基于P89V51的高精度工頻耐壓測控系統(tǒng)的設(shè)計

張 峰，陳 炯，郝 靜，張理智，陳 俠

(1.上海電力學院，上海 200090;2.上海電力工業(yè)學校，上海 201800)

交流耐壓試驗是用來鑒定電氣設(shè)備絕緣強度最直接的方法，是保證設(shè)備絕緣水平、避免發(fā)生絕緣事故的重要手段[1].目前所用的交流耐壓試驗裝置通常由市電電源、自耦調(diào)壓器、高壓試驗變壓器、保護球和電容分壓器等組成[2]，其工作過程中電參數(shù)沒有反饋環(huán)節(jié)，精度低，安全性差.隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，以微控芯片為核心的測控系統(tǒng)大量應(yīng)用于傳統(tǒng)試驗設(shè)備[3].本系統(tǒng)利用基于單片機反饋控制技術(shù)的測控單元，實現(xiàn)工作過程中電參數(shù)的實時監(jiān)測，提高了試驗的可靠性和安全性.

本系統(tǒng)采用NXP系列單片機中性能優(yōu)良的P89V51，該芯片是一款80C51微控制器，內(nèi)部集成64 kB的Flash和1 kB的數(shù)據(jù)RAM，操作頻率為0～40 MHz，具有ISP和IAP功能:包括3個16位定時器/計數(shù)器，4個8位I/O接口;含有3個高電流P1口(每個I/O口的電流為16 mA);具有8個中斷源和4個中斷優(yōu)先級.其典型特性是它的X2方式選項，利用該選項，可使應(yīng)用程序以傳統(tǒng)的80C51時鐘頻率或X2方式的時鐘頻率運行.選擇X2方式可在相同時鐘頻率下獲得兩倍的吞吐量，也即將時鐘頻率減半而特性不變，這樣可降低電磁干擾.

1 系統(tǒng)總體功能以及設(shè)計思路

本設(shè)計應(yīng)具有如下功能:

(1)升壓之前進行零位置檢測，以保證每次升壓從零開始;

(2)試驗開始后，在液晶屏上實時顯示待試品的電壓和電流值;

(3)系統(tǒng)能自動升降壓，升降壓速度及耐壓時間可選;

(4)當試品被擊穿時，能夠自動切斷電源并保存顯示擊穿電壓數(shù)值;

(5)用戶如違反操作規(guī)范，系統(tǒng)能進行語音報警并停機[4，5].

圖1為本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖.其工作過程如下:接通電源，220 V或380 V工頻交流電通過數(shù)字式調(diào)壓器變成電壓值連續(xù)可調(diào)的工頻交流電壓，經(jīng)由試驗變壓器將低電壓轉(zhuǎn)換成高電壓向試品供電.電容分壓器低壓臂測得的電壓和電流傳感器測得的流經(jīng)試品的電流經(jīng)過有效值轉(zhuǎn)換送給模數(shù)模塊，轉(zhuǎn)換成模擬量信號，然后經(jīng)光耦送給P89V51.P89V51作為控制核心，對數(shù)據(jù)進行處理和分析，經(jīng)過數(shù)模模塊將數(shù)字控制量轉(zhuǎn)換成模擬量送給調(diào)壓器，以控制調(diào)壓器的輸出電壓.同時驅(qū)動液晶屏實時顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)和試品的電壓電流值，一旦出現(xiàn)過流過壓，立刻發(fā)出控制信號，斷開電源以保護整個系統(tǒng).通過按鍵實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定值的輸入，通過串口實現(xiàn)上位機和單片機的通訊.

圖1 基于P89V51的工頻耐壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 實時數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集變換模塊的硬件設(shè)計如圖2所示.系統(tǒng)需要采集流經(jīng)試品的電流和分壓器低壓橋臂上的電壓，電流信號經(jīng)過漏電流傳感器后變成交流電壓信號(0～2 V)和被采集到分壓器低壓臂上的電壓信號(0～2 V).這兩個電壓信號首先分別經(jīng)過AD637芯片，變成0～2 V的直流電壓信號，然后經(jīng)過電壓跟隨電路，送入多路模擬開關(guān)4051，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬量變成數(shù)字量送至單片機.

