毕业设计(论文)基于stc12c5a60s2系列单片机电源智能监控系统

1、毕业设计（论文）基于STC12C5A60S臻歹U单片机电源智能监控系统摘要随着电力的快速发展，STC12C5A60S系列单片机作为微控制器，系统由主监控人机接口与显示、电流信号的采集、电压信号的采集、报警电路、继电器触点保护电路以及下行通信等模块组成。电路流检测模块实现对交流电压和电流的不间断实时检测，并对电源系统进行实时监测。当发生故障时，进行报警提示，并通过通信总线传输到主监控单元，从而实现智能监控。此模块能够很好的完成检测功能，并且具有良好的经济性。本文通过对交流检测模块的软硬件进行了相应的设计和调试，完成了毕业设计所要求的任务。关键词：智能电源监控；STC12C5A60S2片机；交流检

2、测及控制。ABSTRACTWith the rapid development of electric power, the function demandis higher and higher, power monitoring system of intelligent is also in constant updates improve. Based on this, the paper designed a intelligent power monitoring system.System uses STC12C5A60Ss2eries microcontroller as mi

3、cro controller, system by the main monitoring man-machine interface and display, pay current signal collection, voltage signal collection, alarm circuit, relay contacts protection circuit and downlink communication module.Circuit flow of inspection module realize the ac voltage and currentdetection

4、in real time, uninterrupted power supply system of real-timemonitoring. When malfunction happened, alarm prompt, and through communications bus transfers to the main monitoring unit, so as to realize intelligent monitoring.This module can be good finish detection function, and has good economy.This

5、article through to exchange detection module the hardware and software of the corresponding design and commissioning, completed the graduation design requirements of the task.Keywords ： Intelligent power monitoring;STC12C5A60S2microcontroller; Exchange detection and control.目录1 绪论 11.1 电力电源的背景及发展11.

6、2 电源监控系统的研究意义31.3 本题主要研究内容52 方案选择72.1 方案一、利用外扩存储器的方案72.2 方案二、不需外扩存储器的方案83 硬件系统设计103.1 微处理器芯片的选型103.2 单片机最小系统电路123.3 三相交流电流采集电路143.4 三相交流电压采集电路163.5 继电器触点保护电路183.6 下行通信电路213.7 报警保护电路263.8 供电电源电路293.9 交流检测模块电路图314 软件系统设计324.1 总体设计思想324.2 三相交流监测程序设计34流电流采集的程序设计36三相交流电压采集的程序设计375 系统的仿真与调试385.1 Keil C51

7、开发系统基本知识385.2 Keil C51 IDE 开发仿真环境的设置方法395.3 系统软件的编译环境405.4 系统组装调试426 结束语43参考文献44致 谢 461 绪论1.1 电力电源的背景及发展在 90 年代初期，我国对于电源监控系统的研制才刚刚起步。经过十几年的努力， 电源监控系统无论在技术上、还是在系统实施的规模上都有了很大的发展，人们对计算机集中监控系统的认识也有了较大的提高。可以说， 电源监控技术的发展与监控系统的实现已进入一个新的时代。目前， 许多国内外通信行业的厂商相继推出了各种监控系统，如香港丰联企业 的联讯 2000 通信电源和空调设备集中监控系统、深圳华为通信股

8、份的 PSMS动力设备及环境集中监控系统、ERICSSON的Energy Master系统中的电源监控子系统等等。在电源监控系统的持续发展下，全国有一半以上的本地交换网已建成了不同规模的电源监控系统，部分地区的移动通信网和一些国家一级通信干线等也在建设电源监控系统。从发展形势来看，电源监控系统技术性能应该进一步提高和完善，电源监控系统的建设会一直持续下去。从监控技术来看，计算机技术的快速发展和电源装备水平的不断提高为建立高水平的电源监控系统提供了有力保证，电源监控系统将进一步走向智能化。1997 年，电信总局根据电源监控发展形势提出了提高电源监控系统智能化水平的要求， 目的在于利用有限投资，充

9、分发挥计算机资源优势，让电源监控系统不仅能模拟、代替人的普通劳动，而且能够在一定程度上模拟、代替人的思维进行某些分析和控制工作，提高供电系统可靠性，保障通信网络安全运行和有效地节约能源。 监控系统的智能化主要表现为：提供供电系统优化运行建议；故障预检、预报；自动调节电源设备的运行状况，节约能源、节约运行成本；对设备、人员的完善管理功能等。电源监控系统的发展前景广阔，我们应加强对电源监控技术的研究，以推动电源监控产品自动化功能的合理性、实用性、经济性和可靠性。电源监控系统的发展趋势：第一、 监控系统应向高智能化方向发展。目前监控系统所具有的功能已基本能够满足维护的需要，但在数据统计、数据分析、专

