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智能功率测量论文
智能功率测量仪
[摘要]
许多工业设备在运行过程中，需要对其进行实时在线测量，随时了解其功率等参数。
所以电力用户都迫切需要一种安全可靠、实施快速的交流电量检测仪器，有效地对参数进行测试。
本项目所研制的智能功率测量仪以INTEL8051单片机为核心，采用了交流采样计算技术，以软件代替了传统仪器中的大量硬件，将多种测量功能集于一身，用一台仪器就可以测量电流电压有效值、有功功率、功率因数等参数，并具有越限报警功能。
文中论述了该智能功率测量仪的工作原理，并讨论了非同步采样算法在本项目中应用的几个实际问题。
在此基础上，详细介绍了整个仪器的软硬件开发过程。
最后对仪器进行了误差分析，给出了误差分析结果。
[关键字]单片机,功率测量,非同步交流采样算法
[ABSTRACT]:
Duringtheoperationofindustrialdevices,areal-time,on–linemeasurementofthemulti-parameterwasdemanded,forexample,thepower.Therefore,powerusersurgentlydemandanewtypeofsafe,reliable,real-timeandhigh-speedmeasuringinstrumentofACparameters.
TheintelligentpowerappearancedevelopedhereisbasedonSingleChipMicrocomputer（Intel8031）.Weadoptalternatingsamplingandnumericalcomputationtechnology.Somehardwareusedintraditionalinstrumentisreplacedbysoftware.Wecanmeasuretheeffectivevaluesofvoltageandcurrent,power,powerfactorbytheinstrument.
Thepaperdiscussedtheprincipleoftheintelligentpowerappearance,anddiscussedasynchronousalternativesamplingalgorithmintheactualproblemofthisitem.Onthisfoundation,weintroducethedevelopmentofsoftwareandhardwareinthewholeinstrumentindetail.Atlast,theanalysisoferrorwascarriedonandtheresultoftheinstrumentwasgiven.
[Keyword]:
SingleChipMicrocontroller,Powermeasurement,Asynchronousalternativesamplingalgorithm
目录
第一章概述1
1.1课题背景介绍1
1.2课题简介3
1.2.1技术参数3
1.2.2本文的主要工作3
第二章系统设计原理及其方法4
2.1交流数字化测量方法4
2.2非同步采样算法5
2.2.1电压、电流采样算法5
2.2.2有功功率采样算法6
2.3误差处理7
第三章系统的硬件设计10
3.1系统硬件的总体设计10
3.2存贮器扩展10
3.3数据采集单元11
3.3.1模拟信号输入电路11
3.3.2模拟抗混叠低通滤波电路12
3.3.3整形二分频电路13
3.3.4采样和A/D转换电路13
3.4超量限判断电路16
3.5人机接口单元17
3.5.1键盘接口17
3.5.2显示接口17
