基于单片机技术的智能供电系统设计

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【摘 要】在实际的生成过程中，有些设备往往需要间断的供电，为了保证设备能够正常运转，安全生产活动能够顺利进行。这就需要有一套装置对每次的供电情况进行监督，一旦出现问题将及时报警。本文采用单片机技术为监视供电系统一次设备的运行状态和计量一次设备的电气参数，设计了智能供电测控系统。通过单片机其内置A／D转换器进行模数转换及数据处理。选用小型精密电压、电流通用互感器，实现供电系统一次电压、电流的测量。

【关键词】单片机；模数转换；光电隔离器

为了保证生产设备在突然断电后能够快速的给电，并且保证设备正常运转。我们采用单片机技术设计了一个能够自动供电的智能系统，这个系统可以随时监控供电系统一次设备的运行状态和计量一次系统电气参数，保证供电系统安全、可靠、优质和经济合理地运行。早期的供电系统大多数都是利用多个仪表仪来控制的，这种系统的灵敏度差，而且误差率也比较大。我们采用的单片机技术来实现这一系统，它的有点是性能可靠、低功耗并且是可编程的智能系统。本系统采用的是的8位AVR RISC单片机，该芯片还具有比较丰富的片上资源，其内部集成了128KB的Flash存储器、4KB的E2PROM、53个可编程I／0口线和8路10位A／D转换通道，用于供电系统测控时可以省去扩展程序存储器和A／D转换器，也可以把终端的采集数据存储到单片机本身的EZPROM中。使测控系统结构紧凑，速度更快、功能更强、可靠性更高、造价也更低。

一、智能供电系统的概要设计

智能供电测控系统以单片机为核心，由电压互感器和电流互感器取得一次系统的电压和电流。通过单片机内置A／D转换器将模拟量转换成数字量，采用相应算法编程运算得到一次系统的电压、电流、功率等电气参数。由于单片机的A／D转换器在同一时刻只能对1路模拟量采样保持，而计算功率要求对电压和电流2路模拟量同时采样，所以增加l路LM398采样保持器。由带光电隔离的开关量输入、输出回路监测一次系统开关量的状态，并对一次系统开关的通断进行控制。由单片机串行口通过RS——422转换器连接RS——422网络实现与上位机的通信。键盘、显示器模块实现对测控系统的设置和操作，由显示回路接动态LED显示器实现数据的本地显示。

二、智能供电系统硬件设计

1.一次侧电压、电流的测量

电压、电流的测量选用立式穿芯小型精密交流电压、电流通用互感器，这种通用型互感器是由2个相同副线圈构成的电流互感器。测量精度高，采样范围宽，应用也较灵活。但电压互感器实质上是在一次侧接了限流电阻的电流互感器，所以，它和电流互感器一样要求二次侧不能开路。其输出信号为电流，首先应经过I／U变换。将电流信号转换为电压信号。最简单的I／U变换器是一个精密电阻。但测量精度不高,可在电压互感器二次侧接一个运算放大器,其测量相移不大于5’。这样既能减小测量的相移，又能提高测量的线性度。电压互感器一次侧接工频220 V额定电压，两侧的额定电流 6mA。电流互感器二次绕组是并联的．也可以将它们改成串联接线以提高一次电流的测量范围。电流互感器中R，取200 Q，当一次侧输入电流为9 A时,二次侧输出电流为额定电流6mA，输出电压为1.2V。

2.开关的设计

在供电测控系统中，开关量的输入是通过读外部设备触点的通断状态实现的。根据控制功能要求将逻辑运算结果通过开关量输出回路输出相应的控制信号,以实现外部设备合闸或跳闸控制。为了防止外部设备高电压损坏单片机系统,使用光电隔离器件将单片机的输入、输出隔离开，一方面使干扰信号不得进入单片机系统。另一方面单片机系统本身的噪声也不会以传导的方式传播出去，从而有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，使传输通道的信噪比大幅提高。

（1）输入回路。开关信号S由按钮、继电器、接触器等电器的触点通断所产生，光耦输出端的集电极A点电平与开关S。逻辑关系相反，适当选择R，的阻值，使电平符合最低电平要求，将信号接到单片机PB口构成开关信号输入电路。

（2）输出回路。单片机输出信号经光耦合器控制继电器线圈的电路。继电器为小电流中间继电器，其线圈工作电流较小一般为几十毫安。可以由光敏三极管直接驱动，再通过该中间继电器的触点控制大电流回路。限流电阻，与继电器线圈并联一只二极管，其作用是当线圈断电时为线圈电流提供一个通路，避免当电流突变时产生高电压而击穿光敏三极管。单片机的2个管脚分别输出O和l时，光耦才能导通使继电器K闭合。这样可以提高抗干扰能力。

三、系统软件设计

系统软件完成的主要功能：系统初始化，电压、电流模拟量采集和数据运算。开关量信号采集，开关量输出控制，故障判断。软件采用C语言编程，C语言开发速度快、可读性、可移植性好；对实时性要求较高的部分采用汇编语言，提高运行速度。A／D转换器直接测量的是互感器二次侧电压、电流分别叠加偏移量以后的瞬时值，要先换算出一次侧电压、电流的瞬时值，然后通过程序计算得出一次侧电压、电流的有效值及有功功率和无功功率的平均值。每个工频交流电周期内对交流电压进四次次采样。系统加电后首先初始化设置。然后打开中断．在中断中进行A／D数据采集，存储数据．再对已经采样存入ATmegal28内存的数据进行运算并存入CPU对电流进行判断，并与设定值比较，判断是否发生故障．然后运用故障定位算法迅速定位故障．并进行分合闸操作。通过通信程序实现与主站的通信，主要包括数据上报、整定参数值下发等。程序编制完成后，可利用单片机自带的JTAG接口进行程序的调试，系统开发简单方便。

结语

采用单片机进行供电测控系统设计，不仅采集速率高。而且传输速度快，控制实时性好。同时，该系统还具有简单易用、小型化、低成本、传输可靠等优点。对一般工业测控系统的设计有一定的指导和借鉴意义。

参考文献：

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[2]张艳红，张兴，林闽等．基于DSP的交流电量采样及其实现[J]．可再生能源．2006，24(4)：12-14