基于AT89S52單片機的多路電能數據采集系統的設計

李景魁

（1. 無錫商業職業技術學院，無錫 214153；2. 江蘇省無線傳感系統應用工程技術研究開發中心，無錫 214153）

基于AT89S52單片機的多路電能數據采集系統的設計

李景魁1,2

（1. 無錫商業職業技術學院，無錫 214153；2. 江蘇省無線傳感系統應用工程技術研究開發中心，無錫 214153）

0 引言

電能是用途最廣的能源之一，現代工業的發展離不開電的使用。隨著我國電力市場的逐步建立和完善，電力系統越來越復雜，各種非線性負荷的增加，過電壓過電流現象的出現，嚴重影響了用電設備的正常使用，降低了電網的可靠性，增加了電網損失。因此，檢測電網的電壓電流的真實有效值、有功功率、無功功率和功率因數這些衡量電能質量主要指標的電參數具有十分重要的意義。而在通常的供電配電箱內，對電壓、電流、功率等參數只有一般的測量和指針式顯示以及短路保護等常規的控制保護功能。所以，開發一種集測量、數字式顯示、控制、保護和通信為一體的低成本、高精度、高性能三相電力參數測量裝置[1]，具有非常重要的現實意義，同時，完備的通信功能也是非常必要的。

本文研究的主要內容是設計一種可用于工業現場的高性能的交流電壓、電流、功率、電能測量系統，提出并研制了一種基于AT89S52單片機的高性能的多路交流電壓、電流、功率、電能測量系統。系統采用ATMEL公司的AT89S52單片機作為主處理芯片，通過RS485總線將采集到的現場電能參數數據傳輸至上位機，上位機對采集到的數據進行顯示、存儲，從而達到現場監測與控制的目的。

1 系統總體方案設計

交流電氣參數的測量通常是指對工頻交流信號電氣參數的測量，這些參數主要包括電壓、電流、功率、電能、功率因數等。本文設計的三相電參數測量系統是一種多功能智能型測量控制系統，主要進行三相電中電壓、電流、電能、功率因數的測量。

本系統選用德國CIRRUS LOGIC公司推出的帶有串行接口的單相雙向功率/電能計量專用芯片CS5460，其內部集成了2個2kHz帶寬的同時采樣的16位Δ-ΣA/D、高低通數字濾波器、能量計算單元、串行接口、數字/頻率轉換器寄存器數組和片內看門狗定時器等功能單元[2]，與低成本的分流器或變壓器相連測量電流，與電阻分壓器或變壓器相連測量電壓。CS5460可以精確測量和計算瞬時電壓、瞬時電流、瞬時功率、電能、電壓有效值(VRMS)和電流有效值(IRMS)。

CS5460作為專用的計量芯片能夠完成電力參數的測量任務，通過 SPI 串口，單片機對CS5460寄存器讀寫操作，進行各種測量。單片機將讀取的電壓、電流、電能、功率因數等參數經RS485總線傳輸至主控制室內的上位機，上位機主要進行測量過程的控制以及測量分析并顯示各測量現場的電參數，當檢測到電壓、電流及功率、電能值大于或小于設定的閥值時系統報警。

2 系統硬件電路設計

單片機是整個電路中最核心的元件，本文采用的是AT89S52單片機。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，其與工業80C51產品指令和引腳完全兼容。CS5460 的電流通道可與低功耗分流器或互感器接口；電壓通道可與低功耗分壓器或互感器接口。其電流通道的可編程增益放大器（PGA）的增益可設為10 和50，分別對應于最大有效值為150mV 和30mV 的交流信號輸入；電壓通道的最大有效值輸入為150mV。圖1為電流通道前級參數電路。

圖1 電流通道前級參數電路

CT比率=1：2000，本系統設定電流測量范圍10A～260A，當原端電流為最大值260A 的時候，應保證 R4 和 R5 兩端的差分電壓 VIMAX 不大于500MV（Vrms<354mV）。互感器的額定串聯電阻為 10歐姆，所以保證R1，R2，R3，R4，R5 部分的等效電阻接近于10歐姆。

電壓端直接引入380V 高電壓，通過電阻分壓，使得電壓端輸入參數降到 0.5V 以內。圖2給出了電壓通道的電路圖。

圖2 電壓通道的電路圖

CS5460 與本系統主控制器AT89S52之間的接口線路圖, 如圖3所示。二者之間的數據傳輸通訊, 大體只要依靠CS、SDI、SDO、SCLK 這四條接口線路即能實現；當需要從CS5460 寄存器中讀取(或寫入) 數據時，操作時序依次為：向CS 發送片選信號(邏輯低電平) ；向SDI 發送8 位讀(寫) 命令；對于數據讀取情形, 根據所發送的命令內容,在此之后的8、16、24 個SCLK周期內, 從SDO 引腳輸出有關寄存器數據(對于數據寫入情形, 則在之后的24 個SCLK 周期內，將從SDI引腳連續輸入串行數據)；因而便于單片機采集程序的精確定時與判斷。

