1、 / 49簡易電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的設(shè)計摘 要電能質(zhì)量一般是指電壓與電流的幅值、頻率、波形等參量離規(guī)定值的偏差。有時電能質(zhì)量的不正常會造成嚴(yán)重事故，因此電能質(zhì)量問題對當(dāng)前開放型經(jīng)濟(jì)體系中的影響日益嚴(yán)重，如何保證優(yōu)良的電能質(zhì)量成為一項(xiàng)重要的研究課題。電能質(zhì)量已是電網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展中一個十分重要的問題。以前的電能質(zhì)量監(jiān)測儀的監(jiān)測方式具有被動的、分散式的、針對特定電能質(zhì)量問題的特點(diǎn)?，F(xiàn)在的電能質(zhì)量監(jiān)測儀的檢測方式具有主動的、永久持續(xù)的、反映系統(tǒng)性能的特點(diǎn)。而且電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)正在朝著在線監(jiān)測、實(shí)時分析、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方向發(fā)展。本文首先介紹了課題的實(shí)際意義以與電能質(zhì)量監(jiān)測的現(xiàn)狀；其次對電能質(zhì)量參數(shù)的計算作了

2、詳細(xì)的描述，包括電壓、電流有效值的計算、電源頻率的計算、有功功率、無功功率的計算、功率因數(shù)的計算等；然后完成了對整個系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計，包括數(shù)據(jù)采集電路和顯示電路等；最后通過系統(tǒng)的調(diào)試，完成了系統(tǒng)的任務(wù)。通過選擇電壓互感器、電流互感器將電源的電壓、電流信號轉(zhuǎn)換成低壓信號，設(shè)計信號調(diào)理電路和測頻電路測出電源頻率；經(jīng)低壓信號采集到單片機(jī)、通過一定算法計算電源的電壓、電流、有功功率、無功功率和功率因數(shù)等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)單路電源電能的質(zhì)量監(jiān)測和顯示。關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；有功功率；無功功率；功率因數(shù)I / 49ABSTRACTPower Quality generally refers to the ampl

3、itude of voltage and current, frequency, waveform parameters such as the deviation from the specified value. Sometimes the unusual power quality can cause serious accidents, so power quality issues in the current open economies growing impact, how to guarantee quality of the power quality is an impo

4、rtant research topic. Grid power quality is an important sustainable development issues. Previous monitoring of power quality monitors with a passive way, decentralized, issue-specific power quality characteristics. Now the power quality monitor test mode is active, permanence, and reflect the syste

5、m performance characteristics. And power quality monitoring system is developing in-line monitoring, real-time analysis, networking and intelligent direction. This paper introduces the topic of practical significance and power quality monitoring of the status ; followed by the calculation of power q

6、uality parameters is described in detail, including the voltage and current rms calculation, the calculation of power frequency, active power, reactive power calculation , the calculation of power factor; then completed the whole system of hardware, software design, including data acquisition circui

7、t and display circuit; Finally, system debugging, the system completed the task. By selecting the voltage transformers, current transformers to the power supply voltage and current signals into voltage signals, signal conditioning circuit design and measured the frequency measurement circuit power f

8、requency; low-voltage signals collected by the microcontroller, through a certain algorithm power supply voltage, current, active power, reactive power and power factor and II / 49other parameters to achieve single supply power quality monitoring and display.Key words: power quality; active power;re

9、active power;power factor 目 錄摘要 IABSTRACTII1.緒論 11.1 研究的背景 11.2 電能質(zhì)量監(jiān)測的現(xiàn)狀與發(fā)展 11.3 研究的主要容 22.電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的算法研究 32.1 電能質(zhì)量監(jiān)測參數(shù)的分析 32.2 電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的常用算法 43.簡易電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的硬件電路設(shè)計 63.1 系統(tǒng)硬件電路的整體功能設(shè)計 63.2 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計 63.2.1 電壓和電流信號的采集 63.2.2 信號頻率捕捉電路的設(shè)計 73.2.3 A/D 轉(zhuǎn)換接口電路的設(shè)計 83.3 單片機(jī)控制系統(tǒng)與外圍電路的設(shè)計 113.3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計 113.3

10、.2 鍵盤、顯示電路的設(shè)計 11III / 494.簡易電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的程序設(shè)計 134.1 電能質(zhì)量監(jiān)測裝置軟件主程序設(shè)計 134.2 同步采樣的設(shè)計 144.2.1 同步采樣的分類 144.2.2 軟件同步采樣的流程圖 144.3 電能參數(shù)的計算 164.3.1 電壓、電流有效值的計算 164.3.2 電源頻率的計算 184.3.3 有功功率、無功功率的計算 194.3.4 功率因數(shù)的計算 194.3.5 電能參數(shù)計算的 MATLAB 仿真結(jié)果 204.4 鍵盤、顯示程序設(shè)計 224.4.1 鍵盤程序設(shè)計 224.4.2 顯示程序設(shè)計 235.系統(tǒng)的調(diào)試 265.1 硬件調(diào)試 265.2

11、 軟件調(diào)試 265.3 整體調(diào)試 27總結(jié)與展望 28參考文獻(xiàn) 29附錄 1 外文文獻(xiàn)譯文 30附錄 2 外文文獻(xiàn)原文 29附錄 3 部分程序源代碼 30致 46大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)書 47IV / 491.緒論1.1 研究的背景20 世紀(jì) 60 年代開始出現(xiàn)第一代電能質(zhì)量測試儀，以前的電能質(zhì)量監(jiān)測儀的監(jiān)測方式具有被動的、分散式的、針對特定電能質(zhì)量問題的特點(diǎn)。從 20 世紀(jì) 60 年代開始出現(xiàn)第一代電能質(zhì)量測試儀至今，電能質(zhì)量監(jiān)測歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)從被動的、分散式的、針對特定電能質(zhì)量問題的監(jiān)測方式轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥?、永久持續(xù)的、反映系統(tǒng)性能的監(jiān)測方式?，F(xiàn)在，各省監(jiān)測網(wǎng)一般是以省電力公司或電科院作

