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1、摘 要随着电力系统配电网络规模的扩大，网络的监测愈显重要。为了能够更加精确、简便的监测配电网络，提高电网的可靠性，利用单片机信号处理能力强的特点，在一种新的采样原理的基础上，设计了一种三相电压电流测试仪。本测试仪用电压和电流互感器构建信号转换电路，将大电压电流信号转换为便于处理的小电压电流信号，以80C196KC作为主控芯片，采用专用电能计量芯片对信号进行数据采集与处理，并通过SPI口与MCU进行数据通信。本测试仪可以同时对电压、电流、频率等电参数进行测量，参数显示采用液晶显示技术，并配有RS485通信接口，可以将测量的数据传送到监控中心，多台测试仪表还可以形成控制网络，便于管理。在抗干扰方面
2、，本测试仪采用软硬件相结合的方式，从硬件电路到软件编程，都提供了相对应的抗干扰措施，大大的提高了测试仪的抗干扰能力，增强了稳定性。另外，本测试仪集测量、控制、显示等功能于一体，具有测量信号多、精度高、显示直观、高性价比等特点，还形成了多系列产品，并能灵活进行倍率调整，可以满足不同用户的不同需要，具有良好的应用前景。关键词： 单片机；测试仪；液晶显示ABSTRACTWith the development of the electric power system.the supervision of network states is becoming more and more importa
3、nt.Inorder to supervise states of electric power system precisely and simply improveits reliability,we design a kind of three-phase voltage and current tester.The EPMI uses voltage and current mutual inductors to construct signal transition circuit.The voltage and current mutual inductors can transf
4、orm strong signal to weak signal which can be processed conveniently. 80C196KC is the main-control chip of the EPMI.The EPMI uses the special chip to measure electrical energy to acquire and process data.The communication depends on SPI interface.The EPMI can measure voltage,current,frequency and ot
5、her electrical parameters synchronously, and display the measured parameters on LCD.Furthermore, the EPMI can transmite the measured data to the surveillance room through RS485 bus interface.If there are many EPMIs,they can be formed as a controlling network and managed easily.In the anti-jamming as
6、pect,the EPMI adopt the way which combinated software and hardware methods.Both hardware circuit designing and software programming have provided relevant anti-jamming methods,so the antijamming ability and stability of EPMI has improved observably.Moreover,the EPMI which includes measuring,controll
7、ing,displaying and other function has the characteristics of multi-function,well-precision,display intuitionisticly,good performa nce and low cost.The EPMI has formed many series of production and can adjust the coefficient so flexibly that it can fulfil different clients demand and it will have a g
8、ood future.Keywords：MCU；intelligent instrument；LCD目 录1 引言62 系统概述63 硬件电路73.1 硬件总体设计73.2 单片机应用系统83.3 前向模拟输入通道93.4采样电路设计93.5信号调理电路103.6 计量原理113.7 脉冲输出123.8 电源电路及信号转换电路设计123.9 键盘及显示单元133.9.1 键盘接口设计133.9.2 液晶显示器接口设计143.10 单片机与上位机的通信154 软件设计1541 程序设计1542 软件抗干扰174.2.1 防脉冲干扰平均值数字滤波法求瞬时值184.2.2 采用滑动平均值数字滤波法求
