基于C8051F020單片機的電力參數測量摘要：當今，電能作為一種重要的能源，與我們的生活、工作有著密切的聯系，因此如何來測量它的參數就具有重要的現實意義。本文介紹了一種基于C8051F020單片機的電力運行參數測量裝置。該裝置采用單片機為測控核心，使用偏差累積增量法對軟件同步算法進行改進；采用工程上常用的數值積分算法，將連續函數離散化。系統能完成對變壓器副邊電壓、電流有效值、有功功率、無功功率、視在功率及系統用電量的測量，并采用按鍵控制、數碼管顯示，測量精度高，反應速度快，界面清晰直觀。關鍵詞：C8051F020單片機；電力參數；偏差累積增量法；數值積分引言:在傳統的電力參數測量系統中，多采用8051、80C196等普通單片機作為微控制器。由于其指令周期長，在實時性方面受到了一定的限制。隨著微電子技術的不斷進步，C8051F020單片機體現了單片機集多種器件和多種功能于一身，從“片自為戰”向“片上系統”過渡的發展方向。本文將詳細介紹高速微控制器C8051F020在電力參數測量系統中的應用和實現。系統方案設計交流采樣方法交流采樣法，即直接對連續的模擬信號進行等間隔采樣，再用特定的數值算法進行處理。對周期為T的被測信號，設為采樣周期，在一個周期內于、時刻采樣N個點，令，如果有：(1)(2)同時成立，則稱采樣為理想同步采樣。這時第i次采樣點的采樣時刻(3)然而同步總是相對的，絕對同步只是理想的情況。在實際同步采樣系統中，要嚴格滿足式(3)是很困難的。為此，定義同步采樣時間誤差來表示第i次采樣點的實際采樣時刻與其理想同步采樣時刻的偏差：(4)目前，利用采樣值進行工頻電參量測量的理論和方法大多建立在理想同步采樣基礎上的。當存在同步采樣時間誤差時，測量精度必定會受到影響。軟件同步采樣時間誤差的產生與軟件同步的實現方法密切相關。目前軟件同步的一般實現方法是：首先測取被測電信號的周期T，然后計算采樣周期并確定定時器的計數值，用定時中斷方式實現同步采樣。由于定時器的計數周期受定時器最大計數頻率的限制不可能無限小，而微機的采樣周期TS必須以定時器計數周期的倍數來表示，從而微機實際采樣周期TS與理想計算值之間會出現誤差，這一由量化原因引起的誤差，使式(1)得不到滿足。一些文獻稱T為周期誤差。這時同步采樣時間誤差：(5)可見在存在周期誤差時，同步采樣時問誤差值隨i增大而增大。在高精度測量場合，i通常須取得比較大，這時同步誤差可能達到一個比較大的值。同步采樣時間誤差的另一產生原因是，在軟件采樣時，CPU對定時中斷的響應時間有一定的隨機性，從而即使T=0，式(2)也得不到完全滿足。CPU的中斷響應時間與定時器發出中斷請求信號時刻CPU是否在執行其它中斷服務程序；正在執行的當前指令是否允許CPU立即響應中斷；當前執行指令的指令周期長短及當前指令已經執行到哪一個機器周期等因素有關。一般來說，應保證定時中斷采樣時對其它中斷源的中斷不予響應。在這一前提下，經過合理安排，微機中斷響應的最長時間和最短時間的差值通?？上拗茙讉€微秒內， ti一般只會有幾個微秒。若不存在周期誤差T，則，這一原因引起的同步采樣時間誤差較小?？梢娫谲浖綔y量系統中，周期誤差是影響測量精度的主要原因?？赏ㄟ^一種軟件同步實現方法減小誤差，它通過在采樣過程中修改定時器的計數值，動態確定采樣周期來減小周期誤差。該方法不須對測量數學模型進行任何修改。改進的軟件同步實現方法設定時器的計數周期為T0，則與采樣周期Ts對應的定時器計數值為，它一般不為整數，對它截掉小數取整，得正整數H，截掉的小數部分為L。以H為定時器的計數值，則會產生的周期誤差（若以H+1作為計數值,則）顯然，是由采樣周期Ts的實際值與理想計算值之間的偏差引起的。在采樣過程中，偏差隨i值增大而不斷增大，使采樣點偏離同步采樣點的程度不斷加劇。要減小周期誤差，必須消除偏差L的累積效應。為此，須對在采樣過程中定時器計數值取常數的常規作法進行改進，偏差累積增量法就是這樣一種算法。