緒論1.1課題研究的背景及意義隨著時代的發(fā)展，工業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷的增加直接影響了電能的質(zhì)量。同時隨著高科技的不斷發(fā)展，半自動化和全自動化的生產(chǎn)車間已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到各個領(lǐng)域，因為有許多的工廠需要生產(chǎn)特別精密的零件，所以對電能質(zhì)量的要求非常嚴(yán)格。如果電能長期處于一個不合格的狀態(tài)的同時也會導(dǎo)致生產(chǎn)機(jī)器長時間的非正常工作，而機(jī)器的非正常工作將會導(dǎo)致生產(chǎn)出大批的不合格產(chǎn)品，并且會嚴(yán)重影響電網(wǎng)的運(yùn)行造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因國家的要求和正常用戶需求，能源公司需要生產(chǎn)越來越優(yōu)質(zhì)的電能，并促使電能智能越來越趨近于國家標(biāo)準(zhǔn)。因此，國家就電能質(zhì)量的問題相繼提出了一些標(biāo)準(zhǔn)，如：電壓的偏差、頻率的偏差、電網(wǎng)中高次諧波的含量等。并且針對電壓偏差的問題，國家嚴(yán)格規(guī)定了每個電壓等級下的偏差范圍。因為工業(yè)用電和日常生活用電對頻率的要求不同，國家也也有著不同的要求。因為有的電氣設(shè)備接入電網(wǎng)中會嚴(yán)重影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行，電網(wǎng)公司也給出了這些設(shè)備的接入條件。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及問題在工業(yè)化國家，電能質(zhì)量的問題早已被電業(yè)局當(dāng)作重要的問題看待，有關(guān)電能質(zhì)量監(jiān)測和控制等方面的問題已進(jìn)入白熱化階段。因為電能是供給用戶使用，所以進(jìn)行了全國性的普查，并根據(jù)用戶對電能質(zhì)量的要求以及提出的一些建議，相關(guān)的部門和企業(yè)對這些問題進(jìn)行了全面的分析，并且已經(jīng)研發(fā)出各種各樣的電氣設(shè)備來對電網(wǎng)中電的質(zhì)量進(jìn)行調(diào)控。從1996年起，隨著用戶用電的不斷增加和電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，IEEE將每兩年一次的電力諧波國際學(xué)術(shù)會議正式改為電能質(zhì)量學(xué)術(shù)會議。由此可見，自1996年起，電能質(zhì)量已經(jīng)不僅僅是諧波含量這一類的問題。目前國內(nèi)市場上已有越來越多的電能質(zhì)量監(jiān)測儀上市，主要因為電能質(zhì)量相關(guān)問題已經(jīng)引起包括供用電兩方的越來越廣泛的重視。常見的監(jiān)測儀包括三種主要形式：便攜式、成套設(shè)備式以及工控機(jī)式。國外主流的檢測設(shè)備有AN5060電力諧波潛行分析儀、Fluke437Ⅱ電能質(zhì)量和能力量分析儀，國內(nèi)也有很多專業(yè)電能質(zhì)量檢測設(shè)備，例如VC5000電能質(zhì)量分析儀、SMG7000便攜式三相電能質(zhì)量分析儀等。但是現(xiàn)有的設(shè)備功能相對單一，且多數(shù)不能滿足目前最新的技術(shù)指標(biāo)為解決這一問題，本文設(shè)計研發(fā)一款多功能電能質(zhì)量監(jiān)測儀，既滿足電能監(jiān)測的需要，又具備電能計量等多種功能，與市面現(xiàn)有的設(shè)備相比它可以更有效的進(jìn)行電能質(zhì)量檢測。1.3論文的主要研究內(nèi)容本設(shè)計是通過對電流電壓等參數(shù)的測量經(jīng)過核心控制的處理分析后得出其他數(shù)據(jù)的電能質(zhì)量監(jiān)測儀。本設(shè)計主要測量分析的數(shù)據(jù)有：三相電壓、三相電流、頻率、三項電壓是否平衡、電網(wǎng)中諧波的含量、電壓的波定和閃變等。通過數(shù)據(jù)測量采集模塊采集到三相電壓電流，并且通過核心控制器來處理分析這些數(shù)據(jù)得出頻率、波形等參數(shù)，并且需要通過顯示器來顯示測得的數(shù)據(jù)，將測來的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，同時還要判斷出來誤差是否在國家標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)，從而驗證了本設(shè)計的可靠性。本文研究的主要內(nèi)容如下：1.3.1設(shè)計電能質(zhì)量監(jiān)測儀的整體方案首先提出了電能質(zhì)量這一關(guān)鍵詞，并且對其進(jìn)行了解釋和說明，接著闡述了國家對于電能質(zhì)量的要求和標(biāo)準(zhǔn)，同時給出了需要分析的參數(shù)的測量和計算得方法，并且根據(jù)國際對電能質(zhì)量的分析方法，提出了本設(shè)計的整體方案。1.3.2電能質(zhì)量監(jiān)測儀的電路設(shè)計電能質(zhì)量監(jiān)測儀的硬件電路是本文最重要的設(shè)計部分。根據(jù)不同硬件電路實現(xiàn)不同的功能模塊，所以整個電路共分為以下幾個功能電路：電壓電流互感器的采樣電路、信號處理電路、單獨(dú)的直流電源電路、報警電路、顯示模塊電路、鍵盤電路等。