测控电路设计与应用范文

测控电路设计与应用篇1

    【关键词】变电站;电气自动化;系统设计

    一、引言

    随着科学技术的不断发展,新技术层出无穷,伴随着数字化变电站的兴起,我国城乡电网改造与建设中不仅中低压变电站采用了自动化技术实现无人值班,而且在220kV及以上的超高压变电站建设中也大量采用自动化新技术,并已获得成功。在变电站自动化系统的具体实施过程中,目前有不同的方法:一种主张站内监控以远动(RTU)为数据采集和控制的基础,相应的设备以电网调度自动化为基础,保护相对独立;另一种则主张站内监控以保护(微机保护)为数据采集和控制的基础,将保护与控制、测量结合在一起。从我国目前的电力系统运行体制、人员配备、专业分工来看,前者占有较大优势。因为无论从规划设计、科研制造、安装调试、运行维护等各方面,控制与保护都是相互独立的两个不同专业,因此前者更符合我国国情,而后者因难以提供较清楚的事故分析和处理的界面而一时还不易被运行部门接受。但从发展趋势、技术合理性及减少设备重复配置、简化维护工作量等方面考虑,后者又有其优越性。此实施方法正在成为一种发展趋势和共识。

    二、方案设计思想

    从信息流的角度看,保护(包括故障录波等)和控制、测量的信息源都是来自现场TA、TV二次侧输出,只是要求不同而已。保护主要采集一次设备的故障异常状态信息,要求TA、TV测量范围较宽,通常按10倍额定值考虑,但测量精度要求较低,误差在3%以上。而控制和测量主要采集运行状态信息,要求TA、TV测量范围较窄,通常在测量额定值附近波动,对测量精度有一定的要求,测量误差要求在1%以内。总控单元直接接收来自上位机或远方的控制输出命令,经必要的校核后可直接动作至保护操作回路,省去了遥控输出、遥控执行等环节,简化了设备,提高了可靠性。

    从无人值守角度看,不仅要求简化一次主接线和主设备,同时也要求简化二次回路和设备,因此保护和控制、测量的一体化有利于简化设备和减少日常维护工作量,对110kV及以下,尤其是10kV配电站,除了电量计费、功率总加等有测量精度要求而需接量测TA、TV外,其他量测仅作监视运行工况之用,可以与保护用TA、TV合用。此外,在局域网上各种信息也可以共享,控制、测量等均不必配置各自的数据采集硬件,常规的控制屏、信息屏、模拟屏等亦可取消。

    对于10kV配电站,由于接线简单,对保护相对要求较低,为简化设备节省投资,建议由RTU来完成线路保护及双母线切换等保护功能。因此需在RTU软件中增加保护运行判断功能,如备用电源自投功能,可通过对相应母线端失压和相关开关状态信号的逻辑判断来实现。

    随着计算机和网络通信技术的发展,站内RTU/LTU或保护监控单元将直接上网,通过网络与上位机及工作站通信。取消传统的前置处理机环节,从而彻底消除通信“瓶颈”现象。变电站自动化系统和无人值班运行模式的实施,在很大程度上取决于设备的可靠性。这里指的设备不仅是自动化设备,更重要的是电气主设备。

    三、设计说明

    变配电站自动化包括继电保护、变配电站集中监控以及远方调度管理3部分。继电保护有常规电磁型继电器保护、晶体管继电保护与微机保护3种形式。常规继电器保护仍在继续使用,晶体管保护是一种过渡型产品,现在已被先进的微机保护所替代。智能化开关与智能化开关柜,以及变配电站综合自动化系统集继电保护、数据监测及远方调度于一体,在变配电自动化设计中应根据工程实际情况选用上述产品。

    1.系统选型

    主要从继电保护及站内集中监测与远方调度几方面考虑。对于继电保护而言,35kV及以上的变配电站一般都有变压器保护,应优先考虑选用微机保护或变配电站综合自动化系统。10kV变配电所一般均为电力系统开闭所及用户变配电站,一次接线比较简单,应以常规继电保护为主。选用价格低、性能可靠的智能化开关,智能化开关柜或综合自动化系统之后,可以取消常规继电保护。对于站内集中监测与远方调度来讲,有集中式与分散于开关柜内的集散系统两种形式,变配电站综合自动化系统是一种最先进的分散安装于开关柜内的变配电站站内集中监测与远方调度系统。集中式变配电站计算机监测与远方调度系统需要安装各种电量变送器。测量、信号与控制电缆要由开关柜内引出,外部电缆数量多,设计与施工工作量大,一般不宜再推广使用。变配电站综合自动化系统的末端数据采集与控制单元直接安装于开关柜内,大都采用交流采样从电流或电压互感器直接进行测量,省掉了电量变送器,有些还可以省掉开关柜上的指示仪表。外部电缆只有一根通信电缆与供电电源电缆,设计与施工简单,所以应积极推广选用。智能化开关与智能化开关柜本身已经具备集中监测与远方调度功能。只要设计一根通信电缆引到调度值班室中央控制站计算机就可以实现集中监测与远方调度。但由于各厂家的通信协议不统一,不同厂家的产品实现联网比较困难,所以近期还难以推广应用。

    2.电气设计原则

    从一次系统与二次系统两方面考虑。对于一次系统设计而言,变配电站采用计算机监测与控制后对一次系统接线没有影响,一次系统接线方式及供电方案仍按有关要求与规定进行设计。变配电站采用计算机监测与控制后,应发挥计算机的图形显示功能,模拟盘可以简化或取消。变配电站采用计算机监测与控制后,可以实现无人或少人值班,值班室面积可以减小,分散值班可以集中于一处值班。

    对于二次系统,其设计方案应该注意以下几点:开关柜内的继电保护,计量,信号与控制回路设计不变,值班室的继电保护屏与中央信号系统(信号屏、计量屏与控制屏)保持原设计不变,再设计一套重复的计量、信号与控制回路进入计算机监测与控制系统。开关柜内的继电保护,计量,信号与控制回路设计不变,值班室的中央信号系统(信号屏、计量屏与控制量)取消,集中保护的继电保护屏应保留,再将计量,信号与控制回路进入计算机监测与控制系统。开关柜内的继电保护、计量、信号与控制回路设计不变,值班室的中央信号系统(信号屏、计量屏与控制屏)只包括电源进线与母线联络开关柜,所有出线开关柜均不进入中央信号系统。电源进线,母线联络开关柜及所有出线开关柜的中央信号系统(信号、计量与控制)全部进入计算机监测与控制系统。

    二次系统设计原则是:变配电站采用计算机监测与控制后值班室原有的中央信号系统(信号屏,计量屏与控制)应取消,采用集中保护的继电保护屏应保留,应优先选用第二方案。对于有特殊要求的单位或地区,可以选用第三方案,第一方案一般不宜设计选用。

    3.电气设计

    一次系统的电气主接线方式按原设计不变,在单线系统图的设备型号说明中应注明采用计算机监测与控制系统后所增加的设备数量与型号,如电量变送器,电力监控器等。对于需要通过计算机监测与控制系统进行远方遥控操作的开关,一定要选用能进行远方分、合闸功能的自动开关。开关运行状态要进入计算机监测与控制系统的开关,一般要有一对独立的常开接点引入计算机监测与控制系统。低压自动开关的型号设计时一定要注意满足这一要求,多选一对常开辅助接点。

