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在一个周期内对电压、电流连续采样
发布时间:2019-04-14 10:56

  摘要:介绍以PIC16F877微控制器为核心的便携式电力参数监测仪的硬件结构、工作原理与软件流程。

  图1为仪器的原理框图。仪器由传感器、低通滤波、采样保持、信号调理(含整形电路)、鉴相电路、PIC16F877微控制器系统、LCD显示以及操作键等部分组成。图中,被测交流电压、电流信号经过传感器隔离变换后,变成-5~+5V的测量信号,经低通滤波,滤除信号中的高频干扰分量。根据同步采样定理,PIC16F877微控制器产生同一采样脉冲信号控制各采样保持器,实现对多路信号的同步采样,并将此采样信号送PIC16F877内部集成的10位A/D转换器,经过数 据分析处理,保存、打印和显示测量结果。

  为增加信号过零点的变化率,提高电路的抗干扰能力,传感器输出的信号须经调理电路进行限幅放大、整形得到标准的方波信号。三路方波信号送PIC16F877微控制器,可实现被测信号的周期测量。两路方波信号经过鉴相电路后,可得到与相位相关的脉冲信号,求出两路信号的相位差值。

  在一个周期内对电压、电流连续采样,对得到的N个采样数据分别计算出电压U、电流I的有效值:

  相位的测量采用过零鉴相法,即对两路同频信号进行限幅放大、整形,通过记录同向过零点时间差内的脉冲数,计算出两路信号的相位差:

  式中,T为被测信号的周期,Δt为两路信号过零点时间差值,Ts为采样周期,n为记录的采样脉冲数值。

  求得相电压和电流的相位差,则功率因数为cos。利用电压和电流的有效值则可计算出有功功率P=UIcos,无功功率Q=UIsin和视在功率S=UI。

  电网频率的测量计算通常采用测量周期的方法来实现。通过硬件检测输入信号波形的过零点,采用倍频计数的方法求出信号周期T。也可将交流采样法得到的采样数据进行数字滤波,滤出其中的基波后,通过检测波形过零点的时刻,求得相应周期T,T的倒数即为电网的频率。

  电网频率的偏差ef为电网的实际频率f相对于额定频率fN(50Hz)的偏离程度,用下式表示:

  图2为信息处理系统的硬件电路图。三相电压UA、UB、UC,三相电流IA、IB、IC及中线路信号经过低通滤波器MAX293滤除高频干扰后,分别送入对应的7片采样保持器LF398。采样保持器在PI-Cl6F877微控制器9脚REl产生的同步采样信号控制下,完成7路信号同步采样,将此7路被测信号分别接入2~5、7、8、10脚7个10位A/D端口引脚,进行相应的信号转换和数据处理。微控制器的37~40脚为8位双向I/O端口RB的4个引脚,输入电平变化可引起系统的中断;此4个引脚分别连接4个按键K1~K4。为简化键盘电路,可通过软件管理将K1~K4定义为复用键,实现选项、测量、控制、数字输入等多种功能。液晶显示模块MG-12232接口控制时序采用M6800操作时序,驱动器引出的控制信号R/W、A0、E1和E2可由PIC16F877端口RB的33~36脚进行控制;驱动器DB0~DB7数据总线脚分别为全双工异步通信的发送端和接收端,通过电平转换芯片MAX232可与PC机或其他智能设备的RS232串行口实现双向通信。引脚6是定时器/计数器TMR0时钟信号的输入端,利用其计数功能,可记录鉴相电路送出的相位差脉冲值,从而求得对应相电压与相电流的相位差。此外,将引脚17设置为捕捉器的输入端,配合时钟源定时器TMR1工作,测量输入的周期方波信号,可求得被测信号的频率值。

  为了保证测量精度,系统时钟振荡器引脚13、14接入12M高速晶体振荡器X1,TMR1振荡器的输入和输出端15、16脚接入8M晶体振荡器X2。图2中的T1、R1、R2和R3构成快速复位电路。DC/DC变换器件MAX883可输出高稳定的5V直流电压VDD,作为仪器信息处理单元的工作电源与A/D参考电压。

  便携式电力参数监测仪的软件采用模块化设计思想,以主程序为核心,设计了各功能模块子程序(主要包括初始化子程序、操作键管理子程序、A/D转换子程序、数据处理子程序、通信和显示子程序等)。

  仪器启动以后,先对INTCON、RA口、RB口、RC口、RE口和OPTION等特殊功能寄存器进行系统初始化设置,并对部分RAM单元进行清零操作。在微控制器检测到保持电平后,对ADC控制寄存器ADCONl清零,低4位PCFG3~PCFG0设置为0,从而定义接入测 量信号的7个通道为模拟输入端,参考电压选择为系统工作电压VDD。再将控制寄存器ADCON0的控制位兼状态位GO/DONE置1,启动A/D转换。被测信号经数字化处理后,及时将数据保存在BANK0~BANK3通用寄存器中,并实时更新每次A/D转换结果。仪器可自动将数据处理结果与系统内部设定值进行比较,以检查是否缺相。如果相差过大,则发出报警,提示检查线路连接。LCD接口控制M6800操作时序可采用位操作指令来软件模拟,并在通用寄存器内开辟一段显示缓存区,通过调用显示子程序,将缓存区中的内容送LCD显示。图3为主程序流程图。

  数据处理是仪器软件设计的关键内容,图4为数据处理子程序流程图。根据读取的三相电压、三相电 流瞬时值的A/D转换量,计算出对应电压和电流的有 效值及电压偏差等电力参数值。通过写控制寄存器CCP1CON的CCP1M3和CCP1M2工作模式粗选位为01,将CCPl模块设置为输入捕捉工作模式,再根据16位寄存器CCPR1抓取的定时器TMR1的累加计数值,求得被测信号的周期值。设置TMR0为计数器工作模式,并将分频比设定为1∶1,在高速晶振X1的配合下记录TMR0的输入脉冲数,即可得到相位差计数值。然后通过查表得出相应的三相功率因数,进一步求出三相有功功率和无功功率值,经累加计数计算出三相 有功电量和无功电量。

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