新聞主題	柴油發(fā)電機(jī)組控制柜模塊的工作原理

 

柴油發(fā)電機(jī)組主控制器是發(fā)電機(jī)組的控制裝置，可實現(xiàn)對發(fā)電機(jī)組物理量的檢測并顯示，發(fā)動機(jī)的啟動、運(yùn)行、（正常、緊急）停機(jī)等控制性操作，供電及負(fù)載檢測與切換，發(fā)電機(jī)組保護(hù)，故障診測，遠(yuǎn)程通信遙測、遙控等。主控制器增強(qiáng)了發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的可靠性以及人機(jī)交流的方便性。本文以眾智HGM6320主控制器為例，主要講述該型控制柜模塊的工作原理、功能、參數(shù)設(shè)置以及使用方法。

 

一、控制系統(tǒng)特點(diǎn)

 

眾智HGM6320主控制器的主要功能是用于發(fā)電機(jī)組自動化及監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的自動開機(jī)/停機(jī)、數(shù)據(jù)測量、報警保護(hù)及“三遙功能”?？刂破鞑捎么笃聊灰壕В↙CD）顯示，中/英文可選擇界面操作，操作簡單，運(yùn)行可靠，其性能和特點(diǎn)如下所述。

① 以微處理器為核心，大屏幕液晶帶背光、可選中/英文顯示，輕觸按鈕操作。

② 精確測量和顯示功能：實現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)組及市電的電參量及水溫、油壓、油位等實時監(jiān)測。

③ 控制保護(hù)功能：實現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)組自動開機(jī)/停機(jī)、負(fù)荷切換及報警保護(hù)功能。

④ 參數(shù)設(shè)置功能：允許用戶對其參數(shù)進(jìn)行更改設(shè)定，同時記憶在內(nèi)部FLASH存儲器內(nèi)，在系統(tǒng)掉電時也不會丟失。

⑤ 內(nèi)置速度/頻率檢測環(huán)節(jié)，可精確地判斷啟動成功、額定運(yùn)行、超速狀態(tài)。

⑥ 可循環(huán)保存99組歷史記錄，并可在現(xiàn)場對記錄進(jìn)行查詢。

⑦ 供電電源范圍寬DC 12～35V，能適應(yīng)不同的啟動電池電壓環(huán)境。

⑧ 模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，可插拔式接線端子，嵌入式安裝方式，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便。眾智HGM6320 主控制器的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 眾智HGM6320主控制器的主要技術(shù)參數(shù)

項目	內(nèi)容
工作電壓	DC 8.0～35.0V連續(xù)供電
整機(jī)功耗	＜3W（待機(jī)方式：≤2W）
交流電壓輸入：
三相四線	15~360V AC(ph-N)
三相三線	30~600V AC(ph-ph)
單相二線	15~360V AC(ph-N)
單相三線	15~360V AC(ph-N)
交流發(fā)電機(jī)頻率	ZH09/09
轉(zhuǎn)速傳感器電壓	1～24V（有效值）
轉(zhuǎn)速傳感器頻率	最大10000Hz
啟動繼電器輸出	16A DC 28V直流供電輸出
燃油繼電器輸出	16A DC 28V直流供電輸出
可編程繼電器輸出口1	16A DC 28V直流供電輸出
可編程繼電器輸出口2	16A DC 28V直流供電輸出
可編程繼電器輸出口3	16A DC 28V直流供電輸出
可編程繼電器輸出口4	16A 250V AC無源輸出
可編程繼電器輸出口5/發(fā)電合閘繼電器	16A 250V AC無源輸出
可編程繼電器輸出口6/市電合閘繼電器	16A 250V AC無源輸出
電池組電壓監(jiān)測范圍	0~100V DC
機(jī)房溫度監(jiān)測范圍	0~50℃
外形尺寸	240mmx172mmx57mm
開孔尺寸	214mmx160mm
電流互感器次級電流	額定5A
工作條件	溫度：-25～＋70℃
	濕度：20％～90％無凝露
儲藏條件	溫度：-30～＋80℃
防護(hù)等級	IP55：當(dāng)控制器和控制屏之間加裝防水橡膠圈時
	IP42：當(dāng)控制器和控制屏之間沒有加裝防水橡膠圈時
	對象：在輸入/輸出/電源之間
絕緣強(qiáng)度	引用標(biāo)準(zhǔn)：IEC688
質(zhì)量	試驗方法：AC 1.5kV/1min漏電流2mA 0.90kg

