1、本 科 毕 业 设 计船厂电能数据采集器的设计所在学院 专业班级 电气工程与自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 II摘要船厂电能数据采集器的设计是为了解决船厂技术人员无法直观的查看电能质量而引起用电设备的故障这一问题。本设计采用宏晶单片机 STC12C5A16S2 作为本系统的 CPU，对电能采集的采集进行精确的分析并显示出来，给技术人员提供直观的了解，同时也可以把重要数据发送给工业计算机，供相关人员参考分析。对电能数据采集主要采集电压和电流，其中对电流采集使用电流互感器，对电压采集使用电阻分压方式；显示采用液晶屏 12864F-1，通过键盘选择，可对各相序重要数据进行显
2、示；远距离通信采用芯片 MAX485，可将数据发送带其他工业计算机上观察；本系统还装设声光报警装置，当功率因数低于设定值时，可发出报警，方便工作人员对发电机的检查，减少不必要的损耗；此系统直接采用 220V 采集电源，无需外加电源。经调试及多次测试，该控制系统运行可靠，实现了对船厂电能数据的精确及时采集。通过此次设计，了解到本设计最大的难点是如何对船厂电能数据采集以最大限度的降低采集误差。本设计反应了船厂电能数据采集系统在实际应用中所要面临的问题以及探讨了解决这些问题的相关方法。关键词：单片机；船厂电能；互感器；液晶屏 12864IIIAbstractShipyard power data a
3、cquisition was designed to solve the shipyard technicians intuitive view of power quality can not be caused by electrical equipment failure this issue. The design uses a STCMCU STC12C5A16S2 as the CPU of this system, power collected on the precise analysis of acquisition and display, to provide an i
4、ntuitive understanding of technology, but also important data can be sent to the computer industry for the reference of relevant personnel. Data collection on the main power voltage and current collection, including use of current transformers on the current collection, using the resistance of the v
5、oltage divider means collected; display with LCD screen12864F-1,select the keyboard can be important data for each phase sequence for display; long-distance communication with the chip MAX-485,can send the data observed with other industrial computer; The system also sound and light alarm devices in
6、stalled, when the power factor drops below the set value, may issue a warning, to facilitate inspection of the crew of the generator, reducing unnecessary wear and tear; this acquisition system directly with 220V power supply, no external power supply. After commissioning and testing times, the cont
7、rol system is reliable, the realization of accurate and timely energy data shipyard acquisition. With this design, understand the difficulties of this design is how the biggest shipyards in order to maximize power reduction in data acquisition error. The design reflects the energy data collection sy