10、家库等高智能化方面并没有得到很好的发展。这些高智能的性能对发展监控技术，提高供电质量，实现电源设备的少人、无人值守有着重要的意义。因此利用专家系统、模糊理论、神经网络等智能分析和控制方法，模拟和代替人的思维器官进行智能分析和控制是通信电源监控系统未来发展的方向。第二、 监控系统的协议应向规范化和统一化的方向发展。电源监控系统所监控的设备繁多，如交直流配电屏、整流设备、蓄电池组，同时还包括空调、环境温度、 湿度等等。这些产品大多来自于不同的生产厂家，产品的性能和结构也不尽相同。 要将这些迥异的产品互连起来，就必须耗费大量的人力物力来处理通信协议， 从而增加了额外的投资。因此必须建立统一的规范，使

11、不同厂家的电源设备都遵循同样的通信协议。第三、 监控系统应向现场总线方式发展。目前的监控系统大多为分布式控制系统 （ DCS） ， 它仅仅建立在计算机通信协议的基础上，无法延伸到现场智能设备。且DC够为模数混合系统，满足不了数据通信对全数字化的要求。同时又采用独家封闭式的通信协议，为一些开发商专有，给用户系统集成和应用带来许多问题。而现场总线是90 年代初兴起的一种先进的工业控制技术，它在计算机和现场设备之间架起一座通信桥梁，将传统的DCSE层网络结构简化为计算机和现场设备现场总线是全数字二层网络结构，并将计算机和现场设备都视为网络上的节点。化、双向、多点的通信系统，具有开放性、全分布性、可互

12、操作性等许多优点。因此未来的电源监控系统应定位于现场总线技术。1.2 电源监控系统的研究意义随着社会的进步，不间断供电（UPS系统是一些重要部门和特需单位（如电力、 通信、 政府、 军事等） 的必备电源，从产生到现在已有几十年的发展历程，在科技不断发展和更新的过程中，起保护功能也在不断地发生变化。在早些时候，供电系统出现故障时，常规的做法是人工操作将常用电路切换到备用电源电路，但是人工操作缺乏快速性、准确性及可靠性。而我们所要研究设计的电力电源智能监控系统是一种自动切换装置，在常用电源或供电电路发生故障时，能及时地自动将常用电路切换到备用供电电路，以保证正常、持续的供电。而当常用电路恢复正常时

13、，该装置能够将备用电路切换回常用电路。不但节省了人力，而且提高了切换工作的快速性、准确性和可靠性。智能化电源监控系统是电力系统的发展趋势，也是实现电力能源高效管理的实际需要。发展智能化的监控管理系统的目的在于，不仅有利于保证供电系统高质量的供电，而且节省人力、物力以及资源能源，从而节约运行维护成本，增强企业市场竞争力。具体来讲，其现实意义有以下几点：（ 1）能在各种复杂的电网环境下运行，提高电源供电质量，使供电系统有更高的可靠性和稳定性。电源监控建立的最终目的是在少人或无人值守的条件下实现新的具有科学性的维护管理方式的运作。大量的实时数据，直观的反映设备、系统的真实状态。通过对监测数据的科学处

14、理、分析，可定性或定量地对设备、系统工作品质给予准确的评价。可以以大量的技术数据为依据，指导设备的检修充分利用设备的自动化功维护， 采用专家系统，制定科学合理的设备维护计划。能，使用科学的操作程序，把过去落后、复杂的监测方式、方法进行改进提炼，并通过先进的自动监测手段，把设备维护工作变的简单、轻松、准确、高效。在这里，需要重申一点的是：实现集中监控后的设备维护，仍然需要技术精湛、经验丰富的电源专家，进行必要的设备检修与集中监控管理。监控管理系统将为无人值守、 集中维护管理做出巨大贡献电源监控的基本目的，是对网上运行的电源设备进行实时自动监控，实现少人或无人值守，改变过去由人员看守的落后维护方式