12、為電能質(zhì)量監(jiān)督管理中心，搭建全省的網(wǎng)絡(luò)平臺，各供電分公司分別組建子網(wǎng)絡(luò)，同時數(shù)據(jù)能夠通過局域網(wǎng)向省電能質(zhì)量監(jiān)督管理中心轉(zhuǎn)發(fā)，電力監(jiān)管中心也可通過訪問各子站數(shù)據(jù)服務(wù)器查看各監(jiān)測點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)。對于重點(diǎn)性的監(jiān)測站點(diǎn)，如電氣化鐵路典型牽引站、超大型諧波源用戶、機(jī)場、軍事基地等敏感性負(fù)荷也可由電力監(jiān)管中心直接管理1。電能質(zhì)量一般是指電壓與電流的幅值、頻率、波形等參量離規(guī)定值的偏差。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)控制與日常生活中的應(yīng)用也日益廣泛。一方面大量的非線性負(fù)荷、非對稱設(shè)備以與沖擊性負(fù)荷的投運(yùn)，使公用電網(wǎng)中產(chǎn)生了大量的諧波干擾以與電壓畸變、諧波注入、電壓波動和三相不平衡

13、等問題，電能質(zhì)量不斷惡化。另一方面基于計算機(jī)、微電子控制技術(shù)的設(shè)備、裝置和生產(chǎn)線的不斷增加，電網(wǎng)中這些負(fù)荷對電能的質(zhì)量特別敏感，有時電能質(zhì)量的不正常會造成嚴(yán)重事故。因此電能質(zhì)量問題對當(dāng)前開放型經(jīng)濟(jì)體系中的影響日益嚴(yán)重，如何保證優(yōu)良的電能質(zhì)量成為一項(xiàng)重要的研究課題。1.2 電能質(zhì)量監(jiān)測的現(xiàn)狀與發(fā)展現(xiàn)在的電能質(zhì)量監(jiān)測儀的檢測方式具有主動的、永久持續(xù)的、反映系統(tǒng)性能的特點(diǎn)。而且電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)正在朝著在線監(jiān)測、實(shí)時分析、網(wǎng)絡(luò)化和智1 / 49能化的方向發(fā)展。未來趨勢，國際上電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展趨勢可概括為四點(diǎn)，即網(wǎng)絡(luò)化、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化。目前較為合理且流行的網(wǎng)絡(luò)模式是具有三層體系結(jié)構(gòu)，且集成語

14、音、數(shù)據(jù)、圖像等各類業(yè)務(wù)為一體的信息化綜合性網(wǎng)絡(luò)。標(biāo)準(zhǔn)化體現(xiàn)在數(shù)據(jù)設(shè)計格式標(biāo)準(zhǔn)化和顯示界面標(biāo)準(zhǔn)化，采用 PQDIF 作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化存儲格式，使多數(shù)據(jù)源具有良好的兼容性，便于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)報表格式和人機(jī)交互界面，使顯示界面標(biāo)準(zhǔn)化。監(jiān)測系統(tǒng)利用先進(jìn)的數(shù)學(xué)方法和工具對電能質(zhì)量現(xiàn)象和實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘、分析和整理。對電能質(zhì)量擾動做出科學(xué)的評估，為電力部門改善電能質(zhì)量提供決策依據(jù)。國電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要是在線式電能質(zhì)量監(jiān)測產(chǎn)品，電能質(zhì)量監(jiān)測采用的主要監(jiān)測方式有連續(xù)監(jiān)測、定時巡回監(jiān)測和專項(xiàng)監(jiān)測。這里連續(xù)監(jiān)測方式所使用的主要儀器就是在線式的電能質(zhì)量監(jiān)測產(chǎn)品，由于這種產(chǎn)品多是借助于計算機(jī)網(wǎng)

15、絡(luò)來實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的遠(yuǎn)程監(jiān)測，在國際上在線式的電能質(zhì)量監(jiān)測產(chǎn)品又被叫作電能質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測產(chǎn)品。這類產(chǎn)品適用于公共供電點(diǎn)電能質(zhì)量的連續(xù)監(jiān)測和多點(diǎn)監(jiān)測組成區(qū)域性的電能質(zhì)量在線監(jiān)測網(wǎng)，可以連續(xù)監(jiān)測公共點(diǎn)的電壓偏差、頻率偏差、電壓諧波。三相電壓不平衡度與用戶注入網(wǎng)的諧波電流和負(fù)序電流，具有電能質(zhì)量指標(biāo)超限報警、數(shù)據(jù)錄取、電能質(zhì)量故障分析預(yù)報和通信等功能2。1.3 研究的主要容本文首先介紹了課題的實(shí)際意義以與電能質(zhì)量監(jiān)測的現(xiàn)狀；其次對電能質(zhì)量參數(shù)的計算作了詳細(xì)的描述，包括電壓、電流有效值的計算、電源頻率的計算、有功功率、無功功率的計算、功率因數(shù)的計算等；然后完成了對整個系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計，包括數(shù)據(jù)采集電路

16、和顯示電路等；最后通過系統(tǒng)的調(diào)試，完成了系統(tǒng)的任務(wù)。通過選擇電壓互感器、電流互感器將電源的電壓、電流信號轉(zhuǎn)換成低壓信號，設(shè)計信號調(diào)理電路和測頻電路測出電源頻率；經(jīng)低壓信號采集到單片機(jī)、通過一定算法計算電源的電壓、電流、有功功率、無功功率和功率因數(shù)等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)單路電源電能的質(zhì)量監(jiān)測和顯示。2 / 492.電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的算法研究2.1 電能質(zhì)量監(jiān)測參數(shù)的分析電能質(zhì)量指標(biāo)是與電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行相關(guān)的、能夠?qū)τ脩粽Ｉa(chǎn)工藝過程與產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響的電力供應(yīng)綜合技術(shù)指標(biāo)描述，它涉與電壓電流波形形狀、幅值與其頻率三大基本要素。從實(shí)用的分析角度出發(fā)，可按照電能質(zhì)量擾動現(xiàn)象的兩個重要表現(xiàn)特征變化的連續(xù)性

17、和事件的突發(fā)性將電能質(zhì)量指標(biāo)分為兩類：穩(wěn)態(tài)指標(biāo)和暫態(tài)指標(biāo)3。穩(wěn)態(tài)指標(biāo)指那些連續(xù)變化的電能質(zhì)量指標(biāo)，包括電能質(zhì)量相關(guān)國標(biāo)規(guī)定的電壓偏差、頻率偏差、電壓不平衡度、諧波和閃變等指標(biāo)，以與國標(biāo)中暫時沒有規(guī)定的電壓陷波、載波信號干擾等。穩(wěn)態(tài)指標(biāo)的重要特征表現(xiàn)為電壓或者電流的幅值、頻率和相位差等在時間軸上的任一時刻總是在發(fā)生小的變化，它們與額定值之間總是存在一定圍的偏差。電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)要求針對穩(wěn)態(tài)指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)記錄。暫態(tài)指標(biāo)指那些突然出現(xiàn)的電能質(zhì)量擾動，包括電壓暫降、暫升、短時電壓中斷、欠電壓和瞬態(tài)過電壓等，其重要特征表現(xiàn)為電壓或者電流在短時間嚴(yán)重偏離其額定值或者理想波形。目前電能質(zhì)量相關(guān)國標(biāo)對于暫態(tài)指標(biāo)

