自动化技术工具自动化仪表与控制装置，在高新技术推动下，正跨入真正数字化、智能化、网络化时代。微机技术发展，使微机系统主频提高，指令功能变强，模数转化芯片技术提高，成本减少，使得交流采样运用成为也许。由于交流采样去掉变送器，按一定规律对被测量瞬时值进行采样，用一定算法求得被测量，即用软件功能代替硬件功能，从而减少了系统造价。从以上可见，研制一种电力参数检测装置具备非常重要意义，它能对如电压、电流、功率因数和频率等重要电力参数进行实时检测，还要对电力系统中高次谐波进行实时分析，从而使人们采用进一步办法，保证电能质量，保证电力系统安全、可靠、经济地运营。1.3交流电量采集现状及发展电能质量原则和技术是随着电力系统发展和顾客需求变化而变化和发展。大量电力电子设备使用是新技术运用，同步也是电能质量恶化制造者和受害者。有目共睹，电力质量问题是严重。近几十年来全球范畴内因电能质量而引起重大电力事故己达20多起，每年电能质量扰动和电力环境污染引起国民经济损失高达300亿美元。其实，供电质量问题不但对大型公司正常生活影响较大，同步对重大活动，政治活动安全供电影响也较大。咱们需要监察分析电力系统动态和稳态两大电能质量问题，为防止和减少电能质量引起故障，需从记录数据方面提供采用办法根据。国外对电能质量研究起步较早，当前关于电能质量控制研究正掀起高潮，从所使用理论到电能质量评价指标体系建立；从全国性电能质量普查、监测到顾客终端电气环境定义，各种电能质量问题分析办法提出，以及“顾客电力技术”等电能质量控制技术研究和装置开发正进一步进行。1996年，IEEE将每两年召开一次电力谐波国际学术会议(ICHPS)改名为电力谐波与电能质量学术会议(ICHAP)，把电能质量提高到一种新结识高度。在从事电能质量产品公司中，美国FLUKE公司和瑞士LEM公司产品在全球均有广泛应用。国内致力于电能质量产品研究公司诸多。总体来看，国内广泛采用记录型电压表监测电压质量水平，这些电压监测仪能监测电压合格率，需要人工抄表，缺少记录分析功能，而谐波和电压波动、闪变测量则用便携式测量仪器，分别对变电所各级母线电压、主变压器侧谐波电流、电容器组谐波电流进行测量、对大、中型非线性负荷顾客和电厂以及低压配电网电流进行测量，然后依照测量数据进行汇总、记录分析，对电网电能质量水平进行评估。这种电能质量监测手段和管理模式存在实时性差、测量指标少、工作量大、测量误差大、效率低等明显局限性。当前，电力参数检测仪器正朝着如下方向发展：(l)、体积小型化、功能多样化、功耗减小，维持电流减少化、采用新器件更高可靠性、显示方式普遍更新。(2)、实现网络化智能、在线监测。随着传感器技术、计算机技术、信息技术等发展，系统监测技术广泛采用这些先进科研成果，使在线监测逐渐走向实用化阶段：监测装置可作为接入访问平台进入网络，可以实现设备资源和数据资源共享及远程操作。(3)、虚拟化。虚拟仪器是建立在原则化、系列化、模块化、积木化硬件和软件平台上完全开发系统，结合电力系统应用，开发应用虚拟仪器技术建立高速、高效、大容量、多功能、智能化实时监铷系统。1.4课题重要内容本课题研究重要内容是MCS-51单片机在交流电量参数测量中应用，在该课题中采用MCS-51单片机实现电力参数交流采样。通过LED显示屏显示频率、功率、功率因数、三相电压和电流实时值。在系统软件设计中，采用模块化设计办法使得程序构造清晰，便于此后进一步扩展系统功能。系统软件有如下模块构成：主程序、时钟中断服务程序、键盘查询服务程序、数据采集解决子程序、显示程序等。此外，咱们还应考虑到电网存在谐波，还会有各种瞬时干扰，而采用硬件滤波存在硬件电路复杂等诸多弊端，因而在此系统中求取电力参数实行数字滤波办法祛除干扰，此外，系统中还应采用指令冗余等抗干扰办法，以使系统具备良好抗干扰性能。

2系统总体设计原理2.1交流采样法依照采样信号不同，可以分为直流采样和交流采样两大类。所谓直流采样是把交流电压、电流信号转化为0～5V直流电压，这种办法重要长处是算法简朴，便于滤波，但是由于其投资较大，维护复杂，无法对信号进行实时采集，因而在电力系统中应用受到了限制。交流采样是把交流量转化为±5V（或0～5V）交流电压进行采集，交流采样实时性好、相位失真小、便于维护，随着计算机和集成电路技术发展，交流采样原有困难如算法复杂、提高精度难、对A/D速度规定高等已逐渐得到克服。交流采样法具备响应速度快、投资省、工作可靠和维护简朴等长处，但交流采样所得到是信号瞬时值，是随时间而变化交变量，人们无法直接辨认其大小和传送方向(指功率)，这就需要通过一定算法把信号关于特性电量计算出来。交流采样办法重要有同步采样、准同步采样和异步采样。同步采样详细作法是将信号一种整周期(或各种周期)进行均匀离散,在每一离散点处取其瞬时值。如被测信号频率有偏移,常运用锁相环电路零检测环节以保证采样同步。同步采样对采样速率N及采样周期选取既要满足采样定理规定，又要满足实时解决规定。同步采样中由于N次均匀采样间隔h之和很难与一种周期T或m周期严格相等，它们之间差别，称作同步误差。在实际测量中，很小同步误差也会产生较大测量误差。为了减小同步误差对采样限制，准同步采样办法便应运而生。准同步采样是在各种周期内均匀采样，然后依照特定数值求积公式进行递推运算，它是以较多数据及较长运算时间作为代价来减小同步误差对测量影响，并且在采样期间规定信号波形必要稳定。2.2交流采样原理及有关算法工频参数计算要用到电压、电流有效值，而测量系统CPU从A/D转换器读取数据是电压、电流瞬时值，因而应依照电压、电流瞬时值，计算出电压、电流有效值、功率等参数。