电力参数检测装置设计

辽宁工业大学单片机原理及接口技术课程设计（论文）题目电力参数检测装置设计院（系）电气工程学专业班级电气学号学生姓名指导教师（签字）起止时间课程设计（论文）任务及评语院（系）电气工程学院教研室电气工程教研室学号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目电力参数检测装置设计课程设计（论文）任务该检测装置实时监测380V三相电流，并实时显示电流有效值，当电流超过100A时发出声光报警。设计任务1CPU最小系统设计（包括CPU选择，晶振电路，复位电路）2电流互感器选择及模拟量接口电路设计3电源电路及声光报警电路设计4程序流程图设计及程序清单编写技术参数1电流上限值100A2工作电源220V设计要求1、分析系统功能，尽可能降低成本，选择合适的单片机、AD转换器、输出电路等；2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图；3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件设计说明，详细阐述系统的工作过程，字数应在4000字以上。进度计划第1天查阅收集资料第2天总体设计方案的确定第34天CPU最小系统设计第5天电流互感器及接口电路设计第6天电源电路以及声光报警电路设计第7天程序流程图设计第8天软件编写与调试第9天设计说明书完成第10天答辩指导教师评语及成绩平时论文质量答辩总成绩指导教师签字年月日摘要电流的检测在人们的生产和生活的过程中都是十分普遍的，特别是当电流量是模拟信号时，给人们的检测带来了许多的不变，因此如何来计量它就具有重要的现实意义。本文主要介绍了一种基于89C51单片机的电力运行参数测量装置，该装置采用单片机作为测控核心，能够自动完成电力供电线路的参数测定、运算和显示。本文详细介绍了电力参数的测量方法，并通过制图软件绘制了系统原理图完成了装置的设计和各部分功能软硬件调试，着重介绍了装置电流采样、数据采集计算、显示处理单元的功能实现过程，并总结了每个单元调试过程中发现的问题。解决了原有电力参数检测装置的功率损耗大，参数显示不精确，反应速度慢的缺点。关键词89C51；电力参数；数据采集显示；检测装置目录第1章绪论111电力参数检测概况112本文研究内容11完成功能113电力参数检测装置总体设计方案2第2章最小CPU系统321数据存储器扩展322复位电路设计423时钟电路设计524CPU最小系统图6第3章电力参数检测装置输入输出接口电路设计731电力参数检测装置传感器的选择732电力参数检测装置检测接口电路设计7321A/D转换器选择733人机对话接口电路设计8331LED显示电路8332数码管显示电路的设计934报警电路的设计1035电流有效值计算10第4章电力参数检测装置软件设计1141软件实现功能综述1142流程图设计11421模拟量检测流程图设计12第5章系统设计与分析1351系统原理图1352系统原理综述1453软件调试结果1454程序清单14第6章课程设计总结19参考文献20第1章绪论11电力参数检测概况在工业生产和日常生活中，电能的质量越来越受到重视。电网电压、电流的过高或过低，都会影响到电器设备的正常使用和使用寿命。应用于电力系统的电力参数实时监测功能，在变电站一级一般都由远动装置来实现；而在日常生活中，一般只是利用电能表进行电量的计量，其原理是通过将有功功率对时间的积分来计算有功电能。目前，我国主要使用的电能表有两种一种是感应式机械电能表另一种是随着电子工业的发展而出现的电子式电能表，它是利用电流和电压作用于固态电子器件产生电能输出量的电能计量仪表。机械式电能表由于其稳定性和精度都不高，随着电力市场改革的不断深入，我国在各级电能计量系统的建立中，大部分已将机械式电能表更新为电子式电能表。12本文研究内容1完成功能需要监测的三相电流经电流互感器变压变流给模数转换器ADC0833，把模拟量转换为数字量，再把转换完的数字量供给89C51单片机。89C51单片机对数字量分析处理把当前的电流有效值大小通过锁存器给LED显示出来。如果电流有效值大于100A，则89C51单片机通过报警系统对外发出警报。2设计任务此次所设计的电流参数检测装置严格的按照所要完成的功能、本身的实用性、器件本身的性价比，进行系统的整体方案设计。包括以下内容1CPU最小系统设计（包括CPU选择，晶振电路，复位电路）2电流互感器选择及模拟量接口电路设计3电源电路及声光报警电路设计4程序流程图设计及程序清单编写13电力参数检测装置总体设计方案数字电压表总体方案设计如图11所示图11总体方案设计图1显示模块是显示电压。