蔡 凡

(閩南理工學(xué)院，福建 石獅 362700)

本系統(tǒng)采用MAX155高速同步AD采集模塊構(gòu)成的電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，為電參數(shù)的測(cè)量提供技術(shù)支持。同步采集多路數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)裝置更加精簡(jiǎn)可靠，可方便地直接得出待測(cè)電網(wǎng)或用電電路的電壓、電流有效值/峰值，以及電壓、電流的相位差與功率等電參數(shù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體由6個(gè)基本模塊組成，分別是電源電路、電流預(yù)處理、電壓預(yù)處理、MAX155同步AD采集、主控制、串口電路。

圖1 系統(tǒng)總體模塊組成

(1)系統(tǒng)電源電路模塊。此模塊主要功能是輸出穩(wěn)定的、紋波小的±5V直流電壓，為MAX155同步AD采集模塊提供±5V的工作電壓，同時(shí)為其他模塊提供+5V的工作電壓。

(2)電流預(yù)處理模塊。此模塊主要功能是將待測(cè)電路交流電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成為適合MAX155輸入要求的交流電壓范圍。

(3)電壓預(yù)處理模塊。此模塊主要功能是將待測(cè)電路的交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成為適合MAX155輸入需要的交流電壓范圍。

(4)MAX155同步AD采集模塊。此模塊主要功能是同步采集經(jīng)前置處理后的電壓、電流信號(hào)，然后通過(guò)串口電路送到計(jì)算機(jī)顯示并儲(chǔ)存。

(5)主控制模塊。采用AT89C52單片機(jī)控制MAX155同步AD轉(zhuǎn)換器模塊采集模塊電參數(shù)的采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，后通過(guò)接口控制串口模塊。

(6)串口電路。利用MAX232電平轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)之間的通信，把處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)上顯示儲(chǔ)存。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制模塊

主控制模塊采用AT89C52芯片，主要負(fù)責(zé)控制MAX155同步AD轉(zhuǎn)換器模塊采集經(jīng)前置處理后的電壓、電流信號(hào)，并通過(guò)接口控制串口模塊。為防止單片機(jī)死機(jī)，該模塊應(yīng)加上按鍵復(fù)位電路。

(1)單片機(jī)控制MAX155采集模塊。單片機(jī)的P2口是一個(gè)內(nèi)部帶有上拉電阻的8位雙向I/O口:當(dāng)P2口寫入數(shù)字“1”后，被內(nèi)部上拉為高電平，可用作輸入;而當(dāng)P2口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，故用于MAX155同步AD轉(zhuǎn)換器輸出端數(shù)據(jù)的輸入端。單片機(jī)的P3口也可同P2口一樣作為I/O口，故可用于控制MAX155的BUSY忙信號(hào)、WR寫信號(hào)、RD讀信號(hào)、CS片選信號(hào)。單片機(jī)的ALE端以振蕩器頻率的1/6向外輸出固定的脈沖信號(hào)。由于該系統(tǒng)晶振頻率為12 MHz，故ALE端可提供2 MHz的時(shí)鐘頻率，滿足MAX155的外部時(shí)鐘頻率范圍(0.5～5 MHz)，該系統(tǒng)直接由AT89C52芯片的ALE端為MAX155提供2 MHz的時(shí)鐘頻率。

(2)單片機(jī)控制串口通訊。AT89C52芯片通過(guò)RXD端和TXD端，分別接到串口電路中MAX232的R1OUT和T1IN來(lái)控制串口對(duì)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。單片機(jī)控制串口通訊時(shí)需設(shè)置波特率，可用定時(shí)器1作為波特率發(fā)生器。本系統(tǒng)中，TMOD=0×21，TH1=0×E6，TL1=0 ×E6，設(shè)置波特率為1 200 bps。通過(guò)設(shè)置TMOD寄存器將定時(shí)器1設(shè)置成工作方式2，然后通過(guò)對(duì)8位計(jì)數(shù)器TH0和TL0賦初值來(lái)設(shè)置波特率。

