以太网传输功能的三相低压电参数测量系统的硬件设计

摘要随着工业的迅猛发展，能量的使用已经成为大家共同关注的问题。三相电是各大行业都在使用的主要能源。如何高效的利用三相电，就必须对三相电的各个参数（电压、相序、频率等）进行测量、实时监控。于此，本设计采用宏晶科技的自带10位AD转换器的STC90C58AD单片机作为微控制器件作为主控芯片，以SILICON公司的CP2200作为网络接口芯片。原来的控制设备通过串口和单片机STC90C58AD连接，单片机STC90C58AD把从串口接收到的数据，通过以太网驱动芯片CP2200和以太网接口RJ45，传输到以太网。通过以太网将数据传送到计算机做到实时显示，同时在系统上通过四位一体数码管显示。相对于传统的三相电参数测量仪，它具有精度高、可靠性强、功能强大及智能化等诸多优点。本测量仪表可以实时、准确测量三相电的电压值、相序和频率等各项三相电参数。测量参数值可以通过按键控制切换实时显示在数码管上。此外，该测量系统还可以将测得的数据经过以太网传输大PC机上。本设计完成了高压三相电参数在STC90C58AD单片机系统的控制下，完成了数据的采集、控制、传输。最后经验证本文设计的具有以太网传输功能的三相低压电参数的测量系统的设计方案是合理可行的。关键字三相电，测量系统，单片机，以太网，A/D转换ABSTRACTWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFINDUSTRY,THEUSEOFENERGYHASBECOMEACOMMONCONCERNTHREEPHASEPOWERISAMAJORINDUSTRYINMAJORENERGYUSETHREEPHASEELECTRICHOWTOEFFICIENTUTILIZATION,WEMUSTALLPARAMETERSOFTHREEPHASEELECTRICALVOLTAGE,PHASESEQUENCE,FREQUENCYETCMEASUREMENT,REALTIMEMONITORING,REALIZETHEAUTOMATIONOFELECTRICPOWERSYSTEMSISANIMPORTANTPROBLEMBASEDONTHIS,THISDESIGNUSESTHEMACROCRYSTALTECHNOLOGY,WITH10BITADCONVERTERSTC90C58ADMCUASTHEMAINCONTROLCHIP,WITHSILICONLABORATORIESCP2200ASTHENETWORKINTERFACECHIPTHEORIGINALCONTROLEQUIPMENTCONNECTEDTHROUGHTHESERIALPORTANDSTC90C58ADMCU,MCUSTC90C58ADFROMTHESERIALPORTTORECEIVETHEDATA,VIAETHERNETCHIPCP2200ANDETHERNETINTERFACERJ45,TRANSMISSIONTOETHERNETTHEDATAWILLBESENTTOTHECOMPUTERTHROUGHTHEETHERNETREALTIMEDISPLAY,ATTHESAMETIMEINTHESYSTEMTHROUGHONEOFFOURDIGITALTUBEDISPLAYCOMPAREDWITHTRADITIONALTHREEPHASEELECTRICALPARAMETERMEASURINGINSTRUMENT,ITHASTHEADVANTAGESOFHIGHPRECISION,STRONGRELIABILITY,POWERFULANDINTELLIGENTTHEMEASURINGINSTRUMENTCANBETHREEPHASEELECTRICALPARAMETERSREALTIME,ACCURATEMEASUREMENTOFVOLTAGE,PHASEANDFREQUENCYOFTHEPARAMETERSMEASUREDVALUESCANBECONTROLLEDBYBUTTONSWITCHINTHEDIGITALTUBEDISPLAYREALTIMEINADDITION,THEMEASUREMENTSYSTEMCANALSOBEMEASUREDDATATHROUGHETHERNETTRANSMISSIONPCMACHINECOMPLETEDTHEDESIGNOFHIGHVOLTAGETHREEPHASEELECTRICALPARAMETERSINTHESTC90C58ADCONTROLSYSTEM,COMPLETEDTHEDATAACQUISITION,CONTROL,TRANSMISSIONFINALLY,THEDESIGNOFMEASUREMENTSYSTEMISDESIGNEDINTHISPAPERHASVERIFIEDTHEETHERNETTRANSMISSIONFUNCTIONOFTHREEPHASELOWVOLTAGEELECTRICALPARAMETERISREASONABLEANDFEASIBLEKEYWORDTHREEPHASEPOWER,MEASUREMENTSYSTEM,MCU,ETHERNET,CP2200目录第1章绪言511选题背景512交流电量采集的现在和发展513本设计的任务614