18、的規(guī)定甚少。對于暫態(tài)指標(biāo)的監(jiān)測，通常利用一個事件啟動信號來進(jìn)行觸發(fā)記錄，其記錄的數(shù)據(jù)包括電壓和電流波形、事件的持續(xù)時間以與最大幅值等特征值。電能質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)的數(shù)據(jù)分析分為針對單個監(jiān)測點(diǎn)的分析和系統(tǒng)性分析。針對單個監(jiān)測點(diǎn)的分析：在大多數(shù)情況下，需要對單個監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以了解該點(diǎn)的電能質(zhì)量分布情況和變化趨勢，或者找出暫態(tài)電能質(zhì)量事件的原因。就單個監(jiān)測點(diǎn)而言，在某一時刻，描述電能質(zhì)量的各指標(biāo)之間存在確定的相互關(guān)系，但是此時通常僅有一個或少數(shù)幾個指標(biāo)是主要的，根據(jù)這幾個主要的指標(biāo)就可以比較清晰地分析出該監(jiān)測點(diǎn)的電能質(zhì)量信息。但是，對同一時刻的物理現(xiàn)象所表現(xiàn)的指標(biāo)進(jìn)行分析，只能看出相關(guān)指標(biāo)的微觀

19、聯(lián)系，通常用于針對暫態(tài)電能質(zhì)量問題的分析，以找出暫態(tài)電能質(zhì)量事件的原因；對于穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量指標(biāo)而言， 這種微觀的分析方法是不太適用的，3 / 49因?yàn)橥硞€時刻的一組穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量指標(biāo)沒有多大的實(shí)用意義?，F(xiàn)實(shí)中往往結(jié)合一段時間的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量指標(biāo)的統(tǒng)計分析，各指標(biāo)的統(tǒng)計結(jié)果一般不反映諸多現(xiàn)象的時刻特征，但是能夠反映其可能包含的物理現(xiàn)象的綜合特征模型，便于進(jìn)一步仿真分析，并提出綜合的控制措施。例如各次諧波的95%概率數(shù)據(jù)集合，通過此數(shù)據(jù)可以看出負(fù)荷的基本頻譜特征，判斷其屬于哪類負(fù)荷，同時也便于分析判斷所設(shè)置濾波器的支路與其容量等4。系統(tǒng)性分析：隨著電能質(zhì)量監(jiān)測點(diǎn)的增多，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)大，管

20、理人員在時間和精力上往往不能夠定期對每個監(jiān)測點(diǎn)都進(jìn)行詳細(xì)的、獨(dú)立的電能質(zhì)量分析。考慮到電網(wǎng)的特征，電能質(zhì)量的各個指標(biāo)實(shí)際上在整個電網(wǎng)有一個傳遞、相互影響的過程。如諧波在整個電網(wǎng)的傳播，以與某個監(jiān)測點(diǎn)的電壓暫降對其相鄰線路的影響等。 因此，針對電能質(zhì)量指標(biāo)的分析，必將會發(fā)展到一個系統(tǒng)性的層次上，即在整個電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的層面上進(jìn)行全局的、系統(tǒng)的電能質(zhì)量評估和分析。當(dāng)電能質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)達(dá)到一定規(guī)模后，系統(tǒng)所面對的最大問題就是海量數(shù)據(jù)的問題。海量數(shù)據(jù)會在系統(tǒng)存儲容量、查詢性能等方面給電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)帶來很大考驗(yàn)，甚至可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)的崩潰。采用系統(tǒng)性的分析方法，最大的優(yōu)勢在于可以減少直接面對無用的冗余數(shù)據(jù)，而

21、只需要面對真正需要深入分析的電能質(zhì)量問題5。這種情況下，可以利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性電能質(zhì)量指標(biāo)分析。采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)以后，電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)呈現(xiàn)給使用者的是經(jīng)過統(tǒng)計、整理出來的數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)可以很清晰地了解整個電網(wǎng)各個監(jiān)測點(diǎn)的電能質(zhì)量總體情況，然后可以選擇對于電能質(zhì)量問題比較嚴(yán)重的監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行深入的分析此時可以采用針對單個監(jiān)測點(diǎn)的宏觀或者微觀的分析方法。2.2 電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的常用算法電網(wǎng)交流信號的采樣：交流信號的采樣是各個參數(shù)計算的基礎(chǔ)，也對參數(shù)的計算有著關(guān)鍵的作用。電能質(zhì)量參數(shù)除了瞬態(tài)參數(shù)以外一般都是以電網(wǎng)的一個周期為單位進(jìn)行處理的，所以首先要確定電網(wǎng)當(dāng)前的周期。然后根據(jù)電網(wǎng)的周期

22、進(jìn)行交流信號的離散化和數(shù)字化的數(shù)據(jù)采樣，并根據(jù)頻率的變化調(diào)整采樣時間。至于一個周期的采樣點(diǎn)數(shù)，一般為2 的N次方，例如:128 點(diǎn)、256 點(diǎn)等等，這樣便于后面一些參數(shù)的計算。所采集的一系列離散數(shù)字化的數(shù)據(jù)就代表4 / 49了當(dāng)前電網(wǎng)信號的狀況，對這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理就可以獲得各種參數(shù)。當(dāng)然由于硬件信號處理電路的不同，可能外部的交流信號已經(jīng)經(jīng)過了一定的處理，例如波形上移、波形翻轉(zhuǎn)等處理，所以采樣得到的一系列離散數(shù)字化的數(shù)據(jù)首先要還原這些處理，這樣才能使用下面各種參數(shù)的算法6。諧波: 諧波即對周期性的交流量進(jìn)行傅立葉級數(shù)分解，得到頻率為大于1 的整數(shù)倍基波頻率的分量。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，不斷

