基于P89V51的高精度工频耐压测控系统的设计

张 峰，陈 炯，郝 静，张理智，陈 侠

(1.上海电力学院，上海 200090;2.上海电力工业学校，上海 201800)

交流耐压试验是用来鉴定电气设备绝缘强度最直接的方法，是保证设备绝缘水平、避免发生绝缘事故的重要手段[1].目前所用的交流耐压试验装置通常由市电电源、自耦调压器、高压试验变压器、保护球和电容分压器等组成[2]，其工作过程中电参数没有反馈环节，精度低，安全性差.随着电子技术的高速发展，以微控芯片为核心的测控系统大量应用于传统试验设备[3].本系统利用基于单片机反馈控制技术的测控单元，实现工作过程中电参数的实时监测，提高了试验的可靠性和安全性.

本系统采用NXP系列单片机中性能优良的P89V51，该芯片是一款80C51微控制器，内部集成64 kB的Flash和1 kB的数据RAM，操作频率为0～40 MHz，具有ISP和IAP功能:包括3个16位定时器/计数器，4个8位I/O接口;含有3个高电流P1口(每个I/O口的电流为16 mA);具有8个中断源和4个中断优先级.其典型特性是它的X2方式选项，利用该选项，可使应用程序以传统的80C51时钟频率或X2方式的时钟频率运行.选择X2方式可在相同时钟频率下获得两倍的吞吐量，也即将时钟频率减半而特性不变，这样可降低电磁干扰.

1 系统总体功能以及设计思路

本设计应具有如下功能:

(1)升压之前进行零位置检测，以保证每次升压从零开始;

(2)试验开始后，在液晶屏上实时显示待试品的电压和电流值;

(3)系统能自动升降压，升降压速度及耐压时间可选;

(4)当试品被击穿时，能够自动切断电源并保存显示击穿电压数值;

(5)用户如违反操作规范，系统能进行语音报警并停机[4，5].

图1为本系统的结构框图.其工作过程如下:接通电源，220 V或380 V工频交流电通过数字式调压器变成电压值连续可调的工频交流电压，经由试验变压器将低电压转换成高电压向试品供电.电容分压器低压臂测得的电压和电流传感器测得的流经试品的电流经过有效值转换送给模数模块，转换成模拟量信号，然后经光耦送给P89V51.P89V51作为控制核心，对数据进行处理和分析，经过数模模块将数字控制量转换成模拟量送给调压器，以控制调压器的输出电压.同时驱动液晶屏实时显示系统运行状态和试品的电压电流值，一旦出现过流过压，立刻发出控制信号，断开电源以保护整个系统.通过按键实现参数设定值的输入，通过串口实现上位机和单片机的通讯.

图1 基于P89V51的工频耐压系统结构示意

2 系统硬件设计

2.1 实时数据采集转换模块设计

系统的数据采集变换模块的硬件设计如图2所示.系统需要采集流经试品的电流和分压器低压桥臂上的电压，电流信号经过漏电流传感器后变成交流电压信号(0～2 V)和被采集到分压器低压臂上的电压信号(0～2 V).这两个电压信号首先分别经过AD637芯片，变成0～2 V的直流电压信号，然后经过电压跟随电路，送入多路模拟开关4051，经过模数转换，将模拟量变成数字量送至单片机.

图2 数据采集变换模块硬件设计

图2中，AD637集成有效值转换器是由美国AD公司生产的，其性能优良，最高精度优于0.1%，在精密交流测量中用途广泛.本文采用高准确度的AD637KD芯片，量程为0～7 V，准确度为±(0.05%RDG+0.25 mV)，输入阻抗为100 MΩ，宽频带.当Uin=200 mV(RMS)时，fmax=600 kHz;当Uin≥1 V 时，fmax=8 MHz.此外，AD637KD外部元件的选择至关重要，其中CAV是影响测量准确度和响应时间的重要参数，按照本系统的要求，CAV取 2 μF.

模数转换采用Analog Device公司生产的AD7895芯片，模数7895是一款高速的12位8模数转换芯片，单5 V供电，内置3.8 μs A/D转换器、一个跟踪保持放大器、一个逻辑始终和一个高速的串行接口，最大功耗仅为20 mW.该芯片具有一个高速采样率模式和独有的低功耗休眠状态，在数据转换完成后就进入休眠状态，等到下一个转换周期才能被唤醒，从而大大降低了整个电路的功耗.

2.2 小信号峰值检测电路设计

本系统需要快速准确地采集试品被击穿时的击穿电压，分压器回路检测到的试品电压信号为0～2 V.一般的峰值检测电路是简单的运放加二极管工作模式，但当输入小信号波形的正向峰值小于二极管的正向导通电压时，二极管将截止，此时峰值检测电路便不能工作.因此，该电路不能用于检测小信号波形的峰值.

本系统采用的小信号峰值检测电路原理如图3所示.

图3 正向峰值检测电路

图3中，由电容C2实现电压存储的功能;U1为实现电容电压跟随输入峰值变化的电压跟随器.采用了一个场效应管Q3给电容C2充电，目的是减小反向电流同时增加第一个运放的输出驱动力.U2选用具有超低偏执电流的BJT输入运算放大器，其作用是对电容电压进行缓冲，以防止通过R1和任何外部负载所引起的放电.

