版权信息 主管单位：中国电力企业联合会 主办单位：中国电力教育协会 国际标准刊号：ISSN 1007-0079 国内统一刊号：CN 11-3776/G4 联系我们
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双电源电压监测装置的设计与实现
摘要: 双电源普遍存在于消防电力、金属冶炼、矿井生产等对用电安全要求较高的场合中，对双电源的每相电压进行监测，保证主电源和热备用电源的正常，是确保生产安全和人身安全的重要保障，利用双电源电压监测装置进行电压监测是进行双电源监控的重要手段。本文应用单片机和相应的电子器件设计了一款双电源电压监测装置，可以在工作过程中对双电源的电压运行情况进行有效的监控和记录，对保障系统用电安全有很大的帮助。 关键词：硬件结构；电压监测；采样电路
一 装置的主要功能和特点。
本文研究的双电源电压监测装置可以对双电源的主电源和备用电源的各相电压进行实时监测，其采样周期可以人为设定，采样数据可以按照需要进行存储和调用，并具有基本的缺相和电压超限报警和故障记录等功能，该装置兼容串口通讯并具有GPRS无线通讯功能，可以和远程服务器进行通讯。装置电源取自两个电源，互为备用保证了装置的持续供电，提高了装置的供电可靠性。
二 双电源电压监测装置的硬件电路设计。
1、电压监测装置的整体结构。
图2-1 双电源电压检测装置的硬件结构
双电源电压监测装置的硬件结构如图2-1所示，单片机是整个装置的控制核心，主要负责数据处理、运算和整体协调控制功能，微机处理器采用TMS320F2806芯片，其运算执行速度快，具有较大的运行内存和数据存储空间，自带16个模拟量监测通道，并带有串行通讯接口，具有很高的性价比；[1]串口芯片和GPRS通信模块完成与上级控制设备的通讯，接收上级指令并完成数据上传；[2]看门狗电路用于处理器程序运行监测和故障复位；电源模块负责系统供电；电压检测电路和信号调整电路完成了电压信号的采样；键盘和显示器用作本地监视和参数设置；时钟芯片用于系统程序的时序控制；外设存储器是存储空间的扩展。
2、采样电路设计。
系统的电压信号经电压互感器转换，经过降压、滤波等处理后输入到控制器中。采样电路主要包括信号调理电路、同步方波变换电路和模拟量信号采样电路三部分。
2.1电压信号调理电路。
图2-2 电压信号调理电路
信号调理电路（如图2-2所示）将较高的系统电压转换为适合芯片检测的电压信号。图中Ua为电网的一相电压信号，Uaa为调理后的输出信号，VZ为基准电压。该电路采用TV31C-02电流型电压互感器，其检测精度高，输入输出均为毫安级信号，使用过程中需在输入端串接限流电阻，输出端并接分压电阻进行信号转换。然后通过运算放大器对信号进行放大处理，并通过对R6、R7两个反馈电阻的调节，在输出端得到合适的电压信号。
2.2 同步方波变换电路。
图2-3 同步方波变换电路
为保证工频周期中具有固定的信号采样频率，并确保采样点在相同周期内，则必须保证采样频率和输入波形尽可能同步。同步方波变换电路（图2-3）可以把调理后的电压Uaa转换成相同频率的方波信号输送到引脚CAP，DSP则可以通过计算的电网频率对采样周期进行实时调整，从而保证同步性。
2.3 模拟量信号采样电路。
图2-4 模拟量转换模块结构图
采用集成模拟量通道的处理器芯片对信号进行采样处理，省去了外围的模数转换芯片，简化了电路结构，使芯片资源得到节约。TMS320F2806芯片的模数转换芯片的采样分辨率为12位，转换速度为6.25MSPS，模拟量输入接口有16个，采样保持器有2个、A/D转换器一个，应用定时器自动触发方式，可以对两个电源6个电压信号进行同时采样，并对采样结果进行记录。图2-4为模拟量转换模块的结构图。[3]
2.4 装置电源设计。
图2-5 装置电源结构图