    对二次系统继电保护设计来讲,35kV及以上供电系统可以考虑选用微机保护,而且应优先考虑采用变配电站综合自动化单元。10kV供配电系统仍应以常规继电器型继电保护为主,可以再设计只有监控功能的变配电站综合自动化单元。220/380V低压配电系统,仍应以自动开关与熔断器作为保护,再设计只有监控功能的变配电综合自动化单元。

    对于测量回路设计而言,需要进入计算机监测与控制系统的测量参数由设计者根据有关规定与用户实际需要来确定。需要进入计算机监测与控制系统的各种测量参数,首先经过电流互感器与电压互感器变为统一的交流。采用变配电站综合自动化系统之后,其监控单元均为交流采样,直接从电流或电压互感器取0A~5A或0V~100V测量信号,低压直接取220V或380V信号。不再需要各种电量变送器,开关柜上各种测量仪表可以取消。电度计量应选用带脉冲输出的电度表。其型号及一次接线与原电度表相同,只在备注中说明带脉冲输出,并注明与计算机监测与控制系统相匹配的直流电源电压,设计时应优先选用自带供电电源的有源型,输出为隔离型的脉冲电度表。计量柜电度表一般不进入计算机监测与控制系统,所以应在进线开关柜内增加有功与无功脉冲电度表各一块,作为内部统计用电量使用。

    对于信号回路设计,所有需要计算机监测与控制系统进行监视的开关状态,均应有一对常开接点引到计算机监测与控制系统。所有常开接点可以共用一个信号地线,但不能与交流系统地线相连接。所有信号继电器均应有一对单独的常开接点引到计算机监测与控制系统。有中央信号系统时,信号继电器应再有一对常开接点引到中央信号系统,以下两种常开接点应分开,由于电压等级不同,不能共用地线。

    控制回路设计中应该注意以下问题:计算机监测与控制系统都有合闸与分闸继电器输出接点,将其并连接到开关柜的合分闸开关或按钮上就可以进行远方合分闸操作。计算机监测与控制系统的合分闸继电器接点与开关柜上合分闸开关或按钮之间应设计手动与远方自动转换开关。10kV及以上的供配电系统需要计算机监测与控制系统进行远方合分闸操作时,其控制开关应取消不对应接线,可以选用自复位式转换开关,也可选用控制按钮。所有进入计算机监测与控制系统的远方操作开关的手动分闸操作开关或按钮应有一对独立的常开接点引到计算机监测与控制系统,以便在人工手动分闸时给计算机监测与控制系统一个开关量输入信号,以防止人工就地手动分闸时出现误报信号。

    四、变配电站综合自动化系统

    变配电站综合自动化系统是以一个配电间隔为单元,由一台电力监控器完成信号测量、继电保护与控制。测量为交流采样,直接从电流互感器或电压互感器取交流。--SA电流信号或交流。0V~100V电压信号,380/220V低压系统直接取交流0V~220V或0V~380V电压信号。所有电力监控器通过通信电缆引到计算机系统。

    1.变配电站综合自动化系统外部电缆设计

测控电路设计与应用篇2

【关键词】模块 继电器阵列 程控放大 单片机软件 仪器

1 概述

三相交流控制模块大量用于三相电机正反转控制；现在国内生产厂家众多，但生产制造和设计水平参差不齐，关键参数测试依靠各种简易工装逐个项目单独测试，测试过程测试工装切换频繁，效率低下，有些厂家甚至部分关键参数没有测试或降低标准测试；本文作者常年从事设计各种继电器参数测试和分析仪器，包括各种交流型和直流型固态继电器，本论文研究的目标是设计一种使用方便、功能齐全、测试项目可选的智能三相交流模块综合参数测试仪，特别是包括过零型产品的时间参数测试，仪器提供计算机接口，方便生产单位采集和分析数据；为三相交流控制模块提供可靠的参数检测技术。

2 设计方案

三相交流控制模块种类很多，不同产品可以参数测试需求不完全一样。但主要功能参数变化不大，可以分为输入参数部分、输出参数部分。

输入参数部分有：额定电压/电流、反向电压/电流、接通电压/电流、关断电压/电流、输入电压降/电流、输入发光管状态。

输出参数部分有：输出交流压降、输出交流漏电流、输出直流漏电流、输出接通时间、输出关断时间、输出缺相控制功能测试、输出纠相控制功能测试仪器由人机交互部分、控制部分、继电器阵列部分、测试部分、通讯部分组成。仪器将用单片机为控制核心，系统有单片机控制按人机交互部分得到的用户需要控制继电器阵列依次使能测试部分电路，采集并输出测试结果。

3 硬件设计

3.1 控制电路与人机交互系统设计

由于CYGNAL仅提供贴片TQFP-100封装的F020，当小批量生产仪器的时候，控制电路集中做成模块，可以解决手工焊接难题，控制模块还可以移植使用，这样可以提高开发效率，又可以降低开发成本。控制电路由显示接口、键盘接口、LED接口、总线接口、电源电路和复位电路组成。

3.2 测试电路设计

测试电路是整个硬件电路设计的核心。测试电路各个功能电路设计成各自独立的单元，各自独立调零和独立调整放大系数，这样软件设计就相对简单，精度也比较高。当然压降采集和漏电流采集电路可以考虑复用，当测试电路复用时硬件电路设计会相对简单一些，但必须使用软件调零和调整放大系数，软件设计相对复杂很多，对使用者的要求更高一些。本系统使用各个测试功能各自独立测试电路。

3.2.1 驱动电压比例放大电路

比例放大电路可以采样如图1形式。

如图1示U3比较器比较反馈信号Dot1与来自单片机模拟电压信号DAC2，当DAC2电压大于Dot1电压，U3输出正电压驱动Q21导通，进而引起Q22导通，促使输出Vout电压升高，当输出Vout电压升高则反馈电压Dot1升高，最后使得Dot1与DAC2电压动态一致；单片机通过调整DAC2来调整输出Vout电压的大小，选择适当的Q22和Q21可以将功率放大到系统的要求；当然如果项目需要的驱动电压范围比较广，为提高电压精度则可以将反馈作成多路，输出电压分档控制。

当然图1电路中R59可以考虑放在Q22的B极和Q21的C极之间，这样在计算功率匹配和防错方面有很大的优势。当电路异常或输出异常时适当的R59可以阻断电路输出故障，保证Q21及其前端电路不受影响。

3.2.2 高压脉冲发生电路与直流漏电流采集电路

高压脉冲发生电路与直流漏电流采集电路都属于输出直流测试种类，高压脉冲发生电路为全桥式驱动电路，控制高压管Q6、Q8、Q3、Q4的导通状态便可实现高压正反加载，实现高压脉冲的发生。当然全桥也用于输出直流高压漏电流正反向测试；直流采集通过MOS管Q5实现分档采集通过全桥的电流，通过R29和R27将电流信号转成电压经过R64传递给单片机。如图2。

3.2.3 高压发生电路

高压发生电路由一个比例放大电路和两个可控固定电压组成，单片机通过控制固定电压与比例放大电路电压的叠加实现电压大范围的控制，从而实现高压的发生。

3.2.4 驱动恒流电路与电流采样电路

由于三相交流产品有部分型号输入驱动是电流形式，因此仪器设计包括驱动恒流电路以适应该类产品的需求。对于恒流型产品，仪器直接读取输出电压剔除恒流部分的压降即得产品的输入压降。对于电压型产品，驱动恒流部分不生效，电流采样部分生效并用于输入电流测试。

