以太网传输功能的三相低压电参数测量系统的硬件设计.docx

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以太网传输功能的三相低压电参数测量系统的硬件设计

摘要

随着工业的迅猛发展，能量的使用已经成为大家共同关注的问题。

三相电是各大行业都在使用的主要能源。

如何高效的利用三相电，就必须对三相电的各个参数（电压、相序、频率等）进行测量、实时监控。

于此，本设计采用宏晶科技的自带10位AD转换器的STC90C58AD单片机作为微控制器件作为主控芯片，以Silicon公司的CP2200作为网络接口芯片。

原来的控制设备通过串口和单片机STC90C58AD连接，单片机STC90C58AD把从串口接收到的数据，通过以太网驱动芯片CP2200和以太网接口RJ45，传输到以太网。

通过以太网将数据传送到计算机做到实时显示，同时在系统上通过四位一体数码管显示。

相对于传统的三相电参数测量仪，它具有精度高、可靠性强、功能强大及智能化等诸多优点。

本测量仪表可以实时、准确测量三相电的电压值、相序和频率等各项三相电参数。

测量参数值可以通过按键控制切换实时显示在数码管上。

此外，该测量系统还可以将测得的数据经过以太网传输大PC机上。

本设计完成了高压三相电参数在STC90C58AD单片机系统的控制下，完成了数据的采集、控制、传输。

最后经验证本文设计的具有以太网传输功能的三相低压电参数的测量系统的设计方案是合理可行的。

关键字：

三相电，测量系统，单片机，以太网，A/D转换

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofindustry,theuseofenergyhasbecomeacommonconcern.Three-phasepowerisamajorindustryinmajorenergyuse.Three-phaseelectrichowtoefficientutilization,wemustallparametersofthree-phaseelectrical（voltage,phasesequence,frequencyetc.）measurement,real-timemonitoring,realizetheautomationofelectricpowersystemsisanimportantproblem.

Basedonthis,thisdesignusesthemacrocrystaltechnology,with10bitADconverterSTC90C58ADMCUasthemaincontrolchip,withSiliconLaboratories'CP2200asthenetworkinterfacechip.TheoriginalcontrolequipmentconnectedthroughtheserialportandSTC90C58ADMCU,MCUSTC90C58ADfromtheserialporttoreceivethedata,viaEthernetchipCP2200andEthernetinterfaceRJ45,transmissiontoEthernet.ThedatawillbesenttothecomputerthroughtheEthernetReal-timedisplay,atthesametimeinthesystemthroughoneoffourdigitaltubedisplay.

Comparedwithtraditionalthree-phaseelectricalparametermeasuringinstrument,ithastheadvantagesofhighprecision,strongreliability,powerfulandintelligent.Themeasuringinstrumentcanbethree-phaseelectricalparametersreal-time,accuratemeasurementofvoltage,phaseandfrequencyofthe.Parametersmeasuredvaluescanbecontrolledbybuttonswitchinthedigitaltubedisplayreal-time.Inaddition,themeasurementsystemcanalsobemeasureddatathroughEthernettransmissionPCmachine.

Completedthedesignofhigh-voltagethree-phaseelectricalparametersintheSTC90C58ADcontrolsystem,completedthedataacquisition,control,transmission.Finally,thedesignofmeasurementsystemisdesignedinthispaperhasverifiedtheEthernettransmissionfunctionofthree-phaselow-voltageelectricalparameterisreasonableandfeasible.

KEYWORD:

three-phasepower,measurementsystem,MCU,Ethernet,CP2200

第1章绪言

本章主要对三相电参数测量系统的选题背景以及交流电量采集的现状和发展等进行介绍。

同时对本设计的任务及论文章节安排着了简单的介绍。

1.1选题背景

现代社会电能是一种使用最为广泛的能源，其应用程度是一个国家发展水平的主要标志之一。

随着科学技术和国民经济的发展，对电的需求量日益增加，同时对电网运行的稳定性要求也越来越高，对电网的实时监控就显得非常重要。

随着我国电力行业的迅猛发展，电网供电品质越来越受到电力部门以及用户的关注。

在电力监控系统中，为了维护电网运行的稳定和安全，保证用户用电的可靠性，需要电网中各种电参量维持稳定值不变。

这就需要实时的采集各种电参量，用来监控以保证电网的稳定。

1.2交流电量采集的现在和发展

在微型机应用初期，电力系统的参数普遍采用直流采样技术。

直流采样，即通过变送器采样经过整流后的直流量，此方法软件设计简单，计算简便，对采样值只需作一次比例变换即可得到被测量的数值。

但直流采样方法存在一些问题比如:

测量精度直接受整流电路的精度和稳定性的影响;整流电路调整困难，而且受波形因素的影响较大等。

此方法计算容易，计算量小，准确度较高（取决于变送器的精度）。

但因变送器多，造价较高，占用体积也较大，也无法实现实时信号采集。

随着技术的发展，现阶段用于电量测量仪表中的越来越多的采用交流采样算法。

交流采样技术是将被测电流、电压直接送入数据采集装置，在装置中经弱电用精密电流、电压互感器（（SA/O.OSA,100V/SV）变成小电压（或小电流）在标准电阻上的压降，通过A/D转换和CPU计算得到电流、电压的有效值、有功功率、无功功率、有功电度和无功电度等值。

此方法可省去各种变送器和电度表，造价较低，准确度也很好，具有较好的实时性。

交流采样技术将以往用硬件来实现的电参量计算用软件来实现。

采用交流采样技术的好处有。

（1）、可以减少变送器等硬件设备的投入，省去了直流采样必须的交直流转换硬件单元，提高了计算速度。

（2）、可以充分的利用一些计算机算法本身具有的滤波功能，省略实际的滤波电路，而且计算机算法本身又具有计算精度高的优点。

基于交流采样技术的优点以及微机技术的发展，电力监控系统越来越多的采用交流采样技术进行电参量的测量。

电力系统交流电量采集是指把电力系统的交流电压及电流等经过变换、滤波、S/H及A/D转换后得到对应该交流电量的离散化数据序列，并存放到存储器中的过程。

交流电量的同步采集是指在电力系统的不同采样点同时开始采样，使不同采样点的采样结果在时间上具有同步性。

电力系统随着自身的发展变得越来越复杂，电力系统的各种监测与保护装置都要用到交流电量采集这个环节，并且在诸多场合都要求交流电量的同步采集，这对电力系统继电保护、故障判断和系统稳定的分析与控制等都具有重要意义[1]。

