車載式照明電量儀的設(shè)計(jì)

陳昌健，劉 鈺，秦大為

(鹽城師范學(xué)院 a．物電學(xué)院;b．實(shí)驗(yàn)中心，鹽城224002)

0 引言

目前，電參量數(shù)據(jù)的測量正在受到越來越多的重視。但是，目前市場上的電參量測量儀大多費(fèi)用昂貴，且體型笨重，只能在室內(nèi)固定地用來測量，如果要運(yùn)輸?shù)绞彝鉁y量數(shù)據(jù)則極為不方便。而現(xiàn)在很多工程項(xiàng)目如道路照明、電纜電路測試、故障檢測與維修都要求在室外進(jìn)行現(xiàn)場測量。為此文章在常規(guī)的電參數(shù)測量方法的基礎(chǔ)上提出了一種新型的車載式電量儀，便于運(yùn)輸?shù)绞彝鉁y量，抗干擾、防震、防塵等性能良好。快捷的車載式電參數(shù)測量方法，經(jīng)實(shí)踐證明是切實(shí)可行的。

1 車載式電量儀系統(tǒng)介紹

系統(tǒng)的主機(jī)部分采用AT89S52單片機(jī)作為控制的中心，由電流互感器、電壓互感器、保持放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算電路、顯示電路等組成，并配有獨(dú)立的電源。主機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 車載式電量儀原理

此設(shè)計(jì)主要進(jìn)行測量的電參數(shù)有電壓、電流、電功率等。電流、電壓可以經(jīng)過傳感器直接測量出來，而功率則要通過相關(guān)計(jì)算得出。電壓、電流、電功率、功率因數(shù)等的相關(guān)公式如下:

式中U，I是有效值，λ是功率因數(shù)，P是有功功率，S是視在功率，T是周期，f是頻率。

依據(jù)上述各公式，在計(jì)算功率P的時(shí)候，如果電流I是變化的，當(dāng)Δt足夠小時(shí)，可以把在Δt時(shí)間內(nèi)的上式利用單片機(jī)技術(shù)可以設(shè)計(jì)出非恒電流情況下測量的電功率了。

在測量工作中，整體電路的工作原理與過程如下:電壓互感器將其0～300 V的交流電壓轉(zhuǎn)換為0～12 V交流電壓電信號，電流互感器將其0～20 A的交流電電流轉(zhuǎn)換為0～12 V交流電壓。電壓、電流信號傳給保持器后傳輸至A/D轉(zhuǎn)換模塊(同時(shí)電壓信號傳輸給運(yùn)算放大模塊)，這樣可將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，隨后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)控制模塊，利用單片機(jī)編程對傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，最后將相關(guān)運(yùn)算結(jié)果實(shí)時(shí)地顯示出來。此套系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心，通過單片機(jī)來控制A/D轉(zhuǎn)換模塊，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，單片機(jī)采用了AT89S52高性能單片機(jī)，功能較多，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制和測量。

3 硬件系統(tǒng)

系統(tǒng)硬件以AT89S52單片機(jī)為核心，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)硬件主要包括5個(gè)模塊電路:數(shù)據(jù)信號采集保持模塊、信號放大模塊、單片機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊、電源模塊、顯示模塊。硬件整體電路如圖2所示。

4 各模塊電路介紹

4．1 采樣保持電路

由于功率要對電壓、電流信號同時(shí)測量，可采用保持器LF398對信號進(jìn)行雙路保持，用單片機(jī)對保持器LF398進(jìn)行控制。測量時(shí)，單片機(jī)先對電壓信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而此時(shí)電流信號被送到保持器進(jìn)行保持，等待電壓信號處理完畢。此方案可以對電壓、電流信號進(jìn)行同時(shí)測量，且減小了系統(tǒng)帶來的誤差，因此，設(shè)計(jì)采用了此種方案。

4．2 轉(zhuǎn)換模塊處理電路

這個(gè)部分主要由 ADC0809與 AT89S52組成。ADC0809芯片是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型D/A轉(zhuǎn)換器組成。

在A/D模塊中，INT0、INT1為電壓、電流信號經(jīng)采樣保持電路處理后的輸入端，A/D的輸出信號直接輸入到單片機(jī)的P2口。單片機(jī)通過對ADC0809的控制引腳的控制，從而實(shí)現(xiàn)A/D多路信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換。ADC0809的時(shí)鐘信號是采用51單片機(jī)的內(nèi)部定時(shí)器0使用內(nèi)部軟件編程提供500 K的時(shí)鐘信號。

4．3 放大模塊電路

放大部分采用雙極快速放大器LF353，將電壓傳感器采集的電壓信號經(jīng)放大模塊多級放大，將電壓控制在0～5 V內(nèi)，并能夠有效地抑制信號噪聲。放大部分的電路如圖3所示。

