基于AT89S52單片機(jī)的多路電能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李景魁

（1. 無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，無錫 214153；2. 江蘇省無線傳感系統(tǒng)應(yīng)用工程技術(shù)研究開發(fā)中心，無錫 214153）

基于AT89S52單片機(jī)的多路電能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李景魁1,2

（1. 無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，無錫 214153；2. 江蘇省無線傳感系統(tǒng)應(yīng)用工程技術(shù)研究開發(fā)中心，無錫 214153）

0 引言

電能是用途最廣的能源之一，現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展離不開電的使用。隨著我國(guó)電力市場(chǎng)的逐步建立和完善，電力系統(tǒng)越來越復(fù)雜，各種非線性負(fù)荷的增加，過電壓過電流現(xiàn)象的出現(xiàn)，嚴(yán)重影響了用電設(shè)備的正常使用，降低了電網(wǎng)的可靠性，增加了電網(wǎng)損失。因此，檢測(cè)電網(wǎng)的電壓電流的真實(shí)有效值、有功功率、無功功率和功率因數(shù)這些衡量電能質(zhì)量主要指標(biāo)的電參數(shù)具有十分重要的意義。而在通常的供電配電箱內(nèi)，對(duì)電壓、電流、功率等參數(shù)只有一般的測(cè)量和指針式顯示以及短路保護(hù)等常規(guī)的控制保護(hù)功能。所以，開發(fā)一種集測(cè)量、數(shù)字式顯示、控制、保護(hù)和通信為一體的低成本、高精度、高性能三相電力參數(shù)測(cè)量裝置[1]，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)，完備的通信功能也是非常必要的。

本文研究的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)一種可用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的高性能的交流電壓、電流、功率、電能測(cè)量系統(tǒng)，提出并研制了一種基于AT89S52單片機(jī)的高性能的多路交流電壓、電流、功率、電能測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)采用ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)作為主處理芯片，通過RS485總線將采集到的現(xiàn)場(chǎng)電能參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)，從而達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與控制的目的。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

交流電氣參數(shù)的測(cè)量通常是指對(duì)工頻交流信號(hào)電氣參數(shù)的測(cè)量，這些參數(shù)主要包括電壓、電流、功率、電能、功率因數(shù)等。本文設(shè)計(jì)的三相電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)是一種多功能智能型測(cè)量控制系統(tǒng)，主要進(jìn)行三相電中電壓、電流、電能、功率因數(shù)的測(cè)量。

本系統(tǒng)選用德國(guó)CIRRUS LOGIC公司推出的帶有串行接口的單相雙向功率/電能計(jì)量專用芯片CS5460，其內(nèi)部集成了2個(gè)2kHz帶寬的同時(shí)采樣的16位Δ-ΣA/D、高低通數(shù)字濾波器、能量計(jì)算單元、串行接口、數(shù)字/頻率轉(zhuǎn)換器寄存器數(shù)組和片內(nèi)看門狗定時(shí)器等功能單元[2]，與低成本的分流器或變壓器相連測(cè)量電流，與電阻分壓器或變壓器相連測(cè)量電壓。CS5460可以精確測(cè)量和計(jì)算瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流、瞬時(shí)功率、電能、電壓有效值(VRMS)和電流有效值(IRMS)。

CS5460作為專用的計(jì)量芯片能夠完成電力參數(shù)的測(cè)量任務(wù)，通過 SPI 串口，單片機(jī)對(duì)CS5460寄存器讀寫操作，進(jìn)行各種測(cè)量。單片機(jī)將讀取的電壓、電流、電能、功率因數(shù)等參數(shù)經(jīng)RS485總線傳輸至主控制室內(nèi)的上位機(jī)，上位機(jī)主要進(jìn)行測(cè)量過程的控制以及測(cè)量分析并顯示各測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的電參數(shù)，當(dāng)檢測(cè)到電壓、電流及功率、電能值大于或小于設(shè)定的閥值時(shí)系統(tǒng)報(bào)警。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)是整個(gè)電路中最核心的元件，本文采用的是AT89S52單片機(jī)。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，其與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。CS5460 的電流通道可與低功耗分流器或互感器接口；電壓通道可與低功耗分壓器或互感器接口。其電流通道的可編程增益放大器（PGA）的增益可設(shè)為10 和50，分別對(duì)應(yīng)于最大有效值為150mV 和30mV 的交流信號(hào)輸入；電壓通道的最大有效值輸入為150mV。圖1為電流通道前級(jí)參數(shù)電路。

