基于單片機的電力監(jiān)控系統(tǒng)交流采樣技術的實現(xiàn)
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摘要：系統(tǒng)采用8031單片機實現(xiàn)電力參數(shù)的交流采樣，通過LED顯示器顯示頻率、電壓、電流的實時值，在過壓30%、欠壓30%時進行聲光報警，并能定時打印電壓、電流及頻率值。實踐證明，采用交流采樣方法進行數(shù)據(jù)采集，通過算法運算后獲得的電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)等電力參數(shù)有較好的精確度和穩(wěn)定性。 關鍵詞：單片機 交流采樣 頻率跟蹤 電力監(jiān)測 隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)容量的擴大使其結構更加復雜，實時監(jiān)控、調芳的自動化顯得尤為重要；而在電力調度自動化系統(tǒng)中，電力參數(shù)的測量是最基本的功能。如何快速、準確地采集各種電力參數(shù)顯得尤為重要。 在實現(xiàn)自動化的過程中，最關鍵的環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)采集。根據(jù)采集信號的不同，可分直流采樣和交流采樣兩種。直流采樣，顧名思義，采樣對象為直流信號。它是把交流電壓、電流信號經過各種變送器轉化為0～5V的直流電壓，再由各種裝置和儀表采集。此方法軟件設計簡單，對采樣值只需作一次比例變換即可得到被測量的數(shù)值。但直流采樣仍有很大的局限性：無法實現(xiàn)實時信號的采集；變送器的精度和穩(wěn)定性對測量精度有很大影響；設備復雜，維護難等。交流采樣是將二次測得的電壓、電流經高精度的CT、PT變成計算機可測量的交流小信號，然后再送入計算機進行處理。由于這種方法能夠對被測量的瞬時值進行采樣，因而實時性好，相位失真小。它用軟件代替硬件的功能又使硬件的投資大大減小。隨著微機技術的不斷發(fā)展，交流采樣必將以其優(yōu)異的性能價格比，逐步取代傳統(tǒng)的直流采樣方法。 本系統(tǒng)采用8031單片機實現(xiàn)電力參數(shù)的交流采樣。通過LED顯示器顯示頻率、電壓、電流的實時值，在過壓30%、欠壓30%時進行聲光報警，并能定時打印電壓、電流及頻率值。實踐證明，采用交流采樣方法進行數(shù)據(jù)采集，通過算法運算后獲得的電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)等電力參數(shù)有著較好的精確度和穩(wěn)定性。 一、交流采樣原理 若將電壓有效值公式
離散化，以一個周期內有限個采樣電壓數(shù)字量來代替一個周期內連續(xù)變化的電壓函數(shù)值，則
式中：ΔTm為相鄰兩次采樣的時間間隔；um為第m-1個時間間隔的電壓采樣瞬時值；N為1個周期的采樣點數(shù)。 若相鄰兩采樣的時間間隔相等，即ΔTm為常數(shù)ΔT，考慮到N=(T/ΔT)+1，則有
式（1）就是根據(jù)一個周期各采樣瞬時值及每周期采樣點數(shù)計算電壓信號有效值的公式。 同理，電流有效值計算公式如下：
計算一相有功功率的公式
離散化后為
式中：im、um為同一時刻的電流、電壓采樣值。功率因數(shù)可由下式求得： cosφ=P/UI 二、系統(tǒng)硬件組成 本系統(tǒng)的硬件部分由電源、主機、數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤輸入電路、顯示器和打印機輸出電路共6部分組成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。 1.主機 主機由單片機8031、地址鎖存器74LS373、外接4KB的程序存儲器2732和8KB的數(shù)據(jù)存儲器6264構成。 2.數(shù)據(jù)采集電路 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集電路如圖2所示。 由圖2可見，前向數(shù)據(jù)采集通道由傳感器、雙四選一多路開關4052、采樣保持器LF398、八選一多路開關4051、模數(shù)轉換器AD574、光隔及由電壓比較器LM339、鎖相環(huán)4046、分頻器4020構成的頻率跟蹤電路和用于控制采樣保持器的單穩(wěn)觸發(fā)器4528組成。 