崔 琴，劉莉菲（泰州學(xué)院船舶與機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

基于單片機(jī)的電力監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)與研究

崔 琴，劉莉菲
（泰州學(xué)院船舶與機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

電力系統(tǒng)的超負(fù)荷運(yùn)行不僅會(huì)成為限制經(jīng)濟(jì)增長的因素，也會(huì)造成電氣設(shè)備的損壞，威脅人身安全。為了保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要依托單片機(jī)建立智能化的電力監(jiān)測系統(tǒng)。本文將主要分析電力監(jiān)測儀的軟硬件設(shè)計(jì)。

單片機(jī)；電力監(jiān)測儀；設(shè)計(jì)

0　引言

基于單片機(jī)的電力監(jiān)測儀具有高精度、高可靠性、高效率、實(shí)時(shí)監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)。由于我國在電力監(jiān)測儀技術(shù)方面的研究起步較晚，因此在很多功能的實(shí)現(xiàn)效果方面還同發(fā)達(dá)國家之間存在差距。但是近年來，隨著單片機(jī)技術(shù)的成熟，我國在電力監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)方面表現(xiàn)的更加積極，不斷縮小與發(fā)達(dá)國家之間的差距。就目前來看，電力監(jiān)測儀設(shè)計(jì)的重點(diǎn)集中在硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和軟件程序的編寫方面。

1　電力監(jiān)測儀的硬件設(shè)計(jì)

1.1硬件設(shè)計(jì)需要完成的任務(wù)

首先，根據(jù)系統(tǒng)的功能要求設(shè)計(jì)儀器的整體框架和具體的電路設(shè)計(jì)；其次，設(shè)計(jì)滿足開關(guān)電源，使其滿足5V及3.3V直流電源的穩(wěn)定供電要求。

1.2電力監(jiān)測儀框架

電力監(jiān)測儀的硬件系統(tǒng)包含四大塊，分別為：輸入模塊、輸出模塊、處理模塊、電源模塊。輸入模塊具體分為三個(gè)部分：電壓采集模塊、電流采集模塊、信號調(diào)理電路模塊。主要用于數(shù)據(jù)信息的采集和轉(zhuǎn)換。輸出模塊包括顯示器和通訊接口，顯示器承擔(dān)交互功能，通訊接口實(shí)現(xiàn)信息的接收和發(fā)送。處理模塊主要指微控制器，相當(dāng)于計(jì)算機(jī)的CPU，能夠?qū)崿F(xiàn)對參數(shù)的處理、進(jìn)行軟件控制、完成網(wǎng)絡(luò)通信等功能。電源模塊從電網(wǎng)取電，為單片機(jī)及其他芯片提供穩(wěn)定的低壓直流電。

1.3電力監(jiān)測儀硬件電路設(shè)計(jì)

1.3.1電壓采集和調(diào)理電路

單片機(jī)運(yùn)行需要5V或3.3V的直流電路，因此需要設(shè)計(jì)降壓調(diào)頻迪電路，將采集的配電網(wǎng)中的電壓值下調(diào)。該電路復(fù)雜度低、線性程度高，主要由二極管及電阻元件構(gòu)成，電阻起到分壓作用，二極管連接在輸出電壓的兩端，起到限壓的作用，防止電壓過大對單片機(jī)造成破壞。

在電壓采集和調(diào)理電路中除了需要進(jìn)行電壓值的控制以外，還要對電壓的正負(fù)進(jìn)行過濾，進(jìn)行這一步的依據(jù)是單片機(jī)只能采集到電流的正信號。因此，電路中需要增加一組由電阻和電容器并聯(lián)的濾波電路，對電流頻率進(jìn)行過濾。此外，還設(shè)計(jì)有電壓跟隨電路，將強(qiáng)電和弱點(diǎn)隔離開，防止前后級別電路的影響，并保障了工作人員的安全。

1.3.2電路采集和調(diào)理電路

為實(shí)現(xiàn)全波形采樣，需要設(shè)計(jì)全波形采樣電路。電路中包括二極管、電阻、電容元件、電感元件、三極管。首先，電流通過電感元件將大電流轉(zhuǎn)變?yōu)樾‰娏餍盘?，然后小電流完成電壓偏置、濾波、放大操作，最后輸送給微控制器進(jìn)行采樣。在電路中設(shè)有特殊的雙二極管元件，主要作用是限幅保護(hù)，此外還有完成限流保護(hù)作用的電阻元件。具體設(shè)計(jì)如圖1。