1.3.3電能質(zhì)量監(jiān)測儀的軟件設(shè)計電能質(zhì)量監(jiān)測儀的軟件設(shè)計就是為了確保上位機(jī)可以接收到可靠的數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析，而這些工作僅僅依靠硬件電路是不可能完成的，因為測來的數(shù)據(jù)會有許許多多的干擾因素，整體的軟件設(shè)計包括以下的幾個部分：（1）各部分的電路需要各部分程序設(shè)計來進(jìn)行驅(qū)動；（2）上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收的通信程序和顯示電路進(jìn)行顯示的程序；2電能質(zhì)量的國家標(biāo)準(zhǔn)以及電能質(zhì)量監(jiān)測儀的設(shè)計方案2.1電能質(zhì)量的國家標(biāo)準(zhǔn)2.1.1電壓偏差(1)35kV及以上供電電壓浮動的絕對值之和不能超過額定的10％(2)20kV及以下供電電壓允許的浮動范圍為±7%(3)220V單相供電電壓允許浮動的范圍為+7%～﹣10%(4)對于供電點短路容量小、供電距離較長以及對供電電壓偏差有特殊要求的用戶，由供、用電雙方協(xié)議確定。2.1.2頻率偏差GB/T15945—1995中將頻率偏差定義為：(1)正常允許±0.2%Hz，根據(jù)系統(tǒng)容量可以放寬到±0.5%(2)用戶沖擊引起的頻率變動一般不得超過±0.2Hz2.1.3公用電網(wǎng)諧波GB/T14549—1993中對測量諧波次數(shù)、儀器誤差、數(shù)據(jù)取值提出了具體要求，同時給出了諧波電壓含量、第h次諧波電壓含有率、總諧波畸變率的計算公式。2.2電能質(zhì)量監(jiān)測儀的設(shè)計方案根據(jù)GB/T35725-2017電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備自動檢測系統(tǒng)通用技術(shù)要求，結(jié)合目前市場的實際需求，本文設(shè)計的單相電能質(zhì)量監(jiān)測儀要滿足以下特性:

(1)高可靠性:系統(tǒng)供電采用220V交流電，符合GB/T35725-2017規(guī)定的額定工作電壓要求。能夠通過GB/T17626.30-2012電磁兼容試驗和測試技術(shù)、電能質(zhì)量測量方法規(guī)定的抗干擾實驗。

(2)實時性高:將采集到的信息實時傳送到后臺服務(wù)器。依據(jù)DL/T860通信規(guī)約與被檢電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備監(jiān)理通信,通信規(guī)約包括數(shù)據(jù)讀寫服務(wù)、報告服務(wù)、日志服務(wù)、定值服務(wù)、控制服務(wù)、文件傳輸服務(wù)、ICD文件校對等像。采用模塊化設(shè)計，將采集模塊、通信模塊單獨(dú)分離出來，方便適應(yīng)不同要求的客戶進(jìn)行升級替換。電能質(zhì)量監(jiān)測儀的設(shè)計包括數(shù)據(jù)采集和核心控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的兩部分組成，設(shè)計方案的整體框圖如圖2-1。主控模塊A相電電壓電流互感器顯示模塊主控模塊A相電電壓電流互感器顯示模塊信號調(diào)理放大濾波B相電基本數(shù)據(jù)顯示信號調(diào)理放大濾波B相電基本數(shù)據(jù)顯示C相電C相電圖2-1電能質(zhì)量監(jiān)測儀設(shè)計方案的整體框圖Fig.2-1Overallblockdiagramofthedesignschemeofpowerqualitymonitor電能質(zhì)量監(jiān)測儀通過三個電流電壓互感器得到三相的電流電壓值并且通過運(yùn)算放大電路將信號放大為一個可供單片機(jī)識別的信號其中還需要通過濾波電路來將干擾數(shù)據(jù)的高次諧波過濾除去，直接測得的信號是需要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換才能使單片機(jī)識別，因本次設(shè)計采用32單片機(jī)，其中自帶AD轉(zhuǎn)換所以不需要額外的AD轉(zhuǎn)換電路，最后將單片機(jī)處理完的數(shù)據(jù)通過通信模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)以便進(jìn)一步的分析計算，同時也要經(jīng)過顯示模塊來顯示測得的數(shù)據(jù)，當(dāng)測得的數(shù)據(jù)不符合國家標(biāo)準(zhǔn)時觸發(fā)報警電路進(jìn)行報警，提醒工作人員對電網(wǎng)中的電壓或者頻率進(jìn)行調(diào)整，并且還要將測來的數(shù)據(jù)儲存到存儲芯片中，為了方便以后更好的分析整體的電能質(zhì)量。2.3電能質(zhì)量指標(biāo)的算法和測量電能質(zhì)量各項指標(biāo)的計算建立在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，根據(jù)所采樣的數(shù)據(jù)再分別的計算出電能質(zhì)量的各項指標(biāo)如電壓偏差、諧波、頻率偏差、三相電不平衡度、電壓波動與閃變、暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓等,下面詳細(xì)介紹相關(guān)的算法。2.3.1供電頻率的測量供電頻率的測量主要有周期法、解析法、和傅里葉變換算法(FFT、CZT)等。周期法、解析法求取頻率的精度與系統(tǒng)采樣頻率有關(guān),傅里葉變換算法與其運(yùn)算點數(shù)有關(guān)。結(jié)合本文實際這里重點介紹周期法結(jié)合小波去噪的方法。其原理如下：高斯白噪聲是最常見的一種噪聲，其往往具有疊加性，受其污染的觀測信號可以表示為：z=1,n(2-1)其中為含噪信號，為理想信號，為獨(dú)立同分布的高斯白噪聲，為噪聲水平，n為信號長度。根據(jù)信號和干擾在小波變換下的不同特性，輔助小波分解系數(shù)可以達(dá)到兩者分離的目的?？偨Y(jié)起來周期法結(jié)合小波去噪的方法總共分為三步（1）對觀測到的數(shù)據(jù)做小波分解變換(2-2)其中y表示觀測數(shù)據(jù)向量，f是真實信號向量，Z是高斯隨機(jī)向量。（2）對小波系數(shù)做門限閥值處理，這里用到了著名的閥值形式：(2-3)由此公式我們不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)n取無限大時，我們幾乎可以完全忽視雜波的干擾（3）對處理過的小波系數(shù)作的逆變換重構(gòu)信號處理(2-4)此時我們得到的信號已經(jīng)是去除污染的純凈信號。2.3.2電壓合格率的檢測

