新型電網(wǎng)電壓監(jiān)測(cè)儀的組成和驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

摘 要:針對(duì)電網(wǎng)電壓數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提出了一種基于STC12C5A60S2微處理器的方案。該系統(tǒng)包括電壓采集模塊、轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊，可以顯示實(shí)時(shí)時(shí)間和電壓，并具有電壓越限報(bào)警、系統(tǒng)變比設(shè)定、系統(tǒng)電壓系數(shù)調(diào)節(jié)、電壓統(tǒng)計(jì)等功能。該系統(tǒng)采用了最新的1T高性能51單片機(jī)和存儲(chǔ)器，加快了系統(tǒng)的處理和存儲(chǔ)速度。軟件采用高級(jí)語(yǔ)言編寫，主要包括初始化、按鍵掃描、菜單處理、電壓統(tǒng)計(jì)等模塊化子程序。

關(guān)鍵詞:電壓監(jiān)測(cè)儀;STC12C5A60S2微控制器;實(shí)時(shí)時(shí)間;交直流變換

中圖分類號(hào):TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1004-373X(2010)03-131-03

Design and Implement of New Voltage Monitoring Instrument Based on STC12C5A60S2

CHEN Weifeng，DENG Xiaoying，LV Tianwen

(College of Physics Science and Technology，Yangzhou University，Yangzhou，225002，China)

Abstract:A design based on micro-controller STC12C5A60S2 is introduced because of the demand of monitoring the real-time voltage on power grid.This system consists of the voltage data acquisition module and the display module，which can display the real time and real-time voltage.It contains the functions as below:warning when the voltage beyond or above the limit and the setting of ratio and system coefficient，and the statistic of the voltage etc.The latest and high effective 1T8051 single chip microcomputer and memory are used to fasten the speed of execution and storage.The program is edited by the high-level language，which contains the subroutines such as initialization of the system and the key scanning，handling of menu and statistic of the voltage.

Keywords:voltage monitoring instrument;STC12C5A60S2 micro-controller;real time;D/C conversion

0 引 言

電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是對(duì)電網(wǎng)電壓質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)并自動(dòng)記錄的智能化儀表系統(tǒng)，為統(tǒng)計(jì)電壓的合格率及其他參數(shù)、反映電壓質(zhì)量的管理提供正確的數(shù)據(jù)[1]。電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最小組合為一臺(tái)智能電壓監(jiān)測(cè)儀。通過(guò)儀表的使用，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)的各種電壓參數(shù)進(jìn)行測(cè)量并記錄，同時(shí)給出電壓合格率、電壓偏高不合格率、電壓偏低不合格率等計(jì)算結(jié)果。電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的另外一種組合是由電壓監(jiān)測(cè)儀加上電卡、通訊機(jī)及上位計(jì)算機(jī)等配套設(shè)備組成。電壓監(jiān)測(cè)儀所記錄的數(shù)據(jù)很多，通過(guò)儀表鍵盤來(lái)查詢抄錄十分耗時(shí)耗工，而直接用小打印機(jī)打印也有許多缺點(diǎn)和不便之處[2]。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓集中監(jiān)測(cè)，并有查詢、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、電壓越限報(bào)警、典型工作日設(shè)定、系統(tǒng)變比和電壓值誤差系數(shù)可調(diào)整等一系列功能[3]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采集模塊以高性能微處理器STC12C5A60S2為核心[4]，外圍由信號(hào)變換、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、串行通信和大容量串行存儲(chǔ)器等模塊電路構(gòu)成。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

STC12C5A60S2是宏晶科技今年新推出的一款處理器，全面兼容傳統(tǒng)的51系列。STC12C5A60S2是一個(gè)時(shí)鐘/及其周期，增強(qiáng)型51內(nèi)核，速度比普通的8051快8～12倍。工作電壓比較寬，為3.3～5.5 V。增加第二復(fù)位功能引腳，并且具有外部掉電檢測(cè)電路，可在掉電時(shí)，及時(shí)將數(shù)據(jù)保存進(jìn)E2PROM。內(nèi)部有1 280 B的RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。芯片內(nèi)部有E2PROM功能，擦寫次數(shù)達(dá)10萬(wàn)次以上。具有ISP/IAP功能，8通道10位高速ADC，速度可達(dá)2.5×105次/s，2路PWM還可作2路D/A使用。內(nèi)部已經(jīng)集成了獨(dú)立的波特率發(fā)生器，此系列單片機(jī)串行通信的速率可以不由內(nèi)部定時(shí)器T1的溢出率來(lái)決定，這樣可以讓T1來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)或者計(jì)數(shù)的功能。此系列的單片機(jī)還有雙串口的功能，一個(gè)串口可以被系統(tǒng)使用，剩下的串口可以用來(lái)作系統(tǒng)程序調(diào)試信息的輸出，避免一個(gè)串口被占用的情況下，只能使用I/O口去模擬UART時(shí)序的麻煩。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是弱電系統(tǒng)，而電網(wǎng)電壓一般是220 V左右的交流電，不能由系統(tǒng)直接進(jìn)行測(cè)量。必須把測(cè)量的電壓通過(guò)帶緩沖器的降壓器，降至3～4 V的交流小信號(hào)。

