Муниципальное общеобразовательное учреждение «Лицей» г. Абакана

Адрес: 655016, Республика Хакасия, г. Абакан, ул.

e-mail: *****@***ru

Директор:

(физика)

Аппаратно-программный комплекс исследования перепадов напряжения в сети.

Автор:

Толкунов Сергей,

11 б класс, МОУ «Лицей»

Учитель:

,

Учитель физики.

Абакан 2008г.

Содержание.

Введение………………………………………………………………………… 3

Цели и задачи…………………………………………………………………… 5

Аппаратно-программный комплекс исследования перепадов напряжения в сети………………………………………………………………………………. 6

Аппаратная часть……………………………………………………………. 6

Выбор микропроцессорной платформы…………………………………… 6

Блок входа…………………………………………………………………… 8

Блок связи…………………………………………………………………… 8

Режим работы……………………………………………………………...... 8

Схема прибора………………………………………..……………………... 9

Программная часть…………………………………………………………… 10

Разработка программного обеспечения для ПК…………………………... 12

Просмотр графика изменения напряжения……………………………….. 12

Результаты измерений. Анализ………………………………………………... 15

Заключение……………………………………………………………………… 18

Литература……………………………………………………………………… 19

Введение.

Скачки сетевого напряжения существуют давно, однако в последние 10 лет данная проблема становиться всё более и более актуальной для нашей страны. Это связанно, на мой взгляд, с резким увеличением использования большого количества бытовой техники, а также с износом линий электропередач (ЛЭП).

И если 15-20 лет назад вся чувствительная бытовая техника состояла из телевизора и уже позже видеомагнитофона (в худшем случае перегорала лампочка при перенапряжении), то теперь в каждой квартире множество бытовой техники чувствительной к перепадам напряжения, которая практически всё время подключена к сети. Результатом перенапряжения или пониженного уровня напряжения может стать выход из строя части бытовой техники, установленной в квартире и подключенной в момент перенапряжения к сети. Отсюда и материальные затраты на ремонт вышедшей из строя бытовой техники, а порой и на покупку новой.

Итак, типичные проблемы, которые возникают в электросетях:

    Полное пропадание напряжения в сети – отсутствие напряжения в сети на время более 40 секунд из-за нарушений в линиях подачи электроэнергии. Скачки напряжения
      Кратковременное снижение напряжения в сети до величины менее 80% от номинального значения на время более 1/50 секунды – следствие включения мощных нагрузок, внешне проявляется как мерцание ламп освещения.  Кратковременное повышение напряжения в сети на величину более 110% от номинального значения на время более 1/50 секунды – следствие отключения большой нагрузки, внешне проявляется как мерцание ламп освещения.
    Кратковременный высоковольтный импульсный выброс напряжения в сети величиной до 6000В и длительностью до 10 мс – появляется при грозах, как результат статического электричества, из-за искрения переключателей, внешних проявлений нет. Высокочастотный шум – радиочастотные помехи электромагнитного или другого происхождения, результат работы мощных высокочастотных устройств, коммуникационных устройств. Также к проблемам электроснабжения можно отнести выбег частоты, то есть изменение частоты на 3 и более герц от номинального (50 Гц), – появляется при нестабильной работе источника электроэнергии, внешне может и не проявляться.

Из вышеперечисленных проблем наибольший интерес для изучения представляют скачки напряжения, т. к. они встречаются чаще, и наносят больший вред потребителям. Хочется отметить, что перепады напряжения, также несут угрозу здоровью человека. Существует опасность возгорания электроприбора в руках, также тусклый свет, при длительном понижении напряжения в сети, негативно сказывается на психологическом состоянии.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Цели и задачи.

Основной целью данной работы является исследования перепадов напряжения возникающих в сети: характер проявления, формы графиков. Для этого необходимо устройство, которое будет производить мониторинг напряжения, и выводить результат в виде графика. На основе полученных графиков можно более подробно изучить скачки напряжения в электросети переменного тока. Было решено разработать прибор, базирующийся на микропроцессоре, а результаты выводить на монитор компьютера в виде графика, для более подробного и наглядного анализа. Использование микроконтроллера как аналого-цифровой преобразователя (АЦП) позволяет получить достаточно высокую точность измерений. Компьютер позволит не только проанализировать, но и сохранить данные, полученные в результате измерений для последующего их использования. Также необходим стенд, искусственно создающий перепады напряжения.

Аппаратно – программный комплекс (АПК) измерения скачков напряжения.

Аппаратная часть.

