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一 i ， 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 相对于发达国家，我国大部分城乡电网的功率因数一直都偏低，特别是大量感性 负载的应用使得电网供电能力大幅下降。因此提高电网的功率因数，改善电能的传输 效率，便成了目前电力系统的一个重要研究方向。本文提出的智能配电测控仪，正是 基于此目的而设计的一个市场准产品。该测控仪通过测量电网的各种参量，计算出电 路的功率因数然后根据事先设定的功率因数参考值通过对电容器的投切来达到对电 网功率因数的动态校正。该测控仪具备r s - 4 8 5 串行接口，可与上位机通信，从而实 现遥测、遥控、遥信等功能。通过2 c 总线主控芯片可将l k 字节的数据写入a t 2 4 c 0 8 存储器中，在掉电的情况下仍能保存一段时间内电网的重要运行参数。该测控仪还具 备大屏幕液晶显示人机界面，可以将各种电网参数精确地显示出来。 关键词：单片机，功率因数，l c d 液晶显示嚣， 1 2 c 总线 j_，_一 t t j 娃 智能配电测控仪开发 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t hd e v e l o p e d c o u n t r i e s ，t h ep o w e r f a c t o ro fe l e c t r i cn e ti nm o s tc i t i e s a n dv i l l a g e so fc h i n ai sv e r y1 0 w e s p e c i a l l yw h e n i o r so fi n d u c f i v ef e c i l i t i e sa r c a p p l i e d ，t h es u p p l yc a p a b i l i t y o fe l e c t r i cn e tw i l lb es h a r p l yd e c l i n e d t h e r e f o r et o i n c r e a s et h ep o w e tf a c t o ra n dt r a n s m i s s i o ne 伍c i e n c eo fe l e c t r i cn e tb e c o m e sa n i m p o r t a n t r e s e a r c hd i r e c t i o ni ne l e c t r i c s y s t e m n ”i n t e l l i g e n t m e a s u r e & c o n t r 0 1 i n s t r u m e n tu s e di nd a ( d i s t r i b u t ea u t o m a t i o n ) i n t r o d u c c di nt h i sp 印a ri s a l li n f o r m a l m a r k e tp r o d u c td e s i g n e df o rt h ep u r p o s ed e s e r t b e da b o v e t h em c a s u r c & c o n t r o li n s t r u m e n t c a l c u l a t e st h ep o w e rf a c t o ro ft h ec i r c u i tb ym e a s u r i n gt h ev a r i a r i e so fp a r a m e n t e r so f e l e c t r i cn e t ，t h e nc o m p a r e dw i t ht h eg i v e nv a l u eo fp o w e tf a c t o ri t w i l lc o n t r o lt h e o u t p u t sw h i c hd e t e r m i n ew e t h e rt oo p e no rt oc l o s et h ec a p c i t o r st oi m p r o v et h ep o w e r f a c t o r o fe l e c t r i cn e t d y n a m i c a l l y e q u i p p e d w i t hr s - 4 8 5s e r i a li n t e r f a c e t h e m e a s u r e & c o n t r o li n s t r u m e n tc a n c o m m u n i c a t ew i t hu p p e rc o m p u t e ra n dm a k er e m o t e m e a s u r i n g ，c o n t r o l l i n ga n dc o m m u n i c a t i n gt r u e i nt