貴州大學(xué)單片機(jī)

1、課程設(shè)計(jì)課程名稱 數(shù)字式同期裝置 學(xué) 院： 電氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 電自 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 班 級(jí)： 指導(dǎo)教師： 年 月 日單片機(jī)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)目的與要求運(yùn)用所學(xué)單片機(jī)原理與接口技術(shù)、電路原理、電子技術(shù)、自動(dòng)控制原理知識(shí)、電力電子技術(shù)，結(jié)合電機(jī)學(xué)、電力系統(tǒng)運(yùn)行、電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置等方面的專業(yè)知識(shí)，設(shè)計(jì)出一臺(tái)以8096系列為核心的數(shù)字式準(zhǔn)同期裝置，發(fā)電機(jī)及電網(wǎng)電壓信號(hào)經(jīng)二次互感器降壓后，實(shí)現(xiàn)交流采樣，并完成數(shù)據(jù)處理；同時(shí)完成控制信號(hào)輸出、鍵盤及顯示電路等各部分的軟、硬件設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)要求學(xué)生能熟悉并掌握單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)的工作方法、工作內(nèi)容、工作步驟；并鍛煉學(xué)生基本技能的訓(xùn)練。例

2、如：組成系統(tǒng)、編程、調(diào)試、繪圖等，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、提高動(dòng)手和分析、解決問題能力的目的。數(shù)字式同期裝置要求：1）同期條件滿足時(shí)，能迅速發(fā)出合閘信號(hào)，無沖擊電流；2）能提供增減速、增減勵(lì)磁信號(hào)指示燈；3）由LCD顯示發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的電壓與頻率。二、課程設(shè)計(jì)應(yīng)完成的工作1）硬件部分包括前置信號(hào)處理單元（交流采樣、放大器、濾波器等）、A/D轉(zhuǎn)換、顯示、鍵盤、電源等；2）軟件部分包括A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理、顯示等；3）用專業(yè)軟件畫出系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)圖和軟件程序流程框圖；4）系統(tǒng)軟件程序的編寫與調(diào)試；5）撰寫設(shè)計(jì)說明書一份（不少于10000字），闡述系統(tǒng)的工作原理和軟、硬件設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)闡述

3、系統(tǒng)組成框圖、硬件原理設(shè)計(jì)、資源分配和軟件程序流程圖等；說明書應(yīng)包括封面、任務(wù)書、目錄、摘要、正文、參考文獻(xiàn)（資料）等內(nèi)容，以及硬件電路結(jié)構(gòu)圖和軟件程序清單等材料。目 錄摘要.1前言.2第1章 數(shù)字式準(zhǔn)同期裝置的概述. 3 1.1 并列操作的意義.3 1.2 同步發(fā)電機(jī)并列合閘條件.3 1.3 數(shù)字式準(zhǔn)同期裝置的硬件原理.3第2章 數(shù)字式準(zhǔn)同期總體設(shè)計(jì).5 2.1 整體硬件框圖.5第3章 數(shù)字式準(zhǔn)同期裝置的實(shí)現(xiàn).6 3.1 降壓濾波模塊.6 3.2 交流采樣模塊.7 3.3 整形電路模塊.9 3.4 A/D轉(zhuǎn)換模塊.10 3.5 相角差檢測模塊.11 3.6 顯示模塊.12 3.7 信號(hào)指示燈

4、模塊.14 3.8 MCS單片機(jī).14 3.9 譯碼器.16 3.10 存儲(chǔ)模塊.17第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分.18 4.1 軟件流程圖.18 4.2 軟件程序.21總結(jié)及心得.25參考文獻(xiàn).26 附錄1 元件清單.27附錄2 總體設(shè)計(jì)圖.28 摘 要隨著電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的不斷擴(kuò)大，同步發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量也越來越大，不恰當(dāng)?shù)牟⒘胁僮鲗?dǎo)致嚴(yán)重后果，因此發(fā)動(dòng)機(jī)安全、可靠的并網(wǎng)操作就愈來愈顯重要。為了解決傳統(tǒng)模擬式并網(wǎng)裝置的缺陷，本文介紹一種以MCS-8096系列單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)數(shù)字式發(fā)電機(jī)準(zhǔn)同期自動(dòng)并列裝置的原理。該裝置實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)安全、可靠的并網(wǎng)，通過對(duì)該裝置并網(wǎng)過程的測試，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的采

5、樣保持，電壓、電流和頻率的反饋比較調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，其并網(wǎng)過程具有快速準(zhǔn)確，安全等特點(diǎn)。 Abstract: with the expansion of the power system network, stand-alone capacity of synchronous generator is becoming more and more big, inappropriate parallel operation will lead to serious consequences, so the engine is safe and reliable grid operatio

6、n is more and more important. In order to solve the defects of traditional analog interconnection devices, this paper introduces a MCS - 8096 series single chip microcomputer as the core implementation the principle of digital generator automatic quasi-synchronizing parallel devices. The device for

