电力参数检测装置设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上辽 宁 工 业 大 学单片机原理及接口技术 课程设计（论文）题目： 电力参数检测装置设计 院（系）： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间：2015.06.22-2015.7.05 专心-专注-专业课程设计（论文）任务及评语院（系）： 教研室： 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：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

2、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：1电流上限值100A2工作电源220V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

3、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 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要随着科学技术和国民经济的发展，对电的需求量日益增加，同时对电网运行的稳定性要求也越来越高，对电网的实时监控就显得非常重要。随着我国电力行业的迅猛发展，电网供电品质越来越受到电力部门以及用户的关注。本文介绍了单片机集多种器件和多种功能于一身，从“片自为战”向“片上系统”过渡的发展方向和一种基于89C51单片机的电力运行参数测量装置。该装置采用单片机为测控核心，使用偏差累积增量法对软件同步算法进行改进；采用工程上常用的数值积分算法，将连续函数离散化

4、。同时本文体现了该系统能完成对变压器副边电压、电流有效值、有功功率、无功功率、视在功率及系统用电量的测量，并采用按键控制、数码管显示，测量精度高，反应速度快，界面清晰直观。将详细介绍高速微控制器在电力参数测量系统中的应用和实现。关键词：89C51；电参数测量；数据采集显示；检测装置目 录第1章 绪论1.1 电力参数检测概况目前，我国主要使用的电能表有两种：一种是感应式机械电能表：另一种是随着电子工业的发展而出现的电子式电能表，它是利用电流和电压作用于固态电子器件产生电能输出量的电能计量仪表。机械式电能表由于其稳定性和精度都不高，随着电力市场改革的不断深入，我国在各级电能计量系统的建立中，大部分

5、已将机械式电能表更新为电子式电能表。在现代社会，国内广泛采用统计型电压表监测电压质量水平，这些电压监测仪能监测电压合格率，需要人工抄表，缺乏统计分析功能，而谐波和电压波动、闪变的测量则用便携式测量仪器，分别对变电所的各级母线电压、主变压器侧的谐波电流、电容器组的谐波电流进行测量、对大、中型非线性负荷用户和电厂以及低压配电网电流进行测量，然后根据测量数据进行汇总、统计分析，对电网的电能质量水平进行评估。这种电能质量监测手段和管理模式存在实时性差、测量指标少、工作量大、测量误差大、效率低等明显的局限性。1.2 本文研究内容1.完成功能：本课题研究的主要内容是MCS-51单片机在交流电量参数测量中的

6、应用，将监测的三相电流经电流互感器变压变流给模数转换器ADC0833，把模拟量转换为数字量，再把转换完的数字量供给89C51单片机。在该课题中实现MCS-51单片机电力参数的测量。通过LED显示器显示89C51单片机对数字量分析处理把当前的电流有效值大小，如果电流有效值大于100A，则89C51单片机通过报警系统对外发出警报。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。系统软件有以下模块构成：主程序、时钟中断服务程序、键盘查询服务程序、数据采集处理子程序、显示程序等。另外，我们还应考虑到电网存在谐波，还会有各种瞬时干扰，而采用硬件滤波存在硬件电路复杂等

7、诸多弊端，因此在此系统中求取电力参数实行数字滤波方法祛除干扰，此外，系统中还应采用指令冗余等抗干扰措施，以使系统具有良好的抗干扰性能。2.设计任务：此次所设计的电流参数检测装置严格的按照所要完成的功能、本身的实用性、器件本身的性价比，进行系统的整体方案设计。包括以下内容：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图2.1 总体方案设计图1) 显示模块是显示电流。2) 晶振电路是给单片机提供时钟信号。3) 复位电路的作用是使

8、单片机的程序计数器清零。4) 当电流超过允许电流时，由89C51单片机控制报警系统进行报警。2.2 CPU的选择AT89C51是美国ATMEL公司生产的8位Flash ROM单片机。其最突出的优点是片内ROM为Flash ROM，可擦写1000次以上，应用并不复杂的通用ROM写入器就能方便的擦写，读取也很方便，价格低廉，具有片程序ROM二级保密系统。因此可灵活应用于各种控制领域。1) 片内4KB Flash ROM程序存储器；2) 128B的片内数据存储器；3) 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；4) 5个中断源，2个中断优先级；5

9、) 2个16位的定时/计数器；6) 21个特殊功能寄存器；7) 可编程串行口。具体说明40只引脚其功能如下：VCC：电源。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高电平，可用作输入。P1口被外部下拉为低电平时，将

10、输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是

11、8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外

12、部数据存储器 时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间

13、，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。图2.2 89C51引脚图2.3 数据存储器扩展单片机内部的ROMRAM的容量定时器I/O接口和中断源等资源往往有限，在实际应用中通常不够用，因此需要对单片机的资源进行扩展。需要扩展的是程序存储器和数据存储器。单片机内部虽然有一定数量的存储器，但常常不能满足实际需要，因此要求从外部进行扩展。单片机的芯片内集成了CPUROMRAM定时/计数器和并行I/O接口，已经具备了很强的功能，一片单片机基本上就是一台计算机。但是，单片机内部的ROMRAM的容量定时器I/O接口和中断源等资源往往有限，在实际应用中通常不够用，因此需要对单片机的资源进行扩展。需要扩展的