2.2 信號(hào)預(yù)處理模塊

系統(tǒng)采用并聯(lián)電阻分流與串聯(lián)電阻分壓來(lái)檢測(cè)及處理待測(cè)電路的電壓與電流。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)具體待測(cè)電路來(lái)設(shè)計(jì)電壓電流信號(hào)的預(yù)處理模塊。信號(hào)預(yù)處理模塊如圖2所示。

圖2 信號(hào)預(yù)處理模塊

通過(guò)串聯(lián)電阻R1得到V2:

其中V2送給MAX155同步AD采集器進(jìn)行采集。通過(guò)并聯(lián)R2和R3線路得到V1:

其中V1送到MAX155同步AD采集器完成采集。這種預(yù)處理方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單方便，但因?yàn)榇?lián)電阻R對(duì)負(fù)載的工作環(huán)境產(chǎn)生影響而有一定誤差。

(1)電壓預(yù)處理模塊。此模塊的功能是對(duì)待測(cè)電路的電壓預(yù)先進(jìn)行處理，使得電壓符合MAX155輸入要求的交流電壓范圍。電壓預(yù)處理模塊可直接采用并聯(lián)電阻分流的方法，待測(cè)電路兩端電壓不變?cè)傩袡z測(cè)電壓，結(jié)合串聯(lián)電阻分壓得到符合MAX155輸入電壓范圍要求，通過(guò)交流變送器AMT系列電壓信號(hào)隔離變送模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這樣可避免并聯(lián)分流帶來(lái)的誤差，同時(shí)也解決了變壓器絕緣屏蔽效果不夠給信號(hào)帶來(lái)干擾等問(wèn)題，以得到更準(zhǔn)確的交流電壓。

(2)電流預(yù)處理模塊。此模塊的功能主要是使電流符合MAX155輸入要求的交流電壓范圍。電流預(yù)處理模塊可直接采用串聯(lián)電阻分壓的方法，流經(jīng)負(fù)載的電流基本不變，將串聯(lián)電阻兩端的電壓送至MAX155。若該電壓較小，可以接運(yùn)算放大器放大到符合MAX155輸入電壓范圍要求，電流較大時(shí)可通過(guò)電流互感器來(lái)電流傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。但在選取電流傳感器時(shí)要注意，為了使后續(xù)MAX155能采集到電流周期信號(hào)，輸出應(yīng)隨輸入電流呈現(xiàn)周期變化。

2.3 MAX155同步AD采集模塊

MAX155同步AD轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的采集電路，主要作用是負(fù)責(zé)采集并轉(zhuǎn)換經(jīng)前置處理電路處理后的電參數(shù)，然后通過(guò)串口送到計(jì)算機(jī)顯示和儲(chǔ)存，工作電壓為±5 V。

電路采用的是4通道雙端差分、雙極性輸入方式，通道A0— A1，A2— A3，A4— A5，A6— A7分別構(gòu)成4組雙端差分輸入通道。本設(shè)計(jì)中只用到A0— A1，A2—A3，分別作為兩路信號(hào)的差分輸入通道。MODE引腳接高電平，VSS引腳接5V穩(wěn)壓電源。VDD端、VSS端分別接1個(gè)4.7 μF的電解電容和1個(gè)0.1 μF的瓷片電容到模擬位置，可有效濾除進(jìn)入電源回路的高頻成分，保證供電電壓的穩(wěn)定性。REFIN端接入外部基準(zhǔn)源+5V穩(wěn)壓電源，同時(shí)通過(guò)1 個(gè)4.7 μF 的電解電容和 1 個(gè) 0.1 μF 的瓷片電容接到模擬位置。這樣也能起到濾波作用，保證器件的穩(wěn)定性。

