毕业设计（论文）-基于单片机三相电路保护装置的设计.doc

毕 业 设 计题目 基于单片机的三相电路保护装置设计 系别 专业 班级 姓名 学号 指导教师 日期 i目 录1 概述11.1三相保护电路装置的背景11.2 三相保护电路装置的意义11.3 方案的选择12 硬件设计22.1系统介绍22.2设计的硬件结构框图33 软件设计113.1软件设计的总体思路113.2主程序的介绍结构及其功能113.3按键调整123.4液晶显示163.5定时器中断程序194调试结果及数据分析224.1已完成的功能224.2调试过程234.3调试结果254.4更新方向26致 谢27参考文献28附 录29附录a29附录b30iii1 概述1.1三相保护电路装置的背景三相电机在工业生产中是很多机械设备的重要动力来源。在工业生产为保证三相电动机的正常工作，我们必须对电动机电路进行保护。三相电动机的传统保护电路是以断路器、交流接触器、热继电器、自动空气开关等件器组成的电路保护系统。这些经典的三相电动机保凝结着很多人的心血，也为我们的工业生产提供了安全保证，但是随着工业自动化的深入发展，传统的三相电动机保护电路已经不能满足工业自动化生产的要求。1.2 三相保护电路装置的意义目前，工业自动化正向着计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化方向发展。而这次设计的一个目的就是为实现自动化生产打下基础。另外，在设计中使用的是st7920液晶显示器，这种显示器画面显示质量比较高、不会闪烁、显示面积较大降低了眼睛的疲劳程度，且st7920液晶显示器带有中文字库能够更好的、更方便的显示中文，给操作人员监测带来了很大方便。1.3 方案的选择stc12c5a60s2单片机是宏晶科技生产的单时钟，机器周期(1t)的单片机，是高速，低功耗，超强抗干扰的新一代8051 单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12 倍。内部集成max810 专用复位电路,2路pwm,8路高速，10位a/d 转换,针对电机控制，强干扰场合，并且价格便宜。252 硬件设计2.1系统介绍本次设计是围绕着保护三相电动机的安全运行而设计的。stc12c5a60s2单片机三相电路电流测试仪的原理是，自动检测三相电源的电流，并根据电流的大小进行显示和控制。用单片机对三相电源的电流进行采集、处理、显示和控制。首先是电流采集对电源的模拟信号进行采集和处理，传到单片机进行判断，从而控制电源继电器。其次是显示电路（包括二极管显示和lcd液晶显示），它可以根据单片机和按键的控制来显示，它可以显示电流电压的大小、电路是否异常及时间等。复位是计算机的一个重要工作状态。在单片机工作时，接电时要复位，断电后要复位，发生故障后要复位。单片机在开关时都需要复位，以便中央处理器cpu及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机复位的条件是：必须使rst/vpd或rst引脚加上持续两个机器周期(即24个振荡周期)的高电平。若单片机时钟频率为12mhz，则复位脉冲宽度至少应为2us。复位方式有上电复位、手动复位、自动复位三个方式。按键电路本设计采用了3个独立式按键，在整个程序设计中采用了一键多功能的作用，在软件中实现一个按键依据按下次数的不同实现不同的功能。还有采用了循环动态扫描方法在使用时必须反复调用循环显示，在调整时间的按键程序中也应当常调显示子程序。晶振电路：cpu功能总的来说是以不同的方式执行各种命令，不同的指令器功能各异。有的指令涉及cpu各寄存器之间的关系；有的指令涉及单片机核心电路内部各功能部件之间的关系；有的则与外部器件如外部程序存储器发生联系。事实上，cpu是通过复杂的时序电路完成不同指令功能的。所谓时序是指控制器按照指令功能发出一系列在时间上有一定次序的信号，控制和启动一部分电路，完成某种操作。本设计采用外部振荡脉冲输入。本设计是通过电流采集到单片机，通过单片机显示电流的大小来控制继电器的动作，来保护三相电源正常的工作。又通过软件程序和按键来控制显示的内容及调整。图2.1 系统总体框图在整个系统中各部分采用的处理方法如下：三相电动机主电路中的电动机采用降压方式启动；三相电路的电流采集使用三个电流互感器对各相电流进行采集；采集到的电流信号经过处理电路被转换成为单片机可以采样的电压信号；单片机处理部分是对采集到的信号进行分析和处理，并根据处理结果输出控制信号；继电器控制部分接收到单片机的输出控制信号后对主电路进行控制。整个系统构成一个闭环的检测控制系统。