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文檔簡介
基于單片機at89c52的線路監(jiān)控器設計電氣信息及其自動化 孫宇斌 指導老師 閆紹敏摘 要:介紹了一種基于單片機的電網監(jiān)控器。控制器由at89c52單片機,ad轉換電路,lcd 顯示電路,電流、電壓、頻率、相位采集電路以及控制電路等組成。監(jiān)控器具有實時采線路電壓、電流、頻率和相位的功能,并根據輸入電壓,電流能夠自動實現對線路的保護并進行聲光報警。同時具有串行通訊功能,可實現遠程監(jiān)控及參數設置。通過運行,證明系統的軟硬件設計合理,運行穩(wěn)定、可靠。關鍵詞:單片機 交流采樣 線路保護 電力監(jiān)測power line monitor and control system based on at89c52student majoring in electricity and it automation sun yubintutor yan shaominabstract: this paper introduces a design for ac power monitor and control system base on mcu. this designs hardware consists of system circuit in mcu at89c52, ad convert circuit, lcd display circuit, the monitor circuit of current and voltage. the system can measure the voltage, current, frequency, phase of the power system precisely and protect the power line with the result. the mcu also can communicate with the pc through the com to realize remote control. through the system software adjusting and operating, it indicates that this system is simple in the software design and the program can be operated steadily and reliably.keywords: at89c52;ac measurement;protection of power line;power monitor引言:隨著電力系統的快速發(fā)展,電網容量的擴大使其結構更加復雜,實時監(jiān)控、調度的自動化顯得尤為重要;而在電力調度自動化系統中,電力參數的測量是最基本的功能。如何快速、準確地采集各種電力參數顯得尤為重要。電網監(jiān)控主要是指電力調度自動化系統,根據電網的規(guī)模不同,可以分為不同級別的電力調度自動化系統。隨著電力系統的發(fā)展,電網監(jiān)控和自動化系統的運行水平、實用程度以及總體技術性能得到迅速發(fā)展和提升。輸電電壓等級不斷升高,電網范圍不斷擴大,對電網運行管理的要求愈來愈高,對電網監(jiān)控與自動化技術的要求也愈來愈高。只有運行穩(wěn)定可靠的電網監(jiān)控器才能滿足市場的要求和發(fā)展的需要。1.線路監(jiān)控器的功能線路監(jiān)控器能實時根據輸入電壓,輸入電流,電網頻率及功率的變化控制3 路繼電器,對三相線路進行通斷控制,實現短路、過負荷保護,并在低頻時進行自動減負荷操作。并可以實現線路的控制監(jiān)控參數的設定及實時參數顯示。主要功能有:(1).實時采集線路的輸入電壓、輸入電流,輸入功率和頻率;(2).通過lcd點陣液晶顯示模塊,實時顯示電壓、電流、頻率、相位、功率;(3).實現對線路監(jiān)控門限參數的設定,并具有rs232通信功能,也可實現門限參數的遠程修和遠程設置;(4)通過繼電器的控制,實現對線路的通斷控制,并在短路、過負荷、低頻高頻時進行聲光報警。電壓變換電流變換多路轉換開關采樣保持電路ad轉換電路at89c52電壓比較電壓比較lcd顯示鍵盤max232pc圖1系統框圖2 at89c52單片機及相關芯片簡介2.1 at89c52總體結構at89c52是一種低功耗、高性能cmos8位微控制器,具有8k 在系統可編程flash 存儲器。使用atmel 公司高密度非易失性存儲器技術制造,與工業(yè)80c51 產品指令和引腳完全兼容。片上flash允許程序存儲器在系統可編程,亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上,擁有靈巧的8 位cpu 和在系統可編程flash,使at89s52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。at89c52具有以下標準功能: 8k字節(jié)flash,256字節(jié)ram,32 位i/o 口線,看門狗定時器,2 個數據指針,三個16 位定時器/計數器,一個6向量2級中斷結構,全雙工串行口,片內晶振及時鐘電路。另外,at89c52 可降至0hz 靜態(tài)邏輯操作,支持2種軟件可選擇節(jié)電模式??臻e模式下,cpu停止工作,允許ram、定時器/計數器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下,ram內容被保存,振蕩器被凍結,單片機一切工作停止,直到下一個中斷或硬件復位為止。 2.2 at89c52的主要性能1與mcs-51單片機產品兼容2 8k字節(jié)在系統可編程flash存儲器3 1000次擦寫周期4 全靜態(tài)操作:0hz33hz5 三級加密程序存儲器6 32個可編程i/o口線7 三個16位定時器/計數器8八個中斷源9全雙工uart串行通道10 低功耗空閑和掉電模式l 1掉電后中斷可喚醒l 2看門狗定時器l3 雙數據指針l4 掉電標識符 2.3 at89c52的優(yōu)點at89c52單片機是美國atmel公司生產的低功耗,高性能cmos8位單片機,片內含4kbytes的可系統編程的flash只讀程序存儲器,器件采用atmel公司的高密度,非易失性存儲技術生產,兼容標準8051指令系統及引腳。它集flash程序存儲器,既可在線編程(isp)也可用傳統方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中,atmel公司的功能強大,低價at89s52單片機可為您提供許多高性價比的應用場合,可靈活應用于各種控制領域。顯示程序開始初始化測頻率?測相位?測幅度?初始化符號顯示測量頻率程序測量頻率程序測量相位程序結果送顯示區(qū)測量幅度程序結果送顯示區(qū)yynynn結果送顯示區(qū)3.線路監(jiān)控器系統設計3.1線路監(jiān)控器軟硬件結構3.1.1系統主要硬件結構系統主要由單片at89c52、ad轉換電路、lcd顯示電路、遠程通訊電路以及信號實時采集條理電路組成系統的總體框圖如圖1所示。 3.1.2系統主要軟件結構軟件采用單片機匯編程序,由主程序和各參數測量的子程序組成。主程序主要由初始化模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、lcd顯示模塊、數據通信模塊、輸出控制模、塊等組成。軟件,經調試后固化在eprom 中。軟件的主要流程如圖2所示。圖2主程序流程圖3.2交流幅度測量采樣:3.2.1硬件組成交流采樣是不經過電量變送器,按一定規(guī)律直接將二次側的電壓、電流經高精度的ct、pt變成計算機可測量的交流小信號,即輸入a/d轉換器的是與電力系統的一次電壓和一次電流同頻率、大小成比例的交流電信號,然后再送人計算機進行處理。直接計算u、i,然后計算p、q、cos等。由于這種方法能夠對被測量的瞬時值進行采樣,因而實時性好,效率高,相位失真小,適用于多參數測量。通過在電力系統中應用的實踐表明,采用交流采樣方法進行數據采集,通過算法運算后獲得的電壓、電流、有功功率、功率因數等電力參數有著較好的準確度和穩(wěn)定性。其工作原理如圖3所示?;ジ须娐愤x擇電路保持電路ad轉換電路at89c52pc 圖33.2.2幅度測量原理:若將電壓有效值公式以一個周期內有限個采樣電壓數字量來代替一個周期內連續(xù)變化的電壓值則,式中:t 為相鄰兩次采樣的時間間隔;為第n個時間間隔的電壓采樣瞬時值;n為1個周期的采樣點數。若相鄰兩次采樣的時間間隔相等,即為常數t,考慮到,則有 (1)式