1、基于單片機的三相交流電能測量系統(tǒng)設(shè)計姓名：張貽旭專業(yè)：電氣工程學(xué)號：201030210748摘要：本文介紹了用8098單片機測量三相交流電能的設(shè)計思想和實現(xiàn)方法，詳細描述了系統(tǒng)的 硬件電路和軟件設(shè)計，闡述了 “硬件軟件化”的設(shè)計方法，并簡要說明了提高系統(tǒng)可靠性的一 些措施。關(guān)鍵詞：單片機；電能測量；有功電能；無功電能1、引言電能表是使用量最大的電工儀表，從產(chǎn)生到現(xiàn)在它已經(jīng)歷了一百多年的歷史。隨著科學(xué)技 術(shù)的不斷發(fā)展和人們對用電管理要求的日益提高，電能表在原理、結(jié)構(gòu)和功能上都發(fā)生了重大 變化。傳統(tǒng)的感應(yīng)式電能表正逐步被新型電能表所取代。為了滿足人們對用電計量和用電管理 的要求，我們采用8098單

2、片機作主芯片，設(shè)計出一種新型的電能表一一全電子式電能表（以下簡 稱為電能表）。這種電能表取消了傳統(tǒng)感應(yīng)式電能表的儀表轉(zhuǎn)子，采用現(xiàn)代單片機軟硬件技術(shù)， 成為一種智能化的儀表。它不儀具有電能計量功能，而且將用電計量、用電管理、監(jiān)控等功能 集于一身，共有十幾種功能。它能計量每月的總有功電能、總感性無功電能、容牲無功電能和 平均功率因數(shù)；能計量每日每個時段的有功電能、感性無功電能、容性無功電能和平均功率因 數(shù)；能計量一段時間內(nèi)的最大需量和最大需量出現(xiàn)的時間；能計量超過功率定值的電能和超過 功率定值延續(xù)的時間；具有年、月、日、時、分、秒六種計時功能；分時段計算電費；能用液 晶顯示器滾動顯示各種電量；具有

3、輸出打印功能；具有掉電保護和死機自動恢復(fù)功能等。這些 功能既體現(xiàn)了電能的商業(yè)價值，又體現(xiàn)了現(xiàn)代管理的要求。因此，這種智能化的電能表是九十 年代電力計量系統(tǒng)中新一代高科技產(chǎn)品。2、三相交流功率和電能測量原理要測量三相交流電能，首先需要測出三相交流功率，然后將交流功率對時間積分，便得到 某一段時間內(nèi)的三相交流電能。2.1三相有功功率和有功電能的測量在三相三線制電路中，用傳統(tǒng)感應(yīng)式功率表測量三相交流總有功功率，不論電源和負載是 否對稱，一般都采用兩瓦特表法測量三相總有功功率。設(shè)B相為公共相，七表示A、B相間的線電壓，uCB表示C、B相間的線電壓，七表示A相 負載的相電流，L表示C相負載的相電流，三相

4、交流總有功功率瞬時值為P = u i + u iK ABK AK CBK CK上式中的uAB、yUCBK、iCK分別表示線電壓UAB、相電流iA、線電壓UCB、相電 流iC的第K個采樣點瞬時值。在本系統(tǒng)中，不是采用感應(yīng)式原理測量總功率，而是采用四路A/D 轉(zhuǎn)換器，分別對uAB、iA、Ucb、iC采樣，將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后用軟件按上式計算就能 得到一時刻的總瞬時有功功率P。假設(shè)在一個周期內(nèi)分別對UAB、iA、uCB、iC四個交流電量 均勻采樣n個點（n為偶數(shù)），那么在一個周期內(nèi)的三相交流平均有功功率為* C（1）P = Z1 u i + u in abk AK CBK CKK=0將平均有功功

5、率對時間積分就得到時間t內(nèi)的有功電能。即A = dt0通過對我國電力電網(wǎng)諧波成分的分析后知道，8次以上諧波電壓、電流所占比例很小。根 據(jù)采樣定理，只要對電網(wǎng)電壓、電流信號的每個周波均勻采樣 16個點以上便能滿足測量要求。 為了提高測量精度和滿足含諧波分量較高的特殊電網(wǎng)的要求，將每個周波的采樣點數(shù)確定為48 個。2.2三相交流無功功率和無功電能的測量在三相三線制電路中，測量三相交流總無功功率，常用兩表跨相90。法。用 %表示A、B相間線電壓的瞬時值，用七薯表示B、C相間線電壓的瞬時值，用i、 分別表示翁相負載、C相負載相電流的瞬時值，那么在某一時刻三相交流電路的總無功功率瞬時 值為Q = u i