2时钟电路是给单片机提供时钟信号。3复位电路的作用是使单片机的程序计数器清零。第2章最小CPU系统AT89C51是一可编程可擦除只读存储器（FPEROMFLASHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY）的低电压微处理器，俗称单片机。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。图1289C5121数据存储器扩展如前所述，单片机的芯片内集成了CPUROMRAM定时/计数器和并行I/O接口，已经具备了很强的功能，一片单片机基本上就是一台计算机。但是，单片机内部的ROMRAM的容量定时器I/O接口和中断源等资源往往有限，在实际应用中通常不够用，因此需要对单片机的资源进行扩展。需要扩展的是程序存储器和数据存储器。单片机内部虽然有一定数量的存储器，但常常不能满足实际需要，因此要求从外部进行扩展。常用的外部数据存储器有静态RAM（STATICRANDOMACCESSMEMORY）和动态RAM（DYNAMICRANDOMACCESSMEMORY）两种。前者读/写速度高，一般都是8位宽度，易于扩展，且大多数与相同容量的EPROM引脚兼容，有利于印刷板电路设计，使用方便；缺点是集成度低，成本高，功耗大。后者集成度高，成本低，功耗相对较低；缺点是需要增加一个刷新电路，附加另外的成本。本文采用ERROM6264和地址锁存器74LS373（如图13所示）图13CPU与数据存储器的硬件原理图22复位电路设计复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因此非常重要。单片机的复位都是靠外部复位电路来实现得，在时钟电路工作后，只要在单片机得RESET引脚上出现24个时钟脉冲（两个机器周期）以上的高电平，单片机就能实现复位。为了保证系统可复位，在设计复位电路时，一般使RESET引脚保持100MS以上的高电平，单片机便可以可靠地复位。当RESET从高电平变为低电平以后，单片机从0000H地址开始执行程序。在复位有效期间，ALE和PSEN引脚输出高点平。该设计采用的是按健电平复位电路，使用比较方便，在此复位电路中，干扰易串入复位端，在大多数情况下不会造成单片机的错误复位，但会引起内部某些寄存器错误复位。在RESET复位引脚上接一个去耦电容。在程序跑飞时，可以手动复位，按下按键后，使RESET端产生高电平，按键时间决定复位时间，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位。如图14A010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A1021A1123A122CE120CE226WE27OE22D011D112D213D315D416D517D618D719VCC28GND146264D718D617D514D413D38D27D14D03Q719Q616Q515Q412Q39Q26Q15Q02G11OE174LS3735V1K5VVCCVSSRESETP101P112P123P134P145P156P167P178RST9P30/RXD10P31/TXD11P32/INT012P33/INT13P34/T014P35/T115P36/WR16P37/RD17XTAL119P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE30P0732P0633P0534P0435P0336P0237P0138P0039XTAL218EA31VCC40VSS2089C51XTAL2XTAL1S单图14按键脉冲复位23时钟电路设计时钟电路用于产生单片机工作所需的时间信号。时钟信号可以有两种方式产生内部时钟方式和外部时钟方式。89C51单片机内部有一个高增益反向放大器（及与非门的一个输入端编程为常有效时），用于构成片内振荡器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器，如图25所示。外接晶振时，C1和C2值通常选择为30PF左右；外接陶瓷谐振器时，C1和C2可稳定频率并对振荡频率有微调作用，振荡频率范围是0到24MHZ。为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定可靠的工作，谐振器和电容应尽可能安装的与单片机芯片可靠。内部时钟发生器实质上是一个二分频的触发器，其输出是单片机工作所需的时钟信号。