設置一單元SUM對偏差L進行累加，對于第0次采樣，SUM的初值為0。第i次采樣時，SUM的值為第i-1次采樣時的SUM值與L的和。在每次采樣前考察SUM的值，若SUM1，則計數值取H+1，并對SUM減1。繼續上述過程直至一個工頻周期的采樣完成。這種作法可使偏差L不產生累積，從而保證在一個工頻周期內L引起的周期誤差。采用這種方法，可能會使某些次采樣時的|ti|值增大一個，但由于一般很小，由相對周期誤差引起的測量誤差亦很小。電力參數交流采樣算法交流直接采樣方法測量交流電量的算法雖有多種，但較實用有三種，即最大值法、積分法和傅里葉變換法。最大值法適宜輸入信號為純正弦周期信號情況，多次采集求平均可減小誤差，但考慮內部A/D采集間隔會在很大程度上影響對峰峰值的檢測，會使測量不準。傅里葉變換法是將離散的采樣值經過離散傅里葉變換(DFT)轉換到頻域，求出基波和諧波分量，再求有效值及平均功率。實際使用中可以采用快速傅里葉變換(FFT)以提高運算速度，但是計算量仍然偏大。積分法就是從連續周期信號有效值的定義和功率的定義出發，用數值積分近似代替連續積分進行計算的方法。采用積分法微機計算量較小，裝置實時性好，適合以單片機為核心進行設計。具體算法如下：在非正弦波情況下，相電壓、相電流的有效值定義為：在對電流電壓采樣時，每個周期采樣N點，采樣間隔為T，得到離散化采樣序列、，則有： 若采樣間隔Tk恒定為T，則N=T/T。電流和電壓有效值公式為： 其他的電力參數計算公式分別如下：有功功率視在功率無功功率功率因數積分和法的精度與采樣點數N和采樣的同步度有關。在系統速度允許的情況下，可以增加采樣點數以提高運算精度，一般每周波可采樣幾百點。該算法實時性強，算法簡單，能夠計及信號中高次諧波的影響，在不需要測量基波和各次諧波參數值的情況下，可以選用此算法。硬件設計此系統是以C8051F020為主控制器，系統把取樣采集電路得來的兩路信號分別通過放大、整流, 再通過A/D轉換芯片，實時把模擬量轉化為數字量，再經單片機分析處理，進行數值積分，可得到變壓器副邊電壓值、電流值、電源的頻率以及該系統的功率因數、有功功率、無功功率和系統消耗的電能，并送到外部顯示單元顯示。系統整體的方框圖如圖1所示： 圖1 系統整體框圖硬件設計具體包括單片機最小系統部分（鍵盤、顯示）、信號采集部分、數模轉換部分。下面將各部分詳細介紹如下：單片機最小系統部分C8051F020單片機電力運行參數測量裝置是通過硬件與軟件密切配合完成的。其硬件裝置的作用是對電壓信號、電流信號采樣，把它們轉換成適合微機處理的信號，在設計具體電路時要考慮便于與單片機連接，故本系統采用C8051F020單片機構成了一個帶數碼管顯示與鍵盤的單片機最小系統。最小系統方框圖如圖2所示： 圖2 單片機最小系統電壓、電流采樣電路根據電壓和電流在電路中的特點，電壓取樣電路可采用并聯在電源兩端來實現。電流取樣電路可采用串聯在電路回路中的電阻分壓來實現。原理圖如圖3所示： 圖3 電壓電流采樣電路軟件設計系統軟件結構采用模塊化設計，各功能模塊由相應的子程序來完成，使系統軟件結構清晰，便于調試和修改。系統軟件主要包含下列功能模塊：1) 按鍵掃描及處理模塊；2) 顯示模塊；3) 電壓、電流采樣控制模塊；4) 電壓、電流計算模塊；5) 時鐘模塊。在實際工作中是以實時測量電網參數為主要目的。通過一系列的軟件設計我們可以得到數據測量、數據處理、選擇控制、實時顯示和實時輸入等功能子模塊，根據子模塊的方框圖，我們可以很清晰整個系統的工作流程，從而可以很容易的實現對系統的診斷和系統的維護與操作。