electrical parameter measurement
DESCRIPTION
An instrument measuring electrical parameterTRANSCRIPT
1
基于 8051 单片机的电力参数测量仪
2
报告内容
研究目的与意义1
研究内容2
研究成果3
结论4
3
1 研究目的与意义 许多电力设备在运行过程中,需要对其进行实时在线
测量,随时了解其各种电量参数。所以电力系统以及电力用户都迫切需要一种安全可靠、实时快速的交流电量综合检测仪器,有效地对电量参数进行测试。
该仪器以 C8051F060 单片机作为核心控制器件,可对三相 ( 三线、四线 ) 交流电路中的电参数进行实时、在线检测和通信,可用来测量电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率、有功电能、无功电能、视在电能、以及频率和功率因数等电力参数。
4
2 研究内容
2.1 硬件电路的设计调试 2.2 软件程序的编写 2.3 仪器数据测试
5
2.1 硬件电路
系统原理框图
三相电压电流信号
模拟开关互感器 信号调理
DC/DC
LCD
键盘
RS485串口
单片机A/D
7
三相电的电压和电流(三相电压、三相电流加中线电流) 7 路信号经互感器转换后再经过信号调理电路,平移、放大。由单片机控制模拟多路开关 CD4051 选择其中某路输入单片机。单片机选用 C8051F060 为核心器件,使用它内部的 16位 ADC 实现 A/D数据转换。 6 个按键及液晶显示器,实现数据显示; RS458 接口与上位机通信。
6
2.1.1 单片机周边电路
C8051F060 供电电压: 2.7 ~ 3.6V 高速、流水线结构的 8051 兼容的
CIP-51 内核 59 个通用 I/O 引脚 时钟源使用外部晶振,频率为
22.1184MHz ,晶体接在 XTAL1和 XTAL2 脚之间。
三个模拟比较器 两个 16 位 ADC 5 个通用的 16 位定时器 片内看门狗定时器 两个 UART 串行接口 片内 JTAG 调试
电压检测复位
外部晶振
7
2.1.2 DC/DC 稳压电路
1IN3 OUT 2
OUT4
ADJ
U8
LM317MBSTT3100nFC26
10uFC27
L1
47uFC23
0.1uFC24
0.1uFC25
VDD
L2
47uFC28
0.1uFC29
0.1uFC30
AVDD
L3
47uFC31
0.1uFC32
0.1uFC33
AV+
L4
47uFC34
0.1uFC35
0.1uFC36
3.3V
+5V
3.3V电源产生电路
本电路板使用 ±5V 电源供电,通过 LM317M 线性稳压芯片输出稳定的3.3V 电压供给单片机 、 LCD
8
2.1.3 信号调理电路
IN1
GN
D3
OUT2
U14REF03
10μF
C40Cap Pol3
0.1μF
C9Cap Semi
+5V
PT1V1
27
R25
Res2
1OUT1
1IN-2
1IN+3
VCC+4
2IN+5
2IN-6
2OUT7
3OUT8
3IN-9
3IN+10
VCC-11
4IN+12
4IN-13
4OUT14
U10
LT1014
1KR17
2KR151K
R10
Res2
1K
R7
Res2
1KR21
Res2
2K
R26 Res2
1K
R28
Res2
1K
R11
Res2
1K
R18
Res2
1K
R22
Res2
1K
R29
Res2
1K
R32
Res2
PT3V2
IN1
GN
D3
OUT2
U16REF03
10μF
C42Cap Pol3
0.1μF
C15Cap Semi
+5V
1OUT1
1IN-2
1IN+3
VCC+4
2IN+5
2IN-6
2OUT7
3OUT8
3IN-9
3IN+10
VCC-11
4IN+12
4IN-13
4OUT14
U12
LT1014
1KR42
2KR401K
R36
Res2
1K
R34
Res2
1KR48
Res2
2K
R50 Res2
1K
R51
Res2
1K
R37
Res2
1K
R43
Res2
1K
R49
Res2
1K
R52
Res2
1K
R54
Res2
IN1
GN
D3
OUT2
U15REF03
10μF
C41Cap Pol3
0.1μF
C10Cap Semi
+5V
PT2V3
1OUT1
1IN-2
1IN+3
VCC+4
2IN+5
2IN-6
2OUT7
3OUT8
3IN-9
3IN+10
VCC-11
4IN+12
4IN-13