圖1　電路采集和調(diào)理電路

1.3.3通信電路

通信電路主要包括集成電路、光電耦合器、電阻元件和三極管。一般來講，在電力監(jiān)測儀中常用的通信電路為RS485，該類型的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)具有結(jié)構(gòu)簡單、容易操作的特點(diǎn)。采用總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，總線同數(shù)十個(gè)節(jié)點(diǎn)相連，能夠提高與上位機(jī)聯(lián)系的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)通信范圍的擴(kuò)展。光電耦合器是通信電路的重要組件，由光的發(fā)射、光的接收、信號的放大組成，能夠很好的隔離要處理的信號，保證需要的信號中不包含多余的成分。

1.3.4電源電路

電源電路的主要作用是為顯示器、單片機(jī)、通信模塊供電，因此對整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義。本設(shè)計(jì)將以高頻開關(guān)電源為依據(jù)設(shè)計(jì)電路，電路主要由整流電路、濾波電路、高頻變壓器、反饋電路、電壓箝位電路、金氧半場效晶體管等組成。電源電路中的高頻變壓器和二極管承擔(dān)著將交流電轉(zhuǎn)化為直流電的任務(wù)，以便單片機(jī)運(yùn)作。金氧半場效晶體管是電源電路的核心部分之一，本設(shè)計(jì)中該部分采用TNY274芯片，該芯片對工作條件的要求較低，同時(shí)能夠滿足提高金氧半場效晶體管輸出功率的要求，可實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)、電壓監(jiān)測、通導(dǎo)時(shí)間的調(diào)整等功能。高電壓經(jīng)過高頻開關(guān)電源后能夠轉(zhuǎn)換成12V的直流電源，隨后直流電源通過集成芯片輸出為5V能夠供單片機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的直流電，同時(shí)完成顯示屏、通信模塊的供電任務(wù)。

1.4屏幕及其他內(nèi)容的設(shè)計(jì)

首先，屏幕設(shè)計(jì)需要遵循人性化人機(jī)交互功能實(shí)現(xiàn)的原則，為此本設(shè)計(jì)將采用LED顯示器作為現(xiàn)實(shí)屏幕，該類型的顯示屏具有節(jié)能、清晰度高的優(yōu)點(diǎn)。其次，單片機(jī)是電力監(jiān)測儀的核心部件，根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，單片機(jī)的型號需要滿足嵌入式要求，并能夠滿足系統(tǒng)的運(yùn)算需要。

2　電力監(jiān)測儀的軟件設(shè)計(jì)

電力監(jiān)測儀軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的編程方法，該方法編寫的軟件便于閱讀理解并具有良好的可移植性能。軟件設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)進(jìn)行A/D采樣模塊、串口通信模塊、FFT處理模塊的編寫。

2.1軟件主程序的設(shè)計(jì)

軟件主程序決定了整個(gè)電力監(jiān)測儀的運(yùn)轉(zhuǎn)順序。具體流程如下：上電復(fù)位→初始化程序→開中斷→現(xiàn)實(shí)子程序→查詢按鍵，在查詢按鍵中有如果操作人員選擇了“Y”那么執(zhí)行鍵掃描及分析子程序→處理子程序→“有上位機(jī)命令判斷？”，如果操作人員選擇了“N”，那么直接進(jìn)行“有上位機(jī)命令？”的判斷，如果該選擇的結(jié)果是“Y”，則進(jìn)行掉命令子程序→顯示子程序，如果為“N”，則直接返回到“顯示子程序”。具體流程圖如圖2。

圖2　主程序流程圖

2.2A/D采集模塊的設(shè)計(jì)

A/D采集模塊的流程分為以下幾步：1）初始化，對端口、轉(zhuǎn)換器、寄存器以及各種參數(shù)數(shù)據(jù)初始化處理。2）A/D采集模塊開始工作并設(shè)定定時(shí)器0定時(shí)，而后，定時(shí)器與采樣器協(xié)同工作完成對電流信號的采集，在采樣之前還需要使用頻率跟蹤信號確定采樣周期。在一個(gè)采樣周期完成后進(jìn)行采樣結(jié)果的儲(chǔ)存、讀取工作。3）根據(jù)采樣數(shù)據(jù)現(xiàn)實(shí)的結(jié)果判斷采樣是否符合要求，如果采樣數(shù)據(jù)滿足要求那么進(jìn)入FFT數(shù)據(jù)處理模塊，對數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步處理；如果采樣數(shù)據(jù)不滿足要求需要返回重新操作。4）經(jīng)過FFT數(shù)據(jù)處理模塊分類后的諧波分量進(jìn)入電參數(shù)計(jì)算模塊，并顯示存儲(chǔ)電參數(shù)。5）定時(shí)器出發(fā)重點(diǎn)信號，單片機(jī)進(jìn)入下一個(gè)采樣周期。