h e c a s eo fu n e x p e c t e dp o w e r - o f f i n c i d e n t st h em a i nc o n t r o l l i n gc h i pc a nw r i t ei kb y t ew o r d si n t oam e m o r i z e rc a l l e d a r 2 4 ( 3 0 8b vj 2cb u s , t h e r e f o r et h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r s o ft h ee l e c u i cn e tp e r i o do f t i m eb e f o r et h ei n c i d e n tw i l lb er e c o r d e d 耵1 em e a s u r e & c o n t r o li n s l r t n n e n te a r l a l s o d i s p l a yv a r a r i e so f p a r a m e t e r s o f e l e c t r i cn e tb yl c d d i s p l a y k e yw o r d s ：s i n l e c h i p ，p o w e rf a c t o r , l c dd i s p l a y , 1 2 cb u s 玎 第一章绪论 1 1 我国配电网自动化简介 一、电力系统自动化简介 电力系统自动化是一门综合性技术，它是指应用各种具有自动检测、决策和控制 功能的装置并通过信号系统和数据传输系统对电力系统各元件、局部系统或全系统进 行就地或远方的自动监视、协调、调节和控制，保证电力系统安全经济运行和具有合 格的电能质量。它可分为电力系统调度自动化、火电厂自动化、水电厂自动化、变电 站自动化和配电网自动化；还可分为电力系统频率和有功功率自动控制、电压和无功 功率自动控制、安全控制和电力系统中的断路器控制。 图1 - 1 是电力系统自动化框图 电力系统自动化是为电力系统服务的，因此我们必须先熟悉电力系统的特点及对 电力系统运行的要求。下面我们概要地作个介绍。 电力系统同其他的工业相比有其明显的特点主要有以下一些方面： ( 1 )结构复杂而庞大。一个现代化的大型电力系统装机装机总容量成千上 万千瓦。世界上最大的电力系统装机总容量达几亿千瓦供电距离达几 千公里。电力系统中各发电机、各变电站中的母线和变压器、各用户的 用电设备等，通过许多条不同电压等级的电力线路结成一个网状结构， 不仅结构十分复杂，而且覆盖辽阔的地理区域。 ( 2 )电能不能储存。电能的生产、输送、分配和使用是在同一时刻完成的。 在任何时刻，电力系统中电源发出的功率都等于该时刻电力系统负荷和 电能输送、分配过程中的所消耗的的功率之和。 ( 3 )暂态过程非常迅速。电能以电磁波的形式传输，传播速度为3 0 0 0 0 0 k m s 。 发电机、变压器、输电线路、用电设备的投入或退出运行都是在一瞬间 完成的。电力系统故障的发生和发展以及运行方式改变所用的时间都是 十分短暂的。 电力网分为输电网和配电网。从发电厂发出的电能通过输电网送往消费电能的地 区，再由配电网将电力分配至用户。所谓配电网就是从输电网接受电能再分配给各 用户的电力网。下面我们将具体介绍一下配电自动化。 智能配电测控仪开发 注 图1 一l电力系统自动化框图 其中发电、输电、变电几个环节的监视、控制和管理属能量管理系统e m s ( e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ) 包括监视控制和数据采集s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 、自动发电控制a g c ( a u t o m a t i cg e n e r a t i o n c o n t r 0 1 ) 、管理信息系统m i s ( m a n a g e m e n t n f o r m a t i o ns y s t e m ) 和其它名目繁 多的e m s 高级应用软件配电和用电的监视、控制和管理属配电管理系统d m s ( d i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ) ，包括s c a d a 、负荷管理l m ( l o a d m a n a g e m e n t ) ，负荷控制、故障管理、自动绘图a m ( a u t o m a t e d m a p p i n g ) ，设备 管理f m ( f a c i l i t i e sm a n a g e m e n t ) ，士也理信息系统g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s y s t e m ) 般诉电话热线t c ( t r o u b l e c a l l ) ，配电同高级应用软件等功能 e m s 和d m s 两者均以s c a d a 系统为起点，由于电力系统无“仓库”，发、 供、用一次完成，两者有分工，但对于较小孤立系统两者可合而为一 配电自动化d a ( d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n ) 与配电管理系统d m s 密切相关， 从供电网络结构来看，主要包括变电站自动化和馈电线自动化，有的也将负荷管 理l m 纳入配电自动化的范畴。 