電力參數(shù)檢測裝置設(shè)計

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學單片機原理及接口技術(shù) 課程設(shè)計（論文）題目： 電力參數(shù)檢測裝置設(shè)計 院（系）： 電氣工程學 專業(yè)班級： 電氣 學 號： 學生姓名： 指導教師： （簽字）起止時間： 課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）：電氣工程學院 教研室： 電氣工程教研室學 號學生姓名專業(yè)班級課程設(shè)計（論文）題目電力參數(shù)檢測裝置設(shè)計課程設(shè)計（論文）任務(wù)該檢測裝置實時監(jiān)測380V三相電流，并實時顯示電流有效值，當電流超過100A時發(fā)出聲光報警。設(shè)計任務(wù)：1. CPU最小系統(tǒng)設(shè)計（包括CPU選擇，晶振電路，復位電路）2. 電流互感器選擇及模擬量接口電路設(shè)計3. 電源電路及聲光報警電路設(shè)計4 . 程序流程圖設(shè)計

2、及程序清單編寫技術(shù)參數(shù)：1電流上限值100A2工作電源220V設(shè)計要求：1、分析系統(tǒng)功能，盡可能降低成本，選擇合適的單片機、AD轉(zhuǎn)換器、輸出電路等；2、應(yīng)用專業(yè)繪圖軟件繪制硬件電路圖和軟件流程圖；3、按規(guī)定格式，撰寫、打印設(shè)計說明書一份，其中程序開發(fā)要有詳細的軟件設(shè)計說明，詳細闡述系統(tǒng)的工作過程，字數(shù)應(yīng)在4000字以上。進度計劃第1天 查閱收集資料第2天 總體設(shè)計方案的確定第3-4天 CPU最小系統(tǒng)設(shè)計 第5天 電流互感器及接口電路設(shè)計 第6天電源電路以及聲光報警電路設(shè)計第7天 程序流程圖設(shè)計第8天 軟件編寫與調(diào)試第9天 設(shè)計說明書完成第10天 答辯指導教師評語及成績 平時： 論文質(zhì)量： 答辯

3、： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日摘 要電流的檢測在人們的生產(chǎn)和生活的過程中都是十分普遍的，特別是當電流量是模擬信號時，給人們的檢測帶來了許多的不變， 因此如何來計量它就具有重要的現(xiàn)實意義。本文主要介紹了一種基于89C51單片機的電力運行參數(shù)測量裝置，該裝置采用單片機作為測控核心，能夠自動完成電力供電線路的參數(shù)測定、運算和顯示。本文詳細介紹了電力參數(shù)的測量方法，并通過制圖軟件繪制了系統(tǒng)原理圖完成了裝置的設(shè)計和各部分功能軟硬件調(diào)試，著重介紹了裝置電流采樣、數(shù)據(jù)采集計算、顯示處理單元的功能實現(xiàn)過程，并總結(jié)了每個單元調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的問題。解決了原有電力參數(shù)檢測裝置的功率損耗大，參數(shù)顯示不精確，

4、反應(yīng)速度慢的缺點。關(guān)鍵詞：89C51；電力參數(shù)；數(shù)據(jù)采集顯示；檢測裝置目 錄第1章 緒論11.1 電力參數(shù)檢測概況11.2 本文研究內(nèi)容11.完成功能：11.3 電力參數(shù)檢測裝置總體設(shè)計方案2第2章 最小CPU系統(tǒng)32.1 數(shù)據(jù)存儲器擴展32.2 復位電路設(shè)計42.3 時鐘電路設(shè)計52.4 CPU最小系統(tǒng)圖6第3章 電力參數(shù)檢測裝置輸入輸出接口電路設(shè)計73.1 電力參數(shù)檢測裝置傳感器的選擇73.2 電力參數(shù)檢測裝置檢測接口電路設(shè)計73.2.1 A/D轉(zhuǎn)換器選擇73.3 人機對話接口電路設(shè)計83.3.1 LED顯示電路8 數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計93.4 報警電路的設(shè)計103.5 電流有效值計算10

