单片机原理及接口技术课程设计(电力参数检测装置设计).doc

i 辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 单片机原理及接口技术单片机原理及接口技术 课程设计课程设计 题目：题目： 电力参数检测装置设计电力参数检测装置设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 电气电气 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 冮明颖冮明颖 （签字） 起止时间：起止时间：2012015 5.06.22-201.06.22-2015 5.0707.0505 本科生课程设计（论文） ii 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：电气教研室 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 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：设计任务： 1. cpu 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：技术参数： 1电流上限值 100a 2工作电源 220v 设计要求设计要求： 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 3-4 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 本科生课程设计（论文） iii 摘 要 随着时代跟科技的发展，电能在我们日常生活中扮演着越来越重要的角色。 我们做什么事都与电分不开联系。故此，对于电流的测量在我们的社会生活中就 有着非常重大的意义。故此本实验选择了 89c51 单片机作为的电力运行参数测量 装置，此装置采用单片机作为测控核心。要求其能够自动完成电力供电线路的参 数测定、运算和显示并且在电流超过限定值时完成报警。 本文对于运用 89c51 芯片对于电力参数的测量有详细的介绍，并通过 protle99 软件来绘制系统原理图，在将系统图连接好并且确定各器件完好且正常 运行的情况下。详细介绍了从输入 380v 三相交流电到实时反映电流的有效值， 这一系列的运行状态。还解决了原有电力参数检测装置，反应速度慢，显示不精 确，效率不高等缺点。 关键词：电力参数；检测装置；89c51 本科生课程设计（论文） iv 目 录 第 1 章 绪论 1 1.1 电力参数检测装置概况 .1 1.2 本文研究内容 .1 第 2 章 cpu 最小系统设计.2 2.1 电力参数监测装置总体设计方案 .2 2.2 cpu 的选择 3 2.3 数据存储器扩展 .4 2.4 复位电路设计 .5 2.5 时钟电路设计 .6 2.6 cpu 最小系统图 7 第 3 章 电力参数检测装置输入输出接口电路设计 8 3.1 电力参数检测装置传感器的选择 .8 3.2 电力参数检测装置检测接口电路设计 .8 3.2.1 a/d 转换器选择8 3.2.2 模拟量检测接口电路图.9 3.3 电力参数检测装置输出接口电路设计 .9 3.4 人机对话接口电路设计 10 第 4 章 电力参数检测装置软件设计 .12 4.1 软件实现功能综述 12 4.2 流程图设计 12 4.2.1 主程序流程图设计.12 4.2.2 模拟量检测流程图设计.13 4.3 程序清单 .14 第 5 章 系统设计与分析 .19 5.1 系统原理图 19 5.2 系统原理综述 19 5.3 软件调试结果 20 本科生课程设计（论文） v 第 6 章 课程设计总结 .21 参考文献 22 本科生课程设计（论文） 0 第 1 章 绪论 1.1 电力参数检测装置概况 当今社会随着的电能的普及，电能走入我们家庭跟生活的同时也在改变着我 们的生活。时至今日，电作为一种最重要的能源跟我们的工作、生活紧密地联系 着，可以这么说，如果没有了电，人类社会就不能正常地运转，整个社会就会混 乱。电作为这么重要的能源，如何来计量它就具有了重要的意义。 大多数的电力参数测量系统，多采用 8051、80c196 等普通单片机作为微控制 器。由于其指令周期长、在高速采样和实时性方面受到一定的限制。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。 同时随着电子科技水平的不断进步与完善，c8051f020 单片机技术体现了单 片机集多种器件(包括看门狗，flash 程序存储器，同、异步串行口，a/d 转换 器，定时器，计数器等)和多种功能(增强可靠性的复位系统、降低功耗抗干扰的 休眠模式、品种多门类全的中断系统、具输入捕获和比较匹配输出等多样化功能 的定时器、计数器)于一身。 