基于MSP430F149单片机的逆变器监控系统设计

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V1 o0 o 0 . . N1 10c .2 o t 09

基于MS 4 0 19片机的 P 3 F4单逆变器监控系统设计徐璜，朱德明，肖岚(南京航空航天大学，江苏南京 2 0 1) 10 6

摘要：介绍了一种以 1 4单片机 MS 4 0 1 9核心的逆变器监控系统的硬件组成和软件 6-:￣ - P 3 F4为

设计方法。该逆变器监控系统可实时监测电网中的电压、频率、F 1波，并可通过液晶屏 F’谐显示 .同时还具备与上位P机的通讯功能。 C

关键词：MS 4 0 1 9 P 3 F 4;逆变器；电源监控；谐波检测；F T F

0引言随着供电系统越来越复杂。电源的管理工作也变得越来越重要。逆变器一般使用数码管来显示简单的数据，这种方式在逆变器出现故障时，

量输入模块、开关量输入模块、基于I总线的外 2 C

围扩展模块、按键显示模块、通讯模块、电源模块等。本系统中的MC U选用 T公司的 l位低功耗单 I 6

片机 MS 4 O l 9 P 3 F 4。该单片机内部集成了众多的外围模块接 1 3,这不仅使电路的设计简单，同时也大大缩小了电路板的尺寸，提高了系统的可靠性。

往往不能及时发现。为此，本文利用 MS 4 0 1 9片机设计了一套逆变器监控系统。 P 3F 4单 该系统能够检测电网电压、频率、谐波等参数， 并实时显示，同时可通过 R 2 2讯口将数据传 S3通递给P机进一步处理。本系统可以实时了解逆变 C器的运行状况，从而提高逆变器的可靠性。本系统采用 M P 3 F 4为核心，实验证明，系统的 S 4 0 19

由于电网中的模拟信号是高电压、大电流，而MC U是低压的。因此需要对输入信号进行降压；另外，MC U的加模块是单电源供电，这样，

降压后的双极性模拟信号还需进行信号调理，以将其转变为单片机可以接受的单极性信号，而后

准确性和可靠性都很高。

送人 MC U的A D通道进行转换，其双极性转单极/

1系统硬件设计图 l示是以MS 4 0 1 9核心的监控系统所 P 3 F4为结构图

。该系统的硬件电路包括 MC模块、模拟 U

性的偏置电路如图2示。所

信调卜/ SR号理 A U T D A薄键卜 . I膜盘 _ o/ I/ 0图2双极性转单极性偏置电路

电转卜+^ U I源换 _ / o f/ C开量入卜一 O关输 _ I,

虽然 MS 4 0 1 9部有高达 6 B的 Fah P 3F 4内 0K ls,

但还是远远不够，故可使用片￣ I总线方式的，2 1C,

隔电卜离路

I/ O

I/ O

E P OM存储器 2 C 5来增加存储容量。但是 2R 426

图1系统结构框图

2 C 5操作应遵循的I总线协议。而MS 4 0 4 26 2 C P 3中没有 I总线硬件接口，为此，可以用软件模拟℃ I总线协议，其硬件接口电路如图3 2 C所示。.

收稿日期：0 8 0— 8 20— 5 2

ed.n 2 0 .电手元嚣件主硐 cac 0 81 0

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电子元器件主用Elc r nc Co on n e to i mp e t& De i eAp ia in v c pl to s c

Vo .0 11 No 1 .00c .2 t 0O8

2 o年 1月 08 0

图 3 MCU与存储器连接图

利用 MS 4 0 19片机对液晶驱动芯片 P 3F 4单S 7 L T 6 4进行指令读写后，即可在 12 6 N 4 V 12 5 9￣4

的液晶显示屏中实现文字的实时显示、翻页、屏

幕滚动、反白等功能操作。由于液晶和信号调理电路中芯片的供电电压是5V,而单片机的供电电压是 33V,为使电压 . 匹配。需使用T S 3 3 P 7 3将5V电压转换为33 - V。 单片机经过R 2 2口与P机相连时 .可使 S3接 C用芯片MA 2 2 X 3来进行接口转换，以便通信功能的实现。

2系统软件设计21电压和频率检测 .

