的研究也越来越多。在开关中使用微机芯片控制技术和电力电子元器件，一方面可以减少其选择开关数量，简化硬件电路，很多功能依靠程序实现。另一方面，一些先进的保护，分断技术以及设备的软启动控制技术等也要依靠微机芯片来完成，同时，采用微机技术可对开关设备故障前的状态进行记忆。
近年来计算机技术及微电子器件在各方面中应用十分广泛，在此基础上发展起来的智能仪器无论是在测量的准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度、运用功能方面或在解决测量技术问题的深度及广度方面都有了巨大的发展，在高准确度、高性能、多功能的仪器中已经很少不采用微计算机的了。这类仪器中含有微处理器、单片计算机或体积很小的微型机，它的功能丰富又很灵巧。开关作为连接和信号检测的重要元件在电力系统中使用十分广泛，对电力系统的稳定性和电能质量都有很大的影响。
智能开关正是单片机、传感器和电力电子开关的结合，在电力系统中应用智能开关技术，不仅可以提高电力系统设备的使用寿命，而且能够减少各种设备动作对电网的冲击，提高电力系统的稳定性，同时能够一定程度的节约电能。而且采用微机控制实现智能化管理，可提高电力系统的自动化水平。
由此可见，智能开关有着明显的优越性，在智能电器元件的基础上，研制和开发智能开关具有显而易见的意义，在电力系统中应用智能开关技术具有十分光明的前景。
第二章 智能开关硬件设计
2.1 智能开关硬件结构
本智能开关是以Atmega8单片机作为中央控制单元，Atmega8单片机在预先编制好的指令（即软件程序）的驱动下，控制整个硬件电路工作，完成系统各项功能。具有当地无线通讯口，能对下位机进行控制；同时也具备远程数据接口。键盘用于修改和设定定值，电压上下限、电流上限值等；LCD用于显示定值及各种运行状态。单片机获得电压、电流、相位角值后进行分析计算出功率因数、三相不平衡参数等，判断是否正常，进而控制开关的闭合与关断。智能开关的硬件结构框图如图2－1所示。
图2－1 智能开关硬件结构框图
本智能开关可用于单相（220V）和三相（380V）交流电源，适用于额定电流为18A以上的电路，因此，把该智能开关与接触器相联合起使用，使接触器在应用系统中具有带检测和保护的功能，使接触器运行更加可靠、更加稳定和节能。
2.2 5V电源设计
该系统单片机和数字温度传感器需+5V直流稳压电源，产生该电压的电路原理图如图2-2所示，先利用变压器对220V的交流电降压，然后把变压器次级输出9V的交流电压由整流桥作全波整流，经电容滤波以及稳压芯片7805即可得到所需的电压。
图2-2 电源设计原理图
2.3 交流吸合直流维持
交流接触器能够节电运行的基本原理是采用交流吸合、直流维持的运行方式。交流接触器工作时，电磁系统消耗的有功功率中，铁芯损耗和短路环损耗占绝大部分，而线圈铜损仅占3-5%，改用交流吸合、直流维持的运行方式后，铁芯损耗和短路环损耗几乎为零，只需很小维持电流，就足以使接触器稳定地处于闭合状态，从而大大节约了电能，做到无声运行，提高了可靠性。对交流接触器进行实验测试所得的数据如表2-1所示，由该表也可明显看出对交流接触器采用交流吸合直流维持具有显著的节能效果。
表2-1 交流接触器的各种动作电压
吸合 维持 电路如图2-3所示：
交流电 220V 160V 直流电 —— 90V 要实现接触器交流吸合直流维持就必须有一个电压的切换电路，该切换
图2-3电压切换电路
当单片机PA1引脚输出高电平，PA2引脚输出低电平时，常开触点KM1和常闭触点KM2都闭合，电源电压直接加到接触器绕组上，常开触点KM闭合，3秒钟后PA1引脚和PA2引脚都输出低电平，常开触点KM1断开，常闭触点KM2和常开触点KM继续闭合，电源经二极管整流继续加到接触器绕组上。此后，在交流电的正半周期时二极管VD道通，实现整流作用，接触器KM始终保持在吸合状态，从而实现了交流接触器交流启动直流运行的节电工作状态。图中电容C0可以起到滤波的作用，可避免继电器在直流电压较低时发生抖动，当PA2引脚输出高电平时，常闭触点KM2和常开触点KM断开，接触器停止工作，该电路简单实用、运行可靠，适合所有采用交流接触器的电力线路，节电效果明显，同时还能延长交流接触器的寿命。
2.4 电压、电流的采集
三相交流电压和电流的测量均采用三个DVDI-001型卧式穿芯小型精密交流电压电流通用互感器，输出交流信号，经过整流电路，再送给A/D转换器采集，最后送给单片机进行计算。
在本设计中，采用AVR单片机的片内逐次逼进模数转换器。ATmega8L有一个10位的逐次逼近型ADC。ADC与一个6通道的模拟多路复用器连接，通过分时复用的方式，能对来自端口A 的6 路单端输入电压逐个进行采样。其转换结果为：
（2-1）
式中，VIN表示被选中的引脚输入电压；
VREF为参考电压。
使用AVR的ADC需要注意：ADC的分辨范围在以GND为基准的0 V到参考电压的范围内。以使用片内的2.56 V参考电压为例，ADC的分辨范围在0 V与2.56 V之间。因此在进行模数转换前，必须要对电网交流信号加以处理。
要获得精确的测量结果，采样频率的选择很重要。如果采样频率选择得过高，即采样间隔小，则每个周期里采样点数过多，造成数据存储量过大和计算时间太长；但如果采样频率过低，会给有效值的近似计算带来误差。综合对电力参数的采集的精度及单片机的处理速度，对工频为50Hz的信号每周期等间隔采集32个采样点。
由于AVR的ADC对采集信号的要求，进行交流采集前需要对电压及电流
信号加以整形。将具有正负半波的交流信号整形为全部信号均大于“0”。
电压电流检测电路设计，电路中的电流和电压值的采集均用DVDI-001型卧式穿芯小型精密交流电压电流通用互感器，为保证精度，不能用电阻法直接获得采集电压，而是用运算放大器等来完成电流、电压信号的获取，并将其转换成0-6V的直流电压。由于直接使用单片机内部的A/D转换器，因此，必须在运放的输出口再接两个电阻，将其变为0-5V的输出，再将其分别送至单片机的A/D转换通道。
（1）DVDI-001型互感器作电压互感器使用时，实际上是一种电流型电压互感器，典型应用电路如图2-4所示。按图2-4所示电路应用是性能参数如下表2-2所示。
图2-4 电压互感器典型应用电路
表2-2 DVDI-001作电压互感器使用时性能参数表
线输入电压 输出电压 相移 非线 性度 性 范围 2倍 1000Vac 1/2倍IC电源电压 0.1% 额定 在本设计中，电压采样电路如图2-5所示：
6mA/6mA 3kV 额定电流 耐压