论文章节安排6第2章硬件设计理论分析821三相电的基本知识822二极管嵌位电路923过零检测电路14第3章硬件设计1631系统原理16311电压的测量16312相序的测量17313频率的测量1732系统的设计方案17321系统的硬件设计17322器件的选择1833系统硬件的详细设计22331信号提取的设计22332过零检测电路的设计23333基于CP2200的嵌入式以太网模块设计24334基于STC90C58AD单片机的按键电路25335嵌位电路的设计26第4章硬件仿真2741信号提取电路的仿真2742过零检测电路的仿真28421正负半轴都有信号的过零检测电路28422正半轴信号的过零检测电路29第5章软件设计30531LED数码管的显示32432按键流程图33533CP2200流程图34534主程序流程图37第6章结论和展望38参考文献39致谢41附录42第1章绪言本章主要对三相电参数测量系统的选题背景以及交流电量采集的现状和发展等进行介绍。同时对本设计的任务及论文章节安排着了简单的介绍。11选题背景现代社会电能是一种使用最为广泛的能源，其应用程度是一个国家发展水平的主要标志之一。随着科学技术和国民经济的发展，对电的需求量日益增加，同时对电网运行的稳定性要求也越来越高，对电网的实时监控就显得非常重要。随着我国电力行业的迅猛发展，电网供电品质越来越受到电力部门以及用户的关注。在电力监控系统中，为了维护电网运行的稳定和安全，保证用户用电的可靠性，需要电网中各种电参量维持稳定值不变。这就需要实时的采集各种电参量，用来监控以保证电网的稳定。12交流电量采集的现在和发展在微型机应用初期，电力系统的参数普遍采用直流采样技术。直流采样，即通过变送器采样经过整流后的直流量，此方法软件设计简单，计算简便，对采样值只需作一次比例变换即可得到被测量的数值。但直流采样方法存在一些问题比如测量精度直接受整流电路的精度和稳定性的影响整流电路调整困难，而且受波形因素的影响较大等。此方法计算容易，计算量小，准确度较高取决于变送器的精度。但因变送器多，造价较高，占用体积也较大，也无法实现实时信号采集。随着技术的发展，现阶段用于电量测量仪表中的越来越多的采用交流采样算法。交流采样技术是将被测电流、电压直接送入数据采集装置，在装置中经弱电用精密电流、电压互感器SA/OOSA,100V/SV变成小电压或小电流在标准电阻上的压降，通过A/D转换和CPU计算得到电流、电压的有效值、有功功率、无功功率、有功电度和无功电度等值。此方法可省去各种变送器和电度表，造价较低，准确度也很好，具有较好的实时性。交流采样技术将以往用硬件来实现的电参量计算用软件来实现。采用交流采样技术的好处有。1、可以减少变送器等硬件设备的投入，省去了直流采样必须的交直流转换硬件单元，提高了计算速度。2、可以充分的利用一些计算机算法本身具有的滤波功能，省略实际的滤波电路，而且计算机算法本身又具有计算精度高的优点。基于交流采样技术的优点以及微机技术的发展，电力监控系统越来越多的采用交流采样技术进行电参量的测量。电力系统交流电量采集是指把电力系统的交流电压及电流等经过变换、滤波、S/H及A/D转换后得到对应该交流电量的离散化数据序列，并存放到存储器中的过程。交流电量的同步采集是指在电力系统的不同采样点同时开始采样，使不同采样点的采样结果在时间上具有同步性。电力系统随着自身的发展变得越来越复杂，电力系统的各种监测与保护装置都要用到交流电量采集这个环节，并且在诸多场合都要求交流电量的同步采集，这对电力系统继电保护、故障判断和系统稳定的分析与控制等都具有重要意义1。13本设计的任务1、设计出能够测量三相低压电电压、频率、相序参数的电路；2、电压范围100500V。频率范围075HZ；3、该电路带有以太网接口用于测量数据的传输。4、带有相应的显示电路。14论文章节安排本论文分为六部分。第一章绪言，分为三部分，第一部分主要介绍选题背景；第二部分对交流电数据的采集发展进行说明；第三部分对该论文的安排做整体介绍。第二章系统硬件设计分为三部分。第一部分对三相电进行介绍，第二部分介绍二极管的嵌位电路，第三部分对过零检测电路进行简单的介绍。第三章是次论文的主要部分，也分为三大部分讲述了关于本系统的详细设计。第一部分介绍了三相电电压，频率和相序的测量理论。第二部分介绍系统硬件的设计方案和器件的选取。第三部分对硬件电路的设计进行详细说明。分小模块进行讲述，细分电路，并对CP200的以太网设计进行分析。第四章是模块电路的仿真，验证电路的正确性，以便本设计能够顺利的实现。第五章简单地介绍软件部分的设计，由于具体的设计是由我的搭档戚伟同学完成，在他的论文中有详细的论述，所以在此只着简单的说明。主要考虑的是设计流程图。第六章从总结与展望两部分进行描写。第一部分对本系统设计的总结，第二部分对本系统设计的展望。第2章硬件设计理论分析本章主要介绍该系统在设计过程中所用到的知识理论，电路结构，电路分析，电路选择等方面的知识。21三相电的基本知识三相交流电是电能的一种输送形式，简称为三相电。三相交流电源，是由三个频率相同、振幅相等、相位依次互差120的交流电势组成的电源。三相交流电的用途很多，工业中大部分的交流用电设备，例如电动机，都采用三相交流电，也就是经常提到的三相四线制。而在日常生活中，多使用单相电源，也称为照明电。