電壓是電能質(zhì)量的一項重要衡量指標(biāo)，電壓質(zhì)量的好壞，將直接影響到用電設(shè)備的安全及相應(yīng)產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣，而檢測電壓的合格率首要任務(wù)便是電壓有效值的計算,根據(jù)電壓有效值定義：(2-5)我們可以對被測電壓先進(jìn)行平方，然后在時間上取平均值，再求平方根，從而得到其有效值的模擬過程。具體展開如圖2-2所示。圖2-2有效值計算流程圖Fig.2-2Flowchartofvalidvaluecalculation在這里平方、開方我們用模擬乘法器實現(xiàn)，積分則由運(yùn)算放大器組成的積分器實現(xiàn)。在乘法器的兩端同時加入被測信號，根據(jù)相乘運(yùn)算功能，在輸出端我們可以得到進(jìn)而可得(2-6)根據(jù)虛地原理，我們很快便可得到,由此我們可得，引入變量，則可得，從而最終的為：(2-7)2.3.3電壓波動和閃變的測量電壓的波動和閃變主要是因為電網(wǎng)中的合閘和跳閘所引起的，其危害非常明顯，比如電燈的忽亮忽暗，電視機(jī)顯示的不穩(wěn)定，并且還對一些電子設(shè)備造成傷害。電壓的波動和閃變相當(dāng)于在50Hz的基波電壓上迭加一系列的調(diào)幅波，我們可以表示成如下公式：(2-8)式中A一電壓幅值;一調(diào)幅波的幅度值;一電網(wǎng)上基波電壓的角頻率值;一調(diào)幅波i的角頻率值;i一調(diào)幅波序號值;一基波電壓初相角;一調(diào)幅波初相角;一般的電壓波動的頻率變化范圍在0.01HZ-30HZ之間，電網(wǎng)電壓有效值變化速度與額定電壓相比得到的變化率的最低要求為每秒0.2%，一般的我們把相鄰兩個極值電壓有效值之差定義為電壓波動值，則供電電壓的額定值可以用百分值表示：(2-9)2.3.4三相不平衡的測量三相不平衡是電能質(zhì)量測量的關(guān)鍵部分，三相電壓的不平衡一般表示為負(fù)相分量的RMS值與負(fù)相分量的RMS值之比，相電壓的RMS正值是三相電壓負(fù)序分量的有效值；為三相電壓負(fù)序分量的均方根值，則三相不平衡度可以表示為?，F(xiàn)實生活中的三相不平衡度往往又分為兩種，含有零序分量的三相系統(tǒng)和沒有零序分量的三相系統(tǒng)，在使用過程中我們需詳細(xì)的加以區(qū)分。（1）沒有零序分量的三相系統(tǒng)當(dāng)三相電量中不含零序分量時，根據(jù)已知的三相量，我們可以把三相不平衡度表示為：(2-10)式中(2-11)當(dāng)把電壓符號換成電流符號時即可得到相應(yīng)的三相電流不平衡度。（2）含有零序分量的的三相系統(tǒng)此時應(yīng)用對稱分量法，這時的三相不平衡度可以表示為：(2-12)式中為a相基波電壓；為b相基波電壓；為c相基波電壓；為正序分量；為負(fù)序分量；為零序分量。其中a為旋轉(zhuǎn)因子，(2-13)2.3.5諧波含量情況的測量嚴(yán)格來說，諧波是電流中包含的電量，它是基波的整數(shù)倍。無論是發(fā)電設(shè)備還是電氣設(shè)備，電網(wǎng)中的諧波始終是不可避免的。同時，對諧波的破壞非常嚴(yán)重，其存在對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生重大影響。并嚴(yán)重干擾和破壞所涉及的電信號。到目前為止，測量電源系統(tǒng)帶阻濾波器或模擬帶通方法諧波的主要方法是根據(jù)諧波測量中的傅里葉變換原理進(jìn)行劃分的?；诰W(wǎng)絡(luò)的諧波測量，采用小波分析方法進(jìn)行諧波測量五個模塊，由于這種專業(yè)知識的局限性，本文主要討論基于虛擬儀器的諧波測量，結(jié)構(gòu)如下：假設(shè)有一個周期為非正弦電壓，此時滿足狄里赫利條件從而分解為如下的傅立葉級數(shù)：(2-14)式中(2-15)(2-16)此項公式只對諧波次數(shù)為諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比時適用，當(dāng)電網(wǎng)中出現(xiàn)非正弦電流時則需把式中的轉(zhuǎn)換成。3電能質(zhì)量監(jiān)測儀的硬件電路設(shè)計3.1系統(tǒng)的總體設(shè)計方案電能質(zhì)量監(jiān)測儀先通過電壓互感器和電流互感器獲取到電網(wǎng)中的電壓和電流，因為本文需要測2-31次諧波所以在每一個互感器后應(yīng)接一個低通濾波器，將高次諧波過濾掉，因為STM32單片機(jī)自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，所以不需要額外的AD轉(zhuǎn)換的芯片。單片機(jī)可以直接來處理通過互感器得來的電壓電流信號，因為選擇的32單片機(jī)具有強(qiáng)大的運(yùn)算處理功能，可以直接將測來的數(shù)據(jù)直接進(jìn)行一系列的復(fù)雜運(yùn)算，不再需要額外的電能計量芯片，最后核心控制器將運(yùn)算完的數(shù)據(jù)傳輸?shù)斤@示器上進(jìn)行顯示，并且存儲到存儲芯片中，最后再通過通信模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)的總體框圖如圖3-1。