基于AVR单片机的电力变压器试验自动测试装置的设计与实现.pdf

总第 4 9卷第 5 6 0期 2 0 1 2年第 8期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e nt& I ns t r u m e nt a t i o n Vo 1 4 9 NO 5 6 0 Au g 2 0 1 2 基于A V R 单片机的电力变压器试验 自动测试装置的 设计与实现 郭翔， 王克英， 胡少强， 李靖 ( 华南理工大学电力学院 ， 广州 5 1 0 6 4 1 ) 摘要： 设计并实现了一款基于A V R 单片机的电力变压器试验 自动测试装置 ， 详细介绍了该测试装置的硬件实现 方案和软件设计思路。本测试装置采用高速、 高精度的A D 转换芯片M A X 1 3 2 0 ， 并I)2 A V R 单片机A T m e g a 1 2 8 为核 心 ， 不仅实现了对 电力变压器空载试验和负载试验 的 自动测试 ， 提高了效率 ， 避免了人为误差 ， 而且具有体积 小 、 成本低的优点 。 关键词 ： 电力变压器 ； 空载试验 ； 负载试验 ； 自动测试 ； 单片机 中图分类号 ： T M4 0 6 文献标识码 ： B 文章编号： 1 0 0 1 - 1 3 9 0 ( 2 0 1 2 ) 0 8 - 0 0 7 1 - 0 4 De s i g n a n d I m pl e m e n t a t i o n o f Aut o m a t i c Te s t i ng De v i c e f o r Po we r Tr a ns f o r me r Te s t Ba s e d o n AVR M i c r 0 c 0 n t r 0 l l e r GUO Xi a n g ，W ANG Ke - y i n g ，HU S h a o - q i a n g，L I J i n g ( E l e c t r i c P o w e r C o l l e g e ， S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 1 ，C h i n a ) Abs t r ac t ： An a u t o ma t i c t e s t i n g d e v i c e f o r p o we r t r a ns f o r me r t e s t s b a s e d o n AVR mi c r o c o n t r o l l e r i s d e s i g n e d a n d i mp l e me n t e d i n t h i s p a p e r T h e h a r d wa r e s c h e me a n d s o f t wa r e d e s i g n me t h o d o f t h e d e v i c e a r e d e s c r i b e d i n d e t a i l The de v i c e， c o mpo s e d o f h i g h s p e e d a nd p r e c i s i o n A D c o n v e r s i o n c h i p MAX 1 3 2 0 a n d AVR mi c r o c o n t r o l l e r ATme g e 1 28 t a k e n a s t h e c o r e，c a n pe rfo r m a u t o ma t i c t e s t s for n Q l o a d t e s t a nd l o a d t e s t o f p o we r t r a n s for me r s ， w h i c h i mp r o v e s t h e e f f i c i e n c y a n d a v o i d s h u ma n e r r o r s Be s i d e s ，t h e d e v i c e h a s h i g h p e rf o r ma n c e o f s ma l l s i z e a n d l o w c o s t Ke y wo r d s：p o we r t r a ns f o r me r ，n o l o a d t e s t ，l o a d t e s t ，a u t o ma t i c t e s t i n g，mi c r o c o n t r o l l e r 0 引言 误差， 而且具有体积小、 成本低的优点。 