15、。用准确、快速、真实的数据全面表现设备及系统的运行状况，是实现集中维护、集中管理的根本保证。在我国发达地区，通信能力迅猛发展，电源设备、维护工作量成倍增加，由于选用先进设备，采用电源监控技术，做到了维护人员基本不增加。实践已证实电源监控能够达到减少值守人员、提高维护水平、提高劳动生产率的作用延续至今的电源设计，是依据传统的经验、模式而进行。有些设计参量的确定，如设备及系统的容量冗余、备件数量等，缺乏大量的数据验证其合理性。使用电源监控后，可获得电源品质、系统供电能力等参数，将准确指导设备系统的更新设计及选型。根据市电品质和发电机组响应时间，提出更合理的直流系统、大型UPSft电系统的放电时间能

16、有效的节约投资和能源。监控的应用， 对电源产品设计自动化的合理性、实用也将产生极大的促进。电源监控的推广应用，迫使从事电源维护管理人员必需对电源监控和计算机应用技术认真学习。通过技术讲座、技术谈判、实际工程应用，培养了一大批电源维护管理全能人。 一大批懂监控和计算机应用技术的新生力量也加盟到电源维护管理行列，电源。2 方案选择交流检测模块主要完成三相交流电压、电流的采集；同时具有交流失电、缺相、过压、欠压等告警功能；告警时继电器告警接点闭合。继电器接点1，继电器接点2保留。通过调节板上 VRl, VR2电位器可校正三相交流电压显示值。以下有两个方案可以选择，先介绍一下这两个方案。2.1 方案一

17、、利用外扩存储器的方案通过对三相交流检测模块功能的要求，考虑到如何建立这个系统，首先要建立一个中心，就是CPU去控制各个部分，要求它能够既能对本系统进行有效的控制， 又能够与智能监护系统的总中心进行通信。接着建立几个分模块，对输入的信号进行一系列的处理及其发出应有的动作。方案一的模型如图2.1 所示：图 2.1 方案一交流检测单元原理框图方案一是以AC-CPM中心向外扩展各个模块电路，包括电压传感器及其调理电路、电流传感器及其调理电路、外扩存储器EPROM& E2PROM运行告警、继电器保护等模块电路，还需要供电系统为其长期不间断供电。其内部通信是通过内部RS485总线，可以保持各个模

18、块之间的联系， 保证了系统的可行性。其功 能齐全可以满足三相交流检测的需要，并且具有LED运行报警，继电器保护功能， 保证了系统的完整性。2.2 方案二、不需外扩存储器的方案方案二和方案一的思想基本相同，其模型框图如图2.2 所示。 也是以 AC-CPU为中心， 向外扩展各个模块电路，包括电压传感器及其调理电路、电流传感器及其调理电路、运行告警、继电器保护等模块电路，也需要长期不间断供电，保证系统的稳定运行。而方案二中没有存储器扩展电路，AC-CPU内部含有flash ,并且方案二也是通过内部的不需要外部扩展，并且存储容量完全可以达到要求。RS485总线与各个模块联系的，保证了系统的可行性。并

19、且功能齐全，完全满足设计的要求。图 2.2 方案二交流检测单元原理框图在方案一中微处理器需要外部扩展存储器，电路复杂，而且不符合集成芯片的潮流。而在方案二中，唯一的不同便是微处理器不需要外部扩展及其扩展电路， 使得电路简单明了，并且大大节约了经济成本，不必为扩展存储器而烦恼，容易推广。对于单片机芯片的推陈出新的趋势，我们应该符合潮流，积极推进新的芯片的应用。通过方案一与方案二的对比，我选择方案二，具有更简单的外围电路，简单可靠，并且具有更好的经济性。3 硬件系统设计3.1 微处理器芯片的选型对于方案二中的微处理器，需要选择存储器集成在芯片内部的。我们采用新一代的宏晶科技生产的单时钟/机器周期1

20、T的宏晶STC12C5A60S2片/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810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换250K/S ,即25 万次/秒 。鉴于此芯片的一系列优点，我选择宏晶公司的STC12C560S（240引脚）芯片。其引脚图如图3.1 所示：共40 个引脚，每个引脚如图中所示。图3.1 STC12C5A60S2单片机弓唧图对于新一代的单片机芯片，和以往的芯片有了很大的不同，功能变得更加强大，下面对就对STC12C5A60S系列单片机的性能作简单的简介：1） 增强型 8051 CPU， 1T， 单