1.3本设计的任务

1、设计出能够测量三相低压电电压、频率、相序参数的电路；

2、电压范围：

100～500V。

频率范围：

0～75Hz；

3、该电路带有以太网接口用于测量数据的传输。

4、带有相应的显示电路。

1.4论文章节安排

本论文分为六部分。

第一章绪言，分为三部分，第一部分主要介绍选题背景；第二部分对交流电数据的采集发展进行说明；第三部分对该论文的安排做整体介绍。

第二章系统硬件设计分为三部分。

第一部分对三相电进行介绍，第二部分介绍二极管的嵌位电路，第三部分对过零检测电路进行简单的介绍。

第三章是次论文的主要部分，也分为三大部分讲述了关于本系统的详细设计。

第一部分介绍了三相电电压，频率和相序的测量理论。

第二部分介绍系统硬件的设计方案和器件的选取。

第三部分对硬件电路的设计进行详细说明。

分小模块进行讲述，细分电路，并对CP200的以太网设计进行分析。

第四章是模块电路的仿真，验证电路的正确性，以便本设计能够顺利的实现。

第五章简单地介绍软件部分的设计，由于具体的设计是由我的搭档戚伟同学完成，在他的论文中有详细的论述，所以在此只着简单的说明。

主要考虑的是设计流程图。

第六章从总结与展望两部分进行描写。

第一部分对本系统设计的总结，第二部分对本系统设计的展望。

第2章硬件设计理论分析

本章主要介绍该系统在设计过程中所用到的知识理论，电路结构，电路分析，电路选择等方面的知识。

2.1三相电的基本知识

三相交流电是电能的一种输送形式，简称为三相电。

三相交流电源，是由三个频率相同、振幅相等、相位依次互差120°的交流电势组成的电源。

三相交流电的用途很多，工业中大部分的交流用电设备，例如电动机，都采用三相交流电，也就是经常提到的三相四线制。

而在日常生活中，多使用单相电源，也称为照明电。

当采用照明电供电时，使用三相电其中一相对用电设备供电，例如家用电器，而另外一根线是三相四线之中的第四根线，也就是其中的零线，该零线从三相电的中性点引出[2]。

三相电源是三个频率相同、振幅相同、相位依次相差120°的正弦电源。

对称三相电源的相序：

三相电源各相经过同一值（比如最大值）的先后顺序，

正序（或称顺序）：

A→B→C→A

负序（或称逆序）：

A→C→B→A

线电压（电流）与相电压（电流）的关系：

名词介绍：

1端线（火线）：

始端A,B,C三端引出线。

2中线：

中性点N引出线，连接无中线。

3相电压：

每相电源的电压，

。

4线电压：

端线与端线之间的电压，

。

5线电流：

流过端线的电流，

。

1）Y联接设

（式2.1）

则有

（式2.2）

结论：

对Y联接的对称三相电源，相电压对称，则线电压也对称；线电压相位领先对应相电压30o；线电压大小等于相电压的

倍，即

。

所谓的“对应”：

对应相电压用线电压的第一个下标字母标出。

（式2.3）

2）联接设

（式2.4）

（式2.5）

线电压等于对应的相电压。

2.2二极管嵌位电路

（1）功能：

将输入讯号的位准予以上移或下移，并不改变输入讯号的波形。

（2）基本元件：

二极管D、电容器C及电阻器R（直流电池VR）。

（3）类别：

负钳位器与正钳位器。

（4）注意事项:

D均假设为理想，RC的时间常数也足够大，不致使输出波形失真。

任何交流讯号都可以产生钳位作用[3]。

负钳位器：

（1）简单型

图2-1简单型负嵌位电路

工作原理：

Vi正半周时,DON，C充电至V值,Vo=0V。

Vi负半周时，DOFF，Vo=－2V。

（2）加偏压型

图2-2加偏压型负嵌位电路

工作原理:

Vi正半周时，二极管DON，C被充电至V值（左正、右负），Vo=+V1（a）图或－V1（b）图。

Vi负半周时，二极管DOFF，RC时间常数足够大，Vo=VC+Vi（负半周）=2V。

几种二极管负钳位器电路比较:

图2-3几种二极管负钳位器电路比较

正钳位器

（1）简单型

图2-4简单型正嵌位电路

工作原理

Vi负半周时，DON，C充电至V值（左负、右正），Vo=0V。

Vi正半周时，DOFF，Vo=VC+Vi（正半周）=2V。

（2）加偏压型

图2-5加偏压简单型正嵌位电路

判断输出波形的简易方法 :

1、由参考电压V1决定输出波形于坐标轴上的参考点。

2、由二极管D的方向决定原来的波形往何方向移动，若二极管的方向为

，则波形必须向上移动；若二极管的方向为

，则波形必须往下移动。

3、决定参考点与方向后，再以参考点为基准，将原来的波形画于输出坐标轴上，即为我们所求。

几种二极管正钳位器电路比较:

图2-6几种二极管正嵌位电路的比较

由以上的分析可得，该电路较为复杂，对于该系统而言，涉及到的三相低压信号约为0到5V，为了防止电压信号超过此范围，影响到A/D转换和单片机的工作，于是我们可以采用更为简单的电路如图2-7所示。

图2-7钳位器电路

这个电路把输出限制在0到VCC范围内，当VCC取5V是刚好满足该系统的要求。

2.3过零检测电路

为了能够测量三相电的相序，在此考虑用到过零检测电路，其功能是将三相电其中的一相设为A相，经过过零检测电路处理，得到一个脉冲信号，再将这个脉冲信号送给单片机的中断。

当其他两相电压依次为零时分别为B相、C相（按照顺序方式）。

于是解决了相序的测量问题。

同时，也可也根据单片机中断口收到两个零电平的时间差来确定三相电的频率[4]-[5]。

具体怎样将三相电变成脉冲信号，首先来了解光耦TLP521器件。

TLP521是可控制的光电藕合器件，光电耦合器广泛作用在电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器，影印机，自动售票，家用电器，如风扇，加热器等电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，减化电路设计。

