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路灯控制器
城市路灯控制器
摘要
本系统采用C8051F340为控制核心，利用其最高采样速度为66kps的12位AD对输入交流信号进行采样，从而可求得交流输入电压、电流的有效值U和I，并用其外部中断测量交流电压和交流电流的相位差；通过对数据的处理与计算，求得有功功率P、无功功率Q、视在功率S及功率因数PF等电能质量参数，利用傅里叶变换求得各次谐波的频率分量，并且在LCD12864上显示出各电能参数和输入信号波形。
本设计具有测量精度准确，系统反应速度快等优点。
关键字：
C8051F340,电能质量参数，傅里叶变换
一、设计任务
设计并制作一个能对城市路灯进行监控的系统。
其原理示意图如下：
1、基本要求
（1）能根据日落和日出控制路灯开、关灯
（2）当传感器失效时，控制器仍能按照内部设定时间进行正常开关灯
（3）三位及以上数字显示路灯支路电压和电流，测量误差：
<5%±1LSB
（4）有关键盘设定参数要有失电保存功能
2、发挥部分
（1）根据一年四季节气变化对路灯开关灯进行最优节能控制。
（2）晚上12点后，每只路灯亮度减半。
（3）能显示路灯亮灯率。
二、方案论证与比较
1.CPU选择
方案一:
选择AT89c52作为核心控制元件，但是在系统的设计中需要大量存储所采集的数据，同时还要对数据进行处理。
AT89c52内存空间相对较小且其运算速度不能满足数据的高速处理。
方案二:
选择siliconlab的C8051F系列的单片机，根据系统的设计要求，采用C8051F340单片机，其内存空间有64KB,内部振荡器经过倍频可到48M，完全满足高速处理数据的要求，同时其内置10位AD可满足系统采样的精度，而且可以减少单片机的外围器件。
比较以上二个方案的优缺点，我们决定使用方案二。
2.稳压电源模块
方案一:
由市电经过变压器和整流桥输出直流，在经过LM7805，LM7809等稳压芯片输出5V和9V的电源，为系统供电。
方案二:
采用开关电源，但其电路相对复杂，输出纹波大。
方案一，电路结构简单，易于实现，且是线性电源，纹波输出相对较小，故本系统采用方案一。
3.键盘与显示模块
方案一:
采用LCD1602，由于LCD1602只能显示2*16的字符，所以不能显示输入信号的波形。
方案二:
采用LCD128128，虽然可以完全满足波形的显示需要，但是价格比较昂贵。
方案三:
采用LCD12864F，字符型点阵液晶，可以显示字符和绘画图形，性价比较高，而且也满足系统设计要求。
综上所述，本系统采用方案三
三、系统的具体设计与实现
根据题目要求，我们可以把系统划分成以下几个模块：
单片机模块、传感器模块、控制模块、键盘与显示模块、稳压电源模块,见附录图2-1。
1．输入信号调理电路
交流输入电压和交流输入电流的调理电路原理见附录图1和图2。
直接用单片机内部的AD测量将交流输入电压信号和交流输入电流信号两路信号。
因为单片机AD的电压测量范围为0~2.5V,，输入信号的Vpp最大为14V，所以将输入信号用LF353制成的电压跟随器后，再经过加法电路抬高直流分量，并衰减约6倍后，此时Vpp最大为2.5V，然后才送到单片机的AD引脚上。
同时将电压跟随器输出的信号，经过过零比较器LM311整成方波。
将两路LM311输出的方波再进过74HC00转为1路方波，方波的高电平的占空比即交流输入电压和交流输入电流的相位差。
用单片机测量出该方波的周期和占空比时间，即可求出相位差。
从而可以计算出交流输入电压的有效值、交流输入电流有效值、有功功率，无功功率，功率因素等。
2.稳压电源电路
稳压电源的原理图见附录图3和图4所示，LM7809和LM7909的输出电压为+9V和-9V，给运放LF353供电，7805输出+5V用于LCD12864工作电源。
LDO芯片HT7533提供+3.3V输出，供单片机和部分模拟数字电路供电，考虑到本系统中存在数字系统与模拟系统，所以电源经LC滤波，数字地与模拟地采用星型解法和一点供地，防止相互干扰。
3.电能参数的测量与计算分析
（1）有效值测量分析
根据公式
，因为对输入的电压信号进行了整个周期的完整AD采样，所以可以查找出输入信号一个完整周期内采样值的最大值和最小值，由
即可求出采样信号的Vpp，进而求得电压信号的有效值，同理，输入的电流信号有效值可通过
和
求得。
（2）有功功率、无功功率、功率因数测量分析
三个参数的计算公式如下所示：
无功功率
，有功功率
，功率因数可
其中有功功率的单位为瓦，符号为W，无功功率为乏，符号为var，，电压的单位为伏特，单位V，电流的单位为安培，符号为A。
视在功率为伏安，功率因素为力，其中I、U为输入交流电流和交流电压的有效值，θ就是相角，即电压与电流之间的夹角。
通过公式可看出：
测量出输入交流电流、交流电压的有效值和夹角θ，即可求出这三个电能参数的值，其中夹角由相位差推导出。
求夹角θ：
在本系统中我们采用硬件电路把夹角转换为求高电平的持续时间，即求占空比的大小。
具体的硬件电路见图3-1
