基于P89V51單片機的交流電參量檢測系統設計

涂雪芹

（重慶電力高等專科學校 電力系，重慶 400053）

引言

隨著我國電力事業的快速發展，經常會發生電網供電時由于電壓過高或過低，從而引起電氣設備被損壞的現象[1].近些年來，單片機在監測電力參數測量中得到了廣泛應用[2].監測過程主要對電網信號進行數據采集，然后運用各種計算方法實現電參數的監測與分析[3,4].電力系統交流電參量檢測系統不但可以對電網中的電壓、電流實現準確的檢測，而且可以對電網中的有功功率、無功功率和功率因數等相關電參量實現準確的檢測.該設計正是基于單片機對電網中的交流電參量進行實時檢測，系統主要由互感放大電路、鎖相倍頻電路、AD轉換電路、控制電路、顯示電路組成.互感器準確采集數據并傳給單片機由其處理，完成電力系統交流電參量檢測，并送顯示電路實時顯示.

1 系統基本組成

根據系統要實現的功能，設計采用交流同步采樣技術對電壓、電流采樣，其硬件主要由電壓與電流采樣電路、A/D轉換電路、鎖相倍頻電路、控制電路、顯示電路組成，其系統基本組成如圖1所示.

圖1 系統組成原理

系統由兩個互感器分別對電流、電壓做相應互感，然后由放大電路對信號放大，再通過選通開關4051和采樣保持器LF398保持送給AD574，完成A/D轉換，在軟件的設計中先采樣電流，再采樣電壓，采樣數據由單片機讀取并保存.當電流、電壓值都采樣并保存好后，單片機不再接收數據.這時的單片機的工作是根據功能按鍵的不同來處理數據，并將結果送7279顯示，設計中數據采樣采用同步采樣方式實現，其同步采樣信號是電壓信號經過變換電路將交流信號變換為方波，方波經鎖相倍頻電路倍頻32倍，產生同步采樣信號控制AD574的采樣，實現每周期32點的采樣.

2 硬件設計

2.1 控制電路

P89V51單片機作為本次系統設計的核心，其最小系統設計電路如圖2所示.在復位電路中，當S1鍵按下，單片機信號清零，即原采樣數據被清除，系統重新進行采樣計算.

圖2 控制系統電路圖

2.2 電流采樣放大電路

HGI-01精密電流互感器是采用先進技術制造的小型儀用互感器，其特點是體積小，精密度高，特別適用于電力測量上的電量變送、交流采樣微機變送器、微機保護裝置.從負載能力分電阻直接取樣和運放放大兩種形式，本設計采用運放放大形式.為了能提高小信號的測量精度，采用可編程放大器設計，通過改變電流轉換為電壓的電阻大小，實現對不同信號大小的量程轉換，電阻的切換由4052完成，如圖3所示.

圖3 電流采樣放大電路

圖中，4052的1腳是1倍放大，5腳是10倍放大，2腳是100倍放大，4腳是1000倍放大.由于芯片的工作電壓為5V，故輸出最大為5V.

2.3 電壓采樣放大電路

設計采用HGV-01精密電壓互感器，這是一種小型儀用互感器，其特點是體積小，精密度高，特別適用于電力測量上的電量變送、交流采樣微機變送器.由于芯片的工作電壓是5V，所以220V的交流電壓必須轉換為5V的交流電壓.這里采用的是HGV-01型臥式交流電壓互感器，并將電壓通過4052選擇性的放大，其中12腳是1倍，14腳是10倍，15腳是100倍，11腳是1000倍.具體放大情況由檢測到的工頻交流電壓大小來進行調節，以便獲得最佳精確值，電路如圖4所示.圖中，當放大位為1時，對應的輸入輸出電壓有效值為5V，由于采用電流型電壓互感器，輸入的額定值為1mA，考慮到輸入電壓波動10%，故輸入電壓為240V.

圖4 電壓采樣放大電路

2.4 波形變換電路

為避免過零點毛刺的影響，提高系統的抗干擾能力，波形變換電路采用了滯回比較器電路，電路如圖5所示.

圖中，R13為穩壓二極管的限流電阻，穩壓管采用2個5.6V構成雙向穩壓，其穩壓值約±5.6V，為R14，R15決定滯回比較器的電壓閥值，其：V+=5.6V/（100+3）kΩ*3kΩ≈0.163V，V-=-5.6V/（100+3）kΩ*3kΩ≈-0.163V.輸出的±5.6V的脈沖經D2單相整形后變為5V左右的正脈沖，給鎖相倍頻電路提供同步信號，且電平匹配.

圖5 波形變換電路

2.5 同步鎖相倍頻電路

由于電壓存在波動，用時間設定采樣周期會產生誤差，對于高精度的測量儀器，設計時應盡量減少誤差，所以系統采用了鎖相環電路，把一個周期分為32段，而得到32個采樣點，這樣就大大減少了誤差，提高了精度，鎖相環電路的設計中，采用的是專門的芯片4046和4060，這兩片芯片可以有效地將采樣的矩形信號進行倍頻.