电力变压器在出厂前以及运行 中检修时均要进 1 变压器试验 自动测试装置的硬件设计 行空载试验和负载试验。 在试验条件下 ， 传统的测试方 变压器试验 自动测试装置的结构如图1 所示 ， 主 法一般是采用模 拟仪表( 电压表 、 电流表 、 功率表 ) 进 行 ， 但是人工控制电流档位切换以及升压与降压操作 、 人工读表的试验方式不可避免地存在着控制失 当和读 数误差等人为错误 ， 且模拟仪表接线复杂 、 读数困难 、 记录不方便；或者可以采用没有人为干预的计算机辅 1 I 助测试系统来解决上述问题 ， 但是以台式机为核心 的计算机辅助测试系统体积庞大 、 成本较高。 本文设计 的变压器试验 自动测试装置采用高速 、 高精度 的A D 转换芯 片MA X1 3 2 0 ，并 以A V R单片机 A T m e g a 1 2 8 为核心 ， 不仅实现了对 电力变压器空载试 验和负载试验的 自动测试 ， 提高 了效率 ， 避免了人为 t 存储器 田 ATNC 2 5 6 被 ” 模 【 实 时 时 钟 试 拟 DS1 3 0 2 变 信 压 号 器 调 l n 】 1 L C I ) 理 f A I D f r G3 2 0 2 4 0B 。 电 转换器 A t r e g a l 【0 6 T 路 l M A X ” 2 8 ，一 _ l_ 2 0 I R S 一2 3 2 接口 MAX2 3 2 切 换 动 调 f 8 2 5 7 一 微型打 器 I 嗍 印机 图l 变压器试验 自动测试装置的结构框 图 Fi g 1 S t r uc t u r e d i a g r a m o f a u t o ma t i c t e s t i n g d e v i c e for p o we r t r a ns f o r me r t e s t 一 71 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 9卷第 5 6 0期 2 0 1 2年第 8期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me nt& I n s t r ume n t at i o n VOl - 4 9 No 5 6 0 Au g 2 01 2 要包括数据采集电路、 M C U 主电路、 通信接口电路、 测 试控制电路 、 以及液晶显示电路等5 个部分。 1 1 数据采集电路 数据采集电路用于采集电力变压器的三相 电压 、 三相电流。其电路主要 由电压互感器( ) 、 电流互感 器( C T ) 、 模拟信号调理电路、 A D 转换器和频率采集 电路等组成 。 电压互感器( ) 和电流互感器( c T ) 在将高电压和 大电流按比 例地变换成低电压和小电流以便于A D 信号 转换的同时， 还起到了隔离作用， 将主控制板与高电压 和大电流隔离开来 ， 防止其对主控制板造成影 。 在数据采集电路中含有模拟信号调理电路， 其功 能主要是对从互感器二次侧获取的模拟信号进行滤 波和程控放大等处理 ， 其中电压和电流的模拟信号调 理电路结构相同但程控放大器分别控制。 经过调理后 的信号再通过A D 转换器进行A D 转换 ， 从而得到相应 的数字信号。 本 装 置 的 A D转 换 器 采 用 MA X1 3 2 0芯 片 。 MA X1 3 2 0 是Ma x i m 公 司推出的并行1 4 位8 通道同步采 样A D 转换器 ，每块芯片拥有8 个采样保持器( T H) ， 一 路 1 4 位的A D C， 具有分辨率高、 转换速度快的特点 ， 其采样 速率 为 ： 5 2 6 K S P S ( 单通道 ) 、 4 5 5 K S P S( 双通 道 ) 、 3 5 7 K S P S ( 4 通道 ) 、 2 5 0 K S P S ( 8 通道 ) 。 每个输入通 道有专用的采样保持器( T H) ， 可以实现对所有有效 通道进行 同步采样 ， 非常适合 同步向量测量。 MA X1 3 2 0 的8 个模拟量 输入通道 的选择是通 过 对内部配置寄存器的设置来实现的。