Выбор микропроцессорной платформы

В качестве основы для построения прибора было решено использовать микропроцессорную технику. Использование микроконтроллеров (МК) в изделиях не только приводит к повышению технико-экономических показателей, но и позволяет сократить время разработки изделий и делает их модифицируемыми, адаптивными, позволяет получить высокую точность. Выбор микропроцессорной платформы зависит от большого числа разнообразных факторов, включая экономические. Но обычно главным условием является получение максимально выгодного соотношения "цена-производительность-энергопотребление". На настоящий момент соотношение "цена-производительность-энергопотребление" у МК AVR корпорации ATMEL является одним из лучших на мировом рынке, поэтому за основу был взят AT90S8535(Рис.3) семейства AVR. Данный МК имеет мощный гарвардский RISC-процессор, Flash-память программ, внутреннее ОЗУ, блок энергонезависимой электрически стираемой памяти данных EEPROM, аналоговый компаратор, 8-канальный 10-разрядный АЦП, порты ввода-вывода, 3 таймера-счетчика, интерфейс UART.

Архитектура ядра микроконтроллеров AVR

Ядро микроконтроллеров AVR выполнено по усовершенствованной RISC (enhanced RISC) архитектуре (Рис.4), в которой используется ряд ре­шений, направленных на повышение быстродействия микроконтроллеров.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее все вычис­ления, непосредственно подключено к 32 рабочим регистрам, объединен­ным в регистровый файл. Благодаря этому АЛУ выполняет одну операцию (чтение содержимого регистров, выполнение операции и запись результата обратно в регистровый файл) за один машинный цикл.

В отличие от RISC-микроконтроллеров других фирм, в микроконт­роллерах AVR используется 2-уровневый конвейер, а длительность ма­шинного цикла составляет всего один период колебаний кварцевого ре­зонатора. В результате они могут обеспечивать ту же производитель­ность, что и RISC-микроконтроллеры других фирм, при более низкой тактовой частоте.

Блок входа

Блок входа (рис.5) предназначен для преобразования напряжения в удобную для измерения форму. Исследуемое напряжение подается на трансформатор, уменьшается до допустимого для микроконтроллера напряжения, а затем выпрямляется через диодный мост и подается на аналого-цифровой преобразователь, встроенный в микроконтроллер. На аналоговый вход микроконтроллера может подаваться напряжение от 0В до 5В. Следовательно, необходимо понижение номинального напряжения в сети (220В) до 2В..3В. Так как микроконтроллер оперирует с постоянным током, то необходимо использование диодного моста для выпрямления тока. Также в блок входа входит переменный резистор, для более точной настройки и отладки прибора в режиме реального времени.

Блок связи

Полученные измерения необходимо передать на компьютер. Связь между компьютером и микроконтроллером осуществляется посредством использования параллельного порта компьютера LPT. Через него осуществляется прием и передача информации.

Выводы микроконтроллера, используемые модулем передачи данных, являются линиями порта B. Напряжение на LPT-порте не отличается от напряжения микроконтроллера.

Режим работы

Прибор работает в режиме снятия измерений и в режиме дачи показаний. Прибор присоединяется к исследуемому объекту, фиксирует возникновение перенапряжений, передает их на компьютер по параллельному интерфейсу. На компьютере должна быть запущена программа, которая считывает данные с микроконтроллера.

Схема прибора.

 

Программная часть.

Краткое описание модуля АЦП (аналого-цифрового преобразователя)

Для питания модуля АЦП в микроконтроллере предусмотрены 2 выво­да: AVcc (напряжение питания) и AGND (аналоговая «земля»). Напряже­ние на выводе AVcc не должно отличаться от напряжения питания микро­контроллера больше чем на ±0.3 В, а аналоговая «земля» соединена с ци­фровой в одной точке. AT90S8535 имеет вывод AREF для подключения к АЦП внешнего источника опорного напряжения. Напряжение, подаваемое на этот вывод, должно находиться в диапазоне 0...VCC.

АЦП может работать в двух режимах:

• режим одиночного преобразования: в этом режиме запуск каждого преобразования инициируется пользователем;

• режим непрерывного преобразования: в этом режиме запуск преоб­разований выполняется непрерывно через определенные интервалы времени.

Функционирование модуля АЦП

Структурная схема модуля АЦП приведена на рисунке:

Рис.7. Структурная схема модуля АЦП
 


Рис.8. Формат регистра ADCSR
 
Управление модулем АЦП и контроль его состояния осуществляется с помощью регистра ADCSR, расположенного по адресу $06 ($26). Формат этого регистра приведен на Рис.8, а краткое описание функций разрядов регистра

приведено в табл. 1.

Таблица. 1. Регистр ADCSR

Разряд

Название

Описание

7

ADEN

Разрешение АЦП (1 — включено, 0 — выключено)

6

ADSC

Запуск преобразования (1 — начать преобразование)

5

ADFR

Выбор режима работы АЦП (0 — одиночное преобр.)

4

AMF

Флаг прерывания от компаратора

3

ADIE

Разрешение прерывания от компаратора

2...0

ADPS2:ADPSO

Выбор частоты преобразования

Перед началом использования АЦП требуется разрешить его работу. Для этого необходимо записать лог. «1» в разряд ADEN регистра ADCSR, а для запрета соответственно лог. «0». Причем если АЦП будет заблокиро­вано во время цикла преобразования, то преобразование завершено не бу­дет (в регистре данных АЦП останется результат предыдущего преобразо­вания).