由于采集的對象為電壓、電流等模擬量，所以必須經A/D轉換器變成數(shù)字量以后，才能送入8031進行處理。本系統(tǒng)選用AD574，該芯片使用逐次逼近法將-5～+5V模擬電壓轉換為數(shù)字量。轉換時間為25μs，非線性誤差小于±0.5LSB。 3.鍵盤和顯示器電路 采用帶字驅動和位驅動的LED顯示器進行顯示。鍵盤上共設置了8個鍵，其中：0鍵用于功能切換；1，2，3三鍵為雙功能鍵，分別用于顯示A，B，C三相電壓或電流；4鍵用于隨機打印。 4.打印機接口電路 8031直接帶一個TPμP微型打印機，用軟件能使其在規(guī)定時間自啟動并按設計格式打印指定數(shù)據(jù)。 在系統(tǒng)的軟件設計中，采用模塊化設計方法，使得程序結構清晰，便于今后進一步擴展系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)軟件有以下模塊構成：主 數(shù)據(jù)采集子程序： SMP：MOV R0，#00H ；相數(shù)選擇初始化 MOV R2，#80H ；u1存放頁地址送R2 RET：MOV TL0，#00H MOV TH0，#00H SETB TR0 MOV A，R0 MOV P0，A ；選中三相中的一相進入4052 MOV R7，#00H ；采樣點數(shù)寄存器初始化 MOV R1，21H ；當前采樣點的頁內地址指針 AD12：CLR P1.2 ；選通當前相的電壓信號 SH：JNB 00H，SH ；查詢S/H標志位 CLR 00H ；準備好，清標志 CLR P1.6 MOV P2，#DFH ；啟動A/D轉換 AD1：JB P1.7，AD1 ;未完，等待 SETB P1.6 ；R/C置位，準備讀 LCALL DATA ；讀入轉換結果存入相應頁 SETB P1.2 ；切換到電流信號 CLR P1.6 MOV P2，#DFH ；啟動A/D轉換 AD2：JB P1.7，AD2 ；未轉換完，等待 INC R2 ；頁地址+1，到存放該相電流的頁面 SETB P1.6 LCALL DATA ；讀入結果 INC R7 ；下一采樣點 INC R1 INC R1 ；采樣點存放單元地址 CJNE R7，#10H，AD12 ；該相未完，繼續(xù) LCALL FRQCY INC R0 ；置下一相采樣標志 INC R2 ；下一相電壓存儲頁 MOV R1，21H ；下一相存儲頁地址指針 CJNE R1，#03H，RTE ；三相未采完 ADD 21H，#1FH ；三相全采完，下次采樣各頁內地址指針 RET 另外，在電力系統(tǒng)的實際運行中，電網(wǎng)存在諧波，還會有各種瞬時干擾，如投切電容器和開關合閘、掉閘等都會產生干擾；而采用硬件濾波存在硬件電路復雜等諸多弊端，因此本系統(tǒng)求取電力參數(shù)采用數(shù)字濾波方法祛除干擾，用軟件代替硬件，實踐證明具有較好的濾波效果。此外，系統(tǒng)中還采用指令冗余、軟件陷阱等抗干擾措施，以使系統(tǒng)具有良好的抗干擾性能。 結束語 本文提出的交流采樣方法解決了直流采樣硬件復雜、實時性差等問題。經實踐證明交流采樣方法能夠快速、準確地采集各種電力參數(shù)，具有一定的應用價值。 | |
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程序、時鐘中斷服務程序、鍵盤中斷服務程序、數(shù)據(jù)采集處理子程序、顯示程序、打印程序等。主程序主要完成系統(tǒng)初始化，裝置自檢等任務。系統(tǒng)的初始化部分包括CPU各端口輸入輸出設置、中斷設置、外圍驅動、譯碼電路的初始化、數(shù)據(jù)RAM的初始化等。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理子程序的功能是在定時中斷服務程序中完成的。在定時中斷服務程序中主要進行三相交流電壓、電流的采集，數(shù)字濾波、采樣數(shù)據(jù)存儲，標度變換以及報判斷與輸出等操作。打印程序由定時中斷服務程序團齡閏打印請求標志，主程序查詢到該標志時，執(zhí)行打印準備和啟動程序，即將打印數(shù)據(jù)裝配成ASCII字符標準格式存入到外部RAM的打印緩沖器中。由于篇幅所限，本處不再一一介紹。
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