设置寄存器时， 任同时拉低c s 和WR 的条件下 ，通过数据线D 0 D 7 写 配置寄存器 以激活相应通道 。 配置寄存器中的位直接 映射到相应通道 ， D O 位控制通道0 ， D 7 位控制通道7 。 通常在转换过程 中任意时刻都能够对配置寄存器进 行写操作 ， 但新 的配置直到下一个 C O N VS T 下降沿才 会起作用。转换由c 0N V s T 脚启动 ， 当C O N V S T 为低电 平时， 采样保持器采集信号， 在C O N V S T 的上升沿转 换开始。 多通道的转换按通道号由低到高顺序进行引 。 变压器 的空载试验和负载试验一般都是在较低 的功率因数下进行 的( 空载试验时为0 7 5 0 0 1 ； 负载 试验时一般为0 5 0 0 0 1 ， 有时甚至低于0 0 1 ) ， 为了保 证达到足够的精度要求 ， 测量装置对于采样的同时 I生 要求很高 ，因此本装置需要转换同一时刻的3 个 电压 信号和3 个电流信号共6 个模拟量。 相对于为满足同时 性的要求使用两个或多个A D 转换器或者各通道都 配 置 独 立 的 采 样 保 持 器 等 方 案 ，本 设 计 使 用 MA X 1 3 2 0 只需要1 片即可， 即提高了准确性 ， 又减小 一 7 2一 了印制板面积 ， 从而使装置的结构更加紧凑 。 图2 为单 片机与MA X1 3 2 0 的接 口电路示意图。 CoNVST P BO CS PB1 W R PB2 A、B、 l RD P B 4 c 三相j 卜 电压和 r _ l C H 0 a H 5 E O L C P B 5 电流1 MA X1 3 2 0 A t me g a 1 2 8 1 l D0 一D7 PA0 PA7 厂 D8 一 D 1 3 P CO PC5 l 图2 单片机与M A X1 3 2 0 的接 口电路示意图 Fi g 2 S ke t c h ma p o f i n t e r f a c e c i r c ui t be t we e n MCU a n d MAX1 3 2 0 频率采集 电路用于对A 相 电压信号进 行波形变 换 ， 最终得到相应的脉冲信号并输入到单片机的输入 捕获引脚I C P 3上 ， 利用该脉冲信号单片机定时器 计 数器T C 3 可 以触发一次它对计数寄存器T C N T 3 中计 数值 的捕 捉 ，捕捉值 将被存 放在输入 捕捉寄存 器 I C R 3 中。因此， 通过T C 3 对I C P 3 I脚上脉冲信号的相 邻两次捕捉 ， 就可以测量出I C P 3 I 脚上脉冲信号的周 期时间或频率 。 1 2 MC U 主 电路 本 装 置 的 M C U选 用 A T me g a 1 2 8单 片 机 。 A T me g a 1 2 8 是美 国A T M E L 公司开发 的一款基于R I S C ( 精简指令集) 的商 I生能 、 低功耗的8 位A V R 微控制器 。 A T me g a 1 2 8 单片机 是 目前A V R系列单 片机 中功 能最 强的一个型号 ， 片内集成了： 1 2 8 K 字节在系统可编程 F l a s h ， 可重复编程 1 0 ， 0 0 0 次 ； 4 K 字 节E E P R O M， 可重 复擦写 1 0 0 ， 0 0 0 次 ； 4 K 字节S R A M数据存储器 ； 3 2 个通 用工作寄存器 ； 5 3 个通用I O口线 ； 8 通道 l 0 位精度 的 A D 转换器 ； 1 个符合I E E E s t d 1 1 4 9 1 标准的J T A G 测试 接 口 ，可 用 于访 问片 内D e b u g 系统 和 编程 ；支 持 B A S I C 、 C 等高级语言编程 。 本装置选用E E P R O M数据存储器A T 2 4 C 2 5 6 来存 储试验数据和历史数据。一片A T 2 4 C 2 5 6 的存储量为 3 2 K 字节， 其数据可保存1 0 0 年， 具有结构紧凑、 存储 容量大等特点 ，可以在2 线总线上并接4 片该芯片， 特 别适用于具有大容量数据储存要求的数据采集系统51 。 本装置设计使用3 片A T 2 4 C 2 5 6 ，并联后存储量为9 6 K 字节 ，使用地址线A1 、 A 0 来 区分各芯片。