23、有新的電力電子裝置和其他非線性負(fù)荷接入電網(wǎng)，導(dǎo)致電網(wǎng)諧波水平逐年升高。同時目前大量使用微電子器件的儀表和設(shè)備，其對諧波干擾極其敏感。因此，諧波問題一直是主要的電能質(zhì)量問題。一般電網(wǎng)信號都滿足關(guān)系式，所以電網(wǎng)中 ff主要存在的是奇次諧波，如3 次、5 次等，而偶次諧波的含量一般都很小，所以在諧波分析中一般只關(guān)注奇次諧波，這樣對于運(yùn)算量也會減少很多。電壓閃變: 電壓閃變是人眼對燈閃的主觀感覺。當(dāng)然在具體衡量電網(wǎng)質(zhì)量的時候不能用主觀感覺描述，需要采用某個具體的參數(shù)描述。在電壓閃變方面，一般利用電壓調(diào)幅波的頻率、波形和幅值相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行描述。三相不平衡度: 三相不平衡度指三相電力系統(tǒng)中三相電壓或電流不

24、平衡的程度。理想的三相電力系統(tǒng)是三相對稱系統(tǒng)，即三相電壓應(yīng)有一樣的幅值，且相位角互差120。但實(shí)際由于各相負(fù)荷等各種因素，電力系統(tǒng)并不是完全平衡的。三相不平衡會帶來各種危害，例如引起電機(jī)發(fā)熱和振動，影響其正常運(yùn)行，使一些設(shè)備的效率下降，也會導(dǎo)致其使用壽命縮短。不平衡達(dá)到一定程度還會產(chǎn)生各種電力事故7。5 / 493.簡易電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的硬件電路設(shè)計3.1 系統(tǒng)硬件電路的整體功能設(shè)計電壓互感器電流互感器頻率捕捉電路A/D 轉(zhuǎn)換接口電路單片機(jī)計算電路鍵盤顯示圖 3.1 系統(tǒng)整體框圖其中電壓互感器和電流互感器的作用是把高壓電源信號轉(zhuǎn)變成低壓信號接入電路，頻率捕捉電路的功能是測出電源頻率的波動圍，通

25、過數(shù)據(jù)采樣和A/D轉(zhuǎn)換送到單片機(jī)計算電路分析數(shù)據(jù)，通過鍵盤控制顯示的容。3.2 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計3.2.1 電壓和電流信號的采集通過電壓互感器和電流互感器把電源的電壓和電流接入電路中，電磁感應(yīng)式電壓互感器其工作原理與變壓器一樣，基本結(jié)構(gòu)也是鐵心和原、副繞組。特點(diǎn)是容量很小且比較恒定，正常運(yùn)行時接近于空載狀態(tài)。電壓互感器本身的阻抗很小，一旦副邊發(fā)生短路，電流將急劇增長而燒毀線圈。為此，電壓互感器的原邊接有熔斷器，副邊可靠接地，以免原、副邊絕緣損毀時，副邊出現(xiàn)對地高電位而造成人身和設(shè)備事故。測量用電壓互感器一般都做成單相雙線圈結(jié)構(gòu)，其原邊電壓為被測電壓（如電力系統(tǒng)的線電壓） ，可以單相使用，也可

26、以用兩臺接成 V-V 形作三相使用。實(shí)驗(yàn)室用的電壓互感器往往是原邊多抽頭的，以適應(yīng)測量不同電壓的需要。供保護(hù)接地用電壓互感器還帶有一個第三線圈，稱三6 / 49線圈電壓互感器。三相的第三線圈接成開口三角形，開口三角形的兩引出端與接地保護(hù)繼電器的電壓線圈聯(lián)接。正常運(yùn)行時，電力系統(tǒng)的三相電壓對稱，第三線圈上的三相感應(yīng)電動勢之和為零。一旦發(fā)生單相接地時，中性點(diǎn)出現(xiàn)位移，開口三角的端子間就會出現(xiàn)零序電壓使繼電器動作，從而對電力系統(tǒng)起保護(hù)作用。線圈出現(xiàn)零序電壓則相應(yīng)的鐵心會出現(xiàn)零序磁通。這種三相電壓互感器采用旁軛式鐵心（10KV 與以下時）或采用三臺單相電壓互感器。對于這種互感器，第三線圈的準(zhǔn)確度要求不

27、高，但要求有一定的過勵磁特性（即當(dāng)原邊電壓增加時，鐵心中的磁通密度也增加相應(yīng)倍數(shù)而不會損壞） 。在供電用電的線路中電流大大小小相差懸殊從幾安到幾萬安都有。為便于二次儀表測量需要轉(zhuǎn)換為比較統(tǒng)一的電流，另外線路上的電壓都比較高如直接測量是非常危險的。電流互感器就起到變流和電氣隔離作用8。目前顯示儀表大部分是指針式的電流表，所以電流互感器的二次電流大多數(shù)是安培級的?，F(xiàn)在的電量測量大多數(shù)字化，而計算機(jī)的采樣的信號一般為毫安級（0-5V、4-20mA 等） 。微型電流互感器二次電流為毫安級，主要起大互感器與采樣之間的橋梁作用。3.2.2 信號頻率捕捉電路的設(shè)計(1)LM339 芯片介紹:LM339 集成

28、塊部裝有四個獨(dú)立的電壓比較器，該電壓比較器的特點(diǎn)是：失調(diào)電壓小，典型值為 2mV；電源電壓圍寬，單電源為 2-36V，雙電源電壓為1V-18V；對比較信號源的阻限制較寬；共模圍很大，為 0（Ucc-1.5V）Vo；差動輸入電壓圍較大，大到可以等于電源電壓；輸出端電位可靈活方便地選用。 LM339 集成塊采用 C-14 型封裝，由于 LM339 使用靈活，應(yīng)用廣泛，所以世界上各大 IC 生產(chǎn)廠、公司竟相推出自己的四比較器，如IR2339、ANI339、SF339 等，它們的參數(shù)基本一致，可互換使用。LM339 類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同

29、相輸入端，用“+”表示，另一個稱為反相輸7 / 49入端，用“-”表示。用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇 LM339 輸入共模圍的任何一點(diǎn)） ，另一端加一個待比較的信號電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別大于 10mV 就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把 LM339 用在弱信號檢測等場合是比較理想的。LM339 的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，

30、選 3-15K） 。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值9。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。(2)SS16 二極管介紹SS16是一種低功耗、快恢復(fù)的肖特基二極管,具有反向恢復(fù)時間極短的特點(diǎn),在電路中起保護(hù)作用(3)信號頻率捕捉電路原理圖R17100KR25100KR281KR323KR36100KC16104FC21104FC220.68R293KV D1SS16V D2SS16V D3SS16V D4SS16R30 10KR3310KU AU BU CO UT 2O UT 1V +IN1-IN1+IN2