恒流电路通过反馈采样回路如图3示；单片机通过选择导通MOS管Q4；R36和可调电阻R78将电流转成电压并反馈给U8，实现单片机通过调整DAC1的大小进而调整通过R36和R78的电流。

图3运算放大器U9与Q3和Q5组成电流采样电路；单片机可以通过选通Q3或Q5使得R35或R37有效，这样U9通过R39得到的Icase信号就是电流信号；运放U9通过改变R41、R40、R80、R81的比例关系实现电流小信号放大并传递给单片机，实现电流读取。

3.2.5 压降采集电路与交流漏电流采集电路

交流电压信号可以采样标准模块测试也可以自行设计交流电压测试电路。交流信号的测试的精度影响因素比较多，部分测试模式其测试结果与波形和频率有关系，为避免测试结果争议，笔者倾向于使用市场上现有的交流模块，这样方便计量和分析。交流漏电流采集电路通过功率电阻将电流信号转成电压信号，其与压降采样电路如下图示通过继电器选择并由P3接口接至交流测试模块实现交流压降和交流漏电流的测试。

3.3 继电器阵列电路以及其他电路设计

继电器阵列实现三相三线或三相四线测试接口，继电器选型必须以大间隙为标准，其次选择线圈与触点机构耐压大的产品。当然系统设计成多板模式，特别是CPU板，独立的CPU板供电系统并且进行总线隔离处理将有助于提高系统抗干扰性能。

串口通信可以使用标准RS232；单片机内带串口控制器，通信电路仅需一片232电平转换芯片就可以实现；当然如果需要多机远距离通信，可以考虑使用485。本系统使用标准RS232；串口通信技术介绍的书籍很多，这里不详细介绍。

4 软件设计

软件采样模块化程序结构设计，最大程度实现软件复用和优化；系统由初始化程序、测试程序、设置程序、校准程序、通信程序和主控制程序组成。

4.1 初始化程序

系统为能够为未来其他仪器能复用本项目的程序，可以将ADC子程序、DAC子程序、延时1毫秒子程序、延时0.1毫秒子程序、汉字显示子程序、数字显示子程序、读键盘子程序、FLASH读写子程序打包，方便系统程序调用。

4.2 设置程序

由于需要设置的参数众多，本系统也使用模块化设计。对于需要进行数量值设置的程序统一使用子程序模式，先期可以编写大量例如setdata99、setdata999、setdata9999样式的参数设置函数，这样直接调用该函数可以有效地避开设置程序的微小差别，使设置程序不至于冗长。本系统提供参数设置和组数设置，组数设置无需密码，适用于一般操作员工使用，参数设置需要授权并输入密码，保证参数设置的正确性。

4.3 主控程序和通信程序

在模块化设计中主控程序比较简单，仪器初始化结束后进入主控程序；主控程序由一个永循环等待程序组成，在循环等待中定时读取键盘和串口的指令并按指令调用其他程序。

通信程序由一个中断和一个中断处理子程序组成，其可以访问测试结果存储的内存也可访问设置程序存储的数据；通信程序需要定义通信协议，本仪器设计使用类似PLC通信命令的格式。如表1。

通信交互发起权在PC或其他控制器，仪器仅有被动响应功能，当然仪器可以接受测试指令并上传数据，也可接受点检指令返回点检结果或接受并存从PC来的设置数据；由于需要设置数据比较多，使用PC设置数据是一个很好的功能。增加地址位为未来一对多通信提前预留。

4.4 测试程序与校准程序

一般情况下开发顺序是先编写校准程序，再编写测试程序。但在编写校准程序和测试程序时候尽可能使两者的程序一致，当然做成可复用的子程序最好。否则测试程序和校准程序中必须连同延时时间一致才能保证校准结果适用于测试结果的判断，特别是在交流参数的测试和时间参数的测试中。

校准程序在使用软校准时应当设置二级密码，软校准应该有授权才能更改，保证仪器的正常使用，校准程序使用全中文提示并在使用手册上载明校准条件，特别是交流参数校准，必须确认标准器件测试方法与交流测试模块一致。

部分产品对驱动输入的余电非常敏感，因此设计测试顺序非常重要，本系统的测试顺序如下：

（1）正向输入短路测试。

（2）正向输入反极性测试。

（3）正向关断电压测试/关断电流测试。

（4）正向导通电压测试/导通电流测试。

（5）正向输入电流测试。

（6）正向断开时间1、2、3通道测试。

（7）正向闭合时间1、2、3通道测试。

（8）反向输入短路测试。

（9）反向输入反极性。

（10）反向关断电压测试。

（11）反向导通电压测试。

（12）反向输入电流测试。

（13）反向断开时间1、2、3通道测试。

（14）反向闭合时间1、2、3通道测试。

（15）正向漏电流测试通道1测试。

（16）正向压降测试通道1测试。

（17）正向漏电流测试通道2测试。

（18）正向压降测试通道2测试。

（19）正向漏电流测试通道3测试。

（20）正向压降测试通道3测试。

（21）反向压降测试通道1测试。

（22）反向漏电流测试通道2测试。

（23）反向压降测试通道2测试。

（24）反向漏电流测试通道3测试。

（25）反向压降测试通道3测试。

（26）纠相功能测试。

（27）发光管测试测试。

（28）接口L1阻断漏电流测试。

（29）接口L2阻断漏电流测试。

（30）接口L3阻断漏电流测试。

（31）接口U阻断漏电流测试。

（32）接口V阻断漏电流测试。

（33）接口W阻断漏电流测试。

本项目当有阻断不良，其他五头依次断开并测试不良端口。

（34）缺相保护测试L1通道。

（35）缺相保护测试L2通道。

（36）缺相保护测试L3通道。

注：有直通通道该直通通道取消阻断漏电流和交流漏电流）。

5 小结

本仪器已经小批量制作生产，并用于公司的生产。其实现高精度、低价格、多功能、高效率的设计目标。本设计中所以使用元器件均为市场常见产品，价格低廉易购，本设计电路亦然可以应用于继电器类型的仪器的设计。

参考文献

[1]潘琢金，施国君编著.C8051Fxxx高速SOC单片机原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002（01）.

[2]马忠梅，籍顺心，张凯，马岩编著.单片机的C语言应用程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001（07）.

