【摘要】本文以2016年湖南省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽C題為依據(jù)，設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)電路以STM32F407ZGT6單片機(jī)為控制核心，通過(guò)STM32F407芯片內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器、32位定時(shí)器采集、捕獲經(jīng)過(guò)硬件衰減電路及波形變換電路的輸入交流電壓、電流信號(hào)，結(jié)合STM32F407的DSP處理功能（FFT）對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，可以快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)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(wú)功功率、功率因素、諧波等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)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(cè)；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(jìng)賽C題要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)能同時(shí)對(duì)工頻交流電各參量進(jìn)行測(cè)量的數(shù)字式單相電能質(zhì)量檢測(cè)儀。能測(cè)量并顯示電壓、電流有效值，頻率，功率因數(shù)，有功功率P，無(wú)功功率Q，視在功率S；并能同時(shí)顯示一個(gè)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(cè)量并顯示電壓、電流各次諧波有效值和各次諧波含量（測(cè)量至5次諧波）；要求測(cè)量準(zhǔn)備度在±1％以內(nèi)，測(cè)量誤差≤1％。為方便設(shè)計(jì)與制作，待測(cè)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(duì)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(hào)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(hào)處理，另一路經(jīng)過(guò)移相電路得到等效的交流電流信號(hào)后再進(jìn)行信號(hào)處理。每一路信號(hào)經(jīng)過(guò)兩次信號(hào)變換，一次變換為：先經(jīng)過(guò)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，通過(guò)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(cè)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(shí)器中進(jìn)行捕獲實(shí)現(xiàn)頻率和相位的測(cè)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(jiǎn)單有效的對(duì)外部信號(hào)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(guò)設(shè)計(jì)兩級(jí)濾波則可使移相范圍接近360°，此電路簡(jiǎn)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(guò)硬件中的波形變換電路，將工頻交流電信號(hào)變換為電流和電壓的等效方波信號(hào)送至STM32F4，由STM32F4內(nèi)置定時(shí)器捕獲模式計(jì)算出相位差和頻率。通過(guò)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(hào)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(wú)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(lái)。2.2移相電路分析移相是指兩種同頻的信號(hào)，以其中一路為參考，另一路相對(duì)于該參考做超前或滯后的移動(dòng)，即稱為相位的移動(dòng)。

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(jí)信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)題目中給出輸入信號(hào)為1V～5V，為使A/D能夠有效采樣信號(hào)，需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行衰減，即兩個(gè)電阻串聯(lián)分壓；再對(duì)衰減了的信號(hào)進(jìn)行抬升，使其沒(méi)有負(fù)的信號(hào)；經(jīng)過(guò)濾波電路濾除干擾信號(hào)將有用信號(hào)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(gè)全通濾波器，其相移范圍接近180°，所以本設(shè)計(jì)采用2個(gè)一階全通濾波器串聯(lián)，使得整個(gè)移相電路能接近360°的相移范圍。由于系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)電路的功率與頻率，而測(cè)量功率需要檢測(cè)輸入電路電壓與電流之間的相位差，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩路正弦波相位差的監(jiān)測(cè)比較麻煩，而對(duì)方波信號(hào)的檢測(cè)相對(duì)比較容易，因此我們把正弦波整形成同頻率的方波，通過(guò)對(duì)方波上升沿的采樣，計(jì)算可以得出輸入信號(hào)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(duì)鍵盤(pán)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(cè)量值的顯示。

4結(jié)論

本系統(tǒng)以STM32F407ZGT6單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)并制作了簡(jiǎn)易電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)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(duì)輸入信號(hào)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(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，完成了任務(wù)要求的所有功能。

參考文獻(xiàn)

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