一種負(fù)荷測控裝置的設(shè)計(jì)與研究

孟獻(xiàn)儀，劉建華

（徐州和緯信電科技有限公司，江蘇徐州，221008）

安全用電、綠色用電是現(xiàn)在用電要遵循的規(guī)則，日常生活中，人們對電無法像其他商品一樣有較為直觀的感受，本文設(shè)計(jì)有一種裝置，能夠直觀反映負(fù)荷的用電狀態(tài)，并且能夠再負(fù)荷異常工作時(shí)，切斷電源，減少損失。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)采用STC15 單片機(jī)作為主控芯片，利用互感器獲得跟被測電量等比例的小信號，信號調(diào)理后，經(jīng)過A/D 送入單片機(jī)進(jìn)行處理。計(jì)算用電參數(shù)電壓、電流、有功功率、無功功率、計(jì)算功率因素角等顯示部分可以使用1602LCD。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成

■1.1 采樣電路設(shè)計(jì)

互感器能把大電壓與大電流轉(zhuǎn)換成能夠直接測量的范圍，方便電量的測量。本設(shè)計(jì)選用變比為2mA:2mA 的ZMPT107 電壓型互感器和變比為5A:5mA 的ZMCT103 電流互感器。

(1)ZMPT107 電壓互感器

該電壓互感器具有體積小，精密度高，一致性好等優(yōu)點(diǎn)，適用于電壓與功率的精確測量。通過該電路可以把220V 市電轉(zhuǎn)換成5V 以內(nèi)的小信號，其輸出電壓計(jì)算公式為。

(2)ZMCT103 電流互感器

ZMCT103 電流互感器不僅具有測量精度高、一致性好等優(yōu)點(diǎn)，另外體積也輕小，適合應(yīng)用于電力測量與保護(hù)，產(chǎn)品可以直接通過電阻取樣，使用簡單方便。

■1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/DC)

互感器輸出信號為模擬信號，本系統(tǒng)采用單片機(jī)作為主控芯片，所以需要將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，本裝置采用STC15 單片機(jī)內(nèi)置的A/D。STC15 系列單片機(jī)的8 路模擬信號的輸入端口設(shè)置在P1 端口的8 個(gè)引腳上，即：P1.0～P1.7。當(dāng)上電復(fù)位后，P1 口設(shè)置為弱上拉I/O 口?？梢酝ㄟ^軟件將8 個(gè)引腳上的任何一個(gè)設(shè)置為ADC 模擬輸入。沒有設(shè)置為ADC模擬輸入的引腳可以作為普通I/O使用。

■1.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)負(fù)荷不同可選擇繼電器和斷路器。繼電器屬于二次設(shè)備，用于信號采樣、轉(zhuǎn)接控制、保護(hù)等,屬于低壓設(shè)備,觸頭容量均較小，一般為5A。斷路器屬于一次設(shè)備,它就是空開類的開關(guān),控制電路通斷。它有高低壓之分，可切斷短路電流。用于保護(hù)電路當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)防止對電源和用電設(shè)備的破壞，它也可以啟動(dòng)和停止電器設(shè)備。

■1.4 告警單元

該裝置采用聲光報(bào)警，從視覺和聽覺兩方面進(jìn)行告警。電路圖如圖2 所示。系統(tǒng)電壓、電流或者功率超過閾值時(shí)，單片機(jī)對應(yīng)端口發(fā)送報(bào)警信號到聲光報(bào)警器，聲光報(bào)警器立即報(bào)警。單片機(jī)對應(yīng)口輸出震蕩電平，使LED 閃爍，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲。圖2 為系統(tǒng)電路圖。其中圖2(a)圖為信號調(diào)理電路，圖2(b)圖為電源和A/D 電路。

圖2 系統(tǒng)原理圖

2 信號調(diào)理

該裝置設(shè)計(jì)目標(biāo)是對正常負(fù)荷進(jìn)行監(jiān)控，所以實(shí)時(shí)性可以稍微讓步，因此對快速性的要求稍微寬松一點(diǎn)。因此本設(shè)計(jì)采用模擬電路將信號處理后再由主控芯片處理，減少了對主控CPU 和內(nèi)存的要求，降低的成本。

