智能型測量控制系統(tǒng)電路設計攻略 —電路圖天天讀（168） - 全文

　　本文研究的主要內(nèi)容是設計一種可用于工業(yè)現(xiàn)場的高性能的交流電壓、電流、功率、電能測量系統(tǒng)，提出并研制了一種基于AT89S52單片機的高性能的多路交流電壓、電流、功率、電能測量系統(tǒng)。系統(tǒng)采用ATMEL公司的AT89S52單片機作為主處理芯片，通過RS485總線將采集到的現(xiàn)場電能參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸至上位機，上位機對采集到的數(shù)據(jù)進行顯示、存儲，從而達到現(xiàn)場監(jiān)測與控制的目的。

　　系統(tǒng)總體方案設計

　　系統(tǒng)選用德國CIRRUS LOGIC公司推出的帶有串行接口的單相雙向功率/電能計量專用芯片CS5460，其內(nèi)部集成了2個2kHz帶寬的同時采樣的16位Δ-ΣA/D、高低通數(shù)字濾波器、能量計算單元、串行接口、數(shù)字/頻率轉(zhuǎn)換器寄存器數(shù)組和片內(nèi)看門狗定時器等功能單元，與低成本的分流器或變壓器相連測量電流，與電阻分壓器或變壓器相連測量電壓。CS5460可以精確測量和計算瞬時電壓、瞬時電流、瞬時功率、電能、電壓有效值（VRMS）和電流有效值（IRMS）。CS5460作為專用的計量芯片能夠完成電力參數(shù)的測量任務，通過 SPI 串口，單片機對CS5460寄存器讀寫操作，進行各種測量。單片機將讀取的電壓、電流、電能、功率因數(shù)等參數(shù)經(jīng)RS485總線傳輸至主控制室內(nèi)的上位機，上位機主要進行測量過程的控制以及測量分析并顯示各測量現(xiàn)場的電參數(shù)，當檢測到電壓、電流及功率、電能值大于或小于設定的閥值時系統(tǒng)報警。

　　系統(tǒng)硬件電路

　　單片機是整個電路中最核心的元件，本文采用的是AT89S52單片機。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，其與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。CS5460 的電流通道可與低功耗分流器或互感器接口；電壓通道可與低功耗分壓器或互感器接口。其電流通道的可編程增益放大器（PGA）的增益可設為10 和50，分別對應于最大有效值為150mV 和30mV 的交流信號輸入；電壓通道的最大有效值輸入為150mV。圖1為電流通道前級參數(shù)電路。

　　圖1 電流通道前級參數(shù)電路

　　CT比率=1：2000，本系統(tǒng)設定電流測量范圍10A~260A，當原端電流為最大值260A 的時候，應保證 R4 和 R5 兩端的差分電壓 VIMAX 不大于500MV（Vrms《354mV）?；ジ衅鞯念~定串聯(lián)電阻為 10歐姆，所以保證R1，R2，R3，R4，R5 部分的等效電阻接近于10歐姆。電壓端直接引入380V 高電壓，通過電阻分壓，使得電壓端輸入?yún)?shù)降到 0.5V 以內(nèi)。圖2給出了電壓通道的電路圖。

　　圖2 電壓通道的電路圖

　　CS5460 與本系統(tǒng)主控制器AT89S52之間的接口線路圖， 如圖3所示。二者之間的數(shù)據(jù)傳輸通訊， 大體只要依靠CS、SDI、SDO、SCLK 這四條接口線路即能實現(xiàn)；當需要從CS5460 寄存器中讀?。ɑ?qū)懭耄?數(shù)據(jù)時，操作時序依次為：向CS 發(fā)送片選信號（邏輯低電平） ；向SDI 發(fā)送8 位讀（寫） 命令；對于數(shù)據(jù)讀取情形， 根據(jù)所發(fā)送的命令內(nèi)容，在此之后的8、16、24 個SCLK周期內(nèi)， 從SDO 引腳輸出有關寄存器數(shù)據(jù)（對于數(shù)據(jù)寫入情形， 則在之后的24 個SCLK 周期內(nèi)，將從SDI引腳連續(xù)輸入串行數(shù)據(jù)）；因而便于單片機采集程序的精確定時與判斷。