当采用照明电供电时，使用三相电其中一相对用电设备供电，例如家用电器，而另外一根线是三相四线之中的第四根线，也就是其中的零线，该零线从三相电的中性点引出2。三相电源是三个频率相同、振幅相同、相位依次相差120的正弦电源。对称三相电源的相序三相电源各相经过同一值（比如最大值）的先后顺序，正序（或称顺序）ABCA负序（或称逆序）ACBA线电压电流与相电压电流的关系名词介绍端线火线始端A,B,C三端引出线。中线中性点N引出线，连接无中线。相电压每相电源的电压，。CBA,U线电压端线与端线之间的电压，。A,线电流流过端线的电流，。,1）Y联接设（式21）OCNBOA120U则有（式22）OOONACABOO15030129U结论对Y联接的对称三相电源，相电压对称，则线电压也对称；线电压相位领先对应相电压30O；线电压大小等于相电压的倍，即。所谓的3PL3“对应”对应相电压用线电压的第一个下标字母标出。（式23）CNABU2）联接设（式24）OCBO120U（式25）OCABO120U线电压等于对应的相电压。22二极管嵌位电路1功能将输入讯号的位准予以上移或下移，并不改变输入讯号的波形。2基本元件二极管D、电容器C及电阻器R（直流电池VR）。3类别负钳位器与正钳位器。4注意事项D均假设为理想，RC的时间常数也足够大，不致使输出波形失真。任何交流讯号都可以产生钳位作用3。负钳位器（1）简单型图21简单型负嵌位电路工作原理VI正半周时,DON，C充电至V值,VO0V。VI负半周时，DOFF，VO2V。（2）加偏压型图22加偏压型负嵌位电路工作原理VI正半周时，二极管DON，C被充电至V值（左正、右负），VOV1A图或V1B图。VI负半周时，二极管DOFF，RC时间常数足够大，VOVCVI（负半周）2V。几种二极管负钳位器电路比较图23几种二极管负钳位器电路比较正钳位器1简单型图24简单型正嵌位电路工作原理VI负半周时，DON，C充电至V值（左负、右正），VO0V。VI正半周时，DOFF，VOVCVI（正半周）2V。2加偏压型图25加偏压简单型正嵌位电路判断输出波形的简易方法1、由参考电压V1决定输出波形于坐标轴上的参考点。2、由二极管D的方向决定原来的波形往何方向移动，若二极管的方向为，则波形必须向上移动；若二极管的方向为，则波形必须往下移动。3、决定参考点与方向后，再以参考点为基准，将原来的波形画于输出坐标轴上，即为我们所求。几种二极管正钳位器电路比较图26几种二极管正嵌位电路的比较由以上的分析可得，该电路较为复杂，对于该系统而言，涉及到的三相低压信号约为0到5V，为了防止电压信号超过此范围，影响到A/D转换和单片机的工作，于是我们可以采用更为简单的电路如图27所示。图27钳位器电路这个电路把输出限制在0到VCC范围内，当VCC取5V是刚好满足该系统的要求。23过零检测电路为了能够测量三相电的相序，在此考虑用到过零检测电路，其功能是将三相电其中的一相设为A相，经过过零检测电路处理，得到一个脉冲信号，再将这个脉冲信号送给单片机的中断。当其他两相电压依次为零时分别为B相、C相（按照顺序方式）。于是解决了相序的测量问题。同时，也可也根据单片机中断口收到两个零电平的时间差来确定三相电的频率45。具体怎样将三相电变成脉冲信号，首先来了解光耦TLP521器件。TLP521是可控制的光电藕合器件，光电耦合器广泛作用在电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器，影印机，自动售票，家用电器，如风扇，加热器等电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，减化电路设计。东芝TLP5211，2和4组成的砷化镓红外发光二极管耦合到光三极管。该TLP5212提供了两个孤立的光耦8引脚塑料封装，而TLP5214提供了4个孤立的光耦中16引脚塑料DIP封装，集电极发射极电压55V（最小值），经常转移的比例50（最小），隔离电压2500VRMS（最小）。其内部结构图如图28所示。图28TLP5211的内部结构图TLP521的原边相当于一个发光二极管，原边电流IF越大，光强越强，副边三极管的电流IC越大。副边三极管电流IC与原边二极管电流IF的比值称为光耦的电流放大系数，该系数随温度变化而变化，且受温度影响较大。作反馈用的光耦正是利用“原边电流变化将导致副边电流变化”来实现反馈，因此在环境温度变化剧烈的场合，由于放大系数的温漂比较大，应尽量不通过光耦实现反馈。此外，使用这类光耦必须注意设计外围参数，使其工作在比较宽的线性带内，否则电路对运行参数的敏感度太强，不利于电路的稳定工作。过零检测电路的最终目标是实现当交流电压通过零点时取出其脉冲。其工作过程为当通过正半周较高电压时，光电管D1，T1导通VO为低电平，当正半周电压反向接近零点时D1达不到导通电压的值而截止，从而使T1截止VO为高电平同样当通过负半周较高电压时，光电管D2，T2导通VO为低电平，当负半周电压正向接近零点时D2达不到导通电压的值而截止，从而使T2截止VO为高电平。通过这个正负交越零点时的正脉冲信号向单片机STC90C58AD发出外部中断INT0，单片机根据该信号，经过一定的延时后控制可控硅导通。其电路如图29所示。