 

二、基本結(jié)構(gòu)

 

眾智HGM6320主控制器采用微電子技術(shù)，電路高度集成，結(jié)構(gòu)緊湊，操作界面簡潔明了。

主控制器采用32位單片機(jī)作為核心控制器件，并進(jìn)行適當(dāng)外圍擴(kuò)展，顯示單元采用具有低溫工作特性的熒光點(diǎn)陣顯示器，顯示各種參量的實時數(shù)字值，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)分析、處理及控制智能化，并具備遙測、遙信、遙控功能。其硬件框圖如圖1所示，由CPU、A/D轉(zhuǎn)換電路、DC/DC轉(zhuǎn)換電路、工況選擇檢測電路、電壓檢測電路、轉(zhuǎn)速測量電路、輸出控制電路、按鍵接收電路、顯示電路和串行接口等部分組成。

 

圖1 柴油發(fā)電機(jī)組控制器的結(jié)構(gòu)示意圖

 

○ CPU：CPU為32位ARM單片機(jī)，因其沒有外部的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高。

○ DC/DC轉(zhuǎn)換：自動裝置控制器的工作電源由24V蓄電池組提供，DC/DC轉(zhuǎn)換電路完成24V電壓轉(zhuǎn)換，為控制回路提供＋5V的工作電源。

○ 工況選擇：由工況選擇開關(guān)完成自動、手動和遙控三種工況選擇，并進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

○ 電壓檢測：完成市電電壓檢測和柴油發(fā)電機(jī)組電壓檢測，檢測信號輸入CPU。

○ 轉(zhuǎn)速測量：柴油機(jī)轉(zhuǎn)速由測速傳感器輸出的脈沖信號進(jìn)入CPU，CPU將脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

○ 輸出控制：經(jīng)CPU處理后，輸出的各種操作信號經(jīng)鎖存器輸出，輸出的控制信號經(jīng)放大單元放大后驅(qū)動直流繼電器，實現(xiàn)柴油機(jī)自啟動等控制操作。

○ 按鍵：設(shè)置啟動、停機(jī)、復(fù)位和消音等四個按鍵，采用觸摸鍵盤。

○ 顯示電路：采用低溫工作性能良好的熒光點(diǎn)陣顯示器作為控制器的數(shù)據(jù)顯示單元。該顯示器窗口為4行x10個中文漢字的矩形窗口，通過硬件監(jiān)測與軟件控制。

○ 通信接口：CPU通信采用串行接口通信，擴(kuò)展MAX202芯片構(gòu)成RS-485串行接口，通過此接口與應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)相連，進(jìn)行遠(yuǎn)程遙測、遙信和遙控。

1、單片機(jī)

單片機(jī)微型計算機(jī)（single-chip microcomputer）簡稱單片機(jī)，就是將CPU、RAM、ROM、定時/計數(shù)器和多種I/O接口電路集成到一塊集成電路芯片上構(gòu)成的微型計算機(jī)。單片機(jī)特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器（Microcontroller）。

單片機(jī)主要具有以下特點(diǎn)。

① 可靠性高。

芯片是按照工業(yè)測控環(huán)境要求設(shè)計的，其抗工業(yè)噪聲干擾能力優(yōu)于一般通用的CPU；程序指令、常數(shù)、表格固化在芯片內(nèi)ROM中不易被破壞；許多信號通道均在一個芯片內(nèi)，故可靠性高。

② 易擴(kuò)展。

片內(nèi)具有計算機(jī)正常運(yùn)行所必需的部件。芯片外部有許多擴(kuò)展用的總線及并行、串行輸入/輸出引腳，可方便地構(gòu)成各種規(guī)模的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。

③ 控制功能強(qiáng)。

為了滿足工業(yè)控制的要求，一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)有極其豐富的條件分支轉(zhuǎn)移指令、I/O口的邏輯操作及位處理指令。一般說來，單片機(jī)的邏輯控制功能及運(yùn)行速度均高于同一檔次的微處理器。

眾智HGM6320控制器的核心處理器型號為ATmega128A（其引腳定義如圖2和表2所示），該單片機(jī)是基于AVR（Automatic Voltage Regu-lation，電壓自動調(diào)整）、RISC（Re-duced Instruction Set Computer，精簡指令集計算機(jī)）結(jié)構(gòu)的8位低功CMOS微處理器。AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元ALU(Arithmetic and Logic Unit) 相連接，使得一條指令可在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨(dú)立寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，且具有比普通的復(fù)雜指令集微處理器高10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。

 

圖2  柴油發(fā)電機(jī)組控制器單片機(jī)引腳示意圖.