6、 + u iK ABK CK BCK AK根據(jù)基爾霍夫第二定律，有UBC = uB uC =-(uC uB) = -Ucb，假設(shè)對這四個交流電量的每 個周波仍均勻采樣n個點，那么在一個周期內(nèi)的三相交流平均無功功率為Q = 1 u i + (-u i )(2)n abk ck cbk akK=0將(1)式與(2)式比較，可以看出，計算有功功率和無功功率都用到了曲、iA、ucb、七這 四個交流電量，不同的是，在計算無功功率時，需要將線電壓uCB倒相。把電能表接入電網(wǎng)在 線運行時，改動接線是不可能的。為了做到在硬件接線不動的情況下，既能測有功功率和有功 電能，又能測無功功率和無功電能，只能用軟件來解

7、決。這里用數(shù)據(jù)移位法把A/D轉(zhuǎn)換器采集 的ucB數(shù)字信號向前移半個周期，就實現(xiàn)了uCB的倒相。因此，(2)式可改為Q =笑 u i + (ui )(3)n K =0CB 2 - *將Q對時間積分便得到某段時間內(nèi)的無功電能，即N = j Qdt0為了滿足數(shù)據(jù)移位半個周期的要求，需要將線電壓爵采集一個半周期，即采樣72個點(每 個周期采48個點)。這樣處理后，計算有功功率和計算無贏率可共用一個功率計算子程序。當 計算有功功率時，直接調(diào)用功率計算子程序按(1)式計算；當計算無功功率時，先將一個半周期 的線電壓u采樣隊列向前移半個周期，然后調(diào)用功率計算子程序接(3)式計算。這樣既簡化了CB程序設(shè)計，又

8、達到了一表多用的目的。這種用軟件解決硬件難以解決或無法解決的問題的方法， 叫硬件軟化，是智能儀表設(shè)計中一種常用的方法。3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3.1主芯片系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。本系統(tǒng)的主芯片采用性能價格比較高的準16位單片機8098。它內(nèi)部含有一個17位的算術(shù)邏輯單元和相配合的256字節(jié)片內(nèi)寄存器組，含有可編程的高速 輸入單元HSI、可編程的高速輸出單元HSO、四路人/D轉(zhuǎn)換器、全雙工串行口等。其內(nèi)部數(shù)據(jù)總 線為l6位，外部數(shù)據(jù)總線為8位。它既有16位單片機強有力的運算功能，又有8位單片機接口簡 單的優(yōu)點，非常適合于智能檢測和智能控制。3.2內(nèi)存儲器8098單片機片內(nèi)不含程序存儲器，我們在片外擴展

9、了一片EPROM27C128作程序存儲器，用 它存放全部的計算程序和控制程序。系統(tǒng)要求輸入的參數(shù)和計算的結(jié)果在斷電時能長期保存， 為此，選用E2PROM2864作數(shù)據(jù)存儲器。E2PROM2864綜合了EPROM和靜態(tài)RAM的優(yōu) 點。它既能按字節(jié)在線進行電改寫，快速讀出，又能在斷電情況下長期保存信息。3.3 A/D轉(zhuǎn)換部分本系統(tǒng)有四個模擬輸入信號：兩個線電壓和兩個相電流。線電壓AB、uB經(jīng)電壓互感器 分壓變成05V交流電壓，相電流iA和七經(jīng)電流互感器分流和電流電壓轉(zhuǎn)換也變成05V交流并行接口電壓。四個交流電壓分別輸入到四個運算放大器的輸入端。運算放大器在輸入端偏置電壓的作 用下，將05V交流電壓

10、向上平移一個振幅值，使其變成)5V的脈動直流電壓。由于系統(tǒng)要求 對四個電量同時采樣，而8098單片機片內(nèi)只有一個采樣保持器，所以外接了四個采樣保持器。 采樣保持器在從8098高速輸出端HSO. 1定時輸出的單脈沖控制下，實現(xiàn)對四個電量同時采樣和 保持。在軟件控制下，8098單片機片內(nèi)的四選一模擬多路開關(guān)把采樣保持器在某一時刻保持的 四個模擬電量瞬時值，依次送入片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并有規(guī)則地存放在 內(nèi)存RAM中。對四個模擬電量循環(huán)均勻采樣，就在RAM中得到四個采樣隊列。1C】AUABUCB CB8098 TOC o 1-5 h z ACH4RXDach4A0ACH4A15AC