本系統流程圖如圖4所示： 圖4 軟件流程圖系統測試 電阻負載負載（）變換器輸出有效值（V）本系統顯示值（V）系統電流值有效值（mA）本系統顯示值（mA）功率因數電壓誤差（%）電流誤差（%）7018.418.29272269.50.9980.600.9210018.718.65195192.30.9980.271.3813018.918.90153152.40.99700.3916019.119.00127124.30.9970.522.1319019.219.11101100.90.9960.470.10阻感負載負載（）變換器輸出有效值（V）本系統顯示值（V）系統電流值有效值（mA）本系統顯示值（mA）功率因數電壓誤差（%）電流誤差（%）2019.219.2075.075.50.96200.674019.319.3070.169.90.96800.296019.319.3266.166.60.9670.100.768019.319.3362.562.70.9680.160.3210019.219.2058.658.60.9690012019.219.2156.156.30.970.050.3614019.219.2354.254.30.9710.160.1816019.219.2752.552.60.9710.360.1918019.219.2850.050.70.9710.421.4020019.319.3048.249.00.97201.66結束語本系統以C8051F020單片機為核心部件，利用軟件編程，實現了對交流電壓值、交流電流值以及功率因數、有功功率、無功功率、視在功率、系統用電量的測量及顯示。做到了線路簡單，盡量減小電磁干擾，并充分利用軟件編程，彌補元器件的精度不足。參考文獻1 孫晉京.基于ARM的嵌入式電力參數監測系統的研究D.碩士論文.西華大學，2007.2 錢君霞.基于MSP430F149的電力參數綜合監測裝置的研究與開發D.碩士論文.電氣工程學院， 河海大學，2005（3）.3 魏民.智能型電力參數測試儀的研究與設計D.碩士論文.自動化學院, 武漢理工大學，2003.4 孫佐.AVR單片機實現的電力參數測量裝置J.安徽池州：池州師專學報，2006（10）.5 梅永，王柏林.電力系統信號采集與諧波測量方法J .電測與儀表，2008（9），總第45卷，第513期，5-9.6 戴先中.準同步采樣及其在非正弦功率測量中的應用J.儀器儀表學報，1984，5(4)：390396.7 王云龍.基于DSP的電力參數測量及諧波分析系統.碩士論文.電氣工程學院，河海大學，2005(3).8 黃純，郭建春.軟件同步采樣實現方法的分析與改進J.電測與儀表學報，1997，34(10)，45.9 陳飛，尹斌，姜鋒.軟件同步采樣實現方法的分析與比較J.儀表技術，2005年第6期.10 錢偉.非正弦波形有功功率的采樣測量.電工技術學報.1996（4）.11 劉春玲，王詠，田國紅.電力參數數字化測量的常用算法研究J .遼寧工學院學報，2001（12），1719.12 Toivonen,Lassi,Morsky,Jorma.Digital multirate algorithms for measurement of voltage,current Power and flickerJ.IEEE Transactions on Power Delivery,1995,10(l).13 A.M.Kosolapov ,S.V.Dumin.Parametric optimization of a power measuring instrumentM.Springer New York 2008.14 孫海定，邴林林.智能型動態功率因數監測與補償系統J.現代電子技術，2007，第17 期.15 黃俊，王兆安.電力電子交流技術M（第三版）.西安：西安交通大學出版社，2004.16 張俊謨.SoC單片機原理與應用基于C8051F系列M.北京：北京航空航天大學出版社，2007（4）.17 E. I. Shifrin.A method of calculating energy-power parameters of continuous plugless