将电压有效值公式（2-1）式（2-1）离散化，以一种周期内有限采样电压数字量来代替一种周期内持续变化电压函数值，则式（2-2）式（2-2）中：为相邻两次采样时间间隔；为第m-1个时间间隔电压采样瞬时值；N为1个周期采样点数。若相邻两采样时间间隔相等，即为常数，考虑到，则有式（2-3）式（2-3）就是依照一种周期各采样瞬时值及每周期采样点数计算电压信号有效值公式。同理，电流有效值计算公式如下：式（2-4）计算单相有功功率公式式（2-5）离散化后为式（2-6）式（2-6）中：、为同一时刻电流、电压采样值。功率因数可由下式求式（2-7）但在实际测量中，上式算法很难实现，因此本文拟采用一种与接线无关三相功率因数检测办法。对于频率测量，是将交流信号经OP07电压比较器变成方波后送到80C51P3.2脚（外中断0），由80C51计数器0在方波一种周期内计数，然后乘以系统内部时钟就得到方波周期，因此频率就为。2.3系统工作过程系统交流采样某一工频电力参数过程如下：（1）通过电压互感器TV和电流互感器TA获得输配电线路上电压、电流交流信号；（2）对电压、电流交流信号进行选取、采样/保持；（3）进行A/D转换；（4）单片机对A/D转换信号进行数据解决，即采样数据解决，标度变换以及输出等操作；（5）LCD显示屏来实现系统功能3主控芯片有关内容简介3.180C51单片机引脚图3.180C51单片机引脚单片机40个引脚大体可分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。⒈电源:VCC-芯片电源，接+5V；VSS-接地端；⒉时钟:XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。控制线:控制线共有4根ALE/PROG:地址锁存容许/片内EPROM编程脉冲ALE功能：用来锁存P0口送出低8位地址PROG功能：片内有EPROM芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。PSEN:外ROM读选通信号。RST/VPD:复位/备用电源。RST（Reset）功能：复位信号输入端。VPD功能：在Vcc掉电状况下，接备用电源。QUOTEEA/VppEA/VPP:内外ROM选取/片内EPROM编程电源。EA功能：内外ROM选取端。VPPQUOTEVpp功能：片内有EPROM芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源VPP。⒋I/O线80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具备第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。3.280C51单片机基本构成构造1.80C51单片机基本构成CPU系统:1个8位微解决器CPU，内部时钟电路，总线控制逻辑。内部存储器:4KB片内程序存储器（ROM/EPROM/Flash），128B数据存储器（RAM）和128B特殊功能寄存器SFR（80C51只用到其中21B）I/O接口及中断定期功能:4个8位可编程I/O（，输入/输出）并行接口；5个中断源中断控制系统，可编程为2个优先级；2个16位定期/计数器，既可以定期，又可以对外部事件进行计数；1个全双工串行I/O接口，用于数据串行通信80C51内部构造中央解决器:CPU是80C51内部1个字长为8位中央解决单元，它由运算器、控制器两某些构成。事实上构成了单片机核心。运算器:以算术逻辑单元ALU（ArithmeticLogicUnit）为核心，还涉及累加器A、程序状态字寄存器PSW（ProgramStatusWord）、B寄存器、两个8位暂存器TMP1和TMP2等部件。控制器:涉及程序计数器PC、指令寄存器、指令译码器、振荡器、定期电路及控制电路等部件；存储器:片内ROM是程序存储器；片内RAM，可用于存储输入、输出数据和中间计算成果，或作为数据堆栈区。I/O口:有4个8位并行I/O口P0～P3，均可并行输入输出8位数据。有1个串行I/O口，用于数据串行输入输出。定期器/计数器:产生定期脉冲，实现单片机定期控制；用于计数方式，记录外部事件脉冲个数。2．80C51单片机存储器构造80C51系列单片机有两个存储器：程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM），且各自独立编址。从顾客使用角度，80C51单片机存储器可以分为三个存储空间：片内、片外统一持续编址0000H～0FFFFH共64KB程序存储器空间。地址从0000H～0FFFFH片外数据存储器空间。地址从00H～0FFH256B片内数据存储器空间，其中只有前128B能供顾客作存储器使用。程序存储器ROM:程序存储器涉及片内和片外程序存储器两个某些；程序存储器重要用来存储编好顾客程序和表格常数；它以16位程序计数器PC作为地址指针，能寻址64KB。某些核心程序存储单元。存储单元0000H～0002H：80C51上电复位后引导程序存储单元。80C51上电复位后CPU总是从0000H单元开始执行。数据存储器RAM:数据存储器重要用于存储运算中间成果、数据等，它可以分为片内数据存储器和片外数据存储器两大某些。片外数据存储器可以扩展到64KB，相应地址范畴为0000H～0FFFFH。