该峰值检测的工作过程分为跟踪模式和保持模式两个部分.在跟踪模式期间，D2和Q3二极管对相当于一个单向开关，当一个新的峰值到达时，OA1的输出U1为正，D1截止，D2导通，U1利用反馈通路D2-Q3-U2-R1使输入端之间保持虚短路.由于没有电流流过R1，Vo会跟踪Vi，U1流出的电流经过D2对CH充电.在经历了峰值以后，进入保持模式，Vi开始下降，这也使U1的输出开始下降.此时D2截止，D1导通，这就给U1提供了另一条反馈通路.在保持模式期间，R2将Q3极拉起，使其与阴极具有相同的电位，这样就消除了Q3的泄露，只用D2保持反相偏置.

2.3 调压模块设计

传统交流耐压试验系统的交流调压一般以交流变压器为核心，包括自耦、移圈变压器等，它存在体积大、调节精度低、可靠性差等缺点.若采用相控式交流调压方式，则存在功率因素低、谐波大、动态响应慢、滤波器体积大等缺点.本系统采用IGBT实现交流电压的斩波控制的数字式调压器，与传统的相控技术比较，其性能大为改善，具有动态响应速度快、线性调压范围宽、输出波形滤波容易、正弦化程度高等优点.

本系统对数模转换器的精度和速度有较高的要求，系统所需数模转换器的相关参数如下:

(1)配合数字式调压器，数模转换器的输出电压值为0～2 V.

(2)系统输出电压最大(20 kV)时的电压误差维持在20 V之内，精度为1/1 000.为了保证该最小精度，数模转换器的分辨率要比它高一等级，选用12位的数模转换器，其分辨率可达1/(212-1)=1/4 095，满足精度要求.

(3)整个采集控制过程要在1 ms内完成，留给数模转换器的反应时间在100 μs内.

(4)一路电压，并行8位输入口，内部自带8/4位锁存器，用于与8位单片机相连.

AD5341是12位数模转换器，采用2.5～5.5 V电源供电，3 V时功耗仅115 μA，省电模式下其功耗可降至80 nA.该器件集成一个片内输出缓冲，可同时驱动输出至两个供电轨，允许选择缓冲或无缓冲基准电压输入.AD5341具有一个并行接口，由CS选择器件，数据则在WR的上升沿载入输入寄存器.通过GAIN引脚，可将输出范围设置为0 V至参考电压，或0 V至两倍参考电压，这些数模转换器的输入数据要经过双缓冲，因而利用LDAC引脚可以同时更新系统中的多个数模转换器.此外，它还提供一个异步CLR输入引脚，可以将输入寄存器和数模转换寄存器的内容全部复位至零.这些器件还内置一个上电复位电路，以确保数模转换器.输出上电至0 V并保持该电平，直到对该器件写入有效数据为止.

其硬件连接如图4所示.

图4 模数转换模块硬件设计

2.4 保护报警电路设计

保护报警回路硬件设计如图5所示.按下SB2，继电器KM1线圈得电，继电器动作，接通功率继电器KM2回路，动作于主电路合闸，试验开始.按下SB1，继电器KM1失电，KM2随之失电，动作于主电路跳闸，试验结束.

耐压试验过程中，当出现过压或者过流时，实时监测试品上的电压和流经试品的电流通过与非门输出高电平，启动保护回路，三极管Q1导通，继电器KM1失电，KM2随之失电，动作于主电路跳闸，试验结束.

图5 保护报警回路硬件设计

3 系统软件设计

系统的软件设计流程如图6所示.接通电源后，首先设定耐压值、升压时间和耐压时间，设定完成后，按下合闸开关，判断调压器是否在零位，若不在零位，软件归零后，再检测零位.在检测结果显示调压器归零后，合闸启动.然后开始持续线性升压，判断试品两端电压是否已达到设定值，如果已经达到设定值，则停止升压，进入定时过程;如果没达到设定值，则继续升压，等待试品两端电压达到设定值.

图6 系统软件设计流程

定时结束后，持续线性快速降压，等到电压降至下限值，断开分合闸开关.整个过程中，若试品被击穿，立刻进入单片机外部中断服务子程序，系统会记录击穿电压，发出报警信息，断开分合闸开关，令调压器输出归零.

4 结论

(1)相比于传统交流耐压装置采用的自耦调压器，数字式调压器的输出精度高，体积小，质量轻;

(2)采用了闭环控制，其击穿电压测量和显示更精确;

(3)利用单片机良好的与上位机通讯的性能可实现系统的远程控制.

[1]江军.基于AVR ATmegal128的工频耐压试验系统设计[J].现代电子技术，2011(6):167-170.

[2]房玉明，杭柏林.基于单片机的步进电机开环控制系统[J].电机与控制应用，2006，33(4):61-64.

[3]赵鹏飞.关于工频交流耐压试验分析[J].电气制造，2007(9):86-88.

[4]赵卿.工频试验成套装置测控系统研究[D].合肥:合肥工业大学，2006.

[5]陈曦，车军，梁翠.基于单片机的100 kV高压试验台的设计[J].山东交通科技，2011(4):17-21.