毕业设计（论文）基于单片机电力柜保护装置设计

1、毕业设计报告设计题目： 电力柜保护装置 设计作者： 专业班级/学号： 08机电(1)班 合作者1： 专业班级/学号： 08光电 合作者2： 专业班级/学号： 08机一 指导教师： 设计时间： 2011年4月15日 目 录1. 引言12. 设计任务及要求12.1 设计任务12.2 设计要求13. 系统总体设计23.1 方案论证23.2 系统结构框图设计及说明44. 软、硬件设计44.1 系统硬件设计44.1.1 对stc89c58rd+单片机的简介44.1.2 复位电路54.1.3 液晶显示电路54.1.4 温湿模块64.1.5 ds12887模块74.1.6 红外接收电路74.1.7 语音电路

2、104.1.8 端口扩展104.2系统软件设计114.2.1软件系统总流程图114.2.2程序申明134.2.3系统按键扫描处理子程序154.2.4多级菜单实现165. 安装与调试175.1安装调试过程175.2故障分析176. 结论197. 仪器材料清单207.1 仪器清单207.2 材料清单208. 心得体会219. 参考文献2210. 附录231. 引言随着电力电子技术和微电子技术的发展与应用,国外各大公司在低压供电系统集中监控的基础上,开展智能化的低压成套开关设备的研究,并在20世纪90年代后期智能断路器、智能型开关柜及其它智能元器件已经形成商品化进入市场,并逐渐推广应用,而我国虽已完

3、全掌握了微处理器电控产品上的应用技术也已有一些带接口全数字产品问世,但反映国际水平的智能型低压配电装置和智能控制器还处于空白。 本文简要地介绍的是电力柜保护装置设计,由单片机stc89c58rd+芯片和lcd5110液晶屏为核心，辅以必要的电路，构成的一个单片机电力柜保护装置。开关电器是一种重要的输配电设备，它是电力系统及电力输送系统中的控制和保护设备。凡是电能生产、传输、变换、供应、分配和使用的场所都要使用开关设备。开关柜是金属封闭开关设备的俗称，主要用于发电、输电、配电及变电等电力系统的开关装置，及与其有关的控制、测量、保护和调节装置的组合，以及上述开关和装置内部连接件，辅助外壳和支持件所

4、组装好的一种组合体统称。2. 设计任务及要求2.1 设计任务设计一个基于51系列单片机的智能开关柜保护装置。根据预先所设计的功能选择相应的模块，制作相应符合电气要求的pcb板，最后在完成整个电路的设计和制作后，通过调试和比较来完善整个硬件的实现效果。2.2 设计要求1)具有多种智能保护功能:长延时、短延时、瞬时过流保护,模拟漏电保护等。2)测量显示功能:可对环境温度、湿度参数等进行测量并在开关柜保护装置上显示。3)可对开关柜进行遥控(如合闸、分闸等)、遥调(如调整有关保护参数)。3. 系统总体设计3.1 方案论证 方案（一）：采用at89c51作为主控单片机，时钟芯片选用串行ds1302,温度

5、传感选用pt-100,显示设备用数码管，控制选用按键执行。at89c51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储(fperom-flash programmable and erasable read only memory的低电压，高性能cmos 8位微处理器，俗称单片机。at89c2051是一种带2k字节闪烁可编程控制可擦除只读的单片机。单片机可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用atmel高密度非易失存储制造，与工业标准的msc-51指令集和输出管脚想兼容。由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的at89c51是一种高效微控制器，at89c2051是它的

6、一种精简版本。ds1302是美国dallas公司推出的的一种高性能、低功耗、带ram的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒、进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5v5.5v。采用三线接口与cpu进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或ram数据。ds1302内部有一个318的用于临时性存放数据的ram寄存器。ds1302是ds1202的升级产品，与ds1202兼容，但加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。pt100，铂电阻温度系数为3.9103/，0时电阻值为100,电阻变化率为0.3851/。铂电阻温度传感器精度高，

7、稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（200650）最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计。其系统框图如图3-1所示主控电路at89c51ds1302时钟键盘电路pt-100温度采集电路功能端口扩展电路led数码显示电路图3-1 系统框图 方案（二）：采用stc89c58rd+作为主控单片机，时钟模块选用ds12887作为时钟芯片，温湿度模块选用htg3538作为温湿度传感器，显示部分选用nokia5110液晶显示屏，菜单操作部分采用四按键电路。ds12c887实时时钟芯片功能丰富，可以用来直接代替ibm pc上的时钟日历芯片ds12887,同时，它的管脚也和

