新型電網(wǎng)電壓監(jiān)測儀的組成和驅(qū)動程序設(shè)計

摘要：針對電網(wǎng)電壓數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，提出了一種基于STCl2C5A60S2微處理器的方案。該系統(tǒng)包括電壓采集模塊、轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊，可以顯示實時時間和電壓，并具有電壓越限報警、系統(tǒng)變比設(shè)定、系統(tǒng)電壓系數(shù)調(diào)節(jié)、電壓統(tǒng)計等功能。該系統(tǒng)采用了最新的1T高性能51單片機和存儲器，加快了系統(tǒng)的處理和存儲速度。軟件采用高級語言編寫，主要包括初始化、按鍵掃描、菜單處理、電壓統(tǒng)計等模塊化子程序。
關(guān)鍵詞：電壓監(jiān)測儀；STCl2C5A60S2微控制器；實時時間；交直流變換

0 引言
    電壓監(jiān)測系統(tǒng)是對電網(wǎng)電壓質(zhì)量進行監(jiān)測并自動記錄的智能化儀表系統(tǒng)，為統(tǒng)計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)測系統(tǒng)的最小組合為一臺智能電壓監(jiān)測儀。通過儀表的使用，即可實現(xiàn)對電壓監(jiān)測點的各種電壓參數(shù)進行測量并記錄，同時給出電壓合格率、電壓偏高不合格率、電壓偏低不合格率等計算結(jié)果。電壓監(jiān)測系統(tǒng)的另外一種組合是由電壓監(jiān)測儀加上電卡、通訊機及上位計算機等配套設(shè)備組成。電壓監(jiān)測儀所記錄的數(shù)據(jù)很多，通過儀表鍵盤來查詢抄錄十分耗時耗工，而直接用小打印機打印也有許多缺點和不便之處。本系統(tǒng)可實現(xiàn)電網(wǎng)電壓集中監(jiān)測，并有查詢、統(tǒng)計報表、電壓越限報警、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
    采集模塊以高性能微處理器STCl2C5A60S2為核心，外圍由信號變換、實時時鐘、串行通信和大容量串行存儲器等模塊電路構(gòu)成。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

    STCl2C5A60S2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是一個時鐘／及其周期，增強型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電路，可在掉電時，及時將數(shù)據(jù)保存進E2PROM。內(nèi)部有1 280 B的RAM數(shù)據(jù)存儲器。芯片內(nèi)部有E2PROM功能，擦寫次數(shù)達10萬次以上。具有ISP／IAP功能，8通道10位高速ADC，速度可達2．5×105次／s，2路PWM還可作2路D／A使用。內(nèi)部已經(jīng)集成了獨立的波特率發(fā)生器，此系列單片機串行通信的速率可以不由內(nèi)部定時器T1的溢出率來決定，這樣可以讓T1來實現(xiàn)定時或者計數(shù)的功能。此系列的單片機還有雙串口的功能，一個串口可以被系統(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，避免一個串口被占用的情況下，只能使用I／O口去模擬UART時序的麻煩。
    監(jiān)測系統(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)直接進行測量。必須把測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。
    降壓之后的電壓信號為交流小信號，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并輸出。
    AD536轉(zhuǎn)換輸出的直流信號通過V／F變換芯片LM331輸出其直流信號所對應(yīng)頻率的數(shù)字脈沖，供單片機進行采集，從而單片機計算出直流信號的大小。在本設(shè)計中沒有采用傳統(tǒng)的A／D轉(zhuǎn)換器把模擬信號變成數(shù)字信號，而是采用LM331進行V／F變換。
    V／F變換的電路圖如圖2所示。

    LM331的動態(tài)范圍寬，可達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時尚有較好的線性；變換精度高，數(shù)字分辨率可達12 b；外圍電路簡單，只需接入幾個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)手冊可以得出LM33l輸出頻率的計算公式：