5、第4章 電力參數(shù)檢測裝置軟件設(shè)計114.1 軟件實現(xiàn)功能綜述114.2 流程圖設(shè)計11 模擬量檢測流程圖設(shè)計12第5章 系統(tǒng)設(shè)計與分析135.1 系統(tǒng)原理圖135.2 系統(tǒng)原理綜述145.3 軟件調(diào)試結(jié)果145.4 程序清單14第6章 課程設(shè)計總結(jié)19參考文獻20第1章 緒論1.1 電力參數(shù)檢測概況在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，電能的質(zhì)量越來越受到重視。電網(wǎng)電壓、電流的過高或過低，都會影響到電器設(shè)備的正常使用和使用壽命。應(yīng)用于電力系統(tǒng)的電力參數(shù)實時監(jiān)測功能，在變電站一級一般都由遠動裝置來實現(xiàn)；而在日常生活中，一般只是利用電能表進行電量的計量，其原理是通過將有功功率對時間的積分來計算有功電能。目前，我

6、國主要使用的電能表有兩種：一種是感應(yīng)式機械電能表：另一種是隨著電子工業(yè)的發(fā)展而出現(xiàn)的電子式電能表，它是利用電流和電壓作用于固態(tài)電子器件產(chǎn)生電能輸出量的電能計量儀表。機械式電能表由于其穩(wěn)定性和精度都不高，隨著電力市場改革的不斷深入，我國在各級電能計量系統(tǒng)的建立中，大部分已將機械式電能表更新為電子式電能表。 1.2 本文研究內(nèi)容1.完成功能：需要監(jiān)測的三相電流經(jīng)電流互感器變壓變流給模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0833，把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再把轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量供給89C51單片機。89C51單片機對數(shù)字量分析處理把當前的電流有效值大小通過鎖存器給LED顯示出來。如果電流有效值大于100A，則89C51單片機通過

7、報警系統(tǒng)對外發(fā)出警報。2.設(shè)計任務(wù):此次所設(shè)計的電流參數(shù)檢測裝置嚴格的按照所要完成的功能、本身的實用性、器件本身的性價比，進行系統(tǒng)的整體方案設(shè)計。包括以下內(nèi)容1. CPU最小系統(tǒng)設(shè)計（包括CPU選擇，晶振電路，復位電路）2. 電流互感器選擇及模擬量接口電路設(shè)計3. 電源電路及聲光報警電路設(shè)計4 . 程序流程圖設(shè)計及程序清單編寫 1.3 電力參數(shù)檢測裝置總體設(shè)計方案數(shù)字電壓表總體方案設(shè)計如圖1.1所示： 圖1.1 總體方案設(shè)計圖1) 顯示模塊是顯示電壓。2) 時鐘電路是給單片機提供時鐘信號。3) 復位電路的作用是使單片機的程序計數(shù)器清零。第2章 最小CPU系統(tǒng)AT89C51是一可編程可

8、擦除只讀存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓微處理器，俗稱單片機。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。圖1.2 89c512.1 數(shù)據(jù)存儲器擴展如前所述，單片機的芯片內(nèi)集成了CPUROMRAM定時/計數(shù)器和并行I/O接口，已經(jīng)具備了很強的功能，一片單片機基本上就是一臺計算機。但是，單片機內(nèi)部的ROMRAM的容量定時器I/O接口和中斷源等資源往往有限，在實際應(yīng)用中通常不夠用，

9、因此需要對單片機的資源進行擴展。需要擴展的是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。單片機內(nèi)部雖然有一定數(shù)量的存儲器，但常常不能滿足實際需要，因此要求從外部進行擴展。常用的外部數(shù)據(jù)存儲器有靜態(tài)RAM（static Random Access Memory）和動態(tài)RAM（Dynamic Random Access Memory）兩種。前者讀/寫速度高，一般都是8位寬度，易于擴展，且大多數(shù)與相同容量的EPROM引腳兼容，有利于印刷板電路設(shè)計，使用方便；缺點是集成度低，成本高，功耗大。后者集成度高，成本低，功耗相對較低；缺點是需要增加一個刷新電路，附加另外的成本。本文采用ERROM6264 和地址鎖存器74LS37

10、3（如圖1.3所示）圖1.3 CPU與數(shù)據(jù)存儲器的硬件原理圖2.2 復位電路設(shè)計復位操作可以使單片機初始化，也可以使死機狀態(tài)下的單片機重新啟動，因此非常重要。單片機的復位都是靠外部復位電路來實現(xiàn)得，在時鐘電路工作后，只要在單片機得RESET引腳上出現(xiàn)24個時鐘脈沖（兩個機器周期）以上的高電平，單片機就能實現(xiàn)復位。為了保證系統(tǒng)可復位，在設(shè)計復位電路時，一般使RESET引腳保持100ms以上的高電平，單片機便可以可靠地復位。當RESET從高電平變?yōu)榈碗娖揭院?，單片機從0000H地址開始執(zhí)行程序。在復位有效期間，ALE和PSEN引腳輸出高點平。該設(shè)計采用的是按健電平復位電路，使用比較方便，在此復位電

