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1、本科毕业设计(论文)题目：电能质量分析硬件设计院（系） 电子信息工程学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 0090415 姓 名 陈凯 学 号 090415101 导 师 宋晓茹 2013年 6月 电能质量分析硬件设计摘 要 现代电力电子设备和非线性负载的大量使用又造成电能污染日趋严重，电能质量成为电力部门及其用户日益关注的问题,因此对电能质量进行检测与分析具有重要的意义。本文在查阅国内外电力参数检测技术的有关文献资料的基础上，提出了基于PIC单片机的电能质量检测仪的总体设计方案, 设计采用以PICl8F458为核心，设计了相应的数据采集与转换模块、通讯转换电路、人机交换电路、时钟电路，最
2、后的实验调试结果表明，本设计是可行的！ 关键词：PIC单片机；电能质量检测；电压检测；频率转换The Power Quality Analysis hardware designAbstractModern power electronic devices and nonlinear loads caused by heavy use of energy and pollution is worsening, power quality, power sector and its users become a growing concern. However, with science and
3、 technology and the rapid development of the national economy, industrial production on the power quality have become increasingly demanding. Therefore, power quality testing and analysis has important significance. In the literature on the basis of domestic and international power parameter detecti
4、on technology, the overall design of the PIC microcontroller-based power quality detector design uses a PIC18F458 as the core, the design of data acquisition and conversion modules, communication conversion circuit, the human-computer exchange circuit, clock circuit. The final experimental debugging
5、 results show that the design is feasible.Key Words: PIC microcontroller; power quality detector; voltage detection; frequency conversion目录摘 要IAbstractII1绪论11.1电能质量问题的提出11.2电能质量定义21.3电能质量的指标31.3.1电压偏差31.3.2频率偏差31.3.3电网谐波含量31.3.4电压波动与闪变41.3.5三相不平衡度41.4电能质量的改善措施51.5电能质量检测的研究现状与展望61.6系统主要研究内容62电能质量检测系统
6、总体设计72.1系统功能72.2系统组成73电能质量检测系统的硬件设计93.1系统硬件框图93.2单片机简介93.2.1PIC18F458系列概述103.2.2PIC18F458单片机整体控制113.3数据采集与转换123.3.1电压和电流的检测123.3.2信号调理电路143.3.3A/D转换电路143.3.4测频电路153.4通信转换电路163.4.1CAN总线简述163.4.2CAN总线与PIC单片机的接口设计163.5人机交换部分电路设计173.5.1键盘接口设计173.5.2LCD接口设计183.6时钟电路设计203.6.1芯片介绍203.6.2时钟芯片接口设计204电能质量检测系统