24CPU最小系统图CPU最小系统见图16A010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A1021A1123A122CE120CE226WE27OE22D011D112D213D315D416D517D618D719VCC28GND146264D718D617D514D413D38D27D14D03Q719Q616Q515Q412Q39Q26Q15Q02G11OE174LS3735V1K5VC322C422Y1CRYSTALC222C122R11KR21KS1SWPBVCCVCCVCCVSSVSSRESETRESETP101P112P123P134P145P156P167P178RST9P30/RXD10P31/TXD11P32/INT012P33/INT13P34/T014P35/T115P36/WR16P37/RD17XTAL119P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE30P0732P0633P0534P0435P0336P0237P0138P0039XTAL218EA31VCC40VSS2089C51XTAL2XTAL2XTAL1XTAL1第3章电力参数检测装置输入输出接口电路设计31电力参数检测装置传感器的选择由于检测装置实时监测380V三相电流，所以要接入电流互感器。电流互感器的作用为了保证电力系统安全经济运行，必须对电力设备的运行情况进行监视和测量。但一般的测量和保护装置不能直接接入一次高压设备，而需要将一次系统的大电流按比例变换成小电流，供给测量仪表和保护装置使用。在测量交变电流的大电流时，为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流（我国规定电流互感器的二次额定为5A或1A），另外线路上的电压都比较高如直接测量是非常危险的。电流互感器就起到变流和电气隔离作用。它是电力系统中测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一次回路电流信息的传感器，电流互感器将高电流按比例转换成低电流，电流互感器一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表、继电保护等。32电力参数检测装置检测接口电路设计321A/D转换器选择现实世界的物理量都是模拟量，能把模拟量转化成数字量的器件称为模/数转换器（A/D转换器），A/D转换器是单片机数据采集系统的关键接口电路，按照各种A/D芯片的转化原理可分为逐次逼近型，双重积分型等等。双积分式A/D转换器具有抗干扰能力强、转换精度高、价格便宜等优点。与双积分相比，逐次逼近式A/D转换的转换速度更快，而且精度更高，比如ADC0809、ADC0832等，它们通常具有8路模拟选通开关及地址译码、锁存电路等，它们可以与单片机系统连接，将数字量送到单片机进行分析和显示。一个N位的逐次逼近型A/D转换器只需要比较N次，转换时间只取决于位数和时钟周期，逐次逼近型A/D转换器转换速度快，因而在实际中广泛使用。ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。本设计采用精密采样电阻（9欧、09欧、009欧、001欧），电阻精度可达01可忽略；八位A/D精度为5/256（V）对于100A的总量程精度可达01，因而方案可达设计要求。ADC0832具有以下特点8位分辨率；双通道A/D转换；输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；5V电源供电时输入电压在05V之间；工作频率为250KHZ，转换时间为32S；一般功耗仅为15MW；8P、14PDIP（双列直插）、PICC多种封装；商用级芯片温宽为0CTO70C，工业级芯片温宽为40CTO85C；芯片接口说明CS_片选使能，低电平芯片使能；CH0模拟输入通道0，或作为IN/使用；CH1模拟输入通道1，或作为IN/使用；GND芯片参考0电位（地）；DI数据信号输入，选择通道控制；DO数据信号输出，转换数据输出；CLK芯片时钟输入；VCC/REF电源输入及参考电压输入（复用）33人机对话接口电路设计331LED显示电路图23LED显示电路本文通过3块LED显示屏，将AD转换电路得到值显示出来，即为当前电流的大小332数码管显示电路的设计数码管显示电路由段驱动电路和位驱动电路组成。