作者单位

测控电路设计与应用篇3

黄河科技学院 信息工程学院 河南 郑州 450006

摘 要:本文设计了一种压电参数测试系统中使用的恒温器。以AT89S52单片机为主控制单元，以DS18B20为温度传感器的温度控制系统。硬件电路主要包括测温电路、按键电路、温度控制继电器电路、LCD液晶显示电路，AT89S52单片机最小系统等。结合相应的控制程序，控温范围为0~400℃。

关键词 ：压电参数测试；温度控制；DS18B20

1 概述

压电材料是一类重要的高新技术材料，在信息激光、导航和生物等领域应用广泛。压电材料参数对于压电材料的性能表征有着不可估量的作用。在压电材料参数测试系统中的恒温控制器对于测量各项参数随温度的变化曲线有着重要作用。本文设计了一种以AT89S52单片机为主控制单元，以DS18B20为温度传感器的温度控制系统。恒温控制器的硬件电路，包括测温电路、按键电路、温度控制继电器电路、LCD液晶显示电路，AT89S52单片机最小系统等；软件部分主要包括主程序，读出温度子程序，计算温度子程序、按键处理程序、LCD显示程序以及数据存储程序等；最后，通过对整个系统进行调试、分析。最终实现温度采集、显示、控制等功能。

2 恒温器电路设计

本设计采用单片机和温度传感器相结合对温度进行实时采集测量及控制。温度传感器对周围的温度采集，将采集到的数据进行转换，在由单片机送给1602，同时我们也可以通过按键设置温度范围，单片机控制继电器的吸合或断开来模拟控制温度，这样温度就可以控制在我们要求的范围内，并将控制过程中相关温度信息通过LCD实时显示。整体电路如图1所示。

本设计的核心部件就是单片机系统，单片机芯片的选择与整个设计息息相关。通过对几种单片机芯片的对比从多方面考虑本设计将采用单片机AT89S52 作为整个设计的重要核心。AT89S52是低功率的高性能8位单片机，它包含8 k的可以反复删除数据的只读存储器，设备采用高密度非易失性存储技术，兼容标准的C51系统命令，芯片包含普通8位CPU和存储单元。AT89S52能够为很多嵌入式的控制系统提供可靠的解决方法。

控制电路与设计系统和芯片两个端口连接，由于在控制时芯片输出的信号比较小，所以我们考虑需要接入驱动，这样后续电路才能正常工作，考虑到系统刚上电有一个短暂的高状态，所以我们选用9012。当检测温度不在我们设定的温度范围之内，与之对应的端口就会发出一个低状态信号，此时驱动器件就会导通启动工作，这样kV的内部就出现两种不同电压，这样使整个控温电路导通，后面的温控负载就会工作对周围温度做出相应改变。如果周围的温度达到我们的要求，系统核心就会发出一个信号，这时控温电路就停止工作。

温度设置部分采用3个按钮，3个按钮对应的功能也不同。S3 被按下后设定温度值就会升高，S3与P3.6 口相接；S2被按下后设定温度值就会下降，S2与P3.5 口相接。按钮的按下与否就会影响对应芯片接口的信号状态发生变化，整个过程中产生一个停止，然后读取键盘值。

3 控制流程

利用LCD1602显示采集到的温度，设定的最低和最高温度。显示分辨率为0.1℃。当每按下一次设定温度下降按钮时，设定的温度就会加一，最高为400℃。当每按下一次设定温度下降按钮时，设定温度就会减一，最低设定为0℃。如果设置的最高温度值比采集的实时的温度值还大那么单片机就会控制对应的继电器发生动作。这样就可以是温度控制我们需求的范围内。

温度控制程序的设计应考虑如下：

①键盘扫描、键码识别和温度显示；

②温度采集、数据处理；

③越限处理。系统流程图如图2所示。

这里需要对程序进行调用，被调用的分别是显示、温度信号、按键设置、报警这几个模块的子程序。温度处理：对芯片送过来的数据进行处理和显示。LCD1602液晶显示：向LCD1602液晶的显示发送数据，控制系统的显示。按键设定：可以设定上限温度和下限，温度精度为0.1。温度传感器在采集温度前控制芯片会发出一个脉冲完成初始化。读温度子程序的主要功能是从DS18B20中读出温度数据。

4 结论

本文对压电测试系统中恒温器的硬件和软件设计的全过程进行了阐述。以单片机AT89S52 作为整个设计的重要核心，使用高精度测温传感器DS18B20，实时控温，精度达0.1℃。温度最高为400℃，最低为0℃。该恒温器能够为压电参数测试系统提供恒定的温度。

参考文献:

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[3]张彬，靳子洋，陆永耕．压电参数特性测试装置设计[J]．上海电机学院学报，2014，17(1)：11-14．

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基金项目：

测控电路设计与应用篇4

关键词： 危险气体罐车； 液位检测； 计算机视觉； 报警系统

中图分类号： TN948.64?34； TP216 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）22?0067?0

0 引 言

随着自动化测试技术的发展，采用智能测试和计算机视觉方法进行液位检测和监控，借助的物理场有超声波、微波雷达、射线及激光等，能实现高低位报警功能，在工业控制场合中，固定位置处的液位监控是保障工业控制安全的重要技术，特别是在危险光车的运输过程中，需要对危险气体罐车的液位进行实时监控和识别，通过感应元件实现对液位的准确检测，通过检测发射和接收的时延来确定液位的高度。随着计算机视觉处理技术的发展，以及图像处理技术的应用，采用计算机视觉部监控方法进行危险气体罐车的液位监控识别成为未来实现液位准确监测和定位的重要发展方向，研究基于计算机视觉的危险罐车的液位检测监控报警系统，在保障危险罐车运输安全方面具有重要意义，相关的系统设计方法受到人们的重视[1?3]。

目前，对液位的检测方法按照测量液位的感应元件与被测液体是否接触，其可分为接触型和非接触型两大类。通过人工检尺法[4?6]，加装浮子测量装置进行液位检测，微波雷达、射线及激光主要是应用在检测罐体为危险物质，将微波发射器和接收器安装在罐顶，利用超声技术并结合数字信号处理算法进行液位检测[7?9]。但是，上述设计方案因无法找到超声信号为零的位置，所以考虑使用灵敏度相同的另一液位检测传感器作为参考通道进行自适应噪声抵消，参考液位检测传感器应放置在对目标反射信号较小，更多的反映液位反射的超声信号的位置，但是对电磁波、光波等超声无法穿过的介质，液位检测的精度不高[10]，难以实现有效的监控识别和报警。针对上述问题，本文进行危险气体罐车液位监控识别报警系统的改进设计，首先进行了液位检测原理分析，构建系统装置的总体结构模型，然后进行了危险气体罐车液位计算机视觉监控识别报警系统的硬件模块化设计和软件设计，最后通过实验分析验证了本文设计的液位监控识别报警系统的优越性能，得出有效性结论。

1 液位计算机视觉监控识别报警系统的总体设计

根据上述液位检测弊端分析，进行危险气体罐车液位计算机视觉监控识别报警系统设计，首先分析系统设计的总体架构模型，系统设计包括了系统的硬件设计和软件设计部分。硬件设计中，主要是在计算机视觉环境下完成液位视觉特征的获取，并对接收到的视觉特征进行相应的处理。本系统的硬件部分主要是数据采集和数字信号处理。接收探头采集的视觉特征通过信号采集电路进行高分辨率的A/D采样，液位视觉的差异性可以通过对分辨率和采样率的大小来判断。在对液位检测的超声信号检测的基础上，设计自适应滤波器进行信号滤波，通过自适应均衡方法得到基于视觉传感器的液位检测特征，为系统设计提供了准确的数据基础。因此，采集电路的设计必须采用高分辨率，硬件电路设计中，包括确定DSP处理器型号、Visual DSP++集成开发环境、器件以及连接关系。根据I/O设备的数据采集量确定液位监控识别系统的分辨率和基线恢复性能，采用ADI公司的ADSP21160处理器系统作为计算机视觉监控识别的主控芯片，数字信号处理器主要完成对整个硬件系统的电路控制，根据设计的功能指标得到本文设计的监控系统的计算机视觉的像素值的系统最低采样率为1 024 MHz， 则DSP的最低速度应大于[25×20=500 MHz]。