 

ATmega128A具有豐富的片上資源，在眾智HGM6320控制器內(nèi)主要用到了以下內(nèi)部模塊。

表2 單片機(jī)ATmega128A的引腳定義

引腳序號	引腳名稱	引腳功能說明
1	PEN	PEN是SPI（串行外設(shè)接口，Serial Peripheral Interface的縮寫）串行下載的使能引腳。在上電復(fù)位時保持PEN為低電平將使器件進(jìn)入SPI串行下載模式。在正常工作過程中PEN引腳沒有其他功能
2~9	端口E（PE0～PE7）	端口E為8位雙向I/O口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復(fù)位發(fā)生時端口E為三態(tài)。端口E也可以用作其他不同的特殊功能，詳見相關(guān)專業(yè)書籍
10~17	端口B（PB0～PB7）	端口B為8位雙向1/O口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復(fù)位發(fā)生時端口B為三態(tài)。端口B也可以用作其他不同的特殊功能，詳見相關(guān)專業(yè)書籍
33、34 43、 18、19	端口G（PG0～PG4）	端口G為5位雙向1/O口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復(fù)位發(fā)生時端口G為三態(tài)。端口G也可以用作其他不同的特殊功能，詳見相關(guān)專業(yè)書籍在ATmega103兼容模式下，端口G只能作為外部存儲器的鎖存信號以及32kHz振蕩器的輸入，并且在復(fù)位時這些引腳初始化為PGO＝1、PG1＝1以及PG2＝0。PG3和PG4是振蕩器引腳
20	RESET	復(fù)位輸入引腳。超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位，低于此時間的脈沖不能保證可靠復(fù)位
21、52	VCC	數(shù)字電路的電源
22、53、63	GND	地
23	XTAL2	反向振蕩器放大器的輸出
24	XTAL1	反向振蕩器放大器及片內(nèi)時鐘操作電路的輸入
25~32	端口D（PD0～PD7）	端口D為8位雙向1/O口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復(fù)位發(fā)生時端口D為三態(tài)。端口D也可以用作其他不同的特殊功能，詳見相關(guān)專業(yè)書籍
35~42	端口C（PC7～PCO）	端口C為8位雙向I/O口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出   電流。復(fù)位發(fā)生時端口C為三態(tài)。端口C也可以用作其他不同的特殊功能，詳見相關(guān)專業(yè)書籍。在ATmega103兼容模式下，端口C只能作為輸出，而且在復(fù)位發(fā)生時不是三態(tài)
44~51	端口A（PA7～PA0）	端口A為8位雙向1/O口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復(fù)位發(fā)生時端口A為三態(tài)。端口A也可以用作其他不同的特殊功能，詳見相關(guān)專業(yè)書籍
54~61	端口F（PF7～PFO）	端口F為ADC的模擬輸入引腳。 如果不作為ADC的模擬輸入，端口F可以作為8位雙向I/O口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。復(fù)位發(fā)生時端口F為三態(tài)。如果使能了JTAG（Joint Test Action Group，聯(lián)合測試行動小組，是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議，IEEE1149.1兼容）接口，則復(fù)位發(fā)生時引腳PF7（TDI）、PF5（TMS）和PF4（TCK）的上拉電阻使能。端口F也可以作為JTAG接口。在ATmega103兼容模式下，端口F只能作為輸入引腳
62	AREF	AREF為ADC的模擬基準(zhǔn)輸入引腳
64	AVCC	AVCC為端口F以及ADC轉(zhuǎn)換器的電源，需要與VCC相連接，即使沒有使用ADC也應(yīng)該如此。使用ADC時應(yīng)該通過一個低通濾波器與VCC連接

