一種便攜式電力參數(shù)監(jiān)測(cè)儀

高云鵬1，滕召勝1，唐　求1，周毅波2


1．湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南　長(zhǎng)沙410082


2．廣西電力試驗(yàn)研究所，廣西　南寧530023


　　摘　要：介紹以PIC16F877微控制器為核心的便攜式電力參數(shù)監(jiān)測(cè)儀的硬件結(jié)構(gòu)、工作原理與軟件流程。
　　

　　關(guān)鍵詞：微控制器；電力參數(shù)；監(jiān)測(cè)



　　1　儀器的構(gòu)成與工作原理


　　1．1　儀器的構(gòu)成
　　

　　圖1為儀器的原理框圖。儀器由傳感器、低通濾波、采樣保持、信號(hào)調(diào)理（含整形電路）、鑒相電路、PIC16F877微控制器系統(tǒng)、LCD顯示以及操作鍵等部分組成。圖中，被測(cè)交流電壓、電流信號(hào)經(jīng)過(guò)傳感器隔離變換后，變成－5～＋5V的測(cè)量信號(hào)，經(jīng)低通濾波，濾除信號(hào)中的高頻干擾分量。根據(jù)同步采樣定理，PIC16F877微控制器產(chǎn)生同一采樣脈沖信號(hào)控制各采樣保持器，實(shí)現(xiàn)對(duì)多路信號(hào)的同步采樣，并將此采樣信號(hào)送PIC16F877內(nèi)部集成的10位A／D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過(guò)數(shù) 據(jù)分析處理，保存、打印和顯示測(cè)量結(jié)果。





　　

　　為增加信號(hào)過(guò)零點(diǎn)的變化率，提高電路的抗干擾能力，傳感器輸出的信號(hào)須經(jīng)調(diào)理電路進(jìn)行限幅放大、整形得到標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)。三路方波信號(hào)送PIC16F877微控制器，可實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)的周期測(cè)量。兩路方波信號(hào)經(jīng)過(guò)鑒相電路后，可得到與相位相關(guān)的脈沖信號(hào)，求出兩路信號(hào)的相位差值。


　　1．2　儀器的工作原理
　

　�。�1）電壓、電流測(cè)量
　

　　在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)電壓、電流連續(xù)采樣，對(duì)得到的N個(gè)采樣數(shù)據(jù)分別計(jì)算出電壓U、電流I的有效值：






　　式中，uk和ik分別為電壓和電流的第k次采樣值。
　　

　　（2）相位、功率測(cè)量
　　

　　相位的測(cè)量采用過(guò)零鑒相法，即對(duì)兩路同頻信號(hào)進(jìn)行限幅放大、整形，通過(guò)記錄同向過(guò)零點(diǎn)時(shí)間差內(nèi)的脈沖數(shù)，計(jì)算出兩路信號(hào)的相位差ø：






　　式中，T為被測(cè)信號(hào)的周期，Δt為兩路信號(hào)過(guò)零點(diǎn)時(shí)間差值，Ts為采樣周期，n為記錄的采樣脈沖數(shù)值。
　　

　　求得相電壓和電流的相位差ø，則功率因數(shù)為cosø。利用電壓和電流的有效值則可計(jì)算出有功功率P＝UIcosø，無(wú)功功率Q＝UIsinø和視在功率S＝UI。
　　

　�。�3）電壓偏差的測(cè)量
　　

　　電壓偏差eu為電網(wǎng)電壓相對(duì)于額定電壓的偏離程度。計(jì)算式為：





　　式中，U為被測(cè)電壓的實(shí)測(cè)值，UN為額定電壓值。
　　

　�。�4）頻率偏差的測(cè)量
　　

　　電網(wǎng)頻率的測(cè)量計(jì)算通常采用測(cè)量周期的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)硬件檢測(cè)輸入信號(hào)波形的過(guò)零點(diǎn)，采用倍頻計(jì)數(shù)的方法求出信號(hào)周期T。也可將交流采樣法得到的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，濾出其中的基波后，通過(guò)檢測(cè)波形過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻，求得相應(yīng)周期T，T的倒數(shù)即為電網(wǎng)的頻率。
　　

