摘 要:針對電網(wǎng)電壓數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測，提出了一種基于STC12C5A60S2微處理器的方案。該系統(tǒng)包括電壓采集模塊、轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊，可以顯示實(shí)時時間和電壓，并具有電壓越限報警、系統(tǒng)變比設(shè)定、系統(tǒng)電壓系數(shù)調(diào)節(jié)、電壓統(tǒng)計等功能。該系統(tǒng)采用了最新的1T高性能51單片機(jī)和存儲器，加快了系統(tǒng)的處理和存儲速度。軟件采用高級語言編寫，主要包括初始化、按鍵掃描、菜單處理、電壓統(tǒng)計等模塊化子程序。

關(guān)鍵詞:電壓監(jiān)測儀;STC12C5A60S2微控制器;實(shí)時時間;交直流變換

中圖分類號:TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

文章編號:1004-373X(2010)03-131-03

Design and Implement of New Voltage Monitoring Instrument Based on STC12C5A60S2

CHEN Weifeng，DENG Xiaoying，LV Tianwen

(College of Physics Science and Technology，Yangzhou University，Yangzhou，225002，China)

Abstract:A design based on micro-controller STC12C5A60S2 is introduced because of the demand of monitoring the real-time voltage on power grid.This system consists of the voltage data acquisition module and the display module，which can display the real time and real-time voltage.It contains the functions as below:warning when the voltage beyond or above the limit and the setting of ratio and system coefficient，and the statistic of the voltage etc.The latest and high effective 1T8051 single chip microcomputer and memory are used to fasten the speed of execution and storage.The program is edited by the high-level language，which contains the subroutines such as initialization of the system and the key scanning，handling of menu and statistic of the voltage.

Keywords:voltage monitoring instrument;STC12C5A60S2 micro-controller;real time;D/C conversion

0 引 言

電壓監(jiān)測系統(tǒng)是對電網(wǎng)電壓質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測并自動記錄的智能化儀表系統(tǒng)，為統(tǒng)計電壓的合格率及其他參數(shù)、反映電壓質(zhì)量的管理提供正確的數(shù)據(jù)[1]。電壓監(jiān)測系統(tǒng)的最小組合為一臺智能電壓監(jiān)測儀。通過儀表的使用，即可實(shí)現(xiàn)對電壓監(jiān)測點(diǎn)的各種電壓參數(shù)進(jìn)行測量并記錄，同時給出電壓合格率、電壓偏高不合格率、電壓偏低不合格率等計算結(jié)果。電壓監(jiān)測系統(tǒng)的另外一種組合是由電壓監(jiān)測儀加上電卡、通訊機(jī)及上位計算機(jī)等配套設(shè)備組成。電壓監(jiān)測儀所記錄的數(shù)據(jù)很多，通過儀表鍵盤來查詢抄錄十分耗時耗工，而直接用小打印機(jī)打印也有許多缺點(diǎn)和不便之處[2]。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓集中監(jiān)測，并有查詢、統(tǒng)計報表、電壓越限報警、典型工作日設(shè)定、系統(tǒng)變比和電壓值誤差系數(shù)可調(diào)整等一系列功能[3]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

采集模塊以高性能微處理器STC12C5A60S2為核心[4]，外圍由信號變換、實(shí)時時鐘、串行通信和大容量串行存儲器等模塊電路構(gòu)成。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

STC12C5A60S2是宏晶科技今年新推出的一款處理器，全面兼容傳統(tǒng)的51系列。STC12C5A60S2是一個時鐘/及其周期，增強(qiáng)型51內(nèi)核，速度比普通的8051快8～12倍。工作電壓比較寬，為3.3～5.5 V。增加第二復(fù)位功能引腳，并且具有外部掉電檢測電路，可在掉電時，及時將數(shù)據(jù)保存進(jìn)E2PROM。內(nèi)部有1 280 B的RAM數(shù)據(jù)存儲器。芯片內(nèi)部有E2PROM功能，擦寫次數(shù)達(dá)10萬次以上。具有ISP/IAP功能，8通道10位高速ADC，速度可達(dá)2.5×105次/s，2路PWM還可作2路D/A使用。內(nèi)部已經(jīng)集成了獨(dú)立的波特率發(fā)生器，此系列單片機(jī)串行通信的速率可以不由內(nèi)部定時器T1的溢出率來決定，這樣可以讓T1來實(shí)現(xiàn)定時或者計數(shù)的功能。此系列的單片機(jī)還有雙串口的功能，一個串口可以被系統(tǒng)使用，剩下的串口可以用來作系統(tǒng)程序調(diào)試信息的輸出，避免一個串口被占用的情況下，只能使用I/O口去模擬UART時序的麻煩。