7、generator's safe and reliable grid, through the process of the device interconnection testing, analog signal is converted to electric signal sampling, voltage, current and frequency feedback compared to adjust, to real-time control system, its interconnection process is fast, accurate, safety, e

8、tc. 關(guān)鍵詞：單片機(jī)、自動(dòng)準(zhǔn)同期并列、壓差，頻差 Key words: single chip microcomputer, the automatic quasi-synchronizing parallel, pressure difference, frequency difference 前 言本設(shè)計(jì)是根據(jù)自動(dòng)并列原理，設(shè)計(jì)出控制電網(wǎng)合閘的自動(dòng)并列裝置，目的是要讓電網(wǎng)安全，可靠的合閘，根據(jù)我們所學(xué)過的自動(dòng)控制理論，自動(dòng)裝置原理，數(shù)字信號(hào)處理，單片機(jī)等學(xué)科的知識(shí)，學(xué)以致用，設(shè)計(jì)出一套以MCS-8096單片機(jī)為核心的自動(dòng)并列裝置，讓我們更清楚的認(rèn)識(shí)到自動(dòng)并列對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要性和可靠性

9、，進(jìn)一步的將我們所學(xué)的知識(shí)在我們的腦海里加深印象。此裝置適用于電壓，電流和頻率都可調(diào)的電力系統(tǒng)中，該裝置通過對(duì)模擬信號(hào)的采樣，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后對(duì)其比較反饋調(diào)節(jié)，迅速找到最佳的合閘時(shí)間點(diǎn)，將兩個(gè)電網(wǎng)合并在一起。為了要電網(wǎng)安全可靠的運(yùn)行，自動(dòng)并列要求迅速，準(zhǔn)確的采樣，裝換信號(hào)，計(jì)算出具體的合閘時(shí)間，控制裝置發(fā)出合閘信號(hào)，裝置自動(dòng)進(jìn)行合閘，讓電網(wǎng)安全的合并運(yùn)行。此設(shè)計(jì)主要是通過對(duì)電網(wǎng)的安全，快捷的運(yùn)行為中心，以自動(dòng)并列合閘的條件為指導(dǎo)思想，運(yùn)用所需要的硬件和軟件來滿足自動(dòng)并列合閘的條件，做到合閘時(shí)幾乎沒有沖擊電流，對(duì)系統(tǒng)的危害降到最低。設(shè)計(jì)中主要解決的是數(shù)字的采樣，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，還有兩

10、個(gè)電網(wǎng)間電壓，電流，以及頻率的比較，對(duì)于數(shù)字信號(hào)的輸出也是有要求的，最主要的就是解決從信號(hào)的采樣到控制合閘信號(hào)的發(fā)出這一系列的問題是本設(shè)計(jì)的要求。第一章數(shù)字式準(zhǔn)同期裝置的概述1.1 并列操作的意義 電力系統(tǒng)運(yùn)行中，任一母線電壓瞬時(shí)值有三個(gè)狀態(tài)量，幅值、頻率、相角。在一臺(tái)發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)并列之前，電網(wǎng)電壓U x與發(fā)電機(jī)電壓U g的狀態(tài)量往往不等，需對(duì)待并網(wǎng)的發(fā)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整使之滿足并列條件才能并網(wǎng)運(yùn)行，這樣的操作叫做并列。隨著負(fù)荷的變動(dòng)，電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的臺(tái)數(shù)也在不斷變化。因此，并列操作是發(fā)電廠的一項(xiàng)重要操作。另外，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生事故時(shí)，也需要發(fā)電機(jī)組能夠迅速投入運(yùn)行。電力系統(tǒng)不斷壯大，不恰當(dāng)?shù)牟⒘胁僮?/p>

11、將導(dǎo)致嚴(yán)重事故。因此，對(duì)同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)操作進(jìn)行研究、提高并列操作的準(zhǔn)確度和可靠性，對(duì)電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。同步發(fā)電機(jī)的并列方法分為自同期和準(zhǔn)同期兩種。自同期并列方法已很少采用，只有當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生發(fā)生事故時(shí)，要求將水輪機(jī)組迅速投入電網(wǎng)，才會(huì)采用。但是隨著自動(dòng)控制理論技術(shù)的成熟，產(chǎn)生了數(shù)字式的并列裝置。1.2 同步發(fā)電機(jī)并列合閘條件 同步發(fā)電機(jī)并入到電網(wǎng)時(shí)要求它在較短時(shí)間內(nèi)不應(yīng)產(chǎn)生大的電流沖擊。為此，必須滿足下述四個(gè)條件：（1）電機(jī)的電壓幅值等于電網(wǎng)電壓的幅值，且波形一致；（2）發(fā)電機(jī)的頻率等于電網(wǎng)的頻率；（3）發(fā)電機(jī)的電壓相序與電網(wǎng)的相序一致；（4）合閘時(shí)，發(fā)電機(jī)的電壓相

