劉 迪，畢 濤，譚春亮，葛寶川

（1.海軍航空大學(xué)航空基礎(chǔ)學(xué)院，山東煙臺 264001；2.山東工業(yè)技師學(xué)院，山東濰坊 261000）

電能是生產(chǎn)和生活的重要能源，如果沒有電能，世界將變成一片黑暗，生產(chǎn)和生活將難以繼續(xù)，在現(xiàn)如今的高科技時(shí)代中，電能所起的作用更加突出，電特征參數(shù)的測量從電產(chǎn)生的時(shí)候就是人們研究的熱點(diǎn)問題。隨著電能在當(dāng)今社會的作用越來越大，供配電系統(tǒng)也變得越來越復(fù)雜，用電負(fù)載和設(shè)備急速增加，對電特征參數(shù)測量的精確度就顯得尤為重要，電特征參數(shù)主要包括：電流、電壓、電能、電功率、功率因數(shù)等，要保障電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行就必須用電測儀表對其進(jìn)行監(jiān)測[1-3]。電測儀表經(jīng)歷了模擬化、數(shù)字化、智能化三代的發(fā)展過程。第一代儀表是模擬式儀表，亦稱指針式儀表，例如：指針式電壓表、指針式電流表等。按工作原理可以分為磁電系、電磁系、感應(yīng)系和電動(dòng)系四類儀表。隨著人們發(fā)現(xiàn)通電導(dǎo)線周圍有磁場并對小磁針有力的作用，制造出了檢流計(jì)、惠斯登電橋等最早的電測儀表。隨后由于新材料的出現(xiàn)，電測儀表在準(zhǔn)確度上有了顯著的提高。我國在1956 年開始建設(shè)生產(chǎn)電測儀表的工廠，到了70 年代，我國所生產(chǎn)的電測儀表基本上能夠滿足國家內(nèi)部生產(chǎn)建設(shè)的需求。模擬式電測儀表結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，精度不高，因此使用的場合具有一定的局限。隨著科技的發(fā)展，第二代數(shù)字式電測儀表出現(xiàn)了。數(shù)字式電測儀表能夠?qū)⒛M信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過顯示屏進(jìn)行數(shù)字化顯示，因此數(shù)字式儀表的響應(yīng)速度快，準(zhǔn)確度和可靠性比較高，與模擬式電測儀表相比，數(shù)字式儀表能夠直接讀取測量結(jié)果，使用方便。例如：數(shù)字式萬用表等。數(shù)字式測量儀表現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛地使用[4-6]。數(shù)字式電測儀表的缺點(diǎn)是不能適應(yīng)測量環(huán)境的變化，針對這個(gè)缺點(diǎn)，科學(xué)家們發(fā)明了智能式電測儀表，智能式電測儀表內(nèi)部配置有微處理器，能夠自動(dòng)檢測、自動(dòng)校正、自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程和測量量，還可以自動(dòng)診斷故障等，它通過內(nèi)部的微處理器，利用軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，大大簡化了電測儀表的整體結(jié)構(gòu)，可以取代人們的部分腦力計(jì)算，具備了人工智能的特點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集測量裝置越來越深入到各種應(yīng)用領(lǐng)域。在工程領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)的處理、分析和測試的信息量比較大，系統(tǒng)的控制芯片與各個(gè)測量單元的數(shù)據(jù)交換量比較大。為了提高測量的準(zhǔn)確度和工作效率,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度和可靠性越來越被人們所重視，需要研發(fā)出測量精度高、測量參數(shù)多的多功能儀表來滿足電力系統(tǒng)電參數(shù)的測量要求。在民用領(lǐng)域中，發(fā)電廠需要實(shí)時(shí)監(jiān)測各條線路的工作狀態(tài)和負(fù)載的電參數(shù)。在軍事領(lǐng)域中，經(jīng)常需要控制人員對雷達(dá)、聲納等軍事設(shè)備電參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，例如：電流、電壓、功率、電能等[7-10]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