4．4 AT89S52單片機(jī)模塊

設(shè)計(jì)采用的是AT89S52單片機(jī)，是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。片上 Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使 AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供靈活、有效的解決方案。

圖2 硬件整體電路

圖3 放大部分的電路圖

AT89S52有以下標(biāo)準(zhǔn)功能:8k字節(jié) Flash，256字節(jié)RAM，32位 I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位。

單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖4所示，由復(fù)位電路、晶體振蕩器電路及單片機(jī)芯片89S52組成。采用+5V供電，按鍵手動(dòng)復(fù)位方式，晶體振蕩器和兩只振蕩電容構(gòu)成晶體振蕩器電路，給單片機(jī)提供工作時(shí)鐘頻率信號，所以當(dāng)進(jìn)行室外測量時(shí)，就要對相應(yīng)的12 V供電電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

5 電量儀的技術(shù)指標(biāo)

三窗口顯示:電壓、電流、功率/功率因數(shù)/頻率參數(shù)。

圖4 單片機(jī)最小系統(tǒng)

圖5 12 V轉(zhuǎn)5 V降壓電路

工作電壓:12 V。

輸入電壓:3．0 V ～300 V。

輸入電流:20 mA～20 A。

功率因數(shù):－1．000 ～ +1．000。

采樣頻率:5 kHz。

精度:2%。

6 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)本身不具備自主開發(fā)能力，即使在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完成以后用戶也不能直接對程序進(jìn)行修改。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)必須借助一套開發(fā)工具和軟件環(huán)境才能進(jìn)行。

程序按照設(shè)計(jì)要求和流程圖進(jìn)行編寫，最后產(chǎn)生可寫入單片機(jī)芯片的BIN文件或HEX文件。設(shè)計(jì)最后產(chǎn)生的是czsdlzm．hex文件。

源程序主要包含以下幾個(gè)模塊。初始化模塊:init()，A/D轉(zhuǎn)化模塊:ad()，發(fā)送數(shù)據(jù)模塊:send()，延時(shí)模塊:delay()和串口中斷模塊:retr()interrupt 4。

程序的流程圖如圖6所示。

圖6 C語言程序流程圖

從程序流程圖可以看出，系統(tǒng)進(jìn)行初始化之后，就處于判斷是否得到了開始通信的中斷，當(dāng)?shù)玫搅碎_始通信的中斷時(shí)，通信開始。先進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換函數(shù)，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，再經(jīng)過延時(shí)函數(shù)，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送顯示。程序清晰，簡單明了。

由于篇幅所限，此處不再贅述。

7 系統(tǒng)的保護(hù)措施

儀器用于戶外測量或作為車載式測量儀器一般要做到三防，即防塵、防潮、防震。此外還要有良好的抗干擾性能。

由傳感器、長線電纜等對電磁敏感的組件構(gòu)成的系統(tǒng)，為了防止電磁脈沖對測量系統(tǒng)的干擾，要從空間上阻擋電磁場對測量系統(tǒng)的侵入，行之有效的方法就是儀器良好的封閉式金屬外殼。這種整體屏蔽方法即要從前置電路、信號電纜等方面進(jìn)行全屏蔽措施，而且傳輸線不能太長，防止信號衰減。最簡便的就是選擇性能良好穩(wěn)定的電子元器件。此外，所有金屬殼體都要有效接地。

我們?yōu)槊總€(gè)螺帽加了一個(gè)彈簧墊片以固定儀器，儀器內(nèi)部鋪上橡膠片以防止震動(dòng)造成內(nèi)部器件損壞或移位，重要部件加上防震彈簧，內(nèi)部盡量使用金屬接合，避免接插件。

分析儀器對電源的要求較高，良好的供電對于儀器的精度和穩(wěn)定性極為重要。本設(shè)計(jì)采用大容量經(jīng)濟(jì)免維護(hù)型的鉛酸蓄電池。

8 小結(jié)

將標(biāo)準(zhǔn)的電量儀與車載式電量儀進(jìn)行對比，車載式最大的特點(diǎn)就是在保證準(zhǔn)確性的同時(shí)大大拓展了儀器的適用范圍，由室內(nèi)轉(zhuǎn)移到室外，有效地縮短了時(shí)間，提高了測量效率。加以有效的抗干擾、防震、防塵等措施，保證了本儀器室外工作的安全性和可靠性。車載式電量儀系統(tǒng)是具有推廣價(jià)值的新型電參數(shù)測量儀器。

［1］ 楊素行．模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程［M］．北京:高等教育出版社，2009

［2］ 范云霄，劉樺．測試技術(shù)與信號處理［M］．北京:中國計(jì)量出版社，2008

［3］ 張琳娜，劉武發(fā)．傳感器技術(shù)及應(yīng)用［M］．北京:中國計(jì)量出版社，2006

［4］ 林占江．電子測量技術(shù)［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2003