31、-IN2+5VR18100K+5VFRE QC13104F+5VO UT 3O UT 4G NDIN4+IN4-IN3+IN3-U 3L M339圖 3.2 信號頻率捕捉電路原理圖3.2.3 A/D 轉(zhuǎn)換接口電路的設(shè)計(1)ADC0809芯片簡介ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以與微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。ADC0809由8 / 49一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/

32、D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)10。ADC0809各腳功能如下：D7-D0：8位數(shù)字量輸出引腳。IN0-IN7：8位模擬量輸入引腳。VCC：+5V工作電壓。GND：地。REF（+）：參考電壓正端。REF（-）：參考電壓負(fù)端。START：A/D轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端。ALE：地址鎖存允許信號輸入端。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時為低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電平。OE：輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。CLK：時鐘信號輸入端（一般為500KHz） 。A、B、C：地址輸入線。地址輸入和控制線：4 條ALE 為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)

33、 ALE 線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將 A，B，C 三條地址線的地址信號進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A，B 和 C 為地址輸入線，用于選通 IN0IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如下表所示。表 3.1 ADC0809 的通道選擇表CBA選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN59 / 49110IN6111IN7數(shù)字量輸出與控制線：11 條 ST 為轉(zhuǎn)換啟動信號。當(dāng) ST 上跳沿時，所有部寄存器清零；下跳沿時，開始進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST 應(yīng)保持低電平。EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當(dāng)EOC 為高電平時，表明轉(zhuǎn)換

34、結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。OE 為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7D0 為數(shù)字量輸出線。CLK 為時鐘輸入信號線。因 ADC0809 的部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為 500KHz，VREF（），VREF（）為參考電壓輸入。ADC0809 應(yīng)用說明:ADC0809 部帶有輸出鎖存器，可以與 AT89S51 單片機(jī)直接相連。初始化時，使 ST 和 OE 信號全為低電平。送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到 A，B，C 端口上。在 ST 端給出一個至少有 100ns 寬的正

35、脈沖信號。是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù) EOC 信號來判斷。當(dāng) EOC 變?yōu)楦唠娖綍r，這時給 OE 為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機(jī)了。(2)A/D 轉(zhuǎn)換電路原理圖EA /VP31X119X218RE SE T9INT 012INT 113T014T115P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728RD17WR16PSEN29AL E/P30TX D11RX D1089C5

36、1CC6M HzCR+5VDCKQQAL ED7D6D5D4D3D2D1D0CL OCKST ARTAL EOEEO CAD DAAD DBAD DCRE F(+)IN-7RE F(-)AD C0809D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1LE11U?74LS37311IN-6IN-5IN-4IN-3IN-2IN-1IN-0U?NO RU?NO R10 / 49圖 3.3 A/D 轉(zhuǎn)換電路原理圖由于 ADC0809 片無時鐘，可利用 89C51 提供的地址鎖存允許信號 ALE 經(jīng) D觸發(fā)器 2 分頻后獲得，ALE

37、引腳的頻率是 89C51 單片機(jī)時鐘頻率的六分之一。單片機(jī)時鐘頻率采用 6MHz，則 ALE 引腳的輸出頻率為 1MHz，再 2 分頻后為500KHz，恰好符合 ADC0809 對時鐘頻率的要求。由于 ADC0809 具有輸出三態(tài)鎖存器，其 8 位數(shù)據(jù)輸出引腳可直接與數(shù)據(jù)總線相連。地址譯碼引腳 C、B、A 分別與地址總線低 3 位 A2、A1、A0、相連，以選通 IN0-IN7 中的一個通路。將P2.7（地址總線 A15）作為片選信號端，在啟動 A/D 轉(zhuǎn)換時由單片機(jī)的寫信號和 P2.7 引腳信號控制 ADC 的地址鎖存和轉(zhuǎn)換啟動，由于 ALE 和 START 連在一起，因此 ADC0809

38、在鎖存地址的同時，啟動并進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時，用低電平的讀信號和 P2.7 引腳經(jīng) 1 級或非門后，產(chǎn)生的正脈沖作為 OE 信號，用以打開三態(tài)輸出鎖存器。3.3 單片機(jī)控制系統(tǒng)與外圍電路的設(shè)計3.3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計在智能化儀器儀表中，控制核心均為微處理器，而單片機(jī)以高性能、高速度、體積小、價格低廉、穩(wěn)定可靠而得到廣泛應(yīng)用，是設(shè)計智能化儀器儀表的首選微控制器，單片機(jī)結(jié)合簡單的接口電路即可構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)，它是智能化儀器儀表的基礎(chǔ)，也是測控、監(jiān)控的重要組成部分11。單片機(jī)最小系統(tǒng)是在以 MCS-51 單片機(jī)為基礎(chǔ)上擴(kuò)展，使其能更方便地運(yùn)用于測試系統(tǒng)中，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和

39、靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被測試的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。單片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、造價低和開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，稱為在實(shí)時檢測和自動控制領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中稱為必不可少的器件，尤其是在日常生活中發(fā)揮的作用也越來越大。3.3.2 鍵盤、顯示電路的設(shè)計鍵盤顯示電路中，鍵盤采用獨(dú)立鍵盤。按鍵直接與 89C51 的 I/O 口線相連，11 / 49通過讀 I/O 口判斷各 I/O 口線的電平狀態(tài)，即可識別出按下的鍵。4 個數(shù)碼管直接與 89C51 的 P0 口相連，每個數(shù)碼管用一條選通線。EA /VP31X119X218RE SE T9INT 012I

40、NT 113T014T115P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728RD17WR16PSEN29AL E/P30TX D11RX D1089C51RRR+5VCC6M Hz+5VCRQ?PN PQ?PN PQ?PN PQ?PN PVCCabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpDS?VCCabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpDS

41、?VCCabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpDS?VCCabfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdpDS?VCC圖 3.4 鍵盤顯示電路原理圖12 / 494.簡易電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的程序設(shè)計4.1 電能質(zhì)量監(jiān)測裝置軟件主程序設(shè)計電能質(zhì)量監(jiān)測裝置軟件的主程序流程圖如圖 4.1 所示開始初始化同步采樣程序A/D轉(zhuǎn)換程序鍵盤程序是否啟動？C51程序顯示程序Y N 圖 4.1 電能質(zhì)量監(jiān)測裝置主程序流程圖13 / 494.2 同步采樣的設(shè)計4.2.1 同步采樣的分類目前,大多都是通過同步采樣方法建立理論和算法后來采樣、分析周期電氣信號。由于實(shí)際工程中的采樣很難達(dá)到理