图29TLP5211的过零检测电路第3章硬件设计31系统原理处理模块A/D转换MCU（单片机）显示以太网按键三相电模拟信号数字信号实时显示待测信号是否校正NY图31硬件流程图311电压的测量首先从单片机P1口获得经A/D转换后的电压采样值的数字信号，如果取完整的10位结果6，则按下面公式21计算10BITA/DCONVERSIONRESULTADC_DATA70,ADC_LOW2101024（VIN/VCC）（式21）式中，VIN为模拟输入通道输入电压，VCC为单片机实际工作电压，用单片机工作电压作为模拟参考电压。312相序的测量第二章第一节已提过，相序分为正序和逆序，正序三把三相电的三相依次定义为ABCA，逆序把三相电定义为CBAC。这里使用的是正序这个定义。首先选定三相电三相其中的一相为A，经过零检测电路处理，得到一个脉冲信号。将此信号送给单片机的中断I/O口，与其他两相相比，其电压依次为零的相分别为B相和C相。313频率的测量在相序的测量中，单片机的中断口接收到的是已经设定的A相的脉冲信号，单片机自动进入中断，用单片机的定时器和外部中断资源，将定时器设置为一秒定时，信号接到INT0，设置为下降沿触发。在一秒内计算外部中断的次数即为所要测量的频率。32系统的设计方案321系统的硬件设计随着电力系统的快速发展，电网容量不断增大，结构日趋复杂，电力系统中实时监控、调度的自动化就显得十分重要，电量的数据采集是实现自动化的重要环节，尤其是如何准确、快速的采集系统中各元件的模拟量（电压、相序、频率等），是电力系统自动化的一个重要因素。对单片机系统设计者来说很重要3。三相电参数测量系统是一种专门为计算机而设计的一个测量系统模块。它可兼容汇编语言和C语言编写，所以具有良好的软件和硬件平台。其硬件结构图如图32所示。单片机AD转换信号提取过零检测以太网传输数码管显示按键图32硬件结构电压处理模块将相电压为220V的电压处理为0到5V的交流信号一遍进行A/D转换。A/D转换模块将0到5V的交流信号转换为数据信号，这里的AD转换器是单片机自带的10位的AD转换器，已经集成到单片机内部。过零检测电路模块是选定三相电三相中的一相作为A相，经过过零检测处理电路送入到单片机中断口，此后电压依次为0的相分别为B相和C相45。两个零之间的时间刚好为三相电的周期（也就是频率）。数码管模块对三相电的参数进行显示。以太网模块对三相电参数进行传输。MCU模块对三相电参数进行控制。322器件的选择由于该系统对数据处理速度的要求不是很高，单片机足够用，所以该系统采用的是价格较低的单片机为平台，同时由于以太网控制芯片占用单片机的I/O口过多，为了节省I/O口，这里采用宏晶公司推出的自带AD转换的单片机STC90C58AD78。STC90C58AD系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。内部集成MAX810专用复位电路，当时钟频率在6MHZ时，该复位电路时可靠的；当时钟频率在12MHZ时，勉强可用。在要求不高的情况下，可在复位脚外接电阻电容复位。8路10位高速A/D转换器可达25万次/秒。1、增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可任意选择，指令代码完全兼容传统8051；2、工作电压55V33V5V单片机/36V20V3V单片机；3、工作频率范围040MHZ，相当于普通8051的080MHZ，实际工作频率可达48MHZ；4、用户应用程序空间4K/8K/16K/32K/40K/48K/56K/61K字节；5、片上集成2564096字节RAM；6、通用I/O口35/39个，复位后为P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉普通8051传统I/O口；P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻；7、ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RXD/P30,TXD/P31）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；8、有EEPROM功能。EEPROM（电可擦写可编程只读存储器）是用户可更改的只读存储器（ROM），其可通过高于普通电压的作用来擦除和重编程（重写）。不像EPROM芯片，EEPROM不需从计算机中取出即可修改。在一个EEPROM中，当计算机在使用的时候可频繁地反复编程，因此EEPROM的寿命是一个很重要的设计考虑参数。EEPROM是一种特殊形式的闪存，其应用通常是个人电脑中的电压来擦写和重编程；9、看门狗。在由单片机构成的微型计算机系统中，由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰，造成程序的跑飞，而陷入死循环，程序的正常运行被打断，由单片机控制的系统无法继续工作，会造成整个系统的陷入停滞状态，发生不可预料的后果，所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑，便产生了一种专门用于监测单片机程序运行状态的芯片，俗称“看门狗“WATCHDOG；10、内部集成MAX810专用复位电路，当时钟频率在6MHZ时该内部简单的MAX810专用复位电路时可靠的；当时钟频率在12MHZ时勉强可用。