吴文杰基于单片机的低电网电压频率监测系统设计Word文档格式.docx
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1.1问题的提出
信号作为最基本的参数,信号频率需要测评的范围也越来越大,在电力系统中,电网所需要的频率和变电站所输送的电力以及电力调度是供发电质量的重要指标,它也是电力测试中的重要参数。
我们知道频率的变化会引起电网电力负荷的变化,如何对电网频率有效的监控将对电力的传输以及电能的生产显得非常重要。
现在的社会是信息化社会,身边无时无刻不存在信息的交换,那么在信息化、数字化迅猛发展的情况下,工业系统(industrialsystem)中的信息化(informatization)和数字化(digital)也将带来巨大的发展。
微处理器、智能设备以及终端设备已经大量运用大工业系统中。
1.2设计的意义
现在的社会寸土寸金,很多设备都在一些狭小的区域内,然而在这些区域内要经常面对功能多、设备大小不均、量程不同的仪器表盘。
这些表盘占用空间,数据不易读取。
在紧急情况下容易产生较大的误差以及系统间的延时滞后情形,给工业操作带来了不小的困难,因此改变工业系统中的设备势在必行。
本设计将交流电的频率(F)和交流电的测量技术运用到电压频率的检测系统当中,这样可以大大提高设备间的工作效率
本设中电压(V)和频率(F)是反映电能质量的重要参数指标,在电网系统中,电压和频率的准确测量将直接影响单片机准确测量低电压频率的精确值。
从单片机采集到的频率可通过串口发送到电脑串口调试助手显示,这样能过只管的观察出他们之间的变换,或者直接通过单片机的LED数码管显示。
系统频率的变换,反应了电网符合的变化,因此如何对电网频率的进行高精度、快速的测量,在电力系统中的生产和调度显得尤其重要,也成为调整电网符合的重要参数之一。
1.3设计的主要内容
1.本设计的主要内容:
用单片机来测量电网中低电压的频率,完成采集频率以及控制误差的最基本的功能,通过单片机LED数码管观察所测的数据。
2.设计实现的主要功能
制定相关的单片机硬件方案并对这些方案进行相关的优化;
完成单片机各模块之间的关系;
在51单片机测量频率等信号以及电路之间的设计;
完成显示电路的设计;
完成软件需求的系统分析。
3.设计的主要技术指标
电压范围:
0-250V;
频率范围:
0-5000HZ;
检测周期:
≥20次/秒;
该设计主要是设计一个低电压电网中频率监控的数字频率计,它主要由以下几部分构成:
整形电路、控制电路以及显示电路这三部分构成了单片机测频率的核心部分,剩下的为测评的方法,本文主要使用的是测周法。
1.4抗干扰设计
系统的硬件部分采取的抗干扰措施如下:
1、为达到较好的抗噪声效果,在系统中将晶振,复位电路等容易产生噪声的元器件间隙拉小些,元器件经电容退耦后紧靠MCU单片机,并不要在晶振下方走信号线。
以保证拥有较好的抗电磁干扰能力。
2、电源输入接100K电容以及10~100uF电解电容进行退耦。
第二章系统概述
2.1电压/频率的测量方法
本设计中检测仪器以51单片机的AT89C52为测量核心,89C51这款芯片是一款高性能但是功耗很低的基于CMOS工业制造的8位微处理器,它有4K字节的存储器,根据相关知识,测量频率的方法比较多,在下文会重点介绍频率的测量发放。
2.1.1频率的测量原理
单片机应用系统当中,时常要对一个连续的脉冲信号进行测量。
然而工业测量中可能会测量转速、速度等直观的物理量,因为频率比较抽象,所以在单片机当中是由传感器转换成脉冲电信号,然后离散化。
对低电压频率的测量可直接用电子计数器直接测频,但是这种测量方法会带来±
2误差,这些误差会导致测量结果的不准确,会给工业控制带来不可预测的危险。
