本文摘要：本系統(tǒng)以STM32F407ZGT6單片機(jī)為控制核心，這篇 電力論文 認(rèn)為設(shè)計(jì)并制作了簡易電能質(zhì)量檢測儀，利用波形變換法(將正弦波變成矩形波)可以快速獲得頻率和相位差，利用FFT(快速傅立葉變換)對輸入信號進(jìn)行處理，能快速計(jì)算輸入電壓電流有效值等參數(shù)。整個系統(tǒng)運(yùn)
本系統(tǒng)以STM32F407ZGT6單片機(jī)為控制核心，這篇電力論文認(rèn)為設(shè)計(jì)并制作了簡易電能質(zhì)量檢測儀，利用波形變換法(將正弦波變成矩形波)可以快速獲得頻率和相位差，利用FFT(快速傅立葉變換)對輸入信號進(jìn)行處理，能快速計(jì)算輸入電壓電流有效值等參數(shù)。整個系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，完成了任務(wù)要求的所有功能。《華北電業(yè)》(雙月刊)創(chuàng)刊于1985年，是由華北電網(wǎng)有限公司主辦。本刊創(chuàng)刊以來，在華北電力工業(yè)的改革與發(fā)展進(jìn)程中發(fā)揮了十分重要的作用，得到了社會各界的普遍肯定。除重點(diǎn)面向華北地區(qū)京、津、冀、晉、蒙、魯六省市電力企業(yè)決策層服務(wù)外，也覆蓋了除臺灣省和西藏自治區(qū)外的全國各省市及廣大社會讀者。
【摘要】本文以2016年湖南省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽C題為依據(jù)，設(shè)計(jì)的簡易電能質(zhì)量監(jiān)測電路以STM32F407ZGT6單片機(jī)為控制核心，通過STM32F407芯片內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器、32位定時器采集、捕獲經(jīng)過硬件衰減電路及波形變換電路的輸入交流電壓、電流信號，結(jié)合STM32F407的DSP處理功能(FFT)對輸入信號進(jìn)行計(jì)算，可以快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對工頻交流電的頻率、相位差、電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因素、諧波等參數(shù)進(jìn)行測量，測量的參數(shù)、波形等均可顯示在TFT顯示屏上。
【關(guān)鍵詞】電能質(zhì)量監(jiān)測;STM32F407;移相網(wǎng)絡(luò)
引言
2016年湖南省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽C題要求設(shè)計(jì)并制作一個能同時對工頻交流電各參量進(jìn)行測量的數(shù)字式單相電能質(zhì)量檢測儀。能測量并顯示電壓、電流有效值，頻率，功率因數(shù)，有功功率P，無功功率Q，視在功率S;并能同時顯示一個周期的輸入電壓、輸出電流曲線，并在曲線上計(jì)算并標(biāo)出它們的相位差，指出負(fù)荷性質(zhì);測量并顯示電壓、電流各次諧波有效值和各次諧波含量(測量至5次諧波);要求測量準(zhǔn)備度在±1%以內(nèi)，測量誤差≤1%。為方便設(shè)計(jì)與制作，待測的100～500V交流輸入電壓(有效值)、10～50A交流輸入電源(有效值)均已經(jīng)由相應(yīng)的變換器轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的1～5交流電壓(有效值)。
1方案設(shè)計(jì)與論證
根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，該系統(tǒng)選用的整體方案框圖如圖1所示。首先，由信號發(fā)生器輸出的等效1～5V交流電壓分成兩路，一路直接進(jìn)行信號處理，另一路經(jīng)過移相電路得到等效的交流電流信號后再進(jìn)行信號處理。每一路信號經(jīng)過兩次信號變換，一次變換為：先經(jīng)過衰減電路，衰減到單片機(jī)能夠處理的電壓范圍，再進(jìn)行電壓抬升，使輸入單片機(jī)的電壓為正電壓，最后通過濾波網(wǎng)絡(luò)，濾掉高頻分量后送入單片機(jī)，然后在單片機(jī)的控制下進(jìn)行A/D采樣、計(jì)算及軟件FFT運(yùn)算，進(jìn)行有效值和各次諧波的測量;另一次變換為：將交流變換為矩形波，輸送到單片機(jī)定時器中進(jìn)行捕獲實(shí)現(xiàn)頻率和相位的測量。單片機(jī)處理完數(shù)值后將結(jié)果顯示在液晶屏上。主控制器采用ST公司的STM32F407，其內(nèi)部具有FPU浮點(diǎn)運(yùn)算功能，結(jié)合內(nèi)部外設(shè)能夠簡單有效的對外部信號進(jìn)行數(shù)字處理及顯示。移相電路采用全通濾波器模擬移相電路。一階全通濾波器的移相范圍接近180°，所以通過設(shè)計(jì)兩級濾波則可使移相范圍接近360°，此電路簡單可靠。
2理論分析與計(jì)算
2.1電能質(zhì)量指標(biāo)分析根據(jù)題目要求，通過硬件中的波形變換電路，將工頻交流電信號變換為電流和電壓的等效方波信號送至STM32F4，由STM32F4內(nèi)置定時器捕獲模式計(jì)算出相位差和頻率。通過硬件中的衰減電路、抬升電路及抗混疊濾波[1]后送至STM32F4，由STM32F4內(nèi)部A/D采樣計(jì)算出輸入電壓電流信號的有效值。根據(jù)相位差和電壓電流的有效值計(jì)算出有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)，利用FFT(快速傅里葉變換)[2]計(jì)算諧波電壓含有率及諧波電流含有率[3]。應(yīng)用取點(diǎn)法，采集波形顯示的相應(yīng)點(diǎn)，在液晶屏上顯示出來。2.2移相電路分析移相是指兩種同頻的信號，以其中一路為參考，另一路相對于該參考做超前或滯后的移動，即稱為相位的移動。
3系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)
3.1硬件電路設(shè)計(jì)3.1.1前級信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)題目中給出輸入信號為1V～5V，為使A/D能夠有效采樣信號，需要對輸入信號進(jìn)行衰減，即兩個電阻串聯(lián)分壓;再對衰減了的信號進(jìn)行抬升，使其沒有負(fù)的信號;最后經(jīng)過濾波電路濾除干擾信號將有用信號送入單片機(jī)中進(jìn)行A/D采樣。其原理圖如圖2所示。3.1.2移相電路和波形轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用模擬移相電路。模擬移相電路其實(shí)是一個全通濾波器，其相移范圍接近180°，所以本設(shè)計(jì)采用2個一階全通濾波器串聯(lián)，使得整個移相電路能接近360°的相移范圍。由于系統(tǒng)需要監(jiān)測電路的功率與頻率，而測量功率需要檢測輸入電路電壓與電流之間的相位差，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對兩路正弦波相位差的監(jiān)測比較麻煩，而對方波信號的檢測相對比較容易，因此我們把正弦波整形成同頻率的方波，通過對方波上升沿的采樣，計(jì)算可以得出輸入信號的頻率與相位差。兩者原理圖如圖3所示。3.2軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要是對鍵盤進(jìn)行掃描、A/D采樣、FFT變換、有效值電壓電流等各參數(shù)的計(jì)算、顯示波形及各測量值的顯示。
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