2.2设计的硬件结构框图本设计以宏晶的单片机stc12c5a60s2为核心部件，同时还有模拟信号采集系统、按键调整电路、复位电路、晶振电路、程序下载模块、输出控制和st7920 lcd图文显示模块等外围电路组成，其框图如图2.2：图2.2 基于stc12c5a60s2单片机的硬件处理结构图2.2.1按键介绍设计中所用的按键为轻触机械开关，正常情况下按键的接点是断开的，当我们按压按钮时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而机械触点在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，按键的时序如下图2.3所示，抖动时间的长短由按键的机械特性及操作人员按键动作决定，一般为5ms20ms；按键稳定闭合时间的长短是由操作人员的按键按压时间长短决定的，一般为零点几秒至数秒不等。图2.3 按键过程示意图从上面图中我们可以看到，一次完整的击键过程，包含以下5个阶段：1、等待阶段： 此时按键尚未按下，处于空闲阶段。前沿（闭合）抖动阶段：此时按键刚刚按下，但按键信号还处于抖动状态，这个时间一般为520ms。为了确保按键操作不会误动作，此时必须有个前沿消抖动延时。2、键稳定阶段：此时抖动已经结束，一个有效的按键动作已经产生。系统应该在此时执行按键功能；或将按键所对应的键值记录下来，待按键释放时再执行。3、后沿（释放）抖动阶段：一般来说，考究一点的程序应该在这里再做一次消抖延时，以防误动作。但是，如果前面“前沿抖动阶段”的消抖延时时间取值合适的话，可以忽略此阶段。4、按键释放阶段：此时后沿抖动已经结束，按键已经处于完全释放状态。2.2.2复位电路介绍复位是计算机的一个重要工作状态。在单片机工作时，接电时要复位，断电后要复位，发生故障后要复位。单片机复位后单片机内的中央处理器cpu及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机的复位电路有：上电复位电路、手动复位电路和自动复位电路。本次设计所用的复位电路是手动复位，手动复位的电图如图2.4所示：图2.4 手动复位电路2.2.3晶振电路1、晶体振荡器的作用 石英晶体振荡器也称石英晶体谐振器，它用来稳定频率和选择频率，是一种可以取代lc谐振回路的晶体谐振元件。 2、本设计所用的晶体振荡电路如图2.5所示：图2.5 晶体振荡电路此晶体电路所选用的石英晶振频率为6mhz。时钟周期就是单片机外接晶振的倒数，例如6m的晶振，它的时间周期是1/6 us，是计算机中最基本的、最小的时间单位。在一个时钟周期内，cpu仅完成一个最基本的动作。对于某种单片机，若采用了1mhz的时钟频率，则时钟周期为1us；若采用4mhz的时钟频率，则时钟周期为0.25us。由于时钟脉冲是单片机的基本工作脉冲，它控制着单片机的工作节奏（使单片机的每一步都统一到它的步调上来）。显然，对同一种机型的单片机，时钟频率越高，单片机的工作速度就越快。但是，由于不同的单片机的硬件电路和器件不完全相同，所以其需要的时钟频率范围也不相同。设计中用的stc12c5a60s2单片机的时钟范围是1.2mhz-12mhz。2.2.4lcd液晶显示1、lcd液晶显示的型号及功能1）hs1286415的硬件特性如下：提供8位，4位并行接口及串行接口可选；并行接口适配m6800时序；自动电源启动复位功能；6416位字符显示ram（ddram最多16字符4行，lcd显示范围162行）；2m位中文字型rom（cgrom），总共提供8192个中文字型（1616点阵）；16k位半宽字型rom（hcgrom），总共提供126个西文字型（168点阵）。2）hs1286415t软件特性如下文字与图形混合显示功能；画面清除功能；显示开/关功能；光标显示/隐藏功能；显示字体闪烁功能；光标移位功能；垂直画面旋转功能；反白显示功能；休眠模式。3）中文字库选择st7920-0a内建big-5码繁体中文文字型库；st7920-0a内建gb码简体中文字型库。2、液晶显示模块hs1286415与单片机的串行接线电路图。图2.6 液晶显示模块与单片机的串行接线图2.2.5光耦输入电路光耦合器的结构相当于把发光二极管和光敏(三极)管封装在一起。发光二极管把输入的电信号转换为光信号传给光敏管转换为电信号输出，由于没有直接的电气连接，这样既耦合传输了信号，又有隔离作用。只要光耦合器质量好，电路参数设计合理，一般故障少见。如果系统中出现异常，使输入、输出两侧的电位差超过光耦合器所能承受的电压，就会使之被击穿损坏。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（led），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。