在进行罐体液位监控中，研究的罐体的厚度分别为5 mm平面罐体，20 mm平面罐体。由于本文构建的系统是一个高采样率的数据采集系统，在进行液位监控识别报警中，需要利用C8051F处理器发射频率为120 kHz左右的脉冲序列，作为原始声信号数据存入计算机系统，以此进行监控识别，根据上述描述，得到系统设计的模块构架如图1所示。

2 系统的设计与实现

2.1 硬件电路设计的指标分析

在上述进行了危险气体罐车液位计算机视觉监控识别报警系统的液位检测原理分析和系统设计总体构建描述的基础上，进行系统的硬件设计，系统的硬件模块主要包括了超声信号A/D采样电路、时钟电路、滤波电路、程序加载电路和电源电路等。系统的设计指标描述如下：

（1） 危险气体罐车液位计算机视觉监控识别报警系统的输出信号幅度

（2） 监控系统的整体功耗

（3） 计算机视觉监控接收机采样率不低于12 MHz；

（4） CAN总线对无液状态采集数据采样分辨率不低于8位；

（5） 有液状态采集数据中具有高压控制功能；

（6） 具有基线恢复功能。

根据上述设计的指标，进行硬件模块化设计。

2.2 系统硬件模块化设计与电路实现

首先设计图像信号A/D采样电路，A/D采样电路是实现罐车液位计算机视觉监控识别报警系统设计的基础，通过A/D采样电路上传图谱数据，使用AD公司一款高性能A/D芯片AD9225对上一个缓冲区数据进行峰值检测，利用A/D芯片内的采样保持器和参考电压进行计算机视觉特征监测和液位脉冲数据采样，结合视觉特征在危险气体罐车中传播可以进行信号转换，通过A/D采样电路转化为计算机视觉监控系统能识别的数字信号，A/D芯片通过时钟把脉冲信息输入到罐体液位监测系统的中央处理单元，数字输出包括12位数字输出和一个溢出指示位，采用多样化的数据捕捉和传送模式，罐车液位计算机视觉监控识别报警系统的PPI的所有操作与A/D、D/A转换器、视频编码/解码器进行并行串口通信，由此实现控制信号的无帧同步、内部触发。根据上述设计，得到罐车液位计算机视觉监控识别报警系统A/D采样的时序逻辑如图2所示。

罐车液位计算机视觉监控识别报警系统的输入超声信号采用的是单端输入，耦合方式可以是交流耦合，通过上述逻辑结构，构建A/D采样电路如图3所示。

图4中，WDO引脚产生的超声波将发生反射纵波（或横波），利用多层介质中超声波的传播规律进行计算机视觉监控识别，实现对罐体液位状态的检测。

2.3 软件算法的设计

由于是单峰液位突变特征，因此，可结合角点检测的特点，利用Harris角点检测方法能够实现丙烯聚合过程中非正常液位的检测和识别。角点能够描述液位图像中两个边缘的相交点，Harris角点检测方法主要通过液位图像中的特征点形状进行非正常液位的检测和识别，即使液位的颜色发生变化仍能进行有效的检测。

设置液位图像[I（x，y）]，对其进行平移[（Δx，Δy）]后图像具有自相似性，这种自相似性能够用自相关函数进行评价，其公式如下：

[c（x，y；Δx，Δy）=（u，v）∈W（x，y）ω（u，v）[I（u，v）-I（u+Δx，v+Δy）]2] （1）

式中：[W（x，y）]为以[（x，y）]为中心模板的窗口；[ω（u，v）]为加权函数，可以将其设置为常数或者高斯函数。对泰勒公式进行展开，能够得到：

[I（u+Δx，v+Δy）≈I（u，v）+Ix（u，v）Δx+Iy（u，v）Δy =I（u，v）+[Ix（u，v）Iy（u，v）]ΔxΔy] （2）

则：

[c（x，y；Δx，Δy）=ω（u，v）[I（u，v）-I（u+Δx，v+Δy）]2 ≈[Ix（u，v）Iy（u，v）]ΔxΔy2ω（u，v） =[Δx，Δy]M（x，y）ΔxΔyω（u，v）]（3）式中：

[M（x，y）=Ix（u，v）2Ix（u，v）Iy（u，v）Ix（u，v）Iy（u，v）Iy（u，v）2=ACCB] （4）

因此，对液位图像进行平移后得到的自相关函数能够近似于下述二次项函数：

[c（x，y；Δx，Δy）≈[Δx，Δy]M（x，y）ΔxΔy] （5）

进而能够得到丙烯聚合过程中液位的视觉方程：

[Δx，ΔyM（x，y）ΔxΔy=1] （6）

图像中液位图像的尺寸是由[M]矩阵的特征值决定的，特征值能描述液位图像中灰度变化的速度和方向。Harris角点法无需对[M]的特征值进行计算，只要计算出一个角点的响应即可，其计算公式如下：

[R=detM-α（traceM）2] （7）

式中，[α]为经验参数，通常取值为0.04～0.06。利用上述方法取得的全部Harris角点，计算全部的角点纵坐标的均值进行计算即可得到实际的液位高度，从而实现丙烯聚合过程中非正常液位的准确检测与识别。

3 系统软件开发仿真环境描述和系统调试结果分析

危险气体罐车液位计算机视觉监控识别报警系统的软件开发建立在嵌入式Linux开发系统基础上，系统软件需要实现的功能包括危险气体罐车液位超声采集、能谱测量、计算机视觉图像控制、CAN通信以及A/D采样E2PROM烧写。SPI E2PROM AT25HP512用于DSP的程序加载，正确配置DSP的SPI寄存器，采用DIP封装实现程序加载，根据上述软件开发环境，发送WREN指令直接通过烧写器烧写，进行危险气体罐车液位计算机视觉监控识别报警系统的仿真测试。首先采用层次聚类方法在计算机视觉环境下进行液位状态数据采集，然后进行信号转换，得到有液状态和无液状态下的采集结果如图5所示。

对上述原始数据进行信号处理，采用自适应滤波电路进行有用信息提取，得到提取结果如图6所示。

监控识别，由图6可见，采用本文设计的系统进行危险气体罐车的液位检测，在计算机视觉下能实时准确检测液位值，实现准确的监控识别和报警，性能可靠稳定。

4 结 语

本文进行了危险气体罐车液位计算机视觉监控识别报警系统优化设计，利用不同液位状态下声波在不同罐体环境中的传播特征的差异性，进行声波在不同罐体环境中的传播的差异性特征提取，判定液位状态。进行系统的硬件设计和软件设计，包括A/D采样电路、时钟电路、滤波电路、程序加载电路和电源电路等。通过危险气体罐车液位检测系统输入的参考信号对有液和无液的状态进行区别检测，采用计算机视觉监测方法，进行危险气体罐车液位内部状态特征的视觉监测。研究表明，该系统具有较好的液位检测性能，实现危险气体罐车液位的有效监控识别报警，具有较好的应用价值。

