基于单片机的电力监测仪的设计与研究

2016-09-19刘莉菲泰州学院船舶与机电工程学院江苏泰州225300

山东工业技术 2016年18期

关键词：监测仪子程序单片机

崔琴，刘莉菲（泰州学院船舶与机电工程学院，江苏泰州 225300）

基于单片机的电力监测仪的设计与研究

崔琴，刘莉菲
（泰州学院船舶与机电工程学院，江苏泰州 225300）

电力系统的超负荷运行不仅会成为限制经济增长的因素，也会造成电气设备的损坏，威胁人身安全。为了保障电力系统安全稳定运行，需要依托单片机建立智能化的电力监测系统。本文将主要分析电力监测仪的软硬件设计。

单片机；电力监测仪；设计

0　引言

基于单片机的电力监测仪具有高精度、高可靠性、高效率、实时监测的优点。由于我国在电力监测仪技术方面的研究起步较晚，因此在很多功能的实现效果方面还同发达国家之间存在差距。但是近年来，随着单片机技术的成熟，我国在电力监测仪的设计方面表现的更加积极，不断缩小与发达国家之间的差距。就目前来看，电力监测仪设计的重点集中在硬件系统的设计和软件程序的编写方面。

1　电力监测仪的硬件设计

1.1硬件设计需要完成的任务

首先，根据系统的功能要求设计仪器的整体框架和具体的电路设计；其次，设计满足开关电源，使其满足5V及3.3V直流电源的稳定供电要求。

1.2电力监测仪框架

电力监测仪的硬件系统包含四大块，分别为：输入模块、输出模块、处理模块、电源模块。输入模块具体分为三个部分：电压采集模块、电流采集模块、信号调理电路模块。主要用于数据信息的采集和转换。输出模块包括显示器和通讯接口，显示器承担交互功能，通讯接口实现信息的接收和发送。处理模块主要指微控制器，相当于计算机的CPU，能够实现对参数的处理、进行软件控制、完成网络通信等功能。电源模块从电网取电，为单片机及其他芯片提供稳定的低压直流电。

1.3电力监测仪硬件电路设计

1.3.1电压采集和调理电路

单片机运行需要5V或3.3V的直流电路，因此需要设计降压调频迪电路，将采集的配电网中的电压值下调。该电路复杂度低、线性程度高，主要由二极管及电阻元件构成，电阻起到分压作用，二极管连接在输出电压的两端，起到限压的作用，防止电压过大对单片机造成破坏。

在电压采集和调理电路中除了需要进行电压值的控制以外，还要对电压的正负进行过滤，进行这一步的依据是单片机只能采集到电流的正信号。因此，电路中需要增加一组由电阻和电容器并联的滤波电路，对电流频率进行过滤。此外，还设计有电压跟随电路，将强电和弱点隔离开，防止前后级别电路的影响，并保障了工作人员的安全。

1.3.2电路采集和调理电路

为实现全波形采样，需要设计全波形采样电路。电路中包括二极管、电阻、电容元件、电感元件、三极管。首先，电流通过电感元件将大电流转变为小电流信号，然后小电流完成电压偏置、滤波、放大操作，最后输送给微控制器进行采样。在电路中设有特殊的双二极管元件，主要作用是限幅保护，此外还有完成限流保护作用的电阻元件。具体设计如图1。

图1　电路采集和调理电路

1.3.3通信电路

通信电路主要包括集成电路、光电耦合器、电阻元件和三极管。一般来讲，在电力监测仪中常用的通信电路为RS485，该类型的通信协议标准具有结构简单、容易操作的特点。采用总线式拓扑结构，总线同数十个节点相连，能够提高与上位机联系的质量，实现通信范围的扩展。光电耦合器是通信电路的重要组件，由光的发射、光的接收、信号的放大组成，能够很好的隔离要处理的信号，保证需要的信号中不包含多余的成分。

1.3.4电源电路

电源电路的主要作用是为显示器、单片机、通信模块供电，因此对整个系统的稳定运行具有十分重要的意义。本设计将以高频开关电源为依据设计电路，电路主要由整流电路、滤波电路、高频变压器、反馈电路、电压箝位电路、金氧半场效晶体管等组成。电源电路中的高频变压器和二极管承担着将交流电转化为直流电的任务，以便单片机运作。金氧半场效晶体管是电源电路的核心部分之一，本设计中该部分采用TNY274芯片，该芯片对工作条件的要求较低，同时能够满足提高金氧半场效晶体管输出功率的要求，可实现自启动、电压监测、通导时间的调整等功能。高电压经过高频开关电源后能够转换成12V的直流电源，随后直流电源通过集成芯片输出为5V能够供单片机运转的直流电，同时完成显示屏、通信模块的供电任务。

