毕业设计(论文)-三相电压电流测试仪的设计.doc
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1、摘 要随着电力系统配电网络规模的扩大,网络的监测愈显重要。为了能够更加精确、简便的监测配电网络,提高电网的可靠性,利用单片机信号处理能力强的特点,在一种新的采样原理的基础上,设计了一种三相电压电流测试仪。本测试仪用电压和电流互感器构建信号转换电路,将大电压电流信号转换为便于处理的小电压电流信号,以80C196KC作为主控芯片,采用专用电能计量芯片对信号进行数据采集与处理,并通过SPI口与MCU进行数据通信。本测试仪可以同时对电压、电流、频率等电参数进行测量,参数显示采用液晶显示技术,并配有RS485通信接口,可以将测量的数据传送到监控中心,多台测试仪表还可以形成控制网络,便于管理。在抗干扰方面
2、,本测试仪采用软硬件相结合的方式,从硬件电路到软件编程,都提供了相对应的抗干扰措施,大大的提高了测试仪的抗干扰能力,增强了稳定性。另外,本测试仪集测量、控制、显示等功能于一体,具有测量信号多、精度高、显示直观、高性价比等特点,还形成了多系列产品,并能灵活进行倍率调整,可以满足不同用户的不同需要,具有良好的应用前景。关键词: 单片机;测试仪;液晶显示ABSTRACTWith the development of the electric power system.the supervision of network states is becoming more and more importa
3、nt.Inorder to supervise states of electric power system precisely and simply improveits reliability,we design a kind of three-phase voltage and current tester.The EPMI uses voltage and current mutual inductors to construct signal transition circuit.The voltage and current mutual inductors can transf
4、orm strong signal to weak signal which can be processed conveniently. 80C196KC is the main-control chip of the EPMI.The EPMI uses the special chip to measure electrical energy to acquire and process data.The communication depends on SPI interface.The EPMI can measure voltage,current,frequency and ot
5、her electrical parameters synchronously, and display the measured parameters on LCD.Furthermore, the EPMI can transmite the measured data to the surveillance room through RS485 bus interface.If there are many EPMIs,they can be formed as a controlling network and managed easily.In the anti-jamming as
6、pect,the EPMI adopt the way which combinated software and hardware methods.Both hardware circuit designing and software programming have provided relevant anti-jamming methods,so the antijamming ability and stability of EPMI has improved observably.Moreover,the EPMI which includes measuring,controll
7、ing,displaying and other function has the characteristics of multi-function,well-precision,display intuitionisticly,good performa nce and low cost.The EPMI has formed many series of production and can adjust the coefficient so flexibly that it can fulfil different clients demand and it will have a g
