配电柜测控器中的数据采集电路设计Word文件下载.doc
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Abstract
Thisarticleindetailwillelaboratethepowerdistributioncabinetobservationandcontroldatarecordsystemplandesignandtherealization.Itscontentincludinggetsangrytheconditionexaminationelectriccircuit,thevoltagesensors,theelectriccurrentsensoranditsthesignalrecuperatestheelectriccircuitthedesign,thedataacquisitionprocedureestablishment.Throughthevoltagepick-up,theelectriccurrentsensororpaststhecityelectricity0tothe255Valternatingvoltage0tothe100Aalternatingcurrentchangesintotogivethemonolithicintegratedcircuit0tothe2.5Vdirect-currentleveltheA/DConvertertocarryonthea/dconversion,themonolithicintegratedcircuitandgetsangrytheconditionthescenegathering8groupsmagnitudesofcurrentorthevoltagevalueaftertheCANmainlinenetworktransmissiontothefar-endobservationandcontrolcenter,affordmeasurementandcontrolsystemforfaultdiagnostic.
Keywords:
dataacquisition;
voltagepick-up;
electriccurrentsensor;
A/Dtransformation;
breakdowndiagnosis
目录
第一章引言 1
1.1研究意义 1
1.2功能目标 1
第二章主要芯片介绍 2
2.1带有CAN接口的高档微控制器80C592 2
2.2实时时钟集成芯片DS12887 3
第三章主要硬件电路设计及软件编制 3
3.1电压传感器的设计 3
3.1.1电压通用互感器 4
3.1.2AC/DC转换器 5
3.2电流传感器的设计 6
3.3电压跟随器的设计 7
3.4A/D转换：
8
3.5出火状态检测电路设计：
9
3．6主要程序编写 10
3.6.1A/D转换程序 10
3.6.2通信程序 12
第四章结论 19
主要参考文献 20
致谢 21
21
第一章引言
1.1研究意义:
城市路灯监控管理是市政工程建设和市政管理的重要组成部分。
世界发达国家都十分重视市政管理，把市政路灯建设和路灯管理水平作为评价城市成熟度的重要标志之一，并与交通、通讯等一起作为城市发展水平的评价依据。
随着国民经济迅速发展，城市现代化建设的速度也越来越快，人们对都市的亮化和美化也越来越加以关注。
城市路灯工程已成为市政窗口的形象工程。
配电柜数据采集是其一项关键技术。
长期以来，我国城市路灯的控制多靠人工来实现，由值班人员通过合闸和拉闸来控制最靠近值班室的路灯配电柜上电或掉电，再由该柜传递信号给邻近柜，通过接力的方式控制城市路灯的开启和关闭，若其中某一配电柜停电或出现故障，则后续配电柜均无法上电，造成城市一片黑暗，而值班人员毫无察觉。
必须通过工作人员实地检查才能发现发生故障的路段，这样将耗费大量的人力物力。
鉴于这些问题，我们在导师的指导下进行了配电柜测控器中数据采集电路的课题研究，期望实现对路灯运行中的故障进行自动诊断。
该课题源于这些实际需求，目的是对城市的路灯运行情况进行时时监控，保证系统的正常运行。
1.2功能目标:
1.2.1路灯配电柜中主要采集的数据种类：
（1）三路交流电压。
即三相四线制电源中每一相火线与零线之间的电压值。
（2）五路交流电流。
（3）八路出火状态检测。
1.2.2根据检测的数据即可进行下述类型的故障诊断。
（1）有无断相。
（2）有无白天亮灯，晚上不亮灯。
