工频选频表设计(附件)
工频选频表主要是配合大地网接地电阻测试仪使用，用来检测地网阻抗，电位梯度等相关参数。工频选频表因其自身具有的高灵敏度，搞准确性特点，在做选频滤波时有着许多优势。本设计是以STC12C5A60S2单片机为控制核心，结合了电压，电流互感模块及相应的输出模块，实现了对电压电流的放大，衰减，选频，滤波，有效值的测量，相位差的测量等相关功能，最后通过LCD1602液晶显示屏显示测量结果。本课题的主要任务是滤除50HZ工频信号的干扰，得到指定频率电压电流信号，再做分析研究。本课题主要针对跨步电压，接触电压的测量设计，现阶段本系统已实现基本的功能，其他拓展功能有待进一步开发。关键词 选频，工频信号，单片机，滤波
目 录
1 引言 1
1.1 概述 1
1.2 选题背景及意义 2
1.3 国内外研究现况 2
1.4 发展方向 3
2 总体设计 3
2.1 系统设计任务要求 3
2.2 系统电路设计 4
3 系统硬件设计 6
3.1 单片机最小系统 7
3.2 电压互感模块 8
3.3 放大电路模块 8
3.4 选频电路模块 11
3.5 相位差检测模块 14
3.6 LCD1602显示模块 16
4 软件设计 16
4.1 软件主体设计 16
4.2 信号放大程序 16
4.3 选频电路程序 18
4.4 相位差检测模块 20
4.5 LCD1602显示程序 22
结论 23
致谢 24
参考文献25
附录A 整体电路图 27
附录B 软件代码 28
1 绪论
1.1 概述
目前，对大地网的研究手段已十分成熟，研究深度也随着科技的发展有了很大的提升。其中，选频表的使用在对大地网的研究中则起着举足轻重的作用。一方面，选频表因其自身具有较高的灵敏度，精确度，在对大地网进行选频滤波时具有较大的优势。另一方面，选 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
频表操作简单，成本较低，因而作为大地网测量的辅助工具来说，便是不二之选。
简而言之，目前对大地网的测量主要是从电位梯度，跨步电压和接触电压这几个方面来入手。就电位梯度的测量来说，实际测量时受环境的影响很大。举个简单的例子，地形的起伏高度等自然环境的原因，都会对测量造成不小的影响，在实际的测量中，要解决的问题还很多，因此找到一套简便又实用的方案，则对该方面研究有着较为重要的意义。
跨步电压，顾名思义，在电器出现故障时，人在有接地电流行走时，两脚间的电压。其实光说跨步电压可能感触不是很深，但说到跨步电压触电，或许能更好的理解它。通常生活中的见到的例子来说，倘若电线杆上的某一根电线突然断掉落在地上，电流就会流入大地，这时人若是离掉落点较近时，很有可能发生跨步电压触电。其实也很好理解，在人每夸一步，两脚间存在电势差，就会有电流流过身体，如果电流较小，对身体便不会有什么危害。但一旦电流较大，则很有可能会对中枢神经造成不可恢复的破坏，或是对血液循环系统造成影响。因此，原理这些电线是最好的选择。当然，一旦勿入这些区域，也不要惊慌，最好单脚跳离或是小步伐尽快离开。
至于另一个概念接触电压，实际上与跨步电压比较相似，在电器故障时，人与电器接触时，通常情况下手与脚之间的电位差即为接触电压。当然也就有了接触电压触电这一概念。实际在碰到这些情况的时候，最好的办法便是远离这些具有一定威胁的电器，也正是因为这些危险与疑难杂症的存在，对大地网的研究或者说是这些方面的研究就显得尤为重要了。
在实际的使用中，存在着许许多多的干扰因素。工频信号的干扰是最为主要的干扰因素。
一般情况下，当测量时，阻抗较小的情况下，工频信号的影响微乎其微。但当需要对阻抗较大的对象进行测量时，如大地网这一类，工频信号的影响则十分显著。这时对50HZ工频信号的过滤就放到了首位，也由此引申出了工频选频表这一课题，针对50HZ工频信号处理，完成对信号的采样与处理。
1.2 选题背景及意义
