2020年12月08日 | 以MSP430单片机为核心的电力传输线路监测系统设计

引言

为解决人工调整电力传输线路中偏相观测难、记录难、校准难这三大难题。该设计通过对软硬件的设计，实现了较长时间、无间断地对电力传输线路中电流、电压、零序电流、功率因数、有功功率、无功功率、视在功率、基波及谐波电能的监测、记录和存储。该设计采用MSP430F135 单片机为控制核心，结合电压、电流互感器、DSP 电能芯片、人机接口、声光报警电路和信号处理电路等实现对电力传输线路参数的监测，该系统能利用存放在U 盘中长时间采集的数据在上位机进行曲线分析，为电力部门调整线路负荷提供科学、可靠的依据。

1 系统设计方案

1.1 DSP 电能芯片的选择

该设计选用DSP 电能芯片，此芯片具有七路二阶16 位sigma-delta ADC、基准电压输出、电压、电流采样、基波、谐波以及能量频率测量的信号处理电路，同时具有SPI 通讯接口，并支持全数字域的增益、相位校正。能够自动计算有功功率、无功功率、视载功率以及功率因数。内部具有电压监测电路，能保证上电和掉电时工作正常进行。

该设计能进行高精度测量，输入动态工作范围1000：1，同时保证非线性测量误差在0.1%内。支持增益和相位补偿，小电流非线性补偿。电压、电流有效值精度优于0.5%。

1.2 单片机选择

MSP430 单片机为低功耗16 位单片机，具有典型的SOC特点，集成大量外设。尤其是其内部集成的波特率微调器，可以使MCU 在不低于32 768 Hz 的任意晶振（但不能超过MCU 对晶振要求的上限）下工作时，选择通信波特率时可不受波特率因子不带有小数的限制，即：在波特率的允许范围内可使用任意频率的晶振。另外，由于MSP430 MCU 内部集成了温度传感器，可以较方便地实现对测液位所用压力传感器温度进行补偿。而且MSP430 系列单片机针对不同的应用由各种不同的模块组成，由于所用微控制器低功耗的特点，可用普通电池正常工作，实现长时间无间断正常使用。

2 系统总体组成结构及工作原理

如图1 所示整个系统主要由单片机主机电路、控制电路、信号测量、声光报警电路、按键电路、LCD 汉字显示电路、电源电路和通信电路等组成。P1 口做为系统的数据线，DSP电能芯片采用P3.0 P3.1 P3.2 口接入MCU 用来向系统提供输入的数据，声光报警模块的工作信号通过P2.5 口输出产生报警声音。键盘模块通过P2.0，P2.1 和P2.2 口接入MCU 用来控制系统的6 个按键。系统通过P1 口和P5.0、P5.1 控制LCD 显示器，串行通信由P3.6 和P3.7 经过通信接口电路控制U 盘读写，系统的电源模块产生3.3 V、＋5 V 电压为系统提供稳定的工作电压。

图1 系统总体构成

该系统利用电压、电流互感器经过差动转换后输入DSP电能芯片进行信号的分析与处理，输出高精度的三相电压值、三相电流值、零序电流值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、基波及谐波电能值等数据，这些数据通过SPI 通讯接口读出DSP 电能芯片计算后得支的数据，进行数据转换后送入LCD 进行显示［4-5］。当系统时间运行到U 盘规定的写入时间时，系统自动记录采集到的所有数据。用户可以根据需要通过键盘输入设定采集时间间隔。系统中设备编号可以任意设定。同时该系统还可以实时显示工作环境的温度和系统时间。

3 系统的主要硬件电路设计

3.1 信号差动输入电路设计

信号输入采用差动输入方式，输入的电流、电压感器信号通过采样电阻R17 进行采样，C5、C6 进行滤波，减少干扰，REFO 通过10K 限流电阻提供16 位AD 的标准基准电压。电压、电流信号输入电路图如图2 所示。

图2 电压、电流信号输入电路

3.2 通讯控制电路

该系统中通讯电路功能完成TTL 电平与CMOS 电平的转换。无源输入在不通讯阶段不耗电，只有在通讯时才耗电，这样对整个系统实现低功耗有很大帮助，这也是市场上专用转换芯片不具有的特点。其控制电路见图3。

图3 通讯控制电路

3.3 声光报警电路设计

声光报警电路由三极管、发光二极管、电阻、电容、蜂鸣器元件等组成，当所测液位值小于所设定的警戒值时，单片机会发出报警信号报警，当收到报警信号后发光二极管被点亮、蜂鸣器发出声音，产生声光报警效果。

4 系统软件设计

系统软件采用模块化结构设计，共分为七个模块：系统初始化模块、LCD 显示模块、按键识别及处理模块、SPI 模拟通讯模块、串口通讯模块、U 盘读写模块。时间、工作环境温度检测模块。

初始化模块的主要作用是设置显示缓冲区、堆栈指针、各工作单元、操作标志和工作寄存器、各I/O 端口以及CMU 的工作时钟模块设置、设置系统定时器模块、通信模块、DSP 电能芯片模块初始化以及系统中断设置等；LCD 显示模块的主要作用是显示采集的数据以及系统工作参数等数据；键盘模块负责按键的识别和进行按键处理，当有按键动作时调用相应的按键处理子程序进行处理。可实现对系统时间、存储间隔、设备编号进行设定；SPI 模块通讯模块主要作用是完成MCU 与DSP电能芯片的数据交换。串口通信模块发送数据给U盘模块，为数据存储做准备；U 盘读写模块的作用是将MCU 传送出的数据写入U 盘并存储；时间、工作环境温度检测模块的作用是完成对时间的计算，同时实时采集工作环境的温度。

5 结语

该仪器可广泛应用于电力、石油及化工领域，实时检测并记录电力线路中的各种参数并及时存储到U 盘中，便于技术人员根据线路实际情况调整设备。该仪器具有工作性能稳定可靠、体积小、成本低以及测量控制准确、灵敏、安装使用方便，功耗低等优点，具有较高的实际应用价值。