一种负荷测控装置的设计与研究

孟献仪，刘建华

（徐州和纬信电科技有限公司，江苏徐州，221008）

安全用电、绿色用电是现在用电要遵循的规则，日常生活中，人们对电无法像其他商品一样有较为直观的感受，本文设计有一种装置，能够直观反映负荷的用电状态，并且能够再负荷异常工作时，切断电源，减少损失。

1 系统构成

系统采用STC15 单片机作为主控芯片，利用互感器获得跟被测电量等比例的小信号，信号调理后，经过A/D 送入单片机进行处理。计算用电参数电压、电流、有功功率、无功功率、计算功率因素角等显示部分可以使用1602LCD。系统构成如图1 所示。

图1 系统构成

■1.1 采样电路设计

互感器能把大电压与大电流转换成能够直接测量的范围，方便电量的测量。本设计选用变比为2mA:2mA 的ZMPT107 电压型互感器和变比为5A:5mA 的ZMCT103 电流互感器。

(1)ZMPT107 电压互感器

该电压互感器具有体积小，精密度高，一致性好等优点，适用于电压与功率的精确测量。通过该电路可以把220V 市电转换成5V 以内的小信号，其输出电压计算公式为。

(2)ZMCT103 电流互感器

ZMCT103 电流互感器不仅具有测量精度高、一致性好等优点，另外体积也轻小，适合应用于电力测量与保护，产品可以直接通过电阻取样，使用简单方便。

■1.2 模数转换器(A/DC)

互感器输出信号为模拟信号，本系统采用单片机作为主控芯片，所以需要将模拟信号转为数字信号，本装置采用STC15 单片机内置的A/D。STC15 系列单片机的8 路模拟信号的输入端口设置在P1 端口的8 个引脚上，即：P1.0～P1.7。当上电复位后，P1 口设置为弱上拉I/O 口。可以通过软件将8 个引脚上的任何一个设置为ADC 模拟输入。没有设置为ADC模拟输入的引脚可以作为普通I/O使用。

■1.3 执行机构

执行机构根据负荷不同可选择继电器和断路器。继电器属于二次设备，用于信号采样、转接控制、保护等,属于低压设备,触头容量均较小，一般为5A。断路器属于一次设备,它就是空开类的开关,控制电路通断。它有高低压之分，可切断短路电流。用于保护电路当发生短路故障时防止对电源和用电设备的破坏，它也可以启动和停止电器设备。

■1.4 告警单元

该装置采用声光报警，从视觉和听觉两方面进行告警。电路图如图2 所示。系统电压、电流或者功率超过阈值时，单片机对应端口发送报警信号到声光报警器，声光报警器立即报警。单片机对应口输出震荡电平，使LED 闪烁，蜂鸣器发出警报声。图2 为系统电路图。其中图2(a)图为信号调理电路，图2(b)图为电源和A/D 电路。

图2 系统原理图

2 信号调理

该装置设计目标是对正常负荷进行监控，所以实时性可以稍微让步，因此对快速性的要求稍微宽松一点。因此本设计采用模拟电路将信号处理后再由主控芯片处理，减少了对主控CPU 和内存的要求，降低的成本。

■2.1 电压、电流调理电路

电压电流信号调理部分只是输入量不同。以电流的采集电路为例，分为四部分实现：①部分将采集的信号为高压侧的电流信号通过一个电阻，将电流信号转换为电压信号以满足控制器的通信协议，方便后续处理。②部分为精密整流电路，克服传统电力电子整流法中死区电压带来的影响。③部分为二阶滤波电路，目的是将信号处理成可以被数字芯片识别的平滑直流信号，方便后续送入芯片内进行AD 读取采集。④部分为一个稳压二极管，将上一点的电位强行牵制在5V内，防止高压侧由于受到各种过电压的影响而出现的段时间内的电压过大，使得低压侧采集部分电压也急剧升高，烧毁数字控制器。

■2.2 相位采集环节

相位采集环节，将电压与电流信号整形成方波，在同一个周期中算出上升沿时间差∆t，根据等式:得出电压与电流的相位差 φ。相位调理电路如图4 所示。①部分是电压跟随器，将前后两级隔离开来，降低干扰信号对相位采集结果的影响。②部分是50hz 的带通滤波器，将谐波滤除后，确保采集相位为基波相位。③部分是电压比较器和电压跟随器，将电压、电流信号转换为方波信号，通过比较二者的上升沿时间差。④为稳压管构成的保护电路。

电路仿真波形见图3，图3(a)为中，橘色信号为互感器输出信号，可见其为交流信号；蓝色信号为整流后信号，调理后电压电流信号均为与输入交流信号成比例的直流信号。图3(b)为相位采集仿真结果，人为设置角度30°后，从波形可见两者时间差为1.705ms，经过计算可得角度为30.69°，精度符合计算需求。

图3 仿真结果

3 软件设计

软件执行方式从主函数开始，接着对液晶屏显示、定时器以及外部中断、串口中断几部分都进行了初始化。采样电路采集转换后，单片机通过串口把电压、电流、功率等物理量在液晶屏上进行显示这些物理量。如果遇到异常物理量，则驱动外围设备动作。

通过采样电路采集，把得到的模拟量送给AD 转换芯片，继而再送给单片机。随后经过单片机进行计算，就能换算出实际的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数。计算公式为：

其中AD0 为经过AD 转换芯片的第一路值，AD1 为经过AD 转换芯片的第二路值，T 为电压、电流相位时间差。软件流程图见图4。

图4 软件流程图

4 硬件调试及结果

采用1602 液晶分屏显示电压、电流、功率和报警信息，信号通过10P 灰排从信号调理板转接至单片机模块。调试时先进行A/D 校准。根据测量数据，调整A/D 的斜率和零点。

图5（a）～（f）是示波器采集到的信号调理波形通过示波器波形可见，信号调理电路工作正常，波形较仿真波形而言，两者差别甚微，基本满足设计需求。

硬件测试以30 瓦电烙铁作为负载，测量其参数图5（g）所示，与万用表测量数据相比，电压误差在0.7V，误差率0.3%，有功功率由于所加电压不是额定电压，考虑到电阻的线性性质，通过计算可知测量精度满足日常需求。

图5 硬件调试波形及测量数据对比

5 小结

当今社会，电力发展迅速，用电物品已经与大家的生活密不可分，我们应该加强安全用电的意识，而对用电设备的监控也被提上议程。该装置可以应用于学生宿舍、工厂以及旅店等消防重点单位使用，利用此装置对负荷进行电压、电流、有功功率以及无功功率的实时监测，并且在功率以及电压超限时进行声光报警以及自动断电，大大减小了应违章电器而引起的火灾事故，具有广泛的应用背景。