由于单片机的并行口不能驱动数码管显示器，必须采用专门的驱动电路芯片，使之产生足够大的电流，显示器才能正常工作。如果驱动电路能力差，即负载能力不够，显示器亮度就低，而且驱动电路长期在超负荷下运行容易损坏。本系统采用并行驱动动态显示。采用单片机P2口的低3位作为数码管的位码输出信号，P0口作为段码输出信号。该驱动电路如图23所示，P0口作为段码输出信号需外接上拉电阻。由图24可以看到，原理图中用3个三极管作为数码管的位驱动。图24数码显示电路图5VVCCVSSRESETP101P112P123P134P145P156P167P178RST9P30/RXD10P31/TXD11P32/INT012P33/INT13P34/T014P35/T115P36/WR16P37/RD17XTAL119P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE30P0732P0633P0534P0435P0336P0237P0138P0039XTAL218EA31VCC40VSS2089C51XTAL2XTAL1ABFCGDEDPY76421910ABCDEFG5DPDP38DSDPY_7SEG_DPABFCGDEDPY76421910ABCDEFG5DPDP38DSDPY_7SEG_DPABFCGDEDPY76421910ABCDEFG5DPDP38VSS9VCC18D12D23D34D45D56D67D78D01Q111Q212Q313Q414Q515Q616Q717Q010UDPY_7SEG_DPQPNPQPNPQPNPVCCR1KR1KR1KR2KR2KR2KR2KR2KR2KR2KVCC34报警电路的设计当电流达到或超过上限是就会报警，报警电路与单片机的P23口相连当单片机输出一个低电平时，蜂鸣器就会发出报警信号，说明电流已经超过规定的上限值，外部输出设备应该启动进行相应的措施。只用在人按下复位按钮或电路在允许的范围内报警电路就不会触动。图25报警电路图35电流有效值计算电力参数的准确、快速测量对于实现电网调度自动化、保证电网安全与经济运行具有十分重要的意义。电网频率并不是固定不变的，而是在50HZ附近波动。传统的直流采样算法不能及时反映被测量的突变，精度与稳定度受变送器的影响很大，己逐渐不能满足系统的需要。随着人们对测量精度、性能的要求越来越高，在目前应用于电力系统的各种测量控制仪表中，交流采样就越来越受人们的青睐。交流采样是按照一定的规律对被测物理量的瞬时值进行采样，用一定的算法计算出被测物理量的有效值。目前国内外已经提出和实现了许多交流采样的算法。由于采用的具体原理不同，在硬件软件的配置上也不一样，以致系统的精度和造价也不一样。在应用中应根据实际情况选择最适宜的交流采样算法。RRES2QPNPLSSPEAKERVCC第4章电力参数检测装置软件设计41软件实现功能综述本实验要实现的是对380V三相电流实时监测装置。由89C51单片机和其他一些器件组成的控制系统，要实现的软件功能是将线路中的电流信息通过电流检测模块传送给89C51单片机，途中利用A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，让单片机识别，并显示。然后对电流进行判断，通过显示模块显示电流的有效值，如果电流有效值大于设定的允许值，则对外报警。42流程图设计主程序流程图设计电流信号通过电流检测模块传送给89C51单片机，途中利用A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，让单片机识别，并处理，然后电流大小进行判断，超过允许值进行报警。图31主程序流程图421模拟量检测流程图设计每次对ADC0832操作时要按造ADC0832工作过程中的协议进行。初始化ROM操作命令存储器操作命令处理数据程序流程图如图42图32模拟量检测流程图第5章系统设计与分析51系统原理图图41系统原理电路图A010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A1021A123A122CE120CE226WE27OE2D01D112D213D315D416D517D618D719VCC28GND146264D718D617D514D413D38D27D14D03Q719Q616Q515Q412Q39Q26Q15Q02G11OE174LS3735VR71K5VC32C42Y1CRYSTALC22C12R11KR21KS1SWPBVCVCVCVSVSRESETRESETP101P112P123P134P145P156P167P178RST