8、stem in the shipyard practical problems to be faced in the study to address these issues and related methods.Keywords: Single-chip; Shipyard power; Transformer; LCD screen 12864IV目 录第 1 章 绪论 .11.1 本文研究的背景和意义 .11.2 船厂电能数据采集的国内外研究现状 .11.2 论文研究主要内容 .3第 2 章 船厂电能数据采集器的设计方案 .42.1 设计思想和依据 .42.1.1 电源方案设计 .4
9、2.1.2 电压电流采样方案设计 .42.2 系统框图和概要 .52.3 功率计算公式 .6第 3 章 船厂电能数据采集器的电路原理 .73.1 电源模块电路设计 .73.2 显示电路设计 .73.3 电能数据采样电路设计 .83.3.1 电压采样电路设计 .93.3.2 电流采样电路设计 .103.3.3 2.5V 基准电压电路设计 .113.4 声光报警电路设计 .113.5 通信模块电路设计 .123.6 单片机外围电路 .14第 4 章 船厂电能数据采集器的软件设计和实现 .154.1 船厂电能数据采集器的主程序 .154.2 船厂电能数据采集器的关键程序 .15第 5 章 开发工具、
10、制作调试过程 .175.1 软件开发平台 Keil uVision2.175.1.1 外围接口 .175.1.2 性能分析 .175.1.3 变量来源浏览 .185.1.4 代码作用范围分析 .185.2 制作调试过程 .185.2.1 PCB 板制作 .185.2.2 元器件焊接 .185.2.3 电路调试 .185.2.4 硬件结构组装 .195.2.5 软件系统编写调试 .19结论 .20致谢 .21V附录 1 电压电流采样波形 .23附录 2 实物图 .24附录 3 原理图 .25附录 4 PCB 图 .26附录 5 程序 .271第 1 章 绪论1.1 本文研究的背景和意义现代社会中
11、，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水平的主要标志之一。现代社会对电能的需求量日益增加，同时对电能质量的要求也越来越高。随着科学技术和国民经济的发展，一方面为电力系统的发展和进步提供了空间和新的技术手段，另一方面也给电网的安全运行带来许多负面影响，由此也给电力工作者和研究者带来许多新的研究课题。电力系统中各重要节点的电压、电流、用电量等都对电力系统的安全稳定运行起着关键作用，所以要对船厂电网的各种运行参数进行实时监测，并根据检测的数据分析电网的运行质量，预防因供电质量引起的用电设备故障。一直以来，供电线路的电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率，功率损耗等参数的检测是掌握
12、供电线路和设备运行状态的基础，有些参数还是保证功率补偿有效性和合理性的决策依据。随着电力电子技术的发展，电力系统负载的复杂程度增加了，整流器、变频器以及电弧炉等各种非线性负载在工农业生产和输电设备中得到了广泛的应用，电力线上传输的已经不再是纯净的 50Hz 交流电了，而变成包含着谐波和各种干扰的复杂的供电系统，这些负载的非线性、冲击性和不平衡性使得电网的供电质量日趋恶化，造成诸多的稳态、暂态电能质量问题，如浪涌干扰，高压尖峰干扰，电压跌落和骤变，电压的谐波影响，电压波动，三相不平衡等，所有这些带来了许多新的问题，如电网中存在的大量谐波电压和谐波电流会导致电机转子过热，导致系统元件产生附加谐波损
13、耗，降低用电设备的使用效率，缩短使用寿命；瞬变干扰引起计算机和单片机系统死机，还可能引起自动装置、继电保护装置误动作和工业生产电子控制装置失灵，使重要的生产过程中断；功率因数降低导致损耗增加等等。所有的这些问题将会造成巨大的经济损失和生产事故，产生严重的安全隐患，最终导致船厂倒闭。基于以上各种原因，为了船厂电力系统的安全运行，为了各个车间的安全用电，以及达到电力设备的要求，更为了降低损耗，提高用电效率，研究能够在三相四线制工作方式下，对电网各项参量进行检测，同时实现电能质量各项指标的测量和结果显示的电力系统测量装置，进行船厂电网检测和电能治理成为近年来电力行业研究的新热点。只有充分的了解电网的
14、运行状况，及时的检测电网中的各个指标，对其分析、统计后，才能找到问题的根源，分析其严重程度，从而得出处理的方法，进一步解决这些问题。1.2 船厂电能数据采集的国内外研究现状船厂电能质量的标准和技术是随着电力系统的发展和船厂用电量的变化而变化的发展的。大量电力电子设备的使用是新技术的运用，同时也是电能质量恶化的制造者和受害者。近四十年来全球范围内因电能质量而引起的重大电力事故已达二十多起，船厂尤其严重，每年电能质量扰动和电力环境污染引起的国民经济损失高达两千亿元。供电质量问题不仅对像船厂一样的大型企业的正常运行影响较大，同时对重大活动的安全供电影响较大。我们需要监测2分析电力系统动态和稳态两大电