① 輸入輸出端口

ATmega 128A單片機(jī)總共有6個8位并行I/O端口，分別記作PA0～PA7、PB0～PB7、PCO～PC7、PD0～PD7、PEO～PE7、PF0～PF7和1個5位并行I/O端口PG0～PG4。每個端口為準(zhǔn)雙向口，都具有讀-修改-寫的功能，每一條I/O線都能夠獨(dú)立地用作輸入或輸出。單片機(jī)I/O端口的電路設(shè)計非常巧妙，熟悉I/O端口邏輯電路，不但有利于正確合理地使用端口，而且會對設(shè)計單片機(jī)外圍邏輯電路有所啟發(fā)。

單片機(jī)每個端口除了一般的數(shù)字I/O功能之外，大多數(shù)端口引腳都具有第二功能。如端口PORTA的第二功能為擴(kuò)展三總線的地址/數(shù)據(jù)總線的低8位；端口PORTB的第二功能主要有SPI串行控制器接口、定時/計數(shù)器的比較輸出和PWM輸出接口；端口PC的第366二功能為地址總線的高8位；端口PORTD的第二功能為串行通信接口、外中斷申請信號輸入接口和定時/計數(shù)器時鐘輸入接口等。

眾智HGM6320控制器應(yīng)用單片機(jī)輸入輸出端口的場合有：開關(guān)量輸入檢測，如緊急停機(jī)、油壓低停機(jī)報警信號、水溫高停機(jī)報警信號；開關(guān)量輸出控制，如8個繼電器的控制。

② 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC是模擬信號源和計算機(jī)之間聯(lián)系的橋梁，其任務(wù)是將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號，以便計算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算、存儲、控制和顯示等。由于應(yīng)用場合和要求不同，因而需要采用不同工作原理的A/D轉(zhuǎn)換器，主要有逐次逼近式、雙斜積分式、電壓-頻率式、并行式等幾種。ATmega128A有一個10位的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC。ADC與一個8通道的模擬多路開關(guān)連接，能對來自PORTF的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。

逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器也稱為連續(xù)比較式A/D轉(zhuǎn)換器。這是一種采用對分搜索原理來實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的器件，邏輯框圖如圖3所示。它主要由比較器、N位寄存器、D/A轉(zhuǎn)換器、時序與控制邏輯電路以及輸出緩沖器（鎖存器）等五部分組成。

 

圖3  柴油發(fā)電機(jī)組控制器逐次逼近式轉(zhuǎn)換原理框圖

 

其工作原理為：啟動信號作用后，時鐘信號在時序與控制邏輯電路作用下，首先使寄存器的最高位輸出D_N-1＝1，其余位為“0”，N位寄存器的數(shù)字量一方面作為輸出用，另一方面經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量VH后送到比較器輸入端，在比較器中與被轉(zhuǎn)換的模擬量Vx進(jìn)行比較，時序與控制邏輯電路根據(jù)比較器的輸出進(jìn)行判斷。若V_X≥V_H，則保留這一位；若V_X＜V_H，則使D_N-1＝0。D_N--1位比較完后，再對下一位D_N-2進(jìn)行比較，使D_N-2＝1，與上一位D_N-1位一起送入D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后再進(jìn)入比較器，與V_X比較，······，如此一位一位地繼續(xù)下去，直到最后一位D₀比較完畢為止。此時，DONE發(fā)出信號表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。這樣經(jīng)過N次比較后，N位寄存器的數(shù)字量即為V_X所對應(yīng)的數(shù)字量。

眾智HGM6320控制器應(yīng)用單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將市電/發(fā)電電壓/電流、水溫傳感器和油壓傳感器等電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

③ 定時/計數(shù)器

ATmega128A單片機(jī)的內(nèi)部有2個具有獨(dú)立的預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時/計數(shù)器和2個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時/計數(shù)器，它們都有定時和事件計數(shù)功能，可用于定時控制、延時、對外部事件計數(shù)和檢測、PWM信號產(chǎn)生等場合。眾智HGM6320控制器應(yīng)用單片機(jī)的定時/計數(shù)器測量轉(zhuǎn)速傳感器的脈沖頻率，計算出發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速。