42、想的同步,存在同步誤差,使數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性和測量的精確度受到影響。因此,選擇合適的采樣方法、減小同步誤差是提高測量精度的關(guān)鍵12。電網(wǎng)交流電氣信號參數(shù)的采樣方法主要有直流采樣方法和交流采樣方法。直流采樣法是采集經(jīng)變送器的直流量,軟件設(shè)計簡單,計算方便。但直流采樣法測量精度直接受整流電路的精度和穩(wěn)定性影響,同時直流采樣一般只能反映被測量的單一信息(如有效值) ,無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時信號的采集,從而造成測量裝置產(chǎn)生誤差。為了滿足高精度、高穩(wěn)定性測量的要求,現(xiàn)在普遍采用交流采樣技術(shù)。交流采樣技術(shù)是按一定要求對被測信號的瞬時值進(jìn)行采樣,然后對采樣值進(jìn)行分析處理,并獲取被測量的信息。交流采樣對A /D轉(zhuǎn)換速度和

43、CPU處理速度要求較高,算法復(fù)雜,但交流采樣包含信息量大,實(shí)時性好,相位失真小,成為目前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中主要的采樣方式13。目前工程上使用的同步采樣技術(shù)有硬件同步采樣和軟件同步采樣。(1)硬件同步采樣硬件同步采樣通過專門設(shè)計的硬件電路來實(shí)現(xiàn)對被測信號采樣脈沖的同步。由于電網(wǎng)的頻率并非固定在某一個值,而是存在一定的偏差,因此需使采樣頻率實(shí)時跟蹤電網(wǎng)信號頻率變化來減少采樣誤差。(2)軟件同步采樣軟件同步采樣是通過在定時中斷服務(wù)程序中對定時器重置定時值來實(shí)現(xiàn)的。首先,通過測量電網(wǎng)信號周期T, 然后根據(jù)周期T以與每周期采樣點(diǎn)數(shù)N 來確定定時器時間(= T /N ) 。當(dāng)定時時間到時, 產(chǎn)生中斷請現(xiàn)同步采

44、樣。軟件同步采樣不需要專門的硬件電路,成本低,只需在程序中設(shè)置中斷程序即可實(shí)現(xiàn)14。14 / 494.2.2 軟件同步采樣的流程圖在軟件設(shè)計中，主要是兩個中斷時間的實(shí)現(xiàn)。AD的采樣觸發(fā)信號源為F2812 的通用定時器1的溢出信號，在定時器中斷中啟動AD采樣，通過修改F2812的計數(shù)寄存器可以設(shè)置相應(yīng)的采樣頻率，從而可以設(shè)置AD 的采樣率。利用AD 轉(zhuǎn)換完成信號觸發(fā)DSP芯片的外部中斷INT1信號，在外部中斷程序中依次讀取6 通道的采集數(shù)據(jù)。其流程圖如圖4.2所示：定時T0入口開啟AD采樣使能定時器比較中斷中斷標(biāo)志位復(fù)位清除相應(yīng)的應(yīng)答標(biāo)志位返回圖 4.2 定時器中斷流程圖15 / 49開始關(guān)閉外

45、部中斷1依次讀取6同道數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)放入SRAM中開啟外部中斷1清除相應(yīng)的應(yīng)答標(biāo)志位返回圖 4.3 外部中斷INT1程序流程圖4.3 電能參數(shù)的計算4.3.1 電壓、電流有效值的計算在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)開根號原理： 假如和都是二進(jìn)制序列，取值0或1。Bb001122112222BBBBMmmmm001122112222bbbbNnnnnMN216 / 49N的最高位可以根據(jù)M的最高位直接求得。1nb1mB設(shè)m已知，因?yàn)椋詍mM22122122mmN 如果m是奇數(shù)，設(shè)，那么21mk，112222kkkN，kn1211mkn如果m是偶數(shù)，設(shè)，那么km2，1222kkN12k，11kn2mkn所以完全有

46、決定。1nb1mB余數(shù)22112nnMMbN的次高位可以采用試探法來確定。2nb因?yàn)?，假設(shè)，則11nb12nb2122222241111222222nnnnnnnnnnbbbbb然后比較余數(shù)是否大于等于。這種比較只須根據(jù)1M2241222nnnbb、.、便可作出判斷，其余低位不做比較。1mB2mB42 nB若，則假設(shè)有效，；余數(shù)22411222nnnMbb12nb；2122242112122212nnnnnMMbbM若，則假設(shè)無效，余數(shù)。2241122 *2nnnMbb02nb12MM同理，可以從高位到低位逐次求出M的平方根N的各位使用這種算法計算32位數(shù)的平方根時最多只須比較16次，而且每次

47、比較時不必把M的各位逐一比較，尤其是開始時比較的位數(shù)很少，所以消耗的時間遠(yuǎn)17 / 49低于牛頓迭代法。根據(jù)相電壓的有效值定義，若為相鄰兩次采樣的時間間隔，為第kT kUk個時間間隔的電壓采樣的瞬時值，有 （4-1） 1021NkkTkUTU若相鄰兩次采樣的時間間隔相等與為時間常數(shù)，則有kTTTTN （4- 1021NkkUNU2）同理可得電流的有效值公式： （4- 1021NkkINI3）4.3.2 電源頻率的計算結(jié)合實(shí)際情況,采用硬件測頻的方法。輸入電壓經(jīng)變換、隔離后通過50 Hz帶通濾波器獲得平滑的正弦波信號,消除經(jīng)方波形成器后整形為上升沿陡峭的方波,然后接入到測量CPU的可編程計數(shù)陣列