2 量堕塑堕墨查堂堡兰堡堡奎 馈电线自动化义包括柱上馈电线自动化和电缆馈电线自动化如图i - - 2 所示： 配电自动化 d a 变电站自动化 馈电线自动化 负荷管理 柱上馈线 自动化 电缆馈电线 自动化 监视控制和数据采集 故障定位、隔离和恢复供电 馈电线无功控制 馈电线电压调整 图卜2 配电自动化框图 柱上开关、重和器 分段器 可开段电容器 步进调整变压器 柱上馈电线监视控制和数据采集、柱上馈电线故障定位与柱上馈电线隔离和自动恢复供电 是柱上开关、分段器、重合器完成的功能。其中监视控制和数据采集也可用“遥信、遥控、遥调、 遥测”四遥来描述。 二、配电自动化简介 配电网是从输电网接受电能再分配给各电能用户的电力网。它的电压比较低( 在 1 1 0 k v 2 2 0 k v 3 8 0 v 之间) ，且处于电网的末端，其自动化长期以来没有受到足够 重视。 配电网自动化是利用计算机、电子和通信技术对配电网和用户中的设备，以及 用电负荷进行监视、控制和管理。配电网自动化又称配电自动化，目的在于提高配电 网的安全经济运行水平、降损节能、减少故障并提高供电质量。 配电自动化分为配电网调度自动化、配电变电站自动化、配电线路自动化和用 户自动化。将各级配电部门中的计算机和自动控制设备用通道连接起来完成有关控制 和管理工作的系统称为配电自动化系统。 ( 一) 配电自动化的功能 一般说来配电网自动化的功能有以下7 个方面。 1 数据采集与控制 数据采集是采集配电网的运行数据，主要有配电变电站的母线电压以及变压器 塑堕墼皇型丝堡堑蕉 和线路的电流、有功无功功率、用电量、主要用户的负荷等。经过数值运算和统计 处理t 得出全电网的功率总和、电量总加、负荷率等。 2 负荷管理 负荷管理包括负荷监视和负荷控制。负荷控制一般有两种方式。 1 ) 对用户负荷进行直接控制配电调度所内的计算机或按照预先设定的负荷曲 线发出控制命令，切除或投入负荷。 2 ) 让用户自己控制采用分时电价，让用户主动地控制自己的用电。 3 电压无功综合控制 计算机定时进行配电网电压和无功功率分配的优化计算根据保证电压质量、降 低电网损耗的原则做出决策，发出控制指令去调节有载调压变压器的分接头或切换补 偿电容器组。电压无功控制包括母线电压控制、馈电线的无功功率控制、馈电线远 端电压控制、线路电压降的补偿、配电变电站变压器环流控制和无功功率控制。 4 可靠性管理 配电网可靠性管理是指配电网中发生故障时通过恰当的控制将故障的影响限制 在最小范围之内，从而提高供电的可靠性。 5 信息管理 信息管理的关键是计算机系统的数据库。它存放配电网中所有有关的状态量、模 拟量和脉冲量等信息，而且不断更新，是信息管理的基础。 6 配电网图示系统 配电网图示系统是在计算机屏幕显示器上显示以地理图形作为背景的配电网网 络图。配电网网络图上要显示网中安装的配电设备、馈电线、架空线开关、用户、地 下配电设施和仪表等，还要显示馈线名称、设备编号以及用户编号等信息。 7 安全和节能 在安全运行方面，通过配电网自动化系统可以监视配电网的安全运行状况并进 行控制：在配电网发生事故时提出事故指导意见，以便及时进行处理。 ( 三) 我国配电自动化现状 目前，我国与发达国家相比，用电水平还很低，特别是大量感性负载的应用使得 电网供电能力下降。例如在功率因数为0 7 5 时，电网需提供高于负载有功功率3 3 n 的容量。为此，国家出台了很多政策鼓励企业采取措施对无功功率进行补偿，以提 高功率因数。据测算功率因数从o 7 5 提高到o 9 5 ，相当于提高供电能力2 0 ，可 有效发挥现有的供电能力，达到节能环保的目的。 近几年，输电自动化的迅速发展有力地带动了配电自动化的进程。但从全局来 看配电自动化的程度远远不如输电自动化的程度高，基础很薄弱，还不大可能大面 积实施高层次的配电自动化。 在配电自动化领域，我们还刚处于一个起步的阶段，配电网的自动化即便在许多 发达地区也只是在推行中，因此大量的工作还有待于电力工作者的不断努力。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 1 2 现代功率因数校正 无论是在配电自动化还是在电源领域，功率因数的校正都是一个很重要的内容。 本测控仪一个重要的功能便是能对电网功率因数进行监测并实时校正。因此我们有必 要来看一下现代功率因数的校正。 一、电功率和功率因数 l 、功率 功率在物理学中定义为单位时所做的功。根据电工学理论，在直流电路或交流纯 电阻电路中电功率定义是： p = u + i ( 1 一1 ) 式中u 单位为v i 单位为a ，则功率的单位为w 。 2 、功率因数 ( 1 ) 正弦交流电的功率 正弦交流电路中参数除了有电阻之外，还有电容和电感。