【正文】 對開關(guān)智能化的研究也越來越多。另一方面，一些先進(jìn)的保護(hù)，分?jǐn)嗉夹g(shù)以及設(shè)備的軟啟動控制技術(shù)等也要依靠微機(jī)芯片來完成，同時，采用微機(jī)技術(shù)可對開關(guān)設(shè)備故障前的狀態(tài)進(jìn)行記憶。這類儀器中含有微處理器、單片計(jì)算機(jī)或體積很小的微型機(jī)，它的功能豐富又很靈巧。智能開關(guān)正是單片機(jī)、傳感器和電力電子開關(guān)的結(jié)合，在電力系統(tǒng)中應(yīng)用智能開關(guān)技術(shù)，不僅可以提高電力系統(tǒng)設(shè)備的使用壽命，而且能夠減少各種設(shè)備動作對電網(wǎng)的沖擊，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時能夠一定程度的節(jié)約電能。由此可見，智能開關(guān)有著明顯的優(yōu)越性，在智能電器元件的基礎(chǔ)上，研制和開發(fā)智能開關(guān)具有顯而易見的意義，在電力系統(tǒng)中應(yīng)用智能開關(guān)技術(shù)具有十分光明的前景。具有當(dāng)?shù)責(zé)o線通訊口，能對下位機(jī)進(jìn)行控制；同時也具備遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接口。單片機(jī)獲得電壓、電流、相位角值后進(jìn)行分析計(jì)算出功率因數(shù)、三相不平衡參數(shù)等，判斷是否正常，進(jìn)而控制開關(guān)的閉合與關(guān)斷。圖2－1 智能開關(guān)硬件結(jié)構(gòu)框圖本智能開關(guān)可用于單相（220V）和三相（380V）交流電源，適用于額定電流為18A以上的電路，因此，把該智能開關(guān)與接觸器相聯(lián)合起使用，使接觸器在應(yīng)用系統(tǒng)中具有帶檢測和保護(hù)的功能，使接觸器運(yùn)行更加可靠、更加穩(wěn)定和節(jié)能。圖22 電源設(shè)計(jì)原理圖 交流吸合直流維持交流接觸器能夠節(jié)電運(yùn)行的基本原理是采用交流吸合、直流維持的運(yùn)行方式。對交流接觸器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試所得的數(shù)據(jù)如表21所示，由該表也可明顯看出對交流接觸器采用交流吸合直流維持具有顯著的節(jié)能效果。此后，在交流電的正半周期時二極管VD道通，實(shí)現(xiàn)整流作用，接觸器KM始終保持在吸合狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了交流接觸器交流啟動直流運(yùn)行的節(jié)電工作狀態(tài)。 電壓、電流的采集三相交流電壓和電流的測量均采用三個DVDI001型臥式穿芯小型精密交流電壓電流通用互感器，輸出交流信號，經(jīng)過整流電路，再送給A/D轉(zhuǎn)換器采集，最后送給單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算。ATmega8L有一個10位的逐次逼近型ADC。其轉(zhuǎn)換結(jié)果為： （21）式中，VIN表示被選中的引腳輸入電壓；VREF為參考電壓。 V參考電壓為例，ADC的分辨范圍在0 V之間。要獲得精確的測量結(jié)果，采樣頻率的選擇很重要。綜合對電力參數(shù)的采集的精度及單片機(jī)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(diǎn)。將具有正負(fù)半波的交流信號整形為全部信號均大于“0”。由于直接使用單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器，因此，必須在運(yùn)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(jī)的A/D轉(zhuǎn)換通道。按圖24所示電路應(yīng)用是性能參數(shù)如下表22所示。對相電壓進(jìn)行采樣時，DVDI001的輸入端直接到三相交流電源的220V相電壓上。IC為通用運(yùn)算放大器OP470，運(yùn)放正負(fù)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。的作用是對輸出信號的相移作補(bǔ)償，在工頻下，如滿足于的相移，則可在經(jīng)驗(yàn)值范圍內(nèi)，取適當(dāng)?shù)墓潭娙葜怠＃?）用DVDI001用做電流互感器使用時，用戶只要在預(yù)留的孔內(nèi)穿一匝母線。典型應(yīng)用電路如圖26所示，性能參數(shù)如下表23所示。圖中，的取值方法與在電壓采集電路所介紹一樣。因此，采集信號應(yīng)送至采樣保持電路(亦稱采樣保持器)進(jìn)行保持。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。雖然在AVR單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中有自帶的采樣保持電路，但是難以在同一時間內(nèi)同時進(jìn)行多路信號的采樣保持。本系統(tǒng)采用集成采樣保持器LF398，其價格低廉，在國內(nèi)應(yīng)用非常廣泛。5V～177。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。只有具有合適的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速率才能保證A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠，為后面進(jìn)行準(zhǔn)確的分析和處理作好準(zhǔn)備。 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。根據(jù)此原理，對、之和進(jìn)行采集，將采集值與工程實(shí)踐中得到的閥值進(jìn)行比較，以判斷是否采取保護(hù)動作，當(dāng)采集值達(dá)到閥值，單片機(jī)發(fā)出控制信號指令使主電路中的接觸器執(zhí)行相應(yīng)的保出動作，實(shí)現(xiàn)對電路設(shè)備的保護(hù)，其原理框圖如29所示。