片内数据存储器共有256B，在功能上分为两某些，低128B（地址为00H～7FH）是真正数据存储区高128B（地址为80H～0FFH）用于特殊功能寄存器。特殊功能寄存器(SFR):SFR是80C51内部具备特殊用途寄存器；80C51内部共有21个特殊功能寄存器，每个SFR占用1个RAM单元，它们分布在80H～0FFH地址范畴内；程序计数器PC不属于SFR，它是独立在21个SFR中，有11个SFR既可以位寻址，也可以进行字节寻址。PSW格式:CY，进位/借位标志。有进位/借位时CY=1，否则CY=0；AC，辅助进位/借位标志。低4位向高4位有进/借位时AC=1，否则AC=0；F0，顾客标志位，由顾客自己定义；RS1、RS0，当前工作寄存器组选取位;OV，溢出标志位。有溢出时OV=1，否则OV=0；P，奇偶标志位。ACC中成果有奇数1时P=1，否则P=0。指针类寄存器:堆栈指针SP:8位，用来批示堆栈位置，它总是指向栈顶。数据指针DPTR:16位，它是80C51内部唯一供顾客使用16位寄存器。DPTR使用灵活，即可用作16位寄存器，对外部数据存储空间64K范畴进行访问，也可拆成两个8位寄存器DPH和DPL使用。接口类寄存器;并行I/O口P0、P1、P2、P3均为8位，通过对这4个寄存器读写，可实现数据从相应口输入输出。串行口数据缓冲器SBUF；串行口控制寄存器SCON；电源控制寄存器PCON。中断类寄存器:中断容许寄存器IE，中断优先级寄存器IP定期/计数类寄存器：定期/计数器T0，由两个8位计数初值寄存器TH0、TL0构成，在构成16位计数器时，TH0存储高8位，TL0存低8位；定期/计数器T1。由两个8位计数初值寄存器TH1、TL1构成，在构成16位计数器时，TH1存储高8位，TL1存低8位。定期/计数器工作方式寄存器TMOD；定期/计数器控制寄存器TCON。3.80C51单片机并行I/O接口80C51内部有4个8位并行I/O接口，分别称为P0、P1、P2和P3口。并行I/O接口特点:都具备“数据锁存器+输入缓冲器+输出驱动电路”典型构造；I/O接口复用功能，P0、P2口总线复用80C51单片机在作并行总线扩展时，P0口可作为数据/地址总线使用，分时作地址、数据传送：先传送低8位地址，然后传送8位数据信号；P2口用来传送高8位地址信号。P3口功能复用。并行I/O口应用特性:P0～P3口作通用输入/输出口使用时硬件连接。P0～P3口都能用于输入或输出操作。并且对每个接口都可将一某些管脚定义为输入，另一某些管脚定义为输出。由于P0～P3口内部构造不同，因此在作通用输入/输出口使用时，其外部硬件电路也不相似：（1）P0口既可用作通用I/O口，也可作为地址/数据总线使用。当单片机系统需要扩展片外存储器或者需要扩展具备地址/数据线芯片时，P0口只能用作地址/数据线，而不能再作通用I/O口使用。P0口作为地址/数据总线使用时，无需外接上拉电阻。P0口用作通用I/O接口使用时，必要外接上拉电阻。（2）P1口只能作为通用I/O口使用，没有第二功能。P1口在作为通用输出口使用时，不需要再外接上拉电阻。（3）当P2口作为通用I/O口使用时，不需要外接上拉电阻。当系统有外部扩展存储器或I/O接口时，P2口作为地址高8位信号线，此时P2口只能作地址线用，而不能作通用I/O口。（4）P3口除可作为通用I/O口使用外，还具备第二功能。当某些口线作第二功能使用时，不能再把它当作通用输入/输出口使用。其他未用口线仍可作通用输入/输出口线使用。P3口作通用I/O口使用时，不需要外接上拉电阻。准双向口输入操作，由于P0～P3口是准双向口构造，因此在进行输入操作时，必要先向相应口锁存器写“1”，以保证输入数据对的。读引脚与读锁存器:读引脚就是读芯片引脚上数据端口处在输入状态时单片机进行读引脚操作。MOV类传送指令进行读操作就是读引脚。锁存器,许多涉及到I/O端口操作，事实上只是对口锁存器中所存储内容进行“读出—修改—写入”操作。4.时钟与时序时钟电路为单片机工作提供基准步调，这样，当单片机执行指令时，就能按照“从程序存储器中取出指令代码→译码→完毕指令功能”顺序有条不紊地进行。80C51单片机内部有一种振荡器，其XTALI端和XTAL2端外接石英晶体和微调电容，其中电容C1、C2对振荡频率有稳定作用；振荡器频率选取范畴为1.2～12MHz。单片机也可以使用外部时钟。3.3中断系统当CPU正在解决某事件时外界发生了更为紧急祈求，规定CPU暂停当前工作，转而去解决这个紧急事件。解决完毕后，再回到本来被中断地方继续本来工作，这样过程称为中断。实现这一功能部件称为中断系统，请示CPU中断祈求源称为中断源。中断系统是使解决机对外界异步事件具备解决能力而设立。功能越强中断系统，其对外界异步事件解决能力越强。89C51单片机有5个中断源，当中断源同步向CPU祈求中断时，就存在CPU优先响应哪个中断源问题。它可分为两个中断优先级，即高档优先级和低档优先级；可实现两级中断嵌套。顾客可以用关中断指令（或复位）来屏蔽所有中断祈求，也可以用开中断指令使CPU接受中断申请。即每一种中断源优先级都可以由程序来设定。1.中断源在89C51单片机中，有5个中断源：两个外部（P3.2）和（P3.3）输入中断源、两个定期器T0和T1溢出中断和一种串行发送/接受中断。(1)外部中断源：和80C51外部中断0和外部中断1中断祈求信号分别有P3.2和P3.3引脚输入。并容许外部中断源以低电平负边沿两种中断取法方式来输入中断祈求信号。