基于8051內核的遠程直流電源監控系統設計

　　1 前言

　　上世紀60年代中期，美國科學(xué)家馬斯對開(kāi)口蓄電池的充電過(guò)程作了大量的試驗研究，并提出了以最低出氣率為前提的，蓄電池可接受的充電曲線(xiàn)，如圖1所示。實(shí)驗表明，如果充電電流按這條曲線(xiàn)變化，就可以大大縮短充電時(shí)間，并且對電池的容量和壽命也沒(méi)有影響。原則上把這條曲線(xiàn)稱(chēng)為最佳充電曲線(xiàn)。蓄電池放電后，用直流電按與放電電流相反的方向通過(guò)蓄電池，使它恢復工作能力，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為蓄電池充電。蓄電池充電時(shí)，電池正極與電源正極相聯(lián)，電池負極與電源負極相聯(lián)，充電電源電壓必須高于電池的總電動(dòng)勢。充電方式有恒電流充電和恒電壓充電兩種。

　　變電站、發(fā)電廠(chǎng)、通信機房需要穩定可靠的直流電源系統為蓄電池充電，向控制回路和合閘回路供電。直流電源管理電池充放電、監控開(kāi)關(guān)狀態(tài)和直流系統運行狀態(tài)，以便在運行過(guò)程中確保電源和設備安全高效運行。電源監控系統已從簡(jiǎn)單的監控功能發(fā)展到具有三遙和報警功能，具有較完備的管理和遠程監控功能的系統。電源監控系統基于導軌式安裝電力監控儀表的電源監控管理方案。該方案主要由觸摸屏、單相或三相交流信號采集單元、互感器構成，能對數據中心電源進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與顯示電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數、諧波和電能。“節能減排”目前已成為衡量企業(yè)未來(lái)可持續發(fā)展的重要指標。隨著(zhù)電信、銀行以及大型企業(yè)業(yè)務(wù)的擴展，龐大的數據中心所帶來(lái)的管理維護費用和不斷攀升的電費已成為企業(yè)主管的一大難題。

　　2系統硬件設計

　　2.1硬件電路設計

　　直流電源系統需要采集多路模擬量、數字量并要求多路空節點(diǎn)和0 V~4 V的可調電壓輸出，即“四遙”功能。監控單元有兩個(gè)串行口，一個(gè)用于連接智能設備，另一個(gè)用于和TC35i通信。監控單元還需要鍵盤(pán)和液晶顯示。根據以上需求，系統需在單片機最小系統的基礎上增加較多外設。采用帶雙串口的單片機減少外設數量，則增加系統成本，而且限制單片機本身的通用性。其硬件原理圖如圖1所示。

　　2.1.1單片機

　　單片機采用通用的SST89E516,是基于8051內核帶64 KB的Flash單片機，3個(gè)16-bit定時(shí)器/計數器，1個(gè)UART,36個(gè)GPIO,支持ISP;看門(mén)狗電路、時(shí)鐘電路和掉電保存電路采用FM3104.FM3104是RAMTRON公司推出的一款高性?xún)r(jià)比的集成器件，內部集成看門(mén)狗、低壓檢測、定時(shí)器、時(shí)鐘電路和鐵電存儲器。采用I2C通信。時(shí)鐘電路和鐵電存儲器分別為兩個(gè)地址，其中鐵電存儲器用于存儲系統參數，如告警號碼、遙測告警越限值等。

　　2.1.2 TC35i接口電路

　　西門(mén)子的TC35i是一個(gè)支持中文短信息的工業(yè)級GSM模塊，其頻段為雙頻GSM 900 MHz和GSM1 800 MHz,支持數據、語(yǔ)音、短消息和傳真。系統采用16C550擴展一個(gè)串口，以TTL電平的串行口方式和TC35i通信。

　　2.1.3顯示、鍵盤(pán)電路

　　顯示電路采用128×64液晶。液晶的接口片選由GAL16V8確定。為了簡(jiǎn)化系統設計，鍵盤(pán)采用集成電路ZLG7290,單片機與ZLG7290的通信采用I2C通信方式。

　　2.1.4模擬信號采集電路

　　模擬信號采集電路是由整定、隔離和轉換3部分組成。不同的模擬信號整定電路部分不同，例如直流電壓采用精密電阻分壓法將0 V~400 V電壓整定為0 V~4 V;而交流電壓則采用電壓互感器整定為0 V~4 V;隔離電路采用線(xiàn)性光耦。

　　整定過(guò)的模擬信號經(jīng)限壓處理，一并輸入多路開(kāi)關(guān)。然后經(jīng)過(guò)壓頻轉換(V/F)后輸入CPU處理。V/F轉換采用集成電路AD654.AD654是美國模擬器件公司的一款低成本、8引腳封裝的電壓頻率(V/F)轉換器，其單電源電壓為4.5 V~36 V;雙電源電壓為5 V~18 V;輸出頻率范圍為0 kHz~500 kHz;線(xiàn)性誤差為0.06%(250 kHz時(shí));輸入阻抗為250 MΩ;其輸入電壓范圍為單電源為0 V~Vs-4 V,雙電源為-Vs~Vs-4 V.

　　2.1.5數字信號采集電路

　　數字信號指幅度的取值是離散的，幅值表示被限制在有限個(gè)數值之內。二進(jìn)制碼就是一種數字信號。二進(jìn)制碼受噪聲的影響小，易于有數字電路進(jìn)行處理，所以得到了廣泛的應用。數字信號采用TLP521隔離后送至總線(xiàn)驅動(dòng)器74HC244.GAL16V8產(chǎn)生74HC244片選，單片機每隔10 ms查詢(xún)采集數字信號，并加入去抖動(dòng)處理。

　　2.1.6空接點(diǎn)輸出電路

　　空接點(diǎn)用于實(shí)現直流模塊的開(kāi)關(guān)機以及其他設備的控制。采用5 V繼電器輸出空接點(diǎn)信號。5 V繼電器控制也由總線(xiàn)控制。數據口經(jīng)74HC273和MC1413驅動(dòng)后控制繼電器。GAL16V8產(chǎn)生74HC273片選，可擴展多個(gè)空接點(diǎn)。

　　2.1.7模擬電壓給定

　　模擬信號給定采用數字DS1845電位器分壓實(shí)現。數字電位器將2.5 V基準電壓分壓后疊加總限流電壓信號，放大輸出作為直流模塊調節電壓的基準。

　　2.2電路可靠性設計

　　2.2.1屏蔽，隔離和吸收

　　本系統設計的通信線(xiàn)路均采用屏蔽雙絞線(xiàn)屏蔽外界干擾，并進(jìn)行光電隔離。并將各范圍內的模擬量輸人信號統一轉換為0 V~4 V的電壓信號送至A/D轉換器，為了提高系統抗干擾能力，采用差動(dòng)放大器和隔離放大器。

　　2.2.2接地

　　信號接地保證同一邏輯系統的信號邏輯準確，消除同一邏輯系統的不等電位帶來(lái)的干擾，保護接地保證了系統各部分的安全工作。而數字信號地和模擬信號地單點(diǎn)連接。信號地和大地采用3KV102電容連接。

　　3系統軟件設計

　　3.1軟件設計思路

　　采用實(shí)時(shí)操作系統，即定時(shí)器T0產(chǎn)生10 ms中斷，利用10 ms中斷計數分別產(chǎn)生200 ms、500 ms和1 s任務(wù)。系統軟件模塊框圖如圖2所示。