纯电感电路是不消耗电 能的，它仅仅将电能转变为磁能储藏在电感内，在周期的某一时间将磁能还原为电能 于电路。纯电容电路也是不消耗电能的它将电荷存储在电容，在周期的某一时间归 还于电路。惟独电阻是消耗电能的元件，因为电流流过电阻发出热能，变成另外一 种能量，不能还原于电路，我们把这种电能转换为其他能量所耗的的功率称之为有功 功率，为了区别于其他功率用“p ”代表有功功率。而在电容和电感上获得的功率， 因为元件本身不消耗功率故称之为无功功率，用“q ”表示。 在正弦交流电路中。因具有多种功率根据功率的定义。为了区别把电路电 压与电流之乘积称之为视在功率用s 表示。正弦交流电中三种不同功率之间的关系 可用图1 3 功率三角形表示。 ( b s 4 s m 妒 p - - - s * c 0 $ 9 图l 一3功率三角形图 在图中，三种功率具有不同的测量单位：有功功率p 的测量单位是w ，无功功 率q 的测量单位是乏，视在功率的测量单位是v a 。 ( 2 ) 功率因数 在功率三角形中，把功率因数定义为有功功率和视在功率的比值，数学表达式为： 望墼墼皇型焦丛墨茎 c o s 0 。p s 。可见- p = s + c o s l ( 0 2 u i c o s ( u 、i 为正弦交流有效值) 。如果功率因数越 大- 从外电路提供的电能转变为其他形式能量的利用率就越大。 例如：要供给负载1 0 0 0 w 的功率，当c o s 9 0 = o 7 时，电网需要输出1 4 3 0 v a 的视 在功率( s ：p c o s 妒2 1 0 0 0 0 7 = 1 4 3 0 v a ) 。可见，在同样的电压有效值下传送相同的有 功功率，如果功率因数低，则要求传送的电流有效值就大，无疑加大了线路的传输损 耗。为此，提高功率因数，也是供电系统的的一项重要工作。 上述有关功率因数的分析只适合于电压、电流同频的正弦交流电路。对于非正 弦交流或电压、电流不同频的的情况只能按照信号分析的方法具体对待。 二 功率因数的提高 提高功率因数最简单的方法是补偿法，即如果电路是呈感性的可用并联电容的 方法，反之，如果电路是呈容性的可用并联电感的方法提高功率因数。例如：常用 的照明日光灯，因为都有一个大电感镇流器串在电路故电路呈感性负载，功率因数 在0 5 左右。若并联上一个容量适当的电容器，可提高功率因数到0 9 5 以上。在日光 灯转换能量所耗有功功率不变的情况下，减少了在传输线上通过的电流i ，大大节约 了电能。 现代功率因数校正分有功功率补偿和无功功率补偿。在通信领域，一般电源所需 提供功率较小，同时对电源的品质因数要求特别高，通常采用的是有功功率补偿 ( p f c ) ；而在电力系统中一般采用无功功率补偿。 随着非线形设备的大量运行，对公共电网污染越来越严重，如何消除和抑制对公 共电网的污染，已经成为当今世界的重要研究课题，目前已广泛使用的抑制谐波电流 的主要方法有以下几种： ( 1 ) 多脉整流：改单相整流为多相( 如三相) 整流，提高基波频率并降低其幅值， 同时可利用变压器绕组的不同接法对各次谐波电流移相使某次谐波( 通常是 最大的) 在变压器次级反相则相互迭加而抵消。 ( 2 ) 无源滤波法：这种方法是在整流输出与开关电源之间加入电感量很大的低频电 感，减少滤波电容充电电流的尖峰对抑制高次谐波很有效。 ( 3 ) 有源功率因数校正( p f c ) 法：它利用有源开关式a c d c 变换技术。直接使 输入电流成为与电网电压同相位的正弦波。这种方法对技术要求很高，但功率 因数校正效果好，可将功率因数校正到0 9 9 以上。 三有源功率因数校正 有源功率因数校正通常是在桥式整流之后，增加一个校正环节( b o o s tp f c 电 路) ，使输入电流成为与电网电压几乎完全同相的正弦波，输入电流的谐波分量可减 6 南京航空航天大学硕士学位论文 少到5 以下，同时b o o s t p f c 电路输出直流电压非常稳定因此简化了后级的d c d c 变换结构提高了可靠性。其基本工作原理是：将一次整流后的的电压升高井稳定， 同时又将整流后的的电流斩波，使得原本集中在正弦电压半周峰值附近的滤波电容单 次充电电流成为多次且每次充电量相对较小的充电电流，并且使这些充电电流分散在 正弦电压半周各处。这就大大地减少了充电电流的谐波分量，强迫输入电流成为与输 入电压同相的正弦波。 1 b o o s t p f c 电路 图l _ 4 是b o o s t p f c 原理框图。 b o o s tp f c 电路主要有整流桥，高频电感l ，功率开关管q 二极管d ，滤波电 容c 和控制电路等组成。该电路实质上是一种升压变换器。其工作原理是：m o s 管 q ( 由控制电路控制) 导通时，整流桥输出电压v 全部都加在电感l 上，随着电压v 的增大，通过电感l 上的电流，也随之上升电感所存储的能量为l ，2 忽。当控制 电路控制m o s 管q 关断时电感产生极性如图所示的感应电压v l ，此时，m o s 管 q 二端的电压为u + v l ，该电压通过二极管d 送到电容c ，因此b o o s t 电路输出电压 u o 必大于整流输入峰值电压。故又可把b o o s t 电路称之为升压电路。 