【正文】 數(shù)據(jù)存儲量過大和計算時間太長；但如果采樣頻率過低，會給有效值的近似計算帶來誤差。綜合對電力參數(shù)的采集的精度及單片機的處理速度，對工頻為50Hz的信號每周期等間隔采集32個采樣點。由于AVR的ADC對采集信號的要求，進行交流采集前需要對電壓及電流信號加以整形。將具有正負半波的交流信號整形為全部信號均大于“0”。電壓電流檢測電路設計，電路中的電流和電壓值的采集均用DVDI001型臥式穿芯小型精密交流電壓電流通用互感器，為保證精度，不能用電阻法直接獲得采集電壓，而是用運算放大器等來完成電流、電壓信號的獲取，并將其轉換成06V的直流電壓。由于直接使用單片機內部的A/D轉換器，因此，必須在運放的輸出口再接兩個電阻，將其變?yōu)?5V的輸出，再將其分別送至單片機的A/D轉換通道。（1）DVDI001型互感器作電壓互感器使用時，實際上是一種電流型電壓互感器，典型應用電路如圖24所示。按圖24所示電路應用是性能參數(shù)如下表22所示。圖24 電壓互感器典型應用電路表22 DVDI001作電壓互感器使用時性能參數(shù)表輸入電壓輸出電壓相移非線性度線性范圍額定電流耐壓1000Vac1/2倍IC電源電壓%2倍額定6mA/6mA3kV在本設計中，電壓采樣電路如圖25所示：圖25 電壓采集電路圖25中僅畫出對相電壓進行采樣，對相電壓和的電路原理也是一樣的，圖中就此省略。對相電壓進行采樣時，DVDI001的輸入端直接到三相交流電源的220V相電壓上。因為DVDI001匝數(shù)比為1:1，額定電流為6mA/6mA，所以使用時必須在互感器的原邊初級回路串接電阻和，所接電阻的計算值為：，取其標準值39，公式中為初級線圈電阻。IC為通用運算放大器OP470，運放正負輸入端電阻RR4為配對的一般電阻，最好取值一致，一般取值為5到10之間，則電阻值。的作用是通過調節(jié)其阻值大小得到所需的輸出電壓。的作用是對輸出信號的相移作補償，在工頻下，如滿足于的相移，則可在經(jīng)驗值范圍內，取適當?shù)墓潭娙葜怠Ｓ捎谌〉臉藴手蹬c計算值之間有一定的差異，因此會引起輸出電壓的改變，因此在元件選定后，可先通過調節(jié)得到所要的輸出電壓值，再調使相移滿足要求。（2）用DVDI001用做電流互感器使用時，用戶只要在預留的孔內穿一匝母線。將兩個線圈按同名端串聯(lián)起來使用（即：3相接，4作輸出），變化比為3000：1。典型應用電路如圖26所示，性能參數(shù)如下表23所示。表23 DVDI001作電流互感器使用時性能參數(shù)表額定輸入電流額定輸出電流額定采樣電壓相移非線性度線性范圍耐壓18A6mA1/2倍Ic電源電壓%2倍額定6kV圖26 電流互感器典型應用電路圖27電路僅對線電流采樣，對線電流和采樣也是同一原理。圖中，的取值方法與在電壓采集電路所介紹一樣。圖27 電流采集電路 采樣信號保持A/D轉換器在轉換期間要求輸入的模擬量應保持不變，以保證A/D轉換的準確進行。因此，采集信號應送至采樣保持電路(亦稱采樣保持器)進行保持。采樣保持器對系統(tǒng)精度有很大的影響，特別是對一些瞬變模擬信號更為明顯。采樣保持電路是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要部件，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度起決定性的作用。采樣保持電路作為A/D轉換的前級，主要完成信息隔離緩沖作用，如果要對變化速度快的模擬信號進行A/D轉換，轉換精度要求比較高，這時為了防止A/D轉換過程中信號發(fā)生變化，就必須用采樣保持電路。雖然在AVR單片機的模數(shù)轉換器中有自帶的采樣保持電路，但是難以在同一時間內同時進行多路信號的采樣保持。在本測量系統(tǒng)中要采集每一相的電流、電壓等電網(wǎng)參數(shù)，為此在這里選用了多路開關和采樣保持器集成芯片LF398配合工作；利用多路開關將各路模擬信號輪流與A/D轉換器接通，使一個A/D轉換器能完成多個模擬信號的轉換，節(jié)省硬件開銷；使用采樣保持器LF398 將同一時刻的電壓、電流值鎖定， 再分時輸入A/D進行轉換。本系統(tǒng)采用集成采樣保持器LF398，其價格低廉，在國內應用非常廣泛。LF398采用了雙結型場效應管技術，具有許多優(yōu)良的特性，如：（1）工作電源范圍寬；（2）可在供電電壓177。5V～177。18V下工作；（3）電壓跟隨時間短(10)，下降率低；（4）輸出電壓零點可調，高精度的直流誤差(%)，低功耗等。如圖28所示，為了同步鎖存兩路模擬信號，兩個采樣保持器共用一個邏輯控制信號。