CD4046鎖相環采用的是RC型壓控振蕩器，外接C9和R17作為充放電元件，由于它的充電和放電都由同一個電容C1完成，故它的輸出波形是對稱方波.CD4046的最高頻率約為1.2MHz，可以和AD574的轉換頻率25us相匹配.由于一個周期采樣32個點，故選擇了容易實現32倍頻的CD4060計數器.CD4060是由一振蕩器和14級二進制串行計數位組成.振蕩器的結構可以是RC或晶振電路.reset為高電平時，計數器清零且振蕩器停止工作.所有的計數器均為主-從觸發器，在/clock的下降沿，計數器以二進制進行計數.在時鐘脈沖線上使用斯密特觸發器對時鐘的上升和下降時間無限制.根據設計要求，設計的鎖相倍頻電路如圖6所示.

圖6 同步鎖相環電路

圖中，從14輸入一個周期的方波，4046的4腳測出有32倍頻的方波輸出.這樣就得到同步采樣一周期的32個采樣信號.這樣就將方波經由鎖相倍頻電路放大32倍作為AD574的啟動、讀信號和單片機的INT0的響應數字信號.這部分的實現是本設計得以實現同步采樣的關鍵所在.

2.6 A/D轉換電路

本設計要求采樣數據分辨率≤1/255，盡管8位逐次比較型A/D轉換器可以滿足采樣數據分辨率≤1/255，但不容易實現設計中所要的同步采樣，故設計采用12位逐次比較型A/D轉換器AD574，它的轉換精度和采樣轉換時間以及所具有的啟動采樣控制端可以滿足設計所需的各項指標.

設計中將采樣電流、電壓的模擬量轉換為數字量，其采樣和讀取由同步信號控制，轉換完成后同步信號置單片機中斷，由單片機讀取數據并做相應的處理，所以設計時采用了AD574A，它是一種高速12位逐次比較型A/D轉換器，內置有雙極性電路構成的混合集成轉換顯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉換功能，只需外接少量的阻容元件即可構成一個完整的A/D轉換器.基本電路如圖7所示.圖中，R8和R9都取100Ω，是AD574A的校零滑動變阻器，可以對AD574A進行校零，以提高最后的測量精度.

圖7 A/D轉換電路

3 軟件設計

設計中主要利用C-51語言來編寫程序，完成軟件的控制、采樣、顯示、各電參量計算分析等功能.主程序是整個系統軟件的運行主體，各個子系統軟件都必須經過它的調度，才能運行得當.根據設計的功能要求，主程序對系統進行初始化，初始化具體參數如下：

（1）內存工作單元初始化：

標志位初始化：BZ_0=0;電流顯示標志位，BZ_1=0;有功功率顯示標志位

BZ_2=0;無功功率顯示標志位，BZ_3=0;功率因數顯示標志位

讀數標記初始化：wancheng=0x00，j=0x00；

（2）控制位初始化，本設計通過P1.4控制模擬開關，初始化設為P1_4=0；通過P1.7控制AD574A轉換，P1.7初始化為0，設置AD574為12位轉換.

（3）初始化外部中斷INT0，設置為下降沿觸發；

（4）顯示初始化，系統啟動時顯示初始化為Hell0字樣.

初始化后，啟動AD，當中斷來時，讀A/D轉換數據，單片機采集到數據后，調用濾波、電壓有效值、電流有效值、有功功率、功率因數以及無功功率子程序計算出各個電參數值并通過顯示電路顯示，最后調用鍵掃程序，實現電參量的切換顯示.系統通過將采樣數據放大傳送到A/D，進行變換后送入單片機計算，同時顯示，軟件設計將實現數據的傳送、計算、顯示，其主程序流程如圖8所示.

圖8 主程序流程圖

4 結束語

完成了電力系統交流電參量檢測系統的軟硬件設計，用單片機與電子技術設計出了一個電力系統交流電參量交流同步采樣電路，并將采樣數據傳送給以P89V51為主的單片機控制系統進行計算.設計的系統具有便捷的鍵盤、顯示接口.能對交流電參量進行實時測量，可以對電壓有效值、電流有效值等電參數進行實時測量.經測試該系統穩定、顯示直觀，性能穩定，測量精度較高，具有一定的實用價值.

〔1〕廖建慶.便攜式電網在線檢測儀設計[J].電力系統保護與控制,2010(19):199-202.

〔2〕張迎新．單片微型計算機原理、應用及接口技術[M].北京：國防工業出版社,2004.

〔3〕周暉,付婭,韓盟,等.基于粒子群算法的含大規模風電互聯系統的負荷頻率控制[J].電力系統保護與控制,2014,42(10):1-7.

〔4〕廖建慶.發電機定子繞組局部放電超聲波檢測數據采集系統設計[J].寧德師范學院學報（自然科學版）,2014,26(1):42-45.