電源模塊A電源模塊A項的電流電壓值顯示模塊低通濾波器低通濾波器鍵盤鍵盤模塊STM32F103C8T6核心控制器B項的電流電壓值STM32F103C8T6核心控制器B項的電流電壓值低通濾波器低通濾波器通信模塊通信模塊低通濾波器C項的電流電壓值低通濾波器C項的電流電壓值報警模塊圖3-1系統(tǒng)硬件電路框圖Fig.3-1Blockdiagramofhardwarecircuitofsystem3.1.1A、B、C三相的數(shù)據(jù)采集模塊因為電網(wǎng)的傳輸方式是采用三相傳輸，并且每項的區(qū)別就是相位差120°，所以本設(shè)計中是先進(jìn)行了單項的數(shù)據(jù)采集，最后進(jìn)行三相的整合，因考慮到電網(wǎng)電壓的數(shù)值會比較大，所以會在每項上加一個分壓電阻，最后將三相測得的數(shù)值和相位與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，這種測量方式相比于單項測量的儀器操作會方便和安全很多，在顯示上也可以非常清楚的看到三相電壓電流之間數(shù)值和相位的差距，并且存儲起來也會特別的方便，不會將三相的數(shù)據(jù)混到一起。3.1.2低通濾波器低通濾波器在本次設(shè)計中是相對重要的設(shè)計，因為電網(wǎng)中的諧波特別多，為了測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和嚴(yán)密，低通濾波器起到了很重要的作用，因本設(shè)計需要分析2-31次的諧波，而低通濾波器的作用顧名思義就是將高于某頻率的諧波過濾掉，所以本設(shè)計的低通濾波器要將高于1550Hz的諧波過濾掉。綜合來看低通濾波器的參數(shù)計算是需要將高次諧波過濾掉而將低于31次的諧波傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中進(jìn)行處理，所以低通濾波器的參數(shù)計算是需要特別精確，選擇的器件也需要特別穩(wěn)定。3.1.3核心控制器核心控制器是本設(shè)計中的核心，因DSP和STM32單片機(jī)的性能都可以，但是DSP的引腳較多價格較貴，所以本設(shè)計選用STM32單片機(jī)。STM32單片機(jī)相對于學(xué)過的51系列單片機(jī)來說，運(yùn)算功能較為強(qiáng)大，并且還有較為成熟的AD轉(zhuǎn)換功能，IO口多了許多，可以有許多擴(kuò)展出來的模塊。但是STM32單片機(jī)還是有不足之處，其數(shù)據(jù)采集的速度較慢，功耗上也是比較大。但本設(shè)計雖然對數(shù)據(jù)采集有要求但不算特別的苛刻，功耗也沒有很嚴(yán)格，所以綜合來看選擇性價比最高的STM32單片機(jī)。3.1.4顯示模塊因為本設(shè)計需要顯示的數(shù)據(jù)較多并且還需要顯示波形，所以不能接線較為方便的LCD1602液晶顯示器，需要選擇更為高級的LCD12864顯示器。LCD12864顯示器是可以顯示漢字和圖形的，并且重量較輕，攜帶起來比較方便，并且工作電壓與單片機(jī)的電壓兼容，故可以直接與IO口了解使用。但是LCD12864顯示器也是有缺點的，比如其價格較為昂貴、外部的電路圖連接起來較為復(fù)雜、因為顯示的信息量比較大，需要復(fù)雜的程序等。3.1.5鍵盤模塊因為顯示的數(shù)據(jù)較多，需要設(shè)計一個菜單來對顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊的顯示，所以需要設(shè)計一個鍵盤來進(jìn)行控制顯示器顯示的數(shù)據(jù)，控制的方法需要用單片機(jī)來實現(xiàn)，初步的想法是設(shè)計三個鍵來實現(xiàn)對菜單翻頁、確認(rèn)和返回等三個功能。故鍵盤模塊的目的就是為了方便人工操作，更好的顯示出來采集處理后的數(shù)據(jù)，并且電路連接起來也比較方便，直接與IO口連接就可以實現(xiàn)其功能。3.1.6通信模塊通信模塊的主要目的就是為了將處理完的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理，同時將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，方便其記錄電能質(zhì)量不合格時候的數(shù)據(jù)，并且可以分析出來與標(biāo)準(zhǔn)值偏差了多少，同時記錄了電能質(zhì)量在什么時間段出現(xiàn)了怎樣的問題，通過進(jìn)一步的計算分析就可以將這種經(jīng)常出現(xiàn)問題的時間段進(jìn)行單獨(dú)的調(diào)整。本設(shè)計的上位機(jī)是需要進(jìn)行單獨(dú)選擇的，因為上位機(jī)的更新?lián)Q代是非常迅速的，所以沒有進(jìn)行上位機(jī)的設(shè)計，以便以后更好的更換。3.1.7報警模塊報警模塊對于監(jiān)測系統(tǒng)來說是必不可少的一部分，工作人員不能實時的看著數(shù)據(jù)，并且人腦對于數(shù)據(jù)的處理分析速度遠(yuǎn)不如機(jī)器。當(dāng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)不符合標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)是需要進(jìn)行報警來通知工作人員監(jiān)測的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了問題，并且還要進(jìn)行記錄，方便工作人員更好的排查故障的地方，或者進(jìn)行控制各種機(jī)器來對電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償。