7、的抗干扰设计224.1干扰的成因及危害224.2硬件干扰设计225电能质量检测系统调试245.1系统硬件设计特色245.2系统调试246结论25致 谢267参考文献27毕业设计（论文）知识产权声明28毕业设计（论文）独创性声明29附录30附录A 电路原理图30附录B PCB布线图31附录C 外文翻译321 绪论电能是一种经济、实用、清洁且容易控制和转换的能源形态，是电力部门向电力用户提供由发、供、用三方共同保证质量的一种特殊产品。随着科学技术和国民经济的快速发展，各种工业生产对电力系统电能质量的要求越来越高，电能质量的高低，已成为影响国民经济发展的重要因素。然而，现代电力电子设备和非线性负载的
8、大量使用又造成电能污染日趋严重，电能质量成为电力部门及其用户日益关注的问题。因此对电能质量进行检测与分析具有重要的意义。1.1电能质量问题的提出 随着科学技术的进步，特别是电力电子技术的发展，电网中冲击性、非线性负载不断增加，使得电网出现谐波污染、电压波动、闪变、功率因数降低、三相不平衡等问题。这些问题严重影响了电力系统的安全、稳定运行。同时，人类社会已经进入以计算机技术为基础的信息型社会，高速计算机、网络通信设备、数字存储器等电子设备在人们的生活、生产中得到了广泛的应用，这些精密设备对电能的供应提出了更高的要求。 用电需求增加和电力系统规模扩大，非线性、冲击性、不平衡性的负荷日益增多，所导致
9、的各种电能质量问题也越来越严重，造成电网供电质量降低，运行状况恶化。电能质量引发的纠纷和电网事故呈上升趋势，电能质量的检测管理和电力污染的治理工作变得越来越重要。电能质量问题已引起各国电力工作者的高度重视豫电能质量通常包括电压质量和电流质量。电压质量包括电压偏差、电压频率偏差、电压不平衡、电磁暂态现象、电压波动与闪变、短时电压变动、电压谐波、电压间谐波、电压缺口、欠电压、过电压等；电流质量与电压质量密切相关。电流质量包括电流谐波、间谐波、电流相位超前与滞后、噪声等。研究电流质量有助于电网电能质量的改善，降低线路损耗，但不能概括大多数因电压原因造成的质量问题，而后者往往并不总是用电造成的。为了提
10、高电能的传输效率，除了要求用户汲取的电流是单一频率正弦波外，还应尽量保持该电流波形与供电电压相同。目前，谐波、电磁干扰、功率因数降低己并列为电力系统的三大公害。电能质量问题主要由终端负荷侧引起，如冲击性无功负载会使电网电压产生剧烈波动，进而降低了供电质量。随着电力设备在各行各业的广泛应用和发展，它既给现代工业带来节能和能量变换积极的一面，同时又对电能质量带来了新的更加严重的损害，已成为电网的主要谐波污染源。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波还会引起电力系统局部发生并联谐振或串联谐振，使谐波含量被 放大，致使电
11、容器等设备烧毁。因而消除供配电系统中的高次谐波问题对改善电能质量和确保电力系统安全、稳定、经济运行有着非常积极的意义。1.2电能质量定义电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的质量。理想状态的公用电网应以恒定的频率、标准正弦波和额定电压对用户供电。同时，在三相交流系统中，各相电压和电流的幅值大小应相等、相位对称且相差120度。但由于系统中的发电机、变压器和线路等设备非线性或不对称、负荷性质多变，加之调控手段不完善及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态并不存在。因此，产生了电网运行电力设备和供用电环节中的各种问题，也就产生了电能质量的概念。电能质量的具体指标通常为国家技术监督局
