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設計參考/Design Reference

基于51單片機及嵌入式傳感器的電網監控系統設計淺析

-----2019-05-09

 隨著計算機技術的飛速發展,嵌入式系統已經成為計算機技術領域的一個非常重要的組成部分,普遍應用于商業和辦公領域的以太網也逐漸進入了控制方面;在工業控制領域,智能設備、儀器儀表和傳感器方面均有向嵌入式網絡化設備過渡的趨勢,所以以太網與監控的結合已經成為一種必然。只要在嵌入式設備中配上網絡通訊接口協議,得到TCP/IP協議的支持接入Internet網絡,便可實現數據的監測以及共享。而隨著經濟的迅速發展,用電量劇增,使得對電網的監控提出了更高的要求。

設計了一種電網的遠程監控系統,該系統結合51單片機以及嵌入式傳感器進行數據采集與處理,組建成一個小型的Web服務器直接將各項數據(包括三相電狀態、溫度、外界實時畫面等),通過Internet提供給客戶機,實現對電網的實時監測與故障診斷功能。該系統配置靈活方便,又很好的實現了資源的共享,具有極為廣泛的應用前景。

1 嵌入式技術在電網監控系統中的應用

基于ARM—Web技術的電網監控系統的作用主要是監測各路電網的狀態(正常、過壓、欠壓)以及環境的溫度,連同實時畫面上傳到Inter net網絡,用戶在獲得登陸權限后,就可以遠程觀測配電柜的各項參數,電網監控系統總體結構框圖如圖1(注:U1a,U1b,U1c分別為電網U1的a,b,c三相電壓,電網U2同U1類似)。

基于51單片機及嵌入式傳感器的電網監控系統設計淺析

由于各電網的三相電電氣特性相似,所以本文只針對其中的一相電展開。

電網的各相電經過電壓轉換電路、采樣調理電路后,得到各相電的狀態信息量,51單片機通過對各狀態信息量的接收與邏輯判斷過程后,將最終的電網狀態連同環境溫度信息通過485總線一并傳給上位機S3c6410,上述電路構成一個節點,通過給上位機搭配另外的節點后,可實現對電網節點網絡的監測。上位機S3c6410搭載USB攝像頭,可實現對上位機附近外界環境實時畫面的捕捉,搭載溫度傳感器后,實現對上位機環境溫度的監測,通過DM9000A芯片和Web服務器實現對以太網的接入,最終遠程用戶通過瀏覽器實現對各電網狀態及環境各參數的監測。

2 硬件電路設計

2.1 電壓轉換電路及采樣調理電路

設計中省略了大部分電路采用到的A/D采樣部分,原因是對于50 Hz頻率交流電壓電流進行采樣,需要較高采樣頻率(幾兆到十幾兆赫茲),通過對此查閱相關資料后得出,DSP以高速的數據能力顯得很是優越,但是DSP芯片及其外圍電路的成本相比單片機要高很多,綜合考慮后,省略了A/D轉換部分。之所以不采用將調理過的信號直接接入到ARM芯片上,是為了盡量多的節省ARM芯片上資源。對于三相電網的每一相狀態都需要51單片機對應的2個I/O完成,總工需要6個I/O,如果配電柜內存在多個三相電網需要檢測,經調理后直接接入ARM芯片,將會占去很多額外的資源,而且不利于長距離的數據傳輸。

基于51單片機及嵌入式傳感器的電網監控系統設計淺析

如圖2,電網的220VAC電壓由R1、R2兩端輸入,經變壓器和分壓電阻后,通過調節可變電阻R4,可以最大限度的減小電阻誤差或者變壓器漏磁等情況帶來的偏差,最終在a1端輸出10 VAC左右的電壓,采樣電路接收電壓轉換電路輸出的10V交流電,經兩級濾波后,交流電的幅度將變得很平滑,近似直流電,再經分壓過程,輸入到運算比較器的負極,通過設定電路中各分壓電阻以及基準電壓的值,當出現過壓或者欠壓情況時,原酸比較器的輸出端將由高電平轉為低電平。

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通過實驗,將過壓基準設為4.70±0.01 V,欠壓基準設為2.40±0.01 V。

2.2 溫度和視頻采樣電路

溫度采集傳感器采用PT100,鉑熱電阻,阻值隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0℃時阻值為100 Ω,在100℃時它的阻值約為138.5 Ω。其RT曲線圖如圖4,當PT100在0攝氏度的時候他的阻值為100 Ω,它的阻值會隨著溫度上升而成近似勻速的增長。但他們之間的關系并不是簡單的正比的關系,而更應該趨近于一條拋物線。常見的PT100感溫元件有陶瓷元件,玻璃元件,云母元件,它們由鉑絲分別繞在陶瓷骨架,玻璃骨架,云母骨架上再經過復雜的工藝加工而成。通過對PT100兩端電壓的采集,經AD0809轉換芯片后,接入51單片機,最終實現對節點環境溫度的采集。工作原理如圖5,具體電路原理不再具體介紹。