祈求信号有效电平可由定期器控制寄存器TCONIT0和IT1设立，如图3.2所示图3.2定期器控制寄存器TCON各位定义80C51会在每个机器周期S5P2时对和线上中断祈求信号进行一次检测，检测方式和中断触发方式选用关于。若80C51设定为电平触发方式（即IT0=0或IT1=0），则CPU检测到上低电平时就可认定其上中断祈求有效；若设定为边沿触发方式（即IT0=1或IT1=1时），则CPU会在相继两个周期内两次检测线上电平才干拟定其上中断祈求与否有效。由于外部中断信号每个机器周期被采样一次，有引脚和输入信号应至少保持一种机器周期，即12个振荡周期。如果外部为边沿触发方式，则引脚出输入信号搞电平低电平至少各保持一种周期，才干保证CPU检测到电平调变；而如果采用电平触发方式，外部中断源应始终保持中断祈求有效，直到得到响应为止。2.中断控制CPU对中断源开放和屏蔽，以及每个中断源与否被容许中断，都受中断容许寄存器IE控制。每个中断源优先级设定，则由中断优先级寄存器IP控制。寄存器状态可通过程序由软件设定。(1)中断开放和屏蔽80C51没有专门开中断和关中断指令，中断开放和关闭是通过中断容许寄存器IE进行两级控制。所谓两级控制是指有一种中断容许总控制位EA，配合各中断源中断容许控制位共同实现对中断祈求控制。这些中断容许控制位集成在中断容许寄存器IE中，如表3.1所示为中断容许寄存器各位定义。表3.1中断容许寄存器IE现对IE各位阐明如下：EA(IE.7)为CPU中断总容许位，EA=0，CPU关中断，禁止一切中断。EA=1,CPU开放中断，而每个中断源与否开放还是屏蔽分别由各自容许位拟定。×（IE.6）保存位。ET2（IE.5）为定期器2中断容许位，仅用于52子系列单片机中，ET2=1容许定期器2中断，否则禁止中断。ES（IE.4）为串行口中断容许位。ES=1，容许串行口接受和发送中断；ES=0禁止串行口中断。ET1（IE.3）为定期器1（T1溢出中断）中断容许位。ET1=1，容许T1中断，否则禁止中断。EX1(IE.2)为外部中断1（）中断容许位。EX1=1容许外部中断1中断；否则禁止中断。ET0(IE.1)为定期器0（T0溢出中断）中断容许位。ET0=1容许T0中断，否则禁止中断。EX0(IE.0)为外部中断0（）中断容许位。EX0=1容许外部中断0中断，否则禁止中断。3.4复位电路任何单片机在工作之前都要有个复位过程，对单片机来说，复位则是在程序执行迈进行一种准备工作。显然，准备工作不需要太长时间，因而复位时间不超过5ms。复位方式:80C51单片机有一种复位信号引脚RST/VPD，只要在该引脚上保持2个机器周期以上高电平，单片机就会被复位。复位后，单片机从程序存储器0000H单元开始执行程序。当单片机运营出错或进入死循环后，为挣脱困境，也可以运用复位操作重新启动。单片机复位后不变化片内RAM中内容。复位办法:上电复位，打开电源后运用RC充电自动完毕。上电复位兼手动复位，既可以上电复位，又可以运用按键闭合使单片机复位引脚保持2个机器周期以上高电平完毕手动复位功能。3.5ADC0809A/D转换器ADC0809是美国国家半导体公司生产CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一种8通道多路开关，它可以依照地址码锁存译码后信号，只选通8路模仿输入信号中一种进行A/D转换。图3.3ADC0809A/D转换器1重要特性\o"编辑本段"编辑1）8路输入通道，8位A/D转换器，即辨别率为8位。2）具备转换起停控制端。3）转换时间为100μs(时钟为640KHz时)，130μs（时钟为500KHz时）。4）单个+5V电源供电。5）模仿输入电压范畴0～+5V，不需零点和满刻度校准。6）工作温度范畴为-40～+85摄氏度。7）低功耗，约15mW。2内部构造\o"编辑本段"编辑ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部构造如图所示，它由8路模仿开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定期电路构成。外部特性（引脚功能）ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图所示。下面阐明各引脚功能：IN0～IN7：8路模仿量输入端。2-1～2-8：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模仿输入中一路。ALE：地址锁存容许信号，输入端，高电平有效。START：A/D转换启动脉冲输入端，输入一种正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。EOC：A/D转换结束信号，输出端，当A/D转换结束时，此端输出一种高电平（转换期间始终为低电平）。OE：数据输出容许信号，输入端，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一种高电平，才干打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。规定时钟频率不高于640KHz。REF（+）、REF（-）：基准电压。VCC：电源，单一+5V。GND：地。3工作过程一方面输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模仿输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，批示转换正在进行。