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测控电路设计与应用篇5

【关键词】在线测试；电容；FPGA；PCB检测

PCB在焊接完成后，需要对其元器件进行测试，传统的方法是将其焊离PCB板后测试，但该方法不仅麻烦、效率低，并且容易损伤电路板而极不实用；另一方法就是人工结合机器进行测试，但这需要测试人员有一定的经验，也给测试带来了一定的不确定性，使得测试结果的精准度无法达到现代电路板的可靠性要求。所以，本文研究了一种可行的、简单实用及高精度的电容在线测试电路。另外，随着EDA技术的快速发展，FPGA以其高集成度、高可靠性及灵活性等特点正在快速成为数字系统开发平台，在多种领域都有非常广阔的应用前景[1]。本设计结合上述两特点，设计了一种基于向FPGA内植入Nios II嵌入式软核作为控制器的电容在线测试电路。

1.测试原理

在线测试的基本思想是应用电气隔离技术，将被测元器件在电气上和与其相连的元件隔离，进而一一检测PCB板上的每一个元件。隔离方法如图1所示。

设待测元件为Zx，周围与之相连的元件阻抗等效为Z1、Z2，并将其另一端与测试电路同地。因为运放正向输入端接地，根据“虚地”原则，Z2两端等电位，都为地，即Z2被隔离；另外Vi为理想电压源时，内阻为零，Z1可视为电压源的输出负载，不影响Zx上电压降，即Z1也被隔离[2]。即：

可见，只要确定输入，测得输出结果，就可计算出被测元件的大小。

2.电容测试电路的硬件设计

电容在线测试的硬件电路如图2所示。

R2、C1和U1共同构成一个反向积分器[3]，为减少运放振荡的可能性，所以采用反向输入。R1的作用是使有内部相位补偿的运放开环特性与积分电路的频率特性相同，保证一定频率范围内开环增益与频率无关。Header2为被测电容的接入插槽。Z1、Z2是与被测电容相连的干扰阻抗。被测电容同U2和R8-11一起构成微分电路[4]。小阻值R3起限制输入电流的作用，亦即限制了R8-11中的电流。小容量C2起相位补偿作用，提高电路的稳定性[5]。

另外，在器件的选择上，运放选用LM318，对于C1和C2，应选用绝缘电阻大的薄膜电容，不宜用铝电容或钽电容，本设计选用的是聚丙烯电容[5]。

当Vi为一正弦信号时，积分器的输出为：

当被测电容为Cx时，微分器的近似输出为：

可见，在正弦信号的激励下，R8-11选择合适，就能得到正比于被测电容Cx的输出电压Vv_out，继而可以算出被测电容值。

3.信号源电路

电容测试需要在测试电路输入端加交流信号，并且要求频率可调。本文采用DDS专用芯片AD9850进行交流信号源的设计。AD9850内部有40位控制字，其中32位用于频率控制，5位用于相位控制，1位用于电源休眠控制，2位用于选择工作方式。这40位控制字可以通过并行或串行方式接入到控制器FPGA，本文采用串行装载控制字，以节约I/O口，图3为控制字的串行加载时序图。

串行输入方式，在W_CLK上升沿把数据位D7的一位数据串行输入，当输入40位后，用一个FQ_UD脉冲即可更新输出频率和相位[6]。图4为DDS硬件电路图。

其中，D0～D7为八位数据输入端口，给内部寄存器装入40位控制数据，本文采用串行输入，所以只用到D7位与FPGA相连；CLKIN为外部参考时钟输入，本设计采用100M外部时钟输入；W_CLK为字输入信号，上升沿有效；FQ_UD为频率更新控制信号，时钟上升沿确认输入数据有效；VINP和VINN分别为内部比较器的正负输入端；IOUT为内部DAC输出端；IOUTB为“互补”DAC输出端；AVDD和DVDD采用+5V供电。IOUT输出信号经过滤波器后作为测试电路的激励信号。

4.测试结果与结论

经过上述系统设计，试验测得的结果如表1所示。

结果中*表示数据不停变化或者结果超出量程。

通过上述实测值与标准值的比较可以看出本文设计的由FPGA控制的电容在线测试系统具有多量程自动选择，测试精度高，使用方便等特点，测试范围达到0.01?F～3?F。经理论分析和试验证明，该设计具有很强的实用性和可靠性。

参考文献

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该研究为湖南工学院2012年校级科研项目“基于IEEE1149.4标准的混合电路边界扫描测试系统的设计”（编号：HY12002）。

测控电路设计与应用篇6

关键词：智能电网；配电线路；监测诊断系统；配电自动化

中图分类号：TM247 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）16-0115-02

1 智能电网及智能输电概述

智能电网是以双向高速的、集成的通信网络为基础，利用先进的测量技术和传感技术、先进的决策系统、完善的控制方法来经济、安全、可靠、高效地进行电网的使用，因此也称为电网的智能化。智能电网主要的特点包括激励、自愈、抵御攻击、容许接入不同的发电形式以及促进资产和电力市场的高效优化运行。相比于传统的电网，智能电网具备了坚强的电网技术支撑体系和基础体系，能有效防御各种外部攻击和干扰，能接入大量的可再生能源和清洁能源，且能通过传感器技术、自动控制技术、信息技术与电网基础设施的融合，能对电网可能的故障及时发现，防止大面积停电现象的出现，使得电力设备的使用效率有效提高，电能损耗大幅度降低，从而使得电网的运行更加高效和经济。电力系统中配电线路的智能输电一般包括以下两方面：一方面，能广泛应用直流输电和柔流技术来对现有的电网资源进行充分利用，从而使得配电线路输送能力和稳定性提高，促进电网运行优化的同时使得输电成本降低。另一方面，配电线路能够建立起涵盖全国范围的能源输送及配电线路监测诊断系统，能对设备运行状态和微气象信息进行及时采集，促进电网配电线路输电效率的提高。

2 智能电网在配电线路中的应用

2.1 基于智能电网的配电线路监测诊断系统

智能电网配电线路在线监测与故障诊断系统由监测信息、通信网络、线路检测分机、地市局电网公司、省电网公司以及国家电力总部组成，此系统将多个检测设备的功能进行了综合，能够对影响风偏、绝缘子污染、导线温度、舞动、覆冰雪、杆塔倾斜和杆塔防盗等信息进行及时的采集。利用GPRS通信功能来将采集信息向地市局电网监测中心发送，电网监测中心人员分析相关的监测信息，按照配电线路智能算法的不同和实验结果得出功能不同的监测判断。智能电网配电线路在线监测与故障诊断系统能对配电线路设备运行状况和微气象信息进行及时全面的监控，系统的设计包括监测主分机和监测副分机，其中监测主分机主要进行设备运行状态参量、微气象信息的采集以及温度数据和节点加速度的无线传输。主要组成模块有微气象监测单元、微处理器、杆塔监测单元、绝缘子监测单元、GPRS通信模块和电源模块等。监测副分机主要进行节点加速度及导线温度的无线传输和采集，主要组成模块有温度传感器、加速度传感器和电路等。此系统以智能电网为基础，通过GPRS无线通信和ZIGBEE无线网的有效结合，使得配电线路在监测过程中数据传输引入的难题被解决，尤其是导线监测数据的传输与采集问题，从而成功实现了电网系统中配电线路运行状态的在线全面监测与故障及时诊断解决。