圖2 數(shù)據(jù)采集變換模塊硬件設(shè)計

圖2中，AD637集成有效值轉(zhuǎn)換器是由美國AD公司生產(chǎn)的，其性能優(yōu)良，最高精度優(yōu)于0.1%，在精密交流測量中用途廣泛.本文采用高準確度的AD637KD芯片，量程為0～7 V，準確度為±(0.05%RDG+0.25 mV)，輸入阻抗為100 MΩ，寬頻帶.當Uin=200 mV(RMS)時，fmax=600 kHz;當Uin≥1 V 時，fmax=8 MHz.此外，AD637KD外部元件的選擇至關(guān)重要，其中CAV是影響測量準確度和響應(yīng)時間的重要參數(shù)，按照本系統(tǒng)的要求，CAV取 2 μF.

模數(shù)轉(zhuǎn)換采用Analog Device公司生產(chǎn)的AD7895芯片，模數(shù)7895是一款高速的12位8模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，單5 V供電，內(nèi)置3.8 μs A/D轉(zhuǎn)換器、一個跟蹤保持放大器、一個邏輯始終和一個高速的串行接口，最大功耗僅為20 mW.該芯片具有一個高速采樣率模式和獨有的低功耗休眠狀態(tài)，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后就進入休眠狀態(tài)，等到下一個轉(zhuǎn)換周期才能被喚醒，從而大大降低了整個電路的功耗.

2.2 小信號峰值檢測電路設(shè)計

本系統(tǒng)需要快速準確地采集試品被擊穿時的擊穿電壓，分壓器回路檢測到的試品電壓信號為0～2 V.一般的峰值檢測電路是簡單的運放加二極管工作模式，但當輸入小信號波形的正向峰值小于二極管的正向?qū)妷簳r，二極管將截止，此時峰值檢測電路便不能工作.因此，該電路不能用于檢測小信號波形的峰值.

本系統(tǒng)采用的小信號峰值檢測電路原理如圖3所示.

圖3 正向峰值檢測電路

圖3中，由電容C2實現(xiàn)電壓存儲的功能;U1為實現(xiàn)電容電壓跟隨輸入峰值變化的電壓跟隨器.采用了一個場效應(yīng)管Q3給電容C2充電，目的是減小反向電流同時增加第一個運放的輸出驅(qū)動力.U2選用具有超低偏執(zhí)電流的BJT輸入運算放大器，其作用是對電容電壓進行緩沖，以防止通過R1和任何外部負載所引起的放電.

該峰值檢測的工作過程分為跟蹤模式和保持模式兩個部分.在跟蹤模式期間，D2和Q3二極管對相當于一個單向開關(guān)，當一個新的峰值到達時，OA1的輸出U1為正，D1截止，D2導通，U1利用反饋通路D2-Q3-U2-R1使輸入端之間保持虛短路.由于沒有電流流過R1，Vo會跟蹤Vi，U1流出的電流經(jīng)過D2對CH充電.在經(jīng)歷了峰值以后，進入保持模式，Vi開始下降，這也使U1的輸出開始下降.此時D2截止，D1導通，這就給U1提供了另一條反饋通路.在保持模式期間，R2將Q3極拉起，使其與陰極具有相同的電位，這樣就消除了Q3的泄露，只用D2保持反相偏置.

2.3 調(diào)壓模塊設(shè)計

傳統(tǒng)交流耐壓試驗系統(tǒng)的交流調(diào)壓一般以交流變壓器為核心，包括自耦、移圈變壓器等，它存在體積大、調(diào)節(jié)精度低、可靠性差等缺點.若采用相控式交流調(diào)壓方式，則存在功率因素低、諧波大、動態(tài)響應(yīng)慢、濾波器體積大等缺點.本系統(tǒng)采用IGBT實現(xiàn)交流電壓的斬波控制的數(shù)字式調(diào)壓器，與傳統(tǒng)的相控技術(shù)比較，其性能大為改善，具有動態(tài)響應(yīng)速度快、線性調(diào)壓范圍寬、輸出波形濾波容易、正弦化程度高等優(yōu)點.

本系統(tǒng)對數(shù)模轉(zhuǎn)換器的精度和速度有較高的要求，系統(tǒng)所需數(shù)模轉(zhuǎn)換器的相關(guān)參數(shù)如下:

(1)配合數(shù)字式調(diào)壓器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓值為0～2 V.

(2)系統(tǒng)輸出電壓最大(20 kV)時的電壓誤差維持在20 V之內(nèi)，精度為1/1 000.為了保證該最小精度，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的分辨率要比它高一等級，選用12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其分辨率可達1/(212-1)=1/4 095，滿足精度要求.