3.6复位及“看门狗”电路17
第四章系统的软件设计19
4.1单片机汇编语言简介19
4.2主程序设计19
4.3功能模块20
4.3.1数据采集模块21
4.3.2显示模块23
4.4键盘管理模块23
4.5中断管理24
第五章误差分析26
结束语27
致谢28
感谢对本次论文支持的所有人！
参考文献28
参考文献29
第一章概述
1.1课题背景介绍
电力是人们日常生活和工业生产中的主要能源，在现代社会中起着越来越重要的作用。
电测量仪是一种测量电网中电压、电流、功率等参数的仪器，它在电力系统中起着非常重要的作用。
电测仪表的发展经历了三个阶段[8]。
第一代是指针式仪表，如模拟万用表、电压表、电流表，这些仪表的基本结构是电磁式、电动式、感应式、静电式等，由于这类仪表本身的机械结构和电磁结构的不稳定性和复杂性，一般精度较低，稳定性较差，应用场合有一定的局限性。
但由于它的原理简单、坚固耐用、容易生产、成本低，因而还在广泛使用。
第二代是数字测量仪表，这类仪表的基本原理是将被测量模拟信号通过电子线路转变为数字信号，进行计算并显示出来。
这类仪器同指针式仪器相比较精度有了很大的提高，能直观读取测量结果，而且可靠性高，易于使用。
但电子线路比较复杂，不能自动适应测量环境的变化，而且仪器的校准复杂。
第三代是智能仪器。
所谓智能仪器，一般指含有微处理器的仪器，通过微处理器来控制数据的采集，并对数据进行处理。
因此能够用软件的方法实现信息的采集、处理和存储，大大简化了仪器的整体结构。
这类仪器的硬件基础是采集技术和输入输出技术，而软件基础在于采样数据的处理方法。
同传统仪器相比较，其有如下特点[2]：
⑴测量过程的软件控制
计算机软件进入仪器，可以替代大量的逻辑电路。
仪器在CPU的指挥下，按照软件流程不断寻址、取指、进行各种转换、逻辑判断，驱动某一执行单元完成某一操作，使仪器的工作按照一定顺序进行下去，可以实现测量过程的高度自动化。
另外，软件控制也带来了很大的方便，当需要改变仪器功能时，只要改变程序即可，并不需要改变硬件结构。
⑵测量数据的处理
对测量数据进行存储和运算的数据处理功能是智能仪器最突出的特点，它表现在改善测量的精确度及对测量结果的再加工两个方面。
在测量精确度方面，大量的工作是对随机误差和系统误差进行处理。
过去传统的方法是用手工的方法对测量结果进行事后处理，工作量大，效率低，而且往往会受到主观因素的影响，使处理结果不理想。
智能仪器中用软件对测量结果进行及时的、在线的处理可以收到很好的效果，不仅方便、快速，而且可以避免主观因素的影响，使测量的精确度及处理结果的质量大大提高。
由于可以实现各种算法，不仅可以实现误差的计算及补偿，而且对仪器中的非线性校准等问题也易于解决。
对测量结果的再加工，可以使智能仪器提供更多高质量的信息。
可以对样本进行时域的（如相关分析、卷积等）和频域的（如幅度谱、相位谱、功率谱等）分析，这样就可以从原有的测量结果中提取更多的信息量。
⑶仪器的多功能化
智能仪器的软件控制测量过程及数据处理功能使得测量过程中采集的数据，可由具备不同测量功能的软件模块共享，一机多用的多功能化易于实现，这是智能仪器的又一特点。
⑷仪器有联网功能
智能仪器可以通过标准的接口和上位机通信，接收上位机的指令进行相应的动作，响应请求把数据传至上位机。
这样，多台智能仪器可以形成一个复杂的测量系统，可以方便地实现远程自动化测量。
⑸仪器具有自校正、自诊断功能
智能仪器有自动校正零点、满度和量程切换功能，大大降低了因仪器零漂和特性变化造成的误差，同时可以提高读数的分辨率。
另外，智能仪器在运行开始或运行过程中，可以对自身各部分进行一系列测试，一旦发现故障就可以报警，并给出相应的故障位置，给系统维护提供很大的方便。
近年来，随着数字信号处理器（DSP）的广泛应用和多种电测专用集成芯片的成功开发，将第三代电测仪表的发展推向了高潮。