12、相继颁布的涉及电能质量五个方面的国家标准，即：供电电压允许偏差，供电电压允许波动和闪变，供电三相电压允许不平衡度，公用电网谐波，以及供电频率允许偏差等的指标限制。围绕电能质量含义，从不同角度理解通常包括：(1) 电压质量。给出实际电压与理想电压间的偏差，以反映供电部门向用户分配的电力是否合格。电压质量通常包括电压偏差、电压频率偏差、电压不平衡、电磁暂态现象、电压波动与闪变、短时电压变动、电压谐波、电压间谐波、电压缺口、欠电压、过电压等。 (2) 电流质量。电流质量与电压质量密切相关。为了提高电能的传输效率，除了要求用户汲取的电流是单一频率正弦波外，还应尽量保持该电流波形与供电电压相同。电流质量
13、通常包括电流谐波、间谐波、电流相位超前与滞后、噪声等。研究电流质量有助于电网电能质量的改善，降低线路损耗，但不能概括大多数因电压原因造成的质量问题，而后者往往并不总是用电造成的。 (3) 供电质量。它包括技术含义和非技术含义两部分。技术含义有电压质量和供电可靠性;非技术含义是指服务质量，包括技术供电部门对用户投诉与抱怨的反应速度和电力价目的透明度等。(4) 用电质量。用电质量反映供用电双方相互作用与影响的责任和义务，它包括技术含义和非技术含义等。技术含义包括对电力系统电能质量技术指标的影响和要求。非技术含义是指用电责任和义务的履行质量，如用户是否按时、如数缴纳电费等。国内外对电能质量确切的定义
14、至今尚没有形成统一的共识。IEEE标准化协调委员会已经给出了power quality(电能质量)的技术定义，合格电能质量的概念是指，给敏感设备提供电力和设置的接地系统均适合于该设备正常工作。国际电工委员会(IEC)也给出了定义，电能质量定义是指在电力系统中某一指定点上电压的特性，这些特性可根据预定的基准、技术参数来评价。根据这一定义，可以认为电能质量就是电压质量，合格的电能质量应当是恒定频率和恒定幅值的正弦波形电压与连续供电。但大多数专家认为，对现代电能质量的定义应理解为“导致用户电力设备不能正常工作的电压、电流或频率偏差，造成用电设备故障或错误动作的任何电力问题都是电能质量问题”，这个定义
15、概括了电能质量问题的成因和后果，当然这里的“偏差”应作广义的理解，它还包括供电可靠性的问题。1.3电能质量的指标理想的三相交流供电系统的三相交流电压是平衡的，其幅值和频率都是恒量。电压和电流的波形为正弦无畸变波形。电能质量通常用电网的实际状况与理想系统的差距来衡量。主要有五个指标：电压偏差、频率偏差、谐波含量、电压波动和闪变、三相电压不平衡度。1.3.1电压偏差电压偏差是指电力系统各处的电压偏离其额定值的百分比，当用电设备端子上出现电压偏差时，其运行参数和寿命将受到影响，影响程度视偏差的大小、持续的时间和设备状况而异，电压偏差计算公式如下：电压偏差（）（实际电压额定电压）/额定电压*100 (
16、1.1)目前，GB12325-1990供电电压允许偏差中规定：电压偏差是在正常运行条件下应保持电网各点电压在额定的水平上。其中：35kv 及以上供电电压和对电压质量有特殊要求的用户为55；10kv 及以下高压供电和低电压用户为额定电压的77；低压照明用户为额定电压的510为了保证用电设备的正常运行，在综合考虑了设备制造和电网建设的经济合理性后，对各类用户设备规定了如上允许偏差值，此值为工业企业供配电系统设计提供了依据。1.3.2频率偏差我国的电力系统额定频率为 50Hz，频率偏差是指电力系统频率的实际值和额定值之差，用下式表示： (1.2)式中f为频率偏差，f为系统的实际频率，fN为系统的额定
17、频率，即50Hz。频率偏差对电力系统极其设备的影响，取决于偏离值的大小和偏移持续时间。概括地说正负 0.5Hz之内主要是经济问题，即引起设备的效率降低。偏离值超过了正负0.5Hz不仅使设备效率降低，还有可能危及设备的安全，轻则引起不可逆的累积性损伤，重则立即损坏设备，导致系统瓦解甚至崩溃。1.3.3电网谐波含量谐波即对周期性的变流量进行傅立叶级数分解得到频率大于1的整数倍基波频率的分量。电网谐波产生的根本原因是由于系统中某些设备和负荷的非线性特性，即所加的电压与电流不成线性关系而造成的波形畸变。波形畸变后，会产生高次谐波。这是因为对一个周期性非正弦量（如电压、电流、磁通等）进行傅立叶级数分解，