4OUT14
U11
LT1014
1KR19
2KR161K
R12
Res2
1K
R8
Res2
1KR23
Res2
2K
R27 Res2
1K
R30
Res2
1K
R13
Res2
1K
R20
Res2
1K
R24
Res2
1K
R31
Res2
1K
R33
Res2
PT4VN
IN1
GN
D3
OUT2
U17REF03
10μF
C43Cap Pol3
0.1μF
C16Cap Semi
+5V
1OUT1
1IN-2
1IN+3
VCC+4
2IN+5
2IN-6
2OUT7
3OUT8
3IN-9
3IN+10
VCC-11
4IN+12
4IN-13
4OUT14
U13
LT1014
1KR44
2KR411K
R38
Res2
1K
R35
Res2
1K
R39
Res2
1K
R45
Res2
+5V-5v
CT2
200
R47Res2
I11
I12
0.1μFC22
CT1
CT3
200
R46Res2
200
R53Res2
I21
I22
I31
I32
OUT0
OUT1
OUT4
OUT5
OUT2
OUT3
OUT6
七路信号调理电路
互感器,得到 -0.5V~0.5V 正弦信号
REF03输出 2.5V直流电
压作为运放负向输入
运放与电阻组成运算电路
9
2.1.3 信号调理电路
VOUT1 1
-2
+3
U1A
LT1014 +5
-6
VOUT2 7
U1B
LT1014
1K
R4
1K
R1
2K
R3
1K
R5
1K
R6
1K
R2
Input
Ref 2.5V
Output
运算电路
计算公式为:
最终输出 0.5V~2V 正弦信号
)35.2(2
1iO VV
10
2.1.4 模拟多路开关电路
单片机控制端
5V 1
DIR 2
GND 11
GND 12GND13 B714 B615 B516 B417 B318 B219 B120 B021 /OE22 3.3V23 3.3V24
A0 3
A1 4
A2 5
A3 6
A4 7
A5 8
A6 9
A7 10
U9
74LVC4245
AVDD +5V
Mul_AMul_BMul_C
ABC
EN
X62
X41 X 3
X74
VCC 16
X55
EN6
X013
VEE 7GND8
X312
C9 B10 A11
X215 X114
U7
CD4051BC
+5VMul_ENMul_AMul_BMul_C
OUT0OUT1OUT2OUT3OUT4OUT5OUT6
AIN
Mul_EN5V
1
DIR2
GND11
GND12
GND13
B714
B615
B516
B417
B318
B219
B120
B021
/OE22
3.3V23
3.3V24
A03
A14
A25
A36
A47
A58
A69
A710
U9
74LVC4245
AVDD +5V
Mul_AMul_BMul_C
ABC
EN
X62
X41
X3
X74
VCC16
X55
EN6
X013
VEE7
GND8
X312
C9
B10
A11
X215
X114
U7
CD4051BC
+5VMul_ENMul_AMul_BMul_C
OUT0OUT1OUT2OUT3OUT4OUT5OUT6
AIN
Mul_EN
调理后7路信号
单片机
模拟多路开关 CD4051 ,是单 8 通道数字控制模拟开关,有三个二进制控制输入端 A、 B、 C 和 EN 片选输入 电平转换芯片 74LVC4245 , 兼容 CD4051 和单片机的电平
11
2.1.5 按键和 LCD 显示器电路
DAC11
VREF22
VREFD3
VREF4
VBGAP15
VREF16
VRGND17
AIN1G8
AIN19
AGND10
AV+11
CNVSTR112
AVDD13
AGND14
CNVSTR015
AV+16
AGND17
AIN018
AIN0G19
VRGND020
VREF021
VBGAP022
AGND23
AV+24
DAC025
XT
AL
126
XT
AL
227
MO
NE
N28
P1.
7/A
IN2.
729
P1.
6/A
IN2.
630
P1.
5/A
IN2.
531
P1.
4/A
IN2.
432
P1.
3/A
IN2.
333
P1.
2/A
IN2.
234
P1.
1/A
IN2.
135
P1.
0/A
IN2.
036
VD
D37
DG
ND
38
P2.
739
P2.
640
P2.
541
P2.
442
P2.
343
P2.
244
P2.
145
P2.
046
P3.
747
P3.
