基于P89V51單片機(jī)的交流電參量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

涂雪芹

（重慶電力高等專科學(xué)校 電力系，重慶 400053）

引言

隨著我國電力事業(yè)的快速發(fā)展，經(jīng)常會(huì)發(fā)生電網(wǎng)供電時(shí)由于電壓過高或過低，從而引起電氣設(shè)備被損壞的現(xiàn)象[1].近些年來，單片機(jī)在監(jiān)測(cè)電力參數(shù)測(cè)量中得到了廣泛應(yīng)用[2].監(jiān)測(cè)過程主要對(duì)電網(wǎng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后運(yùn)用各種計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)電參數(shù)的監(jiān)測(cè)與分析[3,4].電力系統(tǒng)交流電參量檢測(cè)系統(tǒng)不但可以對(duì)電網(wǎng)中的電壓、電流實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的檢測(cè)，而且可以對(duì)電網(wǎng)中的有功功率、無功功率和功率因數(shù)等相關(guān)電參量實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的檢測(cè).該設(shè)計(jì)正是基于單片機(jī)對(duì)電網(wǎng)中的交流電參量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，系統(tǒng)主要由互感放大電路、鎖相倍頻電路、AD轉(zhuǎn)換電路、控制電路、顯示電路組成.互感器準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù)并傳給單片機(jī)由其處理，完成電力系統(tǒng)交流電參量檢測(cè)，并送顯示電路實(shí)時(shí)顯示.

1 系統(tǒng)基本組成

根據(jù)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，設(shè)計(jì)采用交流同步采樣技術(shù)對(duì)電壓、電流采樣，其硬件主要由電壓與電流采樣電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、鎖相倍頻電路、控制電路、顯示電路組成，其系統(tǒng)基本組成如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)組成原理

系統(tǒng)由兩個(gè)互感器分別對(duì)電流、電壓做相應(yīng)互感，然后由放大電路對(duì)信號(hào)放大，再通過選通開關(guān)4051和采樣保持器LF398保持送給AD574，完成A/D轉(zhuǎn)換，在軟件的設(shè)計(jì)中先采樣電流，再采樣電壓，采樣數(shù)據(jù)由單片機(jī)讀取并保存.當(dāng)電流、電壓值都采樣并保存好后，單片機(jī)不再接收數(shù)據(jù).這時(shí)的單片機(jī)的工作是根據(jù)功能按鍵的不同來處理數(shù)據(jù)，并將結(jié)果送7279顯示，設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)采樣采用同步采樣方式實(shí)現(xiàn)，其同步采樣信號(hào)是電壓信號(hào)經(jīng)過變換電路將交流信號(hào)變換為方波，方波經(jīng)鎖相倍頻電路倍頻32倍，產(chǎn)生同步采樣信號(hào)控制AD574的采樣，實(shí)現(xiàn)每周期32點(diǎn)的采樣.

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制電路

P89V51單片機(jī)作為本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，其最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路如圖2所示.在復(fù)位電路中，當(dāng)S1鍵按下，單片機(jī)信號(hào)清零，即原采樣數(shù)據(jù)被清除，系統(tǒng)重新進(jìn)行采樣計(jì)算.

圖2 控制系統(tǒng)電路圖

2.2 電流采樣放大電路

HGI-01精密電流互感器是采用先進(jìn)技術(shù)制造的小型儀用互感器，其特點(diǎn)是體積小，精密度高，特別適用于電力測(cè)量上的電量變送、交流采樣微機(jī)變送器、微機(jī)保護(hù)裝置.從負(fù)載能力分電阻直接取樣和運(yùn)放放大兩種形式，本設(shè)計(jì)采用運(yùn)放放大形式.為了能提高小信號(hào)的測(cè)量精度，采用可編程放大器設(shè)計(jì)，通過改變電流轉(zhuǎn)換為電壓的電阻大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同信號(hào)大小的量程轉(zhuǎn)換，電阻的切換由4052完成，如圖3所示.

