基于51单片机及嵌入式传感器的电网监控系统设计浅析

随着计算机技术的飞速发展，嵌入式系统已经成为计算机技术领域的一个非常重要的组成部分，普遍应用于商业和办公领域的以太网也逐渐进入了控制方面；在工业控制领域，智能设备、仪器仪表和传感器方面均有向嵌入式网络化设备过渡的趋势，所以以太网与监控的结合已经成为一种必然。只要在嵌入式设备中配上网络通讯接口协议，得到TCP／IP协议的支持接入Internet网络，便可实现数据的监测以及共享。而随着经济的迅速发展，用电量剧增，使得对电网的监控提出了更高的要求。

设计了一种电网的远程监控系统，该系统结合51单片机以及嵌入式传感器进行数据采集与处理，组建成一个小型的Web服务器直接将各项数据（包括三相电状态、温度、外界实时画面等），通过Internet提供给客户机，实现对电网的实时监测与故障诊断功能。该系统配置灵活方便，又很好的实现了资源的共享，具有极为广泛的应用前景。

1 嵌入式技术在电网监控系统中的应用

基于ARM—Web技术的电网监控系统的作用主要是监测各路电网的状态（正常、过压、欠压）以及环境的温度，连同实时画面上传到Inter net网络，用户在获得登陆权限后，就可以远程观测配电柜的各项参数，电网监控系统总体结构框图如图1（注：U1a，U1b，U1c分别为电网U1的a，b，c三相电压，电网U2同U1类似）。

由于各电网的三相电电气特性相似，所以本文只针对其中的一相电展开。

电网的各相电经过电压转换电路、采样调理电路后，得到各相电的状态信息量，51单片机通过对各状态信息量的接收与逻辑判断过程后，将最终的电网状态连同环境温度信息通过485总线一并传给上位机S3c6410，上述电路构成一个节点，通过给上位机搭配另外的节点后，可实现对电网节点网络的监测。上位机S3c6410搭载USB摄像头，可实现对上位机附近外界环境实时画面的捕捉，搭载温度传感器后，实现对上位机环境温度的监测，通过DM9000A芯片和Web服务器实现对以太网的接入，最终远程用户通过浏览器实现对各电网状态及环境各参数的监测。

2 硬件电路设计

2．1 电压转换电路及采样调理电路

设计中省略了大部分电路采用到的A／D采样部分，原因是对于50 Hz频率交流电压电流进行采样，需要较高采样频率（几兆到十几兆赫兹），通过对此查阅相关资料后得出，DSP以高速的数据能力显得很是优越，但是DSP芯片及其外围电路的成本相比单片机要高很多，综合考虑后，省略了A／D转换部分。之所以不采用将调理过的信号直接接入到ARM芯片上，是为了尽量多的节省ARM芯片上资源。对于三相电网的每一相状态都需要51单片机对应的2个I／O完成，总工需要6个I／O，如果配电柜内存在多个三相电网需要检测，经调理后直接接入ARM芯片，将会占去很多额外的资源，而且不利于长距离的数据传输。

如图2，电网的220VAC电压由R1、R2两端输入，经变压器和分压电阻后，通过调节可变电阻R4，可以最大限度的减小电阻误差或者变压器漏磁等情况带来的偏差，最终在a1端输出10 VAC左右的电压，采样电路接收电压转换电路输出的10V交流电，经两级滤波后，交流电的幅度将变得很平滑，近似直流电，再经分压过程，输入到运算比较器的负极，通过设定电路中各分压电阻以及基准电压的值，当出现过压或者欠压情况时，原酸比较器的输出端将由高电平转为低电平。

通过实验，将过压基准设为4．70±0．01 V，欠压基准设为2．40±0．01 V。

2．2 温度和视频采样电路

温度采集传感器采用PT100，铂热电阻，阻值随着温度的变化而改变。PT后的100即表示它在0℃时阻值为100 Ω，在100℃时它的阻值约为138．5 Ω。其RT曲线图如图4，当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100 Ω，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长。但他们之间的关系并不是简单的正比的关系，而更应该趋近于一条抛物线。常见的PT100感温元件有陶瓷元件，玻璃元件，云母元件，它们由铂丝分别绕在陶瓷骨架，玻璃骨架，云母骨架上再经过复杂的工艺加工而成。通过对PT100两端电压的采集，经AD0809转换芯片后，接入51单片机，最终实现对节点环境温度的采集。工作原理如图5，具体电路原理不再具体介绍。