1.2 本文研究内容 要求对 380v 的三相交流电流进行实时监测，并显示其有效值。再将信号通 过模数转换器转换为数字量并供给给 89c51 单片机。单片机再对信号进行分析如 果电流大于 100a，则单片机发出报警。还需要完成装置的设计和软硬件调试， 在论文中以流程图、原理图、程序等形式详细介绍了装置电压电流采样、数据采 集计算、键盘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，使 89c51 单片机的诸多特点得到更好的应用，通过实际调试总结了装置 中误差存在的硬件和软件原因，考虑到装置自身功能跟性价比，并提出了减小误 差的方案。 本科生课程设计（论文） 1 第 2 章 cpu 最小系统设计 2.1 电力参数检测装置总体设计方案 电力参数检测装置总体设计 如图 2.1 89c51 晶振模块 复位模块 电流检测模块 报警系统 显示模块 图 2.1 总设计系统框图 （1）晶振模块：为单片机提供时钟信号。 （2）复位模块：将单片机程序计数器清零。 （3）显示模块：显示电流。 （4）报警系统：当电流值超过了允许值时，报警系统会发出报警。 本科生课程设计（论文） 2 2.2cpu 的选择 对于本设计我们选择 89c51 单片机为 cpu，因为 89c51 在编程中用途更广泛， 在开发、修改程序方面优于同类单片机，并且其与各大公司的 mc-51 系列单片机 兼容。 89c51 内部资源： （1）片内 4kb flash rom 程序存储器。 （2）5 个中断源，2 个中断优先级。 （3）21 个特殊功能寄存器。 （4）2 个 16 位的定时/计数器。 （5）有 4 个并行 i/o 接口分别为 p0、p1、p2 和 p3 口，每个 i/o 接口有 8 条可单独编程的 i/o 线。 （6）128b 片内数据存储器。 （7）可编程串行口。 引脚可分为如下 3 类： （1）电源及时钟引脚：vcc、vss、xtal1、xtal2。 （2）控制引脚：psen、ale、ea、reset（rst）。 （3）i/o 口引脚：p0、p1、p2、p3，为四个 8 位 i/o 口的外部引脚。 89c51 芯片的 i/o 口： （1）p0 口：p0 口有两个用途，一是作普通 i/o 口使用；二是作低 8 位地址 数据总线使用。 （2）p1 口：p1 口只做作普通 i/o 使用。 （3）p2 口：p2 口有两个用途，一是作为普通 i/o 口使用；二是作高 8 位地 址线。 （4）p3 口：p3 口是一个多功能端口，除了有准双向 i/o 功能外，还具有第 二功能。 本科生课程设计（论文） 3 引脚图如下： 图 2.2 89c51 引脚图 2.3 数据存储器的扩展 虽然单片机拥有 cpu，ram，rom，i/o 接口和定时/计数器，但是单片机内的 ram，rom 跟定时/计数器等资源往往很有限，并不能满足单片机在实际应用时对 于所有情况的要求，因此我们需要对单片机的存储资源进行扩展。 本文选用的数据存储器为静态 ram6264，地址锁存器为 74ls373。 其优点是写速度高，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。 本科生课程设计（论文） 4 图 2.3 数据存储器扩展 2.4 复位电路设计 复位电路是一种用来使电路恢复到起始状态的电路设备，它的操作原理与计 算器有着异曲同工之妙，只是启动原理和手段有所不同。 对于单片机程序来说，复位电路的存在是非常重要且必要的。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。 复位电路，就是利用它把电路恢复到起始状态。就像计算器的清零按钮的作 用一样，以便回到原始状态，重新进行计算。和计算器清零按钮有所不同的是， 复位电路启动的手段有所不同。一是在给电路通电时马上进行复位操作；二是在 必要时可以由手动操作；三是根据程序或者电路运行的需要自动地进行。复位电 路都是比较简单的大都是只有电阻和电容组合就可以办到了。再复杂点就有三极 管等等配合程序来进行了。 当单片机需要复位时，必须依靠外部复位电路来提供脉冲，在复位有效期间， ale 和 psen 引脚输出高点平。在时钟电路工作后，单片机得到 reset 引脚上出现 24 个时钟脉冲以上的高电平，单片机就能实现复位。 本科生课程设计（论文） 5 图 2.4 复位电路 2.5 时钟电路设计 时钟电路就是产生象时钟一样准确的振荡电路。任何工作都按时间顺序。用 于产生这个时间的电路就是时钟电路。时钟电路的作用是产生可以使单片机工作 的时间信号。 时钟信号可以由内部产生也可以由外部产生。89c51 单片机内部有一个高增 益反向放大器，用于构成片内振荡器，xtal1 和 xtal2 两个引脚分别是此放大器 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 2.5 所示。 