12、位與電網(wǎng)電壓的相位一樣。滿足上述四個(gè)條件后，發(fā)電機(jī)端電壓的瞬時(shí)值與電網(wǎng)電壓的瞬時(shí)值就完全一樣，這樣就可保證在并網(wǎng)瞬間不會(huì)引起較大的電流沖擊。1.3 數(shù)字式準(zhǔn)同期裝置的硬件原理 自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的控制單元一般由三個(gè)控制單元構(gòu)成：（1）頻差控制單元：檢測滑差頻率，調(diào)節(jié)待并發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)頻率接近于待并系統(tǒng)頻率。（2）電壓差控制單元：檢測待并發(fā)電機(jī)電壓幅值與系統(tǒng)電壓幅值之間的向量差，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓使它與系統(tǒng)電壓之間的電壓差值小于規(guī)定值，促使并列條件的實(shí)現(xiàn)。（3）合閘信號(hào)控制單元：檢查并列條件，當(dāng)發(fā)電機(jī)頻率和電壓都滿足并列條件時(shí)，控制單元就選擇合適的時(shí)間發(fā)出合閘信號(hào)，使并列斷路器的主觸頭接通時(shí)，相角

13、差接近于零。 第二章 數(shù)字式準(zhǔn)同期總體設(shè)計(jì)2.1 整體硬件框圖 數(shù)字式準(zhǔn)同期裝置的硬件結(jié)構(gòu)分為五個(gè)模塊，分別為：單片機(jī)系統(tǒng)模塊、輸入模塊、輸出模塊、存儲(chǔ)模塊和輔助模塊，總的硬件框圖如圖2.1 所示圖2.1 硬件原理框圖2.1.1 單片機(jī)系統(tǒng)模塊：裝置采用8096單片機(jī)，最高晶振是12MHZ。該芯片具有上電復(fù)位和看門狗功能，可以提供可靠的復(fù)位脈沖。2.1.2 輸入模塊：實(shí)時(shí)測量待并系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)的電壓、頻率及相角，并提供與單片機(jī)的輸入電路接口。該模塊包括整流電路、整形電路、以及單元測量電路。2.1.3 輸出模塊：完成整個(gè)系統(tǒng)的輸出控制功能，包括信號(hào)輸出、合閘輸出及調(diào)節(jié)輸出，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓、調(diào)速、合閘等功

14、能。2.1.4 存儲(chǔ)模塊：用于設(shè)置、記錄和存儲(chǔ)裝置運(yùn)行所必需的參數(shù)，被設(shè)置和修改參數(shù)存儲(chǔ)在串行EEPROM2816，2816 通過總線與單片機(jī)接口。單片機(jī)模擬總線的時(shí)序，實(shí)現(xiàn)對(duì)2816 的讀寫操作。2.1.5 輔助模塊：用于提供電源、顯示、等輔助功能。第三章 數(shù)字式準(zhǔn)同期裝置的實(shí)現(xiàn) 該裝置硬件結(jié)構(gòu)方面具體可分為降壓濾波模塊、交流采樣模塊、整形電路模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、相角差檢測模塊、顯示模塊、指示燈模塊、單片機(jī)、譯碼器、存儲(chǔ)模塊。3.1 降壓濾波模塊3.1.1 降壓濾波電路的構(gòu)成 濾波電路是一種能使有用頻率信號(hào)通過而同時(shí)抑制無用頻率信號(hào)的電子裝置。工程上常用它作信號(hào)處理，數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等。

15、最基本的濾波器，是由一個(gè)電容器和一個(gè)電感器構(gòu)成，稱為L型濾波。由于發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓含有各種諧波。這種質(zhì)量的電壓，不利于對(duì)電壓信號(hào)的各種數(shù)據(jù)的采集。故為了信號(hào)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)的完成，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓需經(jīng)過濾波處理，便于單片機(jī)中的A/D轉(zhuǎn)換的順利完成。由于發(fā)電機(jī)端及電網(wǎng)端的電壓幅值較高，不利于采樣，必須將電壓降到一定的大小。該模塊的目的在于將發(fā)電機(jī)端、電網(wǎng)端的電壓降至5V左右。降壓是由電壓互感器來完成的，其工作原理與變壓器相同，基本結(jié)構(gòu)也是鐵心和原、副繞組。特點(diǎn)是容量很小且比較恒定，正常運(yùn)行時(shí)接近于空載狀態(tài)。其內(nèi)部利用電磁感應(yīng)的原理來改變交流電壓的。本設(shè)計(jì)在發(fā)電機(jī)端及電網(wǎng)端均采用一級(jí)降壓。 3.1

16、.2 降壓濾波電路原理降壓是為了能夠?qū)崿F(xiàn)采樣。濾波電路常用于濾去整流輸出電壓中的紋波，由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或與負(fù)載串聯(lián)電感器L，以及由電容，電感組成而成的各種復(fù)式濾波電路。當(dāng)流過電感的電流變化時(shí)，電感線圈中產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢(shì)將阻止電流的變化。當(dāng)通過電感線圈的電流增大時(shí)，電感線圈產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)與電流方向相反，阻止電流的增加，同時(shí)將一部分電能轉(zhuǎn)化成磁場能存儲(chǔ)于電感之中；當(dāng)通過電感線圈的電流減小時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)與電流方向相同，阻止電流的減小，同時(shí)釋放出存儲(chǔ)的能量，以補(bǔ)償電流的減小。因此經(jīng)電感濾波后，不但負(fù)載電流及電壓的脈動(dòng)減小，波形變得平滑，而且整流二極管的導(dǎo)通角增大。在電感