14、是程序存储器和数据存储器。单片机内部虽然有一定数量的存储器，但常常不能满足实际需要，因此要求从外部进行扩展。常用的外部数据存储器有静态RAM（static Random Access Memory）和动态RAM（Dynamic Random Access Memory）两种。前者读/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。后者集成度高，成本低，功耗较低；缺点是需要增加一个刷新电路，附加另外的成本。本文采用ERROM6264 和地址锁存器74LS373。（如图2.3所示）图2.3 数据存储器的硬

15、件原理图2.4 复位电路设计单片机的复位都是靠外部复位电路来实现得，在时钟电路工作后，只要在单片机得RESET引脚上出现24个时钟脉冲（两个机器周期）以上的高电平，单片机就能实现复位。复位电路就是利用它把电路恢复到起始状态。为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般危机电路正常工作需要供电电源为5V5%，即4.755.25V。由于微机电路是时序数字电路，它要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤出，微机电路开始正常工作。为了保证系统可复位，在设计复位电路时，一般使R

16、ESET引脚保持100ms以上的高电平，单片机便可以可靠地复位。当RESET从高电平变为低电平以后，单片机从0000H地址开始执行程序。在复位有效期间，ALE和/PSEN引脚输出高点平。该设计采用的是按健电平复位电路，使用比较方便，在此复位电路中，干扰易串入复位端，在大多数情况下不会造成单片机的错误复位，但会引起内部某些寄存器错误复位。在RESET复位引脚上接一个去耦电容。在程序跑飞时，可以手动复位，按下按键后，使RESET端产生高电平，按键时间决定复位时间，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位。（如图2.4所示） 图2.4按键脉冲复位2.5 时钟电路设计现在高精度的计时工具大多数都使用

17、了石英晶体振荡器，由于电子钟、石英钟、石英表都采用了石英技术，因此走时精度高，稳定性好，使用方便，不需要经常调试，数字式电子钟用集成电路计时时，译码代替机械式传动，用LED显示器代替指针显示进而显示时间，减小了计时误差，这种表具有时、分、秒显示时间的功能，还可以进行时和分的校对，片选的灵活性好。时钟电路用于产生单片机工作所需的时间信号。时钟信号可以有两种方式产生：内部时钟方式和外部时钟方式。89C51单片机内部有一个高增益反向放大器（及与非门的一个输入端编程为常有效时），用于构成片内振荡器，引脚XTAL1和XTAL2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

18、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。外接晶振时，C1和C2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。内部时钟发生器实质上是一个二分频的触发器，其输出是单片机工作所需的时钟信号。 图2.5晶振电路2.6 CPU最小系统图在经过数据存储器扩展、复位电路设计、时钟电路设计后，构成了单片机最小系统硬件电路图。（如图2.6所示）图2.6 CPU最小系统第3章 电力参数检测装置输入输出接口电路

19、设计3.1 电力参数检测装置传感器的选择传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。研制一种电力参数检测装置具有非常重要的意义，它能对如电压、电流、功率因数和频率等重要的电力参数进行实时检测，还要对电力系统中的高次谐波进行实时分析，从而使人们采取进一步的措施，保证电能质量，保证电力系统安全、可靠、经济地运行。由于检测装置实时监测380V三相电流，所以要接入电流互感器。在测量交变电流的大电流时，为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流（我国规定电流互感器的二次额定为5A或

20、1A），另外线路上的电压都比较高如直接测量是非常危险的。电流互感器就起到变流和电气隔离作用。它是电力系统中测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一次回路电流信息的传感器，电流互感器将高电流按比例转换成低电流，电流互感器一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表、继电保护等。3.2 电力参数检测装置检测接口电路设计3.2.1 A/D转换器选择ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的

21、普及率。本设计采用精密采样电阻（9欧、0.9欧、0.09欧、0.01欧），电阻精度可达0.1%可忽略；八位A/D精度为5/256（V）；对于100A的总量程精度可达0.1%，结合任务书要求，对A/D转换器进行了选择，选定使用ADC0809 A/D转换器，因而方案可达设计要求。现实世界的物理量都是模拟量，能把模拟量转化成数字量的器件称为模/数转换器（A/D转换器），A/D转换器是单片机数据采集系统的关键接口电路，按照各种A/D芯片的转化原理可分为逐次逼近型，双重积分型等等。双积分式A/D转换器具有抗干扰能力强、转换精度高、价格便宜等优点。与双积分相比，逐次逼近式A/D转换的转换速度更快，而且精度