48、(PCA)模塊,利用其上升沿捕獲功能得到PCA計數(shù)器在每個方波周期的計數(shù)值N ,于是輸入電壓的頻率f為 （4-cpfNf14）其中為PCA的計數(shù)頻率。cpf18 / 494.3.3 有功功率、無功功率的計算(1)有功功率的計算用單片機(jī)實(shí)現(xiàn) cos計算：利用高級語言自動生成查表程序。利用高級語言自動生成查表程序的實(shí)質(zhì)就是利用高級語言的計算功能，把原本復(fù)雜的計算轉(zhuǎn)換為簡單的查表結(jié)果，以文本文件的形式輸出查表程序，在單片機(jī)編程中將該段程序插入相應(yīng)的程序中去。在應(yīng)用中需要注意的是：查表結(jié)果沒有小數(shù)，故在計算輸出時要四舍五入；查表結(jié)果只能在0255之間，超出此圍要加以處理。有一點(diǎn)要注意的是，在插入查表程

49、序時特別要注意查表程序不能跨過0255的頁面。有功功率電能用于做功被消耗，它們轉(zhuǎn)化為熱能、光能、機(jī)械能或化學(xué)能等，稱為有功功率；又叫 平均功率15。交流電的瞬時功率不是一個恒定值，功率在一個周期的平均值叫做有功功率，它是指在電路中電阻部分所消耗的功率，以字母 P表示，單位瓦特 。 （4-111NkkkiuNP5）其中N為一個電網(wǎng)周期的采樣點(diǎn)數(shù)，和分別為對應(yīng)點(diǎn)的電壓瞬時值和kuki電流瞬時值。(2)無功功率的計算無功功率本身并不做功，但會降低傳輸線路的效率并增加其線損，同時對一些設(shè)備也會產(chǎn)生影響。所以無功功率是一般電網(wǎng)中非常關(guān)注的一個參數(shù)。采用公式： （4-NkkNkuiNQ1416）進(jìn)行計算，

50、其中N為一個電網(wǎng)周期的采樣點(diǎn)數(shù)，和分別為電流和電壓kiku的瞬時值。由此求得的無功功率帶有符號，負(fù)號表示容性，正號表示感性。19 / 494.3.4 功率因數(shù)的計算在交流電路中，電壓與電流之間的相位差的余弦叫做功率因數(shù)，用符號表示。在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即 （4-SPcos7）在具有阻抗的交流電路中，電壓有效值與電流有效值的乘積，稱為視在功率，視在功率的平方= 有功功率的平方+ 無功功率的平方。即： （4-222QPS8）4.3.5 電能參數(shù)計算的 MATLAB 仿真結(jié)果(1)當(dāng)電壓與電流相位一致時：有功功率P1 = 4.7220e+004；無功功率V1 =1.7746

51、e-013。仿真圖像如圖4.4所示：圖 4.4 電壓與電流相位一至?xí)r的仿真圖像(2)當(dāng)電壓滯后電流90度時：有功功率P2 =5.3239e-012；無功功率V2 =-4.7220e+004。仿真圖像如圖4.5所示：20 / 49圖 4.5 電壓滯后電流90度的仿真圖像當(dāng)電壓滯后電流60度時：有功功率P3 =2.3610e+004；無功功率V3 =-4.0893e+004。仿真圖像如圖4.6所示：圖 4.6 電壓滯后電流60度的仿真結(jié)果圖像21 / 494.4 鍵盤、顯示程序設(shè)計4.4.1 鍵盤程序設(shè)計鍵盤是由若干按鈕組成的開關(guān)矩陣，它是單片機(jī)系統(tǒng)中最常用的輸入設(shè)備，用戶能通過鍵盤向計算機(jī)輸入指

52、令、地址和數(shù)據(jù)。一般單片機(jī)系統(tǒng)中采和非編碼鍵盤，非編碼鍵盤是由軟件來識別鍵盤上的閉合鍵，它具有結(jié)構(gòu)簡單，使用靈活等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)。按鈕開關(guān)的抖動問題組成鍵盤的按鈕有觸點(diǎn)式和非觸點(diǎn)式兩種，單片機(jī)中應(yīng)用的一般是由機(jī)械觸點(diǎn)組成的16。 圖 4.7 鍵盤的結(jié)構(gòu)圖圖 4.8 輸入端的波形圖圖 4.5 是鍵盤的結(jié)構(gòu)圖，當(dāng)開 關(guān) S 未被按下時，P2.6 輸入為高電平，S閉合后，P2.6 輸入為低電平。由于按鈕是機(jī)械觸點(diǎn)，當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)斷開、閉合時，會有抖動動，P2.6 輸入端的波形如圖 4.6 所示。這種抖動對于人來說是感覺不到的，但對計算機(jī)來說，則是完全能感應(yīng)到的，因?yàn)橛嬎銠C(jī)處理的速度是在

53、微秒級，而機(jī)械抖動的時間至少是毫秒級，對計算機(jī)而言，這已是一個“漫長”的時間了。中斷時曾有個問題，就是說按鈕有時靈，有時不靈，其實(shí)就是這個原因，你只按了一次按鈕，可是計算機(jī)卻已執(zhí)行了多次中斷的過程，如果執(zhí)行的次數(shù)正好是奇數(shù)次，結(jié)果正確，如果執(zhí)行的次數(shù)是偶數(shù)次，那就不對了。為使 CPU 能正確地讀出 P2 口的狀態(tài)，對每一次按鈕只作一次響應(yīng)，就必須考慮如何去除抖動，常用的去抖動的辦法有兩種：硬件辦法和軟件辦法。單片機(jī)中常用軟件法，軟件法其實(shí)很簡單，就是在單片機(jī)獲得 P2.6 口為低的信息后，不是立即認(rèn)定 S1 已被按下，而是延時 10 毫秒或更長一些時間后再次檢測 P2.6口，如果仍為低，說明

54、S1 的確按下了，這實(shí)際上是避開了按鈕按下時的抖動時間。而在檢測到按鈕釋放后（P2.6 為高）再延時 5-10 個毫秒，消除后沿的抖動，然后再對鍵值處理。不過一般情況下，我們常常不對按鈕釋放的后沿進(jìn)22 / 49行處理，實(shí)踐證明，也能滿足一定的要求。當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用中，對按鈕的要求也是千差萬別，要根據(jù)不一樣的需要來編制處理程序，但以上是消除鍵抖動。鍵盤程序的流程圖如圖 4.9 所示：開始有鍵閉合？調(diào)用延時子程序延時6ms2次調(diào)用延時子程序延遲12ms有鍵閉合？判斷閉合鍵鍵號閉合鍵釋放否？輸入鍵號返回YNYN圖 4.9 鍵盤程序流程圖4.4.2 顯示程序設(shè)計(1)LED 顯示器常用的 LED 顯示

