基于64k Flash MCU的全电量智能变送器优化方案

时间： 2019-07-03 来源：世强作者：John

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在电力系统的供电过程中为了降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境，需要在电网上加入无功补偿装置及变送器。变送器的功能就是对电网的有功功率及无功功率进行监控，将有功功率，无功功率及功率因数等参数传给控制单元完成无功补偿。

现在基于C8051F31x三相多电量变送器的基础上进行改进。原方案选用的MCU是C8051F310，内部的ADC只有10位，采样精度低，内部的FLASH只有16K，无法实现无功功率等参数的运算。另外，C8051F310内部没有集成DAC，输出电压信号时需外加DAC。改进后的方案是用C8051F021 MCU芯片替换原方案的C8051F310芯片。C8051F021内部的FLASH为64K，可以方便的实现电力参数的运算，内部的ADC精度为12位，可以实现高精度采样，同时内部还集成有2路的12位DAC。因此使用C8051F021可以完全满足变送器的电力参数运算，下图是基于其的全电量变送器的功能框图：

图1：基于C8051F021的全电量变送器的功能框图

由上图可知，三相交流电的信号通过电压互感器和电流互感器转换后变为低压信号。由于交流电是存在正压信号与负压信号的，所以互感器输出的信号不能直接接到MCU的ADC输入端，而需要在MCU与互感器之间加入信号调整电路。信号调整电路由运放单元组成，运放电路是一个反向比例放大电路，在同相端加入1.5V的电压，这个1.5V的电压就是运放电路的虚拟地，最终输入到MCUAD端的电压就被调节到0V以上，正好满足了MCU对ADC输入电压的要求（MCU的ADC输入端电压必需大于0V，小于参考电压）。

在变送器设计方案中采用的三相交流电是50Hz的信号，在采样时要对这个信号做等时采样，等时时间的误差要小才能更精确的计算电压、电流及相关的电参数。所以本设计采用外部的高精度晶体做时钟源，以满足交流信号的采样需求。

一般工业控制上需要0-5V的控制信号，这个信号由C8051F02x内部的DAC输出。同时要外加运放电路将信号调整到5V的满量程输出。

变送器采集的数据通过C8051F02x的UART接口和外部的485电平转换芯片向外部输出，协议采用的是标准的MODBUS协议，可以方便与MODBUS标准设备的通信。同时采集的数据也可以通过字符型号的LCD或点阵的LCD来显示。

以下是基于C8051F02x的全电量智能变送器解决方案实现的功能及参数：
1）输入电压：250VAC，100VAC
2）输入电流：5A，1A
3）输入频率：45-75Hz
4）精度等级：电压、电流、线电压、频率优于0.2%；有功功率优于0.5%；无功功率、功率因素、电度1%
5）过载能力：电流20倍，100A/1S；电压2倍
6）电源：200-250VAC
7）隔离：测量输入与CPU之间；RS485与CPU之间，DI、DO与CPU之间
8）绝缘强度：4KV/60S
9）温度范围：工作温度20℃~65℃；存储温度-45℃~85℃
10）功耗：小于5W
11）测量的电参数：三相电压（Ua、Ub、Uc）、线电压（Uab、Ubc、Uca）、三相电流（Ia、Ib、Ic）、三相有功功率（Pa、Pb、Pc）、总有功功率、三相无功功率（Qa、Qb、Qc）、总无功功率、视在功率、频率、功率因数及有功电度

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深蓝色 Lv7. 资深专家 2018-11-14

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