基于ATmega128单片机的智能供电测控系统设计
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收稿日期：2008 － 10 － 20；修回日期：2009 － 04 － 15
位机的通信。 键盘、显示器模块实现对测控系统的设 置和操作，由显示回路接动态 LED 显示器实现数据 的本地显示［4］。 该测控装置系统框图如图 1 所示［5］。
u
TVA1421 电压
供
互感器
电 一 次
i
TVA1421 电流
摘要： 为监视供电系统一次设备的运行状态和计量一次设备的电气参数，设计了智能供电测控系统。 系统采
用 AVR 单片机 ATmega128 为主控制器，通过其内置 A ／ D 转换器进行模数转换及数据处理，选用 TVA1421
立式穿芯小型精密电压、电流通用互感器，实现供电系统一次侧电压、电流的测量，采用相应的算法编程运算
R1 +5 V
&
VD1
测控 外部
系统 设备 R2 K
12 V
K
图 5 开关量输出回路接线图 Fig.5 Connection diagram of binary output circuit
3 系统软件设计
系统软件完成的主要功能：系统初始化，电压、 电流模拟量采集和数据运算，开关量信号采集，开关 量输出控制，故障判断，串口通信等 。 ［12］ 软件采用 C 语言编程，C 语言开发速度快、可读性、可移植性好； 对实时性要求较高的部分采用汇编语言，提高运行 速度 。 ［13］ A ／ D 转换器直接测量的是互感器二次侧电 压、电流分别叠加偏移量以后的瞬时值，要先换算出 一次侧电压、电流的瞬时值，然后通过程序计算得出 一次侧电压、电流的有效值及有功功率和无功功率 的平均值。 每个工频交流电周期内对交流电压进行 N 次采样，u（m）是第 m 次采样测得的交流电压的瞬 时值，则各电量的有效值、平均值可得 。 ［14］ 控制程序 流程如图 6 所示。
0 引言
为了监视供电系统一次设备的运行状态和计量 一次系统电气参数，保证供电系统安全、可靠、优质 和经济合理地运行，供电系统中均应装设一定数量 的电测量仪表。 随着现代测控技术的迅猛发展，以单 片机为主的微机自动测控系统逐步取代了常规测 量仪表。 现 有 高 性 能 、低 功 耗 的 8 位 AVR RISC 单 片 机 ，ATmega128 是 AVR 系 列 中 功 能 最 强 的 单 片 机。 该芯片还具有比较丰富的片上资源，其内部集成 了 128 KB 的 Flash 存储器、4 KB 的 E2PROM、53 个可 编程 I ／ O 口线和 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［1］。
单片机与上位机之间通过 RS - 422 标准总线进 行数据通信，数据传输速率高，传送距离长。 运行在 上位机上的软件主要负责处理 AVR 单片机通过串 口传送过来的数据并进行超差、报警的检查，然后把 数据存储在 Access 数据库中，以便查看或进行后期 数据处理。 在上位机上还可以对测控设备进行调节 和控制。
i（t） = K × uout，i（t） = （9 ／ 1.2） × uout，i（t） 由于互感器的输出电压均是双极性的，而 Atmega128 的 A ／ D 转换器要求只能输入正电压，为了实 现对这种双极性模拟量的模数转换，在测控终端中 互感器的二次侧不能直接接地，而是接在一个恒定 的正电压 UP 上，其值为 A ／ D 转换器最大允许输入 量的 1 ／ 2［8］。 将该偏移直流量同交变的输入量相加 变成单极性模拟量后，再接到 ATmega128 的模拟量 输 入 管 脚 ，分 别 为 uout，v2（t）和 uout，i2（t），则 一 次 侧 电 压 和电流的计算公式为
4 结语
采 用 ATmega128 单 片 机 进 行 供 电 测 控 系 统 设 计，不仅采集速率高，而且传输速度快，控制实时性 较好。 同时，该系统还具有简单易用、小型化、低成本、 传输可靠等优点，对一般工业测控系统的设计有一 定的指导和借鉴意义。 如以计算机技术和现代通信 技术相结合，建立以管理部门为中心，通过公用电话 网与各分机相联系的电脑网络，能自动完成各子系 统电量的计算功能 ， ［17］ 便 于 管 理 部 门 对 电 力 的 分 配 调度，减少不合理的拉闸停电，提高工作效率和供电 管理水平。
