【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 實(shí)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(jì)算出功率因數(shù) ?cos?k 。 圖 210 相電壓、相電流矢量圖 廣西大學(xué)本科畢業(yè)論文 基于單片機(jī)的智能開關(guān)研制 12 測(cè)量 相位角可采用的方法是首先將正弦信號(hào)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(shí)現(xiàn)。如圖 2－ 11所示，為將兩路正弦波整型為方波的原理圖： R11 0 kR24 .7 kR34 .7 kD1 D232184U 1 AL M 3 5 8D5L E DU4NOTU5NOTT P 5 2 1 2S ig n a l_ UV C CR41 0 kD3 D4567U 1 BL M 3 5 8D6L E DS ig n a l_ I+ 1 2 V1 2 VUI 圖 211 正弦波整型為方波電路 具體實(shí)現(xiàn)過程為：交流電壓和電流信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放分別整形為方波，經(jīng)過光電隔離加以整理并去掉負(fù)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(hào)轉(zhuǎn)換來的 TTL 信號(hào)，來求得相位角。 在采集過程中，關(guān)鍵是利用 AVR 單片機(jī)的輸入捕獲引腳： ICP。該引腳的功能為捕捉邊沿信號(hào)。其特點(diǎn)為能記錄當(dāng)前定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1 的值。當(dāng)該引腳邊沿觸 發(fā)時(shí)，可以將當(dāng)時(shí)的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1的值放入寄存器。 整形后的電壓信號(hào)輸入 AVR 的外部中斷引腳，上升沿觸發(fā)中斷。單片機(jī)接收到上升沿觸發(fā)中斷后，將定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1 清零并開始計(jì)數(shù)，直到下一個(gè)上升沿中斷的到來，該時(shí)間間隔即為一個(gè)周期，其倒數(shù)即為頻率，如圖 212所示： 圖 212 正弦波轉(zhuǎn)方波求 采樣信號(hào)周期 T 整形后的電流信號(hào)輸入 AVR的輸入捕獲引腳 ICP，通過單片機(jī)內(nèi)部的 ICP寄存器讀取。由其值與周期值的比值，可計(jì)算出相位角，并推斷出電壓和電流之間的時(shí)間關(guān)系。其過程可由圖 2－ 13 所 示： 廣西大學(xué)本科畢業(yè)論文 基于單片機(jī)的智能開關(guān)研制 13 圖 213 采 集 求 相位角 的 信號(hào) 使用本方法可以 求得 一個(gè) 采集 周期內(nèi)電網(wǎng)的頻率、周期、相位角，并 求出 電壓和電流在時(shí)間上的關(guān)系。 功率計(jì)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： ??? 310 2321 k ikUU （ 31,1,0 ??k ） (23) ??? 310 2321 k ikII （ 31,1,0 ??k ） （ 24） 由公式（ 23）和（ 24） 可 求 得到系統(tǒng)的視在功率 S ： IUS ?? （ 25） 有功功率和視在功率 、 功率因數(shù)之間的關(guān)系 ： SPk ?? ?cos （ 26） 由公式（ 26） 可以求得 有功功率 P ： ?cos??SP （ 27） 系統(tǒng)的無功功率 Q： 廣西大學(xué)本科畢業(yè)論文 基于單片機(jī)的智能開關(guān)研制 14 ?sin??SQ （ 28） 至此， 通過 單片機(jī)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(cè)量 該系統(tǒng)采用溫度傳感器為 DS18B20，把 溫度 直接 轉(zhuǎn)換為數(shù)字 信號(hào)傳給單片機(jī)， 測(cè) 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(cè)溫系統(tǒng) 具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用 接線端 口少等優(yōu)點(diǎn) ， 單 點(diǎn)測(cè)溫 電路如 214 所示。 圖 214 外部供電方式的 單 點(diǎn)測(cè)溫電路 要想使 DS18B20 進(jìn)行精確的溫度轉(zhuǎn)換， I/O 線必須保證在溫度轉(zhuǎn)換期間提供足夠的能量，由于每個(gè) DS18B20 在溫度轉(zhuǎn)換期間工作電流達(dá)到 1mA，當(dāng)幾個(gè)溫度傳感器掛在同一根 I/O 線上進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫時(shí)，只靠 上拉電阻就無法提供足夠的能量，會(huì)造成無法轉(zhuǎn)換溫度或溫度誤差極大。 為了測(cè)溫系統(tǒng) 穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)， 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(diǎn)，即使電源電壓 VCC降到 3V 時(shí)，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(shí) I/O 線不需要強(qiáng)上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉(zhuǎn)換精度，同時(shí)在總線上理論可以掛接任意多個(gè) DS18B20 傳感器，組成多點(diǎn)測(cè)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(zhuǎn)換溫度，讀取的溫度總是 85℃ 。 