美国AD公司提供了一种电测仪表方案，采用“DSP＋MCU＋高精度ADC”的解决方案，结果在不减少功能的前提下，缩小了体积、功耗、可靠性明显提高。
同时，若增加具有扩展功能的外围辅助电路，并采用相应的软件，便可满足客户的特定功能需求，灵活性大大提高。
依托微电子、计算机、软件、通信和网络技术的飞速发展，现代电工电子仪器和自动测试技术的进步日新月异，最先由国防、军方对仪器仪表产业提出的应具有的开放式工业标准、互换性和互操作性要求的合理性与正确性，已经越来越受到更多用户和生产企业的认同。
满足以上要求的虚拟仪器的出现及其应用领域的不断扩大，已给仪器仪表产业指明了一个发展趋势──仪器标准逐渐向计算机标准靠拢。
这样，可以充分利用计算机的软硬件资源。
不同功能的仪器仅体现于测量模块及其软件的不同，而各种测量功能都是由测量程序来完成的。
仪器不再以传统的独立形式出现了，一台计算机只要配备相应的测量模板或扩展机箱，就可立即成为存储示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪、数字多用表、函数发生器等仪器。
另外，以计算机技术为基础，虚拟仪器的高精度、高稳定性的实现已变得相当容易。
目前，高精度的电量测量仪器已经和计算机、软件、大规模集成电路、甚至是网络技术的联系越来越紧密，因此，虚拟式电参数测量仪的诞生为时不远了。
1.2课题简介
1.2.1技术参数
传统的功率测量仪的局限性一般体现在以下几个方面：
第一，进一步提高精度十分困难，动圈式仪表目前只能做到一级，自动平衡仪表结构相对复杂，精度一般在0.5级，若采用闭环结构虽可以提高精度，但随之而来的却是结构相当复杂，成本也会大幅提高。
第二，仪器的功能单一，进行综合测量时要携带多个仪器，操作人员工作强度大。
第三，无法重新写入程序，实现软件升级，提高劳动生产率。
本课题研究的智能功率测量仪可用于在线进行交流电压电流有效值、有功功率、功率因数等电量参数的综合测量，采用LED显示，读数直观、准确。
并且程序存储器采用了EPROM，可以很容易的实现软件升级，从软件方面提高仪器精度。
具有广阔的市场和发展前景。
该仪器要求达到的技术指标为:
电压量程：
420V
电流量程：
10A
交流电压、电流有效值测量：
准确度0.5%；
交流有功功率测量：
准确度0.5%；
1.2.2本文的主要工作
⑴查阅了大量的国内外有关电参数测量仪器方面的文献资料，剖析了一些电测仪器的实际产品，并吸取同类产品的优点。
⑵根据目前电参数测量仪的发展趋势和现有的设计条件，提出了多功能电参数测量仪的整体方案和技术要求。
⑶分析了各种算法的优缺点和实现的可行性，选用了非同步采样算法。
⑷完成了系统硬件部分选型、设计和制作。
⑸完成软件方案的整体设计，进行了具体的软件编程，实现绝大多数功能。
第二章
系统设计原理及其方法
2.1交流数字化测量方法
测量[11]就是借助专用的器具，通过实验、计算来获得表征被测对象特征的某些参量的定量信息。
交流电参数的测量，通常指对交流工频信号的测量，包括电压、电流、频率、功率等参量。
其中，电压、电流的测量包括有效值和峰值的测量。
功率包括有功、无功和视在功率的测量。
不同的仪器采用不同的方法，也就决定了测量结果的准确度。
在数字化测量技术应用以前，人们通过模拟电子线路及电磁机构来测量交流信号，并用指针显示测量结果。
采用这种方法制作的仪器，体积大、精度低、操作复杂。
随着微处理器及大规模集成电路技术的发展与应用，测量技术进入数字测量阶段。
数字化测量技术的基本原理是将被测量先转化为相应的数字量，进而传输、存储、数据处理、显示和打印等。
数据处理在数字化测量技术中处于重要地位，通过不同的数据处理方法，可以对不同信号进行测量，实现自动校准、非线性补偿、数字滤波等功能，从而修正和克服了各个变换器、放大器等引入的误差和干扰，有效地提高了仪器的精度和其它性能指标。