系统加电后首先初始化设置，然后打开中断，在 中断中进行 A ／ D 数据采集，存储数据，再对已经采 样 存 入 ATmega128 内 存 的 数 据 进 行 运 算 并 存 入
电力自动化设备
第 29 卷
系统参数初始化 系统上电
开中断
等待定时器中断启 动 A ／ D 数据采集
A ／ D 采集完成？ N
+5 V
PB 口
R1
A
ATmega128
测控系统 外部设备
R2
S1
12 V
图 4 开关量输入回路接线图 Fig.4 Connection diagram of binary input circuit
采用内部中断处理方式，便于实现测控系统的实时 处理 。 ［10］ 2.2.2 开关量输出回路
图 5 为单片机输出信号经光耦合器控制继电器 线圈的电路。 继电器 K 为小电流中间继电器，其线圈 工作电流较小，一般为几十毫安，可以由光敏三极管 直接驱动，再通过该中间继电器的触点控制大电流 回路。 图中，R1 和 R2 是限流电阻，与继电器线圈并联 一只二极管，其作用是当线圈断电时为线圈电流提供 一个通路，避免当电流突变时，产生高电压而击穿光 敏三极管。
Y 有电流突变？
Y
N
计算 u（t）、i（t）
电流计算 故障判断
计算 U、I、P、Q、cos φ 等
ຫໍສະໝຸດ Baidu
故障定位算法
读入开关量
分合闸命令控制
开始下 一轮采集
LED 显示 状态和参数
启动通信程 序发送数据
图 6 主程序流程图 Fig.6 Flowchart of main program
RAM［15］。 CPU 对电流进行判断，并与设定值比较，判 断是否发生故障，然后运用故障定位算法迅速定位 故障，并进行分合闸操作。 通过通信程序实现与主站 的通信，主要包括数据上报、整定参数值下发等。 程 序编制完成后，可利用单片机自带的 JTAG 接口进行 程序的调试，系统开发简单方便 。 ［16］
如图 4 所示，开关信号 S′1 由按钮、继电器、接触 器（如图中 S1）等电器的触点通断所产生 ，光耦输出 端的集电极 A 点电平与开关 S1 逻辑关系相反，适当 选择 R1 的阻值，使 A 点电平符合 TTL 电平要求，将 A 点信号接到单片机 PB 口构成开关信号输入电路。
ATmega128 单片机的中断源比较多 ，仅 外 部 中 断源就有 35 个。 对于某些需立即得到处理的外部触 点的动作情况，可将 A 点信号连接到单片机的外部 中断请求端，而对于模拟量超限等紧急处理信号，可
1 系统总体设计
智 能 供 电 测 控 系 统 以 ATmega128 单 片 机 为 核 心，由电压互感器和电流互感器取得一次系统的电压 和电流，通过单片机内置 A ／ D 转换器将模拟量转换 成数字量，采用相应算法编程运算得到一次系统的电 压、电流、功率等电气参数。 由于 Atmega128 的 A ／ D 转换器在同一时刻只能对 1 路模拟量采样保持，而 计算功率要求对电压和电流 2 路模拟量同时采样，所 以增加 1 路 LM398 采样保持器［2］。 由带光电隔离 的 开关量输入、输出回路监测一次系统开关量的状态， 并对一次系统开关的通断进行控制。 由单片机串行口 通过 RS - 422 转换器连接 RS - 422 网络［3］，实现与上
系
互感器
统 开关量 开关量 输入、输
出回路
I／U
I／U
采样 保持器
光电 耦合器
上位机
RS - 422
PF 口
网络
RXD RS - 422 TXD 转换器
ATmega128
PC 口 PB 口
INT0 ~ 34
键盘、 显示器
图 1 测控系统框图 Fig.1 Block diagram of measuring and control system
第 29 卷第 8 期 2009 年 8 月
电力自动化设备
Electric Power Automation Equipment
Vol．29 No．8 Aug. 2009