廣西大學(xué)本科畢業(yè)論文 基于單片機(jī)的智能開關(guān)研制 15 圖 215 外部供電方式的多點(diǎn)測(cè)溫電路 DS18B20 雖然具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接 方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題： （ 1） 較小的硬件開銷需要相對(duì)復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償，由于 DS18B20 與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對(duì) DS18B20進(jìn)行讀寫編程時(shí)，必須嚴(yán)格的保證讀寫時(shí)序，否則將無法讀取測(cè)溫結(jié)果 ； （ 2） 當(dāng)單總線上所掛 DS18B20 超過 8 個(gè)時(shí)，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動(dòng)問題 ； （ 3） 連接 DS18B20 的總線電纜是有長(zhǎng)度限制的。當(dāng)采用普通信號(hào)電纜傳輸長(zhǎng)度超過 50m 時(shí)，讀取的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯(cuò)誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離可達(dá) 150m，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離進(jìn)一步加長(zhǎng) ； （ 4） 在 DS18B20測(cè)溫程序設(shè)計(jì)中，向 DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待 DS18B20的返回信號(hào)，一旦某個(gè) DS18B20 接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該 DS18B20 時(shí)，將沒有返回信號(hào)，程序 將會(huì) 進(jìn)入死循環(huán)。 過電壓保護(hù) 過電壓對(duì)于電源來說是一個(gè)非常有害的信號(hào)，雷電等引起的瞬時(shí)高電壓如果不加遏制，直接由電源引入 RTU（遠(yuǎn)程終端設(shè)備）則會(huì)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(yán)重時(shí)會(huì)損壞模塊， 燒壞元器件（ IC）。 過電壓保護(hù)的基本原理是在瞬態(tài)過程電壓發(fā)生時(shí) （微秒或納秒級(jí)） ，通過過電壓檢測(cè)電路對(duì)這個(gè)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。過電壓檢測(cè)電路中主要的元件是壓敏電阻。壓敏電阻相當(dāng)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(shí)，壓敏電阻導(dǎo)通 ， 從輸出端輸出脈沖信號(hào)，通過脈沖信號(hào)來驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路； 電壓低于箝位電壓時(shí)，壓敏電阻截止 ， LM393 的輸出端為零，不執(zhí)廣西大學(xué)本科畢業(yè)論文 基于單片機(jī)的智能開關(guān)研制 16 行保護(hù)電路 。壓敏電阻工作極為迅速，響應(yīng)時(shí)間在納秒級(jí)。 過電壓檢測(cè) 工作原理圖如圖 216所示。 圖 216 過電壓檢測(cè)電路原理圖 漏電保護(hù) 圖 217 是漏電保護(hù)原理圖，其中 S1 是手動(dòng)開關(guān)。 在電路正常使用時(shí)，零序電流互感器 LH 二次繞組無輸出信號(hào)，保護(hù)裝置不 執(zhí)行 動(dòng)作。當(dāng)電路發(fā)生漏電或人身觸電事故時(shí)，只要漏電或觸電電流達(dá)到漏電保護(hù)裝置的動(dòng)作電流值時(shí)，零序電流互感器二次繞組輸出一個(gè)信號(hào)，使線路中的晶閘管 VT1 被觸發(fā)導(dǎo)通，整流橋被短接，使得漏電脫扣器 TQ 中流過一個(gè)較大的電流，脫扣器動(dòng)作，自動(dòng)斷開電路，切斷電源的火線，起到保護(hù)作用。 圖 217 漏電保護(hù) 電路 原理圖 廣西大學(xué)本科畢業(yè)論文 基于單片機(jī)的智能開關(guān)研制 17 第三章 人機(jī)交互接口設(shè)計(jì) 在本設(shè)計(jì)中，除了將信息通過無線電收 /發(fā)模塊傳回上位機(jī)，在子機(jī)上也設(shè)置了 由鍵盤組和顯示模塊組成的人機(jī)交互接口以便在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)試和參數(shù)的設(shè)定，其 軟件設(shè)計(jì)及軟件流程圖 如 31所示。 圖 31 軟件流程圖 鍵盤的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)預(yù)留了 3 1 的按鍵組進(jìn)行人機(jī)交互。三個(gè)按鍵分別為確認(rèn) /翻頁(yè)鍵和增大、減小待調(diào)整參數(shù)值鍵。在應(yīng)用于智能開關(guān)系統(tǒng)可通過鍵盤實(shí)現(xiàn)顯示菜單的翻頁(yè) 及 電壓、電流的上下限值、三相不平衡度等值 的設(shè)定 。 