基于单片机的电力监测仪的研制

摘要：介绍一种基于 89S52 单片机为核心的电力监测仪，该监测仪通过对电网的交流电压、电流进行采样，然后经过单片机进行运算处理可以实时监测电力系统的运行参数，文章详细描述了硬件电路组成和软件的设计，实验结果表明，该监测仪表具有精度高、工作可靠、使用简单等优点。

关键词：电力监控；交流采样；单片机

中图分类号：TP368文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)14-3462-02

Development of Power Detector Based on SCM

HU Peng

(Department of Computer Technology and Application, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430074, China)

Abstract: In this paper ,introduce a way to design the Power Detector based on the microcontroller AT89S52, this Detector can also figure out the effective number of phase voltage and electric current and power factor ,monitoring the run parameter of the electrical network anytime by adopting phase voltage and electric current of the electrical network. It was detailed to described the total construction principle of the system, hardware electric circuit and the design of the software of the system. The experiments show that the instrument possess such advantages as high accuracy, high reliability, being used easily and so on.

Key words: electric power monitor; AC adopting; single chip microcontroller

随着电网规模的日益扩大，系统运行方式的频繁变化，使得电力系统稳定性问题越来越突出，为了保证电力系统安全可靠地运行,提高系统的运行经济性，为了更好地了解电力系统运行状况,研制出具有电力参数测量、显示、数字通讯等功能的电力监测仪势在必行。本文设计的电力监测仪是将计算机技术、数据测量技术、数据通信技术及显示技术融为一体，通过对电网的交流电压、电流进行采样可实时监测电网的电压、电流、无功功率、有功功率及功率因数等参数，当电网出现过压过流时及时发出报警信号，供值班人员处理，该监测仪对用户和电力部门都具有重要的实际意义。

1 硬件设计

根据交流电压电流和的测量原理，电力监测仪由微处理器模块、电压电流采样模块、LED显示模块、键盘模块、RS485总线接口模块和过压过流报警模块等组成，其硬件结构原理图如图1所示。

1.1 主处理器

主处理器的选择要使片内资源能适合系统的需求，系统采用At89s52作主处理器，AT89S52是一种高性能、低功耗的 8位微控制器，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容，具有8K 的Flash 存储器。AT89S52具有以下标准功能：256字节RAM， 8k字节Flash， 32位I/O口线，2个数据指针看门狗定时器，三个16位定时器/计数器，全双工串行口，一个6向量2级中断结构，片内晶振及时钟电路。

1.2 E2PROM模块

E2PROM模块用来实时记录存储相关测量数据、故障记录及设置参数等，系统采用AT24C02作为E2PROM芯片，AT24C02是一个2K位串行CMOS E2PROM，内部含有256个8位字节，CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗。AT24C02有一个16字节页写缓冲器。该器件通过IC总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。

1.3 交流电流电压采集

A/D 转换是系统设计的第一个重要的环节，本设计需要对三相电压和三相电流进行采样，共需 6 个通道，采用1片A/D 转换芯片MAX125组成8通道同时采样、每通道采样率76KSPS、分辨率14位、输入范围±5V的模拟输入部分。来自电网的电流、电压经CT、PT变换成满足要求的模拟输入量，然后由A/D 转换芯片 MAX125，将模拟信号转换为数字信号。模拟输入通道实际可达到8个通道，只不过这8个通道不是完全同时采样的，而是4通道/4通道同时采样，在合理安排采样通道数的情况下，可以满足电力系统同相电压/电流同时采样的要求。

1.4 键盘模块

系统键盘是一个4*4的行列式键盘，总共定义了16个按键。键盘输入采用动态扫描中断工作方式，采用的是“键盘扫描”的方法，用户通过键盘可以对电力监测参数进行设置。

1.5 显示模块

系统使用LED数码显示器来显示采集到的电压电流功率等信息，LED显示器价格低廉、发光较强，机械性能好，在普通单片机系统中应用广泛，LED数码显示器通过动态扫描显示，它是把所有显示器的8个笔画段a~h的各同段名端互相并接在一起，并把它们接到字段输出口上，系统通过段码来控制显示的字形，使用位码来选择第几位显示器工作。

1.6 RS232通信

RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口，系统采用MAX232实现PC机与单片机的通信，用于向单片机下载程序。