电压的采样可通过单片机的A D/模块和Tm r i e模块来实现。可在 Tme A中设置时间中断，每 i r _隔一定时间就采样数值，然后对采样后的数据求均方根，即可得到交流电压值；频率的采样则可利用前面检测的电压来查找过零点，并在Ti r B me中设_

图4电压和频率测量流程

图

频率为厂眦，只有满足采样频瓤>,才能保证 采样出来的波形不失真。电力部门的基波频率是

5,如果需要分析到 1次谐波，那/=0 0Hz 0厶 50

H。实际系统中通常可取 . k z z为1 H。 6窗长度 L的取值对于FT的精度也非常重要， F r 受单片机主频和计算能力的限制，一般不能采用

置固定时间循环检测。其电压和频

率测量的软件流程如图4示。所 22 F T数设计 . F参

计算量过大的F T F改进算法，而只能对采样信号截取进行普通F T解，因此，本系统算法主要 F分 r针对频率、相位比较稳定的电网电压。取L为被分析信号周期的两倍，根据 F T F的输入数据点数

非正弦电压U f t分解为如下形式的傅立 w)可叶级数：’

￡+ )= 0n =l

( sw+ i o) ac n tbs t o m

N的计算式 ( )Ⅳ,以及采样频瓤和分析窗长度L的取值，可以得到N 4为6,本系统需做6点的 4 Fr F .下面是其F T形算法程序： F蝶fr( F n:0 D-n<rD n+ f/ F T o D r;b T; I+ ) / F级按数循环，rl 2 =o n g

式中，频率为n (=,…)的项即为谐波 w n 23项。对于采样信号 U ()个采样点经过 F’ n,N n蝶

型算法分解后，可以得到电压的各次谐波：N一1kn

fr(=0 k< (< (—D n一1+ k{ o k; 1< r H' )+ ) );/蝶形数据两点间距循环/按 P=2 k 形算法 x=F[+]; l pd

u】= n 0=

【 n W】

(< Fn 1<D T );

其中W ej/是谐波次数 (=,, 3,= -n,k 2" N k 0l,…. 2Ⅳ- ) 1。

fr ( o d=0 d< (<D T );+ ){,; 1< F n+ d /蝶

根据香农采样定律，假设被分析信号的最高

2 电子元器件壶用 2 0 . 6 0 81 0

. d.n e a c c

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街姆霪鼯瘗

Vl o0 _N 1Oc .2 t 0

x 2=F【++ (< V '】; p d 1<D I ) n F[+】=x+x W

[ (< (—D T pd l 2 d 1< r Fn—

开始

1】; ) )

I

望些l堕

F[++ (<D T )=x p d 1< F n】 l—x W【 2 d(< (—D T 1< r F n一1) )];

[辜]

}】 ) ) FT谐波检测的软件流程如图5示。 F r所

≤≥中I变量初始化 I

-。。。。 _。。。。 _。●。一 _。。。 _。●‘ i

[囱

≤i

二]==圭堡 )堡堡图6主程序流程图

图5 F T程序流程图 F

23控制功能的实现 -电源监控系统终端软件的主要功能是在软件中设定数据警界线，以当数据超越上、下限时，图7上位机界面图

通过液晶显示发出告警信号，关闭逆变器。其主程序流程图如图6示。所24上位机界面的设计 .可在 dlh应用软件上先进行界面设计再进 e i p行程序编写 .即必须先考虑到操作人员所需要的

表 1交流标准值与实际测量值的比较

程序外观。图7为其设计界面图。 该界面使用的控件有位图按钮控件 fi u— bt t bt控件) b 8 Me r o n、A 10 t控件、L b l件、T h￣ e a e控 c a控件、Tm r i e控件、b t n件、s igr控件等。 ut控 o t n gi r d

3实验数据分析将市电电压通过变压器输入本逆变器监控系统，然后在液晶屏幕上显示的测量数据如表 1所够满足工作要求。 通过在逆变器输出端测量电压，在液晶厚

列。由表 1以看出，其电压测量误差很小，能可

上显示的F T波检测数据如 F谐

(下转第3:

