解熠 姚運(yùn)良

1.陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司 陜西 西安 710075

2.長(zhǎng)安大學(xué) 陜西 西安 710064

引言

隧道由于其特殊的地理位置，大幅縮短行車(chē)距離、提高運(yùn)輸效益、資源空間的節(jié)省和對(duì)生態(tài)環(huán)境影響較小。在整個(gè)隧道系統(tǒng)中需要大量可靠的電力來(lái)支撐其運(yùn)營(yíng)管理，保障行車(chē)安全。所以公路隧道電網(wǎng)參數(shù)需要實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)及分析。電網(wǎng)的電流、電壓的在不正常范圍內(nèi)的波動(dòng)都會(huì)對(duì)各種儀表、電氣設(shè)備帶來(lái)嚴(yán)重的不可修復(fù)的危害，最嚴(yán)重會(huì)對(duì)人的生命安全造成威脅，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定與否對(duì)社會(huì)和每個(gè)人有著不可分割的聯(lián)系。及時(shí)發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)的隱患和威脅，快速準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)電網(wǎng)參數(shù)（電壓、電流、頻率），對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)掌握，發(fā)現(xiàn)異常的參數(shù)變化，及時(shí)采取合理的措施來(lái)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證電能參數(shù)的可靠性，電網(wǎng)設(shè)備也能夠可靠運(yùn)行。我們可以通過(guò)對(duì)公路隧道電網(wǎng)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，在每個(gè)參量允許的安全穩(wěn)定條件下，來(lái)監(jiān)控整個(gè)電力系統(tǒng)，及時(shí)調(diào)整，維持電網(wǎng)各個(gè)參數(shù)的穩(wěn)定值，做到整個(gè)電力系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行，提供高質(zhì)量的電能供給公路隧道電力系統(tǒng)使用。

1 總設(shè)計(jì)概述

1.1 設(shè)計(jì)過(guò)程

基于單片機(jī)與電能專(zhuān)用計(jì)量芯片ATT7022C結(jié)合的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

電網(wǎng)電壓、電流大信號(hào)變成可直接輸送給計(jì)量芯片 ATT7022C的小信號(hào)，可以通過(guò)電壓電流互感器來(lái)處理。經(jīng)過(guò) ATT7022C 的內(nèi)部電路處理進(jìn)行采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換和計(jì)算得到基本參數(shù)。設(shè)計(jì)采用異步串行通信將單片機(jī)和計(jì)量芯片建立通信關(guān)系，數(shù)據(jù)讀寫(xiě)，編寫(xiě)相應(yīng)的軟件程序獲得電能參數(shù)，可以通過(guò) LCD12864 液晶顯示數(shù)據(jù)，供人員讀取操作。系統(tǒng)計(jì)時(shí)由時(shí)鐘芯片DS1302提供，單片機(jī)進(jìn)行設(shè)置時(shí)間操作，實(shí)時(shí)顯示。實(shí)現(xiàn)了對(duì)公路隧道照明電力系統(tǒng)中電能參數(shù)準(zhǔn)確無(wú)誤的測(cè)量出來(lái)，適用公路隧道照明電力系統(tǒng)，能夠充分滿足對(duì)電網(wǎng)的基本參數(shù)的測(cè)量，通過(guò)測(cè)得的數(shù)據(jù)來(lái)分析電能質(zhì)量。具體結(jié)構(gòu)如圖1及外圍接線圖2

圖1 總結(jié)構(gòu)框圖

圖2 外圍接線圖

1.2 主要功能

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析公路隧道電能參數(shù)，可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示數(shù)據(jù)。除此之外，還可以時(shí)刻顯示年、月、日、時(shí)、分、秒、及星期。斷電情況下，DS1302 時(shí)鐘芯片有備用電源來(lái)供電，時(shí)鐘電路仍能正常工作，不會(huì)斷電丟失。系統(tǒng)操作菜單流程圖如圖3