11、H4ADoHSO.1 AD7HSO.0時鐘圖1系統(tǒng)硬件框圖3.4時鐘無論是電能計量，還是用電管理，都需要一個精確的實時時鐘。本系統(tǒng)采用日歷時鐘 MSM5832作實時時鐘。此芯片具有秒、分、時、日、星期、月、年七種計時功能，能自動判斷 閏年，并且其功耗很低。MSM5832通過并行接口與8098連接，在軟件配合下，用紅外遙控器可 向MSM5832設(shè)置時鐘參數(shù)，也可以從它讀取時間。為了使MSM5832在斷電情況下也能正常工 作，在它的電源引腳接有標稱值為3.6 V的鎳鎘電池作后備電源。當市電正常時，+5V電源通過 二極管供電，并能通過電阻R對鎳鎘電池充電。當市電掉電時，鎳鎘電池通過電阻R對MSM58

12、32 供電，維持日歷時鐘連續(xù)工作。3.6V鎳鎘電池可維持MSM5832工作一年以上。3.5輸人設(shè)備本系統(tǒng)的輸入設(shè)備是紅外遙控鍵盤。操作員使用紅外遙控鍵盤可向電能表輸入?yún)?shù)，也可 檢查電能表的數(shù)據(jù)。紅外遙控鍵盤中有一個紅外發(fā)射器，它發(fā)出的紅外編碼信號，首先通過紅 色濾光片濾光，由紅外接收管接收，將其轉(zhuǎn)換成電信號，然后經(jīng)遙控預(yù)放集成電路CX20106A 前置放大、限幅、帶通濾波、檢波、整形后輸出脈沖序列。為了提高輸入通道的信噪比，解調(diào) 后的脈沖序列經(jīng)過一個光電耦合器4N25后輸入至8098的高速輸入端HSI. 00紅外遙控鍵盤的鍵 碼是以脈沖位置調(diào)制(PPM)方式輸出的。這種方式就是用兩個相鄰脈沖

13、之間的不同時間間隔來 表示二進制信息的“0”和“ 1”。單片機8098的高速輸入單元在軟件的配合下，測出兩個相鄰 脈沖的時間間隔，即可判斷出這一位信息是“0”還是“1”。測出一串脈沖所表示的二進制信 息，就得到所按鍵的鍵值。用查表方法將實際測得的鍵值與EPROM中的標準代碼進行比較， 便能確定是數(shù)字鍵還是功能鍵，然后進行相應(yīng)的處理。3.6輸出設(shè)備電能表的輸出設(shè)備是液晶顯示器LCD。本系統(tǒng)采用8位LCD顯示器，用它滾動顯示當月的有功電能、感性無功電能、容性無功電能和平均功率因數(shù)。用紅外遙控鍵盤操作還可顯示實時時 間、每個時段的有功電能、無功電能、平均功率因數(shù)和其它參數(shù)。當顯示的電能超過位時，能

14、自動報警，并能記錄超限的時刻和超出的電能。為了充分利用8098的硬件資源，LCD顯示器與 8098的連接沒有采用擴展并行口，而是通過驅(qū)動器與8098的串行口相連。8098的串行口工作于 方式0輸出狀態(tài)，用RXD端串行發(fā)送要顯示的數(shù)據(jù)，用TXD端輸出移位脈沖，在移位脈沖串的 作用下，移位寄存器將串行數(shù)據(jù)變成8位并行數(shù)據(jù)，送至緩沖器驅(qū)動LCD顯示。4、軟件設(shè)計軟件采用模塊化程序設(shè)計。這樣既便于調(diào)試，叉利于擴充。程序用PLM語言和8098匯編語 言混合編寫，外設(shè)驅(qū)動程序和A/D轉(zhuǎn)換程序采用匯編語言編寫，各種計算程序用PLM語言編 寫 全部軟件的目標程序固化在一片EPROM27C128中。圖2是主程序

