新型電網(wǎng)電壓監(jiān)測儀的組成和驅(qū)動程序設(shè)計(jì)

陳衛(wèi)峰，鄧小穎，呂天文

(揚(yáng)州大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院? 江蘇 揚(yáng)州? 225002)
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0?引言

電壓監(jiān)測系統(tǒng)是對電網(wǎng)電壓質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測并自動記錄的智能化儀表系統(tǒng)，為統(tǒng)計(jì)電壓的合格率及其他參數(shù)、反映電壓質(zhì)量的管理提供正確的數(shù)據(jù)。電壓監(jiān)測系統(tǒng)的最小組合為一臺智能電壓監(jiān)測儀。通過儀表的使用，即可實(shí)現(xiàn)對電壓監(jiān)測點(diǎn)的各種電壓參數(shù)進(jìn)行測量并記錄，同時(shí)給出電壓合格率、電壓偏高不合格率、電壓偏低不合格率等計(jì)算結(jié)果。電壓監(jiān)測系統(tǒng)的另外一種組合是由電壓監(jiān)測儀加上電卡、通訊機(jī)及上位計(jì)算機(jī)等配套設(shè)備組成。電壓監(jiān)測儀所記錄的數(shù)據(jù)很多，通過儀表鍵盤來查詢抄錄十分耗時(shí)耗工，而直接用小打印機(jī)打印也有許多缺點(diǎn)和不便之處。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓集中監(jiān)測，并有查詢、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、電壓越限報(bào)警、典型工作日設(shè)定、系統(tǒng)變比和電壓值誤差系數(shù)可調(diào)整等一系列功能。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采集模塊以高性能微處理器STC12C5A60S2為核心，外圍由信號變換、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、串行通信和大容量串行存儲器等模塊電路構(gòu)成。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。



STC12C5A60S2是宏晶科技今年新推出的一款處理器，全面兼容傳統(tǒng)的51系列。STCl2C5A60S2是一個時(shí)鐘／及其周期，增強(qiáng)型51內(nèi)核，速度比普通的8051快8～12倍。工作電壓比較寬，為3.3～5.5 V。增加第二復(fù)位功能引腳，并且具有外部掉電檢測電路，可在掉電時(shí)，及時(shí)將數(shù)據(jù)保存進(jìn)E²PROM。內(nèi)部有1 280 B的RAM數(shù)據(jù)存儲器。芯片內(nèi)部有E2PROM功能，擦寫次數(shù)達(dá)10萬次以上。具有ISP／IAP功能，8通道10位高速ADC，速度可達(dá)2.5×10⁵次／s，2路PWM還可作2路D／A使用。內(nèi)部已經(jīng)集成了獨(dú)立的波特率發(fā)生器，此系列單片機(jī)串行通信的速率可以不由內(nèi)部定時(shí)器T₁的溢出率來決定，這樣可以讓T₁來實(shí)現(xiàn)定時(shí)或者計(jì)數(shù)的功能。此系列的單片機(jī)還有雙串口的功能，一個串口可以被系統(tǒng)使用，剩下的串口可以用來作系統(tǒng)程序調(diào)試信息的輸出，避免一個串口被占用的情況下，只能使用I／O口去模擬UART時(shí)序的麻煩。

監(jiān)測系統(tǒng)是弱電系統(tǒng)，而電網(wǎng)電壓一般是220 V左右的交流電，不能由系統(tǒng)直接進(jìn)行測量。必須把測量的電壓通過帶緩沖器的降壓器，降至3～4 V的交流小信號。???

降壓之后的電壓信號為交流小信號，再通過真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD536轉(zhuǎn)換成有效值相等的直流信號并輸出。

AD536轉(zhuǎn)換輸出的直流信號通過V／F變換芯片LM331輸出其直流信號所對應(yīng)頻率的數(shù)字脈沖，供單片機(jī)進(jìn)行采集，從而單片機(jī)計(jì)算出直流信號的大小。在本設(shè)計(jì)中沒有采用傳統(tǒng)的A／D轉(zhuǎn)換器把模擬信號變成數(shù)字信號，而是采用LM331進(jìn)行V／F變換。

V／F變換的電路圖如圖2所示。


LM331的動態(tài)范圍寬，可達(dá)100 dB；線性度好，最大非線性度失真小于0.01％，工作頻率低到0.1 Hz時(shí)尚有較好的線性；變換精度高，數(shù)字分辨率可達(dá)12 b；外圍電路簡單，只需接入幾個外部元件就可方便構(gòu)成V／F變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。根據(jù)上面的電路和數(shù)據(jù)手冊可以得出LM331輸出頻率的計(jì)算公式：