18、即可得到一个同频率的和很多整数倍频率的正弦波之和，即基波和各次谐波。对谐波的测量一般包括：各次谐波分量幅值和相位，各次谐波含有率（HR）、总谐波畸变率（THD）、谐波功率（Ph）。为了定量表示电力系统正弦波形的畸变程度，采用以各次谐波含量及谐波总量大小表示的下列波形畸变指标：(1) 谐波含有率（HR）：h次谐波分量的有效值（或幅值）与基波分量的有效值（或幅值）之比。(2) 总谐波畸变（THD）：谐波总量的有效值与基波分量的有效值之比。理论上，谐波测量通常是利用谐波分析的方法求出信号的各次谐波（电压或电流）的幅值和相角，然后由相应公式可以方便的求出总谐波畸变率（THD）、谐波功率（Ph）。电网谐
19、波的增加，将导致电器设备寿命缩短，网损加大，系统发生谐波谐振的可能性增加，同时可能引起继电保护和自动装置的误动，仪器指示和电度计量不准以及通信受干扰等一系列问题。由于谐波引起的损耗以及电气设备绝缘寿命的缩短所造成的等值损失量也很可观。如果电网中谐波严重超标或发生谐波谐振，则损耗将大大增加。提高电能质量，防止谐波的危害，限制电力系统的谐波，就是要把上列指标限制到国家标准规定的允许范围之内。1.3.4电压波动和闪变电压波动是指一系列电压变动或工频电压包络线的周期性变化。电压波动值为电压均方根值的两个极值Umax和Umin之差U，通常以其额定电压UN的百分数表示其相对百分值，即： (1.3)电压的快
20、速变动是指供电电压在两个相邻的，持续一定时间的电压均方根值U1和U2之间的差值，称为电压变动。通常以额定电压的百分数来表示电压的相对百分值。即： (1.4)在不超过30ms的期间内，同方向的二次或二次以上的电压均方根值的变动，只算作一次变动。也就是说，同方向小于30ms的快速变化不计入电压变动。在单位时间内电压变动的次数称为电压变动的频度。一般以1/min或1/s为单位。供电系统中电压的波动和闪变多是由用户的波动性负荷引起的，波动性负荷可分为周期性波动负荷和非周期性波动负荷两类。周期性或近似周期性的波动负荷对闪变的影响更为严重。波动性负荷在系统阻抗上将引起电压降上的波动。当负荷波动时，系统功率
21、和系统阻抗越大，则导致的电压波动越大，这取决于供电系统的容量，供电电压，用户负荷大小，类型，电动机起动频度和功率等。1.3.5三相不平衡度电力系统的三相不平衡是由于三相负载不平衡以及系统元件参数的不对称所致。当三相电源电压畸变不对称时，对于三相四线制电路，电压中除了含有谐波分量外，还含有正序，负序，零序分量。对于三相三线制电路，没有零序分量，所以，三相电量的不平衡度通常以负序分量与正序分量的有效值的百分比值来表示： (1.5)式中：U1为三相电压正序分量的有效值；U2为三相电压负序分量的有效值。三相电压的不平衡主要是因为分配在三相上的负荷不平衡所致。系统三相阻抗不对称，消弧线圈补偿电网不平衡，
22、电动机车等大容量非对称负荷的接入也会造成三相电压的不平衡。国际中对三相不平衡的规定如下：电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2，短时不得超过4，电气设备额定工况的电压允许不平衡度和负序电流允许值仍由各自标准规定。1.4电能质量的改善措施电能质量的好坏是电力工业水平的重要标志。改善电能质量，抓好管理工作是不可忽视的环节，因此我们可以做一些工作：1） 建立质量管理体系。2）电气产品的电能质量管理。3）改善 电能质量还要对电能质量进行研究。4）随着高性能的电力电子元器件(例如 GTO、IGBT、LTT等)的出现，国外专家提出了柔性交流输电 (FACTS)技术。在此基础上也提出了一些解决电能质量
23、问题的方法。(1) 调节有载调压变压器的分接头，可保持电压稳定，保证电压质量，但不能改变系统无功需求平衡状态，同时也可能影响变压器运行的可靠性。(2) 局部并联电容器组的投切，可补偿系统无功功率，解决电压偏低的情况，但对轻载电压偏高的电能质量问题却无能为力。(3) 无源滤波器是传统的抑制谐波电流的主要手段，它通过LC谐振吸收电网中的谐波电流但只能抑制固定频率的谐波，同时也可能造成系统谐振。(4) 通过备用发电机组和机械式双电源切换装置（2 S）等方法对重要用户连续供电。以上方法都能在一定程度上解决电能质量问题，但也都存在着本身无法克服的缺陷，因此必须提出新的解决电能质量问题的方法。1988 年