3.1.8電源模塊本設(shè)計中需要給出+5V、-5V、+3.3V三種直流電源，因為一個運(yùn)算放大電路需要+5V和-5V兩種電壓，而單片機(jī)需要+3.3V直流電源進(jìn)行供電。首先利用利用一個變壓器降低電壓，再后來經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓等一系列的過程得來需要的電源。3.2電能質(zhì)量監(jiān)測儀的硬件電路設(shè)計電能質(zhì)量電測儀的硬件電路部分主要有電壓電流互感電路、信號調(diào)理電路、核心控制器電路、數(shù)據(jù)存儲電路、通信電路、電源電路和顯示電路組成。下面就各部分的電路設(shè)計進(jìn)行具體介紹。3.2.1電壓電流互感器電路（1）電壓互感器本設(shè)計中使用的變壓器是SPT204A。變壓器有4個引腳，其中1和2引腳是一組線圈，3和4引腳是一組線圈。由于兩組線圈匝數(shù)相同，因此1，2可用于輸入或輸出。限流電阻器連接到輸入端，電流約為2毫安，次級輸出電流信號為大小相同的電流信號。因為可供單片機(jī)識別的電壓有限，所以輸出要接一個運(yùn)算放大器來放大電壓，性能參數(shù)如表3-1所示。表3-1電壓互感器性能參數(shù)Tab.3-1Performanceparametersofvoltagetransformer因該電壓互感器輸出的是一個小電流信號，所以在使用的時候應(yīng)該在輸出端接一個電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，電壓互感器的電路如圖3-2所示。圖3-2電壓互感器Fig.3-2VoltagetransformerR1是側(cè)電路變壓器的主要限流電阻，主要作用是保證額定電流為2mA輸入側(cè)的交流輸入電壓為220V，可以計算為限流電阻R1是110K。反饋電阻R2選擇1K，此時的輸出電壓為2V，滿足設(shè)計要求。一般來說，互感器量測的相位移動很小，電阻R3和電容C2起到相移補(bǔ)償?shù)淖饔?，本設(shè)計中R3的阻值為200K,C2的大小為0.01μF。電容C1和C3分別起到濾波和去耦的作用，C1的大小為0.01μF，C3大小上限值為400PF，本文設(shè)計取300PF。運(yùn)放芯片選擇OP07集成運(yùn)算放大器，該放大器具有非斬波穩(wěn)零、低噪聲的特點。（2）電流互感器電路隨著中國電網(wǎng)的強(qiáng)勁擴(kuò)張，主要設(shè)備的電壓幅度不斷增加，高壓電纜的尺寸不斷增加。在能源開發(fā)，能源和設(shè)備的傳輸過程中，由于不同的公司和用戶，不同的電壓和電流參數(shù)，電流可以達(dá)到一個非常大的數(shù)值。這樣大的電流不能直接測量?？紤]到人員的安全性和易于監(jiān)控，已經(jīng)開發(fā)出基于電磁感應(yīng)原理的電流互感器。主電流互感器包括磁芯和繞組的兩個閉合部分，并且是用于通過線圈的繞組形式將大交流電轉(zhuǎn)換為小電流的裝置。它在高電流測量和繼電保護(hù)領(lǐng)域具有重要的低位，大大降低了測試人員的風(fēng)險因素。電流對電感線圈包括初級和次級線圈的兩部分。初級線圈由粗電纜制成，匝數(shù)相對較少且阻抗非常低，并且于電表串聯(lián)連接并且保護(hù)電路連接。在電流互感器工作期間，次級繞組必須處于閉合狀態(tài)，嚴(yán)禁開路。由于測量裝置的串聯(lián)線圈和保護(hù)電路的阻抗低，所以電流互感器基本上處于短路操作狀態(tài)。本設(shè)計中使用的電流互感器型號為SCT254FK,SCT254FK性能指標(biāo)如表3-2所示。表3-2電流互感器性能參數(shù)Tab.3-2PerformanceparametersofcurrentTransformerSCT254FK是一款精密的電流互感器，其輸入額定電流為5A，額定輸出電流為2.5mA，其工作的電路圖如圖3-3所示，其中電容C2和電阻R2是用來補(bǔ)償相移，電容C1起到了防振和濾波的作用，電容C3起到了抗擾動作用，因為輸出的信號要供單片機(jī)來處理，所以應(yīng)該接運(yùn)算放大器再進(jìn)行輸出，OP07系列的運(yùn)算放大器相對于其他系列來說性能較好且精度和穩(wěn)定性也是高于其他系列。圖3-3電流互感器Fig.3-3Currenttransformer調(diào)節(jié)圖中反饋電阻R1的值可以得到所需電壓的輸出值。選取輸出電壓V等于2V，此時R應(yīng)得0.8KΩ，滿足設(shè)計的要求，其他元件的參數(shù)和電壓互感器電路中元件參數(shù)相同。3.2.2濾波電路根據(jù)奈奎斯特采樣定理，有必要確保采樣頻率是信號頻率的兩倍或更多，以恢復(fù)原始信號而不失真。在實際電路中，由變壓器電路處理的信號通常與高頻干擾噪聲混合，在這種情況下，一些高頻噪聲信號的頻率將超過采樣頻率的一半，這將導(dǎo)致頻譜的混疊，為了過濾高頻干擾噪聲并確保模數(shù)轉(zhuǎn)換可以執(zhí)行樣本轉(zhuǎn)換而不會失真，本論文設(shè)計了一個二階抗混疊低通濾波器用來濾除高頻噪聲，提高信噪比，濾波電路如圖3-4所示。本設(shè)計需要對電能質(zhì)量進(jìn)行31次諧波分析，信號的有效頻率最高為1550Hz，因此低通濾波器的截止頻率應(yīng)選1.6KHz,本設(shè)計中選用6.4KHz的采樣頻率，選取R4=R5=3.6KΩ，C5=0.02uF，C4=0.01uF滿足設(shè)計要求。圖3-4低通濾波電路Fig.3-4Low-passfiltercircuit該濾波電路的傳遞函數(shù)為：（3-1）其截止頻率為；（3-2）等效品質(zhì)因數(shù)為：（3-3）當(dāng),時，截止頻率滿足要求，品質(zhì)因數(shù)Q=0.3543.2.3核心控制電路隨著社會的進(jìn)步和科技的發(fā)展，核心處理器的性能越來越高，并且集成度也越來越高，而成本也逐漸降低，從最初的8位的數(shù)據(jù)總線發(fā)展到了現(xiàn)如今的32為，被廣泛應(yīng)用在制造車間、嵌入式家居、日常生活使用的電子產(chǎn)品中。