A/D 轉(zhuǎn)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(diào)校準(zhǔn)確 ，廣西大學(xué)本科畢業(yè)論文 基于單片機(jī)的智能開關(guān)研制 18 但 裝機(jī)后又出現(xiàn)電壓、電流與實(shí)際值不符的情況 ， 在本設(shè)計(jì)中可在裝機(jī)后通過鍵盤組精細(xì)調(diào)節(jié)電壓、電流值以便校準(zhǔn)。 鍵盤掃描電路如圖 32 所示 ，在鍵盤輸入中，因按鍵是機(jī)械結(jié)構(gòu)，在鍵閉合與彈開的時(shí)候，往往會(huì)生抖動(dòng)，如果不經(jīng)過合理的處理，系統(tǒng)可能會(huì)把一次按鍵誤認(rèn)為是連續(xù)按了多次鍵。因此，必須對(duì)按鍵的抖動(dòng)作相應(yīng)的處理?？朔存I抖動(dòng)常用的方法有兩種 :一種是用硬件消除，即在每個(gè)鍵上加 RC 濾波電路或用一個(gè) RC 觸發(fā)器組成防抖動(dòng)的電路，如圖 33所示。 圖 32 鍵盤掃描電路 圖 33 防止抖動(dòng)的電路 另一 種 方法是用軟件延時(shí)程序 ， 待按鍵狀態(tài)穩(wěn)定后再 去 讀 按 鍵的信息 ，防止誤判斷 。 在本設(shè)計(jì)中采用了第二種方法 。 在鍵 盤程序的設(shè)計(jì)中，掃描鍵盤設(shè)定合適的去抖動(dòng)時(shí)間。 LCD 顯示 顯示部分 可 采用北京青云創(chuàng)新科技發(fā)展有限公司的 FYD12864 液晶顯示模塊，可以通過串行的方式顯示 128 列 64行的點(diǎn)陣 ， 也可根據(jù)實(shí)際情況選擇數(shù)碼管或 LCM1602 液晶模塊作為顯示模塊。 液晶顯示器件（ Liquid Crystal Display， LCD）以其功耗低、體積小、超簿、色調(diào)柔和等一系列優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。液晶顯示器件可分為段式、字符式和點(diǎn)陣式三種。其中點(diǎn)陣式 LCD 可以通過逐點(diǎn)的點(diǎn)亮液晶來顯示圖片。但顯示字符時(shí)需要另外建立字庫(kù)。由于 AVR 單片機(jī)的存儲(chǔ)空間有限，沒有大量的存儲(chǔ)空間用于存放字庫(kù)，因此 可 本設(shè)計(jì)中選用的 FYD12864 液晶顯示模塊為字符式，自帶中文字庫(kù)，可方便地顯示中英文字符和數(shù)字。 當(dāng)使用 FYD12864 液晶顯示模塊時(shí)，采用靜態(tài)掃描的方式，每次參數(shù)值廣西大學(xué)本科畢業(yè)論文 基于單片機(jī)的智能開關(guān)研制 19 發(fā)生改變才對(duì)顯示內(nèi)容進(jìn)行刷新。 FYD12864 液晶顯示模塊與單片機(jī)之間的通信方式可選用并行或串行方式兩種。 在本設(shè)計(jì)中， 可 采用串行方式，僅需片選端（ CS）、串行數(shù)據(jù)輸入端（ SID）即串行同步時(shí)鐘（ CLK）三個(gè)信號(hào)管腳便能實(shí)現(xiàn)對(duì)其控制，有效的節(jié)省了單片機(jī)的引腳資源。 但是 目前液晶顯示 模塊的成本仍然較高， 所以 在實(shí)際應(yīng)用中也可選用數(shù)碼管組進(jìn)行顯示。當(dāng)使用數(shù)碼管進(jìn)行顯示時(shí)，采用動(dòng)態(tài)掃描方式。在短時(shí)間內(nèi)逐個(gè)掃描數(shù)碼管，使目測(cè)起來數(shù)碼管總是為點(diǎn)亮狀態(tài)，該方式的功耗較之靜態(tài)掃描要小。 由于兩個(gè)數(shù)碼管組需要 8 位段碼以及 8 位位碼，總共 16 個(gè)引腳進(jìn)行控制。如果直接與單片機(jī)連接對(duì)單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力及引腳資源都是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。可以使用 2 個(gè) 8位移位寄存器 74HC595，將 串 聯(lián) 轉(zhuǎn)換為并聯(lián)的電路來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管組，其原理圖如圖 3－ 4 所示 。 圖 3－ 4 用移位寄存器控制數(shù)碼管 廣西大學(xué)本科畢業(yè)論文 基于單片機(jī)的智能開關(guān)研制 20 第四章 數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì) 單片機(jī)因其優(yōu)越的 性價(jià)比和 強(qiáng)大 的功能而被廣泛的應(yīng)用于測(cè)控領(lǐng)域。 PC則因?yàn)樨S富的軟、硬件資源，被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中。 因而可用 一臺(tái)PC 與多臺(tái)單片機(jī)組成主從式網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)。串行通信是計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的重要渠道，由于其成本低，性能穩(wěn)定并遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因而在工程中被廣泛應(yīng)用。本 章介紹的數(shù)據(jù)通信的 下位機(jī)采用 單片機(jī) ATmega8，總線標(biāo)準(zhǔn)采用的是測(cè)控系統(tǒng)常用的 RS485。 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 盡管 RS232 有些缺點(diǎn) ， 但在兩臺(tái)設(shè)備的短距離 間 信息傳輸時(shí)， RS232還是可以作為過渡器件使用 。但對(duì)于多臺(tái)設(shè)備的 長(zhǎng)距離傳輸，以往常用的 RS－ 232 協(xié)議在很大程度上 就 不能滿足設(shè)計(jì)的要求， 例如 傳輸速率慢，傳輸距離短，傳輸信號(hào)易受外界 干擾等缺點(diǎn)。而 RS485 是一