在要求不高的情况下，可在复位脚外接电阻电容复位；11、共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用；12、外部中断4路,下降沿中断或低电平触发中断，POWERDOWN模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；13、8路10位A/D转换。相比一般的8路8位A/D转换器来说，8路10位A/D转换器具有更高的精度，对数据的采集更精确；14、通用异步串行口UART，还可用定时器软件实现多个UART；15、工作温度范围4085工业级/075商业级；16、封装LQFP44，PDIP40，PLCC44，PQFP44。由于该系统采用的是价格较低的单片机为平台，所以被测量的三相电必须经过转换为低于5V的电压信号，同时相序和频率不能改变，这里可以有两个方案，第一，采用电压互感器/电流互感器，第二，采用电阻分压。第二个方案考虑的是信号的提取，所以可行，但用到的电阻的功率要高，至少在3W以上。该设计采用的是第二个方案。0到5V的三相低压电信号是经过分压处理得来，考虑到稳定性问题，所以，在信号进入A/D转换前得用到前卫电路910。以保护单片机。在系统原理部分已经说明了，在参数的计算时，要用过零检测电路，首先得将电压三相电转换为脉冲信号，即当三相低压电电压非零时，脉冲信号持续高电平，当三相低压电为零时，脉冲信号为零。这里采用了光耦TLP5211。TLP521是可控制的光电藕合器件，光电耦合器广泛作用在电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器，影印机，自动售票，家用电器，如风扇，加热器等电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，减化电路设计。东芝TLP5211，2和4组成的砷化镓红外发光二极管耦合到光三极管。该TLP5212提供了两个孤立的光耦8引脚塑料封装，而TLP5214提供了4个孤立的光耦中16引脚塑料DIP封装，集电极发射极电压55V（最小值），经常转移的比例50（最小），隔离电压2500VRMS（最小）。该系统带有显示电路，由于数据不是很复杂，并且显示的位数较少，考虑成本，这里用的是四位一体数码管，用译码器74HC573驱动。以太网部分是该系统的特色部分，但是这部分的软件实现比较难，协议栈的问题是一个工作量很大的任务，同时，数据的传输速率与该部分有很大的关系，综合考虑，该系统采用SILICON公司的以太网控制芯片CP2200，HANRUN公司的HR911105A为网络变压器。SILICONLABORATORIES公司生产的CP2200以太网控制器目前是业界里体积最小的单芯片以太网控制器。它包括一个集成了IEEE8023ETHERNET的媒体访问控制器MAC，10BASET物理层收发器包括接收器、发送器、自适应、回环、极性纠正、JABBER、智能抑制噪声和连接完整性功能，支持自动协商模式和双工模式。8KB非易失性FLASH存储器，片内FLASH存储器可用于存储用户数据、WEB服务器内容或作为通用非易失性存储器，FLASH的最后6个存储单元已在出厂前被写入了唯一的48位MAC地址，消除了大多数嵌入式系统的生产过程中必不可少的数列化步奏。8位并行主机接口支持INTEL和MOTOROLA总线方式，可以使用复用或非复用方式寻址。有方式选择引脚,用于总线接口方式，在非复用方式下，,数据传输速率可以达到30MBPS。具有14个中断源,CP2200可以向主机申请中断处理，主机可以在响应中断处理后，通过读INT0INT1的中断状态寄存器来清除中断。具有2KB的发送缓冲区和4KB的接收缓冲区。CP2200的基本结构如图33所示。HOSTINTERFACE8KBFLASH2KBTXBUFFER4KBRXFIFOETHERNETMACCLOCKLEDCONTROLETHERNETPHYRX/RXTX/TX20MHZXTAL并行接口RJ45接口LED控制CP2200图33CP2200的基本结构33系统硬件的详细设计本节主要介绍了系统硬件的功能、系统硬件的总体设计、硬件的详细设计，其中系统硬件的详细设计包括系统的各个模块的设计理论、计算过程、单片机的概述、器件选择的原因等。本系统硬件的核心是单片机和以太网传输的设计与实现，本系统的硬件设计可分三步进行。第一步对系统的实现平台的选择，是应用单片机，ARM还是FPGA等；第二步是以太网传输方案的确定，是选用串行通信还是选用I/O口传输；第三步是对外设电路的设计，比如电压处理电路（信号提取电路），单片机最小系统电路，显示电路，过零检测电路，前卫电路等。其中第一步是该系统的关键，第一步要考虑到数据的处理速度，精确度，成本等问题。而要实现三相电参数测量的功能，要对三相电的相关知识有一定的了解。三相电的电压有两种说法，一是线电压，即三相电的每两条线之间的电压，另一种是相电压，即三相电一条线与零相N之间的电压1213。三相电的相位是每相相差120，依次为A、B、C相。三相电的频率是固定的，即为50HZ。