多功能电量控制器的设计 - 工业/测控 - 电子工程师俱乐部

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<strong>1 多功能电量控制器的结构与功能</strong>

多功能电量控制器是一种为配电系统、自动化控制系统配套使用的智能控制器，用于监测电路中电压、电流、功率因数等参数，配合电动控制的低压电器可以实现对电路的自动控制，根据要求可以提供各种保护功能。作为一种模块化的产品，给电气设计人员及实际应用者带来极大的方便。

对系统中需要被监控的支回路或来自供电、用电的各电气参量进行实时监测，自动跟踪被监控电路的变化，自动优化选定供电、配电方式。提供与计算机通讯的接口，为此可以由计算机管理有关信息的输入、输出、指导设备工作的计算功能，使设备及应用具有较高的性能和智能。
多功能电量控制器是以单片机为核心配置输入输出接口电路的智能仪器，其结构如图1所示。

系统采用薄膜键盘及LED显示器提供人机对话功能 。用户可以通过键盘对仪表的输入、输出、报警及控制方式进行设置。有专用参数对修改参数作有限度的限制，可以有效防止现场工人误操作导致参数错误而造成不良后果。多功能电量控制器的功能：

1 )测量电压、电流并显示对应的数值；

2 )输出报警信号（包括指示灯显示和继电器开关输出）及控制信号；

3 )可与计算机通信，实现数据记录、统计分析、打印等功能。 多功能电量控制器的主要技术指标： 监控电压：交流380V（配互感器可用于交流660V）,直流 220V;

监控电流：0～630A（配互感器可用于 630A以上使用）
工作电压：交流 220V
监控回路：1～8
测量误差：5%
响应时间：0.05%


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2010-3-30 12:25:46 上传
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图1系统结构框图

<strong>2 多功能电量控制器的硬件电路设计</strong>

2．1 输入通道

由电流输入通道及电压输入通道组成，电流通道配备电流传感器，可以接收外部 0～630A的电流输入，超过 630A由外部设置互感器转换成适合输入的电流。电压通道配备电压传感器对外部输入电压进行转换，超过 380V的由外部设置互感器转换成 380V以下输入。内部的电流、电压传感器将外部输入的电流、电压转换成0～5V直流电压，供 A/D转换之用。

2．2 A/D转换通道

A/D转换部分电路由单片12位二进制串行分频器CD4040和单片模数转换器ICL7135构成。单片机 AT89C52的 ALE通过 CD4040分频供给 ICL7135所需的时钟。当 ICL7135进行模数转换时，BUSY信号为高电平，转换结束时 BUSY为低电平。将 ICL7135的 BUSY和 POL分别与单片机的INT0和 T1连接，程序将 INT0设成门控方式工作，即当INT0脚为高电平时，T1工作在计时方式来计算高电平的时间。ICL7135进行模数转换与时间成比例关系，应用T1、ALE与系统时钟频率之间的比例关系，可以计算出要转换的结果。

2．3 中央处理单元

由单片机 AT89C52和非易失性存储器 AT24C04构成。

AT89C52是 8位低功耗高性能 CMOS单片机，具有 8kB内部 FLASH MEMORY存储器，256字节内部RAM，32个I／O口。多功能电量控制器采用非易失性存储器AT24C04，作为设定参数及有关测量数据的存储，数据保存时间长（不低于 10年），在各种恶劣环境下运行，数据不会丢失。

2．4 串行通信

AT89C52能与计算机通讯使得智能电量控制器的测量数据可以由计算机保存、分析和打印。

多功能电量控制器采用异步串行通讯接口，接口电平符合 RS232C或 RS485标准规定。数据格式为 1个起始位，8位数据，无校验位，1个或2个停止位。

2．5 控制输出

多功能电量控制器采用程序控制选择继电器开关输出或 SSR电压输出。程序控制选择SSR电压输出时， AT89C52的 P1.1给出高电平信号，P1.0给出低电平信号， 则 SSR驱动电路选通，给出 SSR驱动信号；当 SSR电流大于额定电流时，SSR被关断，SSR电压输出控制电路主要由 OP07构成（如图2）。该驱动电路可与不同规格的 SSR配合使用，性能稳定可靠。

系统根据输入量，以及设计的给定值进行比较，确定对输出通道的控制，形成闭环控制。配有通讯接口电路，可以和其它计算机通讯，进行数据交换，给网络化、远程化、数字化提供方便。


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图2控制输出原理

2．6人机对话

本控制器的输入物理量为电流与电压，监控多条回路，故分别将每一回路的电压、电流、功率因数等参数进行显示。通过按键可以对控制方式进行编程，根据人工设置的上下限进行声光报警提示，并将数值闪烁显示。

<strong>3 软件设计</strong>

软件设计采用模块程序设计方法。一个模块可被多个任务共享，有效节省程序存储空间，也便于设计和调试。采用参数输入容错技术提高可靠性并且满足精度要求，除了必要的硬件抗干扰措施外。充分利用了软件抗干扰的优势，提高控制器的性价比。

3.1主程序

主程序包括初始化程序，键盘扫描程序及数值显示程序，由于数值及状态显示采用液晶模块，所以采用液晶显示驱动程序。

3.2监控及设置程序

设置程序为用户提供参数设置所需要的人机对话环境，具有参数输入的容错功能，以保证正确的输入参数。监控程序调度指挥有关子程序完成相关工作，实施一种闭环控制系统。对相关误差进行动态校正，获得较高精度的控制输出，给予被检测的物理量准确定量的表述。

监控程序包含有抗干扰程序、实时监控程序，数据交换通讯程序等子程序。采用数字调零技术减小测量附加误差，提高仪器的精度。

<strong>4 结语</strong>

多功能电量控制器已广泛应用于以下几方面的电气参数的监测与控制：

1 消防工程、公共场所提供保障安全可靠供电项目。
2 双回路供电或不准许停电，必须连续供电的项目。
3 不能同时使用的，但必须有一部分保持使用的设备。
4 其它需要电量监控的项目。

实践证明，上述设计满足了各项电气参数要求，效果很好。

本文作者创新点：本设计以单片机AT89C52为核心，利用多路转换器构成多路测量电路，利用放大器 OP07构成输出电路，实现多路一一对应的闭环测量控制。经实践证明：系统生产可模块化，根据产品需要可增减系统信号采样通道的数目。测控系统可作为整机适用于现场测量控制应用，也可作为控制模块应用在体积小、测量精度要求较高的大型系统中。产品适用范围广，低成本、高效益。

项目经济效益(50万元)


作者：孙立红  来源：《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2009年第6-2期