8、mc146818b、ds12887相兼容。由于ds12c887能够自动产生世纪、年、月、日、时、分、秒等时间信息，其内部又增加了世纪寄存器，从而利用硬件电路解决“千年”问题。ds12c887中自带锂电池，外部掉电时，内部时间信息还能够保持10年之久；对于一天内的时间记录，有12小时制和24小时制两种模式。用户还可对ds12c887进行编程以实现多种方波输出，并可对其内部的三路中断通过软件进行屏蔽。htg3538是基于独特的法国humirel湿度传感器技术，htg383x 是专业的、全校准的，湿度、温度一体的即插即用模块。专为需要可靠，精确测量的oem 客户应用而设计,传感器将传感元件与微处理电

9、路集成在一块微形的电路板上并带有温湿数字输出接口，可适用于大量产，极低功耗的苛刻环境外中。分析：stc89c58rd+是51的增强型，比c51，定时器多一个t2,ram为1280b，rom多28k中断多2个，多一个看门狗，在掉电、数据指针等方面还有一些改进。58rd+的最高外接晶振可以达到80mhz，c51概只有24mhz。现在市面上，c51差不多被淘汰了。ds12c887自带锂电池，并且内部自带晶振处理，而ds1302在外部需要晶体振荡器电路给数字电钟提供一个频率稳定准确的32768hz的方波信号，为保证数字钟的走时准确级稳定，以及电路的简易性，选择ds12c887更合适。pt-100的测量

10、范围比htg3538范围广，性价比高，但htg3538能实现二线通信，在单片机位口有限的情况下，更适合用，且带有湿度。因为显示时钟、温度、湿度、星期等信息，信息量大，如果用数码管，电路会显得过于繁锁，所以选择nokia5110液晶模块显示更为合适。综合以上分析，所以决定选择方案（二）来设计系统。3.2 系统结构框图设计及说明该系统的系统框图如图3-2所示：stc89c58rd+ds12887时钟htg353四按键电路 nokia5110 液晶显示屏复位电路系统供电红外遥控接收 端口扩展语音模块图3-2 系统框图4. 软、硬件设计4.1 系统硬件设计4.1.1 对stc89c58rd+单片机的简

11、介stc89c58rd+芯片上集成了cpu、存储器、可编程i/o口、定时/计数器、串行口等，各部分通过内部总路线相连。它是低功耗、高性能的cmos型8位单片机。允许在系统内改写或用编程器编程，片内含32k bytes的可反复擦写1000次的flash只读程序存储器，兼容标准mcs-51指令系统及80c51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器，功能强大的微型计算机stc89c58rd+可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。另外, stc89c58rd+的指令系统和引脚与8051完全兼容,片内有1280b 的ram、32条i/o口线、2个16位定时计数器、5个中断源（其中有2个外部

12、中断源、3个内部中断源）、一个全双工串行口等。4.1.2 复位电路x5045是在单片机系统中广泛应用的一种看门狗芯片，他把上电复位、看门狗定时器、电压监控和e2prom四种常用功能组合在单个芯片里，以降低系统成本、节约电路板空间。其看门狗定时器和电源电压监控功能可对系统起到保护作用；5128位的e2 prom可用来存储单片机系统的重要数据。4.1.3 液晶显示电路nokia5110指令格式分为两种模式：如果d/c（模式选择）置为低，当前字节解释为命令字节。如果d/c置为高，接下来的字节将存储到显示数据ram。每一个数据字节存入之后，地址计数自动递增。在数据字节最后一位期间会读取d/c信号的电平

13、。每一条指令可用任意次序发送到pcd8574。首先传送的是字节的msb（高位）。图4-1展示一可能的命令流，用来设置lcd驱动器。当sce为高时，串行接口被初始化。在这个状态，sclk时钟脉冲不起作用，串行接口不消耗电力。sce上的负边缘使能串行接口并指示开始数据传输。图4-1 命令流表4-1 nokia5110指令集4.1.4 温湿模块其电路如图4-2所示：图4-2 温湿度接线图其相关操作为：图4-3 温湿度时序图4.1.5 ds12887模块ds12c887电路图如下图4-4所示：图4-4 ds12887原理图4.1.6 红外接收电路本课程设计的红外接收头采用一体化红外接收解调器，如下图4

14、-5: 图4-5 实物图图4-6 引脚图 一体化红外接收解调器的内部电路如下图4-7：图4-7 红外接收器内部电路图红外遥控器的红外信号发射电路把遥控板上的按键信息编成编码以红外信号的形式发射到接收板上，该一体化红外接收解调器接收到红外信息后，把其包含的编码信息传到单片机，从而完成红外信号的接收。下图为hs0038b与单片机的接口电路图4-8：图4-8 hs0038b与单片机接口图 红外遥控协议说明：一般的，红外遥控的编码由前导码、地址码和数据码组成。而且有比较精准的时序要求。遥控码的发射由38khz 或40khz 的载波信号，由信号的时间长度来表示二进制数据。遥控的协议表示方法很多，下面是典

