电能质量监测.doc

文档介绍：电子系统设计报告
题目: 简易电能质量监测装置
二○一一年 七 月
摘要：
%，满足测量精度的要求，并能直接作为该系统数模转换器模块，不需再外加数模转换器，简化了硬件电路，且方案二内部资源比方案一要丰富的多，处理速度也优于AT89S52单片机。方案一需外加数模转换电路，这会使电路变得较复杂。经过比较，最终还是选择了C8051F系列的单片机C8051F020。
单元模块设计
系统硬件总体设计
单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：一是体统扩展，即单片机内部的功能单元容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计适当的电路。二是体统配置，即按照功能要求配置外围设备如显示屏等，要设计合适的电路。系统设计的总体框图如图 31所示。图 31 系统总体框图
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系统部件设计
单元电路设计
图 32 单元电路总体框图

本系统移相电路原理图如下图 33所示，通过调节电位器R27，可使输出相对输入的相位差为00~1800。此电路的作用是在系统调试时，将输入的电压信号移位后代表同一路的电流信号，便于系统的调试。
图 33 移相电路原理图

LF398是一种反馈型采样保持放大器，也是目前较为流行的通用型采样保持放大器，它具有采样速度高，保持电压下降慢和精度高等优点，它主要有输入缓冲级、输出驱动级和控制电路三部分组成。采样保持电路工作原理图如下图 34所示，当8脚为高电平时，采样信号；当8脚为低电平时，保持信号。
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图 34 采样保持电路原理图

输入的失真工频信号的频率可能是变化的，为了保证输入信号任一周期内都能等间隔采样64个点，要求系统能够实时采样，即必须对信号的频率进行64倍频，然后以倍频器输出的频率作为数模转换器的采样频率。此系统中，我们用的是软件倍频技术，即先由主控制器精确测得输入信号波的频率，然后对此频率进行64倍频，这能达到简化硬件电路的目的。由于被测信号波是有失真的正弦波，为便于准确测量其频率，先将此正弦波变换为同频率的方波，然后将此方波送单片机外部中断1测频，波形转换电路如下图 35所示，其中，集成运放为LM393，D7和D8是限幅二极管，使输出方波的正向和负向幅值分别限制在+4V和-。
图 35 整形电路原理图
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键盘电路设计
键盘是最简单的单片机输入设备，通过键盘输入数据或命令，实现人机对话。此次按键采用九个功能键：按键1为输出电压有效值、电流有效值；按键2为输出相位差、频率；按键3为输出电压最值；按键4为输出电流最值；按键5为输出有功功率、无功功率；按键6为输出视在功率、功率因数；按键7为输出有功功率最值；按键8为lcd12864显示电压电流波形；按键9为清屏。
Lcd接口电路设计
LCD选用LCD12864和LCD1602相结合。LCD1602液晶屏来显示电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数和谐波等数值，同时用LCD12864液晶屏来显示一个周期的输入电压、输入电流曲线。
理论分析与计算

由奈奎斯特采样定理得，在信号频率变化时若都能保证对信号周波内等间隔、均匀采样60个点，经FFT算法后不仅能够达到工频交流电测量的要求，而且可以对普通信号的30次以下的谐波进行分析，这足以满足赛题要求测量9次以下谐波含量的要求，同时考虑到采样点数较少时，积分法进行运算的误差就难以达到系统的精度要求。所以AD采样时，一周期内采样的点数我们取64，即用软件倍频的方法对输入信号的频率64倍频，然后以此频率作为AD采样频率。
采样信号的处理
﹑电流有效值﹑有功功率、无功功率和视在功率的计算。
设、为基波电压或x次谐波电压的实部和虚部，、为基波电流或x次谐波电流实部和虚部，、、、分别为基波或x次谐波交流电压、电流、有功功率、无功功率（x=0时，表示基波，x=1、3、5.....时，表示对应的谐波），则有：
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总的输入信号的有效值，有功、无功功率，功率因数为：
，
， ，
上两式中求有效值时要求平方根，占用太多的计算时间