24、美国 N.G.Hingorani博士首次提出了Custom Power的概念，即将电力电子技术、微处理器技术、控制技术等高新技术运用于中、低压配、用电系统，以减小谐波畸变，消除电压波动、电压闪变、电压的不平衡和供电的短时中断，从而提高供电可靠性和电能质量的新型综合技术。用户电力技术的提出为全面解决供电网电能质量问题提供了一种新的途径。作为FACTS 技术在配电系统应用的延伸DFACTS技术（又称Custom Power技术）已成为改善电能质量的有力工具，该技术的核心器件IGBT比GTO具有更快的开关频率，并且关断容量已达MVA级，因此DFACTS装置具有更快的响应特性。目前主要的DFACTS装
25、置有：有源滤波器（APF）、动态电压恢复器（DVR）、配电系统用静止无功补偿器（DSTATCOM）、固态切换开关（SSTS），统一电能质量控制器（UPQC）等。其中APF（属于并联补偿）是补偿谐波的有效工具；而DVR（属于串联补偿）通过自身的储能单元，能够在ms级内向系统注入正常电压与故障电压之差，因此是抑制电压暂降的有效装置，UPQC综合了串联补偿和并联补偿的特点，既能抑制电流谐波，又能补偿电压畸变量，是一种综合的补偿装置。用户电力技术是基于用户对电能质量越来越高的要求的，提供多级别的电能质量服务将成为未来供电的趋势。基于现代电力电子和控制技术的用户电力技术将是解决这一问题的有效途径，其中，
26、用于提高供电质量的动态电能质量调节技术，提高电能利用率及利用新能源的电能变换技术，以及用于提高系统反事故能力的固态开关技术，这三种用户电力技术会大大提高供电质量的可靠性，有着广阔的应用前景。1.5电能质量检测的研究现状与展望由于电能质量需要检测的量很多而且大多是高度畸变的，传统的方法是采用模拟信号的分析，检测不同的电能质量指标使用不同的仪表。如传统的测量电压和电流有效值的电压表、电流表，测量功率损耗的有功表、无功表，测量频率的频率表，还有谐波表、三相不平衡度计、电压波动和闪变仪。此类仪器的不足之处是可监测的指标少，通用性差、精度较低、自动化程度较低。目前电能质量监测设备的发展趋势倾向于采用永久
27、性的固定设备对现场数据进行在线监测，对于固定电能质量监测设备而言，需要综合考虑成本和性能进行专门的研制。基于微处理器的智能化电能质量在线监测设备采用嵌入式系统和数字信号处理技术在设计上具有在线监测、智能化、网络化、实时性好和成本低的特点。它具有在线监测、精度高、升级潜力大、实时性好、体积小、成本低的特点，既适用于现场的测量分析，也适用于长期的在线监测。电能质量的分析和监测是一个复杂的系统工程。它设计到电力系统、自动控制、现代通信等多个方面。目前乃至今后一段时间内，它在发展中要解决以下几方面的问题：1）基础理论的研究。2）新型算法的开发。3）电能质量监测的网络化、智能化。电能质量分析及及其监测是
28、一个较复杂的问题，如何合理、全面地分析处理各种干扰源，充分将计算机技术和网络技术为电能质量分析与监测所用，都是应注意的问题。同时电能质量监测的发展趋势对监测系统在功能上提出了更高的要求，也表明这一应用领域的研究需要多种技术的相互融合和各个领域的密切合作。1.6系统主要研究内容本系统主要是通过对三相电流和电压进行检测，设计一套电能质量检测装置，该装置前台进行电流、电压值的采集，后台软件系统通过各种算法对采样进行分析，从而实时得到电、电压、频率及电压波动的值，并通过LCD显示相关数值。2 电能质量检测系统总体设计本设计用单片机 PICl8F458作为核心微处理器，结合电流、电压传感器进行对电网电能
29、质量参数的实时检测，并通过CAN模块进行数据传输，以达到高速实时，充分利用PICl8F458单片机的多功能集成而简化了硬件设计中的外围电路。2.1系统功能(1) 使用方便。便携式结构，尺寸小、重量轻、一个人即可携带仪器到现场测试；内置高性能锂电池，在无外接电源的情况下可连续工作；设计具有时钟，可以准确记录参数发生变化的时间。 (2) 开发方便。Microchip公司为用户的应用开发提供了丰富的硬件和软件支持，其中有各种档次的硬件仿真器和编程器。对于PIC系列中任一款单片机的开发，都可以借助于一套免费的软件综合开发环境，实现程序编写和模拟仿真。(3) 实时监测。检测仪检测出电能参数异常，检测仪可
