基于AVR 單片機(jī)的中頻電源測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言
電參數(shù)的測(cè)量和監(jiān)控是電力系統(tǒng)的重要組成部分，本文從測(cè)試系統(tǒng)的工程學(xué)實(shí)際出發(fā)，完成了對(duì)中頻電源系統(tǒng)的電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、有功功率等參數(shù)的測(cè)量和實(shí)時(shí)監(jiān)控，較好的實(shí)現(xiàn)了中頻電源測(cè)試系統(tǒng)的功能和工程要求。AVR 單片機(jī)相對(duì)傳統(tǒng)的 51 系列單片機(jī)，具有更高的集成度和更強(qiáng)的功能，與 C 語言有很好的兼容性，RISC 指令架構(gòu)使其運(yùn)行速度可達(dá) 1MIPS/MHZ。隨著其越來越廣泛的應(yīng)用，必將取代 51 系列成為單片機(jī)的主流。其主要功能包括看門狗、FLASH 程序存儲(chǔ)器、E2PROM、A/D 轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、USART 接口等多種功能，這使得本測(cè)試系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)變得簡(jiǎn)單，可靠。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
本文所提及的中頻電源測(cè)試系統(tǒng)所測(cè)試的對(duì)象為三相四線制的中頻電源，額定輸出電壓為 115V頻率為 400Hz，最大功率 14KW。需要精確測(cè)量和監(jiān)控的電力參數(shù)主要有電壓(V)、電流(A)、頻率(Hz)、有功功率(KW)和功率因數(shù)，系統(tǒng)對(duì)于負(fù)載變化所引起的電參數(shù)變化要求有較好的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，能夠?qū)崟r(shí)顯示當(dāng)前電力參數(shù)并對(duì)過壓、欠壓、過流、相序錯(cuò)等故障進(jìn)行聲光報(bào)警。根據(jù)功能要求，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如下圖所示，由 AVR 單片機(jī)（ATmega8535）、信號(hào)轉(zhuǎn)換、交流采樣、數(shù)碼管顯示、LCD 顯示，按鍵選擇和報(bào)警等功能模塊組成。

2.1 信號(hào)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集
被測(cè)中頻電源的輸出電壓經(jīng)過變壓器后濾去高頻諧波送入 CD4052 準(zhǔn)備采集，輸出電流經(jīng)過互感器后濾去干擾信號(hào)，再經(jīng)過精密采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)送入 CD4052 準(zhǔn)備采集。三相電壓信號(hào)和電流信號(hào)經(jīng)過 CD4052 后送入兩片采樣保持器 LF398，CD4052 集成芯片的雙路選擇結(jié)構(gòu)能夠確保輸出同相的電壓信號(hào)和電流信號(hào)，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(hào)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(hào)和電流信號(hào)。LF398 的輸出信號(hào)由 PORTA.6、 PORTD.7 輸入單片機(jī)，由采集程序完成數(shù)據(jù)采集。頻率測(cè)量是通過將 CD4052 輸出的單相電壓信號(hào)經(jīng)電壓比較器 LM339 轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)，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(jī)的 PORTD.6，利用單片機(jī)的輸入捕獲功能測(cè)量頻率。

2.2 顯示接口、按鍵接口和報(bào)警功能
數(shù)據(jù)顯示部分由數(shù)碼管和 LCD 顯示兩部分組成，按鍵主要用來進(jìn)行顯示切換和系統(tǒng)復(fù)位。其接口和驅(qū)動(dòng)電路如下圖所示：

LCD 接口中 PB0、PB1、PB2、PB3、PB6、PB7 分別對(duì)應(yīng) LCD 的/WR、/RD、RS、BUSY、/CS、/RES 引腳，PD0～PD7 做 8 位數(shù)據(jù)口。數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)采用兩片 CD4514 產(chǎn)生位選信號(hào)，PD0～PD7 輸出字型碼到 74LS245 驅(qū)動(dòng) 4×5 位數(shù)碼管，三片 ULN2803 做吸收電流
功能用。顯示方式由按鍵程序設(shè)定。當(dāng)數(shù)據(jù)處理結(jié)果為過壓、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(dǎo)通，蜂鳴器響，進(jìn)行聲光報(bào)警，提示工作人員處理故障。

3 軟件模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，使得程序結(jié)構(gòu)清晰，便于今后進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)軟件有以下模塊構(gòu)成：主程序、鍵盤掃描處理子程序、數(shù)據(jù)采集子程序、數(shù)字濾波子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、顯示子程序等。在供電系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，接通和斷開負(fù)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(fù)雜、可靠性下降、綜合成本加大等諸多不利因素。因此本測(cè)試系統(tǒng)求取電力參數(shù)采用數(shù)字濾波方式來祛除干擾，通過軟件處理來代替硬件電路，取得了較好的濾波效果。
此外，系統(tǒng)中還采用指令冗余、軟件陷阱等抗干擾措施，使系統(tǒng)具有良好可靠性能。
3.1 交流采樣算法
(1)在一個(gè)周期內(nèi)對(duì)某一相電壓、電流進(jìn)行等時(shí)間間隔連續(xù)采樣，對(duì)得到的 N 個(gè)采樣數(shù)據(jù)分別計(jì)算出電壓 U、電流 I 的有效值：