648
P3.
549
P3.
450
P3.351
P3.252
P3.153
P3.054
P0.7/WR55
P0.6/RD56
P0.5/ALE57
P0.458
P0.359
P0.260
P0.161
P0.062
DGND63
VDD64
P7.7/AD7m/D765
P7.6/AD6m/D666
P7.5/AD5m/D567
P7.4/AD4m/D468
P7.3/AD3m/D369
P7.2/AD2m/D270
P7.1/AD1m/D171
P7.0/AD0m/D072
P6.7/A15m/A773
P6.6/A14m/A674
P6.5/A13m/A575
P6.
4/A
12m
/A4
76
P6.
3/A
11m
/A3
77
P6.
2/A
10m
/A2
78
P6.
1/A
9m/A
179
P6.
0/A
8m/A
080
P5.
7/A
1581
P5.
6/A
1482
P5.
5/A
1383
P5.
4/A
112
84
P5.
3/A
1185
P5.
2/A
1086
P5.
1/A
987
P5.
0/A
888
DG
ND
89
VD
D90
P4.
7/W
R91
P4.
6/R
D92
P4.
5/A
LE
93
CA
NT
X94
CA
NR
X95
TM
S96
TC
K97
TD
I98
TD
O99
RS
T10
0
U18
2G
ND
3OUT
1V
cc
U37027A
3.3v
1K
R55Res3
0.1μF
C7Cap Semi
C20.1uF
AV+
AVDD
C40.1uF
AV+
C50.1uF
AV+
0.1μFC21
+ C3747uf
0.1μFC20
Y1
22.1184MHz
C39
33pF
C38
33pF
VDD EN
A B C WR
RD
CS
2
C60.1uF
VDD
+5V
300
R9
Res2
100
R14Res2
S1
SW-PB
S2
SW-PB
S3
SW-PB
S4
SW-PB
S5
SW-PB
S6
SW-PB
4.7K
R56
Res3
4.7K
R57
Res3
4.7K
R58
Res3
4.7K
R59
Res3
4.7K
R60
Res3
4.7K
R61
Res3
0.1μF
C8
Cap Semi
0.1μF
C11
Cap Semi
0.1μF
C12
Cap Semi
0.1μF
C13
Cap Semi
0.1μF
C14
Cap Semi
0.1μF
C17
Cap Semi
3.3V
C3
0.1uF
VDD
DB
7
DB
6
DB
5
DB
4
DB3
DB2
DB1
DB0
RES
A0
C10.1uF
VDD
AIN
AIN
TXD
RXD
AL
E
TD
O
TD
I
TC
K
TM
S
设计有 6 个按键。由于键少, IO 口资源多,就直接与单片机 IO 口连接。
按键与 IO 口连接时接一个 4.7K 的电阻,当有键按下时, IO 口为低电平
12
2.1.5 按键和 LCD 显示器电路
显示器采用带有液晶显示控制器 SED1335的液晶模块 LCM3202401
1234567891011121314151617181920
JP4
LCD
10K
R63RPot
10K
R64RPot
DB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7
WRRDCS2A0RES
3.3V3.3V
LCD 接口电路图
LCD 的引脚定义
13
2.1.6 串口通信电路
470
R1
Res2
4.7K
R2Res2
+5V
3.3V
+5V
RXD
RO1 Vcc 8
RE2
B7
DE3
A6
DI4
GND5
U4
MAX485
+5V1 42 3
U5
TLP521
4.7K
R3
Res2
1KR4
Res2+5V
+5V
ALE
4.7K
R6Res2
470
R5Res2
+5V
+5V
TXD
FUSE1
JK250
FUSE2
JK250
D3TVS
SHLD
D2
TVS
D1
TVS
1
2
3
4
5
6
7
8
9
11
10
JP1
DB9
NC1ANODE2
CATHODE 3NC
4GND
5
VO6
VE7
VCC8
U1
6N137
NC1
ANODE2
CATHODE3
NC4
GND5VO6
VE7VCC8
U2
6N137
光耦隔离
14
2.1.7 电路板实物图
电压互感器
按键
电流互感器 LT1014 REF03 CD405174LVC4245
LM317
RS485
光耦 单片机
15
2.2 软件
系统初始化 频率测量模块 A/D 转换模块 数据处理模块 显示及通信模块
16
2.2.1 系统初始化
void config (void) 配置看门狗、交叉开关、端口
void SYSCLK_Init (void) 系统时钟 void T1_ini(void) void T2_Init(void) void T3_Init (void) void T4_Init(void) void comp0_Init(void) 比较器 0 void ADC0_Init(void) A/D void dataprocess(void) 数据处理 Unsigned char scankey(void) 按键扫描 void LCD_Init(void) LCD 设置 void uart0_ini(void) 串口设置
定时器
17
2.2.2 频率测量模块
正弦信号比较器
CP0方波 T4计数
T4计数,T2定时
T2停止,时间time
频率:f=frenum/time
T4溢出,计数frenum
Y
N
程序流程图
18
2.2.3 A/D 转换模块
采样数加1
T3装载定时值
启动AD转换
将数据Um、Im存入RAM
转换结束
转换下一通道
7路通道转换结束
采样数达到?