目前，世界上知名的微控制器生產(chǎn)商有STMicroeletornics（意法半導(dǎo)體）、ATMEL、NXPSemiconductors（思智浦半導(dǎo)體）等，根據(jù)本系統(tǒng)互感器動態(tài)特性數(shù)據(jù)采集控制需要，數(shù)據(jù)采集板選用STM32F103XX系列微控制器。本文采用的STM32F103XX系列的核心控制器，對比常用的核心控制器來說，STM32單片機(jī)的功能更加強(qiáng)大，功耗也比較低，并且價格來說相對便宜，所以這一些列的單片機(jī)被廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域。Cortex-M3是該款單片機(jī)的內(nèi)核，采用Thumb-2指令底層特有的特點并且可以與C語言兼容，方便了使用人員的軟件編程，提高了系統(tǒng)的工作效率。中斷控制器使用緊耦合的嵌套矢量來控制，使系統(tǒng)對于中斷事件的響應(yīng)更加快速，從而更有效的去處理中斷事件。Cortex-M3處理器集成了AMBAAHB-Lite總線，通過它來連接系統(tǒng)的外接設(shè)備，使系統(tǒng)的復(fù)雜性大大降低。Cortex-M3處理器具有功能齊全的多種指令函數(shù)以及并行的總線模式，降低了編程的復(fù)雜性。同時Cortex-M3處理器采用了比較先進(jìn)的尺寸來制造，減小了芯片的尺寸，大大降低了其成本。最終即使代碼量變小了，但是它的處理速度卻更快了。本設(shè)計的電能質(zhì)量監(jiān)測儀的硬件設(shè)計采用STM32F103C8T6單片機(jī)為核心控制器，其最小系統(tǒng)設(shè)計如圖3-5所示圖3-5微控制器最小系統(tǒng)Fig.3-5Microcontrollerminimumsystem下面對本設(shè)計的微控制器最小系統(tǒng)部分電路進(jìn)行簡單的介紹。（1）時鐘電路晶體振蕩器單片機(jī)可以工作的主要元件，主要的功能就是為核心控制器提供必要的時鐘頻率。對于核心控制器發(fā)出的所有指令，執(zhí)行起來必須要時鐘電路。晶體振蕩器提供的時鐘頻率和單片機(jī)的運(yùn)行速率息息相關(guān)。振蕩頻率越快，處理速度越快。正常情況下，系統(tǒng)僅使用一個晶體，因此只有一個時鐘頻率，這具有保持處理器同步的優(yōu)點。本設(shè)計的時鐘電路選擇的晶振振蕩頻率為8MHZ，由Y1、C8、C9構(gòu)成系統(tǒng)的時鐘電路。晶體可為處理器提供機(jī)器執(zhí)行的時鐘源。（2）復(fù)位電路微控制器系統(tǒng)的復(fù)位方式分為手動式按鈕復(fù)位和上電復(fù)位兩類。無論在電路設(shè)計中使用何種形式的核心控制器，都使用復(fù)位電路。核心控制器器復(fù)位電路的性能直接影響系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀態(tài)，并在整個處理器中占有重要地位。為了防止核心控制器發(fā)出錯誤命令并導(dǎo)致故障，核心控制器并不是在上電時或剛剛重啟后工作，這提高了板級電磁兼容性達(dá)到某一程度，為達(dá)到核心控制器及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，通過復(fù)位操作達(dá)到單片機(jī)初始化狀態(tài)。核心控制器的復(fù)位信號從NRST引腳輸入到芯片上的施密特觸發(fā)器。如果振蕩器開始穩(wěn)定并且系統(tǒng)正常運(yùn)行后，NRST引腳的高電平超過兩個機(jī)器周期，核心控制器將響應(yīng)復(fù)位系統(tǒng)。本設(shè)計采用的上電復(fù)位方式是用一個10K電阻和104陶瓷電容實現(xiàn)上電時系統(tǒng)所有寄存器初始化。3.2.4數(shù)據(jù)存儲電路因為考慮到本設(shè)計需要對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲并且還要考慮到數(shù)據(jù)的安全性，所以要增加一個額外的存儲芯片，該電能質(zhì)量監(jiān)測儀采集分析的數(shù)據(jù)都可以存儲到存儲器AT24C1024中，存儲器通過I2C總線與STM32單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。I2C總線是Philps公司推出的一種兩線串行傳輸總線，它是由一根數(shù)據(jù)線SDA和一根時鐘線SCL組成。AT24C1024存儲電路圖如圖3-6所示。圖3-6數(shù)據(jù)存儲電路Fig.3-6Datastoragecircuit3.2.5通信電路CH340是USB總線適配器芯片，可以執(zhí)行USB接口和串行接口之間的轉(zhuǎn)換?？梢灾苯訉⒋性O(shè)備傳輸?shù)経SB接口的總線，也可以通過USB接口擴(kuò)展計算機(jī)的異步串口。CH340芯片具有上電復(fù)位功能。由于上拉電阻集成在芯片中，因此USB數(shù)據(jù)總線UD+和UD-可以直接連接到CH340的相應(yīng)引腳。CH340芯片需要外部12MHz時鐘信號才能正常工作。通常，CH340的時鐘電路可以在其XI和XO引腳上將振蕩電容連接到地，并在兩個引腳之間連接一個12MHz晶體振蕩器，可以使用CH340的內(nèi)置反相器產(chǎn)生時鐘信號。CH340芯片可以通過5V或3.3V直流電源供電。當(dāng)VCC引腳由5V供電時，引腳V3需要一個4700pF或0.01μF電源的去耦電容;當(dāng)VCC引腳輸入3.3V的直流電源，必須將引腳V3和VCC連接到一起。此時，連接到CH340芯片的所有外圍電路的工作電壓不應(yīng)超過3.3V。串口通信電路如圖3-7所示。