21、时钟 /机器周期，指令代码完全兼容传统8051；2）工作电压：STC12C5A60S2K列工作电压：5.5V - 3.5V（5V单片机）；3）工作频率范围：035MHz相当于普通8051的0420MHz4）用户应用程序空间8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字节 ；5）片上集成1280 字节RAM；6）通用I/O 口（ 36/40/44 个） ，复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统 I/O 口）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个I/O 口驱动能力均可达到 20mA但整个芯片最大不要

22、超过120mA；7 ISP （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，数秒即可完成一片；8 有 EEPROM能 STC12C5A62S2/AD/PWM内部 EEPROM9 看门狗；10内部集成810专用复位电路(外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地)；11 外部掉电检测电路: 在 P4.6 口有一个低压门槛比较器，5V 单片机为1.33V,误差为± 5%,3.3V单片机为1.31V,误差为± 3%12时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器 温漂为± 5%到土

23、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 ；13) 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真块可再实现2个16位定时器；14) 3 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, 独立波特率发生器可以在P1.0 口输出时钟；15) 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的PC

24、A真块？，Power Down模式可由外部中断唤醒；16) PWM 2各)/ PCA (可编程计数器阵列，2路)-也可用来当2路D/A使用 - 也可用来再实现2 个定时器 - 也可用来再实现2 个外部中断上升沿中断 / 下降沿中断均可分别或同时支持；17) 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 ；18）通用全双工异步用行口 UART,由于STC12系列是高速的8051,可再用定时器或PCA软件实现多用口；1.1 STC12C5A60S2列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2可通过寄存器设置到P4.2 ， TxD2/P1.3 可通过寄存器

25、设置到P4.3 ；对于这么强大的功能，不仅能够完全满足设计的需要，而且具有更强的数据处理功能，在市场上，新产品的出现，具有更好的经济性。1.2 单片机最小系统电路单片机的最小系统就是让单片机工作起来的所必须的最基本的条件。电路就能让STC12C5A60S2片机工作起来。图3.2 STC12C5A60S2系列单片机最小应用系统电路图图3.2中R1、R2、R3 CS C6及按键RS硒构成了按键复位电路，为单片机提供上电自动复位和按键复位信号，而芯片7805 是为了稳压电源而设计的，以提高系统的抗干扰性。在最小系统中关于复位电路：当时钟频率低于12MHz时，可以不用C1,R1接1K电阻到地；时钟频率

26、高于12MHz寸，建议使用第二复位 功能脚（即本模块的选用的复位电路，如 图3.2 ） STC12C5A60S2系歹在 RST2/EX_LVD/P4.6口，STC12C5201AD RST2/EX_LVD/P1.2口 。图3.2中STC12C5A60S2片内部有一个构成振荡器的高增益反相放大器， 该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1,输出端为引脚XTAL2这两个引脚跨接石英晶体振荡器（简称晶振）和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。在最小系统中关于晶振电路：如果外部时钟频率在33MHzZ上时，建议直接使用外部有源晶振；如果使用内部R/C 振荡器时钟室温情况下5V 单片机为：11MH

27、z- 17MHz,3Vl片机为8MHz 12MHz , XTAL1和XTAL2却浮空。如果外部时钟频率在27MHz上时，使用标称频率就是基本频率的晶体，不要使用三泛音的晶体， 否则如参数搭配不当，就有可能振在基频，此时实际频率就只有标称频率的1/3 了，或直接使用外部有源晶振，时钟从XTAL1脚输入，XTAL2脚必须浮空。1.3 三相交流电流采集电路三相交流电流采样是对被测信号的瞬时值进行采样, 然后对采样值进行分析计算获取被测量的信息。三相交流采样的采样速率要求高, 程序计算量相对较大 , 但是它的采样值所含信息量大, 可以通过不同的算法获取所需的多种信息（如有效值、相位、 谐波分量等），

28、并且实时性好, 且随着技术的发展, 高速实时数据处理成为可能, 使交流采样成为目前主要的使用方式。三相交流电流采集电路， 电池充放电的电流尤为重要，既可以是电池的充电电流，也可以是电池的放电电流，就有两个方向的检测功能。其中A相电流采集电路图如图3.3所示，它 包括信号调理电路、限幅电路、滤波电路。 B相和C相的电流采集电路图和A相 相同，只是相位各相差120 度。图 3.3 三相交流电流采集电路对于三相交流采集电路图中各个元器件的作用， C9 AC-Ia为A相电流输入 信号，经过D5的整波作用只留下正向电流即半波整流， 并且D4也是为了防止负 向电流流向电路而准备的。电路中选用两个100 欧

