基于AVR单片机的高压配电柜智能操控装置

摘要:本文主要介绍以AVR单片机为核心，内置Modbus总线协议的开 关柜智能操控装置。该装置完成一次模拟图、高压带电显示、自动加热除湿数 值显示及控制、断路器分合状态指示、储能指示、接地开关状态指示、小车位 置指示、分合闸回路完好指示、柜内照明、语音防误提示等功能。并且，能把以 上的指示和测量所得的参数通过Modbus总线协议传送给上位机。上位机 安装YSS2000(V2.0>电力监控系统组态软件以MODBUS通信标准、通过 RS-485通讯接□实时査询系统供电情况。

关键词:AVR单片机高压配电柜智能装置

0引言

智能电网的建设是国家的"十_五"规划的一个重要部分。但，我 国智能配电的建设还处在落后水平。目前我国大部分地方，特别是在 农村,很多的高压配电柜依然是使用独立元件做成的操控开关和指示 灯。这些落后的设计既占地方二次接线又繁杂，所以独立元件组成的 控制系统投入成本既高又频频出现故障。智能操控装置就克服了以上 缺点,它功能强大,它以一体化布局配套于开关柜，简化了开关柜的面 板设计，美化了面板布局。它还内置Modbus总线协议,能灵活地跟上 位机进行信息交互，迎合智能电网的建设需要。智能操控装置是计算 机迅速发展和电网智能化的产物,是配电系统的跨越式的进步标志。

1硬件构成

智能操控装置由以下几个板块组成：中心数据处理电路、开关量 输入电路、开关量输出电路、模拟量输入电路、温湿度检测原理图。

1.1中心数据处理电路中心数据处理电路是智能操控装置的 核心。它负责统筹各个板块电路的信息，协调各个板块电路的动作。 中心数据处理电路采用美国ATMEL公司的高性能RISC结构的单 片机ATmegal28 CPU，配以复位电路和振荡电路，以及JTAG仿真 接口。中心数据处理电路与外界接□采用RS485通讯内置Modbus 总线协议。对外通讯使用单片机的串行接口 UART1通过MAX485 组成通讯电路,通讯使能控制由单片机的PD1控制发送和接收。中 心数据处理电路还集合了真人语音输出电路。真人语音输出电路主 要担当操作语音提示和报聱输出。输出的声音信号经TDA2822M 功率放大后通过接插件SPK C0N2接喇叭。

1.2开关童输入电路智能操控装置通过开关置输入电路检测 断路器分合闸状态、手车位置、接地开关位置、弹簧储能状态等开关 量信号。为了确保智能操控装置工作的稳定性，减少外界的各种千 扰，在输入电路设置方面采用TLP521-4光电耦合电路U1、U2隔 离后分别接入单片机的PA 口。

1.3开关量输出电路智能操控装置开关量的输出控制对象有： 加热器电源、电源AC/DC220V、加热器A、加热器B、过热报警输出、 电磁闭锁输出。这些被控制对象都带有AC/DC220V或更高的电压， 且有大电流通过。因此，单片机输出的开关量控制信号经过光电耦合 器隔离后，通过ULN2003集成驱动器驱动继电器，控制各种开关。

1.4模拟量输入电路智能操控装置的模拟童输入电路主要处 理高压带电检测。为了隔离高压保证安全和度绝高压干扰，嵩压带电 检测信号首先选用较大的电阻值(100k)电阻作为高压侧的接入,后 经过IN4148，最后接入光电耦合电路U2A隔离（同时进行半波整 流)后作为模拟信号接入单片机ADC0~ ADC2,通过单片机A/D转 换识别有无带电。