2.2 基于智能电网的配电线路多功能电能表

以智能电网为基础的配电线路多功能电能表主要是根据电能计量芯片加微处理器的方案来进行设计的。其主要组成结构有监控与计量传感器、用户标准计量设备、电能计量芯片和RS-485转换器等，此电能表能使得电力系统中配电线路实现电能计量、参数显示和计量监控等功能。其中计量和显示模块通过电能计量芯片的利用来进行用户消耗电能和电气参数的精确计量和采集，然后在微处理器中输入标准结果进行判断和运算。而且，微处理器的外部设备能将这些电参数实时显示；配电线路的配电监控模块利用RS-485总线来采集电能参数，通过微处理器分析软件来对采集到的数据进行比较和分析，以判断配电线路中有无违章用电现象。基于智能电网的配电线路多功能电能表中的计量芯片一般使用AITT026A，它是一种精度较高的三相电能计量芯片，有一个串行口，该芯片功能全面且精度较高，在配电线路合相和分相状态下都能精确地计量视在功率、无功功率和有功功率等电能参数，一般在三相电路中功率因数、有效值、能量和功率测量中应用广泛。应用智能电网所设计的配电线路多功能电能表，不仅能实现多种电气参数的计量和采集，还能实时监控用户的用电数据，有效地避免和控制窃电现象，使得电力系统的用电和售电实现合理化和公平化。

2.3 基于智能电网的线路配电自动化

基于智能电网的线路配电自动化改造是一项比较复杂和庞大的工程，该工程主要包括电网配电自动化终端系统、主站系统和子站系统的设计。主站系统主要由配电SCADA主站系统、配电AM/GIS/FM应用子系统和配电应用软件子系统组成。其中配电应用软件子系统主要是在配电线路的智能自动化改造完成之后，为了使得系统的技术标准满足要求，对配电线路智能自动化中关键系统的故障诊断和恢复功能进行调试。由于配电线路具有涉及面广、监控设施多的特点，配电主站无法和线路中的所有监控设施直接连接，因此需要在线路中配设中间级，也就是配电线路子站系统。子站系统能实现监控设备、环网柜和柱上开关的管理，使得配电线路馈线合闸、馈线监控和数据采集等功能得以实现。电网配电线路自动化的终端系统主要是对配电变压器、开闭所和柱上开关等进行监控，与主站系统和子站系统互相配合以保证配电线路的优化可靠运行。基于智能电网的线路配电自动化改造使得电网配电线路的运行状态得到及时的监控，促进了电网调度可靠安全性的提高，为配电线路的进一步智能化创造了条件。

3 结语

现代科学技术的发展以及电力系统的不断改革创新使得配电线路的运行也趋于智能化，本文首先对智能电网及输电智能化的定义和特点做了讨论，在此基础上，从基于智能电网的在线监测与诊断系统的实现、多功能电能表的设计和配电自动化的改造三个方面阐述了智能电网在配电线路中的应用，对于提高智能电网运行的安全可靠性、促进电网智能化的进一步发展意义重大。

参考文献

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测控电路设计与应用篇7

关键词：电力开关柜；智能控制器；设计要点

对于电力开关智能控制器而言，其核心是应用了智能化技术，例如通信技术、数据处理技术和计算机技术等，在原有电力开关柜的基础上，对其进行了合理改进，对控制器的部分性能进行了优化，让其在实践应用中，具备智能化和自动化的控制能力，在此基础上，通过这些先进技术的应用，还极大的提高了这些控制器运行的安全性和稳定性，有利于其以后的发展。

1分析电力开关柜的智能控制器应用现状

1.1分析自动检测作用的发挥

对于智能控制器在开关柜中的使用，其显著的功能就是对电力系统进行监测，业内人士都清楚，电路器是电力系统中一个非常重要的元件，如果该元件内部出现故障，在很大程度上就会导致供电质量的下降，实际供电效率的下降等，针对这一情况，技术人员的仔细分析，可以在断路器中安装智能控制器，在实际运行过程中，该智能控制器可以对断路器的流经电流大小、磁场结构、触头磨损量、开关次数等进行准确监测，收集这些方面的数据信息，准确对断路器的使用寿命，当前的运行情况等进行综合判断，保证电力系统和断路器安全有效的运行。

在数据监测过程中，不仅可以对电流和电压等进行数据监测，还可以对电容数据进行搜集，如果系统运行过程中，电容出现问题，数据发生严重的变化，断路器就不能正常工作，直接会对整个电力系统的供电质量造成影响，针对这一情况，要合理的使用电力开关柜的智能控制器，有效监测合闸电容和分闸电容，在此基础上，还要及时进行处理，保证断路器正常的工作。

通过对电力开关柜进行智能化的控制，还能对系统自身的运行情况进行监测，例如当监测中某个构件出现故障或异常时[1]，在控制器中的智能自检模块就会发生很好的作用，可以有效检测与之对应的芯片与通信回路等，进而及时将故障位置确定，为后期技术人员的维修提供了宝贵的时间，智能化的控制原理图如图1所示：

1.2分析智能控制器的智能操作作用

对于控制器而言，其基本的作用就是操作功能，利用对模块的控制，以及相关的自动监测模块，都可以完成其只能操作作用的发挥，在自动监测模块中，其能够很好对电容水平、合闸电压、断路电路等进行监控，如果发现存在异常情况，监测系统就会发出警报，而在控制器中心检测处理模块中，就会发出对应的操作命令，从而直接进行智能化的控制。例如在实际使用中，结合实际情况，可以对断路器同步关合次数等进行调整，保证其准确性和同步性，这样就可以很好的降低系统出现空载情况的概率，最终保证电力系统和断路器安全稳定的运行，延长各个元件的使用寿命，发现问题及时报警，为维修人员赢得时间，避免问题进一步扩大化。

2分析电力开关柜的智能控制器设计要点

2.1对智能控制器的设计原理进行分析

对于在电力开关柜中的智能控制器而言，属于其保护装置，可以有效对电力系统断路器进行保护，与此同时，该装置也是其技术核心，因此在实际应用中，相关技术人员必须综合对智能控制器进行考虑，掌握其保护和调控功能，除此之外，在设计过程中，应该技术引入当下的先进技术，优化系统设计，提高其实用性，最终实现电力开关柜的智能控制器的自动监测、智能操作、主动保护等功能。在设计的过程中，必须保证这些设计功能和设计原则，否则满足不了市场需求，智能开关控制器组成模块如图2所示。

2.2分析设计自动检测的技术

在对这方面进行设计时，要考虑到传感器的灵敏性，在使用过程中，该元件能很好的监测电压信号参数、电流信号参数等，在应用中事先要设置好程序，合理设置上限数值，如果信号参数发生的变化超过标准范围时，尤其是在不同环节中的特征信号时，可以有效对其进行监测和反馈，对系统自身情况有一个合理的判断，保证系统运行的安全性和可靠性，图3就是自动监测单元结构设计的原理，希望可以参考进行分析。

在设计过程中，还应该对智能操作单元进行设计，保证各个结构设计的合理性，主要依靠数据处理技术，以及计算机技术，然后再利用开发的软件，有效接收信息数据，并对这些数据进行处理和分析，对相关元件进行控制，有目的的进行控制操作，促使电力开关柜的智能控制器对自身运行状态进行智能化判断。

在很多开关柜智能控制其设计中，还使用单片机和CPU等元件，导致控制器成本较高，而且内部线路设计较为复杂，针对这一情况，在设计过程中，引入了专用集成电路，同时改进设备的抗干扰性，除此之外，在研发过程中，计算机技术也很重要，加强对网络控制软件的开发，有效提高控制器硬件质量的同时，加强对网络软件的开发和研究，对接口进行优化，简化整体的设计情况，大量缩减了电路复杂度，优化了整个设计流程，降低了发生故障的概率。

