发电机定子绕组局部放电超声波检测数据采集系统设计

发电机定子绕组局部放电超声波检测数据采集系统设计
廖建庆
【摘要】为了对发电机局部放电情况进行实时高精度检测,提出一种适用于发电机局部放电检测的超声波检测数据采集系统.该系统以STC89LE52单片机作为控制核心,主要介绍了系统组成,电压、电流采样电路的电路设计,完成了系统软件实现.该系统结构简单,抗干扰性强,稳定性好,具有一定的参考价值.
【期刊名称】《宁德师范学院学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2014(026)001
【总页数】4页(P42-45)
【关键词】单片机;数据采集;发电机;超声波检测
【作者】廖建庆
【作者单位】宁德师范学院物理与电气工程系,福建宁德352100
【正文语种】中文
【中图分类】TD75;TP273
1 系统硬件设计
1.1 系统组成及工作原理
系统硬件组成分为以下几个部分：电压、电流互感放大电路、锁相环倍频电路、A/D转换电路、单片机控制电路、键盘显示电路等，软件部分则主要实现由单片机对数据的采集和相关处理，根据采集的数据计算出各个电参数，并控制显示电路
显示各个电参数，实现对电参数的检测.根据对系统的分析，得到图1所示的系统组成图.
通过对系统总体结构的分析，根据局部放电信号检测系统的实际要求，系统采用模块化设计，主要包含以下几个模块：电流采样电路，由电流型互感器和运放组成的转换电路将待检局部放电信号中的交流电流转换为电压信号；电压采样电路，由电流型互感器和运放组成的转换电路将信号中的交流电压转换为电压信号；锁相倍频电路，将从电压信号整形为方波，并由锁相倍频电路将信号倍频32倍，作为AD 芯片的采样启动和读信号，实现同步采样；A/D转换电路，对采样的模拟量进行转换，变换模拟量为数字量；单片机控制电路，对AD芯片转换传送来的数字信号进行相应的处理，并计算出各个数据值.
图1 系统组成图
图2 电流采样互感放大电路图
1.2 电流采样电路设计
对发电机定子绕组局部放电中的电流采样有直接采样和间接采样两种，由于直接采样的危险性比较大，本系统采取了间接采样的方法.电流采样电路如图2所示.
采用这种方法就需要用到互感器，而现在社会市场上的互感器种类繁多，所适应的工作场合也是不尽相同的.本设计采用的是HGI-01型卧式穿芯小型精密交流电压电流通用互感器[1，2].HGI-01作电流互感器应用时，用户只要在中心孔内穿1匝母线作为输入线圈.
由于电流的感应比是2000∶1，所以电路中的负载是很小的，根据电路的实际情况将Rr的阻值选为5k，C0选为0.22uf..这样可以将0～2A的电流转换为所需要的幅值范围0～5V的电压信号，满足采样所需.
1.3 电压采样电路设计
本设计中HGV-01作电压互感器使用时是一种电流型电压互感器.电压采样电路如
图3所示.
根据电路的实际情况本设计将Rr的阻值选为5k，C0选为0.1uf.. 因为电流的感应比是1∶1，所以Rr选为5k.同时也要注意不要让负载超过互感器的范围.这样可以安全地得到所需要的幅值范围，满足采样所需.
图3 电压采样互感放大电路图
2 系统软件设计
2.1 单片机RAM分配
在系统硬件设计中没有扩展任何外部存储器，系统软件所需的存储空间由
P89V51RD2FA内部集成[3，4].本着提高软件运行速度，节省使用系统存储器的
原则，系统RAM的具体分配方案如图4所示.
P89V51RD2FA片内共集成了64K的flash程序存储器，256字节的高速RAM
数据存储器和768字节的外部存储器，系统的数据存储器资源非常有限，而系统
软件运算中，需要较多的数据存储空间和中间变量存储空间，这就需要合理的分配和高效地利用系统有限的存储空间，尤其对非常少的内部RAM空间，做到物尽其用，最大地发挥系统的硬件能力，提高软件运行的速度和效率，增强软件的可靠性. 图4 系统RAM分配图
2.3 主程序设计
主程序是整个系统软件的运行主体，各个子系统软件都必须经过它的调度，才能运行得当.根据设计的功能要求，主程序对系统进行了初始化，初始化具体参数如下：（1）内存工作单元初始化.标志位初始化：BZ_0=0；电流显示标志位，BZ_1=0；有功功率显示标志位，BZ_2=0；无功功率显示标志位，BZ_3=0；功率因数显示
标志位读数标记初始化：Begin=0x00，j=0x00；
（2）控制位初始化.本设计通过P1.4控制模拟开关，初始化设为P1_4=0；通过
P1.7控制AD574转换，P1.7初始化为0，设置AD574为12位转换；
（3）初始化外部中断INT0，设置为下降沿触发；
（4）显示初始化.系统启动时显示初始化为Hell0字样.
初始化后，启动AD，当中断来时，读A/D转换数据.单片机采集到数据后，调用滤波、电压有效值、电流有效值、有功功率、功率因数以及无功功率子程序计算出各个电参数值并通过显示电路显示.最后调用键扫程序，实现电参量的切换显示.其主程序流程图如图5所示.
图5 系统主程序流程图
2.4 中断服务程序设计
中断服务程序的主要功能是响应外部中断0，当中断来临时就开始读入AD采样的数据，并将读取的数据存入外部数据存储器. 根据设计选取的A/D转换芯片
AD574以及提高分辨率到小数点后一位的要求，按照硬件电路图的连接情况，编写了读A/D子程序.其中选取P89V51RD2FA的P0口与AD转换器的数据口相连.
2.4.1 AD转换时序 AD转换的时序如图6.根据控制时图，可知各控制信号的时序关系：CS为低电平，芯片为选通状态，CE操作使能端；输入为高，芯片开始进行读/转换操作，R/C读/转换状态输入端，输入为低时为转换状态；A0置1，启动12位数据转换.在R/C上升沿后模数转换完成，转换结果通过A0控制分两次把数据读出.2.4.2 AD转换子程序（1）CS为常置低电平.AD采样程序首先检测模拟开关控制位，再转入电压或电流子程序，即可读取AD转换的数据.（2）采用中断读数.每来一次中断，读一次AD转换数据.在本次设计中，通过锁相环倍频信号控制启动AD转换和读AD转换数据，同时经反相器后控制外部中断0.（3）为使采集的数据更加精确，本次A/D转换程序设计采用软件滤波，即连续读取4个周期
A/D转换结果，对4个周期的采样数据进行中值平均滤波. 图7为中断程序流程图. 图6 AD 转换的时序图
3 结束语
图7 中断程序流程图
发电机定子绕组局部放电超声波检测数据采集系统采用STC89LE52单片机为控制核心，从硬件和软件两方面介绍系统的实现方案，硬件主要介绍了电压和电流采样放大电路的设计，软件主要完成了主程序和中断服务程序的实现方法.实际证明此系统的设计是具有一定的应用价值.
参考文献：
[1] 周航慈. 单片机应用程序设计技术[M]. 北京：北航出版社，2001.
[2] 廖建庆. 便携式电网在线检测仪设计[J]. 电力系统保护及控制，2010，38（19）：199-202.
[3] 张迎新. 单片微型计算机原理、应用及接口技术[M]. 北京:国防工业出版社，2004.
[4] 郭冰菁. 交流电量的实时检测技术及实现[J]. 机床与液压，2005，31（10）：19-22.。