(3)整個采集控制過程要在1 ms內(nèi)完成，留給數(shù)模轉(zhuǎn)換器的反應(yīng)時間在100 μs內(nèi).

(4)一路電壓，并行8位輸入口，內(nèi)部自帶8/4位鎖存器，用于與8位單片機相連.

AD5341是12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，采用2.5～5.5 V電源供電，3 V時功耗僅115 μA，省電模式下其功耗可降至80 nA.該器件集成一個片內(nèi)輸出緩沖，可同時驅(qū)動輸出至兩個供電軌，允許選擇緩沖或無緩沖基準電壓輸入.AD5341具有一個并行接口，由CS選擇器件，數(shù)據(jù)則在WR的上升沿載入輸入寄存器.通過GAIN引腳，可將輸出范圍設(shè)置為0 V至參考電壓，或0 V至兩倍參考電壓，這些數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)據(jù)要經(jīng)過雙緩沖，因而利用LDAC引腳可以同時更新系統(tǒng)中的多個數(shù)模轉(zhuǎn)換器.此外，它還提供一個異步CLR輸入引腳，可以將輸入寄存器和數(shù)模轉(zhuǎn)換寄存器的內(nèi)容全部復(fù)位至零.這些器件還內(nèi)置一個上電復(fù)位電路，以確保數(shù)模轉(zhuǎn)換器.輸出上電至0 V并保持該電平，直到對該器件寫入有效數(shù)據(jù)為止.

其硬件連接如圖4所示.

圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊硬件設(shè)計

2.4 保護報警電路設(shè)計

保護報警回路硬件設(shè)計如圖5所示.按下SB2，繼電器KM1線圈得電，繼電器動作，接通功率繼電器KM2回路，動作于主電路合閘，試驗開始.按下SB1，繼電器KM1失電，KM2隨之失電，動作于主電路跳閘，試驗結(jié)束.

耐壓試驗過程中，當出現(xiàn)過壓或者過流時，實時監(jiān)測試品上的電壓和流經(jīng)試品的電流通過與非門輸出高電平，啟動保護回路，三極管Q1導通，繼電器KM1失電，KM2隨之失電，動作于主電路跳閘，試驗結(jié)束.

圖5 保護報警回路硬件設(shè)計

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程如圖6所示.接通電源后，首先設(shè)定耐壓值、升壓時間和耐壓時間，設(shè)定完成后，按下合閘開關(guān)，判斷調(diào)壓器是否在零位，若不在零位，軟件歸零后，再檢測零位.在檢測結(jié)果顯示調(diào)壓器歸零后，合閘啟動.然后開始持續(xù)線性升壓，判斷試品兩端電壓是否已達到設(shè)定值，如果已經(jīng)達到設(shè)定值，則停止升壓，進入定時過程;如果沒達到設(shè)定值，則繼續(xù)升壓，等待試品兩端電壓達到設(shè)定值.

圖6 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

定時結(jié)束后，持續(xù)線性快速降壓，等到電壓降至下限值，斷開分合閘開關(guān).整個過程中，若試品被擊穿，立刻進入單片機外部中斷服務(wù)子程序，系統(tǒng)會記錄擊穿電壓，發(fā)出報警信息，斷開分合閘開關(guān)，令調(diào)壓器輸出歸零.

4 結(jié)論

(1)相比于傳統(tǒng)交流耐壓裝置采用的自耦調(diào)壓器，數(shù)字式調(diào)壓器的輸出精度高，體積小，質(zhì)量輕;

(2)采用了閉環(huán)控制，其擊穿電壓測量和顯示更精確;

(3)利用單片機良好的與上位機通訊的性能可實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程控制.

[1]江軍.基于AVR ATmegal128的工頻耐壓試驗系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011(6):167-170.

[2]房玉明，杭柏林.基于單片機的步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)[J].電機與控制應(yīng)用，2006，33(4):61-64.

[3]趙鵬飛.關(guān)于工頻交流耐壓試驗分析[J].電氣制造，2007(9):86-88.

[4]趙卿.工頻試驗成套裝置測控系統(tǒng)研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學，2006.

[5]陳曦，車軍，梁翠.基于單片機的100 kV高壓試驗臺的設(shè)計[J].山東交通科技，2011(4):17-21.