在大型地网中，实际的电阻为复数阻抗性质，简而言之就是既包含电阻分量，又包含电抗分量，因此常常用接地阻抗代替接地电阻。但实际情况下，复杂环境构成的外因与内因，使得接地阻抗也不能完全判断接地网的安全性。不同地区的土壤电阻率各不相同，比如在土壤电阻率高的地方，想要降低接地电阻的阻抗值在技术上是很难实现的，而且成本高，不实用。相反，在土壤电阻率低的地方，有存在着接触电压和跨步电压这样的安全隐患。而这仅仅是问题中的一小部分，面对这些问题，目前有着一系列技术方案，这些技术方案能起到一定的效果，但并不能解决所有存在的问题[1]。
电压等级较高的电力系统中，单相接地故障电流很大，因此，从安全的角度来看，接触电压和跨步电压是首要考虑因素。这之间选用中心频率固定的带阻滤波器，可以有效的滤除50HZ工频信号的干扰，但会出现群延迟现象。若是自适应滤波器自动调节抵消信号的干扰，虽然可行，但需要附加参考信号通道，且实际算法复杂，不适于实时处理[2]。
由此可见，选频表的应用就显得尤为重要了。依靠其自身具有的对输入信号的谐波分析功能，且拥有高灵敏度的特点，使得它的应用领域有了一定的拓宽[3]。
1.3 国内外研究现况
选频表的发展从上世纪80年代开始，也是因为对频谱分析的要求不断的提高，对选频表的功能也要求越来越多。选频表自身分析系统的方法有不少，最常见的就是时域分析法，直接求系统的微分积分方程，通过在时域内分析计算系统，这是最直接的方式[4]。而数字滤波器实际上是一个采用有限精度算法实的线性非时变离散系统[5]。就功能而言，选频表目前可实现电流采集，电压采集，信号隔离，滤波等等一系列对电信号的处理，未来也有着更多更先进的功能等着去挖掘。
目前，我国对110KV以上的系统均采用了高频保护，与此同时也带来了相应的问题，一旦这些起着高频保护的设施如高频收发器，发生故障，导致不能正常工作，则可能导致高频保护的误动或者拒动。很多信号放大装置常常使用低噪声前置放大和提高共轭抑制比方法 ,但在实际测量时 , 往往因为环境不同，不能完全消除市电电源信号的干扰 ,不能达到准确测量的目的[6]。找到一种能够适用于大多数环境的装置，是目前国内外研究的主要方向，也是需要解决的一大难题。传统的仪器采取的是模拟器件产生频率 ,为了满足传统用户的使用习惯和要求 ,必须在数字化设备上实现此功能[7]。
目 录
1 引言 1
1.1 概述 1
1.2 选题背景及意义 2
1.3 国内外研究现况 2
1.4 发展方向 3
2 总体设计 3
2.1 系统设计任务要求 3
2.2 系统电路设计 4
3 系统硬件设计 6
3.1 单片机最小系统 7
3.2 电压互感模块 8
3.3 放大电路模块 8
3.4 选频电路模块 11
3.5 相位差检测模块 14
3.6 LCD1602显示模块 16
4 软件设计 16
4.1 软件主体设计 16
4.2 信号放大程序 16
4.3 选频电路程序 18
4.4 相位差检测模块 20
4.5 LCD1602显示程序 22
结论 23
致谢 24
参考文献25
附录A 整体电路图 27
附录B 软件代码 28
1 绪论
1.1 概述
目前，对大地网的研究手段已十分成熟，研究深度也随着科技的发展有了很大的提升。其中，选频表的使用在对大地网的研究中则起着举足轻重的作用。一方面，选频表因其自身具有较高的灵敏度，精确度，在对大地网进行选频滤波时具有较大的优势。另一方面，选 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
频表操作简单，成本较低，因而作为大地网测量的辅助工具来说，便是不二之选。
简而言之，目前对大地网的测量主要是从电位梯度，跨步电压和接触电压这几个方面来入手。就电位梯度的测量来说，实际测量时受环境的影响很大。举个简单的例子，地形的起伏高度等自然环境的原因，都会对测量造成不小的影响，在实际的测量中，要解决的问题还很多，因此找到一套简便又实用的方案，则对该方面研究有着较为重要的意义。