视频采集方面利用zc301型摄像头接入S3c6410的USB接口，采用开源代码mipeg-streamer完成，主要实现对上位机S3c6410外界环境画面的实时采集功能。

2．3 51单片机电路

电网的采样监测功能由采样调理电路和51单片机搭配实现，通过模拟电路的调理过程，得到51单片机I／O口可以识别的高低电平（高电平大约为+5V，低电平大约为0V），51单片机通过识别输入电平，判定电网每一相电的工作状态。为了提高精确度，电网的每一相电的状态判定对应51单片机的2个I／O口，一个I／O口用来判定该相是否过压，另一个I／O口用来判定该相是否欠压，通过组合逻辑判断，实现对该路电网正常，欠压和过压三态的判定。51单片机综合逻辑关系如表1所示。

2．4 外围通信接口电路

外围通信接口电路的设计主要由485总线接口电路，USB接口电路和以太网接口电路3部分组成。

1）485总线是典型的串行通讯标准，1．RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+（2～6）V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-（2～6）V表示。RS-485的数据最高传输速率为10 Mbps。RS485接口组成的半双工网络一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好。最大传输距离标准值为4 000英尺（约1 219 m），实际上可达3 000米，另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力，这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。

2）USB接口分为主／从2种模式，USB主模式可连接U盘、打印机等USB接口设备，USB从模式接口可实现系统和上位机的通信，本文主要利用USB接口实现由摄像头到ARM芯片的通信。

3）以太网接口实现检测结果并通过网络发送给其他设备，DM9000A是集成和高效的10／100MHz自适应网卡芯片。DM9000A与ARM芯片连接，可以通过数据、地址和控制三总线进行连接并实现数据的转换。在对DM9000A读写之前，ARM芯片需要通过控制总线和地址总线提供DM9000A正确的读写时序，实现正确寻址。分别设置片选，工作模式后，才能完成数据的准确交换。

3 系统的软件设计

软件系统如图6所示，主要包括软件开发环境的构建、设备驱动和应用开发环境的开发。为使设备能够正常工作，SD卡，矩阵键盘，USB设备，LCD屏，网口，485总线等驱动程序均以模块的方式加载到内核中。应用程序主要分为：外围的通信接口程序，键盘和LCD屏的控制程序等。

本电网监控系统的工作流程是首先对电网各相电的参数进行采集，然后将信号量传给51单片机，经单片机对信号量的处理后得出状态结果，再通过485总线将其传输给ARM芯片，将结果存储在EEPROM中，并可将有关参数和分析结果嵌入到存储在EEPROM中的事先定制好的网页中，同时采集环境的温度和实时画面并上传，供客户机通过Internet网络访问，通信主程序流程如图7所示。

Linux下嵌入式Web服务器主要有3个：httpd、thttpd和Boa。http和Boa都支持认证、CGI等，功能比较全。本系统以Boa搭配Cgic作为服务器。Boa是一个单任务的hupd服务器，源码开发、系能高。随着internet技术的不断发展，在嵌入式设备的管理与交互中，B／S（即Brows er／Server浏览器／服务器机构）结构成为目前的主流。通过对Boa和Cgic源代码的操作，最后得到可执行文件Boa和CGIC库libcgic.a。

通过调试辅助程序capture和测试程序cgictest．cgi，可以验证生成CGIC库的正确性。将capture和cgictest．cgi复制到开发板的CGI程序目录下，用浏览器访问这个Cgi文件，可以看到页面，表示CGIC库和测试脚本都移植成功。为了能够在ARM上运行Web服务器Boa，需要完成对其运行环境、参数等进行设置，并将最终的配置文件Boa．conf置于工作目录下。

4 结束语

基于Web服务器的电网监控系统利用51单片机及采样调理电路实现对各电网状态的判定，通过485总线将结果传输给S3c6410芯片，同时采集环境温度及实时画面，S3c6410结合DM9000A芯片实现了TCP／IP协议栈，相比8位的MCU，大大的缩减了工作量，并提高了系统的可靠性。基于Web服务器的电网监控系统具有良好的联网和信息共享的功能，也具有测量精度高，硬件电路简单，操作简单的特点，因此本系统具有广泛的发展空间。