基于V9821單片機的電量監測及控制策略

王喜衛　楊新磊

摘要：隨著經濟發展，傳統能源逐漸減少，加之環境污染問題加劇，對于進一步解決能源和環境問題，將日益發達的信息科學技術應用于能源領域成為新的趨勢。本文采用V9821芯片設計的智能電量監測及控制裝置，實現了單芯片單相多功能監測控制裝置解決方案，大大降低了開發成本，縮短開發周期，且方便靈活，功能強大，不僅能當作實驗平臺，還可以廣泛應用于消防系統、風機管理、隧道照明及其它需要監測和控制工業設備的相關領域。

關鍵詞：V9821單片機；電量監測；控制方法

一、電量監測及控制裝置具體功能需求分析

本電量監測及控制裝置主要以現有的電子技術實踐經驗、理論研究為基礎進行功能性設計，因此必須滿足相應的原則和要求。首先，需要滿足安全性要求，因為本電量監測及控制裝置需要直接采集220V市電的電流和電壓信息，在實驗室需要特別注意強電與弱點隔離，保護人身安全。其次，需要滿足實時性和針對性的原則，系統需要進行電流信號、電壓信號等模擬量及數字量的采集和輸出，進而實時監測設備狀態，并對設備發出控制命令，這一切都離不開實時性和針對性；再次，下位機要將采集的數據通過Modbus協議傳輸到上位機（CPC機），需滿足快速可靠分析計算的原則；另外，需滿足可拓展及先進性原則，在滿足基本功能的情況下，還需要考慮使整個系統采集信息范圍更廣，適用性更強。

二、V9821核心控制芯片及外圍電路設計

（一）系統硬件總體框架

本電量監測及控制裝置中首先通過采樣電路是將電流采樣模塊、電壓采樣模塊采集到的模擬信號經過模擬/數字轉換成數字信號，再經過信號調理，以便用于后續的其它電參數計算。在電量監測及控制裝置中除了具備用于電量計算的電壓、電流模擬信號輸入外，還設計了采用線性光禍方式的模擬量輸入電路及采用光禍方式設計的數字量輸入電路，用于用電設備工作狀態檢測。在輸出電路中，設計了采用繼電器方式的數字量輸出電路及采用 TLC5615芯片的模擬量輸出電路用于對設備進行控制。最后結合Modbus通信協議使得整個系統同時具備數據采集、處理、顯示及對用電設備參數靈活設置、負載異常保護報警、開關量和模擬量的采集控制功能。

（二）V9821主控芯片

對于本電量監測及控制裝置的芯片選擇，需要具備電能計量功能及普通MCU基本功能，在芯片選擇時有兩種方案，一種是采用電能計量芯片配合單片機芯片工作的雙芯片模式，另一種則是采用集成電能計量和MCU的單芯片方案。結合國內外己有的微電子技術，從設計成本、簡易程度、芯片性能、產品工藝等多方面綜合考慮，本設計選擇了杭州萬高公司生產的V9821芯片，可為電量監測及控制裝置提供單芯片解決方案，使得整個設計性價比高、功能集成度高、設計簡單、測量精度高、大幅度降低了設計成本。由于V9821芯片集成了電能計量模塊、增強型8052內核、LCD驅動模塊，在設計時只需要增加模擬量/數字量輸入輸出、電源模塊、EEPROM等少量電路就可以實現本電量監測及控制裝置的基本要求。

（三）V9821主控芯片外圍電路設計

V9821控制器外圍電路主要由復位電路、時鐘電路、按鍵電路和JTAG調試電路組成。V9821芯片內部集成一個起振電路，片外由一個32768Hz的晶體連接芯片CTI和CTO引腳組成，主要用來產生OSC時鐘，可為MCU、電能計量模塊、LCD和RTC提供時鐘，是V9821芯片三個時鐘源之一。晶振電路產生的osc時鐘，作為基準時鐘輸入PLL電路，PLL電路將其倍頻產生PLL時鐘。PLL時鐘為MCU、電能計量模塊和ADC提供輸入時鐘，是V9821芯片的另外一個時鐘源。最后一個時鐘源是由RC振蕩電路產生的RC時鐘，用于看門狗電路時鐘，且會監控OSC時鐘電路，當晶振停振時，RC時鐘自動代替OSC時鐘作為相應電路時鐘源。