55、器為 8 段。每一個段對應(yīng) 1 個發(fā)光二極管。這種顯示器有共陽極和共陰極 2 種。共陰極 LED 顯示器的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，通常公共陰極接地。當(dāng)某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。同樣共陽極 LED 顯示器的發(fā)光二極管的陽極連接在一起，通常公共陽極接正電壓，當(dāng)某個發(fā)光二極管的陰極接低電平時，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，23 / 49相應(yīng)的段被顯示。由 N 各 LED 顯示塊可拼接成 N 位的 LED 顯示器。LED 顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種顯示方式。LED 顯示器工作于靜態(tài)顯示方式時，各位的共陰極（或共陽極）連接在一起并接地（+5V） ；每位的段碼線分別與一個

56、8 位的鎖存器輸出相連。靜態(tài)顯示器的亮度較高。顯示位數(shù)較多的情況下，一般都采用動態(tài)顯示方式。而動態(tài)顯示是實(shí)質(zhì)是以犧牲 CPU 的時間來換取器件的減少。(2)顯示程序流程圖開始初始化送段碼取顯示查表取出段碼將段碼送SBUF1B的段碼輸完？清除標(biāo)志位指向下一個數(shù)據(jù)單元段碼個數(shù)為0？關(guān)閉顯示器返回NYYN24 / 49圖 4.10 顯示程序流程圖5.系統(tǒng)的調(diào)試5.1 硬件調(diào)試硬件電路設(shè)計完成后，需要測試電路能否正常工作。用單片機(jī) WAVE 仿真器對系統(tǒng)硬件進(jìn)行診斷與檢查；程序的輸入與修改；硬件電路、程序的運(yùn)行與在線仿真調(diào)試；程序的固化。用萬用表測量硬件電路的通斷、兩點(diǎn)間阻值、測試點(diǎn)處穩(wěn)定電流或電壓值

57、以與其它靜態(tài)工作狀態(tài)。用示波器測量模擬或數(shù)字信號電平，觀察模擬信號波形與測量模擬信號頻率，還可以同時觀察多個信號的波形與它們之間的相位差。重點(diǎn)分析系統(tǒng)中頻率捕捉電路的性能。硬件調(diào)試是利用開發(fā)系統(tǒng)、基本測試儀器(萬用表、示波器等)，通過執(zhí)行開發(fā)系統(tǒng)有關(guān)命令或運(yùn)行適當(dāng)?shù)臏y試程序檢查用戶系統(tǒng)硬件中存在的故障。在對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)調(diào)試時，首先對各功能模塊如頻率捕捉電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、顯示電路等進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試，且調(diào)試某模塊時，將整個電路板中與該模塊無關(guān)的芯片拔除，這樣基本上可以將故障圍限定在某個局部的電路上。依此類推，先把各個模塊的故障排除，到整體調(diào)試的時候就會好辦得多。5.2 軟件調(diào)試軟件調(diào)試是通過對用

58、戶程序的匯編、連接和執(zhí)行來發(fā)現(xiàn)程序中存在的語法錯誤與邏輯錯誤，并加以排除糾正的過程。軟件調(diào)試的一般方法是先獨(dú)立后聯(lián)機(jī)、先分塊后組合、先單步后連續(xù)。調(diào)試時，以子程序?yàn)閱挝唬鸩秸{(diào)試，使用 Wave 軟件進(jìn)行仿真。軟件調(diào)試過程包括單元調(diào)試、集成調(diào)試、確認(rèn)調(diào)試和系統(tǒng)調(diào)試 4 個步驟。(1)開始是單元調(diào)試，集中對用源代碼實(shí)現(xiàn)的每一個程序單元進(jìn)行測試，檢查各個程序模塊是否正確地實(shí)現(xiàn)了規(guī)定的功能。25 / 49(2)集成調(diào)試把已測試過的模塊組裝起來，主要對與設(shè)計相關(guān)的軟件體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)造進(jìn)行測試。(3)確認(rèn)調(diào)試則是要檢查已實(shí)現(xiàn)的軟件是否滿足了設(shè)計的各種需求，以與軟件配置是否完全、正確。(4)系統(tǒng)調(diào)試是把已經(jīng)

59、經(jīng)過確認(rèn)的軟件與其它系統(tǒng)成份組合在一起進(jìn)行測試。5.3 整體調(diào)試整條調(diào)試是指設(shè)計的軟件在其硬件上實(shí)際運(yùn)行，進(jìn)行軟、硬件聯(lián)合調(diào)試，從中發(fā)現(xiàn)硬件故障或軟、硬件之間不相匹配的地方，反復(fù)修改和調(diào)試。整體調(diào)試時，首先采取單步、斷點(diǎn)、連續(xù)運(yùn)行方式調(diào)試與硬件相關(guān)的各程序段，即可檢驗(yàn)程序的正確性，又可在各功能獨(dú)立的情況下，檢驗(yàn)軟、硬件的配合情況。然后，將軟、硬件按系統(tǒng)工作要求進(jìn)行綜合運(yùn)行，采用全速斷點(diǎn)、連續(xù)運(yùn)行方式進(jìn)行總調(diào)試，以解決在系統(tǒng)總體運(yùn)行情況下軟、硬件的協(xié)調(diào)，從而提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。26 / 49總結(jié)與展望本設(shè)計中對比分析了同步采樣過程中硬件同步采樣與軟件同步采樣,設(shè)計了前端數(shù)據(jù)采集模塊,探討了電能質(zhì)

60、量監(jiān)測裝置前端數(shù)據(jù)采集模塊的組成部分。根據(jù)實(shí)際情況，本設(shè)計中的采樣方式采用軟件同步采樣的方法，省去了用硬件同步采樣需要的各種要求較高的硬件。而且軟件同步采樣編程方便，容易實(shí)現(xiàn)，但是有同步性不如硬件同步采樣的缺點(diǎn)。針對信號頻率捕捉電路、單片機(jī)計算電路以與A /D轉(zhuǎn)換接口電路等各個部分,設(shè)計了具體的電路,同時根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要,對接口的電氣參數(shù)、芯片的選擇等進(jìn)行了說明。在信號頻率捕捉電路中，采用了LM339芯片和SS16肖特基二極管。LM339為超低功耗四電壓比較器,失調(diào)電壓小,電源電壓圍寬,輸出端電位可靈活選擇。當(dāng)電網(wǎng)某相電壓信號缺失時,系統(tǒng)仍能正常采樣。在單片機(jī)最小系統(tǒng)中，主要需要實(shí)現(xiàn)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)開平