地址线A1 、 A 0 接低 电平为“ 0 ” ， 接高 电平为“ 1 ” ， 3 J +A T 2 4 C 2 5 6 器 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 9卷第 5 6 0期 2 0 1 2年第 8期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n tI ns t r u m e n t a t i o n Vo 1 4 9 No5 6 0 Aug 2 01 2 件地址分别为二进制的0 0 、 0 1 和1 1 。 另外 ，本装置还采用 了D S 1 3 0 2 芯片作为实时时 钟。 D S 1 3 0 2 是D a l l a s 公司生产的串行实时时钟 日历芯 片 ， 可以产生年 、 月 、 星期 、 日、 时 、 分 、 秒等七个时标用 于记录采集数据的时间 ， 并能够进行 闰年调整 ， 日历 有效至2 1 0 0 年6 1 。 本装置设计有备用电源 ， 在工作电源 掉电情况下 ， 备用 电源能够进行供 电 ， 维持时钟正常 运行和保存R A M中的重要数据 。图3 为A T me g a 1 2 8 与 A T 2 4 C 2 5 6 和D S 1 3 0 2 的接 口电路示意图。 S CL L 一 AT2 4 C2 5 6 S DA H 一 S CL 1一 P D0 AT2 4 C2 5 6 S DA H P D1 S CL j 一 AT2 4 C2 5 6 ATme g a1 2 8 S DA 一 一 P D4 T O - - + P D5 DS 1 3 0 2 RS T P D6 图3 AT me g a 1 2 8 与AT 2 4 C2 5 6 和DS 1 3 0 2 的接 口 电路 示 意 图 F i g 3 S k e t c h ma p o f i n t e rfa c e c i r c u i t b e t we e n ATme g a 1 2 8 a nd AT2 4C2 56 a n d DS 1 3 0 2 1 - 3 通 信接 口电路 与测 试控 制 电路 通过通信接 口电路 ， 本装置可实现数据的打印功 能 ， 并可将数据上传至P C 机 ， 从而实现试验数据 和历 史数据在P C 机中的显示和打印。 本装置的通信方式为串 口通信 ，选择R S 一 2 3 2 标 准串 口， 通过使用MA X 2 3 2 芯片实现。M A X 2 3 2 芯片是 MA X I M公司专门为P C 机R S 一 2 3 2 标准串口设计 的电平 转换 电路 ， 使用+ 5 V 单电源供电。它可以把单片机 串 行 口输 出的rI 1 T L 电平转换成R S 一 2 3 2 标准 电平 ， 把其它 微机送来 的R S 一 2 3 2 标准电平 转换成，r r L 电平给单片 机 ， 实现单片机与其它微机间的通讯 。 通过8 2 5 5 可编程并行输入 、 输出接 口芯片输 出一 些开关量以控制若干固态继电器来控制 自动调压器的 升压和降压操作 ， 从而完成“ 开始测试” 、 “ 自动升压” 、 “ 自 动降压” 以及各一次C T 档位自动切换等功能。图4 为A T m e g a 1 2 8 与MA X 2 3 2 和8 2 5 5 接 口电路示意图。 1 4液 晶显示 电路 液晶显示电路用于试验数据和菜单的显示和参 数的设 置功能。本装置采用T G 3 2 0 2 4 0 B 0 6 T 显示模 块。T G 3 2 0 2 4 0 B 一 0 6 T 为图形点阵液晶显示模块 ， 显示 分辨率 为3 2 0 x 2 4 0 ，自带有负压V E E = 一 2 5 V。图5 为 A T m e g a 1 2 8 与T G 3 2 0 2 4 0 B 一 0 6 T 接 口电路示意图。 R E S Er _ j、 一 R E S E T _ + Rl l R1 0 B U S l P B5 微型打l P D 7 印 机 L 一 T 1 O T 】 I P E 1 PG1 M Ax23 2 ATmeg al 28 8 2 5 5 PG0 WR R2 1 R2O RXD l P C1 AO P C机 P C 0 Al 一 T 2 o T2 I 一 TXDl PAO PA7 DO D7 图4 A T m e g a 1 2 8 - MA X 2 3 2 和 8 2 5 5 g口电路 示意 图 Fi g 4 S k e t c h ma p o f i n t e