【正文】 須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換才能和 PC 機(jī)的一致 ，因此 必須使用電平轉(zhuǎn)換接口芯片 。 因此， 本文針對工地現(xiàn)場環(huán)境對信號 采集及傳輸，采用 RS485 通信接口。但對于多臺設(shè)備的 長距離傳輸，以往常用的 RS－ 232 協(xié)議在很大程度上 就 不能滿足設(shè)計的要求， 例如 傳輸速率慢，傳輸距離短，傳輸信號易受外界 干擾等缺點。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)采用的是測控系統(tǒng)常用的 RS485。 因而可用 一臺PC 與多臺單片機(jī)組成主從式網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)。 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 單片機(jī)因其優(yōu)越的 性價比和 強大 的功能而被廣泛的應(yīng)用于測控領(lǐng)域。如果直接與單片機(jī)連接對單片機(jī)的驅(qū)動能力及引腳資源都是一個嚴(yán)峻的考驗。在短時間內(nèi)逐個掃描數(shù)碼管，使目測起來數(shù)碼管總是為點亮狀態(tài)，該方式的功耗較之靜態(tài)掃描要小。 但是 目前液晶顯示 模塊的成本仍然較高， 所以 在實際應(yīng)用中也可選用數(shù)碼管組進(jìn)行顯示。 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。由于 AVR 單片機(jī)的存儲空間有限，沒有大量的存儲空間用于存放字庫，因此 可 本設(shè)計中選用的 FYD12864 液晶顯示模塊為字符式，自帶中文字庫，可方便地顯示中英文字符和數(shù)字。其中點陣式 LCD 可以通過逐點的點亮液晶來顯示圖片。 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)點而被廣泛應(yīng)用。 在鍵 盤程序的設(shè)計中，掃描鍵盤設(shè)定合適的去抖動時間。 圖 32 鍵盤掃描電路 圖 33 防止抖動的電路 另一 種 方法是用軟件延時程序 ， 待按鍵狀態(tài)穩(wěn)定后再 去 讀 按 鍵的信息 ，防止誤判斷 。因此，必須對按鍵的抖動作相應(yīng)的處理。 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、電流與實際值不符的情況 ， 在本設(shè)計中可在裝機(jī)后通過鍵盤組精細(xì)調(diào)節(jié)電壓、電流值以便校準(zhǔn)。三個按鍵分別為確認(rèn) /翻頁鍵和增大、減小待調(diào)整參數(shù)值鍵。 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 在本設(shè)計中，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)場進(jìn)行調(diào)試和參數(shù)的設(shè)定，其 軟件設(shè)計及軟件流程圖 如 31所示。 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(hù)裝置不 執(zhí)行 動作。 過電壓檢測 工作原理圖如圖 216所示。電壓超過箝位電壓時，壓敏電阻導(dǎo)通 ， 從輸出端輸出脈沖信號，通過脈沖信號來驅(qū)動保護(hù)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)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 。過電壓檢測電路中主要的元件是壓敏電阻。 過電壓保護(hù) 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(yuǎn)程終端設(shè)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(yán)重時會損壞模塊， 燒壞元器件（ IC）。當(dāng)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。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℃ 。 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。 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。 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)。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 使用本方法可以 求得 一個 采集 周期內(nèi)電網(wǎng)的頻率、周期、相位角，并 求出 電壓和電流在時間上的關(guān)系。單片機(jī)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(zhuǎn)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(jī)內(nèi)部的 ICP寄存器讀取。當(dāng)該引腳邊沿觸 發(fā)時，可以將當(dāng)時的定時器 /計數(shù)器 1的值放入寄存器。該引腳的功能為捕捉邊沿信號。獲得了電壓和電流信號轉(zhuǎn)換來的 TTL 信號，來求得相位角。 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)。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。 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。 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 11 圖 29 三相不平衡交流檢測電路 由公式 a b cU U UU 3??? 和 aaUUU 1 0 0 %3? ? ?－ ，得 當(dāng) aU? ? 設(shè)定值 ? ，即不平衡；當(dāng) aU? 很小或者很大時缺相 。 三相負(fù)載平衡時，交流三相電壓 aU? 、 bU? 、 cU? 