一種負荷測控裝置的設計與研究

孟獻儀，劉建華

（徐州和緯信電科技有限公司，江蘇徐州，221008）

安全用電、綠色用電是現在用電要遵循的規則，日常生活中，人們對電無法像其他商品一樣有較為直觀的感受，本文設計有一種裝置，能夠直觀反映負荷的用電狀態，并且能夠再負荷異常工作時，切斷電源，減少損失。

1 系統構成

系統采用STC15 單片機作為主控芯片，利用互感器獲得跟被測電量等比例的小信號，信號調理后，經過A/D 送入單片機進行處理。計算用電參數電壓、電流、有功功率、無功功率、計算功率因素角等顯示部分可以使用1602LCD。系統構成如圖1 所示。

圖1 系統構成

■1.1 采樣電路設計

互感器能把大電壓與大電流轉換成能夠直接測量的范圍，方便電量的測量。本設計選用變比為2mA:2mA 的ZMPT107 電壓型互感器和變比為5A:5mA 的ZMCT103 電流互感器。

(1)ZMPT107 電壓互感器

該電壓互感器具有體積小，精密度高，一致性好等優點，適用于電壓與功率的精確測量。通過該電路可以把220V 市電轉換成5V 以內的小信號，其輸出電壓計算公式為。

(2)ZMCT103 電流互感器

ZMCT103 電流互感器不僅具有測量精度高、一致性好等優點，另外體積也輕小，適合應用于電力測量與保護，產品可以直接通過電阻取樣，使用簡單方便。

■1.2 模數轉換器(A/DC)

互感器輸出信號為模擬信號，本系統采用單片機作為主控芯片，所以需要將模擬信號轉為數字信號，本裝置采用STC15 單片機內置的A/D。STC15 系列單片機的8 路模擬信號的輸入端口設置在P1 端口的8 個引腳上，即：P1.0～P1.7。當上電復位后，P1 口設置為弱上拉I/O 口?？梢酝ㄟ^軟件將8 個引腳上的任何一個設置為ADC 模擬輸入。沒有設置為ADC模擬輸入的引腳可以作為普通I/O使用。

■1.3 執行機構

執行機構根據負荷不同可選擇繼電器和斷路器。繼電器屬于二次設備，用于信號采樣、轉接控制、保護等,屬于低壓設備,觸頭容量均較小，一般為5A。斷路器屬于一次設備,它就是空開類的開關,控制電路通斷。它有高低壓之分，可切斷短路電流。用于保護電路當發生短路故障時防止對電源和用電設備的破壞，它也可以啟動和停止電器設備。

■1.4 告警單元

該裝置采用聲光報警，從視覺和聽覺兩方面進行告警。電路圖如圖2 所示。系統電壓、電流或者功率超過閾值時，單片機對應端口發送報警信號到聲光報警器，聲光報警器立即報警。單片機對應口輸出震蕩電平，使LED 閃爍，蜂鳴器發出警報聲。圖2 為系統電路圖。其中圖2(a)圖為信號調理電路，圖2(b)圖為電源和A/D 電路。

圖2 系統原理圖

2 信號調理

該裝置設計目標是對正常負荷進行監控，所以實時性可以稍微讓步，因此對快速性的要求稍微寬松一點。因此本設計采用模擬電路將信號處理后再由主控芯片處理，減少了對主控CPU 和內存的要求，降低的成本。

■2.1 電壓、電流調理電路

電壓電流信號調理部分只是輸入量不同。以電流的采集電路為例，分為四部分實現：①部分將采集的信號為高壓側的電流信號通過一個電阻，將電流信號轉換為電壓信號以滿足控制器的通信協議，方便后續處理。②部分為精密整流電路，克服傳統電力電子整流法中死區電壓帶來的影響。③部分為二階濾波電路，目的是將信號處理成可以被數字芯片識別的平滑直流信號，方便后續送入芯片內進行AD 讀取采集。④部分為一個穩壓二極管，將上一點的電位強行牽制在5V內，防止高壓側由于受到各種過電壓的影響而出現的段時間內的電壓過大，使得低壓側采集部分電壓也急劇升高，燒毀數字控制器。

■2.2 相位采集環節

相位采集環節，將電壓與電流信號整形成方波，在同一個周期中算出上升沿時間差?t，根據等式:得出電壓與電流的相位差 φ。相位調理電路如圖4 所示。①部分是電壓跟隨器，將前后兩級隔離開來，降低干擾信號對相位采集結果的影響。②部分是50hz 的帶通濾波器，將諧波濾除后，確保采集相位為基波相位。③部分是電壓比較器和電壓跟隨器，將電壓、電流信號轉換為方波信號，通過比較二者的上升沿時間差。④為穩壓管構成的保護電路。

電路仿真波形見圖3，圖3(a)為中，橘色信號為互感器輸出信號，可見其為交流信號；藍色信號為整流后信號，調理后電壓電流信號均為與輸入交流信號成比例的直流信號。圖3(b)為相位采集仿真結果，人為設置角度30°后，從波形可見兩者時間差為1.705ms，經過計算可得角度為30.69°，精度符合計算需求。

圖3 仿真結果

3 軟件設計

軟件執行方式從主函數開始，接著對液晶屏顯示、定時器以及外部中斷、串口中斷幾部分都進行了初始化。采樣電路采集轉換后，單片機通過串口把電壓、電流、功率等物理量在液晶屏上進行顯示這些物理量。如果遇到異常物理量，則驅動外圍設備動作。

通過采樣電路采集，把得到的模擬量送給AD 轉換芯片，繼而再送給單片機。隨后經過單片機進行計算，就能換算出實際的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數。計算公式為：

其中AD0 為經過AD 轉換芯片的第一路值，AD1 為經過AD 轉換芯片的第二路值，T 為電壓、電流相位時間差。軟件流程圖見圖4。

圖4 軟件流程圖

4 硬件調試及結果

采用1602 液晶分屏顯示電壓、電流、功率和報警信息，信號通過10P 灰排從信號調理板轉接至單片機模塊。調試時先進行A/D 校準。根據測量數據，調整A/D 的斜率和零點。

圖5（a）～（f）是示波器采集到的信號調理波形通過示波器波形可見，信號調理電路工作正常，波形較仿真波形而言，兩者差別甚微，基本滿足設計需求。

硬件測試以30 瓦電烙鐵作為負載，測量其參數圖5（g）所示，與萬用表測量數據相比，電壓誤差在0.7V，誤差率0.3%，有功功率由于所加電壓不是額定電壓，考慮到電阻的線性性質，通過計算可知測量精度滿足日常需求。

圖5 硬件調試波形及測量數據對比

5 小結

當今社會，電力發展迅速，用電物品已經與大家的生活密不可分，我們應該加強安全用電的意識，而對用電設備的監控也被提上議程。該裝置可以應用于學生宿舍、工廠以及旅店等消防重點單位使用，利用此裝置對負荷進行電壓、電流、有功功率以及無功功率的實時監測，并且在功率以及電壓超限時進行聲光報警以及自動斷電，大大減小了應違章電器而引起的火災事故，具有廣泛的應用背景。