29、姆并联是因为没有标称值是50欧姆的电阻（只有51欧姆的），电解电容C40普通电容C41及其电阻72共 同组成典型的“ T”型滤波电路。将得到的信号送入 CPU勺ADC&I脚，进行模数 转换，得到的信号和标准信号进行对比，从而完成电流的检测。对于三相交流电流的算法：将电有效值公式式（ 3.1 ）离散化， 以一个周期内有限个采样电数字量来代替一个周期内连续变化的电函数值式（ 3.2）式中：为相邻两次采样的时间间隔；为第m-1 个时间间隔的电采样瞬时值；N 为 1 个周期的采样点数。若相邻两采样的时间间隔相等，即为常数，考虑到N T/ +1 ，则有式（ 3.3）式就是根据一个周期各采样瞬时值

30、及每周期采样点数计算电压信号有效值的公式。 , 然后对采样值进行分析计算获取被测量的信息。对于三相交流电压信号经过运算放大器LM324之后，对交流电压信号进行放大，通过调节 VR1,使其显示值可以变化，由于二极管 D21的作用使其输出正向电压（进行了整波）。其输出信号经过保护后进入无源增益放大电路，在经过滤波保护输出信号送入微处理器中。其电压采集信号的电路图如图3.4 所示：图 3.4 三相交流电压采集电路在三相交流电压采集电路中，各个元器件的作用：运算放大器选择LM324系列器件LM324为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四

31、放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741 勺静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。 每一组运算放大器可用图所示的符号来表示，它有 5 个引出脚，其中 “ +”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi- （ -）为反相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的位相反；Vi+ （+）为同相输入端，表示运放输出端 Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324勺弓唧排列。图 3.5 LM324 的引脚连接图对于滑动变阻器 VR1,可以对其进行调节来校

32、正三相电压的显示值。进而方便操作人员进行控制电源系统。对于三相交流电压的算法如下：将电压有效值公式式（ 4.1 ）离散化， 以一个周期内有限个采样电压数字量来代替一个周期内连续变化的电压函数值式（ 4.2）式中： 为相邻两次采样的时间间隔；为第 m-1 个时间间隔的电压采样瞬时值；N 为 1 个周期的采样点数。若相邻两采样的时间间隔相等，即为常数，考虑到N T/ +1 ，则有式（4.3）式就是根据一个周期各采样瞬时值及每周期采样点数计算电压信号有效值的公式SN7407， 从而作用于光电耦合器PC817， 通过光电耦合器不仅能传输信号，而且能够驱动三极管，作用于继电器的触点，导致继电器的动作，进

33、行保护。其继电器触点保护电路如图3.6 所示。图 3.6 继电器触点保护电路由于单片机的数据总线是为各个芯片服务的，一般不可能为一个输出而一直保持一种状态，因此， 输出接口的主要功能是进行数据保持即数据锁存， 也就是说，输出接口的扩展实际上就是扩展锁存器。输出接口扩展通常用74HC377芯片来实现。该芯片是一个带允许端的8D锁存器，具芯片的引脚如图所示，D0-D7为8位数据输入端；Qg Q7为8位数据输出端；G为使能控制端；CLK为时钟信号，上升沿锁存数据。图 3.7 74HC377 芯片引脚图PC817是常用的线性光耦，在各种要求比较精密的功能电路中常常被当作耦合器件， 具有上下级电路完全隔

34、离的作用，相互不产生影响。其内部电路图如图3.8 所示。图 3.8 PC187 引脚功能图当输入端加电信号时，发光器发出光线，照射在受光器上，受光器接受光线后导通，产生电流从输出端输出，从而实现了 “电一光一电”的转换。普通的光电耦合器只能传输数字信号（开关信号），不适合传输模拟信号。线性光电耦合器是一种新型的光电隔离器件，能够传输连续变化的模拟电压或电流信号， 这样随着输入信号的强弱变化会产生相应的光信号，从而使光敏晶体管的导通程度也不同，输出的电压或电流也随之不同。PC187光电耦合器不但可以起到反馈作用还可以起到隔离作用。电路图中的SN7407是6个OC输出的反相器输入信号相位取反，一般