負(fù)載電特征參數(shù)監(jiān)測與識別裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該系統(tǒng)以STM32 單片機(jī)為控制核心，充分利用其豐富的外設(shè)接口，通過外圍擴(kuò)展電路，實(shí)現(xiàn)參數(shù)輸入、處理和測量結(jié)果顯示。該系統(tǒng)的硬件電路主要包括電流和電壓輸入電路、信號采集電路、電流和電壓互感器、過零檢測電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路、顯示電路、鍵盤控制電路等。該裝置能夠?qū)崟r(shí)顯示負(fù)載兩端的電壓、流過負(fù)載的電流、負(fù)載消耗的功率、電路的功率因數(shù)、負(fù)載的電能等，同時(shí)能夠識別運(yùn)行中的負(fù)載種類[11-13]

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)具體實(shí)施方案

負(fù)載電特征參數(shù)監(jiān)測與識別裝置具體實(shí)施方案如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

2.1 主控模塊

采用STM32 單片機(jī)為控制核心，技術(shù)成熟，設(shè)計(jì)簡單。通過對該系統(tǒng)的合理分析，科學(xué)規(guī)劃I/O 端口，完全可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。STM32 系列單片機(jī)是目前比較常用的微處理器，在工程項(xiàng)目中，為了滿足和適應(yīng)工程應(yīng)用需求，STM32 系列單片機(jī)的芯片設(shè)計(jì)遵循了配置合理豐富、提供選項(xiàng)靈活多樣的原則，例如齊全的閃存容量配置，提供16～1 024 kB 的寬范圍選擇；每一個(gè)外設(shè)都擁有多種配置選項(xiàng)，使用者可以按照具體需要做出合適的選擇，例如USART 模塊可以實(shí)現(xiàn)普通的異步UART 通信以及進(jìn)行簡單的多機(jī)通信等。STM32 系列單片機(jī)提供了一個(gè)32 位微處理器，保證了外設(shè)配置和所有引腳的兼容性，性能較強(qiáng)，功率損耗較低，芯片的集成度較高，開發(fā)應(yīng)用比較容易[14-15]。

2.2 電壓測量模塊

使用變比1 000∶1 000 的電壓互感器，既可以降低電壓信號滿足電壓采樣要求，又可以隔開高電壓系統(tǒng)，以保證人身和設(shè)備的安全。模擬信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送入STM32 單片機(jī)，單片機(jī)對轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行處理，并驅(qū)動(dòng)LCD 顯示結(jié)果。該電路簡單，元器件容易獲取，安全性高。電壓測量電路如圖3 所示。

圖3 電壓測量電路圖

2.3 電流測量模塊

使用變比1 000∶1的電流互感器，將大電流信號轉(zhuǎn)化為小電流信號，再通過電流轉(zhuǎn)換電路，將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。電路簡單安全，電流可以通過互感線圈的匝數(shù)控制，功耗低。電流測量電路如圖4所示。

圖4 電流測量電路圖

2.4 功率因數(shù)測量模塊

功率因數(shù)是電力系統(tǒng)和用電設(shè)備的一個(gè)重要指標(biāo)。在直流電路里，功率等于電流與電壓的乘積；但是在交流電路中，平均功率等于電壓與電流的有效值的乘積再乘以功率因數(shù)，其中功率因數(shù)角是電壓與電流的相位差角。當(dāng)負(fù)載為純電阻時(shí)，電壓與電流的相位差角為零，功率因數(shù)為1。對于感性負(fù)載或者容性負(fù)載的功率因數(shù)介于0 到1 之間。提高用電設(shè)備的功率因數(shù)對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著重要的意義。提高功率因數(shù)可以充分利用發(fā)電設(shè)備的容量，也可以節(jié)約電能。利用電壓、電流過零檢測電路，檢測兩者方波信號的相位差，計(jì)算功率因數(shù)，軟件設(shè)計(jì)較為容易。

2.5 輸入模塊

鍵盤是一種最基本的輸入設(shè)備，它是由按鍵組合而成。通過鍵盤，可以將數(shù)據(jù)、地址和命令等輸入到計(jì)算機(jī)中。該裝置使用矩陣式鍵盤，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減少I/O 口的占用，按鍵按行和列來排列，形成矩陣形式。該裝置的鍵盤采用4*4 鍵盤，共包括16 個(gè)按鍵，其中，包括“0～9”10 個(gè)數(shù)字鍵，以及復(fù)位鍵、確認(rèn)鍵、清除鍵、選擇鍵、存儲鍵和瀏覽鍵等。按鍵在閉合或者斷開的一瞬間會出現(xiàn)一連串抖動(dòng)，這一連串抖動(dòng)可能會被單片機(jī)錯(cuò)誤讀取幾次，被單片機(jī)認(rèn)為是多次操作。這時(shí)要采用去除抖動(dòng)的方法，通常采用硬件去抖動(dòng)方法，在按鍵的輸出端與計(jì)算機(jī)接口之間加一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路來消除抖動(dòng)[16-17]。