17、線圈不變的情況下，負(fù)載電阻愈小，輸出電壓的交流分量愈小。只有在RL>>L時(shí)才能獲得較好的濾波效果。L愈大，濾波效果愈好。3.1.3 降壓濾波電路的功能由于濾波電感電動(dòng)勢(shì)的作用，可以使二極管的導(dǎo)通角接近，減小了二極管的沖擊電流，平滑了流過二極管的電流，從而延長了整流二極管的壽命。降壓是由電壓互感器來完成的，電壓互感器是電力系統(tǒng)中測量儀表、繼電保護(hù)等二次設(shè)備獲取電氣一次回路電壓大小的傳感器。它將高電壓按比例變成低電壓，其一次側(cè)接在一次系統(tǒng)，二次側(cè)接測量儀表與繼電保護(hù)裝置。其容量很小，類似于一臺(tái)小容量變壓器，但結(jié)構(gòu)上要求有較高的安全系數(shù)；二次側(cè)儀表和繼電器的電壓線圈阻抗大，電壓互感器在近

18、于空載狀態(tài)下運(yùn)行。本設(shè)計(jì)中，發(fā)電機(jī)端電壓和電網(wǎng)端電壓分別經(jīng)過兩個(gè)電容C1和C2濾波，即通過RC電路進(jìn)行濾波，留下有用頻率信號(hào)，去掉無用頻率信號(hào)。 圖3.1.1 降壓濾波模塊電路圖3.2 交流采樣模塊3.2.1 交流采樣的目的交流采樣是將二次測得的電壓經(jīng)AD736變成計(jì)算機(jī)可測量的直流小信號(hào)，然后再送入8096進(jìn)行處理。由于AD736能夠?qū)﹄妷旱挠行е颠M(jìn)行采樣，所以可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓和發(fā)電機(jī)電壓有效值的比較。3.2.2 交流采樣的主要思路 交流采樣的主要思路是在一定規(guī)律對(duì)具有工頻交流電量的瞬時(shí)值直接采樣,用若干個(gè)交流信號(hào)瞬時(shí)值描述該交流信號(hào)波形,用一定的算法求得被測量的有效值及其他有關(guān)參數(shù)。交流

19、采樣的測量過程將交流電流和電壓經(jīng)過變換后,進(jìn)行采樣保持,采樣時(shí)間受離散時(shí)序控制,控制采樣間隔滿足采樣定理,采樣后的離散量經(jīng)A/D變成數(shù)字量,最后將數(shù)字序列進(jìn)行復(fù)原和標(biāo)度轉(zhuǎn)換,得到原被測電量值。圖3.2.1交流采樣處理為有效值為了簡化程序部分的設(shè)計(jì)和減少硬件部分，在該模塊中采用了真有效值采樣芯片AD736。3.2.3 AD736芯片機(jī)構(gòu)及功能介紹 AD736是經(jīng)過激光修正的單片精密真有效值A(chǔ)C/DC轉(zhuǎn)換器。其主要特點(diǎn)是準(zhǔn)確度高、靈敏性好（滿量程為200mVRMS）、測量速率快、頻率特性好（工作頻率范圍可達(dá)0460kHz）、輸入阻抗高、輸出阻抗低、電源范圍寬且功耗低最大的電源工作電流為200A.用

20、它來測量正弦波電壓的綜合誤差不超過±3%. AD736采用雙列直插式8腳封裝，其管腳排列如圖所示： 各管腳的功能如下：+Vs：正電源端，電壓范圍為2.816.5V；-Vs：負(fù)電源端，電壓范圍為-3.2-16.5V；Cc：低阻抗輸入端，用于外接低阻抗的輸入電壓（200mV），通常被測電壓需經(jīng)耦合電容Cc與此端相連，通常Cc的取值范圍為1020F.當(dāng)此端作為輸入端時(shí)，第2腳VIN應(yīng)接到COM；VIN：高阻抗輸入端，適合于接高阻抗輸入電壓，一般以分壓器作為輸入級(jí)，分壓器的總輸入電阻可選10M，以減少對(duì)被測電壓的分流。該端有兩種工作方式可選擇：第一種為輸出AC+DC方式。該方式將1腳（Cc）

21、與8腳（COM）短接，其輸出電壓為效流真有效值與直流分量之和；第二種方式為AC方式。該方式是將1腳經(jīng)隔直電容Cc接至8腳，這種方式的輸出電壓為真有效值，它不包含直流分量。3.3 整形電路模塊3.3.1 整形電路的構(gòu)成此模塊使用"555"定時(shí)器接成施密特觸發(fā)器對(duì)外加的正弦波進(jìn)行變換成為來構(gòu)成計(jì)數(shù)脈沖形成電路，使之輸出為矩形脈沖。然后接入MCS8096單片機(jī)的高速輸入和，通過編寫程序來測量方波的頻率，以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率及發(fā)電機(jī)頻率的測量。圖3.3.1整形電路3.3.2 555定時(shí)器的介紹： 555定時(shí)器成本低，性能可靠，只需要外接幾個(gè)電阻、電容，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及