圖3-7串口通信電路Fig.3-7Serialcommunicationcircuit3.2.6電源電路變壓器的作用是將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換成一個電壓等級較低的交流電，在變壓器的二次的側(cè)，所輸出的電壓為正弦交流電，其幅值為36~38V。因為我們所用到的電源有5V，所以我們需要在變壓器的中間接一個接地裝置，這樣會輸出一個上下電壓幅值相等的電壓，當(dāng)時正負(fù)極相反。橋式整流電路的作用是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，橋式整流電路的特點能將正選交流電的負(fù)半周翻轉(zhuǎn)為正半周，不會過濾掉負(fù)半周的波形，大大增加了能源的利用率。其工作原理是利用整流二極管正相導(dǎo)通，反向截止的工作原理，當(dāng)電流經(jīng)變壓器副邊流出時（正半周波形），經(jīng)過二極管的D1流出，而經(jīng)過二極管D3流回變壓器。所以會輸出一個上正下負(fù)的工作電壓。而當(dāng)電流經(jīng)變壓器副邊另個一端流出時（負(fù)半周波形），電流經(jīng)二極管D2流出，而經(jīng)二極管D4流回變壓器。同樣會產(chǎn)生一個上正下負(fù)的工作電壓。這樣利用四個二極管交替導(dǎo)通的工作原理，會得到一個脈動的單相電壓。脈動的電壓需要經(jīng)過濾波電路變?yōu)榉€(wěn)定的直流電，濾波電路主要由電解電容和普通電容并聯(lián)構(gòu)成，濾波電路主要依靠電容的充放電原理，當(dāng)電源兩端電壓升高時，電容充電。當(dāng)電源兩端電壓降低時，電容放電，沒能夠使電壓波形變的平緩，更加接近直流電。電源模塊中在輸出端還具有兩個電容，稱之為輸出電容。其作用是消振，，防止一些沖擊性負(fù)載對電路的傷害。三段穩(wěn)壓器LM7805 是電源模塊設(shè)計的核心器件,其作用是是使電壓穩(wěn)定輸出為+5V,其中C1端和C2端分別為輸入端和輸出端，分別濾波電容和輸出電容，其第三個引腳接地，以穩(wěn)定所變換的電壓。LM7905的工作原理與LM7805相同，不同之處在于7805輸出的是一個+5V的電壓，而7905輸出的為一個-5V的工作電壓。其電路圖如3-8所示。圖3-8電源電路Fig.3-8Powersupplycircuit由于各模塊需要電壓不同，本文應(yīng)需要多種電源供電。STM32單片機(jī)采用3.3V供電，本文采用LM1117-3.3芯片將5V轉(zhuǎn)為3.3V，LM1117-3.3引腳圖如圖3-9所示，其中端口從左向右的功能依次是輸入、接地、輸出，圖中兩個電容的作用是抑制自激振蕩，如果不接這兩個電容通常線性穩(wěn)壓器輸出的將會是一個振蕩波形。圖3-9LM1117-3.3引腳圖Fig.3-9LM1117-3.3pindiagram3.2.7顯示電路LCD12864LCD1602本設(shè)計采用的顯示器為LCD12864，LCD12864是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64,內(nèi)置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示8×4行16×16點陣的漢字。也可完成圖形顯示。低功耗是其又一顯著特點。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2，即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。LCD12864和LCD1602是常見的兩個液晶顯示器，但本設(shè)計需要顯示的內(nèi)容較多，并且還要顯示波形，綜合來看LCD12864符合設(shè)計要求。LCD12864引腳圖如圖3-10所示：圖3-10LCD12864工作電路圖Fig.3-10LCD12864workingcircuitdiagram3.1.8鍵盤電路因為需要顯示的數(shù)據(jù)較多，所以需要一個鍵盤來對顯示器進(jìn)行控制，達(dá)到分批次顯示數(shù)據(jù)的目的。本設(shè)計采用三個鍵來對顯示模塊進(jìn)行控制，其中S1用來實現(xiàn)翻頁功能，S2用來實現(xiàn)查看菜單中各項數(shù)據(jù)的查看功能，S3用來實現(xiàn)返回菜單的功能。電路圖如圖3-11所示。圖3-11鍵盤電路Fig.3-11Keyboardcircuit3.2本章小結(jié)根據(jù)一般設(shè)計要求和系統(tǒng)模式，本章詳細(xì)設(shè)計了硬件電路，用于獲取電壓電流等基本數(shù)據(jù)。首先，給出了系統(tǒng)總體設(shè)計的框圖，然后詳細(xì)說明并測試了系統(tǒng)各模塊的功能。詳細(xì)描述了系統(tǒng)的硬件電路，包括電壓電流互感器電路、濾波電路、核心制電路、數(shù)據(jù)存儲電路、通信電路、電源電路、顯示電路、鍵盤電路。通過各個電路之間的相互調(diào)試，最終完成了硬件電路的設(shè)計。4電能質(zhì)量檢測儀的軟件設(shè)計電能質(zhì)量監(jiān)測儀的軟件設(shè)計包括電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的軟件設(shè)計和電能質(zhì)量分析系統(tǒng)的軟件設(shè)計兩部分。兩部分都使用STM32單片機(jī)完成，其中電能質(zhì)量監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)采集部分是由電壓電流互感器電路、濾波電路組成，將采得來的模擬量經(jīng)過單片機(jī)自帶的AD轉(zhuǎn)換功能轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并且在單片機(jī)中通過電能質(zhì)量分析系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分處理得到的數(shù)據(jù)存儲在存儲模塊中，并且將數(shù)據(jù)通過通信模塊傳送到顯示器上，同時將數(shù)據(jù)和國家的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行嚴(yán)格的對比，如果數(shù)據(jù)不合格將給報警電路一個信號讓報警電路進(jìn)行報警。