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)。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，通過儀表鍵盤來查詢抄錄十分耗時(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。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。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
采集模塊以高性能微處理器STC12C5A60S2為核心，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。
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。STCl2C5A60S2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)E2PROM。內(nèi)部有1 280 B的RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。芯片內(nèi)部有E2PROM功能，擦寫次數(shù)達(dá)10萬次以上。具有ISP／IAP功能，8通道10位高速ADC，速度可達(dá)2.5×105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T1的溢出率來決定，這樣可以讓T1來實(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。
AD536轉(zhuǎn)換輸出的直流信號(hào)通過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。V／F變換的電路圖如圖2所示。
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。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：
LM331輸出的數(shù)字脈沖通過光耦TLP521進(jìn)行隔離，再送入單片機(jī)的定時(shí)器T1進(jìn)行計(jì)數(shù)。定時(shí)器T0用來定時(shí)，每隔1 s鐘單片機(jī)在T0的定時(shí)中斷服務(wù)程序中讀取T1計(jì)數(shù)器的值，因?yàn)殚g隔是1 s，所以讀出來的值就是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Vb，進(jìn)而可以推算出此時(shí)測(cè)量電網(wǎng)電壓的大小。
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)。原理圖如圖3所示。
FM24C512以總線速度進(jìn)行寫操作，無須延時(shí)。下一個(gè)總線周期可以立即開始，無需進(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E2PROM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。在寫操作過程中，F(xiàn)RAM比E2PROM消耗的功率要低得多。
FM24C5121使用I2C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]有相關(guān)的I2C通信接口，所以只能用兩個(gè)I／O口去模擬I2C的時(shí)序。時(shí)序圖如圖4所示。