本设计用到的光耦输入如图2.7所示：图2.7 光耦输入本设计用到的输出入下图2.8所示：图2.8 输出2.2.6stc12c5a60s2单片机的介绍单片机的介绍stc12c5a60s2单片机是宏晶科技生产的单时钟，机器周期(1t)的单片机，是高速，低功耗，超强抗干扰的新一代8051 单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12 倍。内部集成max810 专用复位电路,2路pwm,8路高速，10位a/d 转换,针对电机控制，强干扰场合。1) 增强型 8051 cpu，1t，单时钟/ 机器周期，指令代码完全兼容传统8051；2）工作电压：stc12c5a60s2工作电压范围为5.5v - 3.3v；3）工作频率范围：0 - 35mhz，相当于普通8051 的 0420mhz；4）用户应用程序空间60k；5）片上集成1280字节 ram；6）i s p（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（p3.0/p3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成；7）时钟源：外部高精度晶体/ 时钟，内部r/c 振荡器(温漂为+/-5% 到+/-10% 以内)，用户在下载用户程序时，可选择是使用内部r/c 振荡器还是外部晶体/ 时钟，常温下内部r/c 振荡器频率为：5.0v 单片机为： 11mhz 15.5mhz；8）共4 个16 位定时器：两个与传统8051 兼容的定时器/ 计数器,16 位定时器t0 和t1，没有定时器2，但有独立波特率发生器，做串行通讯的波特率发生器，再加上2 路pca 模块可再实现2 个16 位定时器；9）2个时钟输出口，可由t0 的溢出在p3.4/t0 输出时钟，可由t1 的溢出在p3.5/t1 输出时钟；10）外部中断i/o 口7 路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断模块， power down 模式可由外部中断唤醒；11）a/d 转换, 10 位精度adc，共8 路，转换速度可达250k/s(每秒钟25 万次)；12）通用全双工异步串行口(uart)，由于stc12 系列是高速的8051，可再用定时器或pca 软件实现多串口。3 软件设计3.1软件设计的总体思路整个程序包括主程序、a/d中断和定时器中断三部分。程序初始化后，就开始对按键进行扫描，并在按键扫描程序中调用按键处理程序。在扫描过程中如果a/d转换申请中断，则转入a/d转换处理程序，并在处理完成后将处理结果送给lcd进行显示。如果，a/d转换的结果出现异常情况则开启定时器t0，当定时结束后，检测结果仍处在异常情况，则调用故障处理程序。3.2主程序的介绍结构及其功能图3.1 主程序流程图主程序的结构如图3.1（主程序流程图）所示，其各部分的功能如下：按键初始化的作用是给按键处理程序中的变量赋初值；定时器初始化的作用是选择定时器并根据按键修改过的变量对定时器赋初值；a/d中断的作用是打开a/d中断、开a/d中断电源、设置模拟功能口和设置转换通道；lcd初始化程序的作用是对显示屏进行初始化；按键扫描程序的作用是对按键进行扫描和处理输入的按键命令。主程序如下：void main ()move=no=yes=0;/按键初始化 time（）；/调用定时器初始化子程序 ad_init();/调用a/d转换初始化程序子程序 st_init_lcd();/液晶初始化 st_command_wr(0x30); st_command_wr(0x80); st_code_wr(64,tab1); /显示初始化屏delay_ms(200);pinghao=1; while(1) key();/按键扫描子程序 3.3按键调整键盘是单片机系统中最常用的人机联系的一种输入设备，它由若干个按键组成，用户通过键盘向cpu输入数据或命令以实现简单的人机通信。对键盘的识别可分为两类：一类是由专用的硬件电路来识别（2376、74c922），它产生相应的编码，并送往cpu，这种方式称为编码键盘，它使用起来方便，但需要价格昂贵的专用芯片，在单片机系统中一般不采用；另一类靠软件来识别，称为非编码键盘，它结构简单，价格便宜，应用灵活，但需要编制相应的键盘管理程序。单片机系统普遍采用这种方式。因此，对于单片机系统所使用的非编码键盘，主要解决的识别与消除抖动的问题。3.3.1按键的扫描和按键处理因为设计中使用的按键是非编码式按键，所以，设计的单片机程序要能够识别按键和对按键结果进行相应的处理。其按键扫描和按键处理程序流程图如图3.2所示：图3.2 按键的扫描和处理程序3.3.2按键与液晶显示的关系因为在按键扫描和按键处理程序中对一些处理程序的变量进行了修改，所以在按键扫描和按键处理程序结束后调用的处理程序会依据被修改过的变量进行对应的处理。