u 图i - - 4b o o s tp f c 原理框图 控制电路随控制要求的不同而有差异一般采用集成电路。控制器主要由基准电 源电源、低通滤波器、误差放大器、乘法嚣、电流检测与变换电路、信号综合电路、 锯齿波发生器、比较器和功率开关管驱动电路等部分组成。功率因数校正电路的输出 电压经低通滤波器滤波后，加入误差放大器与基准电压比较，二者之差经放大后， 送入乘法器。为了使功率因数校正电路的输入电流为正弦波并且与电网电压同相位， 把经全波整流后的市电电压，也加到乘法器。乘法器将输入电压信号与输出误差信号 相乘后，送入信号综合电路。 墨_ _ 一 智能配电测控仪开发 电流取互感器s 两端的电压正比于功率因数校正电路的输入电流。该电压加到信 号综合电路，与乘法器输出信号综合。信号综合电路输出的模拟信号与锯齿波产生器 产生的锯齿波电压，经比较器比较后转换为脉宽调制( p w m ) 信号，该信号经驱 动电路放大后，控制功率开关管q ( m o s f e t ) 导通或关断。m o s f e t 导通后，高频 电感l 中的电流i 。( 也即功率因数校正电路输入电流) 线形上升。当，的波形与整 流后的市电电压波形相交时，通过控制器使m o s f e t 关断。此时，电感两端的自感 电势使二极管d 导通，电感l 通过d 对电容放电，电感中的电流，线性下降。当， 下降到零后控制电路使m o s f e t 再次导通，上述过程重复。功率因数校正电路输 入电压和电流波形如图l 一5 所示 u i 图1 5电压电流校正波形图 由图1 5 中可以看出，功率因数校正电路输入电流平均值，。的波形，始终跟随 输入电压的波形，也即输入电流与输入电压保持同相位，因此，功率因数接近于1 2 b o o s tp f c 电路分类 根据p f c 电路输入电流检测和控制方式，用b o o s t 变换器构成的p f c 电路可分 成：电感电流连续工作( c c m ) 和电感电流不连续工作( d c m ) 两大类。 c c m 是采用乘法器方法比较简单方便但存在着几个问题： ( 1 ) 功率因数与输入电压u i n 和输出电压u o 之比( a = u i n u o ) 有关。即功率 因数将受输入电压变化的影响。 ( 2 ) 开关峰值电流大 c c m 控制方式常用的有可变回差控制技术、恒频峰值控制技术和平均电流控制 技术。平均电流控制方式p f c 电路，功率因数可达到o 9 9 以上，是当今较先进的功 率因数校正技术。目前，绝大多数功率因数校正电路均采用集成功率因数校正电路， 如l t l 2 4 9 等。 南京航空航天大学硕士学位论文 1 3 无功功率补偿与测控仪简介 一、无功功率补偿 交流电网的负荷。一般多呈感性，它需要电网提供无功功率，而发电机输送给电 网的无功功率是有限的无法满足用电设备对无功功率的需求为此必须另外给电网 补充无功功率，以达到无功功率的动态平衡，从而提高电网功率因数达到节电的目 的。目前在电力系统中广泛采用投切电容器以提供相应的无功功率。 无功功率补偿的关键是准确测出电网各相的参数如频率、电流、电压、电 流电压谐波分量、无功功率等实时参数从而计算出各相的功率因数继而进行 分相补偿或三相同时补偿。 图1 6 是典型的三相采集与控制补偿示意图： n 图l 6典型的三相采集与控制补偿示意图 在圈1 0 6 中，输入端分别将三相电参数采集进来，主控芯片对参数进行计算分析 并做出相应决策，通过控制输出端6 路输出分别对每一相进行功率因数补偿。 9 二测控仪简介 本文提出的智能配电测控仪，其主导思想也即采集三相电电压电流参数，通过对 电网参数的计算、分析，分相对电路进行补偿控制。相对于同类产品，除了基本功能 类似外，有着其非常鲜明的特色： 1 ) 软硬件基本上独立设计 2 ) 几大特色硬件设计，如基于，2 c 总线的串行e 2 p r o m 的引入r s 4 8 5 串行总线 的接口设计，汉化液晶显示，良好的人机界面等 3 ) 软硬件抗干扰设计 4 ) 功能较完备，结构简单，经济实用 t o 第二章硬件设计 2 1 硬件电路整体设计 一、整体结构设计 该测控仪接有较多的输入输出接1 3 其中主要的输入量是3 8 0 v 的交流电压和5 a 的交流电流以及两路2 4 v 直流的状态信号。在输出端，有控制电容器投切的开关信 号输出端、总线通信接口、人机界面和报警信号等。 为了满足与上位机的通信，特别设计一个可供r s 一4 8 5 总线接口的接口芯片 m a x 4 8 7 及其电路。 电力系统需要对其运行数据要求保留一段时间因此在硬件电路上引入一个 a t m e l 公司的1 2 c 串行总线接口芯片a t 2 4 c 0 8 ，该芯片具有数据掉电不易失性能 将来自8 0 c 5 5 2 的1 k 数据保存下来。 此外，该测控仪人机界面采用1 2 8 6 4 点阵的大屏幕l c d 液晶显示器，该显示器 与主控芯片单片机8 0 c 5 5 2 接口。 根据该测控仪的实际特点，在整体结构上，我们采用两层电路板，一层电路板用 于和强电部分接口。并将强电参量转换为弱电信号；另一层电路板为弱电信号处理用， 也是该测控仪的主控板。这两层板之间的信号通过一根2 0 芯信号线传输。