简易电能质量检测装置.doc

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1、简易电能质量监测装置摘要：本简易电能质量监测装置由单片机主控制模块、电源模块、信号变换与处理模块和数据转换模块等构成，由c8051f020主控单片机控制模块，它能准确的完成一路交流工频电（正弦波）的频率、电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数的测量。电源模块经由电压变压器、电流转换器将100V~500V的电压、10A~50A的电流转换成1V~5V的交流小信号（本项目直接采用函数信号发生器输出正弦电压信号作为交流信号的电压信号输入）。信号变换与处理模块由电压抬升电路、移相电路、整形电路构成，完成单片机

2、对电压信号、电流信号的采集显示。数据转换模块完成其他电能质量的转换，用数码管显示出工频电的频率、电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因素、谐波含有率、谐波有效值，用LCD屏显示电压、电流波形。关键字：工频电；电能质量；单片机；信号变换；信号处理；1.设计任务与要求1.1设计任务设计并制作一个能同时对一路工频交流电的频率、电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数、谐波等进行测量的数字式电能质量监测装置（图C-1虚线框内电路）。为便于本试题的设计与制作，设定待测的100～500V交流

3、输入电压、10～50A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。1.2基本要求（1）测量交流输入电压有效值频率：50Hz；测量范围：100～500V；准确度：±1％。（2）测量交流输入电流有效值频率：50Hz；测量范围：10～50A；准确度：±1％。（3）测量并显示有功功率P、无功功率Q、视在功率S及功率因数PF。（4）在测试5组交流电压、交流电流有效值过程中，能显示它们的最大值和最小值。1.3发挥部分（1）测量交流输入电压频率，精度为±0.5%。（2）采用LCD显示，能够同时显示一个周期的输入

4、电压、输入电流曲线。（3）测量电压和电流的各次谐波含量以N次电压谐波含有率为例，N次谐波含有率为N次谐波电压的均方根值与基波电压有效值之比，电流谐波含有率计算方法同电压谐波含有率。测量至5次谐波，采用列表和百分数形式显示，测量误差＜1%。（4）各次电流谐波含有率在列表显示方式中除了能够以百分比显示外，还能够显示各次谐波的有效值。（5）其他。2.方案比较与论证2.1衰减网络方案一：利用电压衰减网络将抬升的电压值衰减到一个合适的电压值，方便单片机ADC0的采集。网络如下图1所示：图1电压衰减网络方案二：利用LM358

5、集成运放构成反相放大器，使得Rf

6、示，没有单片机直接测量简便。本项目测量的是工频信号，对频率要求较低，用单片机完全可以胜任。综上所述：达到项目要求的同时，选用方案二更方便。3.系统总体设计简易电能质量监测装置由单片机主控制模块、电源模块、信号变换与处理模块和数据转换模块构成。图3系统总体方框图3.系统单元电路设计4.1电压抬升衰减电路电路的数据处理主要有单片机控制，且通过ADC采集的数值必须小于单片机的内部电压值2.4V，并且采样值为正值，而由函数信号发生器产生的正弦波有负值，电压有效值1～５V，超过了单片机的采样值得大小。因此在对输入电压抬升的

7、同时对电压进行衰减。由上述方案论证比较得到，在利用运放设计抬升电路的同时进行比例衰减，使得输出得到的电压值达到采集电压的幅值范围。电路设计如下图4所示：图4电压抬升衰减电路图电压衰减倍数：选定R1=100k，R2=12k，则电压衰减倍数N=8.333.由此得到电压的幅值为-0.84V-0.84V，为了使得电压全部抬升为正值，至少提供0.9V的直流电压。为了方便测量，本项目提供1.25V的直流电压，选择5V的直流输入，R3、R4对其进行分压，使得Uo的范围为0.41-2.1V。说明：芯片选择LM358；输入峰值电压

8、7.1V，使得运放能够正常工作选择12V的VCC，采用双电源供电。C1、C2，C3、C4为一对去耦电容。4.2移相电路同一个函数信号发生器输入的正弦波经过电阻网络输出的电压、电流没有相位差，而实际电网的电压和电流是有相位差的，所以才会有无功功率的存在。为了模拟实际电网的环境，使得采集得到的电流与电压有一定的相位差，同时计算出项目要求的电能质量指标。电压值经过移相之后，为了