电流信号和电压信号经过电压跟随器输出，并经过一个过零比较器，把正弦信号转换为方波信号。
如图3-2所示
当电流信号为高电平时，电压信号为低电平时，电压经过非门变为高电平，与电流信号与非之后输出为低电平。
在电流信号为高电平时，电压信号为高电平时，
电压经过非门变为低电平，与电流信号与非之后输出为高电平。
其他情况为高电平。
而低电平的时间正好与夹角呈正比例。
所以求出它们的比例即可求出夹角的的大小。
（3）谐波的测量分析
谐波的测量我们采用递推的方法进行计算，递推法谐波的测量是基于傅里叶变换，设输入量傅里叶级数表达如下：
（1）
式中，l为谐波的次数，l=0，1，…，m；ω为基波角频率；Acl、Asl为第l次谐波的余弦和正弦分量的幅值。
式中，Ts为采样间隔，T=TsN为信号基波周期，则N为一个基波周期内的采样点。
（2）
（3）
Acl（k）、Asl（k）分别对应当前时刻点第l次谐波的余弦和正弦分量的幅值，同理可得前一采样间隔时刻点Acl（k-1）、Asl（k-1）的计算公式：
（4）
（5）
分别用式
（2）—式（4）和式（3）—式（5）整理，可得：
（6）
（7）
由式（6）和式（7）就可以求得各次谐波分量的模值和相位角[15]。
由式（6）和式（7）可见，用递推法计算基波及各次谐波非常简洁，相对于FFT来说运算量非常小，更不用说普通DFT，而且该方法不需FFT算法要求的每周波采样点N为2的整数次幂。
随着采样频率的增加，FFT算法计算时间成倍增长，而递推法计算时间却不变，这也是递推法的重要优点。
4.液晶显示与键盘输入
我们采用一块LCD12864来显示电能参数和实现波形的显示。
其硬件的电路连接图见附录图5所示。
显示波形时，电压电流两路信号同时显示在屏幕上。
并且可通过按键实现参数和波形的交叉显示。
三、主要软件流程图
软件的具体流程见附图6所示
四、系统测试
1.指标测试
表1-1：
有效值，功率测量数据
电流有效值
电压有效值
交流电压Vpp
交流电流Vpp
相位差
有功功率
无功功率
视在功率
功率因素
1
1
2.82
7.99
0.15
0.98
0.148
1
0.98
1.5
1.5
4.24
11.9
0.25
2.18
0.55
2.25
0.96
2
2
5.66
15.9
0.45
3.60
1.732
4
0.90
2.5
2.5
7.07
19.9
0.67
4.89
3.88
6.25
0.78
3
3
8.48
23.9
0.75
6.58
6.13
9
0.73
3.5
3.5
9.88
27.9
0.95
7.12
9.96
12.25
0.58
4
4
11.31
31.9
1.01
8.50
13.5
16
0.53
4.5
4.5
12.72
35.9
1.3
5.4
19.5
20.25
0.26
5
5
14.14
39.9
1.5
1.76
24.9
25
0.07
表1-2：
谐波测量及频率数据
电压一次谐波
电压二次谐波
电压三次谐波
电压四次谐波
电压五次谐波
频率
1.27
0.005
0.422
0.003
0.252
49.9
1.26
0.004
0.423
0.003
0.252
50
1.24
0.005
0.422
0.002
0.251
50
1.25
0.005
0.423
0.003
0.253
49.9
1.26
0.004
0.424
0.003
0.252
50
2.误差分析
从硬件方面，由于C8051F330内置AD精度为10位，虽然存在一定误差，但已完全能满足系统的设计要求。
从软件方面，由于数据处理中存在浮点型运算，会导致输出数据也存在误差，但在精度上已完全达标。
六、设计总结
经过四天三夜的努力，终于成功的完成了题目的基本要求和发挥要求，并在此基础上又进行了进一步的创新与发挥。
在设计过程中，我们遇到了许多困难，制作曾一度陷入僵局，首先，在整体方案的思路上，三个人有了些分歧，在第一天中午吃饭的时候终于统一了目标。
还有为了满足题目的要求，又在自己能力范围内的方案，网上没有现成的，每模块都得自己通过一个个小模块搭建起来。
第三个问题就是运放了，运放是个好东西，但是对于不熟悉的人来说就是一种折磨，我们在运放调试上花了很长的时间。
为了选择一个最佳方案我们进行了很长时间的论证；还有最基本的就是焊接的电路有时不能保证完全准确，浪费了大量的时间检查调试。
在这个过程中我们深刻的体会到了团队合作精神及合理分配的重要性，提高了自己解决问题的能力。
六、参考文献
【1】林海雪．现代电能质量的基本问题．电网技术，2001，25（10）：
5
【2】马玉龙．电能质量监测系统厂站装置的研究，华北电力大学硕士论文，20
【3】林海雪．电力系统的三相不平衡．北京：
中国电力出版社．1998．28
【4】肖湘宁．电能质量分析与控制．北京：
中国电力出版社，2004．
附录
1.模块图电路
图1电压输入信号处理
图2电流输入信号处理
图3稳压电源1
图4稳压电源2
图5液晶与键盘
图6软件流程图
2.系统原理图
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