同理可以求得、。三相電路總的功率因數(shù)就等于各相功率因數(shù)。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)。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(shí)現(xiàn)過程為：交流電壓和電流信號經(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。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。其特點(diǎn)為能記錄當(dāng)前定時器/計(jì)數(shù)器1的值。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。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間關(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。 溫度測量該系統(tǒng)采用溫度傳感器為DS18B20，把溫度直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳給單片機(jī)，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。圖214 外部供電方式的單點(diǎn)測溫電路要想使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DS18B20在溫度轉(zhuǎn)換期間工作電流達(dá)到1mA，當(dāng)幾個溫度傳感器掛在同一根I/O線上進(jìn)行多點(diǎn)測溫時，會造成無法轉(zhuǎn)換溫度或溫度誤差極大。 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(qiáng)上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉(zhuǎn)換精度，同時在總線上理論可以掛接任意多個DS18B20傳感器，組成多點(diǎn)測溫系統(tǒng)，如圖215所示。圖215 外部供電方式的多點(diǎn)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(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DS18B20進(jìn)行讀寫編程時，必須嚴(yán)格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結(jié)果； （2）當(dāng)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(qū)動問題； （3）連接DS18B20的總線電纜是有長度限制的。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，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，正常通訊距離進(jìn)一步加長；（4）在DS18B20測溫程序設(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，一旦某個DS18B20接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該DS18B20時，將沒有返回信號，程序?qū)M(jìn)入死循環(huán)。過電壓保護(hù)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(jìn)行檢測。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。壓敏電阻工作極為迅速，響應(yīng)時間在納秒級。圖216 過電壓檢測電路原理圖 漏電保護(hù)圖217是漏電保護(hù)原理圖，其中S1是手動開關(guān)。當(dāng)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(dá)到漏電保護(hù)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(dǎo)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(hù)作用。圖31 軟件流程圖 鍵盤的設(shè)計(jì)系統(tǒng)預(yù)留了31的按鍵組進(jìn)行人機(jī)交互。在應(yīng)用于智能開關(guān)系統(tǒng)可通過鍵盤實(shí)現(xiàn)顯示菜單的翻頁及電壓、電流的上下限值、三相不平衡度等值的設(shè)定。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(rèn)為是連續(xù)按了多次鍵?？朔存I抖動常用的方法有兩種:一種是用硬件消除，即在每個鍵上加RC濾波電路或用一個RC觸發(fā)器組成防抖動的電路，如圖33所示。在本設(shè)計(jì)中采用了第二種方法。 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。液晶顯示器件可分為段式、字符式和點(diǎn)陣式三種。但顯示字符時需要另外建立字庫。當(dāng)使用FYD12864液晶顯示模塊時，采用靜態(tài)掃描的方式，每次參數(shù)值發(fā)生改變才對顯示內(nèi)容進(jìn)行刷新。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）即串行同步時鐘（CLK）三個信號管腳便能實(shí)現(xiàn)對其控制，有效的節(jié)省了單片機(jī)的引腳資源。當(dāng)使用數(shù)碼管進(jìn)行顯示時，采用動態(tài)掃描方式。由于兩個數(shù)碼管組需要8位段碼以及8位位碼，總共16個引腳進(jìn)行控制?？梢允褂?個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)動數(shù)碼管組，其原理圖如圖3－4所示。