22、施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時(shí)器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動(dòng)控制等方面。555 定時(shí)器的內(nèi)部電路框圖如右圖所示。它內(nèi)部包括兩個(gè)電壓比較器，三個(gè)等值串聯(lián)電阻，一個(gè) RS 觸發(fā)器，一個(gè)放電管 T 及功率輸出級(jí)。它提供兩個(gè)基準(zhǔn)電壓VCC /3 和 2VCC /3。555 定時(shí)器的功能主要由兩個(gè)比較器決定。兩個(gè)比較器的輸出電壓控制RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng) 5 腳懸空時(shí)，則電壓比較器C1的反相輸入端的電壓為 2VCC /3，C2 的同相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端TR的電壓小于VCC /3，則比較器C2的輸出為0，可使RS觸發(fā)器

23、置1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于2VCC/3，同時(shí)TR端的電壓大于VCC /3，則C1的輸出為0，C2的輸出為1，可將RS觸發(fā)器置0，使輸出為0電平。 它的各個(gè)引腳功能如下：1腳：外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。2腳：低觸發(fā)端3腳：輸出端Vo4腳：是直接清零端。當(dāng)此端接低電平，則時(shí)基電路不工作，此時(shí)不論TR、TH處于何電平，時(shí)基電路輸出為“0”，該端不用時(shí)應(yīng)接高電平。5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個(gè)比較器的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)該端不用時(shí)，應(yīng)將該端串入一只0.01F電容接地，以防引入干擾。6腳：TH高觸發(fā)端。7腳：放電端。該端與放電管集電極相

24、連，用做定時(shí)器時(shí)電容的放電。8腳：外接電源VCC，雙極型時(shí)基電路VCC的范圍是4.5 16V，CMOS型時(shí)基電路VCC的范圍為3 18V。一般用5V。在1腳接地，5腳未外接電壓，兩個(gè)比較器A1、A2基準(zhǔn)電壓分別為的情況下，555時(shí)基電路的功能表如表3.2示。清零端高觸發(fā)端TH低觸發(fā)端Q放電管T功能0××0導(dǎo)通直接清零101x保持上一狀態(tài)保持上一狀態(tài)1101截止置11001截止置11110導(dǎo)通清零表3.3.1 555定時(shí)器的功能表3.4 A/D轉(zhuǎn)換模塊3.4.1 A/D轉(zhuǎn)換器的功能該模塊的存在是為了對(duì)電壓（模擬量）進(jìn)行采樣，采集一系列的點(diǎn)后供A/D轉(zhuǎn)換模塊使用。A/D 轉(zhuǎn)換器

25、的功能是把模擬量變換成數(shù)字量。由于取樣時(shí)間極短，取樣輸出為一串?dāng)嗬m(xù)的窄脈沖。要把每個(gè)取樣的窄脈沖信號(hào)數(shù)字化，是需要一定的時(shí)間。因此在兩次取樣之間，應(yīng)將取樣的模擬信號(hào)暫時(shí)儲(chǔ)存到下個(gè)取樣脈沖到來，這個(gè)動(dòng)作稱之為保持。3.4.2 A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用在模擬電路設(shè)計(jì)上，因此需要增加一個(gè)取樣-保持電路。為了保證有正確轉(zhuǎn)換，模擬電路要保留著還未轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。一個(gè)取樣-保持電路可保證模擬電路中取樣時(shí)，取樣時(shí)間的穩(wěn)定并儲(chǔ)存，通常使用電容組件來儲(chǔ)存電荷。根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的基本原理，若要能正確且忠實(shí)地呈現(xiàn)所擷取的模擬信號(hào)，必須取樣頻率至少高于最大頻率的2倍。雖說理論值是如此，但真正在應(yīng)用時(shí)，最好是接近10倍才會(huì)有不錯(cuò)

26、的還原效果(因取樣點(diǎn)越多)。若針對(duì)多信道的A/D轉(zhuǎn)換器來說，就必須乘上信道數(shù)，這樣平均下去，每一個(gè)通道才不會(huì)有失真的情況產(chǎn)生。為了方便我們使用的A/D轉(zhuǎn)換器是在MCS-8096單片機(jī)自帶的。3.5 相角差檢測模塊3.5.1 相角差的測量 標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器二次端的輸出信號(hào)與被測電壓互感器的二次輸出端信號(hào)經(jīng)濾波器輸出的正弦信號(hào)經(jīng)10電阻后分別進(jìn)入LM339電壓比較器的輸入端，然后按照上圖接各個(gè)引腳，即可實(shí)現(xiàn)相角差的測量。圖3.5.1 相角差的測量圖3.5.2 LM339的介紹LM339集成塊內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，該電壓比較器的特點(diǎn)是：1）失調(diào)電壓小，典型值為2mV；2）電源電壓范圍寬，單電源