东芝TLP521－1，－2和－4组成的砷化镓红外发光二极管耦合到光三极管。

该TLP521－2提供了两个孤立的 光耦8引脚塑料封装，而TLP521－4提供了4个孤立的光耦中16引脚塑料DIP封装，集电极-发射极电压：

55V（最小值） ，经常转移的比例：

50％（最小） ，隔离电压：

2500Vrms（最小）。

其内部结构图如图2-8所示。

图2-8TLP521-1的内部结构图

TLP521的原边相当于一个发光二极管，原边电流If越大，光强越强，副边三极管的电流IC越大。

副边三极管电流IC与原边二极管电流If的比值称为光耦的电流放大系数，该系数随温度变化而变化，且受温度影响较大。

作反馈用的光耦正是利用“原边电流变化将导致副边电流变化”来实现反馈，因此在环境温度变化剧烈的场合，由于放大系数的温漂比较大，应尽量不通过光耦实现反馈。

此外，使用这类光耦必须注意设计外围参数，使其工作在比较宽的线性带内，否则电路对运行参数的敏感度太强，不利于电路的稳定工作。

过零检测电路的最终目标是实现当交流电压通过零点时取出其脉冲。

其工作过程为：

当通过正半周较高电压时，光电管D1，T1导通Vo为低电平，当正半周电压反向接近零点时D1达不到导通电压的值而截止，从而使T1截止Vo为高电平;同样当通过负半周较高电压时，光电管D2，T2导通Vo为低电平，当负半周电压正向接近零点时D2达不到导通电压的值而截止，从而使T2截止Vo为高电平。

通过这个正负交越零点时的正脉冲信号向单片机STC90C58AD发出外部中断INT0，单片机根据该信号，经过一定的延时后控制可控硅导通。

其电路如图2-9所示。

图2-9TLP521-1的过零检测电路

第3章硬件设计

3.1系统原理

图3-1硬件流程图

3.1.1电压的测量

首先从单片机P1口获得经A/D转换后的电压采样值的数字信号，如果取完整的10位结果[6]，则按下面公式2-1计算:

10-bitA/DConversionResult:

（ADC_DATA[7:

0],ADC_LOW2[1:

0]）=1024*（Vin/VCC）（式2-1）

式中，Vin为模拟输入通道输入电压，VCC为单片机实际工作电压，用单片机工作电压作为模拟参考电压。

3.1.2相序的测量

第二章第一节已提过，相序分为正序和逆序，正序三把三相电的三相依次定义为A→B→C→A，逆序把三相电定义为C→B→A→C。

这里使用的是正序这个定义。

首先选定三相电三相其中的一相为A，经过零检测电路处理，得到一个脉冲信号。

将此信号送给单片机的中断I/O口，与其他两相相比，其电压依次为零的相分别为B相和C相。

3.1.3频率的测量

在相序的测量中，单片机的中断口接收到的是已经设定的A相的脉冲信号，单片机自动进入中断，用单片机的定时器和外部中断资源，将定时器设置为一秒定时，信号接到INT0，设置为下降沿触发。

在一秒内计算外部中断的次数即为所要测量的频率。

3.2系统的设计方案

3.2.1系统的硬件设计

随着电力系统的快速发展，电网容量不断增大，结构日趋复杂，电力系统中实时监控、调度的自动化就显得十分重要，电量的数据采集是实现自动化的重要环节，尤其是如何准确、快速的采集系统中各元件的模拟量（电压、相序、频率等），是电力系统自动化的一个重要因素。