降壓之后的電壓信號(hào)為交流小信號(hào)，再通過(guò)真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD536轉(zhuǎn)換成有效值相等的直流信號(hào)并輸出[5]。

AD536轉(zhuǎn)換輸出的直流信號(hào)通過(guò)V/F變換芯片LM331輸出其直流信號(hào)所對(duì)應(yīng)頻率的數(shù)字脈沖，供單片機(jī)進(jìn)行采集，從而單片機(jī)計(jì)算出直流信號(hào)的大小。在本設(shè)計(jì)中沒(méi)有采用傳統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，而是采用LM331進(jìn)行V/F變換[6]。

V/F變換的電路圖如圖2所示。

圖2 V/F變換電路圖

LM331的動(dòng)態(tài)范圍寬，可達(dá)100 dB;線性度好，最大非線性度失真小于0.01%，工作頻率低到0.1 Hz時(shí)尚有較好的線性;變換精度高，數(shù)字分辨率可達(dá)12 b;外圍電路簡(jiǎn)單，只需接入幾個(gè)外部元件就可方便構(gòu)成V/F變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度[7]。根據(jù)上面的電路和數(shù)據(jù)手冊(cè)可以得出LM331輸出頻率的計(jì)算公式:

Fout=Vb2.09 VR2+R1R41R5C4

LM331輸出的數(shù)字脈沖通過(guò)光耦TLP521進(jìn)行隔離，再送入單片機(jī)的定時(shí)器T1進(jìn)行計(jì)數(shù)。定時(shí)器T0用來(lái)定時(shí)，每隔1 s鐘單片機(jī)在T0的定時(shí)中斷服務(wù)程序中讀取T1計(jì)數(shù)器的值，因?yàn)殚g隔是1 s，所以讀出來(lái)的值就是LM331輸出脈沖頻率的大小。由上面的公式可以計(jì)算出AD536輸出的有效值Vb，進(jìn)而可以推算出此時(shí)測(cè)量電網(wǎng)電壓的大小[1]。

根據(jù)要求，此系統(tǒng)需要記錄歷史電壓。這里選擇鐵電存儲(chǔ)器FM24C512，它是一款容量高達(dá)512 KB的非易失性存儲(chǔ)器，它采用了先進(jìn)的鐵電處理技術(shù)[8]。原理圖如圖3所示。

圖3 FM24C512原理圖

FM24C512以總線速度進(jìn)行寫操作，無(wú)須延時(shí)。下一個(gè)總線周期可以立即開始，無(wú)需進(jìn)行數(shù)據(jù)輪詢，最高總線頻率高達(dá)1 MHz。另外，F(xiàn)M24C512具有比E2PROM高得多的寫操作次數(shù)。而且，因?yàn)閷懖僮鞑恍枰趦?nèi)部提升電路寫電路的電源供電電壓，所以，在寫操作過(guò)程中，F(xiàn)RAM比E2PROM消耗的功率要低得多。

FM24C512使用I2C通信協(xié)議，簡(jiǎn)化了與微控制器的接口電路。它使用極少的管腳，占用極小的板空間，只使用兩個(gè)管腳和處理器進(jìn)行通信，一個(gè)是時(shí)鐘線SCL，另一個(gè)是數(shù)據(jù)線SDA。因?yàn)樗褂玫闹魈幚砥鳑](méi)有相關(guān)的I2C通信接口，所以只能用兩個(gè)I/O口去模擬I2C的時(shí)序。時(shí)序圖如圖4所示。

圖4 FM24C512工作時(shí)序圖

在記錄歷史電壓時(shí)，實(shí)時(shí)時(shí)間芯片DS1302產(chǎn)生的時(shí)間作為記錄電壓的參考[9]。DS1302是美國(guó)DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它可以對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5～5.5 V。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個(gè)31×8的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級(jí)產(chǎn)品，與DS1302兼容，但增加了主電源/后備電源雙電源引腳，同時(shí)提供了對(duì)后備電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力[10]。它與單片機(jī)的連接如圖5所示。