    LM331輸出的數(shù)字脈沖通過光耦TLP521進行隔離，再送入單片機的定時器T1進行計數(shù)。定時器T0用來定時，每隔1 s鐘單片機在T0的定時中斷服務(wù)程序中讀取T1計數(shù)器的值，因為間隔是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算出AD536輸出的有效值Vb，進而可以推算出此時測量電網(wǎng)電壓的大小。
    根據(jù)要求，此系統(tǒng)需要記錄歷史電壓。這里選擇鐵電存儲器FM24C512，它是一款容量高達512 KB的非易失性存儲器，它采用了先進的鐵電處理技術(shù)。原理圖如圖3所示。

    FM24C512以總線速度進行寫操作，無須延時。下一個總線周期可以立即開始，無需進行數(shù)據(jù)輪詢，最高總線頻率高達1 MHz。另外，F(xiàn)M24C512具有比E2PROM高得多的寫操作次數(shù)。而且，因為寫操作不需要在內(nèi)部提升電路寫電路的電源供電電壓，所以，存寫操作過程中，F(xiàn)RAM比E2PROM消耗的功率要低得多。
    FM24C512使用I2C通信協(xié)議，簡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，只使用兩個管腳和處理器進行通信，一個是時鐘線SCL，另一個是數(shù)據(jù)線SDA。因為所使用的主處理器沒有相關(guān)的I2C通信接口，所以只能用兩個I／O口去模擬I2C的時序。時序圖如圖4所示。

    在記錄歷史電壓時，實時時間芯片DSl302產(chǎn)生的時間作為記錄電壓的參考。DSl302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2．5～5．5 V。采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DSl302內(nèi)部有一個31×8的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS-l302是DSl202的升級產(chǎn)品，與DSl302兼容，但增加了主電源／后備電源雙電源引腳，同時提供了對后備電源進行涓細電流充電的能力。它與單片機的連接如圖5所示。
    DSl302與CPU的連接只需要三條線，即時鐘線(SCLK)、數(shù)據(jù)線(IO)、復(fù)位線(RST)。相應(yīng)的時序圖如圖6所示。

    根據(jù)圖6，就可以編出相應(yīng)讀取DSl302時間的子程序。
  
    為了增強人機的交互性能，選用金鵬電子的OCMJl2232液晶顯示模塊作為系統(tǒng)的顯示部分。OCMJl2232的顯示方式為點陣圖形，可以顯示任意圖形或者漢字，內(nèi)帶8 192個中文點陣，具有并行和串行兩種接口方式。本設(shè)計采用了串行接口方式，具有占用I／O資源少，編程簡單等特點。

2 流程設(shè)計
    系統(tǒng)程序由顯示模塊、按鍵掃描模塊、頻率計數(shù)模塊、記錄統(tǒng)計模塊、系統(tǒng)菜單模塊等組成。在軟件編寫過程中，記錄統(tǒng)計模塊較為復(fù)雜，其算法為：程序判斷是否到了下一秒鐘，如果沒有則繼續(xù)采集電壓再進行判斷，否則進行有關(guān)電壓秒記錄的處理；接著判斷是否到了一分鐘，如果沒有則退出，否則進行有關(guān)電壓分鐘記錄的處理；下一步再判斷是否到了一小時，如果沒有則退出，否則進行有關(guān)電壓小時記錄的處理；以此類推，還要判斷是否滿了一天、一個月的情況。其中，還需要判斷是否是典型工作日，每個月可以設(shè)置三個典型工作日，典型工作日中每個小時的記錄都被保存下來，以便用戶查看。流程圖如圖7所示。

3 結(jié)語
    本文詳細介紹了基于STCl2C5A32AD的電壓監(jiān)測系統(tǒng)，適用于0～480 V交流電壓的監(jiān)測。本設(shè)計已經(jīng)完成了設(shè)計和調(diào)試，并通過了客戶的驗收，成功運行在電網(wǎng)公司的監(jiān)控大廳。