所以,为了提高测量低频时的准确度,数字电路中采用的是测周法,所谓的测周法:
根据给定的的脉冲个数和它们之间的时间关系,测周法的公式:
TX=l/fX=t/N(2-1)
系统电路提供的标准时基信号为TS,闸门为被测信号的周期,标准世纪信号的计数公式为TX=nXTS。
利用AT89C52系列单片机,只需采用简单的程序控制就可测得对应的经过信号预处理的fX或TX。
C/T=1时,是将定时器/计数器设置为计数器模式,如果C/T位置为0的时候,那么定时器/计数器将被设置为定时器的模式。
图2.1AT89C52定时/计数器基本组成
2.1.1直接测频法
直接测频法较适用于中高频信号,它利用单片机内部给定的两个定时器和计数器来测量相关的频率,如果闸门信号的值为TX;
单片机的两个定时器/计数器另一个作为计数器,记fX的变化次数为Nx,得公式fx=Nx/Tz。
测量原理如图2.7所示。
图2.7直接测频率测频原理图
计数法充分的利用单片机内部的两个定时器、计数器T0与T1,如下图其中T0被作为计数器,T1被作为定时器,其中T1的时基时间为1S,计数法测量频率时序如图2.8所示。
图2.8计数法设计软件流程图
同时利用计数器T0对P3.4口输入周期脉冲信号,当周期性脉冲信号的下降沿计数器T0将循环计数,再将累积计数值M送到单片机的数码管显示。
设计软件流程图如图2.9所示:
图2.9直接测频法原理框图
根据上面的原理图可以看到计数器的工作方式,当外部引脚的输入信号由低电平跳转到高电平,那么计数器T0的值将会自动加1,输入信号的频率能够在闸门信号的特殊控制下被测量。
定义51单片机的T0、T1如下:
T0为计数器,T1为定时器,TMOD寄存器中的工作方式控制位的值设为M1M0为01,那么就将T0、T1的工作方式均设为了1,因为外部输入的脉冲信号在每2个时钟中期内采集一次数据,所以脉冲信号所需要跳变的机器周期最大值为1MHZ,单片机所采用的芯片89C52的定时器是16位的方式,故定时计数在工作方式1的初值为
。
2.1.2电压测量方法(直接测量法)
输入的脉冲信号均为模拟信号,模拟信号为连续的,而采集到的频率送到数码管上显示为数字信号,它是离散的,在A/D转换当中最重要的三个过程就是采样、量化、编码。
所谓的采样就是按一定的时间进行信号的采集,并将这些按照一定的时间间隔采集到的信号进行量化过程,最后通过特殊的编码方式,送到LED数码管进行显示,这就是最基本的A/D转换。
1.并行比较型A/D转换器
图2.10三位并行A/D转换器原理图
如图2.10所示为三位并行的A/D转换器的原理图。
通过这个图我们可以看到它是由三部分组成,这三部分为:
1、电阻分压器,2、电压比较器寄存器,3、编码器组成。
途中用电阻链把电压VREF进行分级,其中七个等级的电压分别作为七个比较器C1~C7的参考电压,其数值分别为VREF/15~13VREF/15的7个比较电平,量化单位为VREF2/15。
当一端的输入模拟电压输入时那么即将加到每个比较器的另外一个输入端,之后将这7个基准电压进行比较。
2.1.3电压-时间变化型(V/F)转换法(V-T)
V-F转换型的A/D转换器工作原理如下:
1、将输入的模拟信号进行数据转换,和之前的频率信号成正比。
2、将转换后的信号在一定时间内对之前所得的信号进行计数。
3、输出的结果就是正比与输入模拟的数字量。
(a)电路结构(b)电压波形
图2.14施密特触发器型压控振荡器的原理性电路和电压波形
由图2.14b的VA以及VO的电压波形,若(a)图中的电流I0变大时,那么在(b)图中的T1以及T2将会变小,这样的后果就是振荡周期(T)缩短、震荡频率(F)增加。
考虑第二种情况如果电容C充放电的电流I0相等时,则电容两端的电压VA的波形将是对称的三角波如图(b)所示。