331信号提取的设计由于考虑到从三相电中提取信号供给单片机，所以可也采用电阻分压的法案来处理，如果要考虑隔离传输等问题，就必须的使用电压互感器或者电流互感器来处理，本系统采用的是电阻分压的方法。其电路如图34所示。图34信号提取电路由分压公式有212式（33）22122220475UOMIN0V用此方案依次将A,B和C相进行处理，得到0到5V的三相低压电信号，供给单片机控制处理。332过零检测电路的设计过零检测电路的最终目标是实现当交流电压通过零点时取出其脉冲。其工作过程为当通过正半周较高电压时，光电管D1，T1导通VO为低电平，当正半周电压反向接近零点时D1达不到导通电压的值而截止，从而使T1截止VO为高电平同样当通过负半周较高电压时，光电管D2，T2导通VO为低电平，当负半周电压正向接近零点时D2达不到导通电压的值而截止，从而使T2截止VO为高电平。通过这个正负交越零点时的正脉冲信号向单片机STC90C58AD发出外部中断INT0，单片机根据该信号，经过一定的延时后控制可控硅导通11。其电路如图35所示。图35正负半轴过零检测电路但是由于该系统的考虑的三相四线制三相电，参考零点位选地线，所以电压的范围为0到5V，没有负半轴，于是只采用一个TLP5211即可。其电路如图36所示。图36过零检测电路333基于CP2200的嵌入式以太网模块设计近年来，计算机技术,通信技术的飞速发展，使得我们在考虑通过计算机进行网络互联的同时，也要考虑许多领域的嵌入式设备如智能仪表、工业控制、数据采集、数控机床、安防监控等也要接入网络的需求。伴随着信息家电的出现,嵌入式设备的网络化必将拥有更加广阔的发展前景。本文以SILICON公司的CP2200以太网控制器为基础,着重介绍了嵌入式系统网络接口的软硬件设计。当前，嵌入式设计人员在为嵌入式设备提供以太网接入时，使用的以太网控制器RTL8019,CS8900A等都是专为个人计算机系统设计的，这些器件不仅接口电路复杂，体积较大，而且比较昂贵。CP2200是SILICONLABORATORIES公司推出的一款48引脚的以太网控制器，它符合IEEE8023协议，支持10M以太网接入，而且外围接口电路简单，成本较低，能够满足嵌入式设备接入以太网的要求。其硬件设计电路如图37所示12图37基于CP2200的嵌入式以太网设计334基于STC90C58AD单片机的按键电路由于STC90C58AD单片机自带A/D转换，并且为了节省单片机的I/O口13，所以其按键电路可以做如图38设计。图38按键电路由于VCC是5V的直流电压，所以当按键K1、K2、K3、K4分别按下时，其电压值分别为1V、2V、3V、4V。将这四个值送入单片机的AD口进行A/D转换，单片机收到不同的电压值做不同的操作，如“加”一个数、“减”一个数、“确认”、“撤消”等操作，完成该测量系统的校正工作。335嵌位电路的设计上章节基础知识部分讲述的嵌位电路，但是由于电路较复杂，成本较高，在此设计出一种更为简单的嵌位电路1415。将输入信号的位准予以上移或下移，并不改变输入讯号的波形。这就用到嵌位电路，其电路图如图39所示。图39嵌位电路当输入IN大于VCC（5V时），二极管D2导通，D1截止，OUT为二极管的开启电压；当输入IN小于0V时，二极管D1导通，D2截止，OUT为二极管的开启电压。保证电压在0到5V的范围内。第4章硬件仿真41信号提取电路的仿真理论电路如图41所示图41信号提取电路通过MULTISIM10仿真，其仿真结果为图42信号提取电路的仿真结果42过零检测电路的仿真421正负半轴都有信号的过零检测电路1、理论电路图43正负半轴过零检测电路2、其仿真结果为图44正负半轴过零检测电路422正半轴信号的过零检测电路理论电路图45正半轴过零检测电路仿真结果为图46正半轴过零检测电路输出波形图第5章软件设计51软件环境由于该系统是以单片机为硬件平台，单片机的开发环境主要有KEIL、IAR、ICC等，它们都能够实现单片机程序开发。而KEIL软件是目前最流行开发MCS51系列单片机的软件。KEIL提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（UVISION）将这些部份组合在一起。掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的爱好者来说是十分必要的，如果你使用C语言编程，那么KEIL几乎就是不二之选即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍16。KEILC51是美国KEILSOFTWARE公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。KEILC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全WINDOWS界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KEILC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。因此本系统使用KEIL作为系统软件编译及调试的工具11。52单片机的初始化单片机初始化流程图，如图51所示。