基于單片機的電力監測儀的設計與研究

崔 琴，劉莉菲（泰州學院船舶與機電工程學院，江蘇 泰州 225300）

基于單片機的電力監測儀的設計與研究

崔 琴，劉莉菲
（泰州學院船舶與機電工程學院，江蘇 泰州 225300）

電力系統的超負荷運行不僅會成為限制經濟增長的因素，也會造成電氣設備的損壞，威脅人身安全。為了保障電力系統安全穩定運行，需要依托單片機建立智能化的電力監測系統。本文將主要分析電力監測儀的軟硬件設計。

單片機；電力監測儀；設計

0　引言

基于單片機的電力監測儀具有高精度、高可靠性、高效率、實時監測的優點。由于我國在電力監測儀技術方面的研究起步較晚，因此在很多功能的實現效果方面還同發達國家之間存在差距。但是近年來，隨著單片機技術的成熟，我國在電力監測儀的設計方面表現的更加積極，不斷縮小與發達國家之間的差距。就目前來看，電力監測儀設計的重點集中在硬件系統的設計和軟件程序的編寫方面。

1　電力監測儀的硬件設計

1.1硬件設計需要完成的任務

首先，根據系統的功能要求設計儀器的整體框架和具體的電路設計；其次，設計滿足開關電源，使其滿足5V及3.3V直流電源的穩定供電要求。

1.2電力監測儀框架

電力監測儀的硬件系統包含四大塊，分別為：輸入模塊、輸出模塊、處理模塊、電源模塊。輸入模塊具體分為三個部分：電壓采集模塊、電流采集模塊、信號調理電路模塊。主要用于數據信息的采集和轉換。輸出模塊包括顯示器和通訊接口，顯示器承擔交互功能，通訊接口實現信息的接收和發送。處理模塊主要指微控制器，相當于計算機的CPU，能夠實現對參數的處理、進行軟件控制、完成網絡通信等功能。電源模塊從電網取電，為單片機及其他芯片提供穩定的低壓直流電。

1.3電力監測儀硬件電路設計

1.3.1電壓采集和調理電路

單片機運行需要5V或3.3V的直流電路，因此需要設計降壓調頻迪電路，將采集的配電網中的電壓值下調。該電路復雜度低、線性程度高，主要由二極管及電阻元件構成，電阻起到分壓作用，二極管連接在輸出電壓的兩端，起到限壓的作用，防止電壓過大對單片機造成破壞。

在電壓采集和調理電路中除了需要進行電壓值的控制以外，還要對電壓的正負進行過濾，進行這一步的依據是單片機只能采集到電流的正信號。因此，電路中需要增加一組由電阻和電容器并聯的濾波電路，對電流頻率進行過濾。此外，還設計有電壓跟隨電路，將強電和弱點隔離開，防止前后級別電路的影響，并保障了工作人員的安全。

1.3.2電路采集和調理電路

為實現全波形采樣，需要設計全波形采樣電路。電路中包括二極管、電阻、電容元件、電感元件、三極管。首先，電流通過電感元件將大電流轉變為小電流信號，然后小電流完成電壓偏置、濾波、放大操作，最后輸送給微控制器進行采樣。在電路中設有特殊的雙二極管元件，主要作用是限幅保護，此外還有完成限流保護作用的電阻元件。具體設計如圖1。

圖1　電路采集和調理電路

1.3.3通信電路

通信電路主要包括集成電路、光電耦合器、電阻元件和三極管。一般來講，在電力監測儀中常用的通信電路為RS485，該類型的通信協議標準具有結構簡單、容易操作的特點。采用總線式拓撲結構，總線同數十個節點相連，能夠提高與上位機聯系的質量，實現通信范圍的擴展。光電耦合器是通信電路的重要組件，由光的發射、光的接收、信號的放大組成，能夠很好的隔離要處理的信號，保證需要的信號中不包含多余的成分。

1.3.4電源電路

電源電路的主要作用是為顯示器、單片機、通信模塊供電，因此對整個系統的穩定運行具有十分重要的意義。本設計將以高頻開關電源為依據設計電路，電路主要由整流電路、濾波電路、高頻變壓器、反饋電路、電壓箝位電路、金氧半場效晶體管等組成。電源電路中的高頻變壓器和二極管承擔著將交流電轉化為直流電的任務，以便單片機運作。金氧半場效晶體管是電源電路的核心部分之一，本設計中該部分采用TNY274芯片，該芯片對工作條件的要求較低，同時能夠滿足提高金氧半場效晶體管輸出功率的要求，可實現自啟動、電壓監測、通導時間的調整等功能。高電壓經過高頻開關電源后能夠轉換成12V的直流電源，隨后直流電源通過集成芯片輸出為5V能夠供單片機運轉的直流電，同時完成顯示屏、通信模塊的供電任務。

1.4屏幕及其他內容的設計

首先，屏幕設計需要遵循人性化人機交互功能實現的原則，為此本設計將采用LED顯示器作為現實屏幕，該類型的顯示屏具有節能、清晰度高的優點。其次，單片機是電力監測儀的核心部件，根據系統的特點，單片機的型號需要滿足嵌入式要求，并能夠滿足系統的運算需要。