2.6 顯示模塊

LCD 分為點(diǎn)陣形式、段位形式和字符形式，點(diǎn)陣形式的LCD 顯示屏不僅能顯示數(shù)字和字符，還可以顯示漢字、曲線和圖形，用途十分廣泛。采用點(diǎn)陣型液晶，例如：12864 顯示，優(yōu)點(diǎn)是字庫空間大，能夠顯示漢字及簡單圖形。

2.7 低功耗設(shè)計(jì)

利用繼電器的輔助觸點(diǎn)控制，使得該裝置在長時(shí)間沒有按鍵時(shí)關(guān)閉顯示器以降低能耗，但要保留測量功能，一旦有按鍵再開啟顯示器。

2.8 抗干擾措施設(shè)計(jì)

為了防止程序“跑飛”后引起整個(gè)程序混亂，可以在軟件上采取抗干擾措施。當(dāng)程序陷入到一個(gè)死循環(huán)后，冗余指令無法恢復(fù)程序，可以利用看門狗電路進(jìn)行即時(shí)復(fù)位，讓程序重新開始運(yùn)行[18-20]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

負(fù)載電特征參數(shù)監(jiān)測與識別裝置通過軟件程序來完成其所有功能。該裝置的工作效率由軟件程序的效率直接決定。軟件實(shí)施方案如圖5 所示。系統(tǒng)復(fù)位啟動(dòng)以后，經(jīng)過自檢和初始化后，讀取相關(guān)模擬信號，計(jì)算電壓和電流。超過門限值，繼電器動(dòng)作保護(hù)電路；低于門限值，經(jīng)過算法計(jì)算，在顯示器顯示出負(fù)載的種類。STM32 單片機(jī)具有豐富的中斷類型，包括過壓、過流、欠壓、欠流、過熱等。

圖5 軟件實(shí)施方案圖

該裝置調(diào)試完畢后，經(jīng)過測量可以得到以下的測試結(jié)果，如表1 所示。針對不同用電負(fù)載，該裝置對電流、電壓、有功功率和電能的測量值與利用萬用表測量的結(jié)果非常接近，驗(yàn)證了該裝置對負(fù)載電參數(shù)測量的準(zhǔn)確性和可靠性。

表1 測試結(jié)果

誤差分析與補(bǔ)償：該單相負(fù)載電特征參數(shù)的監(jiān)測與識別裝置使用的是STM32 系列單片機(jī)的芯片，有可能會產(chǎn)生誤差。通常采用以下的補(bǔ)償方法來減小誤差。電壓互感器和電流互感器可能會引起測量誤差，該誤差可通過使用高精度的互感器來解決。

電流輸入通道和電壓輸入通道由于相位的差異會產(chǎn)生相位差，電路中的電流和電壓信號在經(jīng)過互感器和調(diào)節(jié)電路之后會產(chǎn)生相波和無功電流，可以利用該信號進(jìn)行電力補(bǔ)償，來進(jìn)一步消除諧波分量。

4 結(jié)論

在當(dāng)今的生活和工業(yè)生產(chǎn)中，電能的作用越來越大，供配電系統(tǒng)也變得越來越復(fù)雜，用電負(fù)載和設(shè)備急速增加，對電特征參數(shù)測量的精確度就顯得尤為重要。文中首先介紹了電測儀表的發(fā)展概況以及在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域的需求，隨后介紹了該裝置的組成結(jié)構(gòu)，各功能模塊的工作原理以及程序算法的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)利用STM32 單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種負(fù)載電特征參數(shù)監(jiān)測與識別裝置，能夠測量電流、電壓、有功功率、電能等電參數(shù)，并且能夠識別出負(fù)載的種類。通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)，證明了該裝置具有測量準(zhǔn)確度高、可靠性好、性能穩(wěn)定、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。