27、為2-36V，雙電源電壓為±1V-±18V；3）對(duì)比較信號(hào)源的內(nèi)阻限制較寬；4）共模范圍很大，為0（U cc-1.5V）Vo；5）差動(dòng)輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓；6）輸出端電位可靈活方便地選用。LM339類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個(gè)稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點(diǎn)），另一端加一個(gè)待比較的信號(hào)電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng)“-”

28、端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個(gè)輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339用在弱信號(hào)檢測等場合是比較理想的。LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時(shí)輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選3-15K）。選不同阻值的上拉電阻會(huì)影響輸出端高電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時(shí)，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。3.6 顯示模塊3.6.1 顯示模塊的組成該模塊主要由LCD顯示屏LM020L與排阻RESPACK-8組成。LM020L顯示當(dāng)前

29、發(fā)電機(jī)端電壓、頻率以及電網(wǎng)電壓、頻率的數(shù)值，排阻RESPACK-8起升壓作用，提高電流以驅(qū)動(dòng)LM020L。3.6.2 顯示電路的目的顯示模塊旨在顯示當(dāng)前發(fā)電機(jī)端電壓、頻率以及電網(wǎng)電壓、頻率的數(shù)值。3.6.3 LM020L的功能及簡介在LM020L的引腳中，D0D7引腳接用于接收信號(hào)。E引腳為使能端，下降沿使用，可接共用時(shí)鐘。RS為寄存器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平0時(shí)選擇指令寄存器。RW為讀寫信號(hào)線，高電平1時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平0時(shí)進(jìn)行寫操作，由于1602在此設(shè)計(jì)中僅用于顯示，不需要從液晶中讀取數(shù)據(jù)，故此處直接接低電平0。當(dāng)LM020L的RS引腳接高電平，RW接低電平時(shí)，即可寫入數(shù)據(jù)

30、用以顯示。 圖3.6.1 顯示模塊它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。它由若干個(gè)5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因?yàn)槿绱怂?.6.4 管腳功能介紹引腳圖 第1腳：VSS為電源地 第2腳：VCC接5V電源正極 第3腳：V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高（對(duì)比度過高時(shí)會(huì) 產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度）。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時(shí)選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信

31、號(hào)線，高電平(1)時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平(0)時(shí)進(jìn)行寫操作。第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端,高電平（1）時(shí)讀取信息，負(fù)跳變時(shí)執(zhí)行指令。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。第1516腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負(fù)極。3.7 信號(hào)指示燈模塊3.7.1 信號(hào)指示燈的作用信號(hào)指示燈模塊旨在顯示當(dāng)前系統(tǒng)是否已達(dá)到合閘標(biāo)準(zhǔn)。3.7.2 信號(hào)指示燈的組成該模塊由5個(gè)發(fā)光二極管并聯(lián)組成。3.7.3 信號(hào)指示燈的工作原理如果D0、D1、D2、D3四支發(fā)光二極管燈亮，分別表明 、 、，即分別需對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行增磁、減磁、增速、減速操作，以使得發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間無頻率差及電壓差。若D0D

32、3都熄滅而D4亮，則說明當(dāng)前符合合閘要求，可合閘將發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)運(yùn)行。圖3.7.2 信號(hào)指示燈3.8 MCS單片機(jī)3.8.1 8096單片機(jī)的結(jié)構(gòu)組成單片機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備構(gòu)成。單片機(jī)自動(dòng)完成賦予它的任務(wù)的過程，也就是單片機(jī)執(zhí)行程序的過程，即一條條執(zhí)行的指令的過程，所謂指令就是把要求單片機(jī)執(zhí)行的各種操作用的命令的形式寫下來，這是在設(shè)計(jì)人員賦予它的指令系統(tǒng)所決定的，一條指令對(duì)應(yīng)著一種基本操作；單片機(jī)所能執(zhí)行的全部指令，就是該單片機(jī)的指令系統(tǒng)，不同種類的單片機(jī)，其指令系統(tǒng)亦不同。為使單片機(jī)能自動(dòng)完成某一特定任務(wù)，必須把要解決的問題編成一系列指令（這些指令必須是選定單片機(jī)能識(shí)別

33、和執(zhí)行的指令），這一系列指令的集合就成為程序，程序需要預(yù)先存放在具有存儲(chǔ)功能的部件存儲(chǔ)器中。存儲(chǔ)器由許多存儲(chǔ)單元（最小的存儲(chǔ)單位）組成，就像大樓房有許多房間組成一樣，指令就存放在這些單元里，單元里的指令取出并執(zhí)行就像大樓房的每個(gè)房間的被分配到了唯一一個(gè)房間號(hào)一樣，每一個(gè)存儲(chǔ)單元也必須被分配到唯一的地址號(hào)，該地址號(hào)稱為存儲(chǔ)單元的地址，這樣只要知道了存儲(chǔ)單元的地址，就可以找到這個(gè)存儲(chǔ)單元，其中存儲(chǔ)的指令就可以被取出，然后再被執(zhí)行。程序通常是順序執(zhí)行的，所以程序中的指令也是一條條順序存放的，單片機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)要能把這些指令一條條取出并加以執(zhí)行，必須有一個(gè)部件能追蹤指令所在的地址，這一部件就是程序計(jì)數(shù)