35、还有提升带负载能力的作用它的作用是加强驱动能力，因单片机的口线无法直接驱动光电耦合器。图 3.9 SN7407 引脚功能图3.6 下行通信电路下行通信单元是中位机与各下位机之间的通信渠道，采用RS 485 通信方式，RS 485 通信是一种广泛应用于工业现场的通信方式。RS 485 串行总线接口标准以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干扰能力，允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备。利用单片机本身所提供的简单串行接口，加上总线驱动器，如SN75LBC178将，可组合成简单的RS485网络。该部分主要完成中位机系统与下位机系统之间的各种数据的传输与交换功能。其下行通信电路图如图3.10

36、所示：图 3.10 下行通信电路图对于中位机与下位机的通信选择 RS-485总线。这是由于对通信功能的要求不断增加，RS-232-C 不能够满足要求，于是就不断出现了一些新的接口标准，RS-485就是其中之一，它具有以下特点：RS-485的电气特性：逻辑“1”以两线 间的电压差为+ (26) V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-(26) V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL 电路连接。RS-485的数据最高传输速率为10MbpsRS-485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。

37、RS-485 接口的最大传输距离标准值为4000 英尺，实际上可达3000 米，另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128 个收发器即具有多站能力, 这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。因RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。因为 RS485接口组成的半双工网络，一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线 传输。RS485接口连接器采用DB-9的9芯插头座，与智能终端 RS485接口采用DB- 9 (孔)，与键盘连接的键盘接口 RS

38、48冰用DB-9 (针)74HC14是一个六反相施密特触发器。74HC1锂一款高速CMO虢件，74HC14引脚兼容低功耗肖特基 TTL(LSTTD系歹限74HC14®循JEDECfc准no.7A。74HC14实现了 6 路施密特触发反相器，可将缓慢变化的输入信号转换成清晰、无抖动的输出信号。波形、脉冲整形器 非稳态多谐振荡器单稳多谐振荡器兼容 JEDECB准 no.8-1A ES加护 HBMEIA/JESD22-A114-A超过 2000 V MMEIA/JESD22-A115-A超过200 V温度范围-40+85 -40+125图 3.11 74HC14 引脚功能图其中CD4093

39、由四个2输入端施密特触发器电路组成，其内部功能图如图3.12 所示。每个电路均为在两输入端具有施密特触发功能的2 输入与非门。每个门在信号的上升和下降沿的不同点开、关。上升电压VP T 和下降电压VN 之差定义为滞后电压 VT 。图 3.12 CD4093 引脚功能图6N137的内部结构原理如下图3.13所示，信号从脚2和脚3输入，使得发光二极管发光，经片内光通道传到光敏二极管，反向偏置的光敏管光照后导通，经电流 - 电压转换后送到与门的一个输入端，与门的另一个输入为使能端，当使能端为高时与门输出高电平，经输出三极管反向后光电隔离器输出低电平。当输入信号电流小于触发阈值或使能端为低时，输出高电

40、平，但这个逻辑高是集电极开路的，可针对接收电路加上拉电阻或电压调整电路。图 3.13 6N137 引脚功能图75LBC184是具有瞬变电压抑制功能的差分收发器，它们带有内置高能量瞬变噪声保护装置。这种设计特点显著提高了抵抗数据同步传输电缆上的瞬变噪声的可靠性，这种可靠性超过了多数现有器件。采用这类电路可提供可靠的低成本的直连（不带绝缘变压器）数据线接口，不需要任何外部元件。其内部逻辑功能 图如图 3.14 所示。图3.14 75LBC184功能逻辑图选才？ 75LBC184是针对其特点的：集成的瞬变电压抵制；对超出总线终端的ESD保护；+30 kV IEC 61000-4-2 接触放电 Con

41、tact Discharge ; +15 kV IEC61000-4-2 气隙放电Air-Gap Discharge ； +15 kV EIA/JEDEC 人体模型HumanBody Model;每次IEC 61000-4-5 时峰值为400W典型的电路损害保护；受控制的驱动器输出电压转变率允许更长的电缆短截线长度；在电噪声环境中的数据传输速率为250kbps ；开路失效保护接收器设计；1/4 单位负载允许128 个器件连接到总线；热关闭保护；上电/ 掉电短时脉冲波形干扰保护；每个收发器符合或超过TIA/EIA-485 RS-485 要求和 ISO/IEC 8482:1993 E 标准；低禁止