1.7 RS485通信

采用Maxim公司的一种RS－485芯片MAX485实现单片机与485通信设备之间的通信，MAX485采用半双工通讯方式，其中，MAX485的RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，/RE和DE端分别为接收和发送的使能端，RO和DI与单片机的RXD和TXD相连即可；/RE和DE端与单片机的一个管脚相连，通过控制/RE和DE即可控制MAX485的接收和发送即可。

2 软件设计

软件设计的主要任务是完成对交流信号，如:电压、电流的数据采集，以及有功功率、无功功率、视在功率、功率因数等的计算，并根据键盘输入的显示项目，在 LED显示管相应地把结果显示出来，同时，通过RS232串行通信传送到上位机，一旦电流和电压超限时，立即发出报警声音并不断闪烁LED灯。在系统的软件设计中，整个系统的应用软件用C51编写，编程开发环境采用Keil uVison2，用结构化程序编程，可使各功能程序模块化，这些模块包括：主程序、电压电流采样程序、数据处理程序、定时器中断服务程序、键盘中断服务程序、LED显示程序、E2PROM读写程序和通信程序等。

在主程序里，首先对各种芯片进行初始化，设置各种寄存器; 完成初始化工作后，打开中断，之后就进入主程序循环等，在循环过程中，不断进行键盘扫描，得到键值，来确定在LED显示器上显示的菜单内容，软件流程图如图2所示。

电压电流采样程序的功能主要是对交流电压、电流进行采样、数字滤波、采样数据存储。采样中断到达后，首先关闭中断，然后读取 A/D 转换芯片MAX125的 转换值，并存储到内部数据缓冲，接着，判断是否已经对 6 路信号采样完成，若巳完成，则把这 6 个数据转存到外部数据存储区。系统在每个采集过程中，还进行报警处理，即将采样处理后的电流值和电压值与设定的超限保护值(越限值储存在 E2PROM)进行比较，超限时报警并采取保护动作。

2.1 交流电压电流采集

在电力监测仪设计中，最关键的环节是交流电流电压采集。交流输入包括A、B、C三相电压和电流。电流接入电流端子，一共6个电流端子，分别为IA入、IA出、IB入、IB出、IC入、IC出，分别接三相电流输入。电压接线端子一共7个端子，有3个是空端子，不允许连线，有效接线端子4个，分别为UA，UB，UC和UN；对于中性点不接地的系统，UA，UB，UC可以直接与电网的A相、B相、C相连接，UN可以浮空或者在需要绝缘监视的系统中直接接大地或者通过一个高阻值电阻接入大地，这样系统可以非常准确的计算3U0。

交流输入可以接成两表法，接线方式是电压A相接UA，C相接UC，B相接UN，电流输入仅接A相和C相。

输入的交流电压信号通过小型的PT（电压互感器），变换为交流0.5V的信号，经过滤波处理，滤除干扰信号，然后进行电平平移，使得原来的交流信号，叠加1/2的VREF，直接送到A/D转换，进行采样。

输入的电流信号，通过导线穿入小CT（电流互感器），CT的输出接一个精密电阻，变换成电压信号，经过滤波处理，滤除干扰信号，然后进行电平平移，使得原来的交流信号，叠加1/2的VREF，直接送到A/D转换，进行采样; 采样好的信号存入单片机的RAM中供软件处理。

在软件中，设置每个周期采样24个点，根据采样定理，可以计算出输入信号的16次谐波。对于6路输入信号，进行FFT变换，得出各次谐波的幅值和相角，并且计算零序电流和负序电流。计算的结果存入RAM中，供通信程序、保护程序等其他程序使用。

由于三表法测到的电压都是相电压，有时候需要计算线电压，可以按照如下公式进行计算：

3 试验结果

对设计的监测仪的电压、电流测量结果分别进行了试验验证，结果如表1所示，结果表明，该装置电量参数测量结果的准确性很高，满足要求。

4 结束语

对一种电力监测系统作初步和基本的研究，该监测具有可编程功能、自动化测量、数码管显示、电能累加、数字通讯等功能为一体的智能监测仪表。该监测仪集智能化、数字化、网络化于一身，自动完成数据采集程及数据分析处理，可广泛应用于电站、电厂、变电所等各电力系统的输配电路及机电设备。

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