圖28 采樣保持電路A/D轉換器是整個系統(tǒng)的重要組成部分，它將模擬量轉換為數(shù)字量，為計算機進行數(shù)字處理提供數(shù)據(jù)，A/D轉換的精度直接關系整個測量系統(tǒng)的測量準確度。只有具有合適的轉換精度和轉換速率才能保證A/D轉換數(shù)據(jù)的真實可靠，為后面進行準確的分析和處理作好準備。因此，選擇A/D轉換器要首先確定好采樣頻率和采樣位數(shù)。 三相電壓不平衡判斷在三相電路中，影響功率因數(shù)的因素除了電壓和電流的相位差、波形畸變外，還有一個因素就是三相不對稱，而引起三相電壓不平衡的原因有多種，如：單相接地、斷線、諧振等。三相負載平衡時，交流三相電壓、在電壓幅值相等，相位角相差， ；一旦三相負載不平衡時，通常、的幅值就不再相等，或相位角之差不再是。根據(jù)此原理，對、之和進行采集，將采集值與工程實踐中得到的閥值進行比較，以判斷是否采取保護動作，當采集值達到閥值，單片機發(fā)出控制信號指令使主電路中的接觸器執(zhí)行相應的保出動作，實現(xiàn)對電路設備的保護，其原理框圖如29所示。圖29 三相不平衡交流檢測電路由公式和，得當設定值，即不平衡；當很小或者很大時缺相。同理可以求得、。 電網(wǎng)參數(shù)的測量 功率因數(shù)的計算在三相對稱電路中，各相電壓、電流均為對稱，功率因數(shù)也相同。三相電路總的功率因數(shù)就等于各相功率因數(shù)。所以輸電線路的功率因數(shù)，實際上就任一相電壓與該相電流之間夾角的余弦值。圖210給出了三相輸電線路的相電壓、相電流的矢量圖，相位角為，則可計算出功率因數(shù)。圖210 相電壓、相電流矢量圖測量相位角可采用的方法是首先將正弦信號整形為方波，再利用方波的邊沿作為中斷源觸發(fā)中斷來實現(xiàn)。如圖2－11所示，為將兩路正弦波整型為方波的原理圖：圖211 正弦波整型為方波電路具體實現(xiàn)過程為：交流電壓和電流信號經(jīng)過運放分別整形為方波，經(jīng)過光電隔離加以整理并去掉負半波，再經(jīng)過施密特觸發(fā)器整形為TTL電平的波形。獲得了電壓和電流信號轉換來的TTL信號，來求得相位角。在采集過程中，關鍵是利用AVR單片機的輸入捕獲引腳：ICP。該引腳的功能為捕捉邊沿信號。其特點為能記錄當前定時器/計數(shù)器1的值。當該引腳邊沿觸發(fā)時，可以將當時的定時器/計數(shù)器1的值放入寄存器。整形后的電壓信號輸入AVR的外部中斷引腳，上升沿觸發(fā)中斷。單片機接收到上升沿觸發(fā)中斷后，將定時器/計數(shù)器1清零并開始計數(shù)，直到下一個上升沿中斷的到來，該時間間隔即為一個周期，其倒數(shù)即為頻率，如圖212所示：圖212 正弦波轉方波求采樣信號周期T 整形后的電流信號輸入AVR的輸入捕獲引腳ICP，通過單片機內部的ICP寄存器讀取。由其值與周期值的比值，可計算出相位角，并推斷出電壓和電流之間的時間關系。其過程可由圖2－13所示：圖213 采集求相位角的信號使用本方法可以求得一個采集周期內電網(wǎng)的頻率、周期、相位角，并求出電壓和電流在時間上的關系。 功率計算通過前面采集到的交流電壓、電流的采樣值和功率因數(shù)值，由以下方法可以獲得系統(tǒng)的視在功率、有功功率和無功功率。經(jīng)過電流與電壓的采樣，可獲得電壓與電流的有效值： （） (23) （） （24）由公式（23）和（24）可求得到系統(tǒng)的視在功率： （25）有功功率和視在功率、功率因數(shù)之間的關系： （26）由公式（26）可以求得有功功率： （27）系統(tǒng)的無功功率Q： （28）至此，通過單片機獲得了交流電壓和電流的有效值、電網(wǎng)頻率、周期、相位角、功率因數(shù)、視在功率、有功功率和無功功率等全部的電力參數(shù)。 溫度測量該系統(tǒng)采用溫度傳感器為DS18B20，把溫度直接轉換為數(shù)字信號傳給單片機，測溫范圍－55℃～＋125℃，工作電壓范圍：～，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。DS18B20測溫系統(tǒng)具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用接線端口少等優(yōu)點，單點測溫電路如214所示。圖214 外部供電方式的單點測溫電路要想使DS18B20進行精確的溫度轉換，I/O線必須保證在溫度轉換期間提供足夠的能量，由于每個DS18B20在溫度轉換期間工作電流達到1mA，當幾個溫度傳感器掛在同一根I/O線上進行多點測溫時，會造成無法轉換溫度或溫度誤差極大。