15、型的例子：图4-9 典型遥控器的波形这是某型号长虹电视机遥控器的波形，从图中可以看得出它是用一个4.5毫秒的高电平和4.5 毫秒的低电平作为前导码。之后以0.56 毫秒高电平和0.56 毫秒低电平表示数据“0”，以0.56毫秒高电平和1.65毫秒低电平表示数据“1”。这是某型号长虹电视机遥控器的波形，从图中可以看得出它是用一个4.5毫秒的高电平和4.5 毫秒的低电平作为前导码。之后以0.56 毫秒高电平和0.56 毫秒低电平表示数据“0”，以0.56毫秒高电平和1.65毫秒低电平表示数据“1”。一般前导码都是明显比数据码长的信号，我们用cool edit 得到波型图之后可以一眼就看出来。通过前

16、导码之后有32 个数据码（“0”，“1”代码），被分成4 个字节，每个字节8 位（8 个数据）。数据是由高位到低位排列的，我们可以通过看数据码低电平的长度来看出数据值（长为1）。写下数据再每8 位组成一个字节，我们就可以得出70h，70h，1ah，e5h 这4 个字节的数据，前2个字节为地址码，用来区别各个产家或各种型号的遥控器（前导码和数据帧的不同也可以区分不同的遥控器）。一般第一个字节与第二个字节是校验关系，第二个字节是第一个字节的反码（反码：相反的数据，如果数据为“0”反码则是“1”）或是两个字节相同，上图的字节相同。后两个字节是数据码，用来区别遥控器的按键值，一般第三个字节与第四个字节

17、也是同码或反码的关系，上图为反码关系。 解码思路与方法：我利用电脑的声卡和cooledit 软件读出遥控码，首先得作一条转接线。我们可以用红外一体化接收头将38k或40khz的调制信号解调、放大、输出ttl数据信号电平。我们从usb口取电，将输出和地接一条音频线接声卡，这样输出波形就出来了。图4-10 cooledit接收波型4.1.7 语音电路本设计主要采用spi模式对isd1720进行操作。spi模式的接口，主控单片机主要通过四线(sclk,mosi,miso,/ss)spi协议对isd1700进行串行通信。通信协议如下图：图4-11 spi时序图在spi命令输入到isd1720前，spi

18、端口的状态应该保持如下状态：/sshightsclk=hightmosi=low4.1.8 端口扩展图4-12 为pcf8574 的引脚图。引脚功能如下: a0a2 为三位数字引脚地址; p0 p7 为八位准双向i/ o口线; vss 为地; int 为中断线( 低电平有效) ; scl 为i2c 时钟线; sda 为i2c 数据线; vcc 为电源端。pcf8574 的8 位口的每一位口线可以独立地定义为输入线或输出线。输入数据由cpu 通过i2c 总线读周期从口读出, 输出数据由cpu 通过i2c 总线写周期写入口。因为pcf8574 为准双向口, 所以作为输入口使用时, 应置口锁存器为高

19、电平。在具体应用时, 应由cpu 对pcf8574 进行写1 操作。图4-12 pcf8574引脚图4.2系统软件设计4.2.1软件系统总流程图图4-13主程序流程图 图4-14按键子程序流程图 图4-15红外接收流程图 图4-16读取温度流程图 图4-17读取湿度流程图4.2.2 程序申明blackgroud反显标志位按键申明部分4.2.3 系统按键扫描处理子程序4.2.4 多级菜单实现下面介绍了一种在c语言环境下,基于单片机的多级菜单实现方法。该方法从菜单的功能结构出发,在程序设计中做了几点改进. 首先对菜单数据项和功能函数各自进行独立设计,通过在数据结构中增加按键操作指针、菜单索引相关的

20、元素,实现了两者源代码空间的有效分离,从而大大提高了程序的可维护性。实现多级菜单的基本思想是把多级菜单的分层结构,通过索引号贯穿,把全部菜单项拉成一条链. 每一个菜单项即为一个结构,而整个菜单即为一结构数组。访问每一个菜单项时,只须获得菜单的索引号,通过索引号找到结构数组中和该菜单项相关的条目,由此可以查询到当前菜单项的数据和所要执行的功能函数。传统设计方法中的结构只含有当前索引号、按向下/向上/确认/取消键后的索引号及当前菜单项应执行操作对应的函数指针6个元素,每个菜单项的所有数据(包括显示的内容、设定的参数的存储地址等)都只能写在相应的功能函数中,本设计在传统的6元素上进行改进，每一个按键