之前提到的如何测量频率的相关原理,以及本章所讲的的A/D转换所需的指标,例如:
提高频率的测量精度和测量范围、反应时间等等,经权衡用直接频率法来测量,采用这种方法测量简单而且可以保证测量的准确度。
电压测量会用比较精准的逐次型A/D转换,这种方法能够将模拟量转换为数字量并再将数字量输入到单片机的A/D转换芯片当中,同时也很好的利用了单片机的资源。
显示用LED数码管来显示,能更直观的显示电压、频率的值。
2.1.4脉冲周期测频率方法
周期测频率法主要是在待测量信号的一个周期Ts内,利用专用仪器来记下标准的脉冲信号的变化数No,那么这个方法所测出的频率就为:
Fx=Mo/Tx(2-2)
采用这种方法测频率的有点为,低频测量的时候精度比较高,但是考虑到单片机选用的晶振为12MHZ频率的元器件,而本文的要求就是测量低电压的低频检测仪,所以选用周期测频率的方法。
2.3系统总体框图
51单片机在本设计当中起到重要作用,89C52芯片结合外围放大信号和整形电路,输出波形的采集以及对模拟电压的采样、量化得到交流电频率和电压的数字量,并将这些数据通过串行接口发送到上位机进行直观显示或者直接在单片机上的LED数码管上显示,这种方法能过很好的实现了对系统电压频率的监测。
测量系统的硬件电路主要包含降压稳压电路、信号预处理电路、A/D转换电路以及单片机AT89C52处理控制电路、串口输出电路几部分构成,测量系统框图如图2.17所示。
图2.17电压、频率检测系统框图
根据上图所示可得到系统的简单工作原理:
交流电压通过以下几个步骤耦合变压器隔离降压以及限流方式,变为51单片机A/D转换芯片所能承受的最大电压与电流范围。
将输入单片机的电压、频率信号分为两路:
1、用于频率(F)的测量,输入信号经离散元器件的分压、稳压处理,通过放大、滤波和整形电路,将输入的正弦波信号通过一定的方式转换成5V的方波信号,然后送到AT89C52的A/D转换芯片。
单片机接收外部脉冲(可由信号发射器产生),启动定时/计数器对所需要采集的方波信号进行定时和计数,从而计算得出相应的频率值;
另外一路输入用于电压测量,输入信号经过分压后并被送到A/D转换芯片ADC0804(AT89C52的A/D转换芯片),将输入的模拟量转换成数字量并经过离散、采用、编码送到单片机P0口,得到量化后的电压值;
将数据通过串口发送到电脑上或者上位机上显示,这样可以只管的看到这些数据,并能够精确的分析这些数值是否符合规范。
在本文设计中,采用了周期测频率的方法,尤其是测低频比较精准,虽然对高频精度较低,但是比较符合本设计的要求。
第三章系统硬件电路的设计
3.1单片机处理控制电路
在低电压测量频率硬件系统中选用89C51芯片作为单片机处理频率的核心51单片机历史比较长远,最初是有Intel公司研发的,它的系列也比较多,最后Intel公司将这种芯片外包给Philips、NEC以及Atmel等知名的公司生产,这些公司在保持原有51单片机芯片的核心功能,并且添加了许多独特的功能以满足外围电路的特殊要求,在这块硬件系统中所用的核心89C51芯片是Atmel公司近年推出的一款性能高、低功耗的8位CMOS微型处理器。
如下图是89C52单片机的内部结构图。
图3.1AT89C52单片机的内部结构图
89C52单片机属于标准型单片机,它并不属于增强型单片机,它的内部结构图如图3.1所示。
可以看到,单片机和外界相互联系的有40个引脚,包括P0~P3等4个并行口、电源(VCC)和接地(GND)2个晶振时钟的引脚、外部程序存储器读选信号引脚、地址所存信号引脚等。
和它的前辈AT89C51单片机相比,增加了看门狗电路,双DPTR和ISP端口以及多了一个定时器T2。
