基于ADuC812的三相电能设计

　　引言

　　数据采集系统芯片ADuC812(以下简称ADuC812)是美国Analog Devices公司投入市场一款性能优越微转换器产品,芯片内集成了一个完全可编程的、自校准、高精度的模拟数据采集系统。对于ADuC812的ADC模块采用硬件校正：出厂时对失调和增益误差调整到最佳的性能,并把校准结果储存在闪速存储器中,由任何上电复位事件自动加载以便初始化ADC校正寄存器。这种在线校正特性能够消除各种与系统和基准相关的误差(无论是内部基准或外部基准)。体积小、成本低、精度高和速度快是ADuC812显著特点,这些特点使之在测量中的应用前景非常看好。我们研制的以ADuC812为CPU的三相电能测量系统,可以完成数据采集和三相电压、电流、功率和电能的实时精确测量。

　　硬件电路

　　采用ADuC812构成三相电能测量系统的硬件总体结构如图1所示。

　　因ADuC812内部A/D转换器接受的模拟电压的输入范围为0~+VREF,故需设计6路电平和幅度调节电路。将信号输入锁相倍频电路,精确倍频4倍的信号送入23引脚(CONVST),用来启动ADC。利用ADuC812内部模拟开关切换,使内部12位A/D分时复用地分别对电压、电流进行采样。将三相U、I乘积累加,计算出电能,并将其乘系数K,每当电能值达到0.1千瓦时,就通过一I/O口P3.4送出一个低频脉冲。人机输入的按键可方便地选择数码管显示的量。为在系统研制阶段方便地进行程序在线下载、在线调试及与PC机通讯,配有RS232接口。扩展32K字节外部数据区RAM(IS61C256)可保存大量的原始A/D采样数据。

　　主程序流程图

　　软件设计

　　系统软件设计的主要任务是完成六路信号的数据采集、三相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数以及电能的实时计算,检测按键并把计算结果送数码管显示。

　　软件算法处理

　　在研制的新型三相电能测量系统中,采用ADuC812作CPU,对电网信号精确倍频4倍,以确保每周波采样4点,并实时计算每周波内各相电压有效值U、电流有效值I、有功功率值P、无功功率Q、功率因数cosj和电能W,将其值送数码管进行显示,实时计算三相电压、电流乘积累加和,每到0.1千瓦时通过一I/O口送出一个脉冲,同时也送数码管显示总的电能值。其各项计算公式见式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)和(6)。式中N为每周波的采样点数,u、i为A/D采集的电压、电流的瞬时值,∞表示一直在计算电能。其次,为了保证计算的精度,各项指标的计算采用滑动滤波。

　　主程序设计

　　首先进行初始化,包括关中断、定义变量和常数、对各变量置初始值、设置外部中断1和外部管脚启动ADC模式。完成初始化工作后,开中断。每采完5周波,将电压、电流乘积的累加和与前面10个周波采集的数累加和进行滑动滤波,滤波后的电能值乘以系数K,当电能值为0.1千瓦时的整数倍时,在I/O口送出一低脉冲;根据公式(1)、(2)、(3)、 (4)、(5),分别计算出电压、电流有效值、有功功率、无功功率以及功率因数,并根据按键,选择送数码管显示的量。主程序流程如图3所示。