基于 ATmega128 单片机的智能供电测控系统设计
张桂香,姚存治
（郑州铁路职业技术学院 电气工程系，河南 郑州 450052）
Fig.2 Connection
Fig.3 Connection
diagram of PT
diagram of CT
2.2 开关量的输入、输出回路设计 在供电测控系统中，开关量的输入是通过读外
部设备触点的通断状态实现的，根据控制功能要求 将逻辑运算结果通过开关量输出回路输出相应的控 制信号，以实现外部设备合闸或跳闸控制。 为了防止 外部设备高电压损坏单片机系统，使用光电隔离器 件将单片机的输入、输出隔离开，一方面使干扰信 号不得进入单片机系统，另一方面单片机系统本身 的噪声也不会以传导的方式传播出去，从而有效地 抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，使传输通道的信噪 比 大 幅 提 高 ［9］。 2.2.1 开关量输入回路
图中采用与非门和非门组合的方式通过光电耦 合器控制 1 个中间继电器 K，只有单片机的 2 个管脚 分别输出 0 和 1 时，光耦才能导通使继电器 K 闭合， 这样可以提高抗干扰能力。 另外，这种非门和与非门 组合使用的设计能够防止电源波动情况下继电器 K 出现误动 。 ［11］
PB 口 ATmega128
得到一次系统的电压、电流、功率等参数。 在开关量输入、 输出电路中使用了光电隔离器件将单片机和外部
设备隔离开。 利用 ATmega128 单片机的强大的中断功能实现测控系统对某些紧急情况的实时处理 。 单 片
机串行口通过 RS - 422 转换器连接 RS - 422 网络，实现与上位机的通信。 系统软件采用 C 语言编程，对实
2 系统硬件设计
2.1 一次侧电压、电流的测量 电压、电流的测量选用 TVA1421 型立式穿芯小
型精密交流电压、电流通用互感器，这种通用型互 感器是由 2 个相同副线圈构成的电流互感器，测量 精度高，采样范围宽，应用也较灵活［6］。 但 TVA1421 电压互感器实质上是在一次侧接了限流电阻的电流 互感器，所以，它和电流互感器一样要求二次侧不能 开路［7］。 其输出信号为电流，首先应经过 I ／ U 变换， 将电流信号转换为电压信号。 最简单的 I ／ U 变换器 是一个精密电阻，但测量精度不高。 如图 2 所示，可 在电压互感器二次侧接一个运算放大器，其测量相 移不大于 5′，这样既能减小测量的相移，又能提高测 量的线性度。 电压互感器一次侧接工频 220 V 额定 电压，两侧的额定电流 I1= I2= 6 mA。 R1 起限流作用， 根据限流要求，R1≥ 220 ／ 6≈37（kΩ），R1 取 40 kΩ， Rf 取 200 Ω，当输入电压 220 V 时，输入电流为 5.5 mA，
时性要求较高的部分采用汇编语言，以提高运行速度。 实验证明：该系统采集速率高，抗干扰能力强，数据传
输快速可靠，简单易操作。
关键词： 单片机； 中断； 电压互感器； 电流互感器； 模数转换； 光电隔离器
中图分类号： TM 744
文献标识码： B
文章编号： 1006 － 6047（2009）08 － 0136 － 04
第8期
张桂香，等： 基于 ATmega128 单片机的智能供电测控系统设计
由于互感器变比为 1，所以输出电流也是 5.5 mA，由 此可知输出电压为 1.1 V，则电压互感器一次侧电压 计算公式为
u（t） = K × uout，v（t） = （220 ／ 1.1） × uout，v（t） 在图 3 中，电流互感器二次绕组是并联的，也可 以将它们改成串联接线以提高一次电流的测量范 围。 电流互感器中 Rf 取 200 Ω，当一次侧输入电流 为 9 A 时，二次侧输出电流为 额 定 电 流 6 mA，输 出 电压为 1.2 V，则电流互感器一次侧电流计算公式为
u（t） = （220 ／ 1.1） × （uout，v2（t） － UP） i（t） = （9 ／ 1.2） × （uout，i2（t） － UP）
I1 R1 UIN
Co
I2
Rf
P1 I1
IC
-
uout，v