单片机初始化子程序开始看门狗定时器初始化器件时钟初始化器件I/O端口初始化单片机初始化子程序结束图51单片机初始化流程图看门狗定时器的初始化通过对特殊寄存器PCA0MD的WDTE位将看门狗定时器使能，如果该位被置“1”，PCA模块4被用作看门狗定时器，若为0看门狗定时器被禁止。本设计需要初始化看门狗定时器而该对应位的复位值为1因此无需做修改。器件时钟的初始化通过将特殊寄存器OSCICN的IFCN1和IFCN0位都置1设置内部晶振为最高频率；通过将特殊寄存器CLKMUL的MULEN位置1使能时钟乘法器，然后延时等待时钟乘法器准备好。通过设置特殊寄存器CLKSEL选择时钟为内部乘法器时钟。器件I/O端口初始化用端口输入方式寄存器（P0MDIN）选择所有端口引脚的输入方式为数字输入，而P0MDIN的默认方式为数字输入因此无需修改；用端口输出方式寄存器（P0MDOUT）选择SCK,MOSI和NSS管脚为推挽输出，因此需将P0MDOUT的第0、2、3位分别置1；用端口跳过寄存器（P0SKIP）选择应被交叉开关跳过的那些引脚，本设计没有被交叉开关跳过的引脚，因此不需修改；通过将特殊寄存器XBR0的SPI0E位置1将SPI连接到端口；使能交叉开关通过将特殊寄存器XBR1的XBARE位置1将交叉开关使能。53程序流程图本小节主要介绍各个子程序的流程图。531LED数码管的显示在单片机应用系统中，驱动LED数码管有很多方法，按显示方式分，显示器显示有静态显示和动态（扫描）显示，按译码方式可分硬件译码和软件译码之分。静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将所要显示的数据送出后就不再管，直到下一次显示数据需要更新时再传送一次新数据，显示数据稳定，占用很少的CPU时间。动态显示需要CPU时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用的CPU时间多。这两种显示方式各有利弊；静态显示虽然数据稳定，占用很少的CPU时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，使用的硬件较多；动态显示虽然有闪烁感，占用的CPU时间多，但使用的硬件少，能节省线路板空间1718。硬件译码就是显示的段码完全由硬件完成，CPU只要送出标准的BCD码即可，硬件接线有一定标准。软件译码是用软件来完成硬件的功能，硬件简单，接线灵活，显示段码完全由软件来处理，是目前常用的显示驱动方式。本次设计中采用的是动态显示和软件译码。将4只LED的段位都连在一起，即四位一体数码管，它们的公共端则由74HC573分时选通，这样任何一个时刻，都只有一位LED在点亮，也即动态扫描显示方式，使用串行口进行LED通信，程序编写相当简单，用户只需将需显示的数据直接送串口发送缓冲器，等待串行中断即可。本系统中，LED数码管的数据处理流程图以及数据显示顺序如下图52和图53所示。开始初始化百位处理十位处理个位处理结束开始频率电压相序结束图52数据处理流程图图53数据显示顺序432按键流程图如图54所示为按键扫描流程图开始是否进入按键（确定）选择哪一个键取消结束图54按键扫描流程图533CP2200流程图以太网接口模块主要实现CP2200的驱动函数，主要包括初始化函数、帧发送函数和帧接收函数19。1）CP2200的初始化模块CP2200的初始化是进行CP2200寄存器的配置。CP2200占用STC90C58AD的外部RAM的地址，外部存储器接口（EMIF）被设置在高端口（端口47），EMIFLE（XBR21）位被设置为0。然后依次进行下面的设置配置端口引脚的输出方式为推挽方式；配置对应EMIF引脚的端口锁存器为休眠态，设置为逻辑1；选择地址线和数据线的非复用方式；选择存储器模式为不带块选择的分片方式设置与片外存储器或外设接口的时序。初始化时按以下步骤进行等待复位引脚电平升高；MCU通过中断请求信号得到振荡器是否完成初始化；MCU查询INT0来确定CP2200自身的初始化是否完成；禁止那些主处理器不监视或不处理的事件的中断；初始化物理层；用IOPWR寄存器使能所需要的活动（ACK）、连接（LINK）LED；初始化媒体访问控制器（MAC）；配置接收过滤器。2）以太网数据的发送接收模块STC90C58AD的外部中断0和定时器0用于TCP/IP协议栈。由于STC90C58AD的处理速度、内部集成的资源有限，而TCP/IP协议种类繁多，不可能集成所有的TEP/IP协议，所以，使用裁剪后的TCP/IP协议。结合项目的实际需要，本设计中裁剪后的协议栈包括IP协议、ARP协议、ICMP协议、TCP协议。由于TCP协议是基于连接的协议，在正式收发数据前，必须和对方经过3次对话，建立可靠的连接，而且当数据从A端传到B端后，B端会发送一个确认包给A端，所以，TCP协议适用于对可靠性要求较高的数据通信系统。而UDP协议是面向非连接的协议，不与对方建立连接，直接就把数据包发送过去，当数据从A端传到B端后，B端不会发送一个确认包给A端，此协议适用于对可靠性要求不高的通信系统。由于该系统应用于在线数字识别系统，可靠性要求高，所以，该系统采用了TCP协议。CP2200的主流程图如图所示。