　　圖3 CS5460與AT89S52接口線路圖

　　RS485總線是工業(yè)應用中非常成熟的技術，是現(xiàn)代通訊技術的工業(yè)標準之一， RS485總線用于多站互連十分方便，用一對雙絞線即可實現(xiàn)，由于采用平衡發(fā)送和差分接收，即在發(fā)送端，驅(qū)動器將TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號輸出；在接收端，接收器將差分信號變成TTL電平，因此具有抗共模干擾的能力。

　　圖4 RS485現(xiàn)場總線硬件電路設計

　　圖4為RS485現(xiàn)場總線硬件電路設計圖。下位機通過485接口芯片MAX485與RS485總線相連，計量室PC機經(jīng)RS232/RS485電平轉(zhuǎn)換后與RS485總線相連。本系統(tǒng)采用RS485總線微機與單片機的主從式串行異步半雙工通訊的方法，下位機作為控制系統(tǒng)，分別控制一套現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。鑒于MCS-51系列單片機的串行口是一個標準的TTL電平接口（即用3.8V～5V表示“1” ， 0V～0. 3V表示“0”），故在數(shù)據(jù)傳輸時需要先進行RS232/RS485電平轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)選用MXA232芯片實現(xiàn)上位機端RS232電平與TTL電平的轉(zhuǎn)化 ，然后通過MAX485芯片將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS485標準電平。在下位機端MAX485將RS485標準電平轉(zhuǎn)換為TTL電平接入處理器的異步串行通信口，實現(xiàn)RS485網(wǎng)絡的半雙工通信。

　　系統(tǒng)軟件電路設計

　　多路數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)上位機采用VisualBasic 6.0設計開發(fā)。Visual Basic 6.0是一種可視化的、面向?qū)ο蠛筒捎檬录?qū)動方式的結構化高級程序設計語言，用于開發(fā)基于Windows環(huán)境下的各種應用程序。上位機實現(xiàn)采集到的現(xiàn)場電能參數(shù)的顯示、保存等操作，軟件框圖如圖5所示。

　　圖5 RS485局域網(wǎng)絡軟件系統(tǒng)設計

　　圖5為上位機工作界面，主要實現(xiàn)采集到的每個工作現(xiàn)場電能參數(shù)的顯示、存儲以及報警（根據(jù)設置的閥值）。在上位機中，“設置”主要進行每個工作現(xiàn)場電能參數(shù)閥值的設定（若采集的電能參數(shù)超出設定范圍則顯示過高-紅燈，低于設定的閥值則顯示過低-藍燈，在設定的范圍內(nèi)則顯示正常-綠燈，并且高于閥值的參數(shù)以紅色顯示，低于閥值的參數(shù)以藍色顯示），“開始”按鍵實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集過程的開始；“保存”按鍵實現(xiàn)工作現(xiàn)場電能參數(shù)數(shù)據(jù)的存儲；“結束”按鍵結束整個程序。

　　建立在下位機基礎上的上位機軟件，是對整個測量系統(tǒng)的進一步完善，使下位機的功能得到進一步地發(fā)揮。上下位機的通信采用主從方式，上位機與下位機之間進行輪詢通信，各下位機之間不能通信。每個下位機都有自己的地址碼，上位機向下位機發(fā)送1個帶有下位機地址的命令，所有下位機判斷是否呼叫自己，只有被呼叫的下位機才工作，從而實現(xiàn)了上下位機之間的獨立通信。

　　本文所設計實現(xiàn)的多路電能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 采取了軟件與硬件相結合的方法， 選用AT89S52單片機，實現(xiàn)了對多路電能參數(shù)的采集，采集的數(shù)據(jù)通過RS485現(xiàn)場總線將數(shù)據(jù)上傳至主控制室計算機，上位機軟件采用功能強大的界面開發(fā)工具VB6.0編寫，實現(xiàn)了對現(xiàn)場電能參數(shù)的顯示。整個系統(tǒng)功耗低、可靠性高，在工業(yè)控制領域進行實時采集監(jiān)控。系統(tǒng)具有很好的實用價值和推廣價值。