1引言
AVR單片機相對傳統(tǒng)的 51系列單片機,,具有更高的集成度和更強的功能,與 C語言有很好的兼容性,,RISC指令架構(gòu)使其運行速度可達 1MIPS/MHZ,。隨著其越來越廣泛的應(yīng)用,必將取代 51系列成為單片機的主流,。其主要功能包括看門狗,、FLASH程序存儲器、 E2PROM,、 A/D轉(zhuǎn)換器,、定時器、計數(shù)器,、USART接口等多種功能,,這使得本測試系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)變得簡單,可靠,。
2硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)
本文所提及的中頻電源測試系統(tǒng)所測試的對象為三相四線制的中頻電源,,額定輸出電壓為 115V,頻率為 400Hz,,昀大功率 14KW,。需要精確測量和監(jiān)控的電力參數(shù)主要有電壓 (V)、電流(A),、頻率(Hz),、有功功率 (KW)和功率因數(shù),,系統(tǒng)對于負載變化所引起的電參數(shù)變化要求有較好的實時響應(yīng)能力,能夠?qū)崟r顯示當前電力參數(shù)并對過壓,、欠壓,、過流、相序錯等故障進行聲光報警,。
根據(jù)功能要求,,系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如下圖所示,由 AVR單片機( ATMEGA8535),、信號轉(zhuǎn)換,、交流采樣、數(shù)碼管顯示,、LCD顯示,,按鍵選擇和報警等功能模塊組成。2.1信號轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集被測中頻電源的輸出電壓經(jīng)過變壓器后濾去高頻諧波送入 CD4052準備采集,,輸出電流經(jīng)過互感器后濾去干擾信號,,再經(jīng)過精密采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號送入 CD4052準備采集。三相電壓信號和電流信號經(jīng)過 CD4052后送入兩片采樣保持器 LF398,,CD4052集成芯片的雙路選擇結(jié)構(gòu)能夠確保輸出同相的電壓信號和電流信號,,其通道地址由 PORTA.0和 PORTA.1給出。兩片采樣保持器 LF398的邏輯控制信號同時由 PORTD.2給出,,確保能夠采集到同一時刻的電壓信號和電流信號,。LF398的輸出信號由 PORTA.6、 PORTD.7輸入單片機,,由采集程序完成數(shù)據(jù)采集,。
頻率測量是通過將 CD4052輸出的單相電壓信號經(jīng)電壓比較器 LM339轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲ㄐ盘枺涉i相器 74HC4046進行頻率跟蹤,,再用分頻器 74HC4020分頻后輸入單片機的 PORTD.6,,利用單片機的輸入捕獲功能測量頻率。
2.2顯示接口,、按鍵接口和報警功能
數(shù)據(jù)顯示部分由數(shù)碼管和 LCD顯示兩部分組成,,按鍵主要用來進行顯示切換和系統(tǒng)復(fù)位。其接口和驅(qū)動電路如下圖所示:
LCD接口中 PB0,、PB1、PB2,、PB3,、PB6、PB7分別對應(yīng) LCD的/WR,、/RD,、RS,、 BUSY、/CS,、/RES引腳,,PD0~PD7做 8位數(shù)據(jù)口。數(shù)碼管驅(qū)動采用兩片 CD4514產(chǎn)生位選信號,,PD0~PD7輸出字型碼到 74LS245驅(qū)動 4×5位數(shù)碼管,,三片 ULN2803做吸收電流功能用。顯示方式由按鍵程序設(shè)定,。
當數(shù)據(jù)處理結(jié)果為過壓,、欠壓或低頻時, PORTD.5為高電平,,故障燈亮,,PORTD.6為低電平,三極管導(dǎo)通,,蜂鳴器響,,進行聲光報警,提示工作人員處理故障,。 3軟件模塊設(shè)計與實現(xiàn)在系統(tǒng)的軟件設(shè)計中,,采用模塊化設(shè)計方法,使得程序結(jié)構(gòu)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(gòu)成:主程序、鍵盤掃描處理子程序,、數(shù)據(jù)采集子程序,、數(shù)字濾波子程序、數(shù)據(jù)處理子程序,、顯示子程序等,。
在供電系統(tǒng)的運行過程中,接通和斷開負載都會產(chǎn)生高頻諧波干擾,,如果采用硬件濾波存在硬件電路復(fù)雜,、可靠性下降、綜合成本加大等諸多不利因素,。因此本測試系統(tǒng)求取電力參數(shù)采用數(shù)字濾波方式來祛除干擾,,通過軟件處理來代替硬件電路,取得了較好的濾波效果,。此外,,系統(tǒng)中還采用指令冗余、軟件陷阱等抗干擾措施,,使系統(tǒng)具有良好可靠性能,。
3.1交流采樣算法
(1)在一個周期內(nèi)對某一相電壓,、電流進行等時間間隔連續(xù)采樣,對得到的 N個采樣數(shù)據(jù)分別計算出電壓 U,、電流 I的有效值:
3.2軟件流程
主流程和按鍵檢測子程序流程如上圖所示,。按鍵檢測主要用于顯示切換, PORTC.0~ PORTC.4分別對應(yīng)于顯示設(shè)定為 U相,、V相,、W相或平均值數(shù)據(jù)采集和濾波子程序流程如上圖所示。方法為每次等時間間隔采集 16次,,經(jīng)過數(shù)字濾波后依次存入采集結(jié)果單元,。
數(shù)據(jù)處理和顯示控制子程序流程如上圖所示。數(shù)據(jù)處理子程序主要將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為顯示 BCD數(shù)據(jù)存入顯示單元,,并對過欠壓,、過流、低頻等作出判斷,。顯示子程序包括數(shù)碼管動態(tài)顯示和 LCD顯示兩大模塊,,其顯示方式由按鍵處理子程序控制。
由于篇幅關(guān)系,,本文就不再一一進行詳細介紹,。由以上流程所編寫的程序在實際運行中效果良好,運行穩(wěn)定可靠,,請廣大讀者作為參考,。
4結(jié)束語
本文所敘述的中頻電源測試系統(tǒng)在實踐中證明能夠快速、準確地采集各項電力參數(shù),,具有硬件結(jié)構(gòu)簡單,,軟件運行可靠,顯示方式靈活等特點,,在工程實際中具有一定的實用參考價值,。