30、以报警并把检测数据上传，方便了对事故的处理，减少更大的经济损失，对今后相同时段、地段的电能变化也有了数据支持。2.2系统组成基于PIC单片机的电能质量检测仪结构图如图2.1所示。系统设计的最基本要求是有能够满足电能质量检测任务计算要求的足够的处理能力。系统必须是易于实现、灵活、高效的。整个系统电路有以下几个部分：数据采集模块、微处理器单元、最小系统、人机接口、串口通信模块。(1) 数据采集模块本系统选择的是基于霍尔效应开环原理的电压传感器和电流传感器系列，这类传感器的副边能够精确的反应原边待测信号，具有线性好、精度高、工作范围高、电路简单可靠等优点，可以得到适合CPU的电压值。由比较器构成一个
31、过零比较电路，将电压信号转换成与电压信号频率相同的方波信号以采集频率信息。(2) 微处理器单元本系统使用的是由Microchip公司所生产开发的PIC芯片，具有Flash program程序记忆体功能，可以重复烧写程序，该芯片带有FLASH程序存储器和EEPROM，其内有A/D转换器（或称ADC）模块，用来将外部的各种模拟物理量变换为便于单片机内部处理的数字量。它有很多的优点：精简指令集，易学易用；八级硬件堆栈；具有同步串行口I2C/SPI总线操作，可用于控制外部实时时钟、EEPROM。PIC在一个芯片内集成了众多的功能模块并具备优秀微处理器特性和CMOS工艺特点,因此它可以减少外部器件,提高
32、产品可靠性和降低成本,另外它具有低功耗及宽工作电平,宽工作温度的特点。(3) 最小系统电源电路，PIC芯片的工作电压为5V连接电源管脚,接地管脚与地线相接；重置电路连接复位管脚,按下Reset后，内部指令重头开始执行，系统重新运作；单片机振荡电路与整体系统工作速度有直接的关系，例如同步异步串行传输、定时器等，都与振荡频率有关,PIC芯片外接振荡电路接于管脚OSC1与OSC2。(4) 人机接口 键盘及LCD显示屏是人机交换的接口，通过键盘操作进行实时显示电能质量信息。键盘：用于控制显示各种界面，通过菜单功能，方便进行显示界面的切换。LCD：实时得到电压、电流、频率、有功、无功功率、三相不平衡度及
33、电压波动值，并通过LCD显示相关数值。报警电路由发光二极管、三极管、蜂鸣器构成，当检测到异常信号时报警。(5) 时钟电路实时时钟（RTC）具有年、月、日、时、分、秒以及星期等日历及时钟，保持跟踪时间和日期等信息，可以记录故障的时间。(6) 通信模块CANBUS是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络，具有极高的可靠性，可用点对点、一点对多点及全局广播几种方式传递和接收数据。它的通讯距离最远可达5KBps/10KM，通讯速率最高可达1MBps/40M。微处理单元 人机交换模块 数据采集模块 最小系统 串口通信模块 图2.1 电能质量检测仪结构图3 电能质量检测系统的硬件设计3.1系统硬件
34、框图系统硬件设计如图3.1所示。本系统以单片机 PICl8F458为核心，数据采集、处理以及通信至主机进行数据处理都要通过单片机。数据采集通过电压传感器CHV100和电流传感器CHB300S 经过单片机内部的A/D进行AD转换完成。图3.1电能质量检测仪硬件图3.2单片机简介 本系统采用的 PICl8F458单片机是美国Microchip公司的高档产品，采用了RISC结构的嵌入式微控制器，其高速度、低电压、低功耗，大电流LCD驱动能力和低价位OTP技术等都体现出单片机产业的新趋势。其采用16位的类RISC指令系统，由于PIC18F458单片机的指令系统采用RISC技术，与一般单片机的指令系统通
35、常有上百条指令相比要少得多。此外，PIC18F458单片机全部采用单字节指令，而且除4条条件跳转指令外均为单周期指令，执行速度较高。它的寻址方式简单：寄存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址。它的代码压缩率高，例如1KB程序存储器空间，对于像51系列单片机，大约只能存放500多条指令；而对于PIC系列单片机，则能有效利用存储器的空间，存放多达1024条指令。PIC18F458单片机采用CMOS结构，使其功率消耗极低，是目前世界上最低功耗的单片机之一。它的I/O端口驱动负载的能力较强，每个输出引脚可以驱动多达2025 mA的负载，既能够用高电平也可以用低电平来直接驱动发光二极管LED、光电耦
