基于AVRATmega128的工频耐压试验系统设计

２０１１年６月１５日第３４卷第１２期现代电子技术Ｍｏｄｅｒｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ＴｅｃｈｎｉｑｕｅＪｕｎ．２０１１Ｖｏｌ．３４Ｎｏ．１２基于ＡＶＲ　ＡＴｍｅｇａ１２８的工频耐压试验系统设计江　军，仲崇山，梁亚平，朱庆伟，王一帆，周献飞（中国农业大学信息与电气工程学院，北京　１０００８３）摘　要：设计一种基于单片机和ＬａｂＶＩＥＷ的工频耐压试验系统。

根据实际试验过程中的需要，该系统具有数据采集、串行通信、虚拟界面、参数实时检测、继电器保护、电机控制等功能。

该测控系统的硬件采用模块化结构，包括实时数据采集模块、电机控制模块、检测与保护模块；软件实现是基于稳定性较好的ＡＶＲ　Ｍｅｇａ１２８单片机和功能强大的ＬａｂＶＩＥＷ软件，单片机和ＰＣ机之间以串口的形式实现通信，有机地整合各硬件模块。

该系统大大提升了试验过程的安全性并提高了高压工频耐压试验设备的自动化程度，同时考虑了低廉的开发成本。

关键词：工频耐压；ＡＶＲ；数据采集；电机控制；检测保护中图分类号：ＴＮ９１１－３４；ＴＭ８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－３７３Ｘ（２０１１）１２－０１６６－０４Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｗｉｔｈｓｔａｎｄ　Ｔｅｓｔ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＶＲ　ＡＴｍｅｇａ１２８ＪＩＡＮＧ　Ｊｕｎ，ＺＨＯＮＧ　Ｃｈｏｎｇ－ｓｈａｎ，ＬＩＡＮＧ　Ｙａ－ｐｉｎｇ，ＺＨＵ　Ｑｉｎｇ－ｗｅｉ，ＷＡＮＧ　Ｙｉ－ｆａｎ，ＺＨＯＵ　Ｘｉａｎ－ｆｅｉ（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｗｉｔｈｓｔａｎｄ　ｔｅｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＬａｂＶＩＥＷ　ａｎｄ　ＭＣＵ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌｄｅｍａｎｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｄａｔａ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｓｅｒｉａｌ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｖｉｒｔｕａｌ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｐａｒａｍｅｔｅｒｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ｒｅｌａｙ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ｍｏｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｅｔｃ．Ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｄｏｐｔｓ　ｍｏｄｕｌａｒｉｚｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｅ，ｍｏｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｄｕｌｅ，ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｅ．Ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｔａｂｌｅＡＶＲ　Ｍｅｇａ１２８ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐ　ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ　ａｎｄ　ｆｕｌｌ－ｆｅａｔｕｒｅｄ　ＬａｂＶＩＥＷ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．ＭＣＵ　ａｎｄ　ＰＣ　ｏｒｇａｎｉｃａｌｌｙ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅ　ｖａｒｉｏｕｓｈａｒｄｗａｒｅ　ｍｏｄｕｌｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｏｒｍ　ｏｆ　ｓｅｒｉａｌ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｔｈｅ　ｄｅｇｒｅｅ　ｏｆ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ，ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ　ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｃｏｓｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｗｉｔｈｓｔａｎｄ；ＡＶＲ；ｄａｔａ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ；ｍｏｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ收稿日期：２０１１－０１－１３基金项目：中国农业大学２００９年研究生科研创新专项（１５０５９２０３）；中国农业大学本科生科研训练计划（ＵＲＰ）０　引　言在电力系统、电力设备制造企业、研究机构、高等学校等单位需要进行大量的工频耐压试验，尤其是高电压实验室里面进行相关的试验和研究。

目前，工频耐压试验大都采用手动方式控制电源的分合闸以及电压的升降。

操作比较麻烦，且缺乏安全方面的考虑［１］。

近些年来，出现了一些自动化装置，例如基于数据采集卡的工频耐压试验装置［２］。

本文以单片机为核心开发了计算机控制的新型工频耐压测控系统，具有很好的通用性，且可方便实现多种终端控制。

随着电子技术的迅猛发展，以单片机为核心的微机自动测控系统逐步取代了常规试验设备。

本文旨在开发集成度较高且智能化的仪器，以提高试验的可靠性和安全性。

该系统采用ＡＶＲ系列单片机中功能较强的ＡＴｍｅｇａ１２８，该芯片具有比较丰富的片上资源，其内部集成了１２８ＫＢ的ＦＬＡＳＨ存储器、４ＫＢ的Ｅ２ＰＲＯＭ、５３个可编程Ｉ／Ｏ口和８路１０位Ａ／Ｄ转换通道，用于供电系统测控时，可以省去扩展程序存储器和Ａ／Ｄ转换器，也可以把终端的采集数据存储到单片机本身的Ｅ２ＰＲＯＭ中，使测控系统结构紧凑，速度更快、功能更强、可靠性更高、造价也更低［３－４］。