　　電網(wǎng)頻率的偏差ef為電網(wǎng)的實(shí)際頻率f相對(duì)于額定頻率fN（50Hz）的偏離程度，用下式表示：






　　2　信息處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　

　　圖2為信息處理系統(tǒng)的硬件電路圖。三相電壓UA、UB、UC，三相電流IA、IB、IC及中線電流IO共7路信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器MAX293濾除高頻干擾后，分別送入對(duì)應(yīng)的7片采樣保持器LF398。采樣保持器在PI－Cl6F877微控制器9腳REl產(chǎn)生的同步采樣信號(hào)控制下，完成7路信號(hào)同步采樣，將此7路被測(cè)信號(hào)分別接入2～5、7、8、10腳7個(gè)10位A／D端口引腳，進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理。微控制器的37～40腳為8位雙向I／O端口RB的4個(gè)引腳，輸入電平變化可引起系統(tǒng)的中斷；此4個(gè)引腳分別連接4個(gè)按鍵K1～K4。為簡(jiǎn)化鍵盤電路，可通過(guò)軟件管理將K1～K4定義為復(fù)用鍵，實(shí)現(xiàn)選項(xiàng)、測(cè)量、控制、數(shù)字輸入等多種功能。液晶顯示模塊MG－12232接口控制時(shí)序采用M6800操作時(shí)序，驅(qū)動(dòng)器引出的控制信號(hào)R／W、A0、E1和E2可由PIC16F877端口RB的33～36腳進(jìn)行控制；驅(qū)動(dòng)器DB0～DB7數(shù)據(jù)總線與端口RD的8個(gè)引腳相連。PIC16F877的25、26腳分別為全雙工異步通信的發(fā)送端和接收端，通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232可與PC機(jī)或其他智能設(shè)備的RS232串行口實(shí)現(xiàn)雙向通信。引腳6是定時(shí)器／計(jì)數(shù)器TMR0時(shí)鐘信號(hào)的輸入端，利用其計(jì)數(shù)功能，可記錄鑒相電路送出的相位差脈沖值，從而求得對(duì)應(yīng)相電壓與相電流的相位差。此外，將引腳17設(shè)置為捕捉器的輸入端，配合時(shí)鐘源定時(shí)器TMR1工作，測(cè)量輸入的周期方波信號(hào)，可求得被測(cè)信號(hào)的頻率值。
　　

　　為了保證測(cè)量精度，系統(tǒng)時(shí)鐘振蕩器引腳13、14接入12M高速晶體振蕩器X1，TMR1振蕩器的輸入和輸出端15、16腳接入8M晶體振蕩器X2。圖2中的T1、R1、R2和R3構(gòu)成快速?gòu)?fù)位電路。DC／DC變換器件MAX883可輸出高穩(wěn)定的5V直流電壓VDD，作為儀器信息處理單元的工作電源與A／D參考電壓。



　　3　軟件設(shè)件
　　

　　便攜式電力參數(shù)監(jiān)測(cè)儀的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，以主程序?yàn)楹诵�，設(shè)計(jì)了各功能模塊子程序（主要包括初始化子程序、操作鍵管理子程序、A／D轉(zhuǎn)換子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、通信和顯示子程序等）。
　　

　　儀器啟動(dòng)以后，先對(duì)INTCON、RA口、RB口、RC口、RE口和OPTION等特殊功能寄存器進(jìn)行系統(tǒng)初始化設(shè)置，并對(duì)部分RAM單元進(jìn)行清零操作。在微控制器檢測(cè)到保持電平后，對(duì)ADC控制寄存器ADCONl清零，低4位PCFG3～PCFG0設(shè)置為0，從而定義接入測(cè) 量信號(hào)的7個(gè)通道為模擬輸入端，參考電壓選擇為系統(tǒng)工作電壓VDD。再將控制寄存器ADCON0的控制位兼狀態(tài)位GO／DONE置1，啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換。被測(cè)信號(hào)經(jīng)數(shù)字化處理后，及時(shí)將數(shù)據(jù)保存在BANK0～BANK3通用寄存器中，并實(shí)時(shí)更新每次A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果。儀器可自動(dòng)將數(shù)據(jù)處理結(jié)果與系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)定值進(jìn)行比較，以檢查是否缺相。如果相差過(guò)大，則發(fā)出報(bào)警，提示檢查線路連接。LCD接口控制M6800操作時(shí)序可采用位操作指令來(lái)軟件模擬，并在通用寄存器內(nèi)開(kāi)辟一段顯示緩存區(qū)，通過(guò)調(diào)用顯示子程序，將緩存區(qū)中的內(nèi)容送LCD顯示。圖3為主程序流程圖。







　　

　　數(shù)據(jù)處理是儀器軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容，圖4為數(shù)據(jù)處理子程序流程圖。根據(jù)讀取的三相電壓、三相電 流瞬時(shí)值的A／D轉(zhuǎn)換量，計(jì)算出對(duì)應(yīng)電壓和電流的有 效值及電壓偏差等電力參數(shù)值。通過(guò)寫控制寄存器CCP1CON的CCP1M3和CCP1M2工作模式粗選位為01，將CCPl模塊設(shè)置為輸入捕捉工作模式，再根據(jù)16位寄存器CCPR1抓取的定時(shí)器TMR1的累加計(jì)數(shù)值，求得被測(cè)信號(hào)的周期值。設(shè)置TMR0為計(jì)數(shù)器工作模式，并將分頻比設(shè)定為1∶1，在高速晶振X1的配合下記錄TMR0的輸入脈沖數(shù)，即可得到相位差計(jì)數(shù)值。然后通過(guò)查表得出相應(yīng)的三相功率因數(shù)，進(jìn)一步求出三相有功功率和無(wú)功功率值，經(jīng)累加計(jì)數(shù)計(jì)算出三相 有功電量和無(wú)功電量。



　



　　參考文獻(xiàn)




　�。�1］Microchip．PIC16F87X DATASHEET［Z］．1999．


　　
摘自《儀表技術(shù)》