基于AVR 单片机的中频电源测试系统设计

1 引言
电参数的测量和监控是电力系统的重要组成部分，本文从测试系统的工程学实际出发，完成了对中频电源系统的电压、电流、频率、功率因数、有功功率等参数的测量和实时监控，较好的实现了中频电源测试系统的功能和工程要求。AVR 单片机相对传统的 51 系列单片机，具有更高的集成度和更强的功能，与 C 语言有很好的兼容性，RISC 指令架构使其运行速度可达 1MIPS/MHZ。随着其越来越广泛的应用，必将取代 51 系列成为单片机的主流。其主要功能包括看门狗、FLASH 程序存储器、E2PROM、A/D 转换器、定时器、计数器、USART 接口等多种功能，这使得本测试系统的硬件实现变得简单，可靠。

2 硬件结构设计与实现
本文所提及的中频电源测试系统所测试的对象为三相四线制的中频电源，额定输出电压为 115V频率为 400Hz，最大功率 14KW。需要精确测量和监控的电力参数主要有电压(V)、电流(A)、频率(Hz)、有功功率(KW)和功率因数，系统对于负载变化所引起的电参数变化要求有较好的实时响应能力，能够实时显示当前电力参数并对过压、欠压、过流、相序错等故障进行声光报警。根据功能要求，系统硬件结构如下图所示，由 AVR 单片机（ATmega8535）、信号转换、交流采样、数码管显示、LCD 显示，按键选择和报警等功能模块组成。
 

2.1 信号转换和数据采集
被测中频电源的输出电压经过变压器后滤去高频谐波送入 CD4052 准备采集，输出电流经过互感器后滤去干扰信号，再经过精密采样电阻转换为电压信号送入 CD4052 准备采集。三相电压信号和电流信号经过 CD4052 后送入两片采样保持器 LF398，CD4052 集成芯片的双路选择结构能够确保输出同相的电压信号和电流信号，其通道地址由 PORTA.0 和PORTA.1 给出。两片采样保持器 LF398 的逻辑控制信号同时由 PORTD.2 给出，确保能够采集到同一时刻的电压信号和电流信号。LF398 的输出信号由 PORTA.6、 PORTD.7 输入单片机，由采集程序完成数据采集。频率测量是通过将 CD4052 输出的单相电压信号经电压比较器 LM339 转变为方波信号，由锁相器74HC4046 进行频率跟踪，再用分频器 74HC4020 分频后输入单片机的 PORTD.6，利用单片机的输入捕获功能测量频率。

2.2 显示接口、按键接口和报警功能
数据显示部分由数码管和 LCD 显示两部分组成，按键主要用来进行显示切换和系统复位。其接口和驱动电路如下图所示：
 

LCD 接口中 PB0、PB1、PB2、PB3、PB6、PB7 分别对应 LCD 的/WR、/RD、RS、BUSY、/CS、/RES 引脚，PD0～PD7 做 8 位数据口。数码管驱动采用两片 CD4514 产生位选信号，PD0～PD7 输出字型码到 74LS245 驱动 4×5 位数码管，三片 ULN2803 做吸收电流
功能用。显示方式由按键程序设定。当数据处理结果为过压、欠压或低频时，PORTD.5 为高电平，故障灯亮，PORTD.6 为低电平，三极管导通，蜂鸣器响，进行声光报警，提示工作人员处理故障。

3 软件模块设计与实现
在系统的软件设计中，采用模块化设计方法，使得程序结构清晰，便于今后进一步扩展系统的功能。系统软件有以下模块构成：主程序、键盘扫描处理子程序、数据采集子程序、数字滤波子程序、数据处理子程序、显示子程序等。在供电系统的运行过程中，接通和断开负载都会产生高频谐波干扰，如果采用硬件滤波存在硬件电路复杂、可靠性下降、综合成本加大等诸多不利因素。因此本测试系统求取电力参数采用数字滤波方式来祛除干扰，通过软件处理来代替硬件电路，取得了较好的滤波效果。
此外，系统中还采用指令冗余、软件陷阱等抗干扰措施，使系统具有良好可靠性能。
3.1 交流采样算法
(1)在一个周期内对某一相电压、电流进行等时间间隔连续采样，对得到的 N 个采样数据分别计算出电压 U、电流 I 的有效值：
 

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式中：uk 和 ik 分别为同相电压和电流的第 k 次采样值。
(2)由采集到的电压电流瞬时值计算出有功功率：
 

式中：ik、uk 为同一时刻的同相电流、电压采样值。
(3)功率因数可由下式求得：
 

3.2 软件流程

主流程和按键检测子程序流程如上图所示。按键检测主要用于显示切换，PORTC.0～PORTC.4 分别对应于显示设定为 U 相、V 相、W 相或平均值
 

数据采集和滤波子程序流程如上图所示。方法为每次等时间间隔采集 16 次，经过数字滤波后依次存入采集结果单元。
 

数据处理和显示控制子程序流程如上图所示。数据处理子程序主要将采集数据转换为显示 BCD 数据存入显示单元，并对过欠压、过流、低频等作出判断。显示子程序包括数码管动态显示和 LCD 显示两大模块，其显示方式由按键处理子程序控制。由于篇幅关系，本文就不再一一进行详细介绍。由以上流程所编写的程序在实际运行中效果良好，运行稳定可靠，请广大读者作为参考。

4 结束语
本文所叙述的中频电源测试系统在实践中证明能够快速、准确地采集各项电力参数，具有硬件结构简单，软件运行可靠，显示方式灵活等特点，在工程实际中具有一定的实用参考价值。