基于AVR 單片機的中頻電源測試系統(tǒng)設(shè)計

1 引言
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(xué)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(yīng)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(shè)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，最大功率 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(fù)載變化所引起的電參數(shù)變化要求有較好的實時響應(yīng)能力，能夠?qū)崟r顯示當(dāng)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(zhǔn)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(zhǔn)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(fù)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(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(shè)定。當(dāng)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(dǎo)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(shè)計與實現(xiàn)
在系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，采用模塊化設(shè)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(fù)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(fù)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：