1.5温湿度检测电路凝露问题是高压设备必须面对的核心问题。 特别在我国高湿度地区如长江中下游梅雨带，绝大多绝缘事故都是由 凝露问题造成。因此，高压开关柜内的温湿度控制不可忽视。为了解决 凝露问题，智能操控装置选用了一体化的数字温湿度传感器DHT21 作为温湿度检测。DHT21是包含已经校准数字信号输出的一款复合型 数字温湿度传感器。它采用了专用的温湿度传感技术和数字模块采集 技术，以确保其产品具有非常好的可靠性与稳定性。传感器包括了一 个NTC测温元件和一个电容式感湿元件，并且和一个高性能的8.位 数单片机相连接。因此该传感器具有品质高、响应快、抗干扰能力极强 和性价比高等优点。连接非常方便，特殊的封装形式可以根据不同用
户需求灵活变更。这些优点使得其成为各类应用的最佳选择。在智能 操控装置里单片机的ADC3连接到DHT21的引脚2(数据引脚)。

2软件构成

2.1温湿度检测电路的软件实现DHT21的温湿度数字信息是 通过串行时钟线和数据线接入单片机。硬件接入是单总线。传感器上 电后，要等待1秒用作越过不稳定状态，在等待期间无需发送任何 指令。DATA引脚用于微处理器与DHT21之间的通讯和同步,单总 线串行数据格式，一次通讯时间5ms左右，具体格式如下说明，当前 数据传输为40bit,高位先出。

数据格式:40bit数据=16bit湿度数据+16bit温度数据+8bit 校验和。

例子：接收40bit数据如下：

0000 0010 1000 1100 0000 0001 0101 1111 1110 1110

湿度数据温度数据校验和

湿度高8位+湿度低8位+温度高8位+温度低8位=的末 8位=校验和

例如：0000 0010+1000 1100+0000 0001+0101 1111=1110 1110

湿度=65.2%RH 温度=35.1t：

当温度低于01时温度数据的最高位置1。

例如rio.lt表示为 1000 0000 0110 0101

主机(MCU)发送一次开始信号后，DHT21从低功耗模式转换 到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT21发送响应信号，送出 40bit的数据，并触发一次信号采集。

2.2 RS485通讯的软件实现RS485通讯内置Modbus总线协 议，采用主从方式定时收发数据,在实际使用中如果某从机站点断开 后(如故障或关机），主机端可以诊断出来,而当故障修复后，网络又 可自动接通,这种方式大大提高了通信可靠性。在Modbus总线协 议里，信息开始至少需要有3.5个字符的静止时间,依据使用的波特 率,很容易计算这个静止的时间(如下表中的T1-T2-T3-T4)。接着， 第_个区的数据为设备地址。
数据帧格式表2.1
开始 地址 功能 数据 校验 终止
T1-T2-T3-T4 8位 8位 Nx8位 16位 T1-T2-T3-T4

各个区允'许发送的字符均为16进制的0-9,A-F。
使用网络上的设备来连续监测上网络包括静止时间在内的信 息，当接收到第一个地址数据开始，每台设备会马上对它进行解码， 来判断是否是自己的地址。每当发送完最后一个字符时，需要留出 3.5个字符的静止时间,之后才能发送下_个新的信息。但是整个信 息是必须连续发送的。如果在发送帧信息当中出现了任何大于1.5 个字符的静止时间，接收设备都会制新不完整的信息,并且开始假设 卞一个地址数据。在同样一个信息后，如果没有大于3.5个字符的静 止时间就马上发送的一个新信息,这将导致一个错误的产生。这是因 为CRC校验码无效从而产生出来的错误。

智能操控装置和上位机的信息交换就是利用上述格式实现的。

3结束语

随着智能电网的不断发展，现场总线技术的不断完善和组态监 控的进步，智能开关和智能开关柜的出现是必不可少的。智能操控装 置是针对电力高压开关柜的控制而设计,能胜任中置柜、环网柜等多 种高压开关柜。该装置设有直观的操作板面，在操作板面上可以清晰 的观察到各种参数的情况。美化了原有开关柜的外观,提高了开关柜 的安全可靠性和远程操作的灵活性。智能操控装置有很高的价值和 良好的发展前景。