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。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。 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)盡管RS232有些缺點(diǎn)，但在兩臺設(shè)備的短距離間信息傳輸時，RS232還是可以作為過渡器件使用。而RS485是一個多引出線接口，這個接口可以有多個驅(qū)動器和接收器，可以實(shí)現(xiàn)一臺PC和多臺單片機(jī)之間的串行通信；而且RS485的最長的傳輸距離為1200m，適合中距離的傳輸。 計(jì)算機(jī)和RS485總線的接口該接口的主要功能是完成RS232到RS485的轉(zhuǎn)變，完成這個功能的芯片很多，我們的系統(tǒng)采用的是ADAM公司的ADAM4250，RS232/RS485轉(zhuǎn)換器，應(yīng)用原理圖如圖41所示。本系統(tǒng)通信中采用的是RS485協(xié)議，單片機(jī)需要采用RS485接口，因此，我們可以采用Maxim公司的一種RS485接口芯片MAX485，其引腳結(jié)構(gòu)圖如圖42所示，該芯片采用單一電源+5 V工作，額定電流為300μA，采用半雙工通訊方式。它完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS485電平的功能，應(yīng)用電路如圖43所示。在與單片機(jī)連接時，接線非常簡單，只需要一個信號控制MAX485的接收和發(fā)送即可，同時將A和B端之間各加一個匹配電阻，一般可選100的電阻。單片機(jī)在接收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集工作，等到PC機(jī)再發(fā)指令，將采集到的數(shù)據(jù)反饋給PC機(jī)，PC機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算。其中n不大于128。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)與所選RS485芯片驅(qū)動能力和接收器的輸入阻抗有關(guān)，如75LBC184標(biāo)稱最大值為64點(diǎn)，MAX1487E標(biāo)稱最大值為128點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)數(shù)應(yīng)按最大值的70選取，傳輸速率在1200～9600b/s之間選取，通信距離1km以內(nèi)，從通信效率、節(jié)點(diǎn)數(shù)、通信距離等綜合考慮選用4800b/s最佳。 理論上講，RS485節(jié)點(diǎn)與主干之間距離即T頭越短越好。RS485是一種半雙工結(jié)構(gòu)通信總線，大多用于一對多點(diǎn)的通信系統(tǒng)，因此主機(jī)（PC）應(yīng)置于一端，不要置于中間而形成主干的T型分布，同時位于總線兩端的差分端口VA與VB之間應(yīng)跨接120匹配電阻，以減少由于不匹配而引起的反射。由于RS485通信是一種半雙工通信，發(fā)送和接受共用同一物理通道，在任意時刻只允許一臺單片機(jī)處于發(fā)送狀態(tài)，因此要求應(yīng)答的單片機(jī)必須在偵聽到總線上呼叫信號已經(jīng)發(fā)送完畢，并且在沒有其他單片機(jī)應(yīng)答信號的情況下才能應(yīng)答。上位機(jī)與下位機(jī)之間如何進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，怎么提高通信的效率和可靠性，以及對通信過程中的故障處理，收到的信息是否有錯，如果有錯怎樣通知對方重發(fā)，都需要一套詳盡的通信協(xié)議對數(shù)據(jù)傳送方式的規(guī)定，該協(xié)議包括數(shù)據(jù)格式定義和數(shù)據(jù)位定義等。當(dāng)發(fā)送設(shè)備要發(fā)送一個字符數(shù)據(jù)時，首先發(fā)出一個邏輯“0”信號，這個邏輯低電平就是起始位。起始位所起的作用就是使設(shè)備同步，通信雙方必須在傳送數(shù)據(jù)位前協(xié)調(diào)同步。數(shù)據(jù)位的個數(shù)可以是7或8，PC機(jī)中經(jīng)常采用7位或8位數(shù)據(jù)傳送。在字符數(shù)據(jù)傳送過程中，數(shù)據(jù)從最低有效位開始發(fā)送，依次在接收設(shè)備中被轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)。奇偶校驗(yàn)用于有限差錯檢測，通信雙方應(yīng)約定一致的奇偶校驗(yàn)方式。（4）停止位約定在奇偶位或數(shù)據(jù)位（當(dāng)無奇偶校驗(yàn)時）之后發(fā)送的是停止位。接收設(shè)備收到停止位之后，通信線路上便又恢復(fù)邏輯“1”狀態(tài)，直至下一個字符數(shù)據(jù)的起始位到來。本系統(tǒng)采用比較簡單的通信協(xié)議：PC機(jī)需要與單片機(jī)通信時，首先發(fā)送一個字節(jié)的信號，以16進(jìn)制表示為AAH，單片機(jī)接收到AAH后，就將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)連續(xù)地向PC機(jī)發(fā)送；PC機(jī)與單片機(jī)通信結(jié)束時，向單片機(jī)發(fā)送一個字節(jié)的信號，以16進(jìn)制表示為55H，結(jié)束數(shù)據(jù)發(fā)送。此時，每臺下位機(jī)都中斷接受并判斷，地址不相符的下位機(jī)中斷返回，執(zhí)行其他下位機(jī)任務(wù)；反之則把本機(jī)地址及其狀態(tài)作為應(yīng)答信號發(fā)送給上位機(jī)。單片機(jī)與PC機(jī)通訊流程圖如圖45所示，采取PC機(jī)查詢單片機(jī)查詢的通訊方式，首先由單片機(jī)發(fā)握手信號（FFH），PC機(jī)收到后發(fā)應(yīng)答信號（00H），并準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，單片機(jī)收到