（3）有无过流、过压、短路和断路。
（4）出火处的保险丝是否断路。
（5）根据开灯关灯的时间及出火状态可判断出路灯是否运行正常。
（6）根据电流的变化可诊断出夜晚是否有人盗割地沟里的电线等。
第二章主要芯片介绍
2.1带有CAN接口的高档微控制器80C592：
典型电路如图1：
图1：
80C592
80C592是适用于自动和通用工业应用的8位高性能微控制器。
具有16KB程序ROM，2*256字节数据RAM，两个标准的16位定时器/计数器，一个新增加的包括四个捕获和三个比较寄存器的16位定时器/计数器，五组8位I/O端口和一组与ADC模拟量共用的8位输入口。
该芯片集成了CAN总线，支持CAN2.0A协议。
可以很方便的形成控制器局域网，以实现节点控制器与主控室之间的信息交换。
还另外，该芯片还集成了具有8路输入端的10位A/D转换器，为数据采集系统提供了必要的硬件基础。
此外，片上集成了WDOG（电子看门狗），确保了该芯片可在恶劣的环境下正常可靠的工作。
[5]
2.2实时时钟集成芯片DS12887:
DS12C887是由美国DALLAS公司的新型时钟日历芯片。
下面对其功能特性和内部控制寄存器参数作较为详细的说明：
DS12C887实时时钟芯片功能丰富，可以用来直接代替IBMPC上的时钟日历芯片DS12887，同时它的管脚也和MC146818B、DS12887相兼容。
由于DS12C887能够自动产生世纪、年、月、日、时、分、秒等时间信息，其内部又增加了世纪寄存器，从而利用硬件电路解决子“千年”问题；
DS12C887中自带有锂电池，外部掉电时，其内部时间信息还能够保持10年之久；
对于一天内的时间记录，有12小时制和24小时制两种模式。
在12小时制模式中，用AM和PM区分上午和下午；
时间的表示方法也有两种，一种用二进制数表示，一种是用BCD码表示；
DS12C887中带有128字节RAM，其中有11字节RAM用来存储时间信息，4字节RAM用来存储DS12C887的控制信息，称为控制寄存器，113字节通用RAM使用户使用；
此外用户还可对DS12C887进行编程以实现多种方波输出，并可对其内部的三路中断通过软件进行屏蔽。
第三章主要硬件电路设计
3.1电压传感器的设计:
典型电路如图2所示：
图2：
电压传感器
其主要功能是将市电上0到255V的交流电压转换为可供单片机A/D转换器分析的0到2.5V的直流电平。
电压传感器主要由两部分组成：
电压通用互感器，AC/DC转换器。
3.1.1电压通用互感器的设计:
典型电路如图3所示：
图3：
电压通用互感器
通过调节电压通用互感器上的R5,得到相应的输入/输出电压比。
从而将市电上0到255V的交流电压转换为0到2.5/2.2V的交流电平输出，其隔离耐压为3000V，非线性度小于0.1%,相移小于5度。
DVDI001匝数比为1：
1，额定电流为3mA/3mA.使用时必须在初级回路串接限流电阻R1`和R2，R1=R2=1/2（Vin/3mA-170）,170欧是初级线圈电阻。
TL062为通用运算放大器，要想达到更高的精度，可使用温漂性能更好的运放。
运放正负输入端电阻R3，R4为配对平衡电阻，最好完全一致，一般取值为5K到10K。
运放电源常用15V，视输出电压的大小，可取8V，12V，18V等。
C。
的作用是对输入输出信号的相位补偿。
经验值为0。
01至0。
033uf.
图3所示互感器工作时可保证其线性和精度。
若次级不加运放，亦可输出满量程为3mA的电流信号，但其相移受负载影响，负载电阻越小，相移越小。
[1]
3.1.2AC/DC转换器的设计:
典型电路如图4所示：
图4：
AC/DC转换器
其主要功能是将电压通用互感器的输出交流电压转换为可供A/D转换器转换的0到2.5V的直流电平。
其满足一数量关系为Vout=2.2Vout1，即输出电压为输入电压的2.2倍。
平均值响应的AC/DC转换器是由运算放大器和二极管组成的半波线性整流电路。
它具有线性好，准确度高，电路简单，成本低廉等优点。
由于它是按照正弦波平均值与有效值的关系而定义的，因此所构成的仪表仅适合与测量不失真的正弦波电压。
现利用单运放TL061与二极管VD1，VD2组成平均值响应的线性整流电路，能消除二极管在小信号整流时所引起的非线性电压，使输出的平均值电压与AC/DC转换器的输入电压成线性关系，测量精确度优于1%。
电路中的R1是TL061的同相输入端电阻。
R2，R3为负反馈电阻，可将IC2偏置在线性放大区。