11、路中，干擾易串入復位端，在大多數(shù)情況下不會造成單片機的錯誤復位，但會引起內(nèi)部某些寄存器錯誤復位。在RESET復位引腳上接一個去耦電容。在程序跑飛時，可以手動復位，按下按鍵后，使RESET端產(chǎn)生高電平，按鍵時間決定復位時間，這樣就不用在重起單片機電源，就可以實現(xiàn)復位。如圖1.4：圖1.4按鍵脈沖復位2.3 時鐘電路設(shè)計時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作所需的時間信號。時鐘信號可以有兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。89C51單片機內(nèi)部有一個高增益反向放大器（及與非門的一個輸入端編程為常有效時），用于構(gòu)成片內(nèi)振蕩器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。在XTAL1和XTAL2

12、兩端跨接晶體或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，其發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時鐘發(fā)生器，如圖2.5所示。外接晶振時，C1和C2值通常選擇為30pF左右；外接陶瓷諧振器時，C1和C2可穩(wěn)定頻率并對振蕩頻率有微調(diào)作用，振蕩頻率范圍是0到24MHz。為了減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定可靠的工作，諧振器和電容應(yīng)盡可能安裝的與單片機芯片可靠。內(nèi)部時鐘發(fā)生器實質(zhì)上是一個二分頻的觸發(fā)器，其輸出是單片機工作所需的時鐘信號。2.4 CPU最小系統(tǒng)圖CPU最小系統(tǒng)見圖1.6：第3章 電力參數(shù)檢測裝置輸入輸出接口電路設(shè)計3.1 電力參數(shù)檢測裝置傳感器的選擇由于檢測裝置實時監(jiān)測380V三相電流，所以要接入電流互感

13、器。電流互感器的作用為了保證電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行，必須對電力設(shè)備的運行情況進行監(jiān)視和測量。但一般的測量和保護裝置不能直接接入一次高壓設(shè)備，而需要將一次系統(tǒng)的大電流按比例變換成小電流，供給測量儀表和保護裝置使用。在測量交變電流的大電流時，為便于二次儀表測量需要轉(zhuǎn)換為比較統(tǒng)一的電流（我國規(guī)定電流互感器的二次額定為5A或1A），另外線路上的電壓都比較高如直接測量是非常危險的。電流互感器就起到變流和電氣隔離作用。 它是電力系統(tǒng)中測量儀表、繼電保護等二次設(shè)備獲取電氣一次回路電流信息的傳感器，電流互感器將高電流按比例轉(zhuǎn)換成低電流，電流互感器一次側(cè)接在一次系統(tǒng)，二次側(cè)接測量儀表、繼電保護等。3.2 電力參數(shù)

14、檢測裝置檢測接口電路設(shè)計3.2.1 A/D轉(zhuǎn)換器選擇現(xiàn)實世界的物理量都是模擬量，能把模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量的器件稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D轉(zhuǎn)換器），A/D轉(zhuǎn)換器是單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵接口電路，按照各種A/D芯片的轉(zhuǎn)化原理可分為逐次逼近型，雙重積分型等等。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器具有抗干擾能力強、轉(zhuǎn)換精度高、價格便宜等優(yōu)點。與雙積分相比，逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換速度更快，而且精度更高，比如ADC0809、ADC0832等，它們通常具有8路模擬選通開關(guān)及地址譯碼、鎖存電路等，它們可以與單片機系統(tǒng)連接，將數(shù)字量送到單片機進行分析和顯示。一個n位的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器只需要比較n次，轉(zhuǎn)換時間只取決于位數(shù)

15、和時鐘周期，逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快，因而在實際中廣泛使用。ADC0832 是美國國家半導體公司生產(chǎn)的一種 8 位分辨率、雙通道 A/D 轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，兼容性強，性價比高而深受單片機愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。本設(shè)計采用精密采樣電阻（9歐、0.9歐、0.09歐、0.01歐），電阻精度可達0.1%可忽略；八位A/D精度為5/256（V）;對于100A的總量程精度可達0.1%，因而方案可達設(shè)計要求。ADC0832 具有以下特點： 8 位分辨率； 雙通道 A/D轉(zhuǎn)換； 輸入輸出電平與 TTL/CMOS 相兼容； 5V 電源供電時輸入電壓在 05V 之間； 工作頻率為