而当 cpu 系统外接晶振时，c3 和 c4 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。 图 2.5 晶振电路 本科生课程设计（论文） 6 2.6cpu 最小系统图 图 2.6 最小系统图 本科生课程设计（论文） 7 第 3 章 电力参数检测装置输入输出接口电路设计 3.1 电力参数检测装置传感器的选择 本文要求的输入电流为 380v 三项交流电，所以为了保证电力系统安全经济 的运行，同时对电力设备的运行情况进行监视和测量，需要在系统中加入电流互 感器。在此我选择 gb1208-2006 电流互感器。 因为一般的测量和保护装置不能直接接入一次高压设备，而需要将输入的大 电流按比例经电流互感器变换成小电流，才可以供给测量仪表和保护装置。在测 量交变电流的大电流时，就需要电流互感器来进行电流的升降，线路上起初的电 流较大，所以是不可以直接测量线路上的电压的。电流互感器就起到变流和电气 隔离作用，其对于保护系统安全起着十分重要的作用。 3.2 电力参数检测装置检测接口电路设计 3.2.1 a/d 转换器的选择 a/d 转换器即是我们常说的模数转换器，简称为 adc，指将一个模拟信号转 变为数字信号的电子元件。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相 对大小。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常 见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于 参考信号的大小。 本文的模数转换器选用 adc0832，它拥有体积小，性价比高，兼容性强等优 点。 adc0832 具有以下特点： （1）8 位分辨率。 （2）双通道 a/d 转换。 （3）输入输出电平与 ttl/cmos 相兼容。 （4）5v 电源供电时输入电压在 05v 之间。 （5）工作频率为 250khz，转换时间为 32s； 一般功耗仅为 15mw。 （6）8p、14pdip（双列直插）、picc 多种封装。 本科生课程设计（论文） 8 3.2.2 模拟量检测接口电路图 图 3.1 模拟量检测接口 3.3 电力参数检测装置输出接口电路设计 图 3.2 输出接口电路 本科生课程设计（论文） 9 3.4 人机对话接口电路设计 3.4.1 按键设计 根据单片机的电流检测系统的工作要求，需要用按键电路来控制调整电流上 限。如图 3.3。 图 3.3 按键电路 3.4.2 数码显示电路设计 数码管显示电路由位驱动电路和段驱动电路两部分组成。由多个发光二极管 封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各 个笔划，公共电极。数码管实际上是由七个发光管组成 8 字形构成的，加上小数 点就是 8 个。这些段分别由字母 a,b,c,d,e,f,g,dp 来表示。 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 3.3 所示，p0 口作为段码输出信号需 外接上拉电阻。 本科生课程设计（论文） 10 图 3.4 数码显示电路 3.4.3 报警电路设计 报警电路的作用是当电流达到或超过上限时进行报警，报警电路与单片机的 p2.3 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。 本科生课程设计（论文） 11 图 3.5 报警电路 第 4 章 电力参数检测装置软件设计 4.1 软件实现功能综述 本实验的要求是对于 380v 三相电流的监测。由 89c51 单片机、传感器、a/d 转换器、数码显示器组成的控制系统，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，在传输电流时利用 a/d 转换器将模拟信 号转换为数字信号。然后对电流的有效值进行判断，通过 led 显示屏显示电流的 有效值，如果电流有效值大于设定的电流上限，则蜂鸣器会对外报警。 4.2 流程图设计 4.2.1 主程序流程图设计 输入信号通过电流检测模块传送给 89c51 单片机，并利用 a/d 转换器将模拟 信号转换为数字信号，让单片机识别和处理，然后判断电流的大小是否超过设定 的电流上限，即是否报警。 开始 输入信号 模数转换 cpu 识别并处理输入信号 判断电流是否达到上限 返回 报警 是 否 本科生课程设计（论文） 12 图 4.1 主程序流程图 4.2.2 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。 在开始时系统进行初始化，之后输入 ram 操作命令，继而触发存储器操作命 令-进行处理数据。 