为提高AC/DC转换器的输入阻抗，IC2接成同相放大器。
C1，C2为隔直电容。
该电路属于输出不对称式全波整流电路。
正半周期时电压放大倍数Kv>
2。
22；
负半周期时Kv=1,它相当于电压跟随器。
具体讲，在正半周期时VD1导通，VD2截止，IC2输出电流途径是：
C1——VD1——R4——R6——RP——COM并经过R5对C5充电。
此时：
Kv=1+R4/R6+RRP
负半周期时VD2导通，VD1截止，电流途径变成COM——RP——R6——VD2——C1——IC2，此时Kv=1。
由R5，C5组成的平滑滤波器可滤除交流纹波，高频干扰信号则由R7，C6构成的高频滤波器所滤掉，从而获得了稳定的平均值电压。
纹波电压：
指输出电压中50HZ或100HZ的交流分量通常用有效值或峰值表示，经过稳压作用，可以使整流纹波后的纹波电压大大降低，降低的倍数反比于稳压系数S。
[2]
3.2电流传感器的设计:
典型电路如图5所示：
图5：
电流传感器
其主要功能是将由配电柜中的100：
1互感器送来的0到1A的交流电流转换为可供单片机的A/D转换器分析的0到2.5V的直流电平。
电流传感器主要由两部分组成：
电流通用互感器，AC/DC转换器。
3.2.1电流通用互感器的设计:
典型电路如图6所示：
图6：
电流通用互感器
电流通用互感器的次级线圈为一恒流源，通过调节电流通用互感器上的R5,得到相应的电流/电压比。
从而将由配电柜中的100：
1互感器送来的0到1A的交流电流转换成输出为0到2.5/2.2V的交流电压。
其隔离耐压为6000V，非线性度小于0.1%,相移小于5度。
互感器次级若不加运放，亦可以输出满量程为3mA的电流信号，但其相移受负载影响，负载电阻越小，相移越小。
如图所示连接时能保证其线性和精度。
3.2.2AC/DC转换器的设计:
其工作原理及原理图如3.1.2所示。
3.3电压跟随器的设计:
典型电路如图7所示：
图7：
电压跟随器
电压跟随器的作用是为了减小信号源的内阻，它是接在电流传感器或电压传感器的输出端上，保证信号源电压尽可能无损耗的加在A/D转换器的输入端，使电平的转换尽量准确。
R12为一限流电阻，它和5.1V的稳压二极管D1构成限幅电路，确保施加在单片机的A/D转换器输入端上的电压值不会超过5.1V，避免损毁单片机。
例如，当电压跟随器悬空时，加在A/D转换器上的电压将达到15V，如果没有这个限幅电路，单片机的A/D转换器将会被烧毁。
3.4A/D转换：
当针对电压进行A/D转换时，其主要功能是将从电压跟随器传递过来的0到2.5V的直流电平转换成8位的二进制数。
当电压跟随器输出是2.5V时，此时的转换结果为全1，对应的电压传感器的输入为255V。
当电压跟随器输出是0V时，此时的转换结果为全0，对应的电压传感器的输入为0V。
当针对电流进行数据分析时，其主要功能是将从电压跟随器传递过来的0到2.5V的直流电平转换成8位的二进制数。
当电压跟随器输出是2.5V时，此时的转换结果为全1，对应的电流传感器的输入为1A，即交流互感器的输入电流为100A。
当电压跟随器输出是0V时，此时的转换结果为全0，对应的电流传感器的输入为0A，即交流互感器的输入电流也为0A。
80C592的模/数变换器由8路模拟多路转换输入电路和具有10位分辨率的模/数变换器构成。
模拟基准电压和模拟电流电压由分开的输入引脚接入。
变换过程占用50个机器周期。
模/数变换由ADC控制寄存器ADCON的相应位控制，其内容为：
ADC.1
ADC.0
ADEX
ADCI
ADCS
AADR2
AADR1
AADR0
其中：
ADC.1----ADC结果位1
ADC.0----ADC结果位0
ADEX----允许外部STADC管脚上输入信号启动A/D转换。
0：
仅由软件启动；
1：
可以由软件或外部启动。
ADCI----ADC中断标志。
当A/D转换结果准备好可读时，置位该标志，如果中断允许，则引起中断。
该标志由中断服务程序清零。
该标志为1时，不能启动ADC转。
ADCI不能由软件置位。
ADCS----ADC启动和状态位。
置1该位启动A/D转换，它可由软件或外部STADC置位。
当ADC忙时，控制逻辑保证该位为1，A/D转换完成后复位，同时置位ADCI。
ADCS不能由软件置位。
当ADCS=1或ADCI=1时，不能启动新的一次转换。
AADR2，AADR1，AADR0----模拟输入通路选择。
三位地址编码。