16、 250KHZ，轉(zhuǎn)換時間為 32S； 一般功耗僅為 15mW； 8P、14PDIP（雙列直插）、PICC 多種封裝； 商用級芯片溫寬為0°C to +70°C，工業(yè)級芯片溫寬為- 40°C to +85°C；芯片接口說明:l CS_ 片選使能，低電平芯片使能； l CH0 模擬輸入通道 0，或作為 IN+/-使用； l CH1 模擬輸入通道 1，或作為 IN+/-使用； l GND 芯片參考 0 電位（地）；l DI 數(shù)據(jù)信號輸入，選擇通道控制； l DO 數(shù)據(jù)信號輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出； l CLK 芯片時鐘輸入；l Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入

17、（復用）3.3 人機對話接口電路設(shè)計3.3.1 LED顯示電路圖2.3LED顯示電路本文通過3塊LED顯示屏，將AD轉(zhuǎn)換電路得到值顯示出來，即為當前電流的大小3.3.2 數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計數(shù)碼管顯示電路由段驅(qū)動電路和位驅(qū)動電路組成。由于單片機的并行口不能驅(qū)動數(shù)碼管顯示器，必須采用專門的驅(qū)動電路芯片，使之產(chǎn)生足夠大的電流，顯示器才能正常工作。如果驅(qū)動電路能力差，即負載能力不夠，顯示器亮度就低，而且驅(qū)動電路長期在超負荷下運行容易損壞。本系統(tǒng)采用并行驅(qū)動動態(tài)顯示。采用單片機P2口的低3位作為數(shù)碼管的位碼輸出信號，P0口作為段碼輸出信號。該驅(qū)動電路如圖2.3所示，P0口作為段碼輸出信號需外接上拉電阻

18、。由圖2.4可以看到，原理圖中用3個三極管作為數(shù)碼管的位驅(qū)動。圖2.4 數(shù)碼顯示電路圖3.4 報警電路的設(shè)計當電流達到或超過上限是就會報警，報警電路與單片機的P2.3口相連當單片機輸出一個低電平時，蜂鳴器就會發(fā)出報警信號，說明電流已經(jīng)超過規(guī)定的上限值，外部輸出設(shè)備應(yīng)該啟動進行相應(yīng)的措施。只用在人按下復位按鈕或電路在允許的范圍內(nèi)報警電路就不會觸動。 圖2.5 報警電路圖3.5 電流有效值計算電力參數(shù)的準確、快速測量對于實現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度自動化、保證電網(wǎng)安全與經(jīng)濟運行具有十分重要的意義。電網(wǎng)頻率并不是固定不變的，而是在50Hz附近波動。傳統(tǒng)的直流采樣算法不能及時反映被測量的突變，精度與穩(wěn)定度受變送器的影

19、響很大，己逐漸不能滿足系統(tǒng)的需要。隨著人們對測量精度、性能的要求越來越高，在目前應(yīng)用于電力系統(tǒng)的各種測量控制儀表中，交流采樣就越來越受人們的青睞。交流采樣是按照一定的規(guī)律對被測物理量的瞬時值進行采樣，用一定的算法計算出被測物理量的有效值。目前國內(nèi)外已經(jīng)提出和實現(xiàn)了許多交流采樣的算法。由于采用的具體原理不同，在硬件軟件的配置上也不一樣，以致系統(tǒng)的精度和造價也不一樣。在應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實際情況選擇最適宜的交流采樣算法。第4章 電力參數(shù)檢測裝置軟件設(shè)計4.1 軟件實現(xiàn)功能綜述本實驗要實現(xiàn)的是對380V三相電流實時監(jiān)測裝置。由89C51單片機和其他一些器件組成的控制系統(tǒng)，要實現(xiàn)的軟件功能是將線路中的電流信

20、息通過電流檢測模塊傳送給89C51單片機，途中利用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，讓單片機識別，并顯示。然后對電流進行判斷，通過顯示模塊顯示電流的有效值，如果電流有效值大于設(shè)定的允許值，則對外報警。4.2 流程圖設(shè)計主程序流程圖設(shè)計電流信號通過電流檢測模塊傳送給89C51單片機，途中利用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，讓單片機識別，并處理，然后電流大小進行判斷，超過允許值進行報警。圖3.1主程序流程圖4.2.1 模擬量檢測流程圖設(shè)計每次對ADC0832操作時要按造ADC0832工作過程中的協(xié)議進行。初始化-> ROM操作命令-> 存儲器操作命令-> 處理數(shù)據(jù) 程序