36、合器和小型继电器等，这样可大大简化控制电路。3.2.1 PIC18F458系列概述PICl8F458单片机在保持低价格的前提下含有A/D转换器、内部E2PROM存储器、比较输出、捕捉输入、PWM输出、12C总线和SPI总线接口电路、异步串行通信(USART)接口电路、CAN总线接口电路、模拟电压比较器、可读写FLASH程序存储器等许多功能。具体特点如下：高性能的RISC CPUl 高达2MB的程序存储器；l 高达4KB的数据存储器；l 高达l0MIPS的执行速度；l DC40MHz时钟输入；l 410MHz带PLL锁相环有源晶振时钟输入l 16位宽指令,8位宽数据通道；l 带优先级的中断；l
37、8*8单周期硬件乘法器。外围功能模块特性l 最大拉电流/灌电流可达25mA； l 3个外部中断引脚；l 定时器TMR0：带有8位可编程前分频器的8位或16位定时器/计数器；l 定时器TMR1：16位定时器/计数器； l 定时器TMR2：带有8位周期寄存器的8位或16位定时器/计数器; l 定时器TMR3：16位定时器/计数器；l 捕捉/比较/脉宽调制(PWM)(CCP)模块；l 有2种工作方式的主同步串行通信(MSSP)：3线SPI主控方式(支持所有4种SPI工作模式)；I2C主控/从动方式；l 可寻址的USART模块：支持中断地址位。高级的模/数转换特性l 10位，高达8个通道的模/数转换模
38、块(A/D)：休眠时可以转换；8个输入通道可用；l 模拟比较模块：可编程多路输入/输出技术；l 比较器参考电压模块；l 可编程的低电压探测模块(LVD)：支持低电压检测时产生中断；l 可编程的锁定复位(BOR)。特殊的单片机特性l 上电复位电路(POR)、上电延时定时器(PWRT)和振荡器起振定时器(OST)；l 带有片内RC振荡器的监视定时器(WDT)；l 可编程代码保护；l 休眠(SLEEP)省电方式；l 可选择不同的振荡器工作方式，包括：4锁相环(主振荡器)；2路振荡器(32kHz)时钟输入；l 通过2个引脚可进行在线串行编程(ICSP)。3.2.2PIC18F458单片机整体控制本系统
39、采用的PICl8F458单片机采用了RISC结构的嵌入式微控制器，其高速度、低电压、低功耗，大电流LCD驱动能力和低价位OTP技术等都体现出单片机产业的新趋势。它的I/O端口驱动负载的能力较强，每个输出引脚可以驱动多达2025 mA的负载，既能够用高电平也可以用低电平来直接驱动发光二极管LED、光电耦合器和小型继电器等，这样可大大简化控制电路。图3.2所示为 PIC18F458单片机的控制图。单片机管脚1接复位电路，低电平时复位，管脚2、3属于A/D转换通道的两路，接的是电压、电流传感器经信号调理电路后的信号，管脚6、9、10接的是时钟芯片的三个管脚，VCC接的是经H7805电压转换后的5V电
40、源，13、14管脚接晶振电路，管脚15、16、17、18、23、24、25、26是C口，其接的是LCD显示的数据线，38、39、40管脚接LCD显示的D/I（指令/数据通道）、R/W（读/写选择）、E（使能信号），33、34管脚接LCD的片选信号，管脚19、20、21、22接键盘，27管脚接测频电路，28管脚接报警电路，35、36管脚接CAN总线的 PCA82C250T的串口接收和发送端（RXD、TXD）。图2所示系统由电源电路、复位电路、晶振电路、报警电路构成。(1) 电源电路H7805为3端正稳压电路，在芯片管脚1端输入8到12V左右的直流电源，经过芯片转换输出5V电压。(2) 复位电路这