圖3 電流采樣放大電路

圖中，4052的1腳是1倍放大，5腳是10倍放大，2腳是100倍放大，4腳是1000倍放大.由于芯片的工作電壓為5V，故輸出最大為5V.

2.3 電壓采樣放大電路

設(shè)計(jì)采用HGV-01精密電壓互感器，這是一種小型儀用互感器，其特點(diǎn)是體積小，精密度高，特別適用于電力測(cè)量上的電量變送、交流采樣微機(jī)變送器.由于芯片的工作電壓是5V，所以220V的交流電壓必須轉(zhuǎn)換為5V的交流電壓.這里采用的是HGV-01型臥式交流電壓互感器，并將電壓通過4052選擇性的放大，其中12腳是1倍，14腳是10倍，15腳是100倍，11腳是1000倍.具體放大情況由檢測(cè)到的工頻交流電壓大小來進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便獲得最佳精確值，電路如圖4所示.圖中，當(dāng)放大位為1時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入輸出電壓有效值為5V，由于采用電流型電壓互感器，輸入的額定值為1mA，考慮到輸入電壓波動(dòng)10%，故輸入電壓為240V.

圖4 電壓采樣放大電路

2.4 波形變換電路

為避免過零點(diǎn)毛刺的影響，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，波形變換電路采用了滯回比較器電路，電路如圖5所示.

圖中，R13為穩(wěn)壓二極管的限流電阻，穩(wěn)壓管采用2個(gè)5.6V構(gòu)成雙向穩(wěn)壓，其穩(wěn)壓值約±5.6V，為R14，R15決定滯回比較器的電壓閥值，其：V+=5.6V/（100+3）kΩ*3kΩ≈0.163V，V-=-5.6V/（100+3）kΩ*3kΩ≈-0.163V.輸出的±5.6V的脈沖經(jīng)D2單相整形后變?yōu)?V左右的正脈沖，給鎖相倍頻電路提供同步信號(hào)，且電平匹配.

圖5 波形變換電路

2.5 同步鎖相倍頻電路

由于電壓存在波動(dòng)，用時(shí)間設(shè)定采樣周期會(huì)產(chǎn)生誤差，對(duì)于高精度的測(cè)量儀器，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少誤差，所以系統(tǒng)采用了鎖相環(huán)電路，把一個(gè)周期分為32段，而得到32個(gè)采樣點(diǎn)，這樣就大大減少了誤差，提高了精度，鎖相環(huán)電路的設(shè)計(jì)中，采用的是專門的芯片4046和4060，這兩片芯片可以有效地將采樣的矩形信號(hào)進(jìn)行倍頻.

CD4046鎖相環(huán)采用的是RC型壓控振蕩器，外接C9和R17作為充放電元件，由于它的充電和放電都由同一個(gè)電容C1完成，故它的輸出波形是對(duì)稱方波.CD4046的最高頻率約為1.2MHz，可以和AD574的轉(zhuǎn)換頻率25us相匹配.由于一個(gè)周期采樣32個(gè)點(diǎn)，故選擇了容易實(shí)現(xiàn)32倍頻的CD4060計(jì)數(shù)器.CD4060是由一振蕩器和14級(jí)二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)位組成.振蕩器的結(jié)構(gòu)可以是RC或晶振電路.reset為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零且振蕩器停止工作.所有的計(jì)數(shù)器均為主-從觸發(fā)器，在/clock的下降沿，計(jì)數(shù)器以二進(jìn)制進(jìn)行計(jì)數(shù).在時(shí)鐘脈沖線上使用斯密特觸發(fā)器對(duì)時(shí)鐘的上升和下降時(shí)間無限制.根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)的鎖相倍頻電路如圖6所示.

圖6 同步鎖相環(huán)電路

圖中，從14輸入一個(gè)周期的方波，4046的4腳測(cè)出有32倍頻的方波輸出.這樣就得到同步采樣一周期的32個(gè)采樣信號(hào).這樣就將方波經(jīng)由鎖相倍頻電路放大32倍作為AD574的啟動(dòng)、讀信號(hào)和單片機(jī)的INT0的響應(yīng)數(shù)字信號(hào).這部分的實(shí)現(xiàn)是本設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)同步采樣的關(guān)鍵所在.