3.2频率信号预处理电路
单片机的计数功能只能用脉冲信号波进行计数,然而在实际工业应用中需要测量频率的信号是多种多样的,有脉冲波、还有可能有正弦波、三角波等等,所以需要一个电路,把待测信号转化为可以进行计数的脉冲波。
数字处理芯片是这款单片机作为低电压频率测量的核心部件,再次就将这款数字处理芯片作为频率处理核心器件。
输入单片机的信号必须是脉冲信号或者方波信号或者离散后的信号。
将待测量的正弦波信号先离散化后才能给单片机处理,否则单片机是不能够受理这些脉冲信号的。
要将输入的信号进行降噪处理以及滤去高频干扰的相关信号,同时利用其芯片进行增益放大、使之变为标准的正弦波信号,经处理之后输入AT89C52单片机中,频率信号的预处理电路如下图3.2所示。
图3.2频率信号预处理电路
3.2.1降压电路
从电网进入的交流电需通过降压处理后,再进行放大、整形电路才能将信号送入单片机的A/D转换芯片内。
在本文中因为要将信号送入ADC0809芯片进行A/D转换,而ADC0809的工作电压范围为0~+5V,故将交流电压降到5V内,本电路中用的变压器的变比系数为:
(3-1)
电路如图3.3所示。
图3.3降压电路
3.2.2放大电路
此电路采用OP37EP器件进行高速和宽频带运放,并采用负反馈电路,由负反馈放大电路的原理可知增益Kn=R4/R5=10。
所以此电路将信号的增益为10倍。
OP37EP最高工作频率可达64MHz(见图3.4所示)。
图3.4小信号放大电路
3.2.3整形电路
方波脉冲的整形电路分为两大部分,其一为施密特触发器,其二为单稳态触发器。
它们的共同特点都是由555定时器构成的核心部件,在本设计当中对整形电路的设计较为简单,故选用了555定时器构成的施密特触发器作为输入信号的整形电路。
在频率预处理信号电路的整形电路中有一款叫做整形电路,它的核心部件是一款555定时器,它是将输入的正弦波信号转为电压值为5V的三角波信号,转换后的信号输入给89C52芯片作为整形输出部分,功能是将电路如图3.5所示。
图3.5整形电路
施密特触发器(Schmidttrigger)它有两个稳定状态,它以电位触发方式对元器件进行触发,触发器的输入信号由电位输入信号来维持恒定,它和555触发器有着很大的区别,因为他们的门级电路不同,那么输出的波形也不同。
施密特触发器主要用于波形的变换以及整形变换,下图3.6是施密特触发器对波形整形的原理图
图3.6施密特触发器对波形整形的原理图
当555转换器作为R-S触发器时其位置电平VT-≤1/4VDD(阀值电平),而其复位电平VT+≥3/4VDD。
因此,设置R1=R2=10kΩ,使得2、6脚的偏置电压在1/2VDD介于两个阀值电平之间。
施密特触发器(Schmidttrigger)是一种阀值开关电路,它的特点就是输入、输出的门电路具有突变特性,施密特触发器的滞后特性如图3.7所示。
图3.7施密特触发器的滞后特性
3.4A/D转换电路
因为单片机只能处理数字信号,并且在输入的时候必须要经过离散、采样、编码这三个过程,而需要监测的是电压(V)、电流(I)等连续的电信号,所以少不了对其经行A/D转换。
图3.7ADC0809芯片管脚图
ADC0809是单片机集成A/D转换器,A/D转换芯片的CLKR、CLR、GND它们之间用用电容以及电阻相互组成了RC震荡电路。
A/D转换芯片采用COMS工艺,它是8位逐次逼近型的A/D转换芯片,特点是转换精度较高,如图3.7所示。
图3.8ADC0809内部结构图
3.ADC0809的工作过程
工作原理图3.9所示。
片选信号CS先置为低电平(0),WR信号随后置为低电平,大概10us后将WR信号置为高电平。
这些步骤执行完后,随后A/D转换器将启动。