監(jiān)測系統(tǒng)是弱電系統(tǒng)，而電網(wǎng)電壓一般是220 V左右的交流電，不能由系統(tǒng)直接進(jìn)行測量。必須把測量的電壓通過帶緩沖器的降壓器，降至3～4 V的交流小信號。

降壓之后的電壓信號為交流小信號，再通過真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD536轉(zhuǎn)換成有效值相等的直流信號并輸出[5]。

AD536轉(zhuǎn)換輸出的直流信號通過V/F變換芯片LM331輸出其直流信號所對應(yīng)頻率的數(shù)字脈沖，供單片機(jī)進(jìn)行采集，從而單片機(jī)計算出直流信號的大小。在本設(shè)計中沒有采用傳統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號變成數(shù)字信號，而是采用LM331進(jìn)行V/F變換[6]。

V/F變換的電路圖如圖2所示。

圖2 V/F變換電路圖

LM331的動態(tài)范圍寬，可達(dá)100 dB;線性度好，最大非線性度失真小于0.01%，工作頻率低到0.1 Hz時尚有較好的線性;變換精度高，數(shù)字分辨率可達(dá)12 b;外圍電路簡單，只需接入幾個外部元件就可方便構(gòu)成V/F變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度[7]。根據(jù)上面的電路和數(shù)據(jù)手冊可以得出LM331輸出頻率的計算公式:

Fout=Vb2.09 VR2+R1R41R5C4

LM331輸出的數(shù)字脈沖通過光耦TLP521進(jìn)行隔離，再送入單片機(jī)的定時器T1進(jìn)行計數(shù)。定時器T0用來定時，每隔1 s鐘單片機(jī)在T0的定時中斷服務(wù)程序中讀取T1計數(shù)器的值，因為間隔是1 s，所以讀出來的值就是LM331輸出脈沖頻率的大小。由上面的公式可以計算出AD536輸出的有效值Vb，進(jìn)而可以推算出此時測量電網(wǎng)電壓的大小[1]。

根據(jù)要求，此系統(tǒng)需要記錄歷史電壓。這里選擇鐵電存儲器FM24C512，它是一款容量高達(dá)512 KB的非易失性存儲器，它采用了先進(jìn)的鐵電處理技術(shù)[8]。原理圖如圖3所示。

圖3 FM24C512原理圖

FM24C512以總線速度進(jìn)行寫操作，無須延時。下一個總線周期可以立即開始，無需進(jìn)行數(shù)據(jù)輪詢，最高總線頻率高達(dá)1 MHz。另外，F(xiàn)M24C512具有比E2PROM高得多的寫操作次數(shù)。而且，因為寫操作不需要在內(nèi)部提升電路寫電路的電源供電電壓，所以，在寫操作過程中，F(xiàn)RAM比E2PROM消耗的功率要低得多。

FM24C512使用I2C通信協(xié)議，簡化了與微控制器的接口電路。它使用極少的管腳，占用極小的板空間，只使用兩個管腳和處理器進(jìn)行通信，一個是時鐘線SCL，另一個是數(shù)據(jù)線SDA。因為所使用的主處理器沒有相關(guān)的I2C通信接口，所以只能用兩個I/O口去模擬I2C的時序。時序圖如圖4所示。

圖4 FM24C512工作時序圖

在記錄歷史電壓時，實(shí)時時間芯片DS1302產(chǎn)生的時間作為記錄電壓的參考[9]。DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進(jìn)行計時，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5～5.5 V。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個31×8的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產(chǎn)品，與DS1302兼容，但增加了主電源/后備電源雙電源引腳，同時提供了對后備電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力[10]。它與單片機(jī)的連接如圖5所示。