A/D采集模塊編寫中，較為重要和復(fù)雜的定時(shí)器的設(shè)置和A/D轉(zhuǎn)換程序的設(shè)計(jì)。首先，定時(shí)器程序編寫中需要注意，定時(shí)器設(shè)置的周期達(dá)到后，程序?qū)闹鞒绦蛑刑霾⑦M(jìn)入中斷服務(wù)程序，中斷觸發(fā)后，定時(shí)器的值重新回到初始狀態(tài)，以便在開始進(jìn)入下一周期數(shù)據(jù)采集時(shí)能夠正常進(jìn)行時(shí)間的計(jì)算。其次，在A/D轉(zhuǎn)換程序的編寫中，需要注意設(shè)置實(shí)現(xiàn)“退出子程序之前重新開啟中斷”的語句，否則程序?qū)o法再次出現(xiàn)中斷并退出主程序。

2.3通信模塊的設(shè)計(jì)

電力監(jiān)測系統(tǒng)使用的通信模塊采用主從式的通信方式，主機(jī)位于整個(gè)通信系統(tǒng)的核心位置，起著支配其他從機(jī)的作用，需要注意的是主機(jī)可以支配多個(gè)從機(jī)，但是每臺(tái)從機(jī)只能服從于一臺(tái)主機(jī)。根據(jù)程序設(shè)計(jì)，主機(jī)每隔一定的周期向從機(jī)發(fā)送信號，同時(shí)接受從機(jī)發(fā)回的反饋信息。在不接收信號的時(shí)期，從機(jī)始終處于待命狀態(tài)。從機(jī)接收命令后，需要對命令進(jìn)行校驗(yàn)，如果命令校驗(yàn)正確則需要向主機(jī)發(fā)回反饋信息。主機(jī)向從機(jī)發(fā)送命令的格式為：地址命令索引數(shù)據(jù)校驗(yàn)和。從機(jī)向主機(jī)回復(fù)的反饋信息格式為：幀頭地址命令索引數(shù)據(jù)校驗(yàn)和幀尾。幀頭的識別代表該幀開始，隨后主機(jī)將不斷接收從機(jī)發(fā)回的信息，直到識別到幀尾信息，才表示完成一次通信。程序語言的編寫中需要使用大量的if語句來實(shí)現(xiàn)命令的循環(huán)執(zhí)行。

2.4FFT算法的編寫

本設(shè)計(jì)中使用了傅里葉變換，將信號從時(shí)域轉(zhuǎn)換為頻域，因此還需要對FFT變換進(jìn)行程序編寫。對于有128個(gè)采樣點(diǎn)的傅里葉變換來講，子程序的編寫可以采用倒序處理方式，對采樣點(diǎn)進(jìn)行處理之后進(jìn)行每級蝶型的計(jì)算。子程序的運(yùn)算過程如下：子程序入口→初始化內(nèi)存地址→定義fft計(jì)算的變量→初始化寄存器→設(shè)置第一次循環(huán)的計(jì)數(shù)值為1→倒序→計(jì)算第M級旋轉(zhuǎn)因子→進(jìn)行蝶型運(yùn)算→進(jìn)行該級的fft→判斷n是否等于128，如果判斷為“N”，繼續(xù)進(jìn)行該級的fft，直到判斷為“Y”，之后進(jìn)行級判斷，若判斷為“N”則返回到初始化內(nèi)存地址一步，若判斷為“Y”則輸出數(shù)據(jù)，結(jié)束子程序返回主程序。在FFT算法程序代碼的編寫中，需要注意循環(huán)語句的正確使用以及各次諧波幅值、相角、大小的計(jì)算。電流的FFT算法同電壓的算法相同，在電壓和電流分別求得以后，需要編寫算法進(jìn)行功率因數(shù)、有功功率、無功功率的計(jì)算。

3　結(jié)束語

基于電力監(jiān)測儀的功能要求，進(jìn)行了相關(guān)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和軟件程序的編寫。硬件方面重點(diǎn)解決系統(tǒng)框架的構(gòu)建、電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及各種外部設(shè)備的選擇問題，軟件方面主要完成了對各種核心算法的設(shè)計(jì)工作，使整個(gè)電力監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化。

［1］王卿粹.基于C8051F120單片機(jī)的電力監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)與研究［D］.河北工業(yè)大學(xué)，2014.

［2］胡鵬.基于單片機(jī)的電力監(jiān)測儀的研制［J］.電腦知識與技術(shù)，2011，14:3462-3463+3465.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.132

崔琴（1994-），女，江蘇東臺(tái)人，?？?，學(xué)生，研究方向:電子信息工程、電氣自動(dòng)化技術(shù)。