15、框圖。圖2主程序框圖主程序當電能表接通電源時，首先對系統(tǒng)初始化，包括對接口設(shè)置命令字，將內(nèi)存有關(guān)單元清零， 給日歷時鐘設(shè)置時鐘參數(shù)等。接著對四個模擬電量進行采樣。采集的信號中可能混有干擾信號， 為了提高有用信號的真實性，對采集的信號進行數(shù)字濾波。這里采用程序限幅濾波。所謂程序 限幅濾波就是把兩次相鄰的采樣值相減，求出其增量（用絕對值表示），然后與兩次采樣允許的 最大差值y進行比較，如果小于或等于 y則取本次采樣值；如果大于 y，則仍取上次采樣值 作為本次采樣值。這種方法對濾去脈沖干擾非常有效。關(guān)鍵是選擇y的值，選擇太大，則容 易串入干擾信號；選擇太小，可能會濾去有用信號，不能完全跟蹤參數(shù)的變化

16、。y的大小由實 驗方法求得。采集來的信號經(jīng)過數(shù)字濾波后進行標度變換，把數(shù)字量變換成對應(yīng)的物理量。對于電壓， 疑需乘一個電壓變換系數(shù)就可以了。對于電流，當電流大于某個值七時，也只需要乘一個電流 變換系數(shù)；當電流小于某個值I時，由于電流互感器存在非線性，因此需要進行非線性校正。n校正的方法是用多項式進行擬合。數(shù)據(jù)經(jīng)過以上處理后，調(diào)用功率計算子程序按（1）式計算，得 到一個周期內(nèi)的三相交流平均有功功率。接著將線電壓UB的采樣隊列向前移半個周期，再次 調(diào)用功率計算子程序按（3）式計算就得到一個周期內(nèi)的三相交流平均無功功率。有功功率乘以時 間At就得到這段時間的有功電能；無功功率乘上時間At就得到無功電

17、能。 t是本次計算電能與 上次計算電能之間的時間間隔。因此，每次計算電能時都要讀日歷時鐘，計算出At。將每次計 算得到的電能逐次累加，就得到當月的總有功電能和總無功電能。然后根據(jù)下式就可以計算出 當月的平均功率因數(shù)：Acos中=,v A 2 + N 2上式中的A表示當月的總有功電能，N表示當月的總無功電能。在計算電能時還要判斷當前處于哪個時段，計算出當前時段的有功電能、無功電能和平均 功率因數(shù)，以便按不同時段分別計算電費。本系統(tǒng)將每天（24小時）最多可分成10個時段：4個峰 段、4個谷段和2個平段。各時段可以重選。除了計算三相交流電路的有功電能外，還要計算在指定時間間隔內(nèi)三相交流電路通過的平

18、均有功功率。這個指定時間間隔稱為時限。我們國家大多采用分鐘或30分鐘作為時限。時限是 滑動遞進的。在一個月中記錄的所有時限內(nèi)的最大平均有功功率，就叫最大需量。本電能表除 了記錄最大需量外，還能記錄最大需量出現(xiàn)的時間為了限制用戶的用電量，在系統(tǒng)中設(shè)定了一 功率定值當有功功率大于功率定值時，要記錄太子功率定值延續(xù)的時間，并計算出超過功率定 值的有功電能，以便進行相應(yīng)的處理。計算出的結(jié)果可用8位LCD顯示器顯示出來，供用戶觀察。當系統(tǒng)把要顯示的數(shù)據(jù)送至顯示 緩沖器后，又開始采樣，新的一輪循環(huán)叉開始了電能表就這樣周而復(fù)始循環(huán)工作。5、提高可靠性的措施這種電能表是安裝在電網(wǎng)中實時檢測三相交流電路多種參數(shù)的計量儀表，需要長期連續(xù) 運行，因此對它的可靠性要求很高。為了保證高可靠性，主要采取了以下措施： 5.1元器件選用方面邏輯元件用進口的CMOS集成電路芯片；所有的電子元器件都經(jīng)過高低溫老化和質(zhì)量篩選； 電阻器和電容器降額使用。5.2電路設(shè)計方面在電路中加有電源電壓監(jiān)視器TL7705，當干擾或電網(wǎng)瞬時欠壓，使電源電壓低于4.75 V時， 它能產(chǎn)生復(fù)位信號，使單片機可靠復(fù)位，避免由于工作電壓不正常造成系統(tǒng)誤動作