15、能质量问题，为预防和减少电能质量引起的故障，从统计数据方面提供采取措施的依据。船厂电能数据采集装置的发展经历了三个阶段：第一代是指针式仪器。如模拟万用表、电流表、电压表等，这些仪器仪表的基本结构是电磁式、电动式、感应式、静电式、电热式等。由于这些仪表本身的机械结构和电磁结构的不稳定性和复杂性，一般精度较低，稳定性差，应用场合有一定局限性，但由于其原理简单、坚固耐用、成本低廉，目前还在被广泛应用；第二代是数字式测量仪器。这些仪表的基本原理是将被测量的模拟信号通过电子线路变成数字信号，进行计算并显示出来。这类仪器同指针式仪器相比，精度有了很大提高，能直观读取测量数据，而且可靠性高，易于使用。但电子
16、线路比较复杂，不能自动适应测量环境的变化，而且仪器的校准复杂。第三代是智能仪器。某些参考资料认为：所谓的智能，意味着仪器中含有一定的人工智能，即是利用电子线路代替人的一部分脑力劳动，然而至今智能仪器中所具有的人工智能并不多。这些仪器内部含有微处理器，通过微处理器来控制数据的采集，并对数据进行处理。因此能够使用软件的方法实现信息的采集、处理和存储，大大简化了仪器的整体结构。这类仪器的硬件基础是采集技术和输入输出技术，而软件基础在于数据的采样和处理方法。国外对电能质量研究起步较早，目前有关电能质量控制的研究正掀起高潮，从所使用的理论到电能质量评价指标体系的建立，从全国性的电能质量普查、监测到用户终
17、端电气环境的定义，各种电能质量问题分析方法的提出，以及“用户电力技术”等电能质量控制技术的研究和装置的开发正深入进行。1996 年，IEEE（美国电气和电子工程师协会）决定将每两年召开一次的电力谐波国际学术会议（ICHPS）更名为电力谐波与电能质量学术会议（ICHAP） ，讨论的主题包括利用先进的电能计量的分析方法开发新型实用的电能计费装置，把电能质量提高到一个新的认识高度。在从事电能质量产品的企业中，美国的 FLUKE 公司和瑞士的 LEM公司的产品在全球都有广泛的应用。在国内，目前电能质量中的某些问题已成为电工领域的前沿性课题，吸引了许多高等院校和科研机构的一大批科技人员投入其中进行研究。
18、理论研究方面，正致力于电能质量的界定方法和评估体系的建立、国家电能质量标准的完善和电能质量分析相关算法的研究。其中电能质量评价体系的建立主要涉及电能质量的定义、综合评价体系及其电力市场、船厂中的应用等方面；2006 年 4 月，经国家发改委批准组建的电力行业电能质量计柔性输电质量研究的重要内容，目前相关的算法研究主要致力于利用 FFT 算法、小波分析、窗函数等工具，进行信号去噪、信号提取以及谐波分析等方面的处理。在船厂电能质量的监测及应用仪器的和设备的开发方面，国内正进入一个蓬勃发展期，各种参数检测装置层出不穷。硬件方面有基于单片机芯片、DSP 芯片、基于双 CPU 系统、基于 ARM 系统等
19、；软件方面充分利用了 LabView 技术、CAN 总线、LONWORKS 总线、Web 技术等实现在线监测；此外还有一些专门测量电压闪变等暂态量的测量装置。总的来看，国内对船厂电能质量装置的研究起步晚，随着电力系统运行管理的系统化、网络化、自动化和智能化，单一功能的电能质量监测仪已经不适合现代化电能管理的需求。综观国内目前采用的各种电能质量监测设备和手段，主要存在以下一些不足：31、由于采用各种计算机作为现场监测分析工具，导致设备成本提高；2、设备配置的灵活性、通用性差，往往只能采用特定的操作环境；3、远程通信能力有限，不易实现远程监控、数据共享和长期评估与预测；4、对干扰的分析和故障的辨识
20、能力有限，不具备智能分析功能；5、实时性差，时域分析手段落后，不具备对瞬时扰动和暂态谐波的跟踪和捕获。1.2 论文研究主要内容本论文在借鉴同类装置的基础上，研制和开发的一种实用、 、完全脱离仿真器、低成本的便携式电能数据采集器，从测量装置的硬件设计，软件设计、算法分析等角度进行研究，难点是选择一种最优的方法来计算有效功率，使显示的内容与实际的内容相差最小。论文的章节安排如下：第一章提出了论文的选题背景和意义，国内外船厂电能数据采集问题和研究现状，介绍了论文的主要研究内容。第二章主要讲了船厂电能数据采集器的设计方案，首先介绍了直流电源和交流电源电能采样的方法和系统电源设计，然后提出了本系统的主要
21、框图和概要，最后总结了本系统的主要计算公式。第三章主要讲了船厂电能数据采集器的硬件电路设计，有电源模块电路设计，显示电路设计，电压电流采样电路设计，通信设计和报警设计。在电路设计时，对各个模块进行了必要的分析和说明，读者可以轻松读懂。第四章主要介绍了 STC12C5A16S2 单片机，同时重点对本系统的主程序和 AD 转换关键程序进行了介绍。使读者对该系统有更进一步了解。第五章主要讲述了本系统的开发环境工具 Keil Uvision2 和硬件、调试、编程的制作过程的注意点。最后对系统结论，同时对制作过程各位老师和同学帮助的鸣谢。4第 2 章 船厂电能数据采集器的设计方案2.1 设计思想和依据2