2　電力監測儀的軟件設計

電力監測儀軟件設計采用模塊化的編程方法，該方法編寫的軟件便于閱讀理解并具有良好的可移植性能。軟件設計中需要重點進行A/D采樣模塊、串口通信模塊、FFT處理模塊的編寫。

2.1軟件主程序的設計

軟件主程序決定了整個電力監測儀的運轉順序。具體流程如下：上電復位→初始化程序→開中斷→現實子程序→查詢按鍵，在查詢按鍵中有如果操作人員選擇了“Y”那么執行鍵掃描及分析子程序→處理子程序→“有上位機命令判斷？”，如果操作人員選擇了“N”，那么直接進行“有上位機命令？”的判斷，如果該選擇的結果是“Y”，則進行掉命令子程序→顯示子程序，如果為“N”，則直接返回到“顯示子程序”。具體流程圖如圖2。

圖2　主程序流程圖

2.2A/D采集模塊的設計

A/D采集模塊的流程分為以下幾步：1）初始化，對端口、轉換器、寄存器以及各種參數數據初始化處理。2）A/D采集模塊開始工作并設定定時器0定時，而后，定時器與采樣器協同工作完成對電流信號的采集，在采樣之前還需要使用頻率跟蹤信號確定采樣周期。在一個采樣周期完成后進行采樣結果的儲存、讀取工作。3）根據采樣數據現實的結果判斷采樣是否符合要求，如果采樣數據滿足要求那么進入FFT數據處理模塊，對數據進行下一步處理；如果采樣數據不滿足要求需要返回重新操作。4）經過FFT數據處理模塊分類后的諧波分量進入電參數計算模塊，并顯示存儲電參數。5）定時器出發重點信號，單片機進入下一個采樣周期。

A/D采集模塊編寫中，較為重要和復雜的定時器的設置和A/D轉換程序的設計。首先，定時器程序編寫中需要注意，定時器設置的周期達到后，程序將從主程序中跳出并進入中斷服務程序，中斷觸發后，定時器的值重新回到初始狀態，以便在開始進入下一周期數據采集時能夠正常進行時間的計算。其次，在A/D轉換程序的編寫中，需要注意設置實現“退出子程序之前重新開啟中斷”的語句，否則程序將無法再次出現中斷并退出主程序。

2.3通信模塊的設計

電力監測系統使用的通信模塊采用主從式的通信方式，主機位于整個通信系統的核心位置，起著支配其他從機的作用，需要注意的是主機可以支配多個從機，但是每臺從機只能服從于一臺主機。根據程序設計，主機每隔一定的周期向從機發送信號，同時接受從機發回的反饋信息。在不接收信號的時期，從機始終處于待命狀態。從機接收命令后，需要對命令進行校驗，如果命令校驗正確則需要向主機發回反饋信息。主機向從機發送命令的格式為：地址命令索引數據校驗和。從機向主機回復的反饋信息格式為：幀頭地址命令索引數據校驗和幀尾。幀頭的識別代表該幀開始，隨后主機將不斷接收從機發回的信息，直到識別到幀尾信息，才表示完成一次通信。程序語言的編寫中需要使用大量的if語句來實現命令的循環執行。

2.4FFT算法的編寫

本設計中使用了傅里葉變換，將信號從時域轉換為頻域，因此還需要對FFT變換進行程序編寫。對于有128個采樣點的傅里葉變換來講，子程序的編寫可以采用倒序處理方式，對采樣點進行處理之后進行每級蝶型的計算。子程序的運算過程如下：子程序入口→初始化內存地址→定義fft計算的變量→初始化寄存器→設置第一次循環的計數值為1→倒序→計算第M級旋轉因子→進行蝶型運算→進行該級的fft→判斷n是否等于128，如果判斷為“N”，繼續進行該級的fft，直到判斷為“Y”，之后進行級判斷，若判斷為“N”則返回到初始化內存地址一步，若判斷為“Y”則輸出數據，結束子程序返回主程序。在FFT算法程序代碼的編寫中，需要注意循環語句的正確使用以及各次諧波幅值、相角、大小的計算。電流的FFT算法同電壓的算法相同，在電壓和電流分別求得以后，需要編寫算法進行功率因數、有功功率、無功功率的計算。

3　結束語

基于電力監測儀的功能要求，進行了相關硬件系統的設計和軟件程序的編寫。硬件方面重點解決系統框架的構建、電路系統的設計以及各種外部設備的選擇問題，軟件方面主要完成了對各種核心算法的設計工作，使整個電力監測系統能夠實現進一步優化。

［1］王卿粹.基于C8051F120單片機的電力監測儀的設計與研究［D］.河北工業大學，2014.

［2］胡鵬.基于單片機的電力監測儀的研制［J］.電腦知識與技術，2011，14:3462-3463+3465.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.132

崔琴（1994-），女，江蘇東臺人，專科，學生，研究方向:電子信息工程、電氣自動化技術。