可选择8路模拟信号中一路输入到ADC转换器，仅当ADCI和ADCS都是低电平是才变化。
A/D转换程序由3.6.1给出。
3.5出火状态检测电路设计：
典型电路如图8所示：
图8：
出火状态检测电路
上图即为出火状态及故障检测电路的原理图，其左侧的P2.0checker-P2.7checker分别接到单片机的P2.0-P2.7八根口线；
右边的N接到市电的零线上，L1-L4分别接到需要被检测的火线端，当然这四路路灯都是被控制模块的控制输出端C1-C4所连接的交流接触器间接控制的。
这样便可以通过每路的检测端检测出火状态了。
数据采集及出火状态的检测是配电柜测控器要实现的主要功能之一。
测控器将现场获得的数据及开关灯时间表传送至测控中心，由测控中心的主机根据该配电柜的开关灯时间表，出火状态，多路电流值电压值的大小，作出如下故障判断：
1．有无白天亮灯，晚上不亮灯或没按要求开关灯。
2．有无断相
3．有无过流，过压，短路或断路。
4．夜晚是否有人盗割地沟里的电线。
故障的判断可由下位机实现，也可由测控中心根据下位机回送的数据做出判断。
例如，若出现某一路灯不亮，这可能是由于保险丝断开造成了断路。
如果是大面积的灯都不亮，可能就是有人盗割了地沟里的电线，造成了大面积的断路。
若某路灯总是不灭，可从经验判断是交流接触器的动作触点在上次闭合时，由于瞬间的强电流而高温融化并烧结了，不能够再次自行完成断开动作。
3．6主要程序介绍:
3.6.1A/D转换程序:
ADC:
MOVADCON,#08H
LCALLWDOG
ADC1:
MOVA,ADCON
JNBACC.4,ADC1
CLRA
MOVADCON,A
MOVI1,ADCH
MOVADCON,#09H
ADC2:
MOVA,ADCON
JNBACC.4,ADC2
MOVI2,ADCH
MOVADCON,#0AH
ADC3:
JNBACC.4,ADC3
MOVI3,ADCH
MOVADCON,#0BH
ADC4:
JNBACC.4,ADC4
MOVI4,ADCH
MOVADCON,#0CH
ADC5:
JNBACC.4,ADC5
MOVI5,ADCH
MOVADCON,#0DH
ADC6:
JNBACC.4,ADC6
MOVI6,ADCH
MOVADCON,#0EH
ADC7:
JNBACC.4,ADC7
MOVI7,ADCH
MOVADCON,#0FH
ADC8:
JNBACC.4,ADC8
MOVI8,ADCH
RET
A/D转换
启动看门狗
将ADCON送至A
将08H送至ADCON
将A清零
将A送至ADCON
将转换出的数据ADCH送给I1
将09H送给ADCON，选中一号通道，准备开始下一次转换
跳转到ADC1
是
否
ACC.4是否为1
图9：
A/D转换程序框图
图9为A/D转换程序框图。
给出了一路模/数转换的过程，其余7路转换过程相同。
当进入D转换程序后，将08H送给ADCON，将ADCS置1，启动A/D转换，选中0号通道，并调用WDOG，保护程序的正常运行。
然后将ADCON的内容送给累加器A，判断ACC.4是否为1，不为1跳回到ADC1继续循环；
为1时，将累加器A的内容清零并送给ADCON，终止A/D转换，并将转换结果送给I1。
这样一次的A/D转换结束。
然后进行1号通道的转换，以此类推，将8路数据分别转换完成，分别送给I1至I8。
3.6.2通信程序:
RX_PROCESS:
PUSHPSW
MOVCANADR,#RECEIVE_BUFFER
ORLCANADR,#ADR_INC
MOVA,CANDAT;
discardidandDLC
MOVA,CANDAT
COM0:
CJNEA,#30H,COM1;
SENDTIMER,ONTIME1,HALFTIME1,HALFTIME2
MOVFLAG,#1;
setdatareceivedflag
MOVR1,#MSG_POINTER+2
LCALLTIMEREAD1
MOV@R1,DATABUF1+1;
TIMEMINUTE
INCR1
MOV@R1,DATABUF1+2;
TIMEHOUR
MOVDPTR,#MASK
MOVA,#0FFH
MOVX@DPTR,A
MOVDPTR,#ONMINUTE1
MOVXA,@DPTR
MOVMSG_POINTER+4,A
INCDPTR
MOVMSG_POINTER+5,A
MOVDPTR,#HALFMINUTE1
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