DS1302與CPU的連接只需要三條線，即時(shí)鐘線(SCLK)、數(shù)據(jù)線(IO)、復(fù)位線(RST)。相應(yīng)的時(shí)序圖如圖6所示。

圖5 DS1302與單片機(jī)的連接

圖6 DS1302工作時(shí)序圖

根據(jù)圖6，就可以編出相應(yīng)讀取DS1302時(shí)間的子程序。

uchar Rd_1302(uchar add)

{

uchar ucda;

Ds_Rst = 0;//先把復(fù)位口拉低

Ds_Clk = 0;//再把時(shí)鐘口清零

Ds_Rst = 1;//把復(fù)位口至高，準(zhǔn)備寫入地址

Input_Byte(add);//設(shè)定操作寄存器的地址

ucda = OutPutByte(); //讀出相應(yīng)寄存器數(shù)據(jù)

Ds_Rst = 0;//把時(shí)鐘線恢復(fù)至低電平

return ucda; //返回讀取的數(shù)據(jù)

}

為了增強(qiáng)人機(jī)的交互性能，選用金鵬電子的OCMJ12232液晶顯示模塊作為系統(tǒng)的顯示部分。OCMJ12232的顯示方式為點(diǎn)陣圖形，可以顯示任意圖形或者漢字，內(nèi)帶8 192個(gè)中文點(diǎn)陣，具有并行和串行兩種接口方式。本設(shè)計(jì)采用了串行接口方式，具有占用I/O資源少，編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

2 流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序由顯示模塊、按鍵掃描模塊、頻率計(jì)數(shù)模塊、記錄統(tǒng)計(jì)模塊、系統(tǒng)菜單模塊等組成。在軟件編寫過(guò)程中，記錄統(tǒng)計(jì)模塊較為復(fù)雜，其算法為:程序判斷是否到了下一秒鐘，如果沒(méi)有則繼續(xù)采集電壓再進(jìn)行判斷，否則進(jìn)行有關(guān)電壓秒記錄的處理;接著判斷是否到了一分鐘，如果沒(méi)有則退出，否則進(jìn)行有關(guān)電壓分鐘記錄的處理;下一步再判斷是否到了一小時(shí)，如果沒(méi)有則退出，否則進(jìn)行有關(guān)電壓小時(shí)記錄的處理;以此類推，還

要判斷是否滿了一天、一個(gè)月的情況。其中，還需要判斷是否是典型工作日，每個(gè)月可以設(shè)置三個(gè)典型工作日，典型工作日中每個(gè)小時(shí)的記錄都被保存下來(lái)，以便用戶查看。流程圖如圖7所示。

圖7 軟件流程圖

3 結(jié) 語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了基于STC12C5A32AD的電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，適用于0～480 V交流電壓的監(jiān)測(cè)。本設(shè)計(jì)已經(jīng)完成了設(shè)計(jì)和調(diào)試，并通過(guò)了客戶的驗(yàn)收，成功運(yùn)行在電網(wǎng)公司的監(jiān)控大廳。

參考文獻(xiàn)

[1]杜秀芳，曹玉強(qiáng)，張靜.智能型真有效值電壓檢測(cè)儀[J].兵工自動(dòng)化，2006，25(5)，84-87.

[2] 張建民，黃劍.DC-100/C電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制[J].華東電力，2001(4):31-32.

[3]孔湧，段崢輝.GSM短信電壓監(jiān)測(cè)儀的應(yīng)用分析[J].電力設(shè)備，2005，12(6):61-63.

[4]宏晶科技.STC12C5A60AD系列單片機(jī)器件手冊(cè)[EB/OL].http://www.mcu-memory.com，2009.

[5]趙鵬，李志剛.AD536的性能及其應(yīng)用[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2004(2):17-19.

[6]劉濱.VM-I型電壓監(jiān)測(cè)記錄儀的結(jié)構(gòu)與功能[J].吉林電力技術(shù)，1997(2):50-51.

[7]漆文輝.變電站電壓質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2002，23(5):192-197.

[8]Ramtron半導(dǎo)體.FM24C512鐵電存儲(chǔ)器系列手冊(cè)[EB/OL].http://www.ramtron.com，2006.

[9]朱杰斌.時(shí)鐘芯片在電壓監(jiān)測(cè)儀校驗(yàn)裝置中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，22(2):288-290.

[10]美信半導(dǎo)體.DS1302可涓流充電時(shí)間保持芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)[EB/OL].http://www.maxim-ic.com，2003.