1 We( n 20 .电子元器件主用 t . .￣c 0 81 T c W 0

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第 1期 0

电子元器件丕用Elcr n cC mp n h& De ieAp l ain et i o o et o vc p i t s c o

Vo . .O 1 0 No 1 1 Oc.2 0 t o8

2 0年 1月 08 0

表2编程和擦除命令序列定义

r v=I e DCHI P& 0 0; x F

PW I S EN= 1:_

HV AR (ni e otb s x A=0 5; u s n ds r ae A ) g h, 1 0 x0HV AR (ni e

o, d)=0 A; u s n ds r a r g ht x A fr (n=0 ct 4 ct+{ o c t;n<6;n+ ) H A ( ni e h r b s 0 F )= V R u s d so, ae 1 x 2 n g t ( nindsot er b 0; ( s e rna ) u u g h b f (ni e ot er ) b f 1 u= u s ds rn a u+; n g h ) H A ( ni e h r ae 10A )= V R u s n d sot s x A g,b0 A0; x

rtr (h c ); e n C ek0} u

5结束语 传统的数据存储方式是使用诸如A 2 1 8 T 5 2等的E P M。由于A 2 1 8价比较高，且编程 E RO T5 2性

简单，可在英飞凌单片机系统中方便使用。但为了克服E P O E R M的某些局限性。用户也可以使用在应用编程技术。从而将数据存储在单片机的片内Fah,这样，性能将更加稳定可靠。 ls中参考文献

HV R ( n i e h r ae x A= A u s d so,b s l0 5 ) n g t0 AA: x

P WjE= l S N;

rtr (hc ); eun C ek 0 )擦除操作：【】 1At lCo p r to .AT251 8 25 me r o ai n 2 M 6A mplt 2 07 Co ee.0

it Fah E ae (nindln d { n P l - rs u s e g o s g o aPS W—

i o t r mp n . 6 mpl t e mii g 1 6 【】 KelS fwae Co a y C1 6 Co i rOp i zn 6/ 2 1 7 C C mp lra dL b a yRee e c 6 o i n i rr f r n e e

I EN

= 0;KelS f a e C mp n . p ia in Noe 1 8“ n s s i o w r o a y Ap l t t 3 I - y - t c otm LA H P o r mmi gw t 6/ T1’ e F S r ga n i C1 xS 0’ h

H A (nindsotb s 0 A )=O 8; V R u s e r ae x A g h, l x 0H A (ni e o, ae1x 4:0 A; V R u s ds r b s 0 5 ) n g ht x A

昊志红，元。光宇.飞凌 1位单片机 X 14 S 朱王英 6 C 6C

的

HV R (ni e o,d) A u s nds r ar g ht(上接第2 i) 7"￣

=03; x3

原理与基础应用【】海：济大学出版社，0 6 M.上同 20.

表2列。可以看出，该 F T波检测在 MS 4 0所 F谐 P 3

4结束语本文设计的基于 MS 4 0 19 P 3 F 4的逆变器监控

单片机中的应用能够满足使用要求。但是 .因受单片机主频限制，采样的点数过少，且未对F T F

算法作改进，因此，该测量存在一定的误差。表2 F T波测量数据 F谐 r

系统，充分利用了MC U的资源，使逆变器的运行状态处于实时监控之下，从而使整个电源系统更加稳定可靠。同时，由于将F T波检测引入单 F谐片机控制系统 .因而也丰富了本电源监控系统的功能。参考文献

魏小龙 . P 3系列单片机接口技术及系统设计实 MS 4 0 例f . M1北京：京航空航天大学出版社， o 2北 2o. 陶维青 .马小陆.于4 0片机的新型配电变压器基 3单

远方终端的开发[.电器，0 5 3(9: J继] 2 0,31)赵金宝 .怡寰，基于8 C 9 K单片机智能化的谐岳等. 0 16 C

波检测方法[.算机应用，0 5 3: J计] 20,). ( 1

3 电子元器件主明 2 0 .0 l . d. 2 081 Wt e a n, c c q￣