车载式照明电量仪的设计

陈昌健，刘 钰，秦大为

(盐城师范学院 a．物电学院;b．实验中心，盐城224002)

0 引言

目前，电参量数据的测量正在受到越来越多的重视。但是，目前市场上的电参量测量仪大多费用昂贵，且体型笨重，只能在室内固定地用来测量，如果要运输到室外测量数据则极为不方便。而现在很多工程项目如道路照明、电缆电路测试、故障检测与维修都要求在室外进行现场测量。为此文章在常规的电参数测量方法的基础上提出了一种新型的车载式电量仪，便于运输到室外测量，抗干扰、防震、防尘等性能良好。快捷的车载式电参数测量方法，经实践证明是切实可行的。

1 车载式电量仪系统介绍

系统的主机部分采用AT89S52单片机作为控制的中心，由电流互感器、电压互感器、保持放大电路、A/D转换器、运算电路、显示电路等组成，并配有独立的电源。主机系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

2 车载式电量仪原理

此设计主要进行测量的电参数有电压、电流、电功率等。电流、电压可以经过传感器直接测量出来，而功率则要通过相关计算得出。电压、电流、电功率、功率因数等的相关公式如下:

式中U，I是有效值，λ是功率因数，P是有功功率，S是视在功率，T是周期，f是频率。

依据上述各公式，在计算功率P的时候，如果电流I是变化的，当Δt足够小时，可以把在Δt时间内的上式利用单片机技术可以设计出非恒电流情况下测量的电功率了。

在测量工作中，整体电路的工作原理与过程如下:电压互感器将其0～300 V的交流电压转换为0～12 V交流电压电信号，电流互感器将其0～20 A的交流电电流转换为0～12 V交流电压。电压、电流信号传给保持器后传输至A/D转换模块(同时电压信号传输给运算放大模块)，这样可将模拟信号转换为数字信号，随后将数据传输到单片机控制模块，利用单片机编程对传输过来的数据进行相关运算，最后将相关运算结果实时地显示出来。此套系统是以单片机为核心，通过单片机来控制A/D转换模块，大大提高了系统的可靠性，单片机采用了AT89S52高性能单片机，功能较多，实现了自动化控制和测量。

3 硬件系统

系统硬件以AT89S52单片机为核心，详细结构如图2所示。系统硬件主要包括5个模块电路:数据信号采集保持模块、信号放大模块、单片机系统数据处理模块、电源模块、显示模块。硬件整体电路如图2所示。

4 各模块电路介绍

4．1 采样保持电路

由于功率要对电压、电流信号同时测量，可采用保持器LF398对信号进行双路保持，用单片机对保持器LF398进行控制。测量时，单片机先对电压信号进行转换，而此时电流信号被送到保持器进行保持，等待电压信号处理完毕。此方案可以对电压、电流信号进行同时测量，且减小了系统带来的误差，因此，设计采用了此种方案。

4．2 转换模块处理电路

这个部分主要由 ADC0809与 AT89S52组成。ADC0809芯片是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D/A转换器组成。

在A/D模块中，INT0、INT1为电压、电流信号经采样保持电路处理后的输入端，A/D的输出信号直接输入到单片机的P2口。单片机通过对ADC0809的控制引脚的控制，从而实现A/D多路信号的模数转换。ADC0809的时钟信号是采用51单片机的内部定时器0使用内部软件编程提供500 K的时钟信号。

4．3 放大模块电路

放大部分采用双极快速放大器LF353，将电压传感器采集的电压信号经放大模块多级放大，将电压控制在0～5 V内，并能够有效地抑制信号噪声。放大部分的电路如图3所示。

4．4 AT89S52单片机模块

设计采用的是AT89S52单片机，是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。片上 Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使 AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、有效的解决方案。

图2 硬件整体电路

图3 放大部分的电路图

AT89S52有以下标准功能:8k字节 Flash，256字节RAM，32位 I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，3个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位。

单片机最小系统如图4所示，由复位电路、晶体振荡器电路及单片机芯片89S52组成。采用+5V供电，按键手动复位方式，晶体振荡器和两只振荡电容构成晶体振荡器电路，给单片机提供工作时钟频率信号，所以当进行室外测量时，就要对相应的12 V供电电源进行转换，转换电路如图5所示。

5 电量仪的技术指标

三窗口显示:电压、电流、功率/功率因数/频率参数。

图4 单片机最小系统

图5 12 V转5 V降压电路

工作电压:12 V。

输入电压:3．0 V ～300 V。

输入电流:20 mA～20 A。

功率因数:－1．000 ～ +1．000。

采样频率:5 kHz。

精度:2%。

6 软件设计

单片机本身不具备自主开发能力，即使在单片机应用系统的设计完成以后用户也不能直接对程序进行修改。单片机应用系统的开发必须借助一套开发工具和软件环境才能进行。

程序按照设计要求和流程图进行编写，最后产生可写入单片机芯片的BIN文件或HEX文件。设计最后产生的是czsdlzm．hex文件。

源程序主要包含以下几个模块。初始化模块:init()，A/D转化模块:ad()，发送数据模块:send()，延时模块:delay()和串口中断模块:retr()interrupt 4。

程序的流程图如图6所示。

图6 C语言程序流程图

从程序流程图可以看出，系统进行初始化之后，就处于判断是否得到了开始通信的中断，当得到了开始通信的中断时，通信开始。先进行A/D转换函数，将模拟量转化为数字量，再经过延时函数，最后将数据发送显示。程序清晰，简单明了。

由于篇幅所限，此处不再赘述。

7 系统的保护措施

仪器用于户外测量或作为车载式测量仪器一般要做到三防，即防尘、防潮、防震。此外还要有良好的抗干扰性能。

由传感器、长线电缆等对电磁敏感的组件构成的系统，为了防止电磁脉冲对测量系统的干扰，要从空间上阻挡电磁场对测量系统的侵入，行之有效的方法就是仪器良好的封闭式金属外壳。这种整体屏蔽方法即要从前置电路、信号电缆等方面进行全屏蔽措施，而且传输线不能太长，防止信号衰减。最简便的就是选择性能良好稳定的电子元器件。此外，所有金属壳体都要有效接地。

我们为每个螺帽加了一个弹簧垫片以固定仪器，仪器内部铺上橡胶片以防止震动造成内部器件损坏或移位，重要部件加上防震弹簧，内部尽量使用金属接合，避免接插件。

分析仪器对电源的要求较高，良好的供电对于仪器的精度和稳定性极为重要。本设计采用大容量经济免维护型的铅酸蓄电池。

8 小结

将标准的电量仪与车载式电量仪进行对比，车载式最大的特点就是在保证准确性的同时大大拓展了仪器的适用范围，由室内转移到室外，有效地缩短了时间，提高了测量效率。加以有效的抗干扰、防震、防尘等措施，保证了本仪器室外工作的安全性和可靠性。车载式电量仪系统是具有推广价值的新型电参数测量仪器。

［1］ 杨素行．模拟电子技术基础简明教程［M］．北京:高等教育出版社，2009

［2］ 范云霄，刘桦．测试技术与信号处理［M］．北京:中国计量出版社，2008

［3］ 张琳娜，刘武发．传感器技术及应用［M］．北京:中国计量出版社，2006

［4］ 林占江．电子测量技术［M］．北京:电子工业出版社，2003