21、均有相应的执行操作对应的函数指针。流程图如下：图4-18 按键流程图 5. 安装与调试5.1安装调试过程确定硬件整体方案后，我们以模块为单位进行软硬件的设计制作。首先做为一个开关柜，需要向用户传递信息，那么必需用到显示设备，考虑到我们将使用中文菜单。我们选择了nokia5110液晶显示模块，价格相当于lcd1602的价格，但显示的内容更加丰富。有了显示设备，接下来我们的目标是ds12887时钟的读写。作为一个实时系统，有了时间系统才完整。对于ds12887我们采用intel通信模式。由于ds12887内部有非易失性的存储器，我们可以将重要数据保存起来。接下来完成了按键、端口扩展软硬件安装调试。

22、因按键硬件电路简单，主要的调试工作在于程序。我们采用四键式按键，程序采用了四键多级菜单的结构指针、菜单索引等完成按键的处理，处理过程如上逑按键处理部分。端口扩展本系统采用了i2c总线端口扩展芯片。由i2c特点可知，如日后需要可方便地增加端口而不需要重新编写大量代码，只需修改器件号便可达到扩展端口的需要。因考虑到开关柜应用场合的不确定因素，以及防止程序意外跑丢。我们为本系统增加了外部看门狗复位电路，增加系统的稳定性。完成了上逑基本功能后，我们对系统功能做进一步的完善。增加了isd1720语音模块，以语音的方式向用户做一些必要的提示，使系统更加人性化。增加红外接收电路，为实现遥控提供可能。5.2故

23、障分析刚入手液晶屏对液晶屏的特性不是很了解，只是简单地驱动它。有一次天气变化了，原本显示正常的液晶确显示对比度不高，显示不清楚。于是我们从软硬件多方面分析，最后再仔细地阅读数据手册后发现是偏压设置没设置好。在液晶初始化中改变偏压设置问题就解决了。起初，遇到了ds12c887读写有问题，开始怀疑是程序问题。但用其它有ds12c887的系统测试下程序，实践证明程序驱动没有问题。然后开始硬件接线检查，因采用杜邦线连接，根据以往的经验，连接处或多或少会出现接触问题。但此次遇到的并不是这个问题，最后把问题锁定在电源上，换了种供电方式之后问题解决了。可见电源稳定性的重要。因初期对ds12887不熟悉，把b

24、cd与十六进制混淆，导致一些数据的错乱。后来经过反复的研究、调试，改进了进制转化机制，从而解决了通信格式不一样引起的问题。按键部分，由于采用指针结构体索引菜单结构，而初期对结构体指针操作不熟，导致指针的指向不明确，导致按键功能不正常，影响了多级菜单实现。经过多次认真地学习指针结构体数组，逐渐地对结构体指针了解，程序问题也随着有了好转。那段时间阅读了许多别人的优秀代码，逐渐行成了良好的编程习惯，也大大促进了程序开发的进程。进行端口扩展时，通过学习了解了i2c总线协议，参考了多方资料后编写了驱动程序。但遇到了问题，端口芯片没有被驱动。我们分析可能出现的问题，决定从软硬件上对这个问题进行分析。经过数

25、天的努力，我逐渐对i2c总线协议有了更进一步的了解。为了更进一步地验证我的猜想，我用24c02进行i2c总线驱动进行验证，验证通过后问题范围缩小了。硬件我们试了几片同一型号产品，效果一样。最后，我们在资料中发现，8574器件地址有两种。但是资料上的型号与我们所拿到的硬件型号不一致。抱着试一试的心态试了一下，结果问题解决了，这让我们意想不到。这让我意识到了查资料的重要性。看门狗电路调试时，刚开始对看门狗操作不正确，导致单片机一直被看门狗复位。我们不得不对看门狗进行单独的调试。经过许久的调试，最后单片调试成功后再进行移值。isd1720采用spi模式进行操作。开始调试时先阅读了中文数据手册，通过对

26、中文数据手册的学习，对isd1720有了一定的了解。但是对于程序的编写，还是找不到思路。参阅了许多资料源程序，发现别人的驱动程序有许多命令我在中文手册上并没有看过，为此感到很疑惑。为此，我专门上网寻找isd1700英文档资料。可是长达70多页的数据手册，多亏了我们组员的协助，但翻译还是耗费了我们不少的时间。阅读完英文档资料后，对驱动命令字有了一定的了解。对于移值起到了不少的作用。红外遥控解码遇到的问题不少。第一次接触红外，感到很陌生。红外我们看不见摸不着，这对调试很不利。通过一段时间的学习，对红外发射接收有了一定的了解后，知道用示波器、电脑、手机等可以观察到红外的一些信息后我们开始用示波器观查