直到A/D转换完毕，EOC变为高电平，批示A/D转换结束，成果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换成果数字量输出到数据总线上。转换数据传送A/D转换后得到数据应及时传送给单片机进行解决。数据传送核心问题是如何确认A/D转换完毕，由于只有确认完毕后，才干进行传送。为此可采用下述三种方式。（1）定期传送方式对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知和固定。例如ADC0809转换时间为128μs，相称于6MHzMCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一种延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换必定已经完毕了，接着就可进行数据传送。（2）查询方式A/D转换芯片有表白转换完毕状态信号，例如ADC0809EOC端。因而可以用查询方式，测试EOC状态，即可确认转换与否完毕，并接着进行数据传送。（3）中断方式把表白转换完毕状态信号（EOC）作为中断祈求信号，以中断方式进行数据传送。不论使用上述哪种方式，只要一旦拟定转换完毕，即可通过指令进行数据传送。一方面送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。

4系统硬件设计此系统是以80C51为主控制器，系统把取样采集电路得来两路信号分别通过放大、整流，再通过A/D转换芯片，实时把模仿量转化为数字量，再经单片机分析解决，进行数值积分，可得到变压器副边电压值、电流值、电源频率以及该系统功率因实时数，并送到外部显示单元显示。系统整体方框图如图4.1所示：图4.1系统整体方框图硬件设计详细涉及单片机最小系统某些（键盘、显示）、信号采集某些、数模转换某些。下面将各某些详细简介如下：4.1复位电路及时钟电路复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运营基本模块。复位电路普通分为两种：上电复位（图4.2）和手动复位（图4.3）。图4.2上电复位图4.3手动复位高频率时钟有助于程序更快运营，也有可以实现更高信号采样率，从而实现更多功能。但是对系统规定较高，并且功耗大，运营环境苛刻。考虑到单片机自身用在控制，并非高速信号采样解决，因此选用适当频率即可。适当频率晶振对于选频信号强度精确度均有好处，本次设计选用12.000MHZ无源晶振接入XTAL1和XTAL2引脚。并联2个22pF陶瓷电容协助起振。80C51单片机最小系统如图4.4所示。图4.4单片机最小系统4.2电流、电压采样电路依照电流在电路中特点，电流采样电路可采用串联在电路回路中电阻分压来实现。电流互感器变比为1000/1电流互感器，可以把实际为100A电流转变为0.1A电流，变换成适当值通过运算放大器OP27解决后经ADC0809模数转换器将模仿信号转换成数字信号接入单片机80C51P0口。如图4.5所示图4.5电流采样电路依照电压在电路中特点，电压采样电路运用可采用并联在电源两端来实现。变比为220/5电压互感器，可把实际为220V电压转变为5V电压，电压互感器变换成适当值通过运算放大器OP27解决后经ADC0809模数转换器将模仿信号转换成数字信号接入单片机80C51P0口。如图4.6所示图4.6电压采样电路4.3功率因数采样电路功率因数是电网上相应相电压与相电流相位差沪余弦值，功率因数测量可运用定期器得到反映电网频率和相位差时间来实现，其理论公式为:频率：相位差：功率因数对于对称三相电路，线电压滞后相电压，因而可以通过检测相应于和时间差，其表达式为，依照此式可拟定负载性质,当时，负载成感性；当，负载呈容性，周期:故相位差可进一步表达为式中和由测量电路测得，即可实现功率因数测定。测量电力系统功率因数硬件电路构成如图4.7所示，、、是三个过零电压比较器，信号和经二极管限幅后，分别进入比较器和。对于和测量，普通需要两个定期计数器和它P3口两个引脚P3.6及P3.3作为信号输入口。由于运用片内RAM而无需进行外部扩展，因此不用信号。置P3.6工作于第一功能I/O状态。P3.3工作在第二功能状态，定期/计数器T1工作计数速率为1MHz,T1工作在方式1，最大计时宽度为,对于50Hz，交流周期为20ms，完全满足计时条件。通过电压互感器和电流互感器得到低压交流信号，然后通过整形电路将交流信号转换为TTL方波脉冲。相位差计算原理是运用输入两路信号过零点时间差，以及信号频率来计算2路信号相位差。两路信号相位差:其中，为两路信号上升沿分别触发计数器差值，FKQUOTEFk为单片机时钟频率，T为输入信号周期。测得相位差后，功率因数即为，如图4.7所示图4.7功率因数采样电路4.4频率采样电路频率测量可运用单片机捕获功能，外部输入信号通过整形放大滤波分频等解决后，可将输出方波信号送入单片机，图4.8所示是其频率测量电路。事实上，当一定频率信号从IN端输入电路中时，经二极管限幅，再经RC滤波，然后送入到由LM358运放构成比较器中，即可输出方波信号。该方波信号最后可输入到单片机中T1计数器引脚,运用T1计数器读取单位时间输入脉冲信号个数，即相应频率。