42、工作电流最大300 nA;引脚可与SN751761容。3.7 报警保护电路该由和组成。图 3.15 报警电路图对于光电耦合器的工作原理具体介绍，光电耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以， 它在各种电路中得到广泛的应用。 目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦一般由三部分组成：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。这就完成了电一光一电的转换，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

43、电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以， 它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离， 输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点， 使用寿命长，传输效率高。光耦合器是70 年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电

44、器 SSR 、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。由于光耦种类繁多，结构独特，优点突出，因而其应用十分广泛，主要应用以下场合：1 在逻辑电路上的应用光电耦合器可以构成各种逻辑电路，由于光电耦合器的抗干扰性能和隔离性能比晶体管好，因此，由它构成的逻辑电路更可靠。2 作为固体开关应用在开关电路中，往往要求控制电路和开关之间要有很好的电隔离，对于一般的电子开关来说是很难做到的，但用光电耦合器却很容易实现。3 在触发电路上的应用将光电耦合器用于双稳态输出电路，由于可以把发光二极管分别串入两管发射极回路，

45、可有效地解决输出与负载隔离的问题。4 在脉冲放大电路中的应用光电耦合器应用于数字电路，可以将脉冲信号进行放大。5 在线性电路上的应用线性光电耦合器应用于线性电路中，具有较高地线性度以及优良地电隔离性能。6 特殊场合的应用光电耦合器还可应用于高压控制，取代变压器，代替触点继电器以及用于A/D 电路等多种场合。3.8 供电电源电路对于三相交流检测模块，需要其不间断的工作，这就保证其内部的各个芯片的正常的工作。在三相交流检测模块中，需要+5V和+24V的直流电源对其芯片及其电路供电，这就要求具有蓄电池对其供电。但是在正常情况下，是需要对蓄电池充电的，以防在出现故障时，进行急需供电。如图3.16 所示

46、。图 3.16 供电电源电路在正常情况下，是对蓄电池供电的，这就需要对220V交流电进行整流稳压，使其达到要求的电源，从而节约电池的电量，以备急需的时候使用。以下设计了+5V和+24V的整流稳压电路，可以达到实际的需要。图 3.17 +5V 整流电路+5V基本应用电路如图3.17示，输出电压和最大输出电流决定于所选的三端稳压器7805， C1 用于抵消输入线较长时的电感效应，以防止电路产生自激振荡，其容量较小，一般小于1uF。电容C2用于消除电压中的高频噪声，可取小于1uF的电容，也可取几微法甚至几十微法的电容，以便输出较大的脉冲电流。但是若C2容量较大，一旦输入端断开，C2将从稳压器输出端向

47、稳压器放电，易使稳压器损坏。电路中的发光的二极管是指示作用。图 3.18 +24V 整流电路+24V电流整流电路图如图3.18所示，其设计思想和+5V的电源一样，其不同之处为进行整波之后，有电解电容和普通电容共同进行滤波，滤波的效果更好一些，并且三端稳压器 CW782袂定了+24V的输出电压，在三端稳压器的输入端和输出端之间跨接一个二极管，具有保护作用。3.9 交流检测模块电路图三相交流检测模块的各个分电路已经完成，将各个电路围绕在微处理器的周围，就形成了总的电路图。4 软件系统设计4.1 总体设计思想在系统的软件设计中，采用模块化设计方法，使得程序结构清晰，便于今后进一步扩展系统的功能。系统

48、软件有以下模块构成：等。 程序主要完成系统初始化，装置自检等任务。系统的初始化部分包括CPU#端口输入输出设置、外围驱动、译码电路的初始化、数据 RAM勺初始化等。 系统的数据采集处理子程序的功能是图 4.1 总体设计思想流程图对于三相交流检测模块的设计，其大体的思路如下：设计三相交流电流信号的采集电路时，将传感器采集的单相电流信号进行调理转换，主要是对电流进行滤波，在送入CPU中，进行ADC专换。而设计三相交流电压信号的采集电路时，将传感器采集的单相电压信号进行正向运算放大，送入无源增益低通滤波器进行调理，再将信号送入CPU中，进行ADC专换，与标准信号进行对比，再根据运行中的问题进行监控。