图 4.2 模拟量检测流程图 开始 系统初始化 adc0832 是否存在 返回 读取电流 ram 操作命令 存储操作命令 是 否 本科生课程设计（论文） 13 4.3 程序清单 dis：mov a，r2 add a，r3 da a add a，r4 da a mov r4，a ；把相加结果存放 r4 中 mov 21h，#00h ；置循环显示初值 hdisp：mov a，r4 anl a，#0f0h orl a，#07h ；选通高位数码管 mov p2，a ；送显高位 acall delad2 ；延时 mov a，r4 anl a，#0fh swap a orl a，#0bh ；选通低位数码管 mov p2，a ；送低位 acall delad2 ；延时 inc 21h mov a，#0fh xrl a，21h jz b1 ；循环显示完否 sjmp hdisp ；未完继续 b1：ret ；显示完返回 org 0000h start：mov p1，#0f0h ；关闭两片 89c51 mov r3，#0d0h ；对第一片 89c51 送控制字 mov 20h，#02h 本科生课程设计（论文） 14 m1：mov a，r3 acall read ；调用读数子程序 jz n1 acall m2 ；调用核对子程序 n1：mov a，r1 inc a mov r1，a acall read jz n2 acall m2 n2：mov a，r1 inc a mov r1，a acall read jz n3 acall m2 n3：mov a，r1 inc a mov r1，a acall read jz n4 acall m2 n4：mov r3，#0b0h ；第二片 89c51 送控制字 mov a，02h dec a jnz m1 sjmp start ；巡回检测 read：mov p1，a ；送控制字 clr p1.4 orl p1，#0fh mov a，p1 ；读数据 setb p1.4 anl a，#0fh 本科生课程设计（论文） 15 ret ；子程序返回 m2：mov r0，a lcall delad1 mov a，r1 xrl a，r0 ；核对比较。 jnz m22 acall tltc ；调用查找报警点子程序 m22：ret tltc：mov a，r1 ；查找报警点位于哪个口 anl a，#0fh mov r7，a mov r2，#00h l1：mov a，r7 jnz l2 mov r2，#04h l2：mov a，r7 jnz l3 mov r2，#08h l3：mov a，r7 xrl a，#03h mov r2，#12h ll3：mov a，r1 ；查找报警点在哪片 89c51 anl a，#0f0h rlc a jc l4 mov r3，#16h l4：rlc a jc l5 mov r3，#00h l5：mov a，r0 ；查找是哪个点报警 rrc a mov r0，a jnc l6 mov r4，#01h 本科生课程设计（论文） 16 lcall dis l6：mov a，r0 rrc a mov r0，a jnc l7 mov r4，#02h lcall dis l7：mov a，r0 rrc a mov r0，a jnc l8 mov r4，#03h lcall dis l8：mov a，r0 rrc a jnc l9 mov r4，#04h lcall dis dis：mov a，r2 ；显示报警 add a，r3 da a add a，r4 da a mov r4，a orl a，#07h mov p2，a acall delad2 anl a，#0fh swap a orl a，#0bh mov p2，a acall delad5 inc 21h mov a，#0ffh 本科生课程设计（论文） 17 jz b1 b1：ret delad1：mov r5，#04h ；延时子程序 1 delad2：mov r6，#0f0h delad3：mov r7，#0f7h delad4：nop nop djnz r7，delad4 djnz r6，delad3 djnz r5，delad2 delad5：mov r5，#02h ；延时子程序 2 delad6：mov r6，#0ffh djnz r6，$ djnz r5,delad6 ret 本科生课程设计（论文） 18 第 5 章 系统设计与分析 5.1 系统原理图 图 5.1 系统原理图 5.2 系统原理综述 本科生课程设计（论文） 19 系统输入的需要进行检测的电流为 380v 的三相电流，输入的 380v 三相电流 经电流互感器的转化之后，再将其传给模数转换器 adc0832，adc0832 会将输入 的模拟量信号转换为数字量信号，转换完之后再将电流传送给 89c51 单片机。 89c51 单片机对电流进行分析处理，再通过 led 屏将数字量电流信号显示出来， 若 led 屏内的电流值大于 100a，那么 89c51 单片机会通过报警系统发出警报