如图4.8所示图4.8频率采样电路4.5LCD1602液晶显示1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等点阵型液晶模块它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位构成，每个点阵字符位都可以显示一种字符。每位之间有一种点距间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距作用，正由于如此因此她不能显示图形。如图4.9所示图4.9LCD1602液晶显示屏（1）管脚功能：1602采用原则16脚接口，其中：第1脚：VSS为电源地第2脚：VDD接5V电源正极第3脚：V0为液晶显示屏对比度调节端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一种10K电位器调节对比度）。第4脚：RS为寄存器选取，高电平1时选取数据寄存器、低电平0时选取指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端。第7～14脚：D0～D7为8位双向数据端。第15～16脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。（2）1602LCD特性+5V电压，对比度可调内含复位电路提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等各种功能有80字节显示数据存储器DDRAMn内建有192个5X7点阵字型字符发生器CGROM8个可由顾客自定义5X7字符发生器CGRAM（3）功能引脚阐明表4.11602管脚接口阐明1602LCD采用原则14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口阐明如表4.1

4.6总体硬件电路由以上单元电路组合而成系统总体硬件电路如图4.10所示图4.10系统总体硬件电路

5系统软件设计5.1系统软件总流程图在系统软件设计中，采用模块化设计办法，使得程序构造清晰，便于此后进一步扩展系统功能。系统软件有如下模块构成：主程序、时钟中断服务程序、数据采集解决子程序、显示程序等。主程序重要完毕系统初始化，装置自检等任务。系统初始化某些涉及CPU各端口输入输出设立、外围驱动、译码电路初始化、数据RAM初始化等。系统数据采集解决子程序功能是采集各相电压值、电流值。在定期中断服务程序中重要进行频率测量。系统总流程图如下图5.1所示图5.1系统软件流程图5.2某些功能程序实现5.2.1数据采集子程序流程图设计原理：依照离散化公式可知，由一种周期内不同步刻电压、电流采样值及每周期采样点数可计算出电压、电流、有功功率等值。工频交流电原则频率为50Hz，周期为20ms。依照80C5112MHz主频和ADC080925μs转换速度，采样周期定为400μs，即一种周期内采16个点。在1个信号周期内对一相电压、电流等时间间隔精确采样16个点并把成果存入片外数据存储器相应存储页内。数据采集流程图如下图5.2。图5.2数据采集流程图5.2.2数据解决程序流程图电压解决模块:将电压有效值公式（5-1）式（5-1）离散化，以一种周期内有限个采样电压数字量来代替一种周期内持续变化电压函数值，则式（5-2）式（5-2）中：为相邻两次采样时间间隔；为第m-1个时间间隔电压采样瞬时值；N为1个周期采样点数。若相邻两采样时间间隔相等，即为常数，考虑到,则有式（5-3）式（5-3）就是依照一种周期各采样瞬时值及每周期采样点数计算电压信号有效值公式。依照式（5-3），咱们画出电压解决程序流程图如图5.3：图5.3电压解决流程图电流解决模块:同电压计算办法同样，咱们可以得到电流有效值公式（5-4）式（5-4）咱们画出电流解决流程图如图5.4：图5.4电流解决流程图频率测量模块:对于频率测量，本设计拟采用中断方式。下面画出频率测量流程图，如图5.5图5.5频率测量流程图对频率测量是将交流信号经OP07电压比较器变成方波后送到80C51P3.2脚（外中断0），由89C51计数器0（工作方式1计数初值为0）在中断触发后对80C51（采用12MHz晶振）内部时钟进行计数。设立中断触发方式为边沿触发方式，因此当方波由高电平变为低电平时触发中断，随后先停止计数器计数，读出计数器计数值，随后将计数器清零，等待下次计数。用计数值乘以单片机内部时钟周期就得到被测方波计数内周期，因此要测量工屡屡率就是。下一步启动计数器，开始下一次计数，直到中断结束。该办法存在这一定误差，由于在中断第一次被触发后，计数器内值有也许是个随机值，用该值计算所得频率就有也许偏高或偏低。因此在测量多次后，对所有成果进行数字滤波，去掉偏大值和偏小值就可以克服该缺陷。功率因数测量模块:在三相电网功率因数测量中，普通假设电网是三相平衡，此时任意一相功率因数就相称于三相系统功率因数。由于测量单相功率因数需要中性点（如果采用三相四线制），在某些应用场合有很大不便，因而本设计拟通过采样三相中一相电流以及此外两相线电压之间相位差来得到三相系统功率因数检测办法。由于运用该办法测量功率因数接线方式有12种，每种接线方式相位关系又不同样，因此功率因数计算以及超前滞后判断办法也有些差别。本设计运用电网三相电压、电流间相位角关系，通过直接检测相电流相邻方波信号上升沿时间差以及相电流和线电压相邻两个方波上升沿时间差，来拟定功率因数以及功率因数超前滞后状况，从而得到了一种与接线无关三相功率因数检测办法。