21、流程圖如圖4.2圖3.2模擬量檢測流程圖第5章 系統(tǒng)設(shè)計與分析5.1 系統(tǒng)原理圖圖4.1系統(tǒng)原理電路圖 5.2 系統(tǒng)原理綜述需要監(jiān)測的三相電流經(jīng)電流互感器變壓變流給模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0833，把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再把轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量供給89C51單片機。89C51單片機對數(shù)字量分析處理把當前的電流有效值大小通過鎖存器給LED顯示出來。如果電流有效值大于100A，則89C51單片機通過報警系統(tǒng)對外發(fā)出警報。5.3 軟件調(diào)試結(jié)果分別調(diào)試各子模塊：按鍵掃描及處理模塊，顯示模塊，電流采樣控制模塊，當各子模塊調(diào)試正常后再將各子模塊及主模塊全部匯編連接成目標文件，再將目標代碼下載到單片機中進行統(tǒng)一調(diào)試 。各

22、單元均調(diào)通后，進行整機調(diào)試，其過程如下：將調(diào)試好的模塊連接在一起，加380V交流電在變壓器兩端，用單片機進行調(diào)試，對每一模塊的功能進行檢測。調(diào)試成功則證明整個系統(tǒng)能夠正常工作。5.4 程序清單程序編譯DIS：MOV A，R2 ；ADD A，R3 DA AADD A，R4DA AMOV R4，A ；把相加結(jié)果存放R4中MOV 21H，#00H ；置循環(huán)顯示初值HDISP：MOV A，R4ANL A，#0F0HORL A，#07H ；選通高位數(shù)碼管MOV P2，A ；送顯高位ACALL DELAD2 ；延時MOV A，R4ANL A，#0FHSWAP AORL A，#0BH ；選通低位數(shù)碼管MOV

23、 P2，A ；送顯低位ACALL DELAD2 ；延時INC 21HMOV A，#0FHXRL A，21HJZ B1 ；循環(huán)顯示完否SJMP HDISP ；未完繼續(xù)B1：RET ；顯示完返回ORG 0000HSTART：MOV P1，#0F0H ；關(guān)閉兩片89C51MOV R3，#0D0H ；對第一片89C51送控制字MOV 20H，#02HM1：MOV A，R3ACALL READ ；調(diào)用讀數(shù)子程序JZ N1ACALL M2 ；調(diào)用核對子程序N1：MOV A，R1INC AMOV R1，AACALL READJZ N2ACALL M2N2：MOV A，R1INC AMOV R1，AACALL

24、 READJZ N3ACALL M2N3：MOV A，R1INC AMOV R1，AACALL READJZ N4ACALL M2N4：MOV R3，#0B0H ；第二片89C51送控制字MOV A，02HDEC AJNZ M1SJMP START ；巡回檢測READ：MOV P1，A ；送控制字CLR P1.4ORL P1，#0FHMOV A，P1 ；讀數(shù)據(jù)SETB P1.4ANL A，#0FHRET ；子程序返回M2：MOV R0，ALCALL DELAD1MOV A，R1XRL A，R0 ；核對比較JNZ M22 ACALL TLTC ；調(diào)用查找報警點子程序M22：RETTLTC：MOV

25、 A，R1 ；查找報警點位于哪個口ANL A，#0FHMOV R7，AMOV R2，#00HL1：MOV A，R7JNZ L2MOV R2，#04HL2：MOV A，R7JNZ L3MOV R2，#08HL3：MOV A，R7XRL A，#03HMOV R2，#12HLL3：MOV A，R1 ；查找報警點在哪片89C51ANL A，#0F0HRLC AJC L4MOV R3，#16HL4：RLC AJC L5MOV R3，#00HL5：MOV A，R0 ；查找是哪個點報警RRC AMOV R0，AJNC L6MOV R4，#01HLCALL DISL6：MOV A，R0RRC AMOV R0，AJNC L7MOV R4，#02HLCALL DISL7：MOV A，R0RRC A MOV R0，AJNC L8MOV R4，#03HLCALL DISL8：MOV A，R0RRC AJNC L9MOV R4，#04HLCALL DISDIS：MOV A，R2 ；顯示報警ADD A，R3DA AADD A，R4DA AMOV R4，AORL A，#07HMOV P2，AACALL DELAD2ANL A，#0FHSWAP AORL A，#0BHMOV P2，A ACALL DELAD5INC 21HMOV A，#0FFHJZ B1B1：RETDELAD1：MOV R5，#04H ；