9、平均值185精度分析185.1 u(n)、i(n)的精度185.2 计算误差195.3 计算方法引起的误差195.4 测试结果196结束语19参考文献20致 谢21注释表ADC(Analog to Digital Converter)模数转换器EPROM(Erasable Programmable ROM)可擦除可编程ROMLCD(Liquid Crystal Display)液晶显示屏MCU(Micro-Control Unit)微控制器MSSP(Master Synchronous Serial Port)主控同步串行端口OTP(One Time Programming)一次可编程PSP(
10、Parallel Slave Port)并行从动端口SPI(Serial Peripheral Interface)串行外围接口SSP(Synchronous Serial Port)同步串行端口U-电压有效值 P-功率I-电流有效值F-频率N-仪表常数Un-额定电压Ib-额定电流Imax-最大电流Istart-启动电流VCC-工作电压1 引言目前的三相测试仪大多数都采用平均值法测量交流电压和电流的有效值。这种交直流转换法测量交变信号的有效值存在着诸多缺点：非真有效值测量、无法测量非正弦交变周期信号、可测频域窄、存在转换误差及直流漂移误差等。另外，由于电力电子技术的发展，导致电力系统谐波含量迅
11、速增长，电压和电流波形产生畸变，对电力系统和用电设备的安全运行带来严重影响。为保证供电质量必须对谐波源和供电点的电压和电流谐波含量进行实时检测。本文提出的科研产品“三相电压电流测试仪”，应用单片机作为仪表智能部件，采用芯片内部s级的AD转换器作为数据采集器，由于是对信号进行逐点瞬间采样，从原理上克服了目前三相电测仪表的种种缺点。应用16位单片机数据计算、处理功能强的特点，仪表可实现全电学量的实时跟踪测量。222 系统概述为了避免强电信号对弱电信号的干扰，在整体结构上采用三层电路板：底层为信号采集电路板，因其上面布置了很多大而重的元器件，为了保持整个测试仪结构上的稳定性，将其至于底层。中间层为信
12、号处理电路板，该层是将信号采集板传送过来的小电压电流信号进行一些相关的处理，这层板也是本次设计的主控电路板；上层是LCD显示电路板，用于对从中间层传送过来的测量参数进行显示。其中底层与中间层通过一根26芯的信号线连接，而中间层与上面的LCD显示层间通过一根20芯的信号线相连。测试仪的整体结构如图1所示。图1 电参数测试仪整体结构框图基于测试技术与信号处理中的采样定理1，实现对三相电信号采集。系统充分发挥了80C196KC系列单片机强大的数据采集能力，AD采集速率可达到80 Kbs。Lab WindowsCVI提供了串口编程的函数库，这样便于用户开发程序。应用软件分析计算出相位差、电压基波有效值
13、等参数。测试仪系统结构如图2所示。软件结构上、下位机采用Keil C软件编程，上位机采用Lab WindowsCVI软件编程。电路设计中交流信号经过放大处理后，由频率测量电路、电压测量电路和电流测量电路分别输入单片机，采集到的数据经单片机处理后通过串口送到上位机做进一步的信号分析处理。单片机内部16位8通道AD转换器用于采样4路电压、4路电流信号，并将其转化结果通过RS-485串口送入上位机。根据这些信息，上位机用户界面显示电压、电流波形：用Lab WindowsCVI中的相关分析函数计算相位差。根据离散积分公式2计算电压、电流的有效值并在用户界面上显示。图2 测试仪系统结构图对于真有效值的测
14、量：利用80C196KC单片机控制ACH0、ACH1双通道的AD转换器，同时对电压、电流波形进行逐点数据采集 u(n)、i(n)(n =1，2,N),我们可以从离散的数字序列中推导出电参数：交流电压真有效值U、交流电流真有效值I分别为：上式中参与运算的各瞬变数字量u(n)、i(n)都是经过零点自校和满增益自校后，通过误差修正的数学模型算法处理后的复原值。3 硬件电路3.1 硬件总体设计 硬件设计的主要任务是基于总体方案设计，选择系统所需的各类元器件、设计系统的电子线路图和印刷电路板、安装元器件的调试硬件线路。硬件设计应确保功能设计和接口设计满足系统的需求，并且充分考虑和软件的协调工作关系，注重
15、选用高集成度的器件和采用硬件软化、软件硬化等设计技术。电参数测试仪的硬件总体设计图如图3所示。图3 电参数测试仪的硬件总体设计图由图3可以看出，该系统主要由电压和电流数据采集模块、计量模块、MCU模块、LCD显示模块、功能设置模块以及通信等模块组成。本测试仪的MCU模块采用80C196KC单片机，用于控制各个功能模块的连接与执行。其主要作用与计量模块之间的信号传输、控制并传输各参数的测量值至LCD进行显示、通过功能模块对整个系统进行参数设置以及通过RS485与上位机进行数据的通信与传输。电压和电流数据采集模块由电压互感器和电流互感器以及抗混叠滤波器组成，电压和电流互感器用于将大电压、大电流信号变换为可以经过ATT7026处理的小电压、小电流信号，变换以后的小信号经过抗混叠滤波器进行滤波，得到无失真信号，并将该信号传送至电能计量模块。电能计量模块采用ATT7026作为计量芯片，ATT7026将经过滤波