2.6 A/D轉(zhuǎn)換電路

本設(shè)計(jì)要求采樣數(shù)據(jù)分辨率≤1/255，盡管8位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器可以滿足采樣數(shù)據(jù)分辨率≤1/255，但不容易實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中所要的同步采樣，故設(shè)計(jì)采用12位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器AD574，它的轉(zhuǎn)換精度和采樣轉(zhuǎn)換時(shí)間以及所具有的啟動(dòng)采樣控制端可以滿足設(shè)計(jì)所需的各項(xiàng)指標(biāo).

設(shè)計(jì)中將采樣電流、電壓的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，其采樣和讀取由同步信號(hào)控制，轉(zhuǎn)換完成后同步信號(hào)置單片機(jī)中斷，由單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)并做相應(yīng)的處理，所以設(shè)計(jì)時(shí)采用了AD574A，它是一種高速12位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置有雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換顯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容元件即可構(gòu)成一個(gè)完整的A/D轉(zhuǎn)換器.基本電路如圖7所示.圖中，R8和R9都取100Ω，是AD574A的校零滑動(dòng)變阻器，可以對(duì)AD574A進(jìn)行校零，以提高最后的測(cè)量精度.

圖7 A/D轉(zhuǎn)換電路

3 軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中主要利用C-51語言來編寫程序，完成軟件的控制、采樣、顯示、各電參量計(jì)算分析等功能.主程序是整個(gè)系統(tǒng)軟件的運(yùn)行主體，各個(gè)子系統(tǒng)軟件都必須經(jīng)過它的調(diào)度，才能運(yùn)行得當(dāng).根據(jù)設(shè)計(jì)的功能要求，主程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化具體參數(shù)如下：

（1）內(nèi)存工作單元初始化：

標(biāo)志位初始化：BZ_0=0;電流顯示標(biāo)志位，BZ_1=0;有功功率顯示標(biāo)志位

BZ_2=0;無功功率顯示標(biāo)志位，BZ_3=0;功率因數(shù)顯示標(biāo)志位

讀數(shù)標(biāo)記初始化：wancheng=0x00，j=0x00；

（2）控制位初始化，本設(shè)計(jì)通過P1.4控制模擬開關(guān)，初始化設(shè)為P1_4=0；通過P1.7控制AD574A轉(zhuǎn)換，P1.7初始化為0，設(shè)置AD574為12位轉(zhuǎn)換.

（3）初始化外部中斷INT0，設(shè)置為下降沿觸發(fā)；

（4）顯示初始化，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)顯示初始化為Hell0字樣.

初始化后，啟動(dòng)AD，當(dāng)中斷來時(shí)，讀A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，單片機(jī)采集到數(shù)據(jù)后，調(diào)用濾波、電壓有效值、電流有效值、有功功率、功率因數(shù)以及無功功率子程序計(jì)算出各個(gè)電參數(shù)值并通過顯示電路顯示，最后調(diào)用鍵掃程序，實(shí)現(xiàn)電參量的切換顯示.系統(tǒng)通過將采樣數(shù)據(jù)放大傳送到A/D，進(jìn)行變換后送入單片機(jī)計(jì)算，同時(shí)顯示，軟件設(shè)計(jì)將實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送、計(jì)算、顯示，其主程序流程如圖8所示.

圖8 主程序流程圖

4 結(jié)束語

完成了電力系統(tǒng)交流電參量檢測(cè)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，用單片機(jī)與電子技術(shù)設(shè)計(jì)出了一個(gè)電力系統(tǒng)交流電參量交流同步采樣電路，并將采樣數(shù)據(jù)傳送給以P89V51為主的單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算.設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有便捷的鍵盤、顯示接口.能對(duì)交流電參量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，可以對(duì)電壓有效值、電流有效值等電參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量.經(jīng)測(cè)試該系統(tǒng)穩(wěn)定、顯示直觀，性能穩(wěn)定，測(cè)量精度較高，具有一定的實(shí)用價(jià)值.

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