在l c d 与 单片机之间，也采用一根2 0 芯信号线相连。 由于该测控仪没有弱电板所需的电源接口，在设计时我们是利用一相的的3 8 0 v 电压变换成1 5 v 的交流电压，然后经过整流桥经稳压芯片7 8 1 2 得到直流电压1 2 v 该1 2 v 电压再经过稳压芯片7 8 0 5 后得到5 v 直流电压也就是弱电信号所需的电源。 另外由于是处理交流信号，在各个处理交流信号的运放中，需要一个负电源，故在强 电板上我们设置了2 片7 6 6 0 芯片以提高其带负载能力。 系统具体内外结构见图2 1 智能配电测控仪开发 电网参数输入状态输入 电容器投切开关 儿儿介 11 强电采集 板 i i ii 信号与电源 i 继电器i 输a ll 介 ii i 金 jl 属隔离 li 层 i 、， il 输出控制l l 弱电信号板 l1 j i上上 键控输入l c d 液晶显示器 图2 一i 测控仪系统框图 二、电路设计与器件介绍 该测控仪主控芯片采用p h i l i p s 公司的8 0 c 5 5 2 单片机，l c d 液晶显示器采用南京 国显公司的液晶显示模块d g 1 2 8 6 4 。下面将具体介绍一下这两个器件。 1 8 0 c 5 5 2 简介 p h i l i p s8 0 c 5 1 系列单片机是以堪称8 位工业标准微控制器的i n t e | 8 0 5 1 为基础发 展起来的加强型产品，其中功能最强者当属8 x c 5 5 2 。它已被成功地用在了仪器仪表、 工业控制以及汽车发动机和传送控制等广阔的领域中。 ( 1 1 ) 概述 8 x c 5 5 2 单片8 位微控制器是以先进的c m o s 工艺制造而成，为8 0 2 5 1 微控制 器大家族中的一个分支。顺便指出i n t c l 公司称这种工艺为c h m o s ，即高速c m o s ： 而m o t o r o l a 和p h i l i p s 公司则将其命名为高密度c m o s 不过前者写作h c m o s ，后 者只作c m o s 。8 x c 5 5 2 用来泛指以下三个产品 1 2 南京航空航天大学硕士学位论文 8 3 c 5 5 2 含g k b 掩膜编程r o m ，2 5 6 个字节r a m ； 8 7 c 5 5 2 含g k be p r o m ，2 5 6 个字节r a m ： 8 0 c 5 5 2 无r o m 型8 3 c 5 5 2 。 8 x c 5 5 2 具有以下特点： 8 0 c 5 l 中央处理单元，使用m c s 一5 l 指令系统： 新增了一个1 6 位定时器，计数器，与4 个捕捉寄存器及3 个比较寄存 器配合使用： 两个标准的1 6 位定时器1 计数器： 2 5 6 个字节r a m ，可外扩至6 4 k b ； 可产生8 路同步定时输出： 一个8 路模拟输入的1 0 位a d 转换器； 两路3 位分辨率的脉冲宽度调制输出； 五个8 位i 0 端口和一个与模拟输入共用的输入端口； i i c 总线串行口，具有针对字节的主从功能； 全双工u a r t 与8 0 c 5 l 的u a r t 兼容； 片内监视定时器； 有0 t p ( 一次性编程) 封装形式； 三个速率档次： 6 m n z , 2 4 h z 和3 0 h z 。 ( 1 2 ) 内部结构 图2 2 所示为8 x c 5 5 2 的片内结构，其中左边实框内的四个部件是8 0 c 5 1 的内核，只是没有把r a m 和r o m 包括进去。 智能配电测控仪开发 t ot ii n t oi n t iv d dv s si t w m og w m ia v ua v d da v r e fs t a d cs d as c l tt ，： 、 3 d 0 晨2 5 6 x 8取道 rn i c 1r 1r 1，1r 1 定时c p牟存储 mp w m卓行 ，d 转换墨 嚣0 、u 嚣 u1 uj j l j f竹 nj cj inj i介 井行 产 l8 | | 4 州位li 1 6 位 瀚u叫l 口 般i | 三 与外i 部总 lr 线 1t 0 1 1 洲i rjuj i mp ip 2p 3 t x d i t ) ( dp 5p 4c t 0 1 一c t 3 1t 2r t 2c m t o c m t ic m s r 帖$r s t 刚 图2 - - 28 x c 5 5 2 内部结构框图 1 存储器组织 8 x c 5 5 2 的存储器组织与8 0 5 2 完全相同。这里我们再简要地介绍一下。 ( 1 ) 程序存储器：8 3 c 5 5 2 8 7 c 5 5 2 片内均含8 k b 程序存储器，且可外扩至6 4 k b 。 当e a 引脚接高电平时若地址不超过1 f f f h ，则自片内程序存储器读取指令 2 0 0 0 h f f f f h 单元间的指令将取自片外程序存储器。0 0 0 3 h - - - 0 0 7 3 h 单元的r o m 空间为中断服务程序所用。 ( 2 1 数据存储器：8 x c 5 5 2 的片内数据存储器可分为三部分，即片内r a m 低位1 2 8 个字节，高位1 2 8 个字节以及1 2 8 个字节的专用寄存器区。