跨步电压，顾名思义，在电器出现故障时，人在有接地电流行走时，两脚间的电压。其实光说跨步电压可能感触不是很深，但说到跨步电压触电，或许能更好的理解它。通常生活中的见到的例子来说，倘若电线杆上的某一根电线突然断掉落在地上，电流就会流入大地，这时人若是离掉落点较近时，很有可能发生跨步电压触电。其实也很好理解，在人每夸一步，两脚间存在电势差，就会有电流流过身体，如果电流较小，对身体便不会有什么危害。但一旦电流较大，则很有可能会对中枢神经造成不可恢复的破坏，或是对血液循环系统造成影响。因此，原理这些电线是最好的选择。当然，一旦勿入这些区域，也不要惊慌，最好单脚跳离或是小步伐尽快离开。
至于另一个概念接触电压，实际上与跨步电压比较相似，在电器故障时，人与电器接触时，通常情况下手与脚之间的电位差即为接触电压。当然也就有了接触电压触电这一概念。实际在碰到这些情况的时候，最好的办法便是远离这些具有一定威胁的电器，也正是因为这些危险与疑难杂症的存在，对大地网的研究或者说是这些方面的研究就显得尤为重要了。
在实际的使用中，存在着许许多多的干扰因素。工频信号的干扰是最为主要的干扰因素。
一般情况下，当测量时，阻抗较小的情况下，工频信号的影响微乎其微。但当需要对阻抗较大的对象进行测量时，如大地网这一类，工频信号的影响则十分显著。这时对50HZ工频信号的过滤就放到了首位，也由此引申出了工频选频表这一课题，针对50HZ工频信号处理，完成对信号的采样与处理。
1.2 选题背景及意义
在大型地网中，实际的电阻为复数阻抗性质，简而言之就是既包含电阻分量，又包含电抗分量，因此常常用接地阻抗代替接地电阻。但实际情况下，复杂环境构成的外因与内因，使得接地阻抗也不能完全判断接地网的安全性。不同地区的土壤电阻率各不相同，比如在土壤电阻率高的地方，想要降低接地电阻的阻抗值在技术上是很难实现的，而且成本高，不实用。相反，在土壤电阻率低的地方，有存在着接触电压和跨步电压这样的安全隐患。而这仅仅是问题中的一小部分，面对这些问题，目前有着一系列技术方案，这些技术方案能起到一定的效果，但并不能解决所有存在的问题[1]。
电压等级较高的电力系统中，单相接地故障电流很大，因此，从安全的角度来看，接触电压和跨步电压是首要考虑因素。这之间选用中心频率固定的带阻滤波器，可以有效的滤除50HZ工频信号的干扰，但会出现群延迟现象。若是自适应滤波器自动调节抵消信号的干扰，虽然可行，但需要附加参考信号通道，且实际算法复杂，不适于实时处理[2]。
由此可见，选频表的应用就显得尤为重要了。依靠其自身具有的对输入信号的谐波分析功能，且拥有高灵敏度的特点，使得它的应用领域有了一定的拓宽[3]。
1.3 国内外研究现况
选频表的发展从上世纪80年代开始，也是因为对频谱分析的要求不断的提高，对选频表的功能也要求越来越多。选频表自身分析系统的方法有不少，最常见的就是时域分析法，直接求系统的微分积分方程，通过在时域内分析计算系统，这是最直接的方式[4]。而数字滤波器实际上是一个采用有限精度算法实的线性非时变离散系统[5]。就功能而言，选频表目前可实现电流采集，电压采集，信号隔离，滤波等等一系列对电信号的处理，未来也有着更多更先进的功能等着去挖掘。
目前，我国对110KV以上的系统均采用了高频保护，与此同时也带来了相应的问题，一旦这些起着高频保护的设施如高频收发器，发生故障，导致不能正常工作，则可能导致高频保护的误动或者拒动。很多信号放大装置常常使用低噪声前置放大和提高共轭抑制比方法 ,但在实际测量时 , 往往因为环境不同，不能完全消除市电电源信号的干扰 ,不能达到准确测量的目的[6]。找到一种能够适用于大多数环境的装置，是目前国内外研究的主要方向，也是需要解决的一大难题。传统的仪器采取的是模拟器件产生频率 ,为了满足传统用户的使用习惯和要求 ,必须在数字化设备上实现此功能[7]。
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