在電壓幅值相等，相位角相差 0120 ， 0UUU ??? cba ??? ；一旦三相負(fù)載不平衡時，通常 aU? 、 bU? 、 cU?的幅值就不再相等，或相位角之差不再 是 120? ， 0UUU ??? cba ??? 。因此，選擇 A/D 轉(zhuǎn)換器要首先確定好采樣頻率和采樣位數(shù)。 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 10 圖 28 采樣保持電路 A/D 轉(zhuǎn)換器是整個系統(tǒng)的重要組成部分，它將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，為計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理提供數(shù)據(jù)， A/D 轉(zhuǎn)換的精度直接關(guān)系整個測量系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度。 18V 下工作； （ 3）電壓跟隨時間短 (10μs )，下降率低； （ 4）輸出電壓零點可調(diào)，高精度的直流誤差 (%)，低功耗等。 LF398 采用了雙結(jié)型場效應(yīng)管技術(shù)，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。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(guān)和 采樣保持器集成芯片 LF398 配合工作；利用多路開關(guān)將各路模擬信號輪流 與 A/D 轉(zhuǎn)換器接通，使一個 A/D轉(zhuǎn)換器能完成多個模擬信號的轉(zhuǎn)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(jìn)行轉(zhuǎn)換。采樣保持電路作為 A/D轉(zhuǎn)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(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度要求比較高，這時為了防止 A/D 轉(zhuǎn)換過程中信號發(fā)生變化，就必須用采樣保持電路。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 。 圖 27 電 流 采集電路 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 9 采樣信號保持 A/D 轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換期間要求輸入的模擬量應(yīng)保持不變，以保證 A/D 轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確進(jìn)行。 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 8 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 18A 6mA ? 1/2 倍 Ic 電源電壓 ? 05 ? % ? 2倍額定 ? 6kV 圖 26 電流互感器典型應(yīng)用電路 圖 27 電路 僅對線電流 aI 采樣，對線電流 bI 和 cI 采樣也 是同一原理 。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。由于取的標(biāo)準(zhǔn)值與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(diào)節(jié) fR 得到所要的輸出電壓值，再調(diào) 0C 使相移滿足要求。 fR 的作用是通過調(diào)節(jié)其阻值大小得到所需的輸出電壓。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 1R 和 2R ，所接電阻的計算值為 ： 12 1 1 2 2 0( 1 7 0 ) ( 1 7 0 ) 3 6 . 4 9 72 6 2 6V in VR R km A m A? ? ? ? ? ? ? ? ?， 取其標(biāo)準(zhǔn)值 39 ?k ，公式中 170? 為初級線圈電阻。 圖 24 電壓互感器典型應(yīng)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 ? 1000Vac ? 1/2 倍 IC 電源電壓 ? 05 ? % 2倍 額定 6mA/6mA ? 3kV 在本設(shè)計中， 電壓 采樣電路 如圖 25 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 7 圖 25 電壓采集電路 圖 25 中僅畫出對相電壓 aU 進(jìn)行采樣，對相電壓 bU 和 cU 的電路原理也是一樣的，圖中就此省略。 （ 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(yīng)用電路如圖 24 所示。 電壓電流檢測電路設(shè)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(zhuǎn)換成 06V 的直流電壓。 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 6 由于 AVR 的 ADC 對采集信號的要求，進(jìn)行交流采集前需要對電壓及電流信號加以整形。如果采樣頻率選擇得過高 ， 即采樣 間隔小，則每個周期里采樣點數(shù)過多，造成數(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。因此在進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換前，必須要對電網(wǎng)交流信號加以處理。 使用 AVR 的 ADC 需要注意： ADC 的分辨范圍在以 GND 為基準(zhǔn)的 0 V 到參考電壓的范圍內(nèi)。 ADC 與一個 6通道的模擬多路復(fù)用器連接，通過分時復(fù)用的方式，能對來自端口 A 的 6 路單端輸入電壓逐個進(jìn)行采樣。 在本設(shè)計中，采用 AVR 單片機(jī)的片內(nèi)逐次逼進(jìn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器