+
P2
Co
I2
Rf
IC -
uout，i
+
图2 电压互感器接线示意图 图 3 电流互感器接线示意图
位机的通信。 键盘、显示器模块实现对测控系统的设 置和操作，由显示回路接动态 LED 显示器实现数据 的本地显示［4］。 该测控装置系统框图如图 1 所示［5］。
u
TVA1421 电压
供
互感器
电 一 次
i
TVA1421 电流
摘要： 为监视供电系统一次设备的运行状态和计量一次设备的电气参数，设计了智能供电测控系统。 系统采
用 AVR 单片机 ATmega128 为主控制器，通过其内置 A ／ D 转换器进行模数转换及数据处理，选用 TVA1421
立式穿芯小型精密电压、电流通用互感器，实现供电系统一次侧电压、电流的测量，采用相应的算法编程运算
R1 +5 V
&
VD1
测控 外部
系统 设备 R2 K
12 V
K
图 5 开关量输出回路接线图 Fig.5 Connection diagram of binary output circuit
3 系统软件设计
系统软件完成的主要功能：系统初始化，电压、 电流模拟量采集和数据运算，开关量信号采集，开关 量输出控制，故障判断，串口通信等 。 ［12］ 软件采用 C 语言编程，C 语言开发速度快、可读性、可移植性好； 对实时性要求较高的部分采用汇编语言，提高运行 速度 。 ［13］ A ／ D 转换器直接测量的是互感器二次侧电 压、电流分别叠加偏移量以后的瞬时值，要先换算出 一次侧电压、电流的瞬时值，然后通过程序计算得出 一次侧电压、电流的有效值及有功功率和无功功率 的平均值。 每个工频交流电周期内对交流电压进行 N 次采样，u（m）是第 m 次采样测得的交流电压的瞬 时值，则各电量的有效值、平均值可得 。 ［14］ 控制程序 流程如图 6 所示。
0 引言
为了监视供电系统一次设备的运行状态和计量 一次系统电气参数，保证供电系统安全、可靠、优质 和经济合理地运行，供电系统中均应装设一定数量 的电测量仪表。 随着现代测控技术的迅猛发展，以单 片机为主的微机自动测控系统逐步取代了常规测 量仪表。 现 有 高 性 能 、低 功 耗 的 8 位 AVR RISC 单 片 机 ，ATmega128 是 AVR 系 列 中 功 能 最 强 的 单 片 机。 该芯片还具有比较丰富的片上资源，其内部集成 了 128 KB 的 Flash 存储器、4 KB 的 E2PROM、53 个可 编程 I ／ O 口线和 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［1］。
单片机与上位机之间通过 RS - 422 标准总线进 行数据通信，数据传输速率高，传送距离长。 运行在 上位机上的软件主要负责处理 AVR 单片机通过串 口传送过来的数据并进行超差、报警的检查，然后把 数据存储在 Access 数据库中，以便查看或进行后期 数据处理。 在上位机上还可以对测控设备进行调节 和控制。
i（t） = K × uout，i（t） = （9 ／ 1.2） × uout，i（t） 由于互感器的输出电压均是双极性的，而 Atmega128 的 A ／ D 转换器要求只能输入正电压，为了实 现对这种双极性模拟量的模数转换，在测控终端中 互感器的二次侧不能直接接地，而是接在一个恒定 的正电压 UP 上，其值为 A ／ D 转换器最大允许输入 量的 1 ／ 2［8］。 将该偏移直流量同交变的输入量相加 变成单极性模拟量后，再接到 ATmega128 的模拟量 输 入 管 脚 ，分 别 为 uout，v2（t）和 uout，i2（t），则 一 次 侧 电 压 和电流的计算公式为
4 结语
采 用 ATmega128 单 片 机 进 行 供 电 测 控 系 统 设 计，不仅采集速率高，而且传输速度快，控制实时性 较好。 同时，该系统还具有简单易用、小型化、低成本、 传输可靠等优点，对一般工业测控系统的设计有一 定的指导和借鉴意义。 如以计算机技术和现代通信 技术相结合，建立以管理部门为中心，通过公用电话 网与各分机相联系的电脑网络，能自动完成各子系 统电量的计算功能 ， ［17］ 便 于 管 理 部 门 对 电 力 的 分 配 调度，减少不合理的拉闸停电，提高工作效率和供电 管理水平。