27、，用手机看红外发射信号的有无，对于调试帮住了不少。通过学习，我们同时也掌握了一种用pc观查红外遥控器发射信号的方法。这个方法更好，不仅有完整波型，而且还能在电脑里直接截取图像信息，可以读出每一脉冲宽度等信息。虽然有了这些前期准备，但是编写程序的时候还是遇到了困难。对于c51语言，我们作为初学者，还不能掌握它的情确延时，然而红外遥控接收对延时的精确性有严格的要求。期间想到了在c语言中插入汇编语言，这对我们的语言知识掌握程序提出了更高一层次的要求，最后我们通过了学习，用前人的经验，掌握了c语言的用于红外接收的精确延时方法，初步解决了解码问题。但解码还是碰到不少问题，多亏用了串口调试工具，这对调试工

28、作的进行有了很大的促进作用。因红外遥控调试时是单独调试的，调试完后就要移值到主程序中。本想移值工作应该会很顺利，可是意想不到的情况还是发生了。由于定义的变量超过了128b，keilsmall模式编绎不能通过，于是换成large模式(因采用的是stc89c89rd+内部ram有1280b)，编绎通过。可是意外再次降临，其它功能正常，唯独采用中断的红外遥控有问题。可是用单独模块调试通过。不解，多方寻找资料，寻觅很久依然没有解决。无意中在下载的时候把stc下载模式选择了6t模式，然后又用12t模式下载了一遍。可以用了，可是问题又来了。以我的经验来判断这应该还存在其它问题。果不其然，当我把电断了再开电

29、的时候，红外遥控没有作用了。但是重复用6t、12t模式下载后红外遥控正常，复位后依然正常。但就是断电后不正常，并且只用12t模式下载它依然还是不正常。这个问题困扰了好久。多方寻找keil small large模式的差别、stc单片机内部ram使用方法等资料，也尝试了把变量换成xdata类型，可问题还是出乎我的想像。最后把keil的库型换成stc的库型，并修改了编译参数，最终解决了红外问题。6. 结论本系统借鉴了前人的研究成果，通过修改移值了四键多级菜单实现方法。实现了多级菜单的构建。并为日后的增加修改菜单提供了方便，使程序结构清晰、明了。通过多级菜单实现了更在大量的信息处理。本系统主画面显示

30、万年历，四按键操作，操作简便。当按下向上向下键时，即可进入操作菜单选项，选择相应菜单可进行相应操作。主要有温湿度显示、时间设置、闹钟设置，采用中文菜单，更加人性化。遥控的加入使得操作更加多样化。仅用一个中断口就可扩展出许多的按键，节省资源，并且操作方便。语言模块的加入，更加丰富了系统的功能，提示更加人性化。系统带有闹钟功能，时间到时，采取每隔一秒对液晶显示屏反显一次的方式提示闹钟时间到了。当然也可以更以其它提示方式，只需在闹钟时间到事件中修改相应的提示功能就可实现。本系统记录上次按键操作时间，这对于实现长时间无按键时的操作提供了方便，本系统的实例是，当处于非主界面菜单并且长时间无操作时可自动返

31、回主菜单界面。7. 仪器材料清单7.1 仪器清单直流稳压电源、数字示波器、电脑、万用表、热转印机、钻孔机、isd拷贝机7.2 材料清单材料数目材料数目5110液晶屏1ds128871isd17201stc89c58rd+1x504518欧喇叭1max2321usb转串口线1电容4.7uf7电容22uf1电容30pf2电容1045电阻10k9电阻1.2k3电阻4.7k3电阻100k2按键12hs0038b1排针80杜邦线388. 心得体会在做毕业设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计资料了。为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的设计资料是十分必要的，同时也是必不可少的，我们一切都要有据可依，有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计，同时在查阅别人的资料时，要懂得借鉴别人的编程思路，往往只有好的编程思想才能编出高效的代码。从而选取最佳方案，要吃透别人的程序不是简单的事情，所以在看程序时不要烦躁，认真的理解，要有好的心态。看多了，一点点的理解，到最后总会有收获的。其次，在这次课程设计中，我们运用到了以前所学的专业课知识，如：制板、c语言、模拟和数字电路知识等。学习的过程中带着问题去学我发现效率很高，在这里，我也懂了其实课本是有用的只是我们没有用到。所以每门课程都要懂一些，设计都是很多知识的结合，要把我们懂的