圖1 電流通道前級(jí)參數(shù)電路

CT比率=1：2000，本系統(tǒng)設(shè)定電流測(cè)量范圍10A～260A，當(dāng)原端電流為最大值260A 的時(shí)候，應(yīng)保證 R4 和 R5 兩端的差分電壓 VIMAX 不大于500MV（Vrms<354mV）。互感器的額定串聯(lián)電阻為 10歐姆，所以保證R1，R2，R3，R4，R5 部分的等效電阻接近于10歐姆。

電壓端直接引入380V 高電壓，通過電阻分壓，使得電壓端輸入?yún)?shù)降到 0.5V 以內(nèi)。圖2給出了電壓通道的電路圖。

圖2 電壓通道的電路圖

CS5460 與本系統(tǒng)主控制器AT89S52之間的接口線路圖, 如圖3所示。二者之間的數(shù)據(jù)傳輸通訊, 大體只要依靠CS、SDI、SDO、SCLK 這四條接口線路即能實(shí)現(xiàn)；當(dāng)需要從CS5460 寄存器中讀取(或?qū)懭? 數(shù)據(jù)時(shí)，操作時(shí)序依次為：向CS 發(fā)送片選信號(hào)(邏輯低電平) ；向SDI 發(fā)送8 位讀(寫) 命令；對(duì)于數(shù)據(jù)讀取情形, 根據(jù)所發(fā)送的命令內(nèi)容,在此之后的8、16、24 個(gè)SCLK周期內(nèi), 從SDO 引腳輸出有關(guān)寄存器數(shù)據(jù)(對(duì)于數(shù)據(jù)寫入情形, 則在之后的24 個(gè)SCLK 周期內(nèi)，將從SDI引腳連續(xù)輸入串行數(shù)據(jù))；因而便于單片機(jī)采集程序的精確定時(shí)與判斷。

圖3 CS5460與AT89S52接口線路圖

RS485總線是工業(yè)應(yīng)用中非常成熟的技術(shù)，是現(xiàn)代通訊技術(shù)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之一， RS485總線用于多站互連十分方便，用一對(duì)雙絞線即可實(shí)現(xiàn)，由于采用平衡發(fā)送和差分接收，即在發(fā)送端，驅(qū)動(dòng)器將TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)輸出；在接收端，接收器將差分信號(hào)變成TTL電平，因此具有抗共模干擾的能力。

圖4 RS485現(xiàn)場(chǎng)總線硬件電路設(shè)計(jì)

圖4為RS485現(xiàn)場(chǎng)總線硬件電路設(shè)計(jì)圖。下位機(jī)通過485接口芯片MAX485與RS485總線相連，計(jì)量室PC機(jī)經(jīng)RS232/RS485電平轉(zhuǎn)換后與RS485總線相連。本系統(tǒng)采用RS485總線微機(jī)與單片機(jī)的主從式串行異步半雙工通訊的方法，下位機(jī)作為控制系統(tǒng)，分別控制一套現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。鑒于MCS-51系列單片機(jī)的串行口是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平接口(即用3.8V～5V表示“1” , 0V～0. 3V表示“0”)，故在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)需要先進(jìn)行RS232/RS485電平轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)選用MXA232芯片實(shí)現(xiàn)上位機(jī)端RS232電平與TTL電平的轉(zhuǎn)化[3]，然后通過MAX485芯片將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS485標(biāo)準(zhǔn)電平。在下位機(jī)端MAX485將RS485標(biāo)準(zhǔn)電平轉(zhuǎn)換為TTL電平接入處理器的異步串行通信口(UART)，實(shí)現(xiàn)RS485網(wǎng)絡(luò)的半雙工通信。

3 系統(tǒng)軟件電路設(shè)計(jì)

多路數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)上位機(jī)采用Visual Basic 6.0設(shè)計(jì)開發(fā)。Visual Basic 6.0是一種可視化的、面向?qū)ο蠛筒捎檬录?qū)動(dòng)方式的結(jié)構(gòu)化高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言,用于開發(fā)基于Windows環(huán)境下的各種應(yīng)用程序。上位機(jī)實(shí)現(xiàn)采集到的現(xiàn)場(chǎng)電能參數(shù)的顯示、保存等操作，軟件框圖如圖5所示。