系统加电后首先初始化设置，然后打开中断，在 中断中进行 A ／ D 数据采集，存储数据，再对已经采 样 存 入 ATmega128 内 存 的 数 据 进 行 运 算 并 存 入
电力自动化设备
第 29 卷
系统参数初始化 系统上电
开中断
等待定时器中断启 动 A ／ D 数据采集
A ／ D 采集完成？ N
+5 V
PB 口
R1
A
ATmega128
测控系统 外部设备
R2
S1
12 V
图 4 开关量输入回路接线图 Fig.4 Connection diagram of binary input circuit
采用内部中断处理方式，便于实现测控系统的实时 处理 。 ［10］ 2.2.2 开关量输出回路
图 5 为单片机输出信号经光耦合器控制继电器 线圈的电路。 继电器 K 为小电流中间继电器，其线圈 工作电流较小，一般为几十毫安，可以由光敏三极管 直接驱动，再通过该中间继电器的触点控制大电流 回路。 图中，R1 和 R2 是限流电阻，与继电器线圈并联 一只二极管，其作用是当线圈断电时为线圈电流提供 一个通路，避免当电流突变时，产生高电压而击穿光 敏三极管。
Y 有电流突变？
Y
N
计算 u（t）、i（t）
电流计算 故障判断
计算 U、I、P、Q、cos φ 等
ຫໍສະໝຸດ Baidu
故障定位算法
读入开关量
分合闸命令控制
开始下 一轮采集
LED 显示 状态和参数
启动通信程 序发送数据
图 6 主程序流程图 Fig.6 Flowchart of main program
RAM［15］。 CPU 对电流进行判断，并与设定值比较，判 断是否发生故障，然后运用故障定位算法迅速定位 故障，并进行分合闸操作。 通过通信程序实现与主站 的通信，主要包括数据上报、整定参数值下发等。 程 序编制完成后，可利用单片机自带的 JTAG 接口进行 程序的调试，系统开发简单方便 。 ［16］
如图 4 所示，开关信号 S′1 由按钮、继电器、接触 器（如图中 S1）等电器的触点通断所产生 ，光耦输出 端的集电极 A 点电平与开关 S1 逻辑关系相反，适当 选择 R1 的阻值，使 A 点电平符合 TTL 电平要求，将 A 点信号接到单片机 PB 口构成开关信号输入电路。
ATmega128 单片机的中断源比较多 ，仅 外 部 中 断源就有 35 个。 对于某些需立即得到处理的外部触 点的动作情况，可将 A 点信号连接到单片机的外部 中断请求端，而对于模拟量超限等紧急处理信号，可
1 系统总体设计
智 能 供 电 测 控 系 统 以 ATmega128 单 片 机 为 核 心，由电压互感器和电流互感器取得一次系统的电压 和电流，通过单片机内置 A ／ D 转换器将模拟量转换 成数字量，采用相应算法编程运算得到一次系统的电 压、电流、功率等电气参数。 由于 Atmega128 的 A ／ D 转换器在同一时刻只能对 1 路模拟量采样保持，而 计算功率要求对电压和电流 2 路模拟量同时采样，所 以增加 1 路 LM398 采样保持器［2］。 由带光电隔离 的 开关量输入、输出回路监测一次系统开关量的状态， 并对一次系统开关的通断进行控制。 由单片机串行口 通过 RS - 422 转换器连接 RS - 422 网络［3］，实现与上
系
互感器
统 开关量 开关量 输入、输
出回路
I／U
I／U
采样 保持器
光电 耦合器
上位机
RS - 422
PF 口
网络
RXD RS - 422 TXD 转换器
ATmega128
PC 口 PB 口
INT0 ~ 34
键盘、 显示器
图 1 测控系统框图 Fig.1 Block diagram of measuring and control system
第 29 卷第 8 期 2009 年 8 月
电力自动化设备
Electric Power Automation Equipment
Vol．29 No．8 Aug. 2009
基于 ATmega128 单片机的智能供电测控系统设计
张桂香,姚存治