34、器PC（包含在CPU中），在開始執(zhí)行程序時(shí)，給PC賦以程序中第一條指令所在的地址，然后取得每一條要執(zhí)行的命令，PC在中的內(nèi)容就會(huì)自動(dòng)增加，增加量由本條指令長度決定，可能是1、2或3，以指向下一條指令的起始地址，保證指令順序執(zhí)行。圖3.8.1 MCS8096單片機(jī)3.8.2 8096單片機(jī)的主要特點(diǎn)MCS-96系列單片機(jī)的主要特點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：（1）16位CPU，具有高速處理能力，沒有累加器，采用面向寄存器寄存器結(jié)構(gòu)，具有232字節(jié)的寄存器陣列；（2） 具有高效的指令系統(tǒng)，大大提高了編程效率；（3） 4/8通道的10位A/D轉(zhuǎn)換器；（4） 脈寬調(diào)制PWM輸出裝置；（5） 全雙工的串行口，并有

35、專門的波特率發(fā)生器；（6） 高速的I/O系統(tǒng)；（7） 5個(gè)8位的I/O端口；（8） 可編程的8個(gè)優(yōu)先級(jí)中斷源；（9） 16位監(jiān)視定時(shí)器；（10） 可動(dòng)態(tài)配置的總線；（11） ROM/EPROM的內(nèi)容可加密；2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)16位的軟件定時(shí)器。3.9 譯碼器3.9.1 74ALS138譯碼器介紹 74ALS138譯碼器的輸入是3個(gè)腳,輸出是8個(gè)腳。用高低電平來表示輸入和輸出。輸入是二進(jìn)制。3只腳也就是3位二進(jìn)制數(shù)。輸入可以3位二進(jìn)制數(shù)。3位二進(jìn)制最大是111 也就是8。輸出是8個(gè)腳，表示10進(jìn)制。是根據(jù)輸入的二進(jìn)制數(shù)來輸出。如果輸入是101 那么就是第5只腳高電平，表示二進(jìn)制數(shù)是

36、5。3.9.2 74ALS138譯碼器的功能 其實(shí)3-8譯碼器的功能就是把輸入的3位2進(jìn)制數(shù)翻譯成10進(jìn)制的輸出。當(dāng)P4口的部分短口分別連于74ALS138的輸入端CBA時(shí)，則譯碼器的輸出端為片選信號(hào)，即用74ALS138譯碼器來實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器的片選。圖3.9.1 譯碼器模塊電路圖3.10 存儲(chǔ)模塊3.10.1 存儲(chǔ)器的作用該模塊主要用于存儲(chǔ)發(fā)電機(jī)電壓頻率及電網(wǎng)電壓頻率數(shù)據(jù)。3.10.2 存儲(chǔ)器的組成在該模塊單片機(jī)外接有四片2k*8EPROM的2816,這樣便有充足的存儲(chǔ)空間存放所測得的電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)電壓及頻率數(shù)據(jù)。現(xiàn)將地址空間分配如下：8096芯片內(nèi)部RAM用于存放隨機(jī)數(shù)據(jù)，外部存儲(chǔ)器u0地址范圍

37、0000H -07FFH存放發(fā)電機(jī)電壓測量數(shù)據(jù)，u1地址范圍0800H-0FFFH存放電網(wǎng)電壓測量數(shù)據(jù)，u2地址范圍1000H-1FFFH存放發(fā)電機(jī)頻率測量數(shù)據(jù)，u3地址范圍1800H-1FFFH存放電網(wǎng)頻率測量數(shù)據(jù)。圖3.10.2 存儲(chǔ)器的連接圖第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分4.1 軟件流程圖4.1.1主流程圖 圖4.1.1 主流程圖4.1.2頻率差檢測流程圖圖4.1.2頻率差檢測流程圖4.1.3電壓差檢測流程圖圖4.1.3電壓差檢測流程圖4.1.4指示燈亮流程圖圖4.1.4指示燈亮流程圖4.1.5顯示模塊圖4.1.5顯示流程圖4.2 軟件程序AL EQU 20HAH EQU 21HBL EQU

38、22HBH EQU 23HCL EQU 24HCH EQU 25HDL EQU 26HDH EQU 27HEX EQU 28HFX EQU 2AHGX EQU 2CHHX EQU 2EHFREQA EQU 30HFREQB EQU 34H ORG 2080HSTART: LD EX, #0000H LDB AD_COMMAND, #0CH NOP NOPADBUSY: JBS AD_RESULT, 3, ADBUSY LDB AH, AD_RSULT_HI LDB AL, AD_RESULT_LO；電網(wǎng)電壓的轉(zhuǎn)換 ST AX, ；存儲(chǔ)并顯示 LD FX, #0800H LDB AD_COMMA