1.4屏幕及其他内容的设计

首先，屏幕设计需要遵循人性化人机交互功能实现的原则，为此本设计将采用LED显示器作为现实屏幕，该类型的显示屏具有节能、清晰度高的优点。其次，单片机是电力监测仪的核心部件，根据系统的特点，单片机的型号需要满足嵌入式要求，并能够满足系统的运算需要。

2　电力监测仪的软件设计

电力监测仪软件设计采用模块化的编程方法，该方法编写的软件便于阅读理解并具有良好的可移植性能。软件设计中需要重点进行A/D采样模块、串口通信模块、FFT处理模块的编写。

2.1软件主程序的设计

软件主程序决定了整个电力监测仪的运转顺序。具体流程如下：上电复位→初始化程序→开中断→现实子程序→查询按键，在查询按键中有如果操作人员选择了“Y”那么执行键扫描及分析子程序→处理子程序→“有上位机命令判断？”，如果操作人员选择了“N”，那么直接进行“有上位机命令？”的判断，如果该选择的结果是“Y”，则进行掉命令子程序→显示子程序，如果为“N”，则直接返回到“显示子程序”。具体流程图如图2。

图2　主程序流程图

2.2A/D采集模块的设计

A/D采集模块的流程分为以下几步：1）初始化，对端口、转换器、寄存器以及各种参数数据初始化处理。2）A/D采集模块开始工作并设定定时器0定时，而后，定时器与采样器协同工作完成对电流信号的采集，在采样之前还需要使用频率跟踪信号确定采样周期。在一个采样周期完成后进行采样结果的储存、读取工作。3）根据采样数据现实的结果判断采样是否符合要求，如果采样数据满足要求那么进入FFT数据处理模块，对数据进行下一步处理；如果采样数据不满足要求需要返回重新操作。4）经过FFT数据处理模块分类后的谐波分量进入电参数计算模块，并显示存储电参数。5）定时器出发重点信号，单片机进入下一个采样周期。

A/D采集模块编写中，较为重要和复杂的定时器的设置和A/D转换程序的设计。首先，定时器程序编写中需要注意，定时器设置的周期达到后，程序将从主程序中跳出并进入中断服务程序，中断触发后，定时器的值重新回到初始状态，以便在开始进入下一周期数据采集时能够正常进行时间的计算。其次，在A/D转换程序的编写中，需要注意设置实现“退出子程序之前重新开启中断”的语句，否则程序将无法再次出现中断并退出主程序。

2.3通信模块的设计

电力监测系统使用的通信模块采用主从式的通信方式，主机位于整个通信系统的核心位置，起着支配其他从机的作用，需要注意的是主机可以支配多个从机，但是每台从机只能服从于一台主机。根据程序设计，主机每隔一定的周期向从机发送信号，同时接受从机发回的反馈信息。在不接收信号的时期，从机始终处于待命状态。从机接收命令后，需要对命令进行校验，如果命令校验正确则需要向主机发回反馈信息。主机向从机发送命令的格式为：地址命令索引数据校验和。从机向主机回复的反馈信息格式为：帧头地址命令索引数据校验和帧尾。帧头的识别代表该帧开始，随后主机将不断接收从机发回的信息，直到识别到帧尾信息，才表示完成一次通信。程序语言的编写中需要使用大量的if语句来实现命令的循环执行。

2.4FFT算法的编写

本设计中使用了傅里叶变换，将信号从时域转换为频域，因此还需要对FFT变换进行程序编写。对于有128个采样点的傅里叶变换来讲，子程序的编写可以采用倒序处理方式，对采样点进行处理之后进行每级蝶型的计算。子程序的运算过程如下：子程序入口→初始化内存地址→定义fft计算的变量→初始化寄存器→设置第一次循环的计数值为1→倒序→计算第M级旋转因子→进行蝶型运算→进行该级的fft→判断n是否等于128，如果判断为“N”，继续进行该级的fft，直到判断为“Y”，之后进行级判断，若判断为“N”则返回到初始化内存地址一步，若判断为“Y”则输出数据，结束子程序返回主程序。在FFT算法程序代码的编写中，需要注意循环语句的正确使用以及各次谐波幅值、相角、大小的计算。电流的FFT算法同电压的算法相同，在电压和电流分别求得以后，需要编写算法进行功率因数、有功功率、无功功率的计算。