1工作原理设三相电压分别为、、，电流分别为、、，假设电网三相平衡，则它们表达式如下：上式中，表达每相电压幅值，表达每相电流幅值，ω表达角频率，φ表达相电流滞后相电压相角（功率因数角）。由此可以得到：其中，表达负Ａ相电流，表达负B相电流，表达负C相电流。可见，采用其中一相相电流和此外两相线电压之间相位差来测量功率因数接线方式有１２种，分别为：，；，；，；，；，；，；，；，；，；，；，；，。下面以、I型接线和、II型接线两种接线方式来讨论φ计算。(1)I型接线φ计算设α为滞后相角，由于滞后相角为φ，而滞后相角为，因此有。针对三种负载状况，α表达式如下：在电路设计中，若把Ａ相相电流和线电压采样信号放大后，再进行上升沿过零触发，即可得到反映相位方波信号。针对纯阻性负载、容性负载和感性负载，通过上升沿过零触发后可得到相电流和线电压方波信号，从上到下分别为相电流与线电压正弦波、上升沿过零触发后方波、纯阻性负载电流与电压上升沿时间差、容性负载电流与电压上升沿时间差、感性负载电流与电压上升沿时间差。τ为相电流与线电压上升沿时间差，τ宽度随φ变化而变化设Ｔ为正弦波周期，则τ和Ｔ满足下面表达式：显然，。依照α与φ关系，可以得到：因而，针对Ａ。相电流和线电压接线方式，超前滞后判断和相位角绝对值｜φ｜计算表达式如下：，超前；，滞后；（5-5）(2)II型接线计算设α为滞后相角，由于滞后相角为φ，而滞后相角为，因此。针对三种负载状况，有如下表达式：同理，此时τ和Ｔ满足下面表达式：显然，°。依照α与φ角关系，可以得到：因而，针对Ａ相电流和线电压接线方式，超前滞后判断和相位角绝对值｜φ｜计算表达式如下：，超前；，滞后；（5-6）(3)与接线无关功率因数测量原理采用同样分析办法，可以发现，；，；，；，；，等五种接线方式相对位置波形图与，接线方式同样，其他计算同式（4.5）；而，；，；，；，；，等五种接线方式相对位置波形图与，接线方式同样，其他计算同式（5-6）。因而，直接检测相电流两个相邻方波信号上升沿时间差，即可得到周期Ｔ；检测相电流线电压相邻两个上升沿过零触发方波上升沿时间差，即可得届时间τ；依照τ落在周期Ｔ范畴可拟定接线方式是属于Ｉ型还是Ⅱ型，然后参照相应计算公式可以很容易算出相位角φ以及超前滞后状况，从而得到三相系统功率因数。依照上述原理，咱们画出功率因数测量模块流程图如图5.6。T0选用计数功能，工作方式1，测量相电流两个相邻方波信号上升沿时间差，记为TT1选用技术功能，工作方式1，测量相电流线电压相邻两个上升沿过零触发方波上升沿时间差，记为τ。图5.6功率因数测量流程图

6结论本论文对交流采样长处、原理和算法等方面作了全面分析，设计出了以AT89C51单片机为核心部件电力监控交流采样系统。总体工作涉及有系统总体软件设计、各模块程序设计和程序实现及最后软硬件结合上机调试。软件设计时，依照系统总规定和硬件设计时选取芯片，查阅有关资料，研究有关算法，拟定了系统总软件流程。在各功能模块设计中，逐渐细化算法，分析各种算法优缺陷，结合自己软件编写能力拟定了最后模块软件编写流程图。软件编程，程序用汇编语言完毕。本论文运用单片机设计了测量交流电压和电流实时值系统。但由于单片机工作环境恶劣，因此咱们必要要考虑其抗干扰能力。窜入单片机测量系统干扰，其频谱往往很宽，并且具备随机性，采用硬件抗干扰办法，只能抑制某个频率段干扰，仍有某些干扰会侵入系统。因而还需要采用软件抗干扰办法。软件抗干扰技术所研究重要内容，其一是采用软件办法抑制叠加在模仿输入信号上噪声影响，如数字滤波技术；其二是由于干扰而使运营程序发生混乱，导致程序乱飞或陷入死循环时，采用使程序纳入正轨办法，如软件冗余、软件陷阱“看门狗”技术。致谢历时四个月毕业设计结束了。在毕业设计整个过程中，我查阅了好多资料和书籍，深化了此前所学知识，同步又学到了诸多新知识。毕业设计是大学四年所学知识综合运用，也是理论走向实践第一步，为我此后走上工作岗位奠定了基本。一方面要衷心感谢但愿教师耐心指引。从最初论文选题、信息收集到论文撰写工作都是在但愿教师全面而详细指引下进行。在做毕业设计前期，但愿教师耐心指点，让我明白总体框架，而后又不厌其烦指出设计中局限性和解决办法，以及特别细心修改论文，教师这种踏实工作作风和严谨治学态度备受感激。在此，特向但愿教师表达我深深敬意。同步，感谢新疆大学科学技术学院为我创造良好学习条件，使我在最后毕业设计中学到了知识，使我能顺利完毕毕业设计；感谢科学技术学院各位教师对我曾经培养和关怀；感谢给过我协助所有朋友们，祝你们前程似锦！鉴于本人水平有限，难免浮现某些错误，但愿各位教师赐教，在此向人们表达由衷感谢。参照文献［1］李广第单片机基本．北京:北京航空航天大学出版社,1994［2］李广第智能仪表设计原理及应用．北京:北京国防工业出版社，1994［3］李朝青单片机原理与接口技术．北京：北京航空航天大学出版社，1994［4］李华MCS-51系列单片机实用接口技术.北京:北京航空航天大学出版社，1993［5］王长胤单片机扳机原理与应用．武汉．武汉大学出版社．1993［6］周明天、汪文勇著TCP/IP网络原理与技术［Ｍ］．清华大学出版社，1993［7］窦振中单片机外围器件实用手册――存储器．北京:北京航空航天大学出版社，1998［8］孙传友、孙晓斌感测技术基本．高等教诲出版社．[9]洪慧娜、李晓明电力系统基波交流采样频率修正“三点”算法[J].高电压技术，[10]张辉宜、周秀丽基于实时操作系统电力参数检测技术[J].中华人民共和国仪器仪表，

