基于ATmega系列单片机的电力检测设备

摘要：电力检测设备的精确测量及实时传送对电力监控系统的正常工作有着重要的意义。Atmega系列是AVR单片机的高档产品，其具有高性能、低功耗的微控制器，超强的接口功能及具有自编程能力的程序存储器，非常适合于需要远程控制和现场升级的应用领域。通过对Atmega系列单片机的设计而实现的电力检测设备，能够快速、精确的进行在线测量，并将测量数据以4~20mA的形式实时输出进行远程控制，产品满足当前电力监控系统的需求，具有较大的市场前景，其设计思路也可为其他检测设备的开发提供一定的参考。

关键词：电力检测设备；AVR单片机；PWM；恒流源

中图分类号：TP302 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)17-31372-02

Realization of the Electronic Measurement Instruments on ATmega Microcontroller

HUANG Ying，YANG Lu-ming

(School of Information Science and EngineeringCentral South University,Changsha 410083,China)

Abstract: The precision and timely transmission of Electronic Measurement Instruments is of great significance to safe performance of electronic monitoring system. Atmega system is high-grade product of AVR single chip microcomputer, which consists of microcontroller of high performance and low consumption, well-functioned interface and program memorizer with self-programmed capacity. The system is used in the applied field of distance control and upgrading. The Electronic Measurement system made by Atmega single chip microcomputer can measure and then transmit the data by 4-20mA to distance control in order to meet the requirement of electronic monitoring. The market prospect of the product is brilliant and people can refer to the design of this product in development of other measurement instruments.

Key words:Electronic measurement instrument;AVR;PWM;constant-current source

1 引言

近年来，随着电力系统的迅速发展，电网等级的不断提高，电力监控系统越来越受到重视，电力监测系统的自动化水平也不断得到提高。

电力监控系统汇集了数据采集和控制、数据处理和存储、实时数据传送和数据显示、高级分析处理等多项功能于一体，可广泛用于电力调度自动化、配电自动化、电能量计费管理等智能配电的各个领域。

电力检测设备是电力监控系统的基础，对电力系统的安全起着重要的作用。灵敏、快速、安全的电力检测设备确保继电保护、系统监测诊断以及电力系统分析的可靠运行，先进的检测设备将使得变电站、变电所、通讯站等监控点不再依靠原始的人工监测方式，而逐渐开始实现少人甚至无人值守，来提高效益，以满足电力系统的发展需要。

基于ATmega 系列单片机实现的电力检测设备具备体积小，精度高、升级方便、成本低廉的特点；同时，为满足当前电力监控系统的需求而设计的远方通讯电路，使得测量结果不光可以通过液晶屏幕显示，还可实时传送至上位机或者其他设备进行远程控制，以保证电力监控系统的正常运行。

2 ATmega 系列单片机简介

ATmega 系列单片机属于AVR 中的高档产品, 它承袭了AVR原有产品（Attiny系列及AT90系列）所具有的特点, 是一款采用低功耗CMOS 工艺生产的基于AVR RISC 结构的8 位单片机。它的内核包含丰富的指令集和32个8位通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。同时由于它能够并行取指和指令执行，以及可以进行快速访问的寄存器文件，而使得它的性能高达1 MIPS/MHz，大幅提高了检测速度，改善检测质量。

同时，ATmega 系列增强了更多的接口功能,带有具自编程能力的程序存储器，可以通过SPI、USART和二线制接口编程，适合于需要远程编程和现场升级的应用领域，它的速度更快、集成度更高，在省电性能、稳定性、抗干扰性及灵活性方面都更加周全和完善。

3 电力检测设备的基本工作原理

电力检测设备是由模拟量输入电路、按键接口、液晶显示电路、远方通讯电路等组成的，其电力检测设备原理框图见图1。

图1 电力检测设备工作原理

电力检测设备对电力系统中变压器、关键线路等部位的电压、电流、功率等或者其他模拟量进行在线采样，采样精度可以通过按键进行选择，模拟量通过输入电路，转化为额定范围内的电压值输入芯片；输入电压经过放大电路放大后再进行（A/D）模数转换，变成数字信号；然后对采样的数据进行计算、处理，测量结果在液晶显示器上显示，同时输出PWM电流波；PWM电流波通过数据输出电路将测量值转换成相应的4―20mA的电流值给上位机或其他设备进行远程控制。

