高云鹏1，滕召胜1，唐 求1，周毅波2
1．湖南大学电气与信息工程学院，湖南 长沙410082
2．广西电力试验研究所，广西 南宁530023
摘 要：介绍以PIC16F877微控制器为核心的便携式电力参数监测仪的硬件结构、工作原理与软件流程。
关键词：微控制器；电力参数；监测
1 仪器的构成与工作原理
1．1 仪器的构成
图1为仪器的原理框图。仪器由传感器、低通滤波、采样保持、信号调理（含整形电路）、鉴相电路、PIC16F877微控制器系统、LCD显示以及操作键等部分组成。图中，被测交流电压、电流信号经过传感器隔离变换后，变成－5～＋5V的测量信号，经低通滤波，滤除信号中的高频干扰分量。根据同步采样定理，PIC16F877微控制器产生同一采样脉冲信号控制各采样保持器，实现对多路信号的同步采样，并将此采样信号送PIC16F877内部集成的10位A／D转换器，经过数 据分析处理，保存、打印和显示测量结果。
为增加信号过零点的变化率，提高电路的抗干扰能力，传感器输出的信号须经调理电路进行限幅放大、整形得到标准的方波信号。三路方波信号送PIC16F877微控制器，可实现被测信号的周期测量。两路方波信号经过鉴相电路后，可得到与相位相关的脉冲信号，求出两路信号的相位差值。
1．2 仪器的工作原理
（1）电压、电流测量
在一个周期内对电压、电流连续采样，对得到的N个采样数据分别计算出电压U、电流I的有效值：
式中，uk和ik分别为电压和电流的第k次采样值。
（2）相位、功率测量
相位的测量采用过零鉴相法，即对两路同频信号进行限幅放大、整形，通过记录同向过零点时间差内的脉冲数，计算出两路信号的相位差ø：
式中，T为被测信号的周期，Δt为两路信号过零点时间差值，Ts为采样周期，n为记录的采样脉冲数值。
求得相电压和电流的相位差ø，则功率因数为cosø。利用电压和电流的有效值则可计算出有功功率P＝UIcosø，无功功率Q＝UIsinø和视在功率S＝UI。
（3）电压偏差的测量
电压偏差eu为电网电压相对于额定电压的偏离程度。计算式为：
式中，U为被测电压的实测值，UN为额定电压值。
（4）频率偏差的测量
电网频率的测量计算通常采用测量周期的方法来实现。通过硬件检测输入信号波形的过零点，采用倍频计数的方法求出信号周期T。也可将交流采样法得到的采样数据进行数字滤波，滤出其中的基波后，通过检测波形过零点的时刻，求得相应周期T，T的倒数即为电网的频率。
电网频率的偏差ef为电网的实际频率f相对于额定频率fN（50Hz）的偏离程度，用下式表示：
2 信息处理系统硬件设计
图2为信息处理系统的硬件电路图。三相电压UA、UB、UC，三相电流IA、IB、IC及中线电流IO共7路信号经过低通滤波器MAX293滤除高频干扰后，分别送入对应的7片采样保持器LF398。采样保持器在PI－Cl6F877微控制器9脚REl产生的同步采样信号控制下，完成7路信号同步采样，将此7路被测信号分别接入2～5、7、8、10脚7个10位A／D端口引脚，进行相应的信号转换和数据处理。微控制器的37～40脚为8位双向I／O端口RB的4个引脚，输入电平变化可引起系统的中断；此4个引脚分别连接4个按键K1～K4。为简化键盘电路，可通过软件管理将K1～K4定义为复用键，实现选项、测量、控制、数字输入等多种功能。液晶显示模块MG－12232接口控制时序采用M6800操作时序，驱动器引出的控制信号R／W、A0、E1和E2可由PIC16F877端口RB的33～36脚进行控制；驱动器DB0～DB7数据总线与端口RD的8个引脚相连。PIC16F877的25、26脚分别为全双工异步通信的发送端和接收端，通过电平转换芯片MAX232可与PC机或其他智能设备的RS232串行口实现双向通信。引脚6是定时器／计数器TMR0时钟信号的输入端，利用其计数功能，可记录鉴相电路送出的相位差脉冲值，从而求得对应相电压与相电流的相位差。此外，将引脚17设置为捕捉器的输入端，配合时钟源定时器TMR1工作，测量输入的周期方波信号，可求得被测信号的频率值。
为了保证测量精度，系统时钟振荡器引脚13、14接入12M高速晶体振荡器X1，TMR1振荡器的输入和输出端15、16脚接入8M晶体振荡器X2。图2中的T1、R1、R2和R3构成快速复位电路。DC／DC变换器件MAX883可输出高稳定的5V直流电压VDD，作为仪器信息处理单元的工作电源与A／D参考电压。
3 软件设件
便携式电力参数监测仪的软件采用模块化设计思想，以主程序为核心，设计了各功能模块子程序（主要包括初始化子程序、操作键管理子程序、A／D转换子程序、数据处理子程序、通信和显示子程序等）。
仪器启动以后，先对INTCON、RA口、RB口、RC口、RE口和OPTION等特殊功能寄存器进行系统初始化设置，并对部分RAM单元进行清零操作。在微控制器检测到保持电平后，对ADC控制寄存器ADCONl清零，低4位PCFG3～PCFG0设置为0，从而定义接入测 量信号的7个通道为模拟输入端，参考电压选择为系统工作电压VDD。再将控制寄存器ADCON0的控制位兼状态位GO／DONE置1，启动A／D转换。被测信号经数字化处理后，及时将数据保存在BANK0～BANK3通用寄存器中，并实时更新每次A／D转换结果。仪器可自动将数据处理结果与系统内部设定值进行比较，以检查是否缺相。如果相差过大，则发出报警，提示检查线路连接。LCD接口控制M6800操作时序可采用位操作指令来软件模拟，并在通用寄存器内开辟一段显示缓存区，通过调用显示子程序，将缓存区中的内容送LCD显示。图3为主程序流程图。
数据处理是仪器软件设计的关键内容，图4为数据处理子程序流程图。根据读取的三相电压、三相电 流瞬时值的A／D转换量，计算出对应电压和电流的有 效值及电压偏差等电力参数值。通过写控制寄存器CCP1CON的CCP1M3和CCP1M2工作模式粗选位为01，将CCPl模块设置为输入捕捉工作模式，再根据16位寄存器CCPR1抓取的定时器TMR1的累加计数值，求得被测信号的周期值。设置TMR0为计数器工作模式，并将分频比设定为1∶1，在高速晶振X1的配合下记录TMR0的输入脉冲数，即可得到相位差计数值。然后通过查表得出相应的三相功率因数，进一步求出三相有功功率和无功功率值，经累加计数计算出三相 有功电量和无功电量。
参考文献
［1］Microchip．PIC16F87X DATASHEET［Z］．1999．
摘自《仪表技术》
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