22、.1.1 电源方案设计电源是整个系统正常工作的基础，由于本系统中不同电路模块所需要的工作电压和电流容量各不相同，因此系统中包含了多个稳压电路。电源系统主要有为单片机、红外信号学习电路以及数码管驱动显示电路、LM1893 电力载波芯片电源，可选择的方案有：方案一：采用集成多路输出电源模块。集成多路输出电源模块具有制作简单，使用方便等特点，但临时短时间内要购买比较困难，而且价格较贵，电源组合方式固定不易选择。方案二：采用单独三端稳压集成块具有组合灵活、价格便宜等特点，本次电源采用多块低压差三端稳压块组成电源系统。2.1.2 电压电流采样方案设计采用单片机测量直流电功率时会有以下几种情况：一种是测量
23、电压电流恒定的直流功率其瞬时功率等于平均功率，则可以通过测量某一时刻的电压和电流的大小从而计算出平均功率；第二种，同样是直流电功率但电压电流不是恒定的，其瞬时功率不等于平均功率。这时如果用第一种方法测量，显然测量结果与真实值存在偏差，偏差大小与电压电流的稳定度有关。要得到平均功率必须经过多次测量之后取平均值才可得到平均功率。采用单片机测量交流电功率时会有以下几种情况：第一种是测量相位差为零的交流电功率，其有效功率等于视在功率。则可以通过测出电压和电流的有效之值再计算出有效功率，电压电流的有效值可以通过在一个周期内多次采样再经过计算得出。第二种是测量相位差不为零的交流电功率，其有效功率不等于视在
24、功率。有效功率不仅与电压电流的有效值有关而且还与电压和电流之间的相位差有关，所以要同时确定电压、电流、相位差三者的关系才能计算出有效功率。电压电流的有效值可以通过在一个周期内多次采样再经过计算得出，如果交流电的波形是标准正弦波，则可以通过程序分析电压和电流的采样值计算相位差，这样就可以计算出有效功率了。但是在实际测量中，交流电的波形普遍存在失真的情况而不是标准正弦波，这样就很难通过程序分析电压和电流的采样值计算相位差；因此相通过测量电压、电流和相位差来计算一般情况下交流电的有效功率是有困难的。以上计算功率的方法是基于下面两个公式的：直流电平均功率计算公式： （2-=*PUI平 均1）其中：U
25、代表平均电压，I 代表平均电流；交流电有效功率计算公式： （2-cosI有 效2）其中：U 代表有效电压，I 代表有效电流，代表电压和电流之间的相位差。为了可以测量一般情况下交流电的有效功率，必须改变计算方法。我们知道，衡量交流5电路中有效功率的大小是用单位时间的有用功来计算的。为了得到单位时间内的有用功，采用微积分的思想可以将单位时间划分为无穷多个均匀的时间段，对每个时间段的有用功率进行累积，累积的结果就是单位时间的有用功也就是交流电路中的有效功率。每个时间段的有用功等于电压、电流和这段时间的乘积，与相位差没有关系。当然，单片机在单位时间内对电压、电流的取样次数是有上限的不可能趋向无穷大。这
26、里我们采用的是宏晶STC12C5A16S2 单片机，外部晶振12MHz，其10位AD采样最大频率为120KHz。假设使用10位AD采样，采样频率为100KHz。对电压、电流进行交替采样，相当于电压、电流的采样频率都为50KHz，有用功的计算频率也为50KHz。我国的民用电的标准频率为50HZ，这就相当于把一个周期分为200个时间段，这样的计算结果与真实值之间的偏差不会太大，可以忽略。2.2 系统框图和概要电压电流取样处理单片机最小系统12864 液晶屏显示MAX485 通信图2.1 电能测量电路框图声光报警该功率测量电路主要包含四大部分：单片机最小系统、电压电流采样处理、12864液晶屏显示和
27、MAX485通信。硬件电路完成了电压电流的取样，功率的计算则需要程序的运行来完成。在12864液晶显示模块上显示信息也是通过程序控制的。单片机最小系统包括系统供电电源、单片机复位电路、单片机时钟部分和键盘。 单片机STC12C5A16S2的工作电压范围为3.3V5.5V，这里采用5V为整个系统供电。单片机是低电平复位的，当RESET引脚上的低电平时间大于最小脉冲宽度时即触发复位过程。为了得到稳定的时钟频率这里选用外部晶体振荡器。当硬件电路在长期使用后出现偏差时，键盘可以用来进行系统校对、调零等操作。电压电流采样处理电路要对电压电流的取样信号进行适当的处理以满足单片机AD采样的要求。交流电的电压和电流即有正的又有负的，而单片机只能对05V之内的直流电压进行AD 采样，在处理电路中要将交流电转为直流电。我国的民用电的标准电压为220V，单片机不能直接对220V的交流电直接进行AD转换，必须要将220V的高压衰减到一个适当的值。电流取样通过电流互感器完成，一般电流互感器出来的信号比较微弱，单片机的AD转精度有限，