下面以ATmega32为例，介绍设备的具体设计情况。

4 模拟量输入

ATmega32支持16 路差分电压输入组合。两路差分输入(ADC1、ADC0 与ADC3、ADC2)有可编程增益级，在A/D 转换前给差分输入电压提供0 dB (1x)、20 dB (10x) 或46 dB(200x) 的放大级。七路差分模拟输入通道共享一个通用负端(ADC1)，而其他任何ADC 输入可做为正输入端。如果使用1x 或10x 增益，可得到8 位分辨率。若使用200x 增益，将得到7 位分辨率。可通过计数器中断服务程序来控制A/D对输入信号的精确采样。在程序中，通过调整OCR0的预置数来调整计数器中断的时间间隔，而获得精确的采样频率。

若要通过ADC1、ADC0进行差分电压采样，选择2.56V 的片内基准电压源，差分增益为10x，并要求输入为右对齐。则对ADMUX 寄存器进行设置：0xC9。

根据ADC 采样理论值：ADC=(VPOS CVNEG)*GAIN*512 / Vref

VPOS为输入引脚正电压，VNEG为输入引脚负电压，GAIN 为选定的增益因子，Vref为参考电压。

ADC1上输入电压为300 mV， ADC0上输入电压为500 mV。

ADC = 512 * 10 * (300 - 500) / 2560 = -400 = 0x270。

ADCL = 0x70， ADCH= 0x02。

由于在工业现场，发动机、照明设备等各种仪器都会产生工频干扰，为了不增加硬件结构的复杂度，一般都通过软件滤波，采用相关数字信号处理的算法，对工频干扰进行滤除。常用的滤波算法有中值滤波、均值滤波、滑动平均滤波及复合滤波算法等。滤波算法通过中断服务程序来完成。

4 SPI接口

一般单片机处理的数据在LCD数字屏幕上显示出来，普通的接口为并行和串行两种方式，但由于ATmega32内部带有一个可以同步串行通信的SPI（Serial Peripheral Interface），能采用硬件方式实现面向字节的全双工3线同步通信，使单片机与外设或其他AVR 器件进行高速的同步数据传输，因此，可以利用SPI进行控制LED显示，不仅方便，还使得需要的I/O数目大大减少。

同时，这个接口也可以被用于程序存储器和数据存储器及EEPROM的编程下载和上传，而使得产品的升级非常方便。

5 远方通讯电路

由于，国际统一信号制为直流电流信号4～20mA，这一信号制在我国的电厂和其它工业过程控制中也被广泛采用。因此，在电力检测设备的远方通讯电路设计中，将ATmega32单片机输出的PWM电流波转化为4～20mA恒流源输出。

同时，考虑到在实际工作中有时检测设备的输出回路中可能会连接某些设备，如完全有可能接有数字指示表、打印记录表、报警器等各种设备；因此，在测量设备的恒流源输出电路中，必须要考虑到负载的连接，也就是要实现高负载恒流源电路，而保证测量数据的精确传送。

恒流源输出电路如图2所示，首先，PWM信号经过一个模拟滤波器。滤波器除去了频率比较高的PWM信号的基频，留下模拟信号进入IC1，IC1为高输入阻抗的运算放大器，Q为晶体三级管，IC2构成一个跟随器，使输入端与输出端隔离。

通过实际测试，保证恒流源正常输出的情况下，负载电阻可达1.5kΩ。

图2 恒流源远方通讯电路

6 结束语

微电子技术、单片机技术的提高使得电力检测设备取得明显进步。用高性能、低功耗的ATmega 系列单片机实现的电力检测设备，极大的简化了电路，缩小体积，维护和升级都变得非常方便，降低设备的总成本，并且实现了远程通讯功能，满足当前电力监控系统的需求，因此具有一定的推广价值和较好的市场前景。

参考文献：

[1]马潮.高档8位单片机ATmega128原理与开发应用指南[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2004.

[2]AVR Enhanced Risc Microcontroller Data Book[Z],1997.

[3]宋建国.AVR 单片机原理及应用[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,1998.

[4]李长林.AVR 单片机应用设计[M]. 北京:电子工业出版社,2005.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。