基于AVR單片機的中頻電源測試系統(tǒng)的設計

　　電參數(shù)的測量和監(jiān)控是電力系統(tǒng)的重要組成部分，本文從測試系統(tǒng)的工程學實際出發(fā)，完成了對中頻電源系統(tǒng)的電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、有功功率等參數(shù)的測量和實時監(jiān)控，較好的實現(xiàn)了中頻電源測試系統(tǒng)的功能和工程要求。

　　AVR單片機相對傳統(tǒng)的 51系列單片機，具有更高的集成度和更強的功能，與 C語言有很好的兼容性，RISC指令架構(gòu)使其運行速度可達 1MIPS/MHZ。隨著其越來越廣泛的應用，必將取代 51系列成為單片機的主流。其主要功能包括看門狗、FLASH程序存儲器、 E2PROM、 A/D轉(zhuǎn)換器、定時器、計數(shù)器、USART接口等多種功能，這使得本測試系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)變得簡單，可靠。

　　2 硬件結(jié)構(gòu)設計與實現(xiàn)

　　本文所提及的中頻電源測試系統(tǒng)所測試的對象為三相四線制的中頻電源，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(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)對于負載變化所引起的電參數(shù)變化要求有較好的實時響應能力，能夠?qū)崟r顯示當前電力參數(shù)并對過壓、欠壓、過流、相序錯等故障進行聲光報警。

　　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（ ATMEGA8535）、信號轉(zhuǎn)換、交流采樣、數(shù)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(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集被測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準備采集，輸出電流經(jīng)過互感器后濾去干擾信號，再經(jīng)過精密采樣電阻轉(zhuǎn)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 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由 PORTD.2給出，確保能夠采集到同一時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(shù)據(jù)采集。

　　頻率測量是通過將 CD4052輸出的單相電壓信號經(jīng)電壓比較器 LM339轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲ㄐ盘?，由鎖相器 74HC4046進行頻率跟蹤，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(shù)據(jù)顯示部分由數(shù)碼管和 LCD顯示兩部分組成，按鍵主要用來進行顯示切換和系統(tǒng)復位。其接口和驅(qū)動電路如下圖所示：

　　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(shù)據(jù)口。數(shù)碼管驅(qū)動采用兩片 CD4514產(chǎn)生位選信號，PD0～PD7輸出字型碼到 74LS245驅(qū)動 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定。

　　當數(shù)據(jù)處理結(jié)果為過壓、欠壓或低頻時， 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，進行聲光報警，提示工作人員處理故障。 3軟件模塊設計與實現(xiàn)在系統(tǒng)的軟件設計中，采用模塊化設計方法，使得程序結(jié)構(gòu)清晰，便于今后進一步擴展系統(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)的運行過程中，接通和斷開負載都會產(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(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 軟件模塊設計與實現(xiàn)

在系統(tǒng)的軟件設計中，采用模塊化設計方法，使得程序結(jié)構(gòu)清晰，便于今后進一步擴展系統(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)的運行過程中，接通和斷開負載都會產(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(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)在一個周期內(nèi)對某一相電壓、電流進行等時間間隔連續(xù)采樣，對得到的 N個采樣數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集和濾波子程序流程如上圖所示。方法為每次等時間間隔采集 16次，經(jīng)過數(shù)字濾波后依次存入采集結(jié)果單元。

　　數(shù)據(jù)處理和顯示控制子程序流程如上圖所示。數(shù)據(jù)處理子程序主要將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為顯示 BCD數(shù)據(jù)存入顯示單元，并對過欠壓、過流、低頻等作出判斷。顯示子程序包括數(shù)碼管動態(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，本文就不再一一進行詳細介紹。由以上流程所編寫的程序在實際運行中效果良好，運行穩(wěn)定可靠，請廣大讀者作為參考。

　　4 結(jié)束語

　　本文所敘述的中頻電源測試系統(tǒng)在實踐中證明能夠快速、準確地采集各項電力參數(shù)，具有硬件結(jié)構(gòu)簡單，軟件運行可靠，顯示方式靈活等特點，在工程實際中具有一定的實用參考價值。