基于A(yíng)VR單片機的中頻電源測試系統的設計

　　電參數的測量和監控是電力系統的重要組成部分，本文從測試系統的工程學(xué)實(shí)際出發(fā)，完成了對中頻電源系統的電壓、電流、頻率、功率因數、有功功率等參數的測量和實(shí)時(shí)監控，較好的實(shí)現了中頻電源測試系統的功能和工程要求。

　　AVR單片機相對傳統的 51系列單片機，具有更高的集成度和更強的功能，與 C語(yǔ)言有很好的兼容性，RISC指令架構使其運行速度可達 1MIPS/MHZ。隨著(zhù)其越來(lái)越廣泛的應用，必將取代 51系列成為單片機的主流。其主要功能包括看門(mén)狗、FLASH程序存儲器、 E2PROM、 A/D轉換器、定時(shí)器、計數器、USART接口等多種功能，這使得本測試系統的硬件實(shí)現變得簡(jiǎn)單，可靠。

　　2 硬件結構設計與實(shí)現

　　本文所提及的中頻電源測試系統所測試的對象為三相四線(xiàn)制的中頻電源，額定輸出電壓為 115V，頻率為 400Hz，昀大功率 14KW。需要精確測量和監控的電力參數主要有電壓 (V)、電流(A)、頻率(Hz)、有功功率 (KW)和功率因數，系統對于負載變化所引起的電參數變化要求有較好的實(shí)時(shí)響應能力，能夠實(shí)時(shí)顯示當前電力參數并對過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、相序錯等故障進(jìn)行聲光報警。

　　根據功能要求，系統硬件結構如下圖所示，由 AVR單片機（ ATMEGA8535）、信號轉換、交流采樣、數碼管顯示、LCD顯示，按鍵選擇和報警等功能模塊組成。2.1信號轉換和數據采集被測中頻電源的輸出電壓經(jīng)過(guò)變壓器后濾去高頻諧波送入 CD4052準備采集，輸出電流經(jīng)過(guò)互感器后濾去干擾信號，再經(jīng)過(guò)精密采樣電阻轉換為電壓信號送入 CD4052準備采集。三相電壓信號和電流信號經(jīng)過(guò) CD4052后送入兩片采樣保持器 LF398，CD4052集成芯片的雙路選擇結構能夠確保輸出同相的電壓信號和電流信號，其通道地址由 PORTA.0和 PORTA.1給出。兩片采樣保持器 LF398的邏輯控制信號同時(shí)由 PORTD.2給出，確保能夠采集到同一時(shí)刻的電壓信號和電流信號。LF398的輸出信號由 PORTA.6、 PORTD.7輸入單片機，由采集程序完成數據采集。

　　頻率測量是通過(guò)將 CD4052輸出的單相電壓信號經(jīng)電壓比較器 LM339轉變?yōu)榉讲ㄐ盘?，由鎖相器 74HC4046進(jìn)行頻率跟蹤，再用分頻器 74HC4020分頻后輸入單片機的 PORTD.6，利用單片機的輸入捕獲功能測量頻率。

　　2.2顯示接口、按鍵接口和報警功能

　　數據顯示部分由數碼管和 LCD顯示兩部分組成，按鍵主要用來(lái)進(jìn)行顯示切換和系統復位。其接口和驅動(dòng)電路如下圖所示：

　　LCD接口中 PB0、PB1、PB2、PB3、PB6、PB7分別對應 LCD的/WR、/RD、RS、 BUSY、/CS、/RES引腳，PD0～PD7做 8位數據口。數碼管驅動(dòng)采用兩片 CD4514產(chǎn)生位選信號，PD0～PD7輸出字型碼到 74LS245驅動(dòng) 4×5位數碼管，三片 ULN2803做吸收電流功能用。顯示方式由按鍵程序設定。

　　當數據處理結果為過(guò)壓、欠壓或低頻時(shí)， PORTD.5為高電平，故障燈亮，PORTD.6為低電平，三極管導通，蜂鳴器響，進(jìn)行聲光報警，提示工作人員處理故障。 3軟件模塊設計與實(shí)現在系統的軟件設計中，采用模塊化設計方法，使得程序結構清晰，便于今后進(jìn)一步擴展系統的功能。系統軟件有以下模塊構成：主程序、鍵盤(pán)掃描處理子程序、數據采集子程序、數字濾波子程序、數據處理子程序、顯示子程序等。

　　在供電系統的運行過(guò)程中，接通和斷開(kāi)負載都會(huì )產(chǎn)生高頻諧波干擾，如果采用硬件濾波存在硬件電路復雜、可靠性下降、綜合成本加大等諸多不利因素。因此本測試系統求取電力參數采用數字濾波方式來(lái)祛除干擾，通過(guò)軟件處理來(lái)代替硬件電路，取得了較好的濾波效果。此外，系統中還采用指令冗余、軟件陷阱等抗干擾措施，使系統具有良好可靠性能。

3 軟件模塊設計與實(shí)現

在系統的軟件設計中，采用模塊化設計方法，使得程序結構清晰，便于今后進(jìn)一步擴展系統的功能。系統軟件有以下模塊構成：主程序、鍵盤(pán)掃描處理子程序、數據采集子程序、數字濾波子程序、數據處理子程序、顯示子程序等。

　　在供電系統的運行過(guò)程中，接通和斷開(kāi)負載都會(huì )產(chǎn)生高頻諧波干擾，如果采用硬件濾波存在硬件電路復雜、可靠性下降、綜合成本加大等諸多不利因素。因此本測試系統求取電力參數采用數字濾波方式來(lái)祛除干擾，通過(guò)軟件處理來(lái)代替硬件電路，取得了較好的濾波效果。此外，系統中還采用指令冗余、軟件陷阱等抗干擾措施，使系統具有良好可靠性能。

　3.1交流采樣算法

　　(1)在一個(gè)周期內對某一相電壓、電流進(jìn)行等時(shí)間間隔連續采樣，對得到的 N個(gè)采樣數據分別計算出電壓 U、電流 I的有效值：

　　3.2軟件流程

　　主流程和按鍵檢測子程序流程如上圖所示。按鍵檢測主要用于顯示切換， PORTC.0～ PORTC.4分別對應于顯示設定為 U相、V相、W相或平均值數據采集和濾波子程序流程如上圖所示。方法為每次等時(shí)間間隔采集 16次，經(jīng)過(guò)數字濾波后依次存入采集結果單元。

　　數據處理和顯示控制子程序流程如上圖所示。數據處理子程序主要將采集數據轉換為顯示 BCD數據存入顯示單元，并對過(guò)欠壓、過(guò)流、低頻等作出判斷。顯示子程序包括數碼管動(dòng)態(tài)顯示和 LCD顯示兩大模塊，其顯示方式由按鍵處理子程序控制。

　　由于篇幅關(guān)系，本文就不再一一進(jìn)行詳細介紹。由以上流程所編寫(xiě)的程序在實(shí)際運行中效果良好，運行穩定可靠，請廣大讀者作為參考。

　　4 結束語(yǔ)

　　本文所敘述的中頻電源測試系統在實(shí)踐中證明能夠快速、準確地采集各項電力參數，具有硬件結構簡(jiǎn)單，軟件運行可靠，顯示方式靈活等特點(diǎn)，在工程實(shí)際中具有一定的實(shí)用參考價(jià)值。