8、ood future.Keywords:MCU;intelligent instrument;LCD目 录1 引言62 系统概述63 硬件电路73.1 硬件总体设计73.2 单片机应用系统83.3 前向模拟输入通道93.4采样电路设计93.5信号调理电路103.6 计量原理113.7 脉冲输出123.8 电源电路及信号转换电路设计123.9 键盘及显示单元133.9.1 键盘接口设计133.9.2 液晶显示器接口设计143.10 单片机与上位机的通信154 软件设计1541 程序设计1542 软件抗干扰174.2.1 防脉冲干扰平均值数字滤波法求瞬时值184.2.2 采用滑动平均值数字滤波法求
9、平均值185精度分析185.1 u(n)、i(n)的精度185.2 计算误差195.3 计算方法引起的误差195.4 测试结果196结束语19参考文献20致 谢21注释表ADC(Analog to Digital Converter)模数转换器EPROM(Erasable Programmable ROM)可擦除可编程ROMLCD(Liquid Crystal Display)液晶显示屏MCU(Micro-Control Unit)微控制器MSSP(Master Synchronous Serial Port)主控同步串行端口OTP(One Time Programming)一次可编程PSP(
10、Parallel Slave Port)并行从动端口SPI(Serial Peripheral Interface)串行外围接口SSP(Synchronous Serial Port)同步串行端口U-电压有效值 P-功率I-电流有效值F-频率N-仪表常数Un-额定电压Ib-额定电流Imax-最大电流Istart-启动电流VCC-工作电压1 引言目前的三相测试仪大多数都采用平均值法测量交流电压和电流的有效值。这种交直流转换法测量交变信号的有效值存在着诸多缺点:非真有效值测量、无法测量非正弦交变周期信号、可测频域窄、存在转换误差及直流漂移误差等。另外,由于电力电子技术的发展,导致电力系统谐波含量迅
11、速增长,电压和电流波形产生畸变,对电力系统和用电设备的安全运行带来严重影响。为保证供电质量必须对谐波源和供电点的电压和电流谐波含量进行实时检测。本文提出的科研产品“三相电压电流测试仪”,应用单片机作为仪表智能部件,采用芯片内部s级的AD转换器作为数据采集器,由于是对信号进行逐点瞬间采样,从原理上克服了目前三相电测仪表的种种缺点。应用16位单片机数据计算、处理功能强的特点,仪表可实现全电学量的实时跟踪测量。222 系统概述为了避免强电信号对弱电信号的干扰,在整体结构上采用三层电路板:底层为信号采集电路板,因其上面布置了很多大而重的元器件,为了保持整个测试仪结构上的稳定性,将其至于底层。中间层为信
12、号处理电路板,该层是将信号采集板传送过来的小电压电流信号进行一些相关的处理,这层板也是本次设计的主控电路板;上层是LCD显示电路板,用于对从中间层传送过来的测量参数进行显示。其中底层与中间层通过一根26芯的信号线连接,而中间层与上面的LCD显示层间通过一根20芯的信号线相连。测试仪的整体结构如图1所示。图1 电参数测试仪整体结构框图基于测试技术与信号处理中的采样定理1,实现对三相电信号采集。系统充分发挥了80C196KC系列单片机强大的数据采集能力,AD采集速率可达到80 Kbs。Lab WindowsCVI提供了串口编程的函数库,这样便于用户开发程序。应用软件分析计算出相位差、电压基波有效值
13、等参数。测试仪系统结构如图2所示。软件结构上、下位机采用Keil C软件编程,上位机采用Lab WindowsCVI软件编程。电路设计中交流信号经过放大处理后,由频率测量电路、电压测量电路和电流测量电路分别输入单片机,采集到的数据经单片机处理后通过串口送到上位机做进一步的信号分析处理。单片机内部16位8通道AD转换器用于采样4路电压、4路电流信号,并将其转化结果通过RS-485串口送入上位机。根据这些信息,上位机用户界面显示电压、电流波形:用Lab WindowsCVI中的相关分析函数计算相位差。根据离散积分公式2计算电压、电流的有效值并在用户界面上显示。图2 测试仪系统结构图对于真有效值的测
14、量:利用80C196KC单片机控制ACH0、ACH1双通道的AD转换器,同时对电压、电流波形进行逐点数据采集 u(n)、i(n)(n =1,2,N),我们可以从离散的数字序列中推导出电参数:交流电压真有效值U、交流电流真有效值I分别为:上式中参与运算的各瞬变数字量u(n)、i(n)都是经过零点自校和满增益自校后,通过误差修正的数学模型算法处理后的复原值。3 硬件电路3.1 硬件总体设计 硬件设计的主要任务是基于总体方案设计,选择系统所需的各类元器件、设计系统的电子线路图和印刷电路板、安装元器件的调试硬件线路。硬件设计应确保功能设计和接口设计满足系统的需求,并且充分考虑和软件的协调工作关系,注重