④ 串行通信接口

串行通信接口，其全稱為通用同步或異步串行接收/發(fā)送器（US-ART，Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter），是一個全雙工串行通信接口，即能同時進(jìn)行串行發(fā)送和接收。它可作通用異步接收和發(fā)送器用，也可作同步移位寄存器用。應(yīng)用串行接口可實現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)之間點(diǎn)對點(diǎn)的單機(jī)通信、多機(jī)通信和單片機(jī)與系統(tǒng)機(jī)（如PC機(jī)等）的單機(jī)或多機(jī)通信。在串行通信設(shè)計中，要保證通信雙方的通信波特率和工作方式要一致。一般通信波特率可選為300bps、600bps、1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps、38400bps和57600bps，而工作方式的選擇需要確定數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位數(shù)和奇偶校驗位等。

2、人-機(jī)接口電路

人-機(jī)界面是操作人員與控制器進(jìn)行信息交互的渠道，主要由信息輸出顯示和指令輸入兩部分。人-機(jī)接口電路主要由液晶顯示器、發(fā)光二極管和按鍵輸入電路組成。

3、模擬量輸入接口電路

發(fā)電機(jī)組主控制器實時檢測發(fā)電機(jī)組的許多模擬量，包括水溫、油壓、直流電壓、交流電流和交流電壓等，下面分別介紹各種模擬量的檢測接口電路和原理。

① 電阻型傳感器輸入接口電路

水溫傳感器和壓力傳感器均可采用電阻型傳感器，即傳感器內(nèi)置一個隨著溫度和壓力變化而阻值變化的電阻，其檢測接口電路和檢測原理是相同的。接口電路的作用是將變化的電阻轉(zhuǎn)換成0～3.3V的直流電壓，如圖4所示。

 

圖4 柴油發(fā)電機(jī)組模擬輸入接口電路原理圖

 

上拉電阻R₁一端提供3.3V的基準(zhǔn)電壓AREF。與水溫傳感器的溫變電阻串聯(lián)分壓得到U_1OPS，R₂和C₁組成RC濾波電路，U_1OPS經(jīng)RC濾波后送入單片機(jī)內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入接口OPL1，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后，得到對應(yīng)的數(shù)字量。

下式是上拉電阻和溫變電阻分壓后的電壓計算公式：

 

.......................................(公式1)

 

式中 U_1OPS——水溫傳感器與上拉電阻的分壓電壓值；

U_AREF——基準(zhǔn)電壓；

R_T——水溫傳感器的溫變電阻值；

R₁——上拉電阻值。

下式是單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換公式：

                               

.......................................(公式2)

 

式中，D_X為經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后單片機(jī)得到的數(shù)字量。

由式（公式1）和式（公式2）可得到數(shù)字量與電阻的關(guān)系為：

 

....................................... (公式3)

 

 

由上式可知，電路中R₁為300Ω，U_AREF為3.3V，當(dāng)單片機(jī)測量得到該端口電壓D就可得到溫變電阻Rr的阻值，查表6-3就可得到溫度值。

②直流電壓整形電路 直流電壓整形電路是將電池電壓或充電機(jī)電壓進(jìn)行降壓和濾波后，轉(zhuǎn)換成0～3.3V的直流電壓，送入單片機(jī)的模擬輸入端口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。電路原理圖如圖5所示，R₁和R₂對輸入電壓進(jìn)行分壓，經(jīng)無極電容C₁和電解電容C₂進(jìn)行濾波，穩(wěn)壓二極管VD1可吸收高于5V的電壓尖峰，對單片機(jī)的模擬輸入端口進(jìn)行防過壓保護(hù)。單片機(jī)測量的直流電壓公式如下所示：

 

.......................................(公式4)

 

式中 V_IN——測量得到的直流電壓值；

D_X——經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后單片機(jī)得到的數(shù)字量。

圖5  柴油發(fā)電機(jī)組控制器直流電壓整形電路原理圖

 

③ 交流電流采樣整形電路

發(fā)電機(jī)組主控制器需要實時檢測市電電壓、發(fā)電機(jī)輸出電壓、負(fù)載電流，并計算出負(fù)載的有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)和累計電能等。對負(fù)載電流的轉(zhuǎn)換是通過兩組互感器實現(xiàn)的，通過電流互感器將發(fā)電機(jī)組輸出電流轉(zhuǎn)換成0～5A的交流電信號，該電流送入發(fā)電機(jī)組主控制器的三個精密電流互感器，三相電流分別從IA、IB、IC流入三個精密電流互感器，進(jìn)入公共端ICOM（如圖6所示）。在每個精密電流互感器的輸出端，感應(yīng)出0～5mA電流，分別通過電阻R₁、R₂和R₃變成交流電壓，并將電壓抬高（基準(zhǔn)電壓V_REF 為AREF/2，即1.65V），將VIA、VIB和VIC電壓變換在0～3.3V范圍內(nèi)，用于單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的單端輸入模式。單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對輸入的交流電壓進(jìn)行交流采樣，按傅里葉算法計算出幅值和相位，再根據(jù)互感器的變比，計算出實際電流值。