9P30/RXD10P31/TXD1P32/INT012P33/INT13P34/T014P35/T115P36/WR16P37/RD17XTAL119P2021P212P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE30P0732P063P0534P0435P0336P0237P0138P0039XTAL218EA31VC40VS2089C51XTAL2XTAL2XTAL1XTAL1CH02DI5CH13DO6CS1CLK7VC8GND4U1ADC083VC1234D1BRIDGE1T1TRANS1R41KR643KR543KC522V1380VABFCGDEDPY76421910ABCDEFG5DPDP38DS1DPY_7SEG_DPABFCGDEDPY76421910ABCDEFG5DPDP38DS2DPY_7SEG_DPABFCGDEDPY76421910ABCDEFG5DPDP38VS9VC18D12D23D34D45D56D67D78D01Q11Q212Q313Q414Q515Q616Q717Q010U2DPY_7SEG_DPQ2PNPQ4PNPQ3PNPVCR31KR81KR91KR12KR122KR132KR142KR152KR162KR172KVCR10RES2Q1PNPLS1SPEAKERVCP0P1P2P3P4P5P6P7P0P1P2P3P4P5P6P7I0I1I2I0I1I2I3I352系统原理综述需要监测的三相电流经电流互感器变压变流给模数转换器ADC0833，把模拟量转换为数字量，再把转换完的数字量供给89C51单片机。89C51单片机对数字量分析处理把当前的电流有效值大小通过锁存器给LED显示出来。如果电流有效值大于100A，则89C51单片机通过报警系统对外发出警报。53软件调试结果分别调试各子模块按键扫描及处理模块，显示模块，电流采样控制模块，当各子模块调试正常后再将各子模块及主模块全部汇编连接成目标文件，再将目标代码下载到单片机中进行统一调试。各单元均调通后，进行整机调试，其过程如下将调试好的模块连接在一起，加380V交流电在变压器两端，用单片机进行调试，对每一模块的功能进行检测。调试成功则证明整个系统能够正常工作。54程序清单程序编译DISMOVA，R2；ADDA，R3DAAADDA，R4DAAMOVR4，A；把相加结果存放R4中MOV21H，00H；置循环显示初值HDISPMOVA，R4ANLA，0F0HORLA，07H；选通高位数码管MOVP2，A；送显高位ACALLDELAD2；延时MOVA，R4ANLA，0FHSWAPAORLA，0BH；选通低位数码管MOVP2，A；送显低位ACALLDELAD2；延时INC21HMOVA，0FHXRLA，21HJZB1；循环显示完否SJMPHDISP；未完继续B1RET；显示完返回ORG0000HSTARTMOVP1，0F0H；关闭两片89C51MOVR3，0D0H；对第一片89C51送控制字MOV20H，02HM1MOVA，R3ACALLREAD；调用读数子程序JZN1ACALLM2；调用核对子程序N1MOVA，R1INCAMOVR1，AACALLREADJZN2ACALLM2N2MOVA，R1INCAMOVR1，AACALLREADJZN3ACALLM2N3MOVA，R1INCAMOVR1，AACALLREADJZN4ACALLM2N4MOVR3，0B0H；第二片89C51送控制字MOVA，02HDECAJNZM1SJMPSTART；巡回检测READMOVP1，A；送控制字CLRP14ORLP1，0FHMOVA，P1；读数据SETBP14ANLA，0FHRET；子程序返回M2MOVR0，ALCALLDELAD1MOVA，R1XRLA，R0；核对比较JNZM22ACALLTLTC；调用查找报警点子程序M22RETTLTCMOVA，R1；查找报警点位于哪个口ANLA，0FHMOVR7，AMOVR2，00HL1MOVA，R7JNZL2MOVR2，04HL2MOVA，R7JNZL3MOVR2，08HL3MOVA，R7XRLA，03HMOVR2，12HLL3MOVA，R1；查找报警点在哪片89C51ANLA，0F0HRLCAJCL4MOVR3，16HL4RLCAJCL5MOVR3，00HL5MOVA，R0；查找是哪个点报警RRCAMOVR0，AJNCL6MOVR4，01HLCALLDISL6MOVA，R0RRCAMOVR0，AJNCL7MOVR4，02HLCALLDISL7MOVA，R0RRCAMOVR0，AJN