DS1302與CPU的連接只需要三條線，即時鐘線(SCLK)、數(shù)據(jù)線(IO)、復(fù)位線(RST)。相應(yīng)的時序圖如圖6所示。

圖5 DS1302與單片機(jī)的連接

圖6 DS1302工作時序圖

根據(jù)圖6，就可以編出相應(yīng)讀取DS1302時間的子程序。

uchar Rd_1302(uchar add)

{

uchar ucda;

Ds_Rst = 0;//先把復(fù)位口拉低

Ds_Clk = 0;//再把時鐘口清零

Ds_Rst = 1;//把復(fù)位口至高，準(zhǔn)備寫入地址

Input_Byte(add);//設(shè)定操作寄存器的地址

ucda = OutPutByte(); //讀出相應(yīng)寄存器數(shù)據(jù)

Ds_Rst = 0;//把時鐘線恢復(fù)至低電平

return ucda; //返回讀取的數(shù)據(jù)

}

為了增強(qiáng)人機(jī)的交互性能，選用金鵬電子的OCMJ12232液晶顯示模塊作為系統(tǒng)的顯示部分。OCMJ12232的顯示方式為點(diǎn)陣圖形，可以顯示任意圖形或者漢字，內(nèi)帶8 192個中文點(diǎn)陣，具有并行和串行兩種接口方式。本設(shè)計采用了串行接口方式，具有占用I/O資源少，編程簡單等特點(diǎn)。

2 流程設(shè)計

系統(tǒng)程序由顯示模塊、按鍵掃描模塊、頻率計數(shù)模塊、記錄統(tǒng)計模塊、系統(tǒng)菜單模塊等組成。在軟件編寫過程中，記錄統(tǒng)計模塊較為復(fù)雜，其算法為:程序判斷是否到了下一秒鐘，如果沒有則繼續(xù)采集電壓再進(jìn)行判斷，否則進(jìn)行有關(guān)電壓秒記錄的處理;接著判斷是否到了一分鐘，如果沒有則退出，否則進(jìn)行有關(guān)電壓分鐘記錄的處理;下一步再判斷是否到了一小時，如果沒有則退出，否則進(jìn)行有關(guān)電壓小時記錄的處理;以此類推，還

要判斷是否滿了一天、一個月的情況。其中，還需要判斷是否是典型工作日，每個月可以設(shè)置三個典型工作日，典型工作日中每個小時的記錄都被保存下來，以便用戶查看。流程圖如圖7所示。

圖7 軟件流程圖

3 結(jié) 語

本文詳細(xì)介紹了基于STC12C5A32AD的電壓監(jiān)測系統(tǒng)，適用于0～480 V交流電壓的監(jiān)測。本設(shè)計已經(jīng)完成了設(shè)計和調(diào)試，并通過了客戶的驗收，成功運(yùn)行在電網(wǎng)公司的監(jiān)控大廳。

參考文獻(xiàn)

[1]杜秀芳，曹玉強(qiáng)，張靜.智能型真有效值電壓檢測儀[J].兵工自動化，2006，25(5)，84-87.

[2] 張建民，黃劍.DC-100/C電壓監(jiān)測系統(tǒng)的研制[J].華東電力，2001(4):31-32.

[3]孔湧，段崢輝.GSM短信電壓監(jiān)測儀的應(yīng)用分析[J].電力設(shè)備，2005，12(6):61-63.

[4]宏晶科技.STC12C5A60AD系列單片機(jī)器件手冊[EB/OL].http://www.mcu-memory.com，2009.

[5]趙鵬，李志剛.AD536的性能及其應(yīng)用[J].國外電子測量技術(shù)，2004(2):17-19.

[6]劉濱.VM-I型電壓監(jiān)測記錄儀的結(jié)構(gòu)與功能[J].吉林電力技術(shù)，1997(2):50-51.

[7]漆文輝.變電站電壓質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的研制[J].儀器儀表學(xué)報，2002，23(5):192-197.

[8]Ramtron半導(dǎo)體.FM24C512鐵電存儲器系列手冊[EB/OL].http://www.ramtron.com，2006.

[9]朱杰斌.時鐘芯片在電壓監(jiān)測儀校驗裝置中的應(yīng)用[J].微計算機(jī)信息，2006，22(2):288-290.

[10]美信半導(dǎo)體.DS1302可涓流充電時間保持芯片數(shù)據(jù)手冊[EB/OL].http://www.maxim-ic.com，2003.