总结：通过以上对电力开关柜的智能控制器应用现状及设计要点的分析，发现其作用非常重要，可以对各个系统运行情况进行监测，收集相关数据，保证其正常运行，但是还存在一定问题，例如线路较多，连接容易出现问题，元件成本较高，不利于长期发展，因此在以后的设计和开发中，要积极采取措施进行解决，对其设计与应用方法等的创新。

参考文献：

测控电路设计与应用篇8

关键词：太阳能；光伏发电；充放电控制；逆变

中图分类号：TM615

能源是经济、社会发展和改善人民生活的重要物质，能源问题是一个国家发展的关键[1，2]。石油、煤炭资源的减少，环境污染问题的日益严重，使得发展新能源和可再生能源刻不容缓。太阳能是丰富的可再生能源，充分利用太阳能可以保持人与自然的和谐发展。人类早期对太阳能的利用主要是光和热，光伏发电技术的兴起为太阳能的应用开辟了广阔的前景，受到各国政府的重视，自90年代以来，太阳能光伏发电广泛应用于航空航天、通讯、交通和偏远地区的居民用电等。近年来，太阳能光伏发电始终保持30%-40%的年增长量，被誉为全世界增长最快的能源。在不远的将来太阳能光伏发电将会成为世界首要消费能源。对比国际光伏发展的大环境，世界光伏产业每年以31%的速度发展，而我国的光伏产业每年只有15%的增长率[3]，因此，开展光伏发电研究项目，拉动我国光伏产业快速发展事在必行。

1 硬件系统设计

本文设计的小功率太阳能光伏交流发电系统由太阳能电池板模块、蓄电池、充放电控制电路、液晶显示电路、逆变器电路组成。太阳能电池通过光生伏打效应将光能转换成直流电能，充放电控制器控制直流电能对蓄电池充电和蓄电池对外放电，并对电池电压、输出电流进行测量，送出显示，同时充放电控制器还控制蓄电池的过放，过流保护以及过放、过流恢复。蓄电池输出的直流电流通过逆变器和工频变压器得到220V±5V、50±2HZ的交流电，为负载供电[4]，系统组成原理图如图1所示。

图1 系统组成原理图

单晶硅太阳能电池是按一定结构排列的P-N结，根据光生伏打效应的原理，将光能量转换成电能。充放电控制器的核心器件为蓄电池充电控制芯片UC3906和单片机STC12C5410AD。由文献[5，6]可知，UC3906内置有电压、电流检测与比较电路，以及独立的电压控制回路和限流电路，具有蓄电池最优充电需要的控制和检测功能，充电过程分为大电流充电、恒压充电、浮充充电，与理想的蓄电池充电曲线相近[7]，UC3906充电状态曲线如图2，更为特殊的是它的充电特性受温度系数的影响与蓄电池一致。UC3906控制电路设计如图3所示。

图2 UC3906充电状态曲线

STC12C5410AD除具备一般单片机的功能外，还内置有八路AD，STC12C5410AD利用内置的ADC对蓄电池电压、充放电控制器输出电流测量并送出显示，同时，对电池电压和输出电流进行监测，当出现过放、过流时，STC12C5410AD控制输出继电器关闭；当电池电压和输出电流恢复正常后，又重新启动输出继电器，这样可以保护蓄电池，过流、过放在系统设计时设计有相应的指示灯指示和蜂鸣器报警。

图3 UC3906控制电路

液晶显示电路主要采用基于ST7920控制器的液晶模块SMC1602A及相应的简单电子器件构成，其中，液晶SMC1602A具有16条口线，具有可选择的4位、8位位流处理能力，采用4或8位并行数据传送，传送速度快，功耗相对较低，能满足系统设计要求。逆变器由集成SPWM逆变芯片EG8010、IR2110驱动电路[8]、全桥逆变电路、工频变压器构成。驱动全桥电路设计如图4所示。全桥逆变电路开关管型号为IRF3205，耐压值55V，电流110A，IRF3205内阻小，因而开关管自身损耗较低。

图4 驱动、全桥电路

2 系统软件设计

本系统程序流程如图5所示，采用C语言设计程序。编程思路为：利用STC12C5410AD内置的两路10位ADC分别实时监测蓄电池电压和充放电控制器放电电流，除了对测量的电压与输出电流的结果送出显示，还根据测量结果控制输出继电器开关并给出报警信号，从而保护蓄电池。

图5 系统程序流程图

3 系统测试

3.1 充放电控制器测试

表1 充放电控制器的测量数据

表1所示参数说明充电电流与太阳能电池短路电流相近，正常充电时此太阳能光伏交流发电系统能充分地利用太阳能电池的功率。系统的充电效率高，平均可达90%以上，充电损耗主要来自电流检测电阻、晶体管、整流二极管。采用低导通压降的晶体管和整流二极管，可有效减小损耗。

3.2 逆变器参数与功能检测

测试方法：观察输出波形时，使用两根衰减10X的示波器探头串联，并在示波器中设为20X的衰减率；电压、电流均采用数字万用表直接测量；切换负载开关选择改变负载，分别测量并记录数据。不同负载下的输出波形如图6、7。

图6 空载时的输出波形图

图7 负载为5W节能灯的输出波形图

表2 不同负载条件下逆变器的参数

由图6、7的波形及表2中的数据总结如下：随着负载增大，逆变器输出波形稳定，没有发生明显畸变，频率变化量为0.1HZ，高于设计要求的50±2HZ，逆变转换效率增高，但电压下降幅度偏大，输出功率超过15W时已不能满足220±5V的设计要求。

4 结束语

本文介绍了一种小功率光伏交流发电系统的设计，并对所设计的电路进行了功能、性能测试，经测试设计系统性能指标基本达到设计要求，具有电流、电压实时显示，过放、过流保护及恢复、反接、短路保护，过充保护等功能，在输出功率不超过15W时，逆变输出的正弦波畸变小，电压、频率稳定，逆变效率可接近88%。

参考文献：

[1]杨金焕，陈中华.21世纪太阳能发电的展望[J].上海电力学院学报，2001（04）：23-28.

[2]李芬，陈正洪等.太阳能光伏发电的现状及前景[J].水电能源科学，2011（12）：188-192.

[3]周志敏，纪爱华.太阳能LED照明技术与工程应用[M].北京：人民邮电出版社，2011：70-73.

[4]全国大学生电子设计竞赛组委会.第九届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编[M].北京：北京理工大学出版社，2009：3-3.

[5]路秋生，赵红，唐继芳.采用UC3906的开关型铅酸蓄电池充电电路[D].北京：北京信技术学院，2006.

[6]李兵.基于UC3906的免维护铅酸蓄电池智能充电器的设计[D].安徽：安徽农业大学，2005.

[7]杨振华.铅酸蓄电池知识培训资料[D].陕西：陕西凌云蓄电池厂，2006.

[8]刘风君.正弦波逆变器[M].北京：科学出版社，2002：8-11.

作者简介：进（1986-），男，江苏海安人，硕士研究生，从事图像处理及应用、电子系统设计的研究；通信作者：吴艳（1980-），女，湖北天门人，博士，从事图像处理及应用、电子系统设计的研究。

作者单位：广西科技大学电气学院，广西柳州 545006