对单片机系统设计者来说很重要[3]。

三相电参数测量系统是一种专门为计算机而设计的一个测量系统模块。

它可兼容汇编语言和C语言编写，所以具有良好的软件和硬件平台。

其硬件结构图如图3-2所示。

图3-2硬件结构

电压处理模块：

将相电压为220V的电压处理为0到5V的交流信号一遍进行A/D转换。

A/D转换模块：

将0到5V的交流信号转换为数据信号，这里的AD转换器是单片机自带的10位的AD转换器，已经集成到单片机内部。

过零检测电路模块：

是选定三相电三相中的一相作为A相，经过过零检测处理电路送入到单片机中断口，此后电压依次为0的相分别为B相和C相[4]-[5]。

两个零之间的时间刚好为三相电的周期（也就是频率）。

数码管模块：

对三相电的参数进行显示。

以太网模块：

对三相电参数进行传输。

MCU模块：

对三相电参数进行控制。

3.2.2器件的选择

由于该系统对数据处理速度的要求不是很高，单片机足够用，所以该系统采用的是价格较低的单片机为平台，同时由于以太网控制芯片占用单片机的I/O口过多，为了节省I/O口，这里采用宏晶公司推出的自带AD转换的单片机STC90C58AD[7]-[8]。

STC90C58AD系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。

内部集成MAX810专用复位电路，当时钟频率在6MHz时，该复位电路时可靠的；当时钟频率在12MHz时，勉强可用。

在要求不高的情况下，可在复位脚外接电阻电容复位。

8路10位高速A/D转换器（可达25万次/秒）。

1、增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可任意选择，指令代码完全兼容传统8051；

2、工作电压：

5.5V-3.3V（5V单片机）/3.6V-2.0V（3V单片机）；

3、工作频率范围：

0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz.；

4、用户应用程序空间：

4K/8K/16K/32K/40K/48K/56K/61K字节；

5、片上集成256+4096字节RAM；

6、通用I/O口（35/39个），复位后为：

P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）；P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻；

7、ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RXD/P3.0,TXD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；

8、有EEPROM功能。

EEPROM（电可擦写可编程只读存储器）是用户可更改的只读存储器（ROM），其可通过高于普通电压的作用来擦除和重编程（重写）。

不像EPROM芯片，EEPROM不需从计算机中取出即可修改。

在一个EEPROM中，当计算机在使用的时候可频繁地反复编程，因此EEPROM的寿命是一个很重要的设计考虑参数。

EEPROM是一种特殊形式的闪存，其应用通常是个人电脑中的电压来擦写和重编程；

9、看门狗。

在由单片机构成的微型计算机系统中，由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰，造成程序的跑飞，而陷入死循环，程序的正常运行被打断，由单片机控制的系统无法继续工作，会造成整个系统的陷入停滞状态，发生不可预料的后果，所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑，便产生了一种专门用于监测单片机程序运行状态的芯片，俗称"看门狗"（watchdog）；

10、内部集成MAX810专用复位电路，当时钟频率在6MHz时该内部简单的MAX810专用复位电路时可靠的；当时钟频率在12MHz时勉强可用。

在要求不高的情况下，可在复位脚外接电阻电容复位；

11、共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用；

12、外部中断4路,下降沿中断或低电平触发中断，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；

13、8路10位A/D转换。

相比一般的8路8位A/D转换器来说，8路10位A/D转换器具有更高的精度，对数据的采集更精确；

14、通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART；

15、工作温度范围：

-40~+85℃（工业级）/0~75℃（商业级）；

16、封装：

LQFP-44，PDIP-40，PLCC-44，PQFP-44。

由于该系统采用的是价格较低的单片机为平台，所以被测量的三相电必须经过转换为低于5V的电压信号，同时相序和频率不能改变，这里可以有两个方案，第一，采用电压互感器/电流互感器，第二，采用电阻分压。

第二个方案考虑的是信号的提取，所以可行，但用到的电阻的功率要高，至少在3W以上。

该设计采用的是第二个方案。

0到5V的三相低压电信号是经过分压处理得来，考虑到稳定性问题，所以，在信号进入A/D转换前得用到前卫电路[9]-[10]。

以保护单片机。

在系统原理部分已经说明了，在参数的计算时，要用过零检测电路，首先得将电压三相电转换为脉冲信号，即当三相低压电电压非零时，脉冲信号持续高电平，当三相低压电为零时，脉冲信号为零。

这里采用了光耦TLP521－1。

TLP521是可控制的光电藕合器件，光电耦合器广泛作用在电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器，影印机，自动售票，家用电器，如风扇，加热器等 

电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，减化电路设计。

东芝TLP521－1，－2和－4组成的砷化镓红外发光二极管耦合到光三极管。

该TLP521－2提供了两个孤立的 光耦8引脚塑料