新型電網電壓監測儀的組成和驅動程序設計

陳衛峰，鄧小穎，呂天文

(揚州大學 物理科學與技術學院? 江蘇 揚州? 225002)
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0?引言

電壓監測系統是對電網電壓質量進行監測并自動記錄的智能化儀表系統，為統計電壓的合格率及其他參數、反映電壓質量的管理提供正確的數據。電壓監測系統的最小組合為一臺智能電壓監測儀。通過儀表的使用，即可實現對電壓監測點的各種電壓參數進行測量并記錄，同時給出電壓合格率、電壓偏高不合格率、電壓偏低不合格率等計算結果。電壓監測系統的另外一種組合是由電壓監測儀加上電卡、通訊機及上位計算機等配套設備組成。電壓監測儀所記錄的數據很多，通過儀表鍵盤來查詢抄錄十分耗時耗工，而直接用小打印機打印也有許多缺點和不便之處。本系統可實現電網電壓集中監測，并有查詢、統計報表、電壓越限報警、典型工作日設定、系統變比和電壓值誤差系數可調整等一系列功能。

1? 系統設計

采集模塊以高性能微處理器STC12C5A60S2為核心，外圍由信號變換、實時時鐘、串行通信和大容量串行存儲器等模塊電路構成。整個系統結構組成如圖1所示。



STC12C5A60S2是宏晶科技今年新推出的一款處理器，全面兼容傳統的51系列。STCl2C5A60S2是一個時鐘／及其周期，增強型51內核，速度比普通的8051快8～12倍。工作電壓比較寬，為3.3～5.5 V。增加第二復位功能引腳，并且具有外部掉電檢測電路，可在掉電時，及時將數據保存進E²PROM。內部有1 280 B的RAM數據存儲器。芯片內部有E2PROM功能，擦寫次數達10萬次以上。具有ISP／IAP功能，8通道10位高速ADC，速度可達2.5×10⁵次／s，2路PWM還可作2路D／A使用。內部已經集成了獨立的波特率發生器，此系列單片機串行通信的速率可以不由內部定時器T₁的溢出率來決定，這樣可以讓T₁來實現定時或者計數的功能。此系列的單片機還有雙串口的功能，一個串口可以被系統使用，剩下的串口可以用來作系統程序調試信息的輸出，避免一個串口被占用的情況下，只能使用I／O口去模擬UART時序的麻煩。

監測系統是弱電系統，而電網電壓一般是220 V左右的交流電，不能由系統直接進行測量。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，再通過真有效值轉換芯片AD536轉換成有效值相等的直流信號并輸出。

AD536轉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頻率的數字脈沖，供單片機進行采集，從而單片機計算出直流信號的大小。在本設計中沒有采用傳統的A／D轉換器把模擬信號變成數字信號，而是采用LM331進行V／F變換。

V／F變換的電路圖如圖2所示。


LM331的動態范圍寬，可達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時尚有較好的線性；變換精度高，數字分辨率可達12 b；外圍電路簡單，只需接入幾個外部元件就可方便構成V／F變換電路，并且容易保證轉換精度。根據上面的電路和數據手冊可以得出LM331輸出頻率的計算公式：



LM331輸出的數字脈沖通過光耦TLP521進行隔離，再送入單片機的定時器T₁進行計數。定時器T₀用來定時，每隔1 s鐘單片機在T₀的定時中斷服務程序中讀取T1計數器的值，因為間隔是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算出AD536輸出的有效值V_b，進而可以推算出此時測量電網電壓的大小。

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


FM24C512以總線速度進行寫操作，無須延時。下一個總線周期可以立即開始，無需進行數據輪詢，最高總線頻率高達1 MHz。另外，FM24C512具有比E²PROM高得多的寫操作次數。而且，因為寫操作不需要在內部提升電路寫電路的電源供電電壓，所以。在寫操作過程中，FRAM比E²PROM消耗的功率要低得多。

FM24C5121使用I²C通信協議，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行通信，一個是時鐘線SCL，另一個是數據線SDA。因為所使用的主處理器沒有相關的I²C通信接口，所以只能用兩個I／O口去模擬I²C的時序。時序圖如圖4所示。


在記錄歷史電壓時，實時時間芯片DS1302產生的時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的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5～5.5 V。采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發方式一次傳送多個字節的時鐘信號或RAM數據。DS1302內部有一個31×8的用于臨時性存放數據的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產品，與DS1302兼容，但增加了主電源／后備電源雙電源引腳，同時提供了對后備電源進行涓細電流充電的能力。它與單片機的連接如圖5所示。


DSl302與CPU的連接只需要三條線，即時鐘線(SCLK)、數據線(IO)、復位線(RST)。相應的時序圖如圖6所示。

根據圖6，就可以編出相應讀取DS1302時間的子程序。

為了增強人機的交互性能，選用金鵬電子的OCMJ12232液晶顯示模塊作為系統的顯示部分。OCMJ12232的顯示方式為點陣圖形，可以顯示任意圖形或者漢字，內帶8 192個中文點陣，具有并行和串行兩種接口方式。本設計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。

2 流程設計

系統程序由顯示模塊、按鍵掃描模塊、頻率計數模塊、記錄統計模塊、系統菜單模塊等組成。在軟件編寫過程中，記錄統計模塊較為復雜，其算法為：程序判斷是否到了下一秒鐘，如果沒有則繼續采集電壓再進行判斷，否則進行有關電壓秒記錄的處理；接著判斷是否到了一分鐘，如果沒有則退出，否則進行有關電壓分鐘記錄的處理；下一步再判斷是否到了一小時，如果沒有則退出，否則進行有關電壓小時記錄的處理；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，每個月可以設置三個典型工作日，典型工作日中每個小時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? 語

本文詳細介紹了基于STC12C5A32AD的電壓監測系統，適用于0～480 V交流電壓的監測。本設計已經完成了設計和調試，并通過了客戶的驗收，成功運行在電網公司的監控大廳。