附录系统源程序：ORG0000HLJMPMAINORG00DFHLJMPPLMAIN：MOVTMOD，#15HMOVIEOOH;关中断SMPA：MOVR0,#00H;A相电压、电流采样子程序,相数选取初始化MOVR2，#80H;RTEA：MOVA，R0MOVP2，AMOVR7,#00HMOVR1，21HAD12A：MOVR0，00HMOVA，R0SHA：JNB00H，SHANOPNOPNOPCLRP2.0MOVP3,#3FH;起动A/D转换AD1A：JBP1.3，AD1ASETBP2.0LCALLDATAMOVR0,0CH；切换到电流信号MOVA，R0MOVP2，ACLRP2.0MOVP3,#3FH;启动A/D转换AD2A：JBP1.3，AD2A;INCR2;SETBP2.0LCALLDATAINCR7INCR1INCR1CJNER7，#10H，AD12NOPNOPNOPINCR0INCR2SMPB：MOVR0,#80H;B相电压、电流采样子程序相数选取初始化MOVR2，#82H；RTEB：MOVA，R0MOVP2，AMOVR7，#00HMOVR1，21HAD12B：MOVR0，80HMOVA，R0SHB：JNB00H，SHBNOPNOPNOPCLRP2.0MOVP3，#3FHAD1B：JBP1.3，AD1BSETBP2.0LCALLDATAMOVR0，20HMOVA，R0MOVP2，ACLRP2.0MOVP3，#3FHAD2B：JBP1.3，AD2B；INCR2；SETBP2.0LCALLDATAINCR7INCR1INCR1CJNER7，#10H，AD12NOPNOPNOPINCR0INCR2SMPC：MOVR0，#40H；B相电压电压、电流采样子程序相数选取初始化MOVR2，#84H；RTEC：MOVA，R0MOVP2，AMOVR7，#00HMOVR1，21HAD12C：MOVR0，40HMOVA，R0SHC：JNB00H，SHCNOPNOPNOPCLRP2.0MOVP3，#3FHAD1C：JBP1.3，AD1CSETBP2.0LCALLDATAMOVR0，0A0HMOVA，R0MOVP2，ACLRP2.0MOVP3，#3FHAD2C：JBP1.3，AD2C；INCR2；SETBP2.0LCALLDATAINCR7INCR1INCR1CJNER7，#10H，AD12NOPNOPNOPINCR0INCR2MOVR1，21HCJNER1，#03H，RTECMOVIE,9FH;开中断LCALLPLPL：MOVTMOE，#15H；频率测量子程序：MOVTH0，#FFHMOVTL0，#80HMOVTH1，#00HMOVTL1，#00HSETBTR0SETBTR1LP1：JBCTF0，LP2AJMPLP1：循环等待LP2：CLRTR1CLRTR0：停止计时CLRTF0：清标志位CLRTF1：清标志位MOVR0，#50HMOV@R0，TL0:INCR0:MOV@R0，TH0:LCALLNDIV42NDIV42：MOVR5，0MOVR2，0MOVR3，51HMOVR4，50HMOVR6，#FFHMOVR7，#80HMOVA，R1PUSHAMOVB，#00HNDV421：MOVA，R2CLRCSUBBA，R7NOPNOPNOPMOVR1，AMOVA，R5SUBBA，R6NOPNOPNOPLJMP0000HJCNDV422MOVR5，AMOVA，R1MOVR2，AINCBSJMPNDV421NDV422：PUSHBMOVB，#10HNDV423：CLRCMOVA，R4RLCAMOVR4，AMOVA，R3RLCAMOVR3，AMOVA，R2RLCAMOVR2，AXCHA，R5RLCAXCHA，R5MOVF0，CCLRCSUBBA，R7MOVR1，AMOVA，R5SUBBA，R6NOPNOPNOPLJMP0000HJBF0，NCV424JCNDV425NCV424：MOVR5，AMOVA，R1MOVR2，AINCR4NDV425：DJNZB，NDV423NOPNOPNOPLJMP0000HPOPACLROVJNZNDV426SETBOVNDV426：XCHA，R2MOVR7，AMOVA，R5MOVR6，APOPAMOVR1，ARETU：MOVR7,10H；电压电流计算子程序：MOVR1，#80HMOVAL，[80H];MOVBL，[80H];MULAB;NOPNOPNOPLJMP0000HADD[80H]，AL;电压INCR1INCR1DECR7CJNER7，#0H，UNOPNOPNOPLJMP0000HMOVR2，80HLJMPNDIV31MOVR0，80HLJMPFSQRNOPNOPNOPLJMP0000HI：MOVR7，10H;MOVR1，#881HMOVAL，[81H];MOVBL，[81H];MULAB;NOPNOPNOPLJMP0000HADD[81H]，AL;//电流INCR1INCR1DECR7CJNER7，#0H，INOPNOPNOPLJMP0000HMOVR2，81HLJMPNDIV31MOVR0，81HLJMPFSQRNDIV31：MOVA，R2MOVB，R7DIVABNOPNOPNOPLJMP0000HPUSHAMOVR2，BMOVB，#10HNDV311：CLRCMOVA，R4RLCAMOVR4，AMOVA，R3RLCAMOVR3，AMOVA，R2RLCAMOVR2，AMOVF0，CCLRCSUBBA，R7JBF0，NDV312JCNDV31