圖5 RS485局域網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖5為上位機(jī)工作界面，主要實(shí)現(xiàn)采集到的每個(gè)工作現(xiàn)場(chǎng)電能參數(shù)的顯示、存儲(chǔ)以及報(bào)警（根據(jù)設(shè)置的閥值）。在上位機(jī)中，“設(shè)置”主要進(jìn)行每個(gè)工作現(xiàn)場(chǎng)電能參數(shù)閥值的設(shè)定（若采集的電能參數(shù)超出設(shè)定范圍則顯示過高-紅燈，低于設(shè)定的閥值則顯示過低-藍(lán)燈，在設(shè)定的范圍內(nèi)則顯示正常-綠燈，并且高于閥值的參數(shù)以紅色顯示，低于閥值的參數(shù)以藍(lán)色顯示），“開始”按鍵實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集過程的開始；“保存”按鍵實(shí)現(xiàn)工作現(xiàn)場(chǎng)電能參數(shù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；“結(jié)束”按鍵結(jié)束整個(gè)程序。

建立在下位機(jī)基礎(chǔ)上的上位機(jī)軟件，是對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的進(jìn)一步完善，使下位機(jī)的功能得到進(jìn)一步地發(fā)揮。上下位機(jī)的通信采用主從方式，上位機(jī)與下位機(jī)之間進(jìn)行輪詢通信，各下位機(jī)之間不能通信。每個(gè)下位機(jī)都有自己的地址碼，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送1個(gè)帶有下位機(jī)地址的命令，所有下位機(jī)判斷是否呼叫自己，只有被呼叫的下位機(jī)才工作，從而實(shí)現(xiàn)了上下位機(jī)之間的獨(dú)立通信[4]。

4 結(jié)束語

本論文所設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的多路電能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采取了軟件與硬件相結(jié)合的方法，選用AT89S52單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多路電能參數(shù)的采集，采集的數(shù)據(jù)通過RS485現(xiàn)場(chǎng)總線將數(shù)據(jù)上傳至主控制室計(jì)算機(jī)，上位機(jī)軟件采用功能強(qiáng)大的界面開發(fā)工具VB6.0編寫，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電能參數(shù)的顯示。整個(gè)系統(tǒng)功耗低、可靠性高，在工業(yè)控制領(lǐng)域進(jìn)行實(shí)時(shí)采集監(jiān)控。系統(tǒng)具有很好的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

[1]陳曉斌,王向周,劉春華,南順成.交流電基本參量的同步采樣檢測(cè)技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2005,21(6).

[2]李水冰,徐雁.CS5460 在單相電能校驗(yàn)儀中的應(yīng)用[J].船電技術(shù),2004,3.

[3]畢博.應(yīng)用RS-485的PC與單片機(jī)通信研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2008.8(1):236-238.

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Design of the electric energy mult-way acquisition system based on AT89S52

LI Jing-kui1,2

本文研究和開發(fā)了高精度多功能電能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，著重探索電能采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)以及各個(gè)部分的組成設(shè)計(jì)。采用AT89S52 單片機(jī)作為控制器的核心器件，系統(tǒng)通過RS485總線將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)從而實(shí)現(xiàn)電能數(shù)據(jù)的采集與控制，上位機(jī)采用VB6.0進(jìn)行設(shè)計(jì)。運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、測(cè)量精度高、擴(kuò)展靈活、安裝方便、操作簡(jiǎn)單、易于維護(hù)、人機(jī)交互界面友好等特點(diǎn)，也表明了本文所研發(fā)的系統(tǒng)的有效性和應(yīng)用價(jià)值。

數(shù)據(jù)采集；控制；AT89S52；CS5460；RS485

李景魁（1977 -），男，江蘇無錫人，講師，碩士，主要從事機(jī)電一體化產(chǎn)品、自動(dòng)控制、電路設(shè)計(jì)及檢測(cè)等方面的教學(xué)與研究工作。

TP391

A

1009-0134(2011)5(上)-0080-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(上).28

2010-11-01