片内r a m 低位1 2 8 个字 节可直接寻址，亦可间接寻址。虽然片内r a m8 0 h f f h 单元与专用寄存器k 麸用 一地址空间，但它们通过不同寻址方式被访问。8 0 h - f f h 的r a m 单元只能间接寻 址访问，而专用寄存器s f r 则只能用直接寻址方式访问 2 专用寄存嚣 8 x c 5 5 2 有5 6 个专用寄存器即在8 0 c 5 l 原有2 1 个的基础上又增加了3 5 个 这5 6 个s f r 中，大多数用来控制片内的涉外硬件，少数用作算术寄存器( a c c b 和p s w ) 、堆栈指针( s p ) 以及数据指针( d p h 和d p l ) 等。其中有1 6 个专用寄存器可按 位寻址，它们共提供1 2 8 个位地址。 ( 1 3 ) 8 0 c 5 5 2 主要部件 1 4 南京航空航天大学硕士学位论文 1 定时器t 3 监视定时器 除三个1 6 位定时器t 0 、t 1 及髓外。8 x c 5 5 2 片内还有一个8 位专作监视定时 器简称w d t ( w a t c h d o gt i m e r ) 的t 3 。众所周知，微控制器有时会被噪音、射频 干扰等环境因素导入错误的运行状态。监视定时器的功能就是在某特定的时限内使微 控制器复位，从而将其从错误的状态中恢复过来使之重新开始正常运行。 由于该测控仪的工作环境恶劣将受到各种强电设备的强烈干扰，因此在总体设 计中，系统的抗干扰设计是相当重要的一部分。在本测控仪中我们利用定时器t 3 在软硬件上进行综合控制。因此我们将重点介绍一下这个问题。 1 ) 内部结构及运作原理 如图2 3 所示：监视定时器的核心乃一8 位定时器，其前级是一个1 l 位定标器。 后者的输入信号为f o s “1 2 ，即定标器对机器周期进行递增计数。这样，每过2 ”个机 器周期，定时器t 3 的值便增t 0 0 0 次。若用1 6 m h z 或2 4 h z 晶体振荡器则监视定 时器的增值间隔分别为1 5 3 6 m s 和1 0 2 4 m s ：其最大溢出周期则相应为3 9 3 2 1 6 m s 和 2 6 2 1 4 4 m s 。 v d d 图2 3监视定时器t 3 若监视定时器溢出，则产生一个内部复位脉冲，使g x c 5 5 2 复位。由图2 3 可 以看出1 3 溢出时，r s t 引脚内侧的晶体管因栅极得一负脉冲而瞬时导通，从而在 r s t 引脚上输出一个复位正脉冲，宽度为3 个机器周期。但若r s t 引脚外接电容， 则这么窄的输出脉冲可能遭到破坏，因为电容不允许r s t 引脚电压突变。然而这不 会影响到内部复位操作。 1 5 智能配电测控仪开发 8 x c 5 5 2 的e 引脚若接低电平，则输入信号至定标器的通路畅通无阻于是监 视定时器得以正常运作。但若将e w 引脚接高电平输入信号则因与门被封锁而不能 通过。这时监视定时器处于关闭状态。因此我们称丽为监视定时器开放引脚。应当指 出一旦t 3 被e w 开放，则无法用软件使之关闭：若被e w 禁止，用软件亦启动不 成。 2 ) 监视定时器的使用细则 前面着重讨论了监视定时器溢出使芯片复位以摆脱故障的问题。但是在微控制器 正常运作期间，如何使监视定时器永不溢出呢? 在程序正常运行时，如果每次赶在监视定时器溢出之前重写其内容，那么这种 有规律的重写操作便是使监视定时器永不溢出的保证。但是当外界干扰导致程序紊乱 时，监视定时器因其内容得不到及时改写而溢出并引起芯片复位。 为编写监视定时器运行软件，程序员首先应当确定其系统能够在错误状态下支持 多长时间。这就是设定溢出周期的依据。例如，要维持1 6 m s ，则把t 3 的初值设定为 - - 1 0 ，这样，在1 6 m h z 晶振的情况下，溢出周期为1 5 3 6 m s 。这时程序员就可对其 软件进行划分了，看把重写t 3 值的指令插在什么地方才能使相邻两次重写操作间 隔不超过监视定时器的溢出周期，以保证正常运作时，t 3 永不溢出。这要程序员了 解其所有软件模块的执行时间，考虑到可能出现的条件跳转、子程序以及内外中断等 因素所带来的影响。对于那些很难估算其执行时间的程序段落，应按最坏情况估算。 为防止意外误写监视定时器值的重写规定分两步进行。首先将p c o n 4 ( 监视定 时器装入允许位w l e ) 置l ，以允许对t 3 进行写入：第二步才向t 3 写入新值。由图 2 3 可知，对t 3 的写信号同时也加到w l e 的清0 端，于是每当t 3 被写入新值时， w l e 位便自动复位。改写值若为0 0 h ，可得晟大溢出间隔；f f h 则对应最小溢出周 期。若用1 2 m h z 晶振，两值分别为5 2 4 m s 和2 m s 。 在空闲方式下，监视定时器照常运行。但如前所述，它与掉电方式是矛盾的，因 为前者需要时钟，后者冻结时钟。故当e w = 0 ，开放t 3 运作时，8 x c 5 5 2 便无法进 入掉电方式，向p c o n 1 写l 的操作无效它将保持为0 。 在软件开发调试的早期阶段，可将e w 引脚接高电平以关闭监视定时器后期改 接低电平来完成调试过程。 