為了測溫系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，DS18B20采用外部電源供電方式，在外接電源方式下，可以充分發(fā)揮DS18B20寬電源電壓范圍的優(yōu)點，即使電源電壓VCC降到3V時，依然能夠保證溫度量精度。 在外部電源供電方式下，DS18B20工作電源由VDD引腳接入，此時I/O線不需要強上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉換精度，同時在總線上理論可以掛接任意多個DS18B20傳感器，組成多點測溫系統(tǒng)，如圖215所示。在外部供電的方式下，DS18B20的GND引腳不能懸空，否則不能轉換溫度，讀取的溫度總是85℃。圖215 外部供電方式的多點測溫電路DS18B20雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點，但在實際應用中也應注意以下幾方面的問題： （1）較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進行補償，由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對DS18B20進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結果； （2）當單總線上所掛DS18B20超過8個時，就需要解決微處理器的總線驅動問題； （3）連接DS18B20的總線電纜是有長度限制的。當采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時，讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達150m，當采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離進一步加長；（4）在DS18B20測溫程序設計中，向DS18B20發(fā)出溫度轉換命令后，程序總要等待DS18B20的返回信號，一旦某個DS18B20接觸不好或斷線，當程序讀該DS18B20時，將沒有返回信號，程序將會進入死循環(huán)。 過電壓保護過電壓對于電源來說是一個非常有害的信號，雷電等引起的瞬時高電壓如果不加遏制，直接由電源引入RTU（遠程終端設備）則會影響其電源模塊的正常工作，使各功能模塊的工作電壓升高而工作不正常，嚴重時會損壞模塊，燒壞元器件（IC）。過電壓保護的基本原理是在瞬態(tài)過程電壓發(fā)生時（微秒或納秒級），通過過電壓檢測電路對這個信號進行檢測。過電壓檢測電路中主要的元件是壓敏電阻。壓敏電阻相當于很多串并聯(lián)在一起的雙向抑制二極管。電壓超過箝位電壓時，壓敏電阻導通，從輸出端輸出脈沖信號，通過脈沖信號來驅動保護電路；電壓低于箝位電壓時，壓敏電阻截止，LM393的輸出端為零，不執(zhí)行保護電路。壓敏電阻工作極為迅速，響應時間在納秒級。過電壓檢測工作原理圖如圖216所示。圖216 過電壓檢測電路原理圖 漏電保護圖217是漏電保護原理圖，其中S1是手動開關。在電路正常使用時，零序電流互感器LH二次繞組無輸出信號，保護裝置不執(zhí)行動作。當電路發(fā)生漏電或人身觸電事故時，只要漏電或觸電電流達到漏電保護裝置的動作電流值時，零序電流互感器二次繞組輸出一個信號，使線路中的晶閘管VT1被觸發(fā)導通，整流橋被短接，使得漏電脫扣器TQ中流過一個較大的電流，脫扣器動作，自動斷開電路，切斷電源的火線，起到保護作用。圖217 漏電保護電路原理圖第三章 人機交互接口設計在本設計中，除了將信息通過無線電收/發(fā)模塊傳回上位機，在子機上也設置了由鍵盤組和顯示模塊組成的人機交互接口以便在現(xiàn)場進行調試和參數(shù)的設定，其軟件設計及軟件流程圖如31所示。圖31 軟件流程圖 鍵盤的設計系統(tǒng)預留了31的按鍵組進行人機交互。三個按鍵分別為確認/翻頁鍵和增大、減小待調整參數(shù)值鍵。在應用于智能開關系統(tǒng)可通過鍵盤實現(xiàn)顯示菜單的翻頁及電壓、電流的上下限值、三相不平衡度等值的設定。A/D轉換的參考電壓存在一定溫漂，可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)調校準確，但裝機后又出現(xiàn)電壓、電流與實際值不符的情況，在本設計中可在裝機后通過鍵盤組精細調節(jié)電壓、電流值以便校準。鍵盤掃描電路如圖32所示，在鍵盤輸入中，因按鍵是機械結構，在鍵閉合與彈開的時候，往往會生抖動，如果不經(jīng)過合理的處理，系統(tǒng)可能會把一次按鍵誤認為是連續(xù)按了多次鍵。因此，必須對按鍵的抖動作相應的處理?？朔存I抖動常