■2.1 電壓、電流調(diào)理電路

電壓電流信號調(diào)理部分只是輸入量不同。以電流的采集電路為例，分為四部分實(shí)現(xiàn)：①部分將采集的信號為高壓側(cè)的電流信號通過一個(gè)電阻，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號以滿足控制器的通信協(xié)議，方便后續(xù)處理。②部分為精密整流電路，克服傳統(tǒng)電力電子整流法中死區(qū)電壓帶來的影響。③部分為二階濾波電路，目的是將信號處理成可以被數(shù)字芯片識別的平滑直流信號，方便后續(xù)送入芯片內(nèi)進(jìn)行AD 讀取采集。④部分為一個(gè)穩(wěn)壓二極管，將上一點(diǎn)的電位強(qiáng)行牽制在5V內(nèi)，防止高壓側(cè)由于受到各種過電壓的影響而出現(xiàn)的段時(shí)間內(nèi)的電壓過大，使得低壓側(cè)采集部分電壓也急劇升高，燒毀數(shù)字控制器。

■2.2 相位采集環(huán)節(jié)

相位采集環(huán)節(jié)，將電壓與電流信號整形成方波，在同一個(gè)周期中算出上升沿時(shí)間差?t，根據(jù)等式:得出電壓與電流的相位差 φ。相位調(diào)理電路如圖4 所示。①部分是電壓跟隨器，將前后兩級隔離開來，降低干擾信號對相位采集結(jié)果的影響。②部分是50hz 的帶通濾波器，將諧波濾除后，確保采集相位為基波相位。③部分是電壓比較器和電壓跟隨器，將電壓、電流信號轉(zhuǎn)換為方波信號，通過比較二者的上升沿時(shí)間差。④為穩(wěn)壓管構(gòu)成的保護(hù)電路。

電路仿真波形見圖3，圖3(a)為中，橘色信號為互感器輸出信號，可見其為交流信號；藍(lán)色信號為整流后信號，調(diào)理后電壓電流信號均為與輸入交流信號成比例的直流信號。圖3(b)為相位采集仿真結(jié)果，人為設(shè)置角度30°后，從波形可見兩者時(shí)間差為1.705ms，經(jīng)過計(jì)算可得角度為30.69°，精度符合計(jì)算需求。

圖3 仿真結(jié)果

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件執(zhí)行方式從主函數(shù)開始，接著對液晶屏顯示、定時(shí)器以及外部中斷、串口中斷幾部分都進(jìn)行了初始化。采樣電路采集轉(zhuǎn)換后，單片機(jī)通過串口把電壓、電流、功率等物理量在液晶屏上進(jìn)行顯示這些物理量。如果遇到異常物理量，則驅(qū)動(dòng)外圍設(shè)備動(dòng)作。

通過采樣電路采集，把得到的模擬量送給AD 轉(zhuǎn)換芯片，繼而再送給單片機(jī)。隨后經(jīng)過單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算，就能換算出實(shí)際的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)。計(jì)算公式為：

其中AD0 為經(jīng)過AD 轉(zhuǎn)換芯片的第一路值，AD1 為經(jīng)過AD 轉(zhuǎn)換芯片的第二路值，T 為電壓、電流相位時(shí)間差。軟件流程圖見圖4。

圖4 軟件流程圖

4 硬件調(diào)試及結(jié)果

采用1602 液晶分屏顯示電壓、電流、功率和報(bào)警信息，信號通過10P 灰排從信號調(diào)理板轉(zhuǎn)接至單片機(jī)模塊。調(diào)試時(shí)先進(jìn)行A/D 校準(zhǔn)。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，調(diào)整A/D 的斜率和零點(diǎn)。

圖5（a）～（f）是示波器采集到的信號調(diào)理波形通過示波器波形可見，信號調(diào)理電路工作正常，波形較仿真波形而言，兩者差別甚微，基本滿足設(shè)計(jì)需求。

硬件測試以30 瓦電烙鐵作為負(fù)載，測量其參數(shù)圖5（g）所示，與萬用表測量數(shù)據(jù)相比，電壓誤差在0.7V，誤差率0.3%，有功功率由于所加電壓不是額定電壓，考慮到電阻的線性性質(zhì)，通過計(jì)算可知測量精度滿足日常需求。

圖5 硬件調(diào)試波形及測量數(shù)據(jù)對比

5 小結(jié)

當(dāng)今社會(huì)，電力發(fā)展迅速，用電物品已經(jīng)與大家的生活密不可分，我們應(yīng)該加強(qiáng)安全用電的意識，而對用電設(shè)備的監(jiān)控也被提上議程。該裝置可以應(yīng)用于學(xué)生宿舍、工廠以及旅店等消防重點(diǎn)單位使用，利用此裝置對負(fù)荷進(jìn)行電壓、電流、有功功率以及無功功率的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并且在功率以及電壓超限時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警以及自動(dòng)斷電，大大減小了應(yīng)違章電器而引起的火災(zāi)事故，具有廣泛的應(yīng)用背景。