41、是一个典型的低电平复位电路，当系统上电时，电容两端电压不能发生突变，复位电路接芯片1脚复位，随着电容的充电过程，电容两端电压逐渐升高，电容相当于断路，此时1脚达到正常工作的电压时，芯片进入正常运行状态。芯片工作时如果S1按下，此时芯片的1脚变为低电平，芯片复位，当S1释放时，芯片继续正常工作。(3) 晶振电路PIC单片机用的晶振电路是由无源晶振接两个电容构成，再结合单片机内部的震荡电路构成完整振荡电路，产生时钟周期时系统正常工作。(4) 报警电路报警电路接单片机28管脚，当监测的某一个电能参数异常时则报警，此时发光二极管灯亮且蜂鸣器报警。图3.2 单片机 PIC18F458控制图3.3数据采集
42、与转换数据采集是一个将模拟信号转换为数字信号，送往计算机并进一步予以分析处理、传输、显示与记录的过程。其中，采样就是尽可能的获取反映模拟量的实时信息，转换则是将该模拟信息转化为可供微处理器处理的数字信息。根据采集信号的不同，可分为直流采样和交流采样两种。随前微处理器技术的不断发展，交流采样必将以其优异的性能价格比，逐步取代传统的直流采样方法。3.3.1电压和电流的检测本设计采用霍尔电流传感器CHB300S 和电压传感器CHV100。霍尔电流电压传感器模块有优越的电性能，是一种先进的能隔离主电流回路与电子控制电路的电检测元件，它综合了互感器和分流器的所有优点，克服了互感器和分流器的不足（如：互感
43、器只适用于50Hz工频测量；分流器无法进行隔离检测。）同一只检测元件即可以检测交流也可以检测直流甚至检测瞬态峰值，是替代互感器和分流器的新一代产品。(1) 电流传感器CHB300S电流传感器CHB300S是磁补偿式电流传感器，输出信号为电流方式，若需要取电压输出方式，用户需在在M 端与电源地之间根据所取电压大小外接取样电阻。磁补偿式的工作原理是磁场平衡，即主回路电流Ip在聚磁环所产生的磁场，通过一个次级线圈的电流产生的磁场进行补偿，使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态，具体工作过程为：当主回路有一电流通过时，在导线产生的磁场被聚磁环聚集，感应霍尔器件使之有一个信号输出，这一信号驱动相应的功率管导
44、通，从而获得一个补偿电流Is。这一电流通过多匝绕组产生的磁场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小，当Ip与匝数相乘所产生的磁场与Is与匝数相乘所产生的磁场相等时，Is不再增加，霍尔器件起到指示零磁通的作用。此时可以通过Is来测试Ip，当有变化时，平衡受到破坏，霍尔器件就有信号输出，即重复上述过程重新达到平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡，一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出，经放大后，立即有相应的电流流过次级绕组，对失衡的磁场进行补偿。从宏观上看，次级的补偿电流安匝数在任何时间都与初级被测电流的安匝数相等即：NpIpNsIs0。其中，Np为原边匝
45、数，Ip为原边电流，Is为次级补偿电流。Np、Ns可从使用手册中查到，测得Is的大小即可得知被测电流的大小。接线方法如图3.3。图3.3 磁补偿型电流传感器CHB300S接线方法(2) 电压传感器CHV100电压传感器 CHV100有五只接线端子。其中两只为原边端子：被测电压输入端；被测电压输入端。另外三只为副边端子：端：电源+15V；端：电源15V；M 端：信号输出端。根据用户所测电压的大小，须将被测电压串接一只电阻R后再接到传感器原边端子。电压传感器的输出端应用与磁补偿型电流传感器相同，见图3.4。电压传感器 CHV100的工作原理与电流传感器相似，也是磁平衡方式工作。图3.4 电压传感器 CHV100接线方法3.3.2信号调理电路实现实时数据采集系统的关键是：利用足够高的采样频率，以期在采样后真实的保留原始模拟信号所含信息，采样既要保证所采样本的真实性，还要防止信号的混叠。产生频率混叠是因为采样频率不满足采样定理。抑制频率混叠的另一种方法是用抗混叠滤波器滤除信号中Nyquist曲线以上的频率成分，使之满足采样定理。根据电网质量的国家标准：“测量的谐波一般为2到19次”，“A级仪器频率测量范围为02500Hz”。如果设计的谐波测试希望达到A级仪器的频率范围，则应能分析到50次谐波。电网标准频率为50Hz，那么要求系统的信号频率