2.4 串口電路模塊

串口電路模塊主要負(fù)責(zé)電平轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通信。電路采用為 +5V電源供電，經(jīng)MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，得到RS-232所需的±(3～15)V電壓。RS-232中有9個(gè)引腳，本系統(tǒng)中只用到3個(gè)引腳，接收數(shù)據(jù)的2引腳RXD，發(fā)送數(shù)據(jù)的3引腳 TXD，5引腳接信號(hào)地。MAX232的T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT 為接 TTL/CMOS電平的引腳，T1OUT、T2OUT、R1IN、R2IN 為接 RS232 電平的引腳。系統(tǒng)選用其中一路進(jìn)行發(fā)送/接收，R1OUT接 AT89C52的 RXD，T1IN接 AT89C52的 TXD，T1OUT接RS232的TXD，R1IN接RS232的發(fā)送端RXD。系統(tǒng)采用3端集成穩(wěn)壓塊7805、7905，內(nèi)部有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用方便可靠，價(jià)格低廉。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電開(kāi)機(jī)啟動(dòng)后，首先初始化各模塊，然后啟動(dòng)MAX155同步AD轉(zhuǎn)換器，開(kāi)始同步采集經(jīng)前置處理電路處理后的電壓、電流信號(hào);每采集一次就依次對(duì)4組差分輸入通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在內(nèi)部寄存器中，后按照時(shí)序依次讀取所需通道的數(shù)據(jù);最后由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出待測(cè)電路的電壓、電流、相位差、有功功率等電參數(shù)，并通過(guò)串口送到計(jì)算機(jī)顯示和存儲(chǔ)。系統(tǒng)程序流程如圖3所示:

圖3 系統(tǒng)程序流程圖

3.1 主要子程序設(shè)計(jì)

3.1.1 MAX155 采集轉(zhuǎn)換程序

MAX155采集轉(zhuǎn)換程序啟動(dòng)MAX155函數(shù)，同時(shí)給予CS和WR引腳一個(gè)低電平;MAX155隨即開(kāi)始同步采集差分通道輸入的電壓、電流信號(hào)，并依次對(duì)4組差分輸入通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換;接著檢測(cè)MAX155的BUSY信號(hào)，低電平時(shí)繼續(xù)轉(zhuǎn)換，直至高電平時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)束，然后寫信號(hào)WR置于1，給RD讀信號(hào)一個(gè)下降脈沖，依次讀取所需差分通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果;接著重新回到采集轉(zhuǎn)換初始化過(guò)程繼續(xù)采集下一個(gè)，直至結(jié)束MAX155函數(shù)，最終完成采集轉(zhuǎn)換。

3.1.2 數(shù)據(jù)處理程序

數(shù)據(jù)處理程序主要負(fù)責(zé)處理MAX155同步采集到的電壓、電流周期信號(hào)，以得出待測(cè)電路的電壓、電流、相位差、有功功率等電參數(shù)，并通過(guò)串口送到計(jì)算機(jī)顯示和存儲(chǔ)。

(1)讀出待測(cè)電路的電壓、電流參數(shù)。讀取MAX155采集轉(zhuǎn)換的結(jié)果，將電壓、電流數(shù)據(jù)分別存放在數(shù)組 Vtemp［］、Ctemp［］中，然后通過(guò) if((Num2＆0×80)=0×80)循環(huán)語(yǔ)句判斷數(shù)據(jù)的正負(fù)，即判斷二進(jìn)制碼的符號(hào)位。若符號(hào)位為0，表示該數(shù)據(jù)為正值，則可直接通過(guò)串口函數(shù)傳送到計(jì)算機(jī)上顯示;若符號(hào)位為1，表示該數(shù)據(jù)為負(fù)值，則需取補(bǔ)碼，且發(fā)送負(fù)號(hào)。這樣就可以在計(jì)算機(jī)上顯示采集到的電壓、電流數(shù)據(jù)。

