微处理器控制的智能监测电网电压系统的设计方案

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电力系统中电网电压的测量与监控影响电网系统调节和自动化管理。为实时监控电网电压，采用由微处理器控制的数字式测量仪表。在数字式测量初期，电网电压测量大多采用整流后的直流量，但其测量精度直接受整流电路影响；整流电路参数调整困难，受波形因素影响较大；而交流采样是按照一定规律采集被测信号的瞬时值，再用一定的数值计算法求得被测量的值。交流采样取决于测量精度和测量速度。这里介绍一种基于交流采样的电网电压智能监测硬件和软件设计，可直观准确地反映电力系统的电能质量。

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件构架

系统硬件电路由3部分组成：数据采集、单片机系统和接口，硬件框图如图1所示。

被测三相电压分别加到取样电路的输入端，信号按比例变换后，再经阻抗匹配网络，由16选1多路模拟开关，采样保持电路加到A/D转换的输入端。A/D转换后的数据经锁存后输入MCU,再由运算判断被测电压是否合格。同时，可将测量结果计入存储器件。MCU通过对时钟的操作，可实时将时间及测量结果显示在VFD上，通过键盘调整时钟。因系统中有存储器件，可将历史数据调出，在VFD显示。可将测量仪通过PC机接口与微机连接，在微机上集中操作、监控仪表。

2.2 系统电路设计

该仪表设计测量范围为90~110 V,因此峰值电压为

通过匹配网络，峰值电压变为

所以，选取耦合线圈的初级与次级比为12:1,匹配网络的输出电压则为-10~+10 V.

采用轮询方式设计，选用模拟多路开关器件CD4067B,分别选通3路被测电压，通过同一测量电路分别测量3路。CD40-67B的输入阻抗为50 Ω，其输入端必须加匹配网络。该器件输入VP-P最大值为20 V,最大延迟时间60 ns.采样保持电路采用LF398,该器件输入VP-P最大值36V,满足测量需求。A/D转换器采用AD574A,该器件输入电压为+10 V,采样位数为12位。采样数据选用带符号的二进制表示，最高位为符号位，后11位为数据位，采样速度达35μs.AD574A可调节参考电压，提高测量精度。经A/D转换后的数据经74LS374锁存后输入MCU进行计算。MCU选用AT89C51,内带4KB片内ROM,时钟选用11.0592 MHz,可满足计算需求。

时间参数采用HI1380串行时钟记录，该器件是带有秒、分、时、月、年的串行时钟保持器件，通过MCU操作该器件，可正确获取时间参数，用来统计电压信息。电压的统计信息保存在存储器件内，方便调阅历史信息。仪表使用24C64器件保存信息，该器件通过I2C总线完成操作，其容量为64 KB,可满足记录两个月历史信息的需求。

显示部分使用16T202DAJ型VFD模块，该模块可用于字符操作，适合于仪表显示。数据线选择4位操作方式，通过MCU控制显示时间、电压信息及历史信息。通过3个按键对MCU操作，可完成修改时间、调用历史信息等操作。

接口使用SP490器件构建，该器件为全双工的RS-485电平收发器，通过与MCU的串口连接，可被PC机操作，从而实现仪表的远程操作、集中监控等功能。

2.3 系统线路布局

图2为系统线路布局示意图。PCB板按信号流程布局，信号由机箱后面板输入，经过电压采样、模拟开关、采样保持和A/D转换后将输入的模拟信号变为数字信号。图2中的虚线部分是模拟电路。