目前，采样计算式测量方法主要分为两类[8]：
直流采样法和交流采样法。
直流采样法，即采样的是经过变换后的直流量。
采用直流采样法通常是通过测量平均值来计算电压、电流有效值的。
此方法软件设计简单、计算方便，对采样值只需作比例变换即可得到被测量的数值。
但是直流采样方法存在一些问题，如：
测量准确度直接受整流电路的准确度和稳定性的影响；整流电路参数调整困难,而且受波形因数的影响较大等。
当被测信号为纯正弦量时,有效值Vrms与平均绝对值Vave之间的关系为：
Vrms=1.11Vave。
当输入信号中含有谐波时,Vrms与Vave之间的关系将发生变化,并且谐波含量不同，两者之间的关系也不同，这将给计算结果带来误差。
目前，随着电网中非线性负载应用的增多，所产生的高次谐波电流大量注入电网中，使得电网电压、电流波形发生了很大的畸变，这样一来，采用直流采样方法就会带来较大的误差。
交流采样是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，再用一定的数值算法求得被测量的值，它与直流采样的差别是用软件功能代替硬件功能。
1974年美国国家标准局的R.S.Turgel博士将计算机采样数值计算用于精密测量领域[21],研制出第一台用采样方法的数字式瓦特表。
从此，这种采样计算式的周期信号的测量方法，在国际上获得了人们广泛的研究兴趣。
交流采样相当于用一条阶梯曲线代替一条光滑的连续曲线，其原理误差主要有两项：
一项是用时间上离散的数据近似代替时间上连续的数据所产生的误差；另一项是将连续的电压和电流进行量化而产生的量化误差。
采用均匀采样方式对周期信号进行数字化测量时，把采样频率与信号基波频率之间是否存在整数倍的关系，称为同步采样或非同步采样。
两者间满足整数倍关系的采样称为同步采样，否则便称为非同步采样。
同步采样理论上可以达到精确的信号测量和分析的目的[21]。
但实际同步采样中，尤其是在非正弦情况下，由于硬件锁相环路的跟踪误差或采样频率软件自动锁定误差的存在，总存在同步误差。
当采样同步误差
大于0.01%时[22]，测量系统的误差便将较快地增长。
准同步采样法，即在非同步度不太大的情况下,通过适当增加采样数据量和增加迭代次数来提高测量准确度的方法，它较好地解决了同步误差对测量准确度的影响。
但它需要通过增加采样周期并采用迭代运算的方法来消除非同步误，其所需数据较多,计算量远大于同步采样，运算时间较长。
2.2非同步采样算法
本仪器的设计中，采样方法采用了非同步采样技术中的非过零起始采样算法[10]。
由数学分析方法可知在区间[0，T]上的复化矩形数值求值公式为
（2—1）
复化梯形数值求值公式为
（2—2）
2.2.1电压、电流采样算法
周期为T的交流电源u（t）在一个无源单端口网络产生电流i（t），则电压u（t）、电流i（t）的有效值U、I可分别表示为[1]：
（2—3）
（2—4）
如果把u2（t）、i2（t）看作一个函数f（t）的话,不再考虑开方运算，则可表示成以下形式
（2—5）
式中F0表示周期信号f（t）在一个周期T中的均值。
对于电压F0=U2，f（t）=u2（t）；对于电流F0=I2，f（t）=i2（t）。
本仪器设计中，电压、电流测量是在采样瞬时值u（t）、i（t）（i=0，1，…，n）获取后，通过复化矩形完成的。
被测电压u（t）与电流i（t）有效值定义（2—5）可知，电压与电流测量中所完成的积分均值运算式相同的。
因此，以电压为例，而电流测量算法则是相同的。
将式（2—1）代入式（2—5），取F0=I2，f（t）=i2（t）可得
（2—6）
则
（2—7）
在电压侧量中，主要依据式（2—7）的算法完成有效式的计算。