在该系统的设计中还引入了虚拟仪器技术，可以方便地实现数据采集、分析、处理、管理、图形化显示等功能。

而单片机和ＬａｂＶＩＥＷ只需通过串口通信连接起来就可以正常的工作［５－６］。

１　系统总体功能及设计思路１．１　总体功能系统的总体结构如图１所示。

系统具备以下功能：（１）多种调压方式。

例如：通过鼠标或键盘控制步进升压和降压，自动升至预置电压、电压自动归零等；（２）电压、电流检测与显示。

实时监测试验电压、电流大小并在ＬａｂＶＩＥＷ虚拟电表上显示；（３）耐压计时。

进行耐压试验时可以自由设定耐压时间，由ＬａｂＶＩＥＷ进行倒计时控制，耐压时间到后有语音提示，系统立即记录耐受电压幅值，之后调压器自动回零；（４）分合闸。

为保障人身安全，提高操作的便捷性，将电磁继电器接入到升压控制台继电器中，可以实现对总电源的开闭控制；（５）语音提示和报警。

正常操作时语音提示当前的试验操作以及对应的状态。

若用户进行了违反高压试验的操作规程，系统能进行语音警告。

图１　系统的设计思路１．２　设计思路ＬａｂＶＩＥＷ是一种基于图形语言的开发工具，能便捷地开发出实用美观的界面，ＡＶＲ单片机能够灵活地实现底层控制和测量功能。

该系统将二者的优势有机结合起来。

同时，辅以电机、采样环节等必要的外围电路，使系统设计功能得以实现。

在系统的控制上，电机控制是核心，为精确控制旋转式自耦变压器转角进而实现电压大小的调节，选用大转矩的步进电机，由单片机精确控制步进电机正反转步数实现电压的升降调节，通过多次试验根据实际情况选择合适转速以保证整个系统的安全稳定运行。

在电压、电流采样环节中，利用精密传感器将待测交流电压、电流转换成微弱电流，放大后经有效值芯片处理，滤波后再由单片机片内Ａ／Ｄ采集。

在试验电源分合闸控制中，单片机Ｉ／Ｏ信号经过驱动电路控制继电器的开合，继电器控制交流接触器控制线圈的通断，从而实现试验电源的分合闸。

电源带电状态通过小型变压器，经降压、整流转换成直流高低电平，可通过单片机Ｉ／Ｏ口进行检测。

２　系统硬件设计２．１　数据采集测量过程是通过互感器将待测ＡＣ电压、电流转换为电流信号，然后利用运算放大器转换成大小合适的电压信号，经过有效值转换电路后由单片机片内Ａ／Ｄ采集（见图２）。

图２　电压信号采集过程 以电压采集过程为例给予说明如下：系统对电压的采集点位于调压器的输出端，其输出电压的范围为０～２５０Ｖ，在保证精确性的前提下，为尽量减小采样电路对后续电路的影响，选用了输入／输出电流为毫安级的精密电压互感器。

接着，利用运放和阻容等元件组成的Ｉ／Ｖ变换电路将电流信号线性地转换成直流电压信号。

考虑到单片机Ａ／Ｄ的片内基准源电压为２．５６Ｖ，为增大Ａ／Ｄ转换精度，应使放大后的电压Ｖｏ３最高值接近２．５６Ｖ。

故在必要情况下可根据需要加入运算放大电路，此处加入同相比例放大电路，是因为其输入阻抗很高，使电路网络级联带来的影响最低。

由于高压试验过程中流过较大的工频电流，会产生很强的电磁干扰，使得传递给单片机Ａ／Ｄ口的电压信号含有纹波噪声，故本设计在软件上采用了滑动中值滤波［７］，硬件上加入有源滤波电路，从而保证了Ａ／Ｄ采样的精度。

试验过程中经过示波器观测，纹波中含有二倍工频、幅值８％（直流电压偏移）的低频噪声和幅值３％的高频（大于１０ｋＨｚ）噪声。

针对这个问题，系统引入有源低通滤波电路，从实际滤波效果来看，滤除了９０％的噪声，大大提高了采样精度。

有源滤波电路的引入，尤其是电容的加入理论上会增加信号采集时间和降低采样的实时性。

采用专用的有效值转换芯片ＡＤ６３７对放大后的电压信号进行有效值转换，避免了繁琐的ＦＦＴ运算，大大简化了单片机程序，而且硬件电路也不是很复杂。

ＡＤ６３７属于高准确度的单片真有效值－直流转换器，测量误差小于等于±（２％×读数±０．５ｍＶ），能计算任何复杂波形的真有效值、平均值、均方值、绝对值。

其输入端具有过压保护功能，不容易烧坏，电源电压范围宽，规定为±３～±１８Ｖ，输入阻抗高，输出阻抗高［８］。

７６１第１２期江　军等：基于ＡＶＲ　ＡＴｍｅｇａ１２８的工频耐压试验系统设计最后，把有效值输出口直接连接到单片机的ＡＤＣ端口进行实时检测和实时读取。

２．２　电机驱动与控制步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差（精度为１００％）的特点，广泛应用于各种开环控制［９］。

该系统选用的是宁波鄞州飞宏精密电机有限公司的２３ＨＤ００２－１型号电机，扭矩为１．８Ｎ·ｍ。

在转动过程中考虑到力矩平衡：Ｍ＝Ｆ·Ｄ（１） 通过实际测量该系统所采用的调压器扭矩约为２．５Ｎ·ｍ，若采用１∶５的齿轮直径比，相当于用扭矩为９Ｎ·ｍ的电机直接驱动负载了。

满足一般性的选择规则：最大静力矩是负载力矩的２～３倍［１０］。

步进电机有集成驱动，但是一般价格比较昂贵，故搭建了较为简单而实用的驱动电路。

步进电机本质上就是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度，从而达到调速的目的。

在编写程序时只需按照这种时序的变换就可以让电机中的线圈按照时序的变化进行顺序性的导电，时序改变的频率就可以响应的影响到电机转速的快慢。