（郑州铁路职业技术学院 电气工程系，河南 郑州 450052）
Fig.2 Connection
Fig.3 Connection
diagram of PT
diagram of CT
2.2 开关量的输入、输出回路设计 在供电测控系统中，开关量的输入是通过读外
部设备触点的通断状态实现的，根据控制功能要求 将逻辑运算结果通过开关量输出回路输出相应的控 制信号，以实现外部设备合闸或跳闸控制。 为了防止 外部设备高电压损坏单片机系统，使用光电隔离器 件将单片机的输入、输出隔离开，一方面使干扰信 号不得进入单片机系统，另一方面单片机系统本身 的噪声也不会以传导的方式传播出去，从而有效地 抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，使传输通道的信噪 比 大 幅 提 高 ［9］。 2.2.1 开关量输入回路
图中采用与非门和非门组合的方式通过光电耦 合器控制 1 个中间继电器 K，只有单片机的 2 个管脚 分别输出 0 和 1 时，光耦才能导通使继电器 K 闭合， 这样可以提高抗干扰能力。 另外，这种非门和与非门 组合使用的设计能够防止电源波动情况下继电器 K 出现误动 。 ［11］
PB 口 ATmega128
得到一次系统的电压、电流、功率等参数。 在开关量输入、 输出电路中使用了光电隔离器件将单片机和外部
设备隔离开。 利用 ATmega128 单片机的强大的中断功能实现测控系统对某些紧急情况的实时处理 。 单 片
机串行口通过 RS - 422 转换器连接 RS - 422 网络，实现与上位机的通信。 系统软件采用 C 语言编程，对实
2 系统硬件设计
2.1 一次侧电压、电流的测量 电压、电流的测量选用 TVA1421 型立式穿芯小
型精密交流电压、电流通用互感器，这种通用型互 感器是由 2 个相同副线圈构成的电流互感器，测量 精度高，采样范围宽，应用也较灵活［6］。 但 TVA1421 电压互感器实质上是在一次侧接了限流电阻的电流 互感器，所以，它和电流互感器一样要求二次侧不能 开路［7］。 其输出信号为电流，首先应经过 I ／ U 变换， 将电流信号转换为电压信号。 最简单的 I ／ U 变换器 是一个精密电阻，但测量精度不高。 如图 2 所示，可 在电压互感器二次侧接一个运算放大器，其测量相 移不大于 5′，这样既能减小测量的相移，又能提高测 量的线性度。 电压互感器一次侧接工频 220 V 额定 电压，两侧的额定电流 I1= I2= 6 mA。 R1 起限流作用， 根据限流要求，R1≥ 220 ／ 6≈37（kΩ），R1 取 40 kΩ， Rf 取 200 Ω，当输入电压 220 V 时，输入电流为 5.5 mA，
时性要求较高的部分采用汇编语言，以提高运行速度。 实验证明：该系统采集速率高，抗干扰能力强，数据传
输快速可靠，简单易操作。
关键词： 单片机； 中断； 电压互感器； 电流互感器； 模数转换； 光电隔离器
中图分类号： TM 744
文献标识码： B
文章编号： 1006 － 6047（2009）08 － 0136 － 04
第8期
张桂香，等： 基于 ATmega128 单片机的智能供电测控系统设计
由于互感器变比为 1，所以输出电流也是 5.5 mA，由 此可知输出电压为 1.1 V，则电压互感器一次侧电压 计算公式为
u（t） = K × uout，v（t） = （220 ／ 1.1） × uout，v（t） 在图 3 中，电流互感器二次绕组是并联的，也可 以将它们改成串联接线以提高一次电流的测量范 围。 电流互感器中 Rf 取 200 Ω，当一次侧输入电流 为 9 A 时，二次侧输出电流为 额 定 电 流 6 mA，输 出 电压为 1.2 V，则电流互感器一次侧电流计算公式为
u（t） = （220 ／ 1.1） × （uout，v2（t） － UP） i（t） = （9 ／ 1.2） × （uout，i2（t） － UP）
I1 R1 UIN
Co
I2
Rf
P1 I1
IC
-
uout，v
+
P2
Co
I2
Rf
IC -
uout，i
+
图2 电压互感器接线示意图 图 3 电流互感器接线示意图