LM331輸出的數(shù)字脈沖通過光耦TLP521進(jìn)行隔離，再送入單片機(jī)的定時(shí)器T₁進(jìn)行計(jì)數(shù)。定時(shí)器T₀用來定時(shí)，每隔1 s鐘單片機(jī)在T₀的定時(shí)中斷服務(wù)程序中讀取T1計(jì)數(shù)器的值，因?yàn)殚g隔是1 s，所以讀出來的值就是LM331輸出脈沖頻率的大小。由上面的公式可以計(jì)算出AD536輸出的有效值V_b，進(jìn)而可以推算出此時(shí)測量電網(wǎng)電壓的大小。

根據(jù)要求，此系統(tǒng)需要記錄歷史電壓。這里選擇鐵電存儲器FM24C512，它是一款容量高達(dá)512 KB的非易失性存儲器，它采用了先進(jìn)的鐵電處理技術(shù)。原理圖如圖3所示。


FM24C512以總線速度進(jìn)行寫操作，無須延時(shí)。下一個總線周期可以立即開始，無需進(jìn)行數(shù)據(jù)輪詢，最高總線頻率高達(dá)1 MHz。另外，F(xiàn)M24C512具有比E²PROM高得多的寫操作次數(shù)。而且，因?yàn)閷懖僮鞑恍枰趦?nèi)部提升電路寫電路的電源供電電壓，所以。在寫操作過程中，F(xiàn)RAM比E²PROM消耗的功率要低得多。

FM24C5121使用I²C通信協(xié)議，簡化了與微控制器的接口電路。它使用極少的管腳，占用極小的板空間，只使用兩個管腳和處理器進(jìn)行通信，一個是時(shí)鐘線SCL，另一個是數(shù)據(jù)線SDA。因?yàn)樗褂玫闹魈幚砥鳑]有相關(guān)的I²C通信接口，所以只能用兩個I／O口去模擬I²C的時(shí)序。時(shí)序圖如圖4所示。


在記錄歷史電壓時(shí)，實(shí)時(shí)時(shí)間芯片DS1302產(chǎn)生的時(shí)間作為記錄電壓的參考。DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5～5.5 V。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時(shí)鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個31×8的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產(chǎn)品，與DS1302兼容，但增加了主電源／后備電源雙電源引腳，同時(shí)提供了對后備電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。它與單片機(jī)的連接如圖5所示。


DSl302與CPU的連接只需要三條線，即時(shí)鐘線(SCLK)、數(shù)據(jù)線(IO)、復(fù)位線(RST)。相應(yīng)的時(shí)序圖如圖6所示。

根據(jù)圖6，就可以編出相應(yīng)讀取DS1302時(shí)間的子程序。

為了增強(qiáng)人機(jī)的交互性能，選用金鵬電子的OCMJ12232液晶顯示模塊作為系統(tǒng)的顯示部分。OCMJ12232的顯示方式為點(diǎn)陣圖形，可以顯示任意圖形或者漢字，內(nèi)帶8 192個中文點(diǎn)陣，具有并行和串行兩種接口方式。本設(shè)計(jì)采用了串行接口方式，具有占用I／O資源少，編程簡單等特點(diǎn)。

2 流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序由顯示模塊、按鍵掃描模塊、頻率計(jì)數(shù)模塊、記錄統(tǒng)計(jì)模塊、系統(tǒng)菜單模塊等組成。在軟件編寫過程中，記錄統(tǒng)計(jì)模塊較為復(fù)雜，其算法為：程序判斷是否到了下一秒鐘，如果沒有則繼續(xù)采集電壓再進(jìn)行判斷，否則進(jìn)行有關(guān)電壓秒記錄的處理；接著判斷是否到了一分鐘，如果沒有則退出，否則進(jìn)行有關(guān)電壓分鐘記錄的處理；下一步再判斷是否到了一小時(shí)，如果沒有則退出，否則進(jìn)行有關(guān)電壓小時(shí)記錄的處理；以此類推，還要判斷是否滿了一天、一個月的情況。其中，還需要判斷是否是典型工作日，每個月可以設(shè)置三個典型工作日，典型工作日中每個小時(shí)的記錄都被保存下來，以便用戶查看。流程圖如圖7所示。


3 結(jié)? 語

本文詳細(xì)介紹了基于STC12C5A32AD的電壓監(jiān)測系統(tǒng)，適用于0～480 V交流電壓的監(jiān)測。本設(shè)計(jì)已經(jīng)完成了設(shè)計(jì)和調(diào)試，并通過了客戶的驗(yàn)收，成功運(yùn)行在電網(wǎng)公司的監(jiān)控大廳。