在调用的处理程序中不同变量组合对液晶显示的影响如表3.1所示：表3.1 液晶显示变量表变量pinghaomoveyes no处理结果1无效1无效送第二屏数据、 pinghao修改为2、move、yes和no 修改为0无效 0无效move、yes和no修改为00 00显示屏80h位反白1显示屏90h位反白2显示屏88h位反白3显示屏98h位反白,move修改为001送第四屏数据、pinghao修改为4、move、yes和no 修改为01送第五屏数据、pinghao修改为5、move、yes和no 修改为02送第六屏数据、pinghao修改为6、move、yes和no 修改为03送第七屏数据、pinghao修改为7、yes和no 修改为01-301送第一屏数据、pinghao修改为1、move、yes和no 修改为0 000显示屏90h位反白 1显示屏88h位反白2显示屏98h位反白，move修改为0 0 1 0显示屏90h位送选择标志 1显示屏88h位送选择标志 2修改a/d处理数据中的变量 00/11送第2屏数据、pinghao修改为2、move、yes和no 修改为0pinghaomoveyesno处理结果 41 0/11送第2屏数据、pinghao修改为2、move、yes和no 修改为0 2 5 000显示屏90h位反白 1显示屏88h位反白 2显示屏98h位反白，move修改为0 01显示屏90h位送选择标志 1显示屏88h位送选择标志 2修改a/d处理数据中的变量00/11送第2屏数据、pinghao修改为2、move、yes和no 修改为012012 6 000显示屏90h位反白 1显示屏88h位反白 2显示屏98h位反白，move修改为0 01显示屏90h位送选择标志 1显示屏88h位送选择标志 2修改a/d处理数据中的变量00/11送第2屏数据、pinghao修改为2、move、yes和no 修改为012012变量pinghaomoveyesno处理结果 7 000显示屏90h位反白 1显示屏88h位反白 2显示屏98h位反白，move修改为0 01显示屏90h位送选择标志 1显示屏88h位送选择标志 2修改a/d处理数据中的变量00/11送第2屏数据、pinghao修改为2、move、yes和no 修改为0120123无效无效1送第2屏数据、pinghao修改为2、move、yes和no 修改为0 8无效无效无效move、yes和no 修改为0 9无效0 0move、yes和no 修改为0 1送命令继电器k1工件0/11送第2屏数据、pinghao修改为2、move、yes和no 修改为03.4液晶显示3.4.1显示模块串口模式介绍在psb接低时，串口模式被选择的情况下，只用两根（sid与sclk）来完成数据传输。当同时使用st7920时，cs线被配合使用，cs是高有效。st7920的他不时钟sclk有独立的操作时序，当多个连续的指令需要被送入时，指令执行时间需要被考虑。必须等待上一个执行完毕才送入下一个指令，因为st7920内部没有传送/接收缓冲区。一个完整的串行传输周期由一下部分组成：首先送入启动字节，送入5个连续的“1”用来启动一个周期，此时传输计数被重置，并且串行传输被同步。紧接的两个位指定传输方向（rw，确定读还是写）和传输性质（rs，确定是命令寄存器还是数据寄存器），最后的第八位是一个“0”。串行通讯时序图如图3.3:图3.3 串行通讯时序图3.4.2显示模式指令模块控制芯片提供两套控制命令，基本指令和扩充指令如表3.2和3.3：表3.2 指令表（re=0：基本指令集）指令名称控制信号控制代码执行时间rsr/wd7d6d5d4d3d2d1d0清除显示00000000011.6s地址归0000000001sr72s进入设定点00000001i/ds72s显示开关设置0000001dcb72s移位控制000001s/cr/lxx72s功能设定00001dlx0/rexx72s设定cgram地址0001a5a4a3a2a1a072s设定ddram地址0010a5a4a3a2a1a072s读忙标志和地址01bfa6a5a4a3a2a1a072s写显示数据10显示数据72s读显示数据11显示数据72s表3.3 指令表（re=1：扩充指令集）指令名称控制信号控制代码执行时间rsr/wd7d6d5d4d3d2d1d0待命模式000000000172s卷动地址或ram地址选择000000001sr72s反白显示00000001r1r072s睡眠模式0000001slxx72s扩充功能设定00001dlx1/reg072s设定绘图ram地址001000a3a2a1a072sa6a5a4a3a2a1a03.4.3显示模块初化在使用显示模块时，程序需要对显示模块初始化。