圖3 CS5460與AT89S52接口線路圖

RS485總線是工業應用中非常成熟的技術，是現代通訊技術的工業標準之一， RS485總線用于多站互連十分方便，用一對雙絞線即可實現，由于采用平衡發送和差分接收，即在發送端，驅動器將TTL電平信號轉換成差分信號輸出；在接收端，接收器將差分信號變成TTL電平，因此具有抗共模干擾的能力。

圖4 RS485現場總線硬件電路設計

圖4為RS485現場總線硬件電路設計圖。下位機通過485接口芯片MAX485與RS485總線相連，計量室PC機經RS232/RS485電平轉換后與RS485總線相連。本系統采用RS485總線微機與單片機的主從式串行異步半雙工通訊的方法，下位機作為控制系統，分別控制一套現場數據采集系統。鑒于MCS-51系列單片機的串行口是一個標準的TTL電平接口(即用3.8V～5V表示“1” , 0V～0. 3V表示“0”)，故在數據傳輸時需要先進行RS232/RS485電平轉換，本系統選用MXA232芯片實現上位機端RS232電平與TTL電平的轉化[3]，然后通過MAX485芯片將TTL電平轉換為RS485標準電平。在下位機端MAX485將RS485標準電平轉換為TTL電平接入處理器的異步串行通信口(UART)，實現RS485網絡的半雙工通信。

3 系統軟件電路設計

多路數據采集控制系統上位機采用Visual Basic 6.0設計開發。Visual Basic 6.0是一種可視化的、面向對象和采用事件驅動方式的結構化高級程序設計語言,用于開發基于Windows環境下的各種應用程序。上位機實現采集到的現場電能參數的顯示、保存等操作，軟件框圖如圖5所示。

圖5 RS485局域網絡軟件系統設計

圖5為上位機工作界面，主要實現采集到的每個工作現場電能參數的顯示、存儲以及報警（根據設置的閥值）。在上位機中，“設置”主要進行每個工作現場電能參數閥值的設定（若采集的電能參數超出設定范圍則顯示過高-紅燈，低于設定的閥值則顯示過低-藍燈，在設定的范圍內則顯示正常-綠燈，并且高于閥值的參數以紅色顯示，低于閥值的參數以藍色顯示），“開始”按鍵實現數據采集過程的開始；“保存”按鍵實現工作現場電能參數數據的存儲；“結束”按鍵結束整個程序。

建立在下位機基礎上的上位機軟件，是對整個測量系統的進一步完善，使下位機的功能得到進一步地發揮。上下位機的通信采用主從方式，上位機與下位機之間進行輪詢通信，各下位機之間不能通信。每個下位機都有自己的地址碼，上位機向下位機發送1個帶有下位機地址的命令，所有下位機判斷是否呼叫自己，只有被呼叫的下位機才工作，從而實現了上下位機之間的獨立通信[4]。

4 結束語

本論文所設計實現的多路電能數據采集系統，采取了軟件與硬件相結合的方法，選用AT89S52單片機，實現了對多路電能參數的采集，采集的數據通過RS485現場總線將數據上傳至主控制室計算機，上位機軟件采用功能強大的界面開發工具VB6.0編寫，實現了對現場電能參數的顯示。整個系統功耗低、可靠性高，在工業控制領域進行實時采集監控。系統具有很好的實用價值和推廣價值。

[1]陳曉斌,王向周,劉春華,南順成.交流電基本參量的同步采樣檢測技術及其實現[J].微計算機信息,2005,21(6).

[2]李水冰,徐雁.CS5460 在單相電能校驗儀中的應用[J].船電技術,2004,3.

[3]畢博.應用RS-485的PC與單片機通信研究[J].科學技術與工程,2008.8(1):236-238.

[4]張紅濤,王三武.51單片機和PC機串行通信系統設計[J].化工自動化及儀表,2005,32(4).

Design of the electric energy mult-way acquisition system based on AT89S52

LI Jing-kui1,2

本文研究和開發了高精度多功能電能數據采集系統，著重探索電能采集系統的總體結構以及各個部分的組成設計。采用AT89S52 單片機作為控制器的核心器件，系統通過RS485總線將采集到的數據傳輸至上位機從而實現電能數據的采集與控制，上位機采用VB6.0進行設計。運行結果表明，該系統具有穩定可靠、測量精度高、擴展靈活、安裝方便、操作簡單、易于維護、人機交互界面友好等特點，也表明了本文所研發的系統的有效性和應用價值。

數據采集；控制；AT89S52；CS5460；RS485

李景魁（1977 -），男，江蘇無錫人，講師，碩士，主要從事機電一體化產品、自動控制、電路設計及檢測等方面的教學與研究工作。

TP391

A

1009-0134(2011)5(上)-0080-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(上).28

2010-11-01