电源是装置正常工作的基本保证。图2-5为装置的供电电源结构图，本装置采用被检测电源的母线作为供电电源，电源主要包括变压器、整流部分、滤波部分和稳压调整部分组成。为了防止一路电源出现问题导致装置不能工作的情况发生，装置从两个电源同时取电，分别经过变压器降压，并分别经过二极管整流电路整流，为加强电源的可靠性，防止两个电源之间形成环流，在两个直流电源每相串接单相二极管之后再进行并联，互相作为热备用，并联后的电源经电容滤波电路滤波滤去交流成分形成连续平滑的直流电压。经过处理后的支路电压通过LM2576构成的稳压电路，分别转换为5V和3.8V的直流电压。其中，3.8V电压作为GPRS无线通讯模块的电源，5V电源一方面直接为串口通讯模块、LCD显示电路以及蜂鸣器供电，另一方面经过两路LM1117降压处理为3.3V和1.8V后，为DSP的外围电路和内核供电。
2.5 人机操作接口设计。
装置外接四个独立式按键与单片机相连，当按键按下时，通过判断相应接口的电压，实现一定的功能，完成对装置的简单操控。同时装置选用思维串行段式液晶显示模块用作状态和数据信息显示，通过与按键配合使用，可以对处理器和存储器信息进行调用。
2.6 装置通讯部分。
为了方便装置和外部设备的数据交换，监控设备外加了RS485和RS232串口通讯接口，可以对设备进行实时监控、调取存储器中的历史测量数据和报警数据，为电源分析管理提供基本的数据支持。此外，外加的GPRS通讯模块使装置具有远程通讯功能，方便远端服务器对设备状态进行监控，获取电源信息。
三 电压监测装置的软件设计。
1 主程序结构。
图3-1 电压监测主程序框图
电压监测装置的主程序框图如图3-1所示。装置得电后首先要对系统进行初始化，首先InitBoot函数检查芯片输入输出引脚的状态，确定需要进行的引导模式，然后系统根据判定结果执行初始化程序，对全局变量以及工作状态等进行设定，之后执行主程序。然后在主程序中对系统参数进行初始化，对输出端口状态初始化，对外设扩展中断参数初始化，对系统外设包括时钟、通讯参数、中断、模数转换模块以及人机接口等设备进行初始化。之后进入中断程序，进行信号采样、处理、储存、发送以及外部显示等操作。在程序调用过程中，通过定时访问程序标志位的值确定子程序的调用时机，当子程序的标志位为1时，该子程序被调用，子程序功能执行完毕以后标志位清零，然后对下一子程序的标志位进行判断，若标志位为0，则不执行该子程序，直接对下一程序段进行判断。根据标志位定时调用子程序，避免了因为执行模块为准备好导致的程序长时间就地等待的现象，使程序运行的稳定性得到提高。[4]
2 数据采样子程序结构设计。
图3-2 数据采样处理子程序
在该装置中，为了能够在一个工频周期内采样相同数量的电压值，系统采用定时器中断调用采样程序的方式。在数据转换完成以后，处理器芯片自动运行数据采样处理子程序，对电压采样值进行读取。由于实际电网的频率是不断变化的，因此采样时间也要随电网周期变化，每次完成捕捉都会根据采样结果重新对中断定时器进行赋值，对模数转换的采样间隔进行调整。对于采样得到的数据根据需要进行分析、处理和存储。
3 其他功能模块。
根据需要对按键功能在程序中进行设置，并在显示屏上对两个电源的电压进行显示。当系统出现故障时，通过报警程序发出报警信息，在屏幕上显示，并通过蜂鸣器发出。此外，按照相关通讯规约编写通讯程序，根据需要向系统其他装置和远程服务器发送电压信息、装置运行状态以及报警信息等数据内容。
四结论。
本文应用单片机芯片和相关的电子元器件完成了双电源电压监测装置的设计，可以对双电源设备电压进行有效监测，但其在整体上还存在很多不足，需要进一步完善。如装置采样的精确度和采样频率的提升，以及对主程序进行优化，提高程序的执行速度，提出新的数据处理算法，优化采样数据处理方式等方面，另外，随着以太网的发展，装置可以增加以太网通讯接口，从而方便与其他设备的组网。此外，随着仪表智能化的发展，一个仪表可以完成多项功能，电压监测装置也可以同时实现电源谐波的监测、以及系统运行电流的监控。随着技术的不断发展进步，电压监测仪表的性能必然不断提升，功能也逐步得到完善。
参考文献：
[1] 朱祖涛,茅大钧,毛静涛.新型电力监测仪表及设计基础[J].上海电力学院学报,2001,(9):65-68
[2] 马安平等.232串口实现多机网络通讯的原理与设计[J].黑龙江大学自然科学学报,1996,16(2):66-68
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