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基于单片机控制的交流电参数测量仪的设计

[日期:2012-07-28]   来源:28毕业论文网  作者:28毕业论文网   阅读:602[字体: ]
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基于单片机控制的交流电参数测量仪的设计

摘要:  随着电力系统的快速发展,电网容量不断增大,结构日趋复杂,电力系统中实时监控、调度的自动化显得尤为重要,而电力参数的数据采集又是实现自动化的重要环节,如何快速准确地采集系统中各元件的电参数(电压、电流、功率、频率等)是实现电力系统自动化的一个重要因素。[1]
基于此,本文主要设计一个基于MSC-51单片机控制的交流电参数测量仪,此仪器可以测量交流电参数,例如电压和电流,频率,功率,功率因数等。
文中论述了该系统实现电参数测量的工作原理。
关键词:电力系统 电力参数 MSC-51单片机 交流电参数测量仪
1 文献综述
在微机技术发展初期,电力监控系统普遍采用经过变送器的直流采样方法,即经过变送器整流后的直流量。这种方法软件设计简单,对采样值只需作一次比例变换即可得到被测量的数值,因而采样周期短。由于以上特点,该方法在微机应用初期得到了广泛的应用。[2]但经过变送器的直流采样方法存在一些问题,如测量精度直接受变送器的精度和稳定性的影响,设备复杂,监控系统造价高等。[3]
随着科技的发展,仪器仪表的发展更新越来越进步。作为工业自动化技术工具的自动化仪表与控制装置,在高新技术的推动下,正跨入真正的数字化、智能化、网络化的时代。[4]微机技术的发展,使微机系统主频提高,指令功能变强,模数转化芯片技术的提高,成本的降低,使得交流采样的运用成为可能。
  由于交流采样去掉变送器,按一定的规律对被测量的瞬时值进行采样,用一定的算法求得被测量,即用软件的功能代替硬件的功能,从而降低了系统造价。[5]所以,研究运用交流采样技术实现电量的数据采集具有很大的意义。
2 选题背景及其意义
现代社会电能是一种使用最为广泛的能源,其应用程度是一个国家发展水平的主要标志之一。随着科学技术和国民经济的发展,对电的需求量日益增加,同时对电网运行的稳定性要求也越来越高,对电网的实时监控就显得非常重要。[5]随着我国电力行业的迅猛发展,[6]电网供电品质越来越受到电力部门以及用户的关注。[7]
在电力监控系统中,为了维护电网运行的稳定和安全,保证用户用电的可靠性,需要电网中各种电参量维持稳定值不变。这就需要实时的采集各种电参量,用来监控以保证电网的稳定。[8] 

3 设计原理及内容
3.1 交流电参数测量的方法
随着电力系统的快速发展,电网容量不断增大,结构日趋复杂,电力系统中实时监控、调度的自动化就显得十分重要,电量的数据采集是实现自动化的重要环节,尤其是如何准确、快速的采集系统中各元件的模拟量(电压、电流、功率等),是电力系统自动化的一个重要因素。[9]
根据采样信号的不同,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 的直流电压,这种方法的主要优点是算法简单,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,因而在电力系统中的应用受到了限制。[10]交流采样是把交流量转化为± 5V(或 0~5V)的交流电压进行采集,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的发展,交流采样原有的困难如算法复杂、提高精度难、对 A/D 的速度要求高等已逐步得到克服。[11]交流采样法具有响应速度快、投资省、工作可靠和维护简单等优点,但交流采样所得到的是信号的瞬时值,是随时间而变化的交变量,人们无法直接识别其大小和传送方向(指功率),这就需要通过一定的算法把信号的有关特征电量计算出来。[12]
交流采样方法主要有同步采样、准同步采样和异步采样。同步采样的具体作法是将信号的一个整周期(或多个周期)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,常利用锁相环电路或过零检测环节以保证采样同步。同步采样对采样速率 N 及采样周期的选择既要满足采样定理的要求,又要满足实时处理的要求。[13]同步采样中由于 N 次均匀采样间隔 h 之和很难与一个周期 T 或 m 周期 m和T严格相等,它们之间的差异 d=HN-mt,称作同步误差。在实际测量中,很小的同步误差也会产生较大的测量误差。为了减小同步误差对采样的限制,准同步采样的方法便应运而生。[14]准同步采样是在多个周期内均匀采样,然后根据特定的数值求积公式进行递推运算,它是以较多的数据及较长的运算时间作为代价来减小同步误差对测量的影响,而且在采样期间要求信号波形必须稳定。[15]
同步、准同步采样适用于已知信号在某种频率范围内变动的情况,若要对频率范围很宽的信号采样,则宜采用异步采样的方法。[16]异步采样采取等间隔采样方式,在较多周期上利用高采样率获取大量数据,对其求平均值,这样即使存在同步误差,其影响也将大为缩小。[17]