49、对于报警电路的设计，主要是对于CPU®出的报警信号，通过光电耦合器发出警报，并且通过控制继电器触点进行保护。对于继电器保护电路的设计，主要是控制继电器线圈，对于CPL®出的信号，经过驱动放大作用于光耦， 驱动三极管，进而作用于继电器线圈。交流检测单元与主监控单元的通信主要通过RS485总线实现的，进行于各个模块的联系与通信， 从而实现“四遥”。最后将各个电路整合到CPUS围，形成完整的电路。最后，完成整合后，要对电路图进行调试，进行可行性实验，不断地进行修改和测试，从而完成设计。4.2 三相交流监测程序设计三相交流电压采集的程序设计三相交流检测程序的设计总体模型已经给出，而

50、在检测程序中主要是针对三相电流和三相电压的检测。对于电流与电压的检测流程大体一样，其流程图如图4.3 所示。在流程图中，在不间断供电的情况下，系统开始运行，首先是进行系统的初始化，在系统稳定启动前，要做好准备工作。在待检测信号输入后，要对待检测信号进行数据采集，采用同步采集的方法，将信号的一个整周期或多个周期进行均匀离散, 在每一离散点处取其瞬时值，然后进行计算，得到采集信号，送入CPUfr进行A/D转换，等换结束，读取数据,得到可以进行测量的数据，进行数据的测量，检测故障，如果没有故障返回系统的初始化等待下一轮的检测。如果出现故障，调用数据处理程序，进行数据的处理，在处理结束后。恢复数据，返

51、回系统的初始化，继续进行检测。图 4.2 三相交流检测流程图对于三相电流与三相电压的故障处理程序将在下面进行介绍，它们也是有不同的子程序构成的。流电流采集的程序设计对于三相交流采集的程序设计，总体的设计流程在图4.2 中已经介绍，下面介绍电流信号的故障处理程序设计过程。其流程图如图4.3 所示， 系统先初始化，输入电流信号，进入CPU中，经过模数转换，和标准信号经过对比，检测故障，如没有则返回，判断有故障，则调用数据处理程序，进入存储器中，调用程序、执行程序进行故障消除，等待完毕后返回系统开始出。在这其中还有中断处理现场，保护现场及返回现场等一系列的过程。图 4.3 三相交流电流采集的设计流程

52、图对于三相交流电压的程序设计，和三相交流电流的程序设计是一样，其流程图是一样的。图 4.4 三相交流电压采集的设计流程图5 系统的仿真与调试对于本系统的仿真与调试是针对Keil 的硬件平台，需要对其有一个直观的认识，并且我们要对此软件进行不断地调试。5.1 Keil C51 开发系统基本知识系统概述Keil 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到 Keil 生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。下面详细介绍Keil 开发系统各部分功能

53、和使用。Keil 单片机软件开发系统的整体结构工具包的整体结构，uVision 与Ishell 分别是 C51 for Windows 和 for Dos 的集成开发环境IDE ，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE 本身或其它编辑器编辑C 或汇编源文件。然后分别由C51 及 C51 编译器编译生成目标文件 .OBJ 。目标文件可由LIB51 创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件.ABS 。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51 或 tScope51 使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标

54、板进行调试，也可以直接写入程序存器如EPRO附。使用独立的Keil仿真器时，注意仿真器标配11.0592MHz的晶振，但用户可以在仿真器上的晶振插孔中换插其他频率的晶振。仿真器上的复位按钮只复位仿真芯片，不复位目标系统。仿真芯片的 31脚（/EA）已接至高电平，所以仿真时只能使用片内ROM， 不能使用片外ROM； 但仿真器外引插针中的31 脚并不与仿真芯片的31脚相连，故该仿真器仍可插入到扩展有外部ROMK其CPU白J/EA引脚接至低电平）的目标系统中使用。KeilC51 IDE 开发仿真环境的设置方法先打开一个工程文件。如果你没有工程文件就要先建立一个这里拿keil 提供的 hello.pr

55、j 为例子说明用鼠标点击菜单的project ，选择 open project 。选择 keilc51exampleshellohello, 点击打开3）选择菜单的Project- Option for Target 'Simulator',选择 C51 栏的设置如图：删掉define:里的MONITOR51几个字母，如果de巾ne栏是空的，可 以跳过这一步：删掉MONTOR51后的设置如下图，不要点击确定,因为还要进行其他设置选择debug 栏的设置项目：Use: Keil Monitor-51 Driver ：选择这一项 Load Application at Start:选择这项之后，keil 才会自动装载你的程序代码。Gotill main:调试C语言程序时可以选择这一项，PC会自动运行到main