 

圖6  交流電流采樣整形電路原理圖

 

④ 交流電壓采樣整形電路

對市電電壓和發(fā)電機(jī)輸出電壓的測量，是直接將電壓信號進(jìn)行降壓和基準(zhǔn)抬升，轉(zhuǎn)換成0～3.3V的信號，交流電壓采樣整形電路原理圖如圖7所示。輸出UAIN與輸出UA1的關(guān)系為：

 

.......................................(公式5)

 

單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對輸入的交流電壓進(jìn)行交流采樣，按傅里葉算法計算出幅值和相位，按電路的放大倍數(shù)，可計算出實現(xiàn)電壓值、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、視在功率和累計電能。

 

圖7  交流電壓采樣整形電路原理圖

 

4、開關(guān)量輸入接口電路

開關(guān)量輸入接口電路可以將發(fā)電機(jī)組中傳感器的開關(guān)狀態(tài)和電平變化狀態(tài)整理為0或5V的規(guī)則電壓，送入單片機(jī)的輸入端口。圖6-17是開關(guān)量輸入接口電路原理圖，當(dāng)開關(guān)K斷開時，二極管VD1截止，SW1的信號由R1和R2連接到VCC，電壓為5V；當(dāng)開關(guān)K閉合時，二極管VD1導(dǎo)通，SW1的信號由R₂、VD1和K連接到GND，電壓為0V左右。在電路中增加二極管VD1，是為了保護(hù)輸入單片機(jī)端口的電壓不能過高，當(dāng)開關(guān)K斷開時，引腳1OPL可能會引入高電壓，如靜電或意外接入高電平，若沒有二極管，高電壓會通過R₂引入單片機(jī)端口，燒毀單片機(jī)；加入二極管后，當(dāng)1OPL電壓高于VCC時，二極管VD1反向截止，高電壓就不可能通過VD1竄入單片機(jī)端口。

圖8是檢測電平信號變化的接口電路，當(dāng)外部電壓STOP低于4.2V時，經(jīng)R₁和R₂串聯(lián)分壓后，三極管Q1基極電壓低于0.7V，Q1截止，STOPIN經(jīng)R₃連接到VCC，輸出電壓為VCC；當(dāng)外部電壓高于4.2V時，經(jīng)R₁和R₂分壓后，Q1基極電壓高于0.7V，Q1導(dǎo)通，STOPIN經(jīng)Q1連接到GND，輸出為OV。當(dāng)STOP輸入反向電壓時，電流經(jīng)二極管VD1和R₁形成回路，保護(hù)Q1基極和發(fā)射極不被反向擊穿。

 

圖8  檢測電平信號變化的接口電路

 

5、開關(guān)量輸出接口電路

發(fā)電機(jī)組主控制器對執(zhí)行器的控制，主要是通過繼電器實現(xiàn)的，圖9是繼電器輸出電路原理圖。繼電器由線圈和觸點(diǎn)組成，線圈的工作電源由VREL提供（9V）；觸點(diǎn)由公共觸點(diǎn)COM、常開觸點(diǎn)NO和常閉觸點(diǎn)NC組成，在繼電器不動作時，公共觸點(diǎn)COM與常閉觸點(diǎn)NC連通，繼電器動作時，公共觸點(diǎn)COM與常開觸點(diǎn)NO連通。當(dāng)單片機(jī)輸出端口RELO輸出高電平時，三極管Q1導(dǎo)通，繼電器線圈產(chǎn)生較強(qiáng)磁場，吸合觸點(diǎn)動作，COM與NO連通；當(dāng)單片機(jī)端口RELO輸出低電平時，三極管Q1截止，繼電器線圈失電，觸點(diǎn)在彈簧作用下恢復(fù)，COM與常閉觸點(diǎn)NC連通。

 

 

圖9  繼電器輸出電路原理圖

 

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