15、选用高集成度的器件和采用硬件软化、软件硬化等设计技术。电参数测试仪的硬件总体设计图如图3所示。图3 电参数测试仪的硬件总体设计图由图3可以看出,该系统主要由电压和电流数据采集模块、计量模块、MCU模块、LCD显示模块、功能设置模块以及通信等模块组成。本测试仪的MCU模块采用80C196KC单片机,用于控制各个功能模块的连接与执行。其主要作用与计量模块之间的信号传输、控制并传输各参数的测量值至LCD进行显示、通过功能模块对整个系统进行参数设置以及通过RS485与上位机进行数据的通信与传输。电压和电流数据采集模块由电压互感器和电流互感器以及抗混叠滤波器组成,电压和电流互感器用于将大电压、大电流信号
16、变换为可以经过ATT7026处理的小电压、小电流信号,变换以后的小信号经过抗混叠滤波器进行滤波,得到无失真信号,并将该信号传送至电能计量模块。电能计量模块采用ATT7026作为计量芯片,ATT7026将经过滤波后的信号进行A/D采样并经过一系列数学运算,将处理后的数据存放在相对应的寄存器中,再通过MCU读取相应寄存器的值以进行其他信号处理。 LCD显示模块是测量参数的显示部分,采用12864的点阵液晶显示,综合比较各类显示器件,液晶显示器件具有很多独到的优异特性:低压、微功耗显示信息量大;长寿命;无辐射、无污染。在本次设计中,液晶型号为GM12641其控制器为HD61202,这样使得测试仪测量
17、到的各参数能够实时显示。通信模块采用RS485接口通信,主要用于数据的传输,将测试仪测量到的各个参数的值经过RS485接口传输到上位机,实现配电中心或监控室的实施监控,从而及时掌握各测试仪的运行状况。若有多台测试仪同时工作,还可以通过RS485接口通信形成控制网络。32 单片机应用系统系统是由单片机80C196KC、程序存储器EPROM27C128、数据存储器RAM6264、锁存器74HC373、通用逻辑阵列GAL16V8等相关电路组成。80C196KC具有16位的乘法指令,这正是开发本测试仪所必需具备的。单片机系统完成:数据采集、信号预处理、快速FFT、各参数的运算、显示及画面切换处理功能。
18、 该单片机功能强大的集成模块简化了硬件电路设计。测试仪AD转换器是由内置的8通道12位AD转换器实现。最重要的是片内RAM与上位机通讯时,可在RAM 中开辟下位机的数据缓存区。这样下位机可分时进行数据采集和数据传输 ,大大提高了数据采集速度 。 将单片机 IO口分配为:A10AI3为电压模拟量输入口;AI4AI7为电流模拟量输入口。33 前向模拟输入通道本系统的特点是由硬件部分保证前向模拟输入通道测量精度,前向模拟输入通道结构框图如图4所示。本仪器由前置的1100衰减器和电压比较器阵列可将lV至1000V的输入电压信号自动地分为8个量程信息。因为电网信号的带宽一般不是有限的,为防止混叠效应及高
19、频干扰,被测信号要经过抗混叠滤波器。低通滤波器的设计要考虑到:保证信号传输不失真即信号通过滤波器时,输入与输出之间相移与频率成正比,同时在频谱范围内,滤波器幅频特性应是平直的。低通滤波器采用五阶巴特沃斯滤波器及阻容元件构成。3.4 采样电路设计图4 前向模拟输入通道结构框图为了对被测信号进行快速FFT,将被测电压及电流信号在一个周期等间隔采样128点。以微处理和快速FFT算法为基础的电力系统电学量在线测量时,其误差来源有:模拟量离散化时引入的误差、数据处理中的运算舍入误差、AD转换的量化误差,对周期信号而言,表现为当采样频率和信号基频不同步时产生的泄漏误差(Leakage errors),这是
20、造成对周期信号进行分析、处理的主要误差来源。采用软件方法:如插值算法3,对采样数据重新排序等,仅仅只能减小而不能从根本上消除误差。为了克服上述原因产生的误差,在测试仪中设计了一个128倍频率的采样、保持电路,其核心是以锁相环集成电路CD4046、双单稳态触发器MC14538构成的数字锁相环(DELL)。当信号基频发生漂移时,128倍频电路能自动跟踪信号基频,每隔20ms128=15625 s启动一次AD转换,保证在任何一个完整的周期内,等问隔完成128次瞬间采样。3.5 信号调理电路在信号采集与处理模块中,信号采集板的作用是向信号处理板提供所需要采集的交流信号和电源,并隔离了一些干扰信号,避免
21、其进入主控电路板。将强电信号转换为弱电信号采用互感器方式。电流和电压互感器是电力系统中一种特殊的变压器,它们把大电流变成小电流,把高电压转换成低电压,用来使仪表、继电器与主电路绝缘,以保证电力系统的安全。另外当电力线路发生故障时,出现过电压或过电流时,由于互感器铁芯趋于饱和,其输出不会成正比的增加,能够起到对测量仪表设备的保护作用。图5 电压信号采集电路图6 电流信号采集电路电压信号采集电路如图5所示。采用互感器对三相交流电隔离降压,经差模放大后输入单片机。采用VREF2为参考电压基准,将交流电压信号的零点提升到VREF2,使采样到的正弦信号介于0和VREF之间,单片机能够识别,而电压信号放大
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