22、更高，比如ADC0809、ADC0832等，它们通常具有8路模拟选通开关及地址译码、锁存电路等，它们可以与单片机系统连接，将数字量送到单片机进行分析和显示。一个n位的逐次逼近型A/D转换器只需要比较n次，转换时间只取决于位数和时钟周期，逐次逼近型A/D转换器转换速度快，因而在实际中广泛使用。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；6) 一般功耗仅为15mW；7) 8P、14PDIP（双列直插）、PICC多种封装；8) 商用级芯片温

23、宽为0C to +70C，工业级芯片温宽为- 40C to +85C；芯片接口说明：1) CS_片选使能，低电平芯片使能； 2) CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用； 3) CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用； 4) GND芯片参考0电位（地）；5) DI数据信号输入，选择通道控制； 6) DO数据信号输出，转换数据输出； 7) CLK芯片时钟输入；8) VCC电源输入及参考电压输入。模拟量不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上，供接受。3.2.2 检测接口电路图A/D转换模块如图3.1

24、所示：图3.1 A/D转换模块3.3 电力参数检测装置输出接口电路设计由于ADC0809只能将电压的模拟量信号转变为数字量信号，所以要将待测的电压信号转换成电流信号，本文采用集成运算放大器，具体电路如图3.2所示。待测电压经由运放AR1、AR2构成的比例放大电路中。此时的电压与输入电压反相，故将Var1通过AR2进行反相，则输出的Vo=100Vi分流电阻R4流入一个阻值很小的电阻R5，R7另一端接地，R6则会产生一个电流信号，既待测电流。图3.2 接口电路3.4 人机对话接口电路设计3.4.1 按键电路的设计该设计只用了一个键盘，但实现的功能却是比较完善，减少了硬件资源的损耗，该键盘可以实现小

25、时和分钟的调节以及控制是否进入省电模式。当按键按下又松开，可以实现屏蔽数码管显示的功能，达到省电的目的；而连续两次按下按键不放松，则可实现小时的调节，同样每按一次小时加一，达到时间调节的目的。 图3.3按键电路3.4.2 数码管显示电路的设计数码管是一种把多个LED显示段集成在一起的显示设备。有两种类型，一种是共阳型，一种是共阴型。共阳型就是把多个LED显示段的阳极接在一起，又称为公共端。共阴型就是把多个LED显示段的阴极接在一起，即为公共商。阳极即为二极管的正极，又称为正极，阴极即为二极管的负极，又称为负极。通常的数码管又分为8段，即8个LED显示段，这是为工程应用方便如设计的，分别为A、B

26、、C、D、E、F、G、DP，其中DP 是小数点位段。而多位数码管，除某一位的公共端会连接在一起，不同位的数码管的相同端也会连接在一起。即所有的A段都会连在一起，其它的段也是如此，这是实际最常用的用法。数码管显示方法可分为静态显示和动态显示两种。静态显示就是数码管的8段输入及其公共端电平一直有效。动态显示的原理是，各个数码管的相同段连接在一起，共同占用8位段引管线；每位数码管的阳极连在一起组成公共端。利用人眼的视觉暂留性，依次给出各个数码管公共端加有效信号，在此同时给出该数码管加有效的数据信号，当全段扫描速度大于视觉暂留速度时，显示就会清晰显示出来。 图3.4 数码显示电路图3.4.3 报警电路

27、的设计当电流达到或超过上限是就会报警，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。只用在人按下复位按钮或电路在允许的范围内报警电路就不会触动。图3.5 报警电路图第4章 电力参数检测装置软件设计4.1 软件实现功能综述需要监测的三相电流经电流互感器变压变流给模数转换器ADC0833，把模拟量转换为数字量，再把转换完的数字量供给89C51单片机。89C51单片机对数字量分析处理把当前的电流有效值大小通过锁存器给LED显示出来。如果电流有效值大于100A，则89C51单片机通过报警系统对外发出警

28、报。4.2 流程图设计4.2.1 主程序流程图设计电流信号通过电流检测模块传送给89C51单片机，途中利用A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，让单片机识别，并处理，然后电流大小进行判断，超过允许值进行报警。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。初始化- ROM操作命令-存储器操作命令-处理数据程序流程图如下：图4.2模拟量检测流程图 第5章 系统设计与分析5.1 系统原理图 图5.1系统原理电路图5.2 系统原理综述本实验要实现的是对380V三相电流实时监测装置。由89C51单片机和其他一些器件组成的控制系统，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，途中利用A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，让单片机识别，并显示。然后对电流进行判断，通过显示模块显示电流的有效值，如果电流有效值大于设定的允许值，则对外报警。5.3 软件调试结果分别调试各子模块：按键扫描及处理模块，显示模块，电流采样控制模块，当各子模块调试正常后再将各子模块及主模块全部汇编连接成目标文件，再将目标代码下载到单片机中进行统一调试 。各单元均调通后，进行整机调试，其过程如下：将调试好的模块连接在一起，加380V交流电在变压器两端，用单片机进行调试，对每一