rfa c e c i r c u i t b e t we e n ATme g a 1 28 a n d MAX2 3 2 a n d 8 2 5 5 RES ET R ES 1T PGl ， R D PGo ， W R ATmeg a1 2 8 TG3 20 2 40 B O6 T PG3 ， CS P G4 A0 DO D7 DBO DB 7 图5 A T me g a 1 2 8 与T G 3 2 0 2 4 0 B - 0 6 T 接 口电路 示意 图 Fi g 5 S k e t c h ma p o f i n t e rfa c e c i r c ui t b e t we e n ATme g a 1 2 8 a nd TG3 2 02 4 0B-0 6 T 2 变压器试验 自动测试装置的软件设计 变压器试验 自动测试装置的软件需根据功 能按 键的不 同完成不同的功能 ， 包括空载试验 、 负载试验 、 查看试验结果 、 查看历史数据 、 参数设置等。 由于变压 器试验对实时性的要求比较高， 所以软件程序的编写 采用C 语言。根据变压器试验 自动测试装置的功能要 求 ， 软件的结构采用模块化的设计思想 l 1 _7 】 。自动测试 装置的主程序流程图如图6 所示。 主程序 的功能为 ： 在装置上 电后 ， 首先运行初始 化程序 ，对单片机片内资源和接 口电路进行初始化 ， 然后根据功能按键的选择分别完成空载试验 、 负载试 验、 查看试验结果或历史数据 、 设置 日期和时间。 空载 试验中可以查看并修改空载试验参数， 包括变压器型 号、 容量、 高压额定值、 低压额定值、 选择P rr 和C T 档位 一 73 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 9卷第 5 6 0期 2 0 1 2年第 8期 电测与仪表 Ei e c t r i c a l M e a s ur e m e n t& I n s t r u m e n t at i o n Vo I 4 9 No 5 6 0 Au g 2 0 1 2 图6 主程序流程图 F i g 6 F l o w c h a r t o f ma i n p r o g r a m ( 默认按额定值 自动选择 ) ， 开始试验后 自动升压并测 量j相电压的平均值电压以及其平均值 当 。 达 到0 9 9 5 U( 为额定电压 ) 时停止升压 ， 采集 、 计算并n U n 存储空载试验结果( 空载损耗和空载电流百分数 ) ， 然 后 自动降压至0 1 5 完成一次空载试验过程。 负载试验中同样可以查看并修改负载试验参数 ， 包括负载试验温度 、 折算标准温度 、 绕组材料选择( 铜 或铝 ) 、 折算方式( 高压绕组和低压绕组按不同温度分 别折算 或按相 同温度统一折算 ) 、 电流系数( O 5 1 ) 、 选择P l 1 和C T 档位( 默认按额定值 自动选择 ) ， 开始试 验后自动升压并测量三相电流的有效值以及其平均 值I ， 当， n 达 ， ( ， n 为额定电流) 时停止升压 ， 采o No 9 9 5 集 、 计算并存储负载试验结果( 试验温度下的负载损 耗和负载阻抗 以及折算温度下 的负载损耗和负载阻 抗 ) ， 然后 自动降压至0 1 5 U完成一次负载试验过程 。n 3结束语 针对变压器生产厂家和电力部 门对变压器试验 测试的需求， 设计并实现了一款基于A V R 单片机的变 压器试验自动测试装置。 该装置采用高速、 高精度的A D 转换芯片MA X1 3 2 0 ， 并以单片机A T m e g a 1 2 8 为核心 ， 实现了对 电力变压器空载试验和负载试验的 自动测 试 ， 提高了效率， 避免了人为误差 ， 具有体积小、 成本低 等优点。 另外 ， 该 自动测试装置具有较强的可扩展性和 灵活 I生， 同样可以应用于电机等的试验测试 。 7 4 l Email：guo xiang1987qqeom 爵 从事 电力 系统 的监测 与控制 工 程师 从事 电力 系统 的保 靖 ( 1 9 8 8 一 ) ， 男 ， 硕士 研究生 ， 从事 电力系统 测量 、 控 与 自动化研究 。 收稿 日期： 2 0 1 2 0 3 1 5 ( 田春雨编发) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m