Режим работы АЦП определяется состоянием разряда ADFR. Если он установлен в «1», АЦП работает в режиме непрерывного преобразо­вания. В этом режиме запуск каждого следующего преобразования осу­ществляется автоматически после окончания текущего. Если же разряд ADFR сброшен в «1», АЦП работает в режиме одиночного преобразова­ния и запуск каждого преобразования осуществляется по команде поль­зователя.

Управление входным мультиплексором модуля АЦП осуществляется с помощью регистра ADMUX, расположенного по адресу $07 ($27). Формат этого регистра приведен на Рис. 9.

Рис. 9. Формат регистра ADMUX
 

Разряды MUX2...MUX0 этого регистра определяют номер активного канала (номер аналогового входа, подключенного к входу АЦП). Состоя­ние этих разрядов можно изменить в любой момент, однако, если это бу­дет сделано во время цикла преобразования, смена канала произойдет только после завершения преобразования. Благодаря этому в режиме не­прерывного преобразования можно легко реализовать сканирование кана­лов. Под этим термином в данном случае понимается последовательное преобразование сигналов нескольких каналов. Когда преобразование АЦП завершено, возникает прерывание ($00E), после чего программа прекращает нормальный ход для выполнения подпрограммы обработки прерывания. В подпрограмме обработки прерывания АЦП происходит анализ результатов измерений, а затем вызывается подпрограмма передачи этих значений на компьютер.

Разработка программного обеспечения для ПК.

Программное обеспечение для компьютера написано на языке программирования Delphi. Используя данную среду программирования, возможно создать программу с удобным интерфейсом, и с множеством дополнительных функций.

Просмотр графика изменения напряжения.

По результатам измерений, полученных из прибора, программа автоматически строит график перепадов напряжения в электрической сети. Для построения диаграммы на основании информации, принятой из прибора, предназначен компонент-диаграмма DBChart. Он позволяет выводить диаграммы различных типов, в том числе и объемные. В программе используется обычный двухмерный линейный график. Диаграмма DBChart строится на основе табличных данных. Таблица данных автоматически заполняется программой на основе данных полученных из прибора. Использование графика для просмотра перенапряжений очень удобно.


Рис.11. Увеличенный фрагмент графика
 

Каждому импульсу соответствует свой график (рис.10.). На экран, для визуального исследования и просмотра перенапряжений, выводится непосредственно сам график импульса Для удобства навигации, можно увеличить отдельные части импульса (рис.11.), и просмотреть их в более крупном варианте. Для этого нужно, зажав левую кнопку мыши, выделить необходимую часть графика. На графике импульс отображается полностью (автомасштаб), а при увеличенном просмотре график можно прокручивать (зажать правую кнопку мыши, и перенести график в нужном направлении). Для того чтобы после увеличенного просмотра графика, увидеть полностью импульс, нужно нажать кнопку «Автомасштаб», расположенную на панели инструментов

Результаты измерений. Анализ.


Подключим прибор к стенду, искусственно создающему перепады напряжения, соединим с компьютером и запустим программу на компьютер для снятия показаний. Активируем мониторинг напряжения, нажав кнопку «Начать прием».

Рис.12. График перенапряжения
 

На не большой промежуток времени включим переключатель на повышенное напряжение. Пронаблюдаем график:

Как видно из графика, напряжение возросло до 350В. Эта ситуация не редкость для электросетей. Скачок напряжения, показанный на графике, длится около 200мс, этого достаточно для вывода из строя бытовых приборов подключенных в сеть, т. к. предохранители не успеют среагировать. Также возникает опасность возникновения пожара.


Теперь кратковременно включим переключатель на пониженное напряжение. Пронаблюдаем график:

Рис.13. График низкого напряжения
 
 

Как видно из этого графика, напряжение упало до 150В. Длительность перепада напряжения около 150мс. Кратковременный спад напряжения серьезной опасности не представляет. Длительный же спад напряжение понижает срок службы электроприборов. Также может пострадать блок управления у некоторых чувствительных к перепадам напряжения потребителей.

Подключим прибор к электрической сети, и пронаблюдаем характер напряжения:

 

Заключение.

В своей работе я показал типичные проблемы, возникающие в электросетях. Более подробно изучил перепады напряжения в сети, пронаблюдал формы графиков перепадов напряжений, разработал аппаратно-программный комплекс исследования напряжений. Для этого освоил микропроцессорную технологию. Разработанный мной прибор можно использовать, как для исследования перепадов напряжения в лабораторных условиях, так и для контроля качества напряжения в электросети.

Литература

1.  Пей Ан. Сопряжение ПК с внешними устройствами. – М.: «ДМК Пресс», 2003г.

2.  В. Кулаков. Программирование на аппаратном уровне. Специальный справочник. – СПб.: «Питер», 2001г.

3.  . Микроконтроллеры AVR семейства Classic фирмы «ATMEL» – М.: «Додэка XXI», 2002г

4.  В. Гофман, А Хомоненко. Delphi 6. – СПб.: «БХВ-Петербург», 2001г.