计算U、I、P等
N
Y
N
Y
N
循环交替选取通道channel0~channel6
确定 A/D 转换器的采样时间间隔 ,T3 实现。
定时器 3 溢出产生中断,进入中断程序后,起动A/D 转换器。
全部采样完成后进行数据处理
数据测量部分的流程图
19
2.2.4 数据处理模块
电压、电流有效值:
其中, N 为采样点数, 为第 m 个采样点的瞬时值。
电压、电流相位差:基于谐波分析
为第 i 相信号的电压,最高次谐波次数为 L
其中, 为 k 次谐波最大值, 为 k 次谐波的初相位。
N
mmxN
X1
21
2mx
)(tU i
)sin()sincos()(1
ikik
L
kikiki tkAtkbtkatU
ikA ik
20
2.2.4 数据处理模块 第 1 相基波相位差:
功率因数: 有功功率: 视在功率: 无功功率:
cos
P VT
S VI2 2Q S P
1
11 11
2( )cos 2
N
n
na u n
N N
1
11 11
2( )sin 2
N
n
nb u n
N N
11
1111 arctan
b
a
T
24111 电压超前电流的相位
τ 为相邻二通道开始测量时刻的时间差,
一个基波周期采样 N 次。
21
2.2.5 显示及通信模块
LCD显示
有按键操作?
键值处理
Y
N
中断返回
UART0中断标志为1?
送数据到SBUF0
Y
N
串口中断入口
按键、显示流程图 串口通信流程图
22
2.3 仪器数据测试通道 频率( Hz ) Uo( V)
理论值 实测值 误差 理论值 实测值 误差
0 50 49.94 0.12% 1.38 1.379 0.07%
1 50 50.01 0.02% 1.38 1.378 0.14%
2 50 50.03 0.06% 1.38 1.381 0.07%
3 0 0 1.38 1.38 0.00%
4 50 50.01 0.02% 1.38 1.381 0.07%
5 50 49.9 0.02% 1.38 1.382 0.14%
6 50 49.9 0.02% 1.38 1.381 0.07%
23
电压与电流之间的相位差( rad)
视在功率( W) 有功功率( W)
理论值 实测值 理论值 实测值 误差 理论值 实测值 误差
A相 0 0.001 1.9044 1.895 0.49% 1.9044 1.895 0.49%
B相 0 0.001 1.9044 1.902 0.12% 1.9044 1.902 0.12%
C相 0 0.001 1.9044 1.897 0.39% 1.9044 1.897 0.39%
2.3 仪器数据测试
24
3 研究成果
完成了电力参数测量仪器的软、硬件设计,能够实现对外界三相模拟信号电压、电流的测量。
测试了性能指标,仪器主要技术指标如下:( 1 )电压测量范围:三相电压 0~ 220V ;( 2 )电流测量范围: 0~ 5A ;( 3 )频率测量范围: 45~ 60HZ ;( 4 )电压 / 电流准确度等级:高于 0.2级;( 5 )其它电量准确度等级:高于 0.5级。
25
4 结论
本文介绍的设计方案由于采用了 C8051F060 单片机,其丰富的片上功能模块使得外围电路大大简化,从而降低了成本,提高了运行可靠性。
展望:( 1 )如果将该系统进一步提高为可测量各次谐波
就使得该系统功能更加完善。( 2 )增加片外时钟芯片,这样可记录仪表采集的
各种事件的准确时间。
26