39、ND, #0DH NOP NOPADBUSY1: JBS AD_RESULT, 3, ADBUSY1 LDB BH, AD_RSULT_HI LDB BL, AD_RESULT_LO；發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)換 ST BX, ；存儲(chǔ)并顯示 CMP BX, AX ；比較， JH TAB1 JE TAB2；電壓滿足并網(wǎng)條件 LDB PORT2， #01H ；小于燈1亮 SJMP START TAB1: LDB PORT2, #00H ；大于燈0亮 SJMP START CLR AX CLR BXTAB2： LDB HSI_MODE,#03H ;置工作方式3,脈沖的正、負(fù)跳均為觸發(fā)事件 LDB IOC0,#00H

40、 ；選擇HSI.0引腳 TESTA: JBC IOS1,7,TESTA ；查保持寄存器是否加載，若否，則重新查詢 LDB AL,HSI_STATUS ；讀取第一個(gè)事件狀態(tài) LD BX,HSI_TIME；讀取第一個(gè)事件的時(shí)間 TESTA1: JBC IOS1,7,TESTA1；查保持寄存器是否加載 LD CX,HSI_TIME；讀取第二個(gè)事件的時(shí)間值 TESTA2: JBC IOS1,7,TESTA2 LD DX,HSI_TIME；讀取第三個(gè)事件的時(shí)間值 JBS AL,1,CALHI ；第一個(gè)事件發(fā)生時(shí)HSI.0為高電平則轉(zhuǎn)移 SUB LTIMEA,CX,BX；計(jì)算低電平持續(xù)時(shí)間 SUB HTI

41、MEA,DX,CX；計(jì)算高電平持續(xù)時(shí)間 SJMP GETPERACALHIA: SUB HTIMEA,CX,BX；計(jì)算高電平持續(xù)時(shí)間 SUB LTIMEA,DX,CX；計(jì)算低電平持續(xù)時(shí)間GETPERA: ADD PERIODA,HTIMEA,LTIMEA；計(jì)算周期 LD FREQA, #0001H DIV FREQA, PERIOD ; 計(jì)算電網(wǎng)的頻率 LD GX, #1000H ST FREQA, ；存儲(chǔ)電網(wǎng)的頻率 CLR AX LDB HSI_MODE,#03H ;置工作方式3,脈沖的正、負(fù)跳均為觸發(fā)事件 LDB IOC0,#04H ；選擇HSI.1引腳 TESTB: JBC IOS1,7

42、,TESTB ；查保持寄存器是否加載，若否，則重新查詢 LDB AL,HSI_STATUS ；讀取第一個(gè)事件狀態(tài) LD BX,HSI_TIME；讀取第一個(gè)事件的時(shí)間 TESTB1: JBC IOS1,7,TESTB1；查保持寄存器是否加載 LD CX,HSI_TIME；讀取第二個(gè)事件的時(shí)間值 TESTB2: JBC IOS1,7,TESTB2 LD DX,HSI_TIME；讀取第三個(gè)事件的時(shí)間值 JBS AL,1,CALHI ；第一個(gè)事件發(fā)生時(shí)HSI.0為高電平則轉(zhuǎn)移 SUB LTIMEB,CX,BX；計(jì)算低電平持續(xù)時(shí)間 SUB HTIMEB,DX,CX；計(jì)算高電平持續(xù)時(shí)間 SJMP GETP

43、ERBCALHIB: SUB HTIMEB,CX,BX；計(jì)算高電平持續(xù)時(shí)間 SUB LTIMEB,DX,CX；計(jì)算低電平持續(xù)時(shí)間GETPERB: ADD PERIODB,HTIMEB,LTIMEB；計(jì)算周期 LD FREQB, #0001H DIV FREQB, PERIODB ; 計(jì)算發(fā)電機(jī)的頻率 LD HX, #1800H ST FREQB, ；存儲(chǔ)發(fā)電機(jī)的頻率 CMP FREQB, FREQA ；比較電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的頻率 JH TCD1；發(fā)電機(jī)頻率大于電網(wǎng)頻率 JE TCD2；發(fā)電機(jī)頻率等于電網(wǎng)頻率 LDB PORT2， #21H；發(fā)電機(jī)頻率小于電網(wǎng)頻率，燈亮 SJMP TAB2TCD1:

44、 LDB PORT2， #20H；燈亮 SIMP TAB2；頻率不滿足，重新檢測 TCD2: LDB AD_COMMAND, #0FH NOP NOP CLR AXADBUSY3: JBS AD_RESULT, 3, ADBUSY4 LDB AH, AD_RSULT_HI LDB AL, AD_RESULT_LO；相角差的轉(zhuǎn)換 CMP AX #0008H；相角差是否小于度 JH TCD2；相角差不滿足，重新檢測 LDB HS0_COMMAND, #20H；相角差滿足，發(fā)出合閘信號(hào) ADD HSO_TIME, TIMER1, #0003HHERE: SJMP HERE END ；結(jié)束總結(jié)及心得 單片機(jī)課程設(shè)計(jì)終于順利完成了