图3.9A/D转换工作原理图
3.5看门狗电路部分
在现代工业控制中,尤其对于电子器件来讲,它们很容易收到外界的电磁干扰,那么单片机的正常运行程序将被打断,给单片机下载程序的时候,单片机运行程序将不受控制,“看门狗”通过专门的芯片连接到单片机内部,对单片机运行状态进行实时监控,便产生了一种检测单片机运行状态的芯片,我们俗称为“看门狗”。
看门狗芯片X25045引脚如图3.9所示。
图3.10X25045引脚图
其引脚功能如下:
CS:
片选输入端;
SO:
串行输出;
SI:
串行方式输入;
SCK:
串行时钟方式输入,写入数据是在其上升沿操作,输出程序是在其信号为下降沿的时候;
WP:
写保护输入,高电平有效。
VSS:
接地引脚;
VCC:
电源电压;
RESET:
复位。
X25045芯片需要先发出指令集才能再进行写操作,指令名及指令格式如表3.2所示。
表3.2X25045指令及其含义
指令名
指令的相关格式
操作
WREN
00000110B
设置写使能锁存器
WRDI
00000100B
复位写使能锁存器
RDSR
00000101B
读状态寄存器
WRSR
000000001B
写状态寄存器
READ
0000A8011B
把开始与所选地址的存储器中的数据读出
WRITE
0000A8010B
把数据写入开始于所选地址的存储器
设置X25045的状态寄存器以预置“看门狗”的预置时间。
如表3.3所示X25045的状态寄存器各位的工作状态,X25045状态寄存器其中D7、D6位不参与状态寄存器无关,所以无需设置它们。
但是WD1、WD0和看门狗电路有关,其余位的设置直接和EEPROM的工作状态有关。
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
X
WD1
WD0
BL1
BL0
WEL
WIP
表3.3X25045状态寄存器
WD1—看门狗允许位,当置为1时,将启动看门狗,设置为0的时候,禁止启动看门狗。
WD0—看门狗清0位,当设为1时,看门狗重新计数,由硬件自动清0(无需软件清0)。
BL1—当置为1时,看门狗定时器将在单片机“空闲模式”工作;
当置为0时,看门狗在“空闲模式”不回计数。
3.6数码管显示电路
3.6.1LED
数码管很看它的外表很形象。
在未点亮的时候如数字“8”一样,数码管的实物以及内部引脚图如下图所示。
LED数码管常用段一共有7个为选段,由这七个为选段可以组成诸多数字、字符。
有的数码管可能另外加一个小数点,故只需引出它们的各数码,公共电极。
通过不同的组合来显示数字0~9以及字符A~F、H、L、P、U、Y或者符号“-”小数点“.”.
图3.11七段数码管实物以及内部引脚图
数码管的公共级接法共有两种结构分别为共阴极、共阳极,各段(代表数分别为A~G、DP)等内部原理图如图3.12所示。
图3.12共阴极与共阳极数码管内部电路原理图
在图3.12左侧是共阴极的接线方式,阳极必须接高电平才能够导通数码管,才能点亮数码管,右侧的是共阳极接法的数码管,只有当阴极为低电平,那么数码管才能被点亮。
3.6.2数码管的字形编码
其中6段数码管构成的显示器是由6个发光二极管组成的联合体数码管,单片机系统中,数码管的显示方式有两种,动态以及静态两种方式显示。
数码管的7个为选段,不同的组合会显示不同的数字以及字符,8个笔段对应与P0的8个端口,下表3.4是对应的显示字符“0”P0口各引脚的电平。
因为单片机输出的显示数据电压是明显不够高,无法直接送到数码管上直接显示,因此需要用一个上拉
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- 吴文杰 基于 单片机 电网 电压 频率 监测 系统 设计