显示模块的初始化包括功能设定、显示开关、清除屏幕和进入设定点，其流程图如图3.4:图3.4 显示模块初始化流程图3.5定时器中断程序3.5.1中断的介绍在cpu与外部设备交换信息时，存在着高速的cpu和低速的外设之间的矛盾。若采用软件查询方式，则cpu会浪费较多的时间去等待外设。中断技术是计算机在实时处理和实时控制中不可缺少的一个重要的技术，它既和硬件有关，也和软件有关。所谓中断，是指当计算机正在执行的程序时，系统中出现了某些急需处理的异常情况和特殊请求。中断之后所执行的处理程序通常称为中断服务子程序，原来执行的程序称为主程序，主程序被中断的位置（地址）称为断点，引起中断的原因或能够发出中断申请的来源称为中断源。中断源要求服务的请求称为中断请求。中断请求通常是一种电信号，cpu一旦对这个信号进行检测和响应便可自动转入该中断源的中断服务程序中去并执行该程序。执行完后自动返回原程序继续执行，由于中断源不同，中断服务程序的功能也不同。因此，中断以可看作cpu自动执行中断程序并返回原程序执行的过程。大体说来，采用中断系统改善了计算机的性能，主要表现在以下几个方面：1、有效地解决了快速cpu与慢速外设之间的矛盾，可使cpu与外设同时工作，大大提高了cpu的效率；2、计算机可以及时处理控制系统中许多随机产生的参数与信息，即具有实时处理能力，从而使控制系统的性能保持最佳状态；3.5.2设计中用到的中断在整个设计中要用到定时器中断和a/d中断两种中断，因此在中断服务程序编程时，要对中断系统进行初始化，也就是对几个特殊功能寄存器的有关控制位进行赋值，具体说来说，就是要完成下列工作：1、cpu开中断和允许中断源中断；2、确定各中断和允许中断源中断；3、若是外部中断，则应规定是电平触发还是边沿触发。3.5.3定时器初值计算定时器工作时必须给计数器送初值，将这个值送到th和tl中。他是以加法记数的，并能从全1到全0时自动产生溢出中断请求。因此工作于方式1,定时器为16位计数器其定时时间由下式计算：定时时间=（216x）振荡周期12（或）x=216定时时间振荡周期12,式中x为t0的初始值，该值和计数器工作方式有关。如单片机的主脉冲频率为12mhz，经过12分频。方式0定时时间213 1微秒8.192毫秒；方式1定时时间216 1微秒65.536毫秒。秒钟已经超过了计数器的最大定时间，所以我们只有采用定时器和软件相结合的办法才能解决这个问题。现在我们定时一秒，定时器需定时50毫秒，故t0工作于方式1，定时20次，就可定时一秒。3.5.4中断服务程序模块进入中断程序后，判断一秒钟到了吗？如果没有到将定时器重装初值，返回主程序，如果一秒钟到了，将软件计数器重初值。判断指示灯循环显示完了吗？如果没完，将保地址重新送入程序计数器中，然后再查表下一地址，显示下一组指示灯状态和显示时间，保存下一组程序数据地址，将定时器重装初值，返回主程序。如果完了，查表首地址，查时间地址，保存下一地址，将定时器重装初值，返回主程序。同时一秒到了应先判断个位是否为0，如果个位是0，判断十位是不是0，如果十位也是0，判断交通灯是否安黄、绿、红的顺序循环完必，如果没循环完应查下一组数据继续循环，如果循环完必，应查表首地址，周而复始的循环，如果十位不是0，应将十位先减1，个位送9，然后返回，再进行中断定时一秒，然后再判断，如果个位不是0，应将个位减1，将定时器重装初值。重新周而复始的循环，如图3.5所示：图3.5 中断程序流程图4调试结果及数据分析4.1已完成的功能本设计已完成硬件电路的设计、焊接和测试以及lcd液晶显示功能，其效果如图4.1：图4.1 硬件电路图4.2 液晶显示器显示效果4.2调试过程软件调试需要借助keiluvision3仿真器系统来对程序的验证。先把程序在keiluvision3中编写和编译，编译通过后，在用keiluvision3进行单步调试，最终调试出要求结果。程序在keiluvision3中的编译如图4.3：图4.3 程序程序在keiluvision3中的编译4.3调试结果在设计中程序通过软件调试后，还要进行硬件调试。在硬件调试前我们必须把程序烧写到单片机上。这次设计中所使用的烧录软件是stc_isp_v480。程序的烧录如图4.4：图4.4程序的烧录4.4更新方向随着工业自动化正向着计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化方向发展和各项技术的提升以及工业生产对系统稳定性和可靠性的要求进步提高。提高系统的稳定性和可靠性是我们将来对产品的主要开发方向。本设计中，做了一个电动机的三相电源保护，电路中采用了stc