开始初始化网卡网络上有数据是ARP包ARP处理（请求/应答）是IP包是ICMP包是UDP包UDP处理丢掉该包结束PING请求处理PING应答处理NYNYYNYNYN图55CP2200主程序流程图开始TXBUSY置TXSTARTH/TXSTARTL为0X000前一个数据包发送失败用自带写接口装载数据到发送缓冲区用随机访问模式装载数据到发送缓冲区置TXSTARTH/TXSTARTL为0X000TXGO写1开始发送结束YNYNN图56CP2200软件发送流程图开始接收缓冲区满接收缓冲区清0RXCF置0准备接收数据接收正常丢掉该包通过制动读接口读取整个数据包当前数据包有效位清0准备接收新的数据包结束NNYY图57CP2200软件接收流程图534主程序流程图开始初始化A/D转换LED数码管显示并传至以太网口判断是否有按键操作LED数码管显示并传至以太网口校准YN图58系统主程序流程图第6章结论和展望61结论本设计实现了具有以太网传输功能的三相电测量，使得三相电测量更加快捷和有效的监控。比其他测量系统的功能更多，更完善。本系统设计用于测量三相电的电压有、频率和相序参数。用STC90C58AD单片机芯片作为主要的控制芯片，CP2200芯片以太网控制器，用数码管显示器作为显示单元来显示各项实测参数。适用于三相四线制三相电，能够充分满足三相电远程控制的功能。相对于传统的三相电参数测量仪，它具有精度高、可靠性强、功能强大及智能化等诸多优点。本测量仪表可以实时、准确测量电压值、相序和频率等各项三相电参数。测量参数值可以通过按键控制切换实时显示在数码管上。此外，该测量系统还可以将测得的数据经过以太网传输大PC机上。62展望由于时间及经验不足，技术水平有限等因素，本设计还需进一步改进和完善。本设计可进行如下的改进（1）采用处理速率更加快的控制平台，比如ARM、FPGA、DSP等。在电压处理模块可以使用电压互感器或者电流互感器来处理电压，做到隔离传输，这样安全性，有效性更高更可靠20。因此，本系统可在此方面进行改进，比如通过串口或者其他通信方式实现以太网的传输显示等功能。（2）由于STC90C58AD单片机片内含有A/D转换模块且具有P4口，有更多的I/O口可以利用，可以设计出更多功能，通过更多的按键实现对三相电参数的显示和传输效果，这样就可直接通过PC机对电能进行监控与管理。参考文献1邱关源著，罗先觉修订电路M高等教育出版社出版2010年5月2杜品圣著工业以太网的原理与应用M国防工业出版社出版2011年1月3王平工业以太网技术M科学出版社出版2007年7月4张立云，马皓，孙辨华编著计算机网络基础教程（修订本）M清华大学、北京交通大学2010年7月5胡继胜，杜贵敏电子CAD技能与实训/PROTEL99SEM电子工业出版社2006；6谭浩强C程序设计M清华大学出版社,20067李华MCS51系列单片机实用接口技术M北京。北京航空航天大学出版社20088温宗周著51单片机基础教程M科技信息20089姚永平STC90C58AD系列单片机器件手册数据手册M200910孙立香CYGNAL_C8051F与80C51单片机的区别J企业技术开发,2010,19126411刘朋PROTEL99SE自学手册实例应用篇M人民邮电出版社200912YEAGERBRENTHOWTOTROUBLESHOOTYOURELECTRONICSCALEJPOWDERANDBULKENGINEERING199513陈洁三相交流电量采集算法的研究J中国优秀博硕士学位论文全文数据库,200614吴善兵罗家融吴一纯朱应飞基于CP2200的嵌入式以太网模块设计微计算机信息嵌入式与SOCM200915王庆ROTEL99SEDXP电路设计教程修订版附光盘1张M电子工业出版社200316范蟠果，吴金友，梁贵毅基于CP2200芯片的以太网控制器的设计M中国计算机测量与控制，200917郭松林,付家才,卜树波三相工频电参数测量系统的设计J电测与仪表,200518电老虎工作室路设计与制板PROTEL99SE入门与提高J人民邮电出版社200319邓奕,马双宝,谢龙汉PROTEL99SE原理图与PCB设计J人民邮电出版社200920李学海经典80C51单片机轻松入门与上手J清华大学出版社2006致谢值此毕业设计及论文完成之际，谨对四个月来指导、关心、帮助过我王延年教授、熊伟学长和李涛学长、我的搭档戚伟同学致以深深的谢意。我的毕业设计是在王延年老师、熊伟学长和李涛学长的悉心指导下完成的，在整个毕业设计以及论文的完成过程中，他们都给予了我巨大的帮助。王老师帮助我选题、分析，帮我开拓思路。熊伟学长和李涛学长在设计过程中引导我解决了很多难题，让我在此过程学到的很多东西，并在论文的撰写过程中细心地给我指点，提出问题，同时给我介绍了许多很有价值的书籍和资料。王老师、熊伟学长和李涛学长巧妙的点拨和他们提供的宽松的学习环境使我逐步学会了独立工作。在整个毕业设计期间，王老师、熊伟学长和李涛学长科学的思维方法和严谨的工作态度将是我获得的最宝贵的精神财富。在此谨向王老师、熊伟学长和李涛学长表示衷心的感谢。历时四个月的毕业设计结束了。在毕业设计的整个过程中，我查阅了好多资料和书籍，深化了以前所学的知识，同时又学到了很多新的知识。毕业设计是大学四年所学知识的综合运用，也是理论走向实践的第一步，为我今后走上工作岗位奠定了基础。附录附录1硬件原理图以下是本设计的原理图和PCB板以及程序流