(2)算出電壓電流的相位差。從數(shù)組Vtemp［］中逐次比較得出與前一個(gè)點(diǎn)符號(hào)不同的點(diǎn)，記此點(diǎn)為第i個(gè)采集點(diǎn)，將其賦予變量 j，同時(shí)也從數(shù)組Ctemp［］中逐次比較得出與前一個(gè)點(diǎn)符號(hào)不同的點(diǎn)，記此點(diǎn)為第i個(gè)采集點(diǎn)，將其賦予變量k，然后通過(guò)運(yùn)算得出電壓、電流信號(hào)之間的相位差。

(3)計(jì)算有功功率。有功功率計(jì)算公式為:

其中S為視在功率，U和I分別為電壓、電流的有效值。

3.1.3 串口通信程序

串口通信程序主要負(fù)責(zé)與計(jì)算機(jī)的通信工作，將各類電參數(shù)傳送到計(jì)算機(jī)上顯示出來(lái)。串口通信程序流程圖如圖4所示。

串口通信，需先初始化，將定時(shí)器1作為波特率發(fā)生器，通過(guò)設(shè)置TMOD寄存器將定時(shí)器1設(shè)置成工作方式2，然后通過(guò)對(duì)8位計(jì)數(shù)器TH0和TL0賦初值來(lái)設(shè)置波特率。本系統(tǒng)中，TMOD=0×21，TH1=0×E6，TL1=0×E6，設(shè)置波特率為1 200 bps。并分別設(shè)置寄存器SCON和PCON。設(shè)置完成后即可開(kāi)啟定時(shí)器1，進(jìn)行串口通信。

4 系統(tǒng)調(diào)試與分析

系統(tǒng)調(diào)試主要包括硬件調(diào)試即電源電路、主控電路、信號(hào)預(yù)處理模塊、MAX155同步AD采集模塊這幾個(gè)功能模塊的調(diào)試以及軟件調(diào)試。檢查各部分是否正常工作，在誤差范圍內(nèi)電參數(shù)是否正常，根據(jù)表1所示內(nèi)容進(jìn)行調(diào)試。

圖4 串口通信流程圖

表1 系統(tǒng)調(diào)試內(nèi)容

通過(guò)串口送到計(jì)算機(jī)顯示，由程序調(diào)試可得同時(shí)采集的2路信號(hào)的數(shù)據(jù)輸出，如圖5所示。一個(gè)周期采集11個(gè)點(diǎn)，每行表示采集一個(gè)周期，電壓信號(hào)和電流信號(hào)間分行間隔采集。

從圖5可知，整個(gè)采集周期的數(shù)據(jù)呈規(guī)律性正負(fù)波動(dòng)變化，而且第1個(gè)與第11個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)接近。這說(shuō)明輸出信號(hào)周期與輸入信號(hào)周期基本符合，故本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)同步采集到與實(shí)際輸入波形周期變化規(guī)律基本一致的信號(hào)。完成上述調(diào)試后，才能接著進(jìn)行幅值分析及數(shù)據(jù)處理。

圖5 輸出的原始數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)處理后的電壓、電流波形周期變化與輸入波形基本一致，且第1個(gè)采樣點(diǎn)與最后的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)接近。在此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)每個(gè)周期只采集了11個(gè)采樣點(diǎn)，導(dǎo)致存在有一定的誤差，輸出電壓、電流信號(hào)偏小，導(dǎo)致功率偏小。后續(xù)調(diào)整中，應(yīng)增加采集點(diǎn)數(shù)，完善硬件軟件調(diào)試及誤差分析系統(tǒng)，以得出更準(zhǔn)確的電參數(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，MAX155同步AD及單片機(jī)等構(gòu)成的電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)供電電網(wǎng)或用電電路的電器電壓、電流進(jìn)行同步采集。利用了MAX155的同步采集轉(zhuǎn)換性能，得出待測(cè)電路的電壓、電流參數(shù)，電壓電流的相位差，有功功率電參數(shù)。硬件設(shè)計(jì)電路及軟件編程較簡(jiǎn)單。經(jīng)過(guò)測(cè)試，可以同步采集到與輸入信號(hào)波形周期變化規(guī)律基本一致的波形。

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