基于51單片機及嵌入式傳感器的電網監控系統設計淺析

視頻采集方面利用zc301型攝像頭接入S3c6410的USB接口,采用開源代碼mipeg-streamer完成,主要實現對上位機S3c6410外界環境畫面的實時采集功能。

2.3 51單片機電路

電網的采樣監測功能由采樣調理電路和51單片機搭配實現,通過模擬電路的調理過程,得到51單片機I/O口可以識別的高低電平(高電平大約為+5V,低電平大約為0V),51單片機通過識別輸入電平,判定電網每一相電的工作狀態。為了提高精確度,電網的每一相電的狀態判定對應51單片機的2個I/O口,一個I/O口用來判定該相是否過壓,另一個I/O口用來判定該相是否欠壓,通過組合邏輯判斷,實現對該路電網正常,欠壓和過壓三態的判定。51單片機綜合邏輯關系如表1所示。

基于51單片機及嵌入式傳感器的電網監控系統設計淺析

2.4 外圍通信接口電路

外圍通信接口電路的設計主要由485總線接口電路,USB接口電路和以太網接口電路3部分組成。

1)485總線是典型的串行通訊標準,1.RS-485的電氣特性:邏輯“1”以兩線間的電壓差為+(2~6)V表示;邏輯“0”以兩線間的電壓差為-(2~6)V表示。RS-485的數據最高傳輸速率為10 Mbps。RS485接口組成的半雙工網絡一般只需二根連線,所以RS485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。采用平衡驅動器和差分接收器的組合,抗共模干擾能力增強,即抗噪聲干擾性好。最大傳輸距離標準值為4 000英尺(約1 219 m),實際上可達3 000米,另外RS-232-C接口在總線上只允許連接1個收發器,即單站能力。而RS-485接口在總線上是允許連接多達128個收發器。即具有多站能力,這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設備網絡。因RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性,長的傳輸距離和多站能力等上述優點就使其成為首選的串行接口。

2)USB接口分為主/從2種模式,USB主模式可連接U盤、打印機等USB接口設備,USB從模式接口可實現系統和上位機的通信,本文主要利用USB接口實現由攝像頭到ARM芯片的通信。

3)以太網接口實現檢測結果并通過網絡發送給其他設備,DM9000A是集成和高效的10/100MHz自適應網卡芯片。DM9000A與ARM芯片連接,可以通過數據、地址和控制三總線進行連接并實現數據的轉換。在對DM9000A讀寫之前,ARM芯片需要通過控制總線和地址總線提供DM9000A正確的讀寫時序,實現正確尋址。分別設置片選,工作模式后,才能完成數據的準確交換。

3 系統的軟件設計

軟件系統如圖6所示,主要包括軟件開發環境的構建、設備驅動和應用開發環境的開發。為使設備能夠正常工作,SD卡,矩陣鍵盤,USB設備,LCD屏,網口,485總線等驅動程序均以模塊的方式加載到內核中。應用程序主要分為:外圍的通信接口程序,鍵盤和LCD屏的控制程序等。

基于51單片機及嵌入式傳感器的電網監控系統設計淺析

本電網監控系統的工作流程是首先對電網各相電的參數進行采集,然后將信號量傳給51單片機,經單片機對信號量的處理后得出狀態結果,再通過485總線將其傳輸給ARM芯片,將結果存儲在EEPROM中,并可將有關參數和分析結果嵌入到存儲在EEPROM中的事先定制好的網頁中,同時采集環境的溫度和實時畫面并上傳,供客戶機通過Internet網絡訪問,通信主程序流程如圖7所示。

基于51單片機及嵌入式傳感器的電網監控系統設計淺析

Linux下嵌入式Web服務器主要有3個:httpd、thttpd和Boa。http和Boa都支持認證、CGI等,功能比較全。本系統以Boa搭配Cgic作為服務器。Boa是一個單任務的hupd服務器,源碼開發、系能高。隨著internet技術的不斷發展,在嵌入式設備的管理與交互中,B/S(即Brows er/Server瀏覽器/服務器機構)結構成為目前的主流。通過對Boa和Cgic源代碼的操作,最后得到可執行文件Boa和CGIC庫libcgic.a。

通過調試輔助程序capture和測試程序cgictest.cgi,可以驗證生成CGIC庫的正確性。將capture和cgictest.cgi復制到開發板的CGI程序目錄下,用瀏覽器訪問這個Cgi文件,可以看到頁面,表示CGIC庫和測試腳本都移植成功。為了能夠在ARM上運行Web服務器Boa,需要完成對其運行環境、參數等進行設置,并將最終的配置文件Boa.conf置于工作目錄下。

4 結束語

基于Web服務器的電網監控系統利用51單片機及采樣調理電路實現對各電網狀態的判定,通過485總線將結果傳輸給S3c6410芯片,同時采集環境溫度及實時畫面,S3c6410結合DM9000A芯片實現了TCP/IP協議棧,相比8位的MCU,大大的縮減了工作量,并提高了系統的可靠性?;赪eb服務器的電網監控系統具有良好的聯網和信息共享的功能,也具有測量精度高,硬件電路簡單,操作簡單的特點,因此本系統具有廣泛的發展空間。

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