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1、船用发电机电力参数监测仪的设计摘要:为了对船用发电机的电能使用情况进行监测,实现对电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、交流电压的频率等电能参数的测量与显示,采用了内带8路高速AD转换器的STC12C5A16S2单片机,对输出的实时电压及电流信号先进行幅度及电平变换,成为0-5V直流范围内的交流信号,然后由单片机进行高速ADC转换,得到电压及电流的二个周期采样数据表,由表中的最大值及最小值,可计算出电压及电流的有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数;由电压信号采样表中的两个相邻最大值之间的时间可求得电力信号的频率;再由电压最大值与
2、电流最大值之间的时间间隔可求得电压与电流的相位差;显示部分采用中文LCD液晶显示器12232F,实现了中文菜单式显示,使操作更直观。 关键词:电力参数监测STC12C5A16S2单片机设计 :TP311:A:1007-9416(2011)04-0153-02 1、系统设计方案 宏晶公司的STC12C5A16S2单片机,可单周期运行一条指令,速度是普通单片机的8-12倍,它具有内置8路10位精度的片内ADC转换器,采用最新的全并行(flash)ADC转换器。单次转换速度仅为3微秒,可完成50HZ电力信号的高速度、高精度模数采集。考虑到发电机电力参数监测仪
3、要显示各类电压及电流、功率等信息,并尽可能降低能耗,决定采用中文液晶显示器12232F,12232F是一种内置8192个16×16点汉字库和128个16×8点ASCII字符集图形点阵液晶显示器,它可完成图形显示,也可以显示2行×7.5个(16×16点阵)中文汉字,为了节省单片机资源可与单片机采用串行接口方式进行显示控制。发电机电力参数监测仪设计框图如图1。 2、电路原理与设计分析 发电机电力参数监测仪控制电路原理如图2。单片机P1口作为高速ADC输入口使用,电流与电压采样信号各用一路输入;P2口作为按键操作及LCD液晶显示口;单片机时钟采用12M或24M晶
4、振。 2.1信号电平接口电路的设计 电压及电流信号接口电路主要完成幅度调整及电平的变换。设计要求在待测电压为100～500V交流输入、10～500A交流输入电流均经由相应的变换器转换为对应的1～5V交流电压。为了满足单片机ADC口0-5正极性输入的信号要求,需将1～5V交流电压进行极性及幅度的处理。 幅度调整采用电阻分压法,按设计要求计算,5V交流有效值的峰峰值为: VP-P=2×1.414×5=14.14伏(式1) 如用电阻一分压法时按式2公式估算,决定R3为20K,R4为11K左右,这样输入到ADC口的信号电压实际峰峰值为5.02伏(式3)。 14
5、.14/5=(R3R4)/R4(式2) 输入口ADC电压=VP-P×R4/(R3R4)=14.14×11÷31=5.02伏(式3) 直流电平变换按最大5V峰峰值进行交流-直流变换,设计中采TL431三端稳压管,稳压值为2.5V。经电平及幅度变换前后点波形如图3。 2.2显示接口电路 液晶显示器采用串行连接方式,使用8根接线相连,分别为背光灯地、背光灯正电源、片选、数据口、时钟、液晶对比度、正电源、地线。背光灯在使用时由单片机口控制,低电平时三极管导通,背光灯供电发亮。电位器用于控制液晶屏的对比度,一般电压在3-4.5V左右。 3、程序设计与分析 发
6、电机电力参数监测仪主程序流程图如图4。 3.1电压电流有效值等的程序算法 从单片机ADC口采得的是0-5V的信号峰峰值,对应单片机内部为0-1023的数据,根据设计要求,0-500V交流电压或0-500A交流电流对应的数据为应为0-1023。通过程序运算,可知AD采得值与要显示的数据的关系为: 电压有效值U=(AD采得值×500)÷1023 (式4) 电流有效值I=(AD采得值×50)÷1023 (式5) 功率及功率因素的计算公式为: 视在功率S=IU(式6) 有功功率P=IUcosφ(式7) 无功功率Q=IUsinφ(式8) 功率因数PF=
7、cosφ(式9) 3.2频率及相位的程序算法 频率算法:采用在存储器中查找两个相邻电压采样最大值之间的时间(即周期),从而可算出频率值。 相位算法:同时在电压采样表及电流采样中查找最大值在表中位置,从而算出电压最大值与电流最大值的序号差,由此可算出时间差并换算成相差角度。 4、调试与结果 4.1调试方法 设计调试要先进行硬件的调试,包括元器件核对、焊点检查、静态万用表检测、上电测量等。电平变换接口电路的调试要用正弦波信号源及示波器,信号源的输出有效值调到标准5V,然后将信号源接入电路,用示波器测量ADC输入口的电压峰峰值应在5V内,平均直流电平在2
8、.5V;程