圖3 操作菜單流程圖

2 軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

高精度、高穩(wěn)定性、高安全性性能的ATT7022C芯片。內(nèi)部電路有七路以微分-積分的方式調(diào)整脈沖密度，以脈沖平均值代替量化的方式的電路、數(shù)字信號(hào)計(jì)算處理電路。滿足我們此次對(duì)電網(wǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)的需要。含延時(shí)和濾波的電源監(jiān)控，可以實(shí)時(shí)保存原始采樣數(shù)據(jù)。同時(shí)芯片還支持單通道、雙通道、及三通道的同步采樣功能，供用戶進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)的分析。含延時(shí)和濾波的電源監(jiān)控電路，

電壓互感器、電流互感器與公路隧道電網(wǎng)連接，將高壓電轉(zhuǎn)換至電流先信號(hào)傳輸至ATT7022C 芯片的連接以此獲得工作電壓、電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)內(nèi)部處理器處理后將各種參數(shù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在相應(yīng)寄存器中。設(shè)計(jì)時(shí)可以用單片機(jī)通過(guò)異步串行方式讀取相應(yīng)參數(shù)值，并通過(guò)鍵盤(pán)控制液晶顯示相應(yīng)參數(shù)值。

LCD12864液晶顯示模塊具有漢字圖形點(diǎn)陣設(shè)計(jì)，能夠滿足基本圖形和文字顯示，更加直觀的得到想要的數(shù)據(jù)，一種很好的人機(jī)交互產(chǎn)品。

DS1302是一種低功耗涓流充電實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，內(nèi)含靜態(tài)RAM，采用同步通信，可采用突發(fā)方式一次傳送多字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)和RAM數(shù)據(jù)。

三端穩(wěn)壓集成電路模塊LM7805的輸入端電壓在 7-30V 范圍內(nèi)，輸出的電壓是 5V 電壓，正常工作下模塊輸入與輸出兩端電壓相差 8V。將電網(wǎng)系統(tǒng)中的大信號(hào)通過(guò)電壓電流互感器轉(zhuǎn)換成交流小信號(hào)，再經(jīng)過(guò)橋式整流電路下變成直流小信號(hào)輸入至LM7805穩(wěn)壓模塊，經(jīng)內(nèi)部電路穩(wěn)壓后，三角輸出5V電壓供給設(shè)備使用。

單片機(jī)STC89C54RD+介紹作為嵌入式系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能豐富、編寫(xiě)易理解，結(jié)構(gòu)如圖4

圖4 STC89C54RD+單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在工作運(yùn)行的狀態(tài)下，首要是初始化設(shè)置，初始化部分有單片機(jī)、電能計(jì)量芯片、顯示模塊、以及時(shí)鐘模塊 DS1302，使用軟件來(lái)進(jìn)行校表，采用異步串行通信方式。通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部處理信號(hào)、液晶 LCD12864 顯示時(shí)間和各項(xiàng)電量參數(shù)， 軟件功能設(shè)計(jì)流程如圖5所示

圖5 軟件功能設(shè)計(jì)流程

3 總結(jié)

本系統(tǒng)使用一種電能計(jì)量芯片ATT7022C，采用模塊化設(shè)計(jì)方案，有DS1302實(shí)時(shí)鐘芯片模塊、LCD12864 液晶模塊、輸入輸出模塊，通過(guò)STC89C54RD+單片機(jī)整合各個(gè)模塊來(lái)達(dá)到軟件和硬件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，分析了組成硬件和相關(guān)傳感器器件的研究，系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后能夠準(zhǔn)確的測(cè)量公路隧道電能參數(shù)（電壓、電流、功率、電能、相角），具有高精度、穩(wěn)定性、測(cè)量范圍之廣等有優(yōu)點(diǎn)。達(dá)到實(shí)時(shí)對(duì)隧道電網(wǎng)中電能參數(shù)的監(jiān)測(cè)，對(duì)突發(fā)情況采取及時(shí)正確的措施，提高了隧道通行安全性，保障行車(chē)安全。