3.2 交流测量原理及相关算法
频参数的计算要用到电压、电流的有效值,功率等参数,而测量系统的 CPU 从A/D 转换器读取的数据是电压、电流的瞬时值,因此应根据电压、电流的瞬时值,计算出电压、电流的有效值、功率等参数。[18]
将电压有效值公式
                                 (1)                                             
离散化,以一个周期内有限个采样电压数字量来代替一个周期内连续变化的电压函数值,则                                                       
                                           (2)    
式(3)中: 为相邻两次采样的时间间隔; 为第m-1个时间间隔的电压采样瞬时值;N为1个周期的采样点数。
  若相邻两采样的时间间隔相等,即 为常数   ,考虑到, 
则有
                         (3)
式(4)就是根据一个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的公式。同理,电流有效值计算公式如下:
                          (4)      
计算一相有功功率的公式
                            (5)
离散化后为
                            (6)
式(7)中: 、 为同一时刻的电流、电压采样值。功率因数可由下式求
                                  (7)
但在实际的测量中,上式的算法很难实现,所以本文拟采用一种与接线无关的三相功率因数检测方法。[19]
对于频率的测量,是将交流信号经OP07电压比较器变成方波后送到89C51的P3.2脚(外中断0),由89C51计数器0在方波的一个周期内计数,然后乘以系统内部时钟就得到方波周期 T,所以频率就为1/ T。[20]
3.3 硬件系统设计
硬件电路由数据采集部分、单片机系统及接口部分组成。三相电压和电流信号加到取样电路的输入端,信号按比例变换为峰值小于±5V的交流电压信号,再经阻抗变换,经16选1多路模拟开关,LF398采样保持电路加到AD574的输入端。[4]本设计中单片机采用美国ATMEL公司的AT89C51,内带4K片内ROM,AD574可输入±5V或10V交流电压信号,12位转换,转换最大时间为25 p s,完全满足测量精度要求。在测量率时,必须同时对电压和电流信号进行采样,考虑电源频率一般不高(50Hz),根据实际情况,本系统采用单片机对电压,电流信号进行交替采样,且电流信号要经过I/u变换,转换成小于±5V的电压信号后,再送至输入端。这样不仅可以简化硬件电路,而且减小了由于两路数据采集和处理电路不对称所带来的误差和校准困难。硬件图如图1所示。
  图1 硬件结构图
3.4 软件程序设计
系统的软件设计中,采用模块化设计方法,使得程序结构清晰,便于今后进一步扩展系统的功能。系统软件有以下模块构成:主程序、时钟中断服务程序、数据采集处理子程序、显示程序等。主程序主要完成系统初始化,装置自检等任务。系统的初始化部分包括CPU各端口输入输出设置、外围驱动、译码电路的初始化、数据RAM的初始化等。系统的数据采集处理子程序的功能是采集各相电压值、电流值。在定时中断服务程序中主要进行频率测量。另外,我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,因此在此系统中求取电力参数实行数字滤波方法祛除干扰,此外,系统中还应采用指令冗余等抗干扰措施,以使系统具有良好的抗干扰性能。系统的总流程图如下图2所示:

图2 系统结构图
                                                      
4 工作特色及其难点,拟采取的解决措施
4.1 工作特色及其难点
特色:
(1)  用微机进行交流采样,实现了对交流电压,电流,有功功率,无功功率电力功率等电力参数的测量,不仅提高了测量的精度,而且提高了测量的自动化水平
(2)  本系统采用单片机对电压,电流信号进行交替采样,且电流信号要经过I/u变换,转换成小于±5V的电压信号后,再送至输入端。这样不仅可以简化硬件电路,而且减小了由于两路数据采集和处理电路不对称所带来的误差和校准困难。
难点:
(1)  软件设计中由于此交流电参数测量仪用测量三相交流电路的测量,电网可能影响到数据传送,还会有各种的瞬时干扰
(2)  需要运用许多C语言程序进软件程序的编程,使数据采样可以按照流程图的流程来一一实现
4.2 拟采取的解决措施
(1)系统中求取电力参数实行数字滤波方法祛除干扰,此外,系统中还应采用指令冗余等抗干扰措施,以使系统具有良好的抗干扰性能。
(2)查阅相关的书籍简化C语言程序,精练程序,同时通过电脑打开相关特殊功能寄存器,观察环境窗口中各个寄存器值的变化来检查所编写软件的正确性。通过对各部分功能程序进行反复调试,最终实现所编写的程序均已编译通过,软件无逻辑和语法错误,程序能够按软件流程图流程进行执行
5 论文工作量及预期进度
论文工作量:
(1)根据设计任务书完成基于单片机控制的交流电参数测量仪的设计,并进行系统调试,完成设计任务;
(2)结合毕业设计,撰写毕业论文。
预期进度:
2010年12月:收集资料,确定设计系统总体方案,书写开题报告。
2011年01月----2011年02月:翻译外文文献,进行方案论证,确定具体设计方案;进行软硬件设计
2011年03月----2011年04月:进行系统调试,开始撰写毕业论文;
2011年05月----2011年06月:完成论文撰写,毕业论文修改和答辩。

6 预期成果及其可能的创新点
预期成果:通过对交流采样的优点、原理和算法等方面作了全面分析,设计出基于单片机控制的交流点参数测量仪,该仪器可以测量电压和电流,频率,功率,功率因数等,通过LED屏幕显示数据,速度快,测量精度准确。
   可能的创新点:在系统中加入指令冗余等抗干扰措施,增加系统的抗干扰能力。
 
参考文献:
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[20]丁镇生.传感器及传感技术应用[M].北京:电子工业出版社,2001
 
指导教师意见 电力参数的数据采集又是实现自动化的重要环节,如何快速准确地采集系统中各元件的电参数(电压、电流、功率、频率等)是实现电力系统自动化的一个重要因素。本项研究设计一个基于MSC-51单片机控制的交流电参数测量仪,此仪器可以测量交流电参数,例如电压和电流,频率,功率,功率因数等。课题适合于本科毕业设计研究课题,有助于电气类专业本科生综合运用并深化课堂所学知识,为毕业后进入工作岗位进行科研和工程应用打下基础。
张屹臣同学近一个月来,根据老师对课题的建议通过查阅大量中外文献资料,在充分考虑社会发展和行业需求及专业所学的基础上,经与老师共同探讨确定了这一毕业设计研究课题。
根据学生对开题报告的准备、整理的资料、课题的意义、实施方案、预计结果和进度安排,本人认为该毕业设计研究课题选题合理,研究意义和目标明确,难度合适,同意开题

                                             指导教师签名:             
                                                      
年   月    日
 
评议小组意见 1、论文选题:□有理论意义;□有工程背景;□有实用价值;□意义不大。
2、论文的难度:□偏高;□适当;□偏低。
3、论文的工作量:□偏大;□适当;□偏小。
4、设计或研究方案的可行性:□好;□较好;□一般;□不可行。
5、学生对文献资料及课题的了解程度:□好;□较好;□一般;□较差。
6、学生在论文选题报告中反映出的综合能力和表达能力:
□好;□较好;□一般;□较差。
7、学生在论文选题报告中反映出的创新能力:
□好;□较好;□一般;□较差。
8、对论文选题报告的总体评价:□好;□较好;□一般;□较差

(在相应的方块内作记号“√”)
二级学院所确定评议小组名单
(3-5人) 
组长:                     、

组员:             、             、              、            


      单位盖章                主管领导签名:        

 年   月   日
评议结论 

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