3 a d 转换器 8 x c 5 5 2 的模拟输入电路由8 通道输入多路开关和1 0 位二进制逐步逼近式a ，d 组成。模拟参考电压一和模拟供电电压彳及模拟地a v s s 分别通过各自引用转 j 6 南京航空航天大学硕士学位论文 换时间为5 0 个机器周期，若晶振频率为1 6 m h z ，则转换时间等于3 7 5 s ：晶振频 率为2 4 m h z ，转换时间等于2 5 s 模拟输入电压范围为0 v 5 v 。图2 4 为该a d 转换器的功能框图 图2 4a ，d 转换器的内部框图 ( 1 ) a d 转换的启动 a d 转换由a d 控制寄存器a d c o n 的a d c s 位置i 来启动。a d c s 位置l 可 用两种方法进行：第一，单纯软件；第二，软硬件均可。就是说。软件置1 总是可以 的，但硬件置1 可禁止，亦可允许。 ( 2 ) a ，d 转换过程 在此后的8 个机器周期中a d c 对先前已被选中的p 5 口某引脚上的输入电压进 行采样。为得到有效的采样值，该输入电压应当稳定：为防止产生不确定的结果，该 输入电压的变化率必须小于1 0 v m s 。 ( 3 ) a d 转换结果 一次a d 转换的结束以a d c o n 4 ( a d c d 位置l 为标志。a d c i 位是a d c 中 断标志，不可用软件置1 只在a d 转换结果可供读取时由硬件自动置1 该标志可 被中断服务程序清0 。当a d c i 等于1 时，a d c 不能启动新一轮的转换。原转换结果 1 7 智能配电渊控仪开发 的高8 位保留在专用寄存器a d c h 中( 见图2 4 ) ，其最低两位分别存放在a d c o n 寄存器的a d c 1 和a d c 0 两触发器中( 图2 4 ) 。用户也可以忽略a d c o n 中的这两 位结果，只把a d c 当作一个8 位转换器来用，即只取a d c h 中的高8 位结果。但不 管怎样，实际总转换时间为5 0 个机器周期。在命令触发器a d c s 置1 后5 0 个机器 周期，a d c l 标志将被置位，状态标志a d c s 同时复位。但a d c s 不可用软件复位。 在a d c 忙于转换期间a d c s 一直为l ，而在a d c i 或a d c s 标志为高电平期间， 新一轮转换是启动不起来的。 a d 控制寄存器a d c o n 的最低3 位a a d r 2 a a d r o 用来控制模拟多路开关， 使之由8 个模拟通道中选出一路，以便对其输入信号进行采样和转换。所选输入通道 只能在a d c i 和a d c s 均为0 时才能改换。 4 i o 端口结构 8 x c 5 5 2 有六个8 位端1 2 1 。每个端口都由锁存器( 即专用寄存器p o p 5 ) 、输入缓 冲器以及输出缓冲器( p 5 口无) 构成。其p 0 p 3 四个端口与8 0 c 5 1 芯片上的同名端口 几乎完全相同，只是8 x c 5 5 2 的p 1e l 增加了第二功能。p 4 口的并行输入输出功能 与p l 口、p 2 口和p 3 口无异。但p 5 只能用作输入端口。 8 x c 5 5 2 的p 1 口与8 0 c 5 1 相比，稍有差别。从内部结构上讲8 x c 5 5 2 的p 1 6 和p 1 7 均无内部上拉电阻，其p l 口的八条i 0 线都有第二功能。p i 6 和p 1 7 可分 别作，? c 总线接口的时钟线s c l 和串行数据线s d a 。1 2 c 总线上可挂有多个器件， 但它们都是开漏输出的，故在器件外部要统一加上拉电阻。 p 5 口可用来向片内a d 转换器输入八路模拟信号，不作模拟输入的口线，可用 以输入数字信号。p 5 口专用寄存器的地址为c 4 h ，不可按位寻址。 p 5 口非双向端口，只能作输入，不可作输出。 8 x c 5 5 2 的六个端口均可一口多用。 5 中断系统 8 x c 5 5 2 有1 5 个中断源，其中两个外部中断( i n t 0 和j 丁1 ) 、定时器0 与定时器 l 溢出中断( t f 0 和t f i ) 以及串行口中断( r a 或t i ) 等五个中断源是与8 0 c 5 l 共同的。 我们来重点关注其新增的1 0 个中断源。 ( 1 ) 中断源 定时器2 有8 个中断源，其中比较匹配中断3 个，输入捕捉4 个和溢出中断一个。 它们分别由c m l 0 c m l 2 ，c t l 0 , - - c t l 3 以及t 2 0 v 或t 2 b o 等9 个标志产生 c m l 0 c m l 2 标志在定时器2 与c m 0 ，c i v i l 和c m 2 等比较寄存器内容匹配时置位； c t l 0 , - c t l 3 标志是由输入信号c t o i c t 3 i 置位的；当定时器2 发生8 位和1 6 位溢 出时，他b o 和t 2 0 v 标志相应置1 。 应当强调指出，这9 个中断源之标志在中断响应过程中并不由硬件自动清0 ，故 j 暑 南京航空航天大学硕士学位论文 必须在中断服务程序中用软件将其复位，以免它们再次引起中断。 a d c 中断由a d c 控制寄存器a d c o n 中的a d c i 标志引发。此标志在a d c 转 换结