上述计算是在理想采用情况下进行的，这种采样是将被测信号的一个周期平均分成n等分。
设每个采样间隔时间为ts，则周期T与n和ts之间的关系可以表示为
（2—8）
2.2.2有功功率采样算法
对于一个无源单端口网络，若加上电压u（t）产生电流i（t），用T表示电压、电流信号的周期，则有功功率为[1]：
（2—9）
如果把u（t）与i（t）的乘积看作一个函数f（t）的话，则式（2—9）可以写成
（2—10）
有功功率测量过程中的采样方法与电压、电流测量过程中的采样一致。
电压、电流的瞬时值u（t）、i（t）（i=0，1，…，n）被同时采样，并A/D转换后存于内存，瞬时功率值由u（t）与i（t）瞬时值乘法计算得到。
由有功功率定义和复化矩形数值求积公式可得
（2—11）
式（2—3）为本仪器中有功功率采用测量算法公式。
与电压、电流测量技术相同，有功功率测量中采样间隔为
（2—12）
2.3误差处理
在理想的线性系统中，系统的输入与输出之间成比例关系。
但现实中理想的系统是不存在的，严格意义上讲，系统不但是非线性的，而且是时变系统，非线性和时变的程度决定了仪器的精度。
在传统模拟仪器的研制和生产过程中，通过选择线性度好、温度漂移小的元器件来提高仪器的精度，但这是以增加仪器成本为代价来实现的。
随着微处理器的应用和数据采集技术的发展，仪器的结构发生了很大的变化，应用微处理器高速数据处理功能来替代模拟电子线路，并对测量结果进行误差分析和处理，来提高仪器的精度，降低成本。
要对仪器系统测量结果进行数据处理和误差补偿，首先应正确分析仪器的测量误差。
一般测量误差可分为三类：
①系统误差，这是系统本身所具有的，应该在测量过程中进行校正和采用正确合理的测量方法，把它们尽可能地减小或消除。
②随机误差，主要由各种随机量对测量值的综合影响，它在多次测量的总体上服从统计规律，因此可以通过统计学的方法来减小它。
③粗大误差，这一般由于实验者不正确的操作和试验条件的突变引起的。
含粗大误差的测量结果成为坏值，应予以剔除。
本设计中采用了自校准技术[1]来消除系统误差。
在智能仪器中，利用微处理器的数据处理功能，通过专门设计的校准程序，必要时增加少量附加电路，可对仪器自身进行校准，以消除系统误差对测量结果的影响，这种功能称为系统的自校准。
在一定条件下，选择一个标准基准量代替被测信号进行测量，从而可以得到仪器的系统误差，将误差存储起来，在以后的实际测量中扣除此系统误差，就可得消除误差后的校准值。
图2.3是用来克服智能仪器中增益和零漂对测量结果影响的自校准电路。
自校准时，首先将多路开关接通地，因此系统输出电压为：
（2－13）
式中G是系统的总增益，ε为折合到系统输入端的增益及漂移的影响，其次将开关接通到基准电压输入端，测量电压为
（2－14）
最后接通待测电压V，得
（2－15）
由式（2－13）、（2－14）、（2－15）可解得：
（2－16）
上式中，已将仪器增益及零漂变化对测量结果得影响ε消除掉了，可见测量过程中只要将测试值存入仪器内存中，利用式（2－16）即可实现自校准。
在上述校准过程时间较短，所以认为零漂和增益是常数。
安排内部自动校准有二种方案：
1、每测量一个被测量都进行零点漂移和倍率偏离的自动校准。
这是测试速率会显著降低，测量时间会增加2倍。
以牺牲速度求测量的准确度。
2、有选择的进行自校准。
设置“自校准”按钮，只有在按此按钮时，进行一次校准。
本仪器设计时，采用了第二种方案。
第三章
系统的硬件设计
3.1系统硬件的总体设计
本设计采用INTEL公司的8031单片机作为处理器，系统主要由信号采集、人机接口、等几个功能模块组成。
整个系统的图3.1所示。
它的工作过程是把被测交流电压、电流信号经过电压、电流传感器变换成-4.5～4.5的交流电压信号，再进行抗混叠滤波。
采样模块对信号调理模块的输出进行采样，采样值进行A/D变换后存入数据存储器，采样过程结束后，CPU对采样值进行数据处理。