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖4-1所示。存儲模塊存儲模塊單片機(jī)內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換顯示模塊核心控制模塊數(shù)據(jù)采集模塊通信模塊單片機(jī)內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換顯示模塊核心控制模塊數(shù)據(jù)采集模塊通信模塊圖4-1系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.4-1Systemsoftwarestructurediagram主程序的流程圖如圖4-2所示。開始開始初始化初始化開中斷開中斷開始AD轉(zhuǎn)換開始AD轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲顯示數(shù)據(jù)存儲顯示進(jìn)行數(shù)據(jù)處理進(jìn)行數(shù)據(jù)處理結(jié)束結(jié)束圖4-2主程序流程圖Fig.4-2Mainprogramflowchart初始化之后，經(jīng)過電壓電流互感電路和放大電路得來的數(shù)據(jù)通過單片機(jī)自帶的AD轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣在通過第二章寫的算法完成運(yùn)算，將得來的數(shù)據(jù)通過顯示模塊進(jìn)行顯示，并且存儲到存儲模塊中，同時將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，進(jìn)行進(jìn)一步的分析。4.1AD采樣程序設(shè)計系統(tǒng)首先需要進(jìn)行A/D采樣，然后得來的數(shù)據(jù)由微控制器進(jìn)行處理。因為STM32單片機(jī)自帶A/D轉(zhuǎn)換功能，所以數(shù)據(jù)采樣的工作就由微控制器自己完成。首先將微控制器進(jìn)行初始化，然后對設(shè)置采集模式和轉(zhuǎn)換信號的格式，再將采集來的數(shù)據(jù)存放在AD_data數(shù)組中，一次存放300個數(shù)據(jù)。A/D采樣程序圖如圖4-3所示。開始開始A/D初始化A/D初始化i=0i=0A/D值采集A/D值采集電壓電流采樣電壓電流采樣數(shù)據(jù)存到數(shù)據(jù)存到AD_data[i]i＞300i＞300 是i+1 否i+1圖4-3A/D采樣程序流程圖Fig.4-3A/Dsamplingprogramflowchart4.2顯示模塊的程序設(shè)計系統(tǒng)經(jīng)過了數(shù)據(jù)采樣和處理之后將得來的數(shù)據(jù)通過單片機(jī)的端口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)使用的顯示器中，并且通過鍵盤的控制來逐一顯示電壓、電流、頻率、波形，顯示模塊的主要程序如下：main(){uchari;delay(10);//延時wela=0;dula=0;lcd_init();//初始化LCDlcd_pos(0,0);//設(shè)置顯示位置為第一行的第1個字符i=0;while(dis1[i]!='\0'){//顯示字符lcd_wdat(dis1[i]);i++;}lcd_pos(1,0);//設(shè)置顯示位置為第二行的第1個字符i=0;while(dis2[i]!='\0'){lcd_wdat(dis2[i]);//顯示字符i++;}lcd_pos(2,0);//設(shè)置顯示位置為第三行的第1個字符i=0;while(dis3[i]!='\0'){lcd_wdat(dis3[i]);//顯示字符i++;}lcd_pos(3,0);//設(shè)置顯示位置為第四行的第1個字符i=0;while(dis4[i]!='\0'){lcd_wdat(dis4[i]);//顯示字符i++;}程序流程圖如下：開始開始初始化初始化設(shè)置命令口地址設(shè)置命令口地址寫命令寄存器寫命令寄存器設(shè)置數(shù)據(jù)口地址設(shè)置數(shù)據(jù)口地址讀數(shù)據(jù)讀數(shù)據(jù)讀數(shù)據(jù)讀數(shù)據(jù)結(jié)束結(jié)束圖4-4顯示模塊程序框圖Fig.4-4Displaymoduleprogramblockdiagram4.3鍵盤模塊的軟件設(shè)計在本設(shè)計中，鍵盤模塊的功能是用來對顯示器進(jìn)行一個控制的，因為顯示的數(shù)據(jù)較多，顯示器不能一次性的顯示出來所有測量的數(shù)據(jù)，所以我們需要用鍵盤來實現(xiàn)分塊顯示的功能。在程序中，我們設(shè)計四個按鍵分別實現(xiàn)“返回菜單”“確認(rèn)”“翻頁”等三個功能，鍵盤模塊的程序框圖如下：開始開始進(jìn)入菜單進(jìn)入菜單電壓值？電壓值？查詢電壓值 是查詢電壓值電流值？ 否電流值？查詢電流值 是查詢電流值頻率？否頻率？查詢頻率 是查詢頻率波形？否波形？是查詢波形否查詢波形返回返回圖4-5鍵盤模塊程序的流程圖Fig.4-5Flowchartofkeyboardmodulesoftwaredesign4.4鍵盤消抖鍵盤消抖程序是必不可少的一部分，該程序的主要目的就是為確保CPU對鍵的一次閉合僅作一次處理，必須去除鍵抖動。在鍵閉合穩(wěn)定時讀取鍵的狀態(tài)，并且必須判別到鍵釋放穩(wěn)定后再作處理。程序框圖如下：開始開始是否閉合是否閉合 否 延時程序