（四）系統電源電路設計

在整個硬件電路中，電源電路是所有電路的前提，只有正常穩定的電源供電，系統才能正常工作，所以電源的設計是至關重要的且需要滿足整個系統所有模塊的電源需求。在電源電路設計時需要考慮輸出電壓值，輸出電流最大值、電源紋波等因素。在電量監測及控制裝置中，主控制器V9821需要3.3V或SV電源供電，因此需要設計SV直流和3：3V直流電源電路。V9821芯片內部集成5V轉3.3V的LDO電路，由LDO33引腳用于輸出，用于內部各模擬電路，液晶驅動電路、芯片管腳等供電。

（五）系統顯示電路設計

V9821芯片集成了一個LCD驅動電路，可產生SEG和COM信號，驅動液晶屏顯示需要顯示的內容。驅動電路中包括了4個串聯電阻組成的分壓網絡，用來產生偏置電壓，電源3.3V通過偏置電壓產生電路可產生3.3V以下需要的任何電壓值。LCD液晶主要用于顯示測量電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數、電量、頻率等電參量。

三、電量監測及控制裝置測試與分析

（一）硬件測試

在硬件調試之前，首先檢查電路板導線連接是否正確，是否存在短路或者斷路情況存在。在這兩項確保無誤之后，首先焊接電源部分，需要對整個系統電源部分進行測試，只有保證電源供電正常才能使得整個硬件系統正常工作，否則可能燒壞主控芯片或其他部分，在對電源部分測試時需要用到示波器觀察基本電壓轉換和電源質量。當測試裝置供電系統正常工作之后，完成主控芯片、最小系統及程序下載部分焊接工作，下載一個簡單的芯片基本功能測試程序對最小系統進行測試。若測試正常，接下來進行下一步工作，若測試出現問題，需要找出問題，按以下步驟進行：首先檢查V9821芯片供電管腳電壓，在前面電源測試正常情況下，說明芯片存在問題，應當更換芯片，若是管腳電壓正常，很有可能是芯片存在管腳損壞。測試完成最小系統，接下來就是逐個加上功能模塊，進行相應測試，由部分到整體，結合程序軟件完成整個電量監測及控制裝置的硬件調試工作。

（二）軟件測試

軟件測試過程和硬件調試是相輔相成的，在硬件工作正常下，才能保證軟件功能的實現，本電量監測及控制裝置軟件測試環境為IAR Embedded Workbenchfor 8051 mE（830版本），通過配置IAR軟件，連接SD502下載器，可以實現在線聯調，逐步驗證軟件功能，同時配合杭州萬高公司研發的RegTool軟件可以查看個寄存器數據。具體測試步驟如下：首先編寫最小系統程序，結合最小系統電路，保證主控制器模塊功能實現；然后進行測試芯片各管腳功能，保證整塊芯片正常工作；接下來測試時鐘、中斷、定時器，為各功能模塊測試做準備；另外需要測量LCD顯示模塊，保證顯示部分正常；在數據采集和顯示正常的情況下，進行系統通信測試，I2C通信測試己經包含在讀取寄存器數據過程中，只需用Modbus RTU軟件測試參數設置、檢測和控制功能；在各個模塊測試正常下，將整體程序下載到裝置中，進行軟件、硬件整體聯調。

結束語：

盡管在本電量監測及控制裝置的設計中，能滿足課題預期要求，實現穩定可靠的運行，但本裝置只初步采用目前己有的數據采集技術，隨著科學技術的不斷發展，系統中還有許多不足之處需要今后不斷完善和改進。

參考文獻：

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