根据第二章中的算法，计算出电流、电压有效值，有功功率等参数，处理结果可以在LED显示器上显示。
3.2存贮器扩展
在对单片机进行开发时，首要的问题就是存储器和I/O口的扩展。
单片机内部虽然设置了一定容量的存储器，但是这种存储器一般容量较小，远远满足不了实际需要，因此需要从外部进行扩展，配置外部存储器，包括程序存储器和数据存储器。
由于本设计中测量的数据量和计算量都较大，而且8031单片机不带片内程序存储器，所以进行了数据存储器和程序存储器的扩展。
8031单片机有16根地址线，并且程序存储器和数据存储器空间是相互独立的。
因此它们的寻址空间都为64K字节（0000H～FFFFH），本设计中扩展了2K数据存储空间和8K程序存储空间。
分别选用了静态RAM6116[4]和EPROM2764[4]。
由于8031单片机的P0口是分时复用的地址/数据总线，因此在进行存储器扩展时，必须利用地址锁存器将地址信号从地址/数据总线分离开来。
设计中采用了带三态缓冲输出的八D锁存器74LS373[7]。
将74LS373的锁存控制端G与单片机的锁存控制信号端ALE直接相连，在ALE下降沿进行地址锁存，锁存住地址信号低8位（A0～A7），高8位地址（A8～A15）由P2口提供。
具体连线时将第16～12根地址线（A15～A11）参与片选控制，而将低8位（A0～A7）接到6116和2764的相应地址线，将高3位（A8～A10）接到6116和高5位（A8～A12）接到2764，这样就完成了2K数据存储空间和8K程序存储空间的寻址。
3.3数据采集单元
采集的信号由此进入仪器，在此基础上仪器进行数据处理，因此，仪器的测量精度也与该单元的质量密切相关，所以，要根据仪器的技术要求合理选择通道的结构，恰当地选用芯片，并把它与主机电路正确连接起来，它包括模拟信号输入电路、抗混叠滤波电路、A/D转换电路等。
3.3.1模拟信号输入电路
系统的输入信号通过交流电压输入回路和交流电流输入回路，被测电压电流信号转换成为幅值为-4.5V～4.5V的电压信号。
这样就把电力系统中的强电信号变换成A/D转换器可以处理的弱电信号，同时起到隔离和抗干扰的作用。
由于电网并不稳定，常常会出现幅值很高的高压脉冲，要将其幅度加以限制才不至于损伤后级器件，最简单的方法就是用两个并联且方向相反的二极管接在电流/电压转换电路运算放大器的输入端上。
一、电压输入回路
电压输入回路由无源电阻分压器、同相放大器组成；量程为420V。
电压输入电路中，电阻分压器及放大器反馈电阻都采用内部补偿特性的合金膜电阻，该种电阻具有非常小的时间常数。
同相放大器采用美国MAXIM公司CMOS工艺的斩波稳零运算放大器MAX430[11]。
这种运放不需要外部电容，采用
电源，为简化仪器中的电源设计提供了方便；该运放具有非常小的失常电压，使电压输入回路具有较好的特性。
二、电流输入回路
电流输入回路由电阻分流器、同相放大器组成，量程为10A。
电流输入回路中分流器电阻采用锰铜片无感绕制作成，其余电阻均采用合金膜电阻以保证电阻具有非常小的时间常数。
电流输入回路中的集成运算放大器采用美国MAXIM公司生产的MAX430。
3.3.2模拟抗混叠低通滤波电路
系统处在一个强大的干扰源――电网中，另外由于传感器、放大电路本身的影响，造成在信号进入多路开关之前，所采信号中混有各种频谱的信号，但是很多是我们所不需要的。
而且在实际应用中要获得模拟信号的全部信息，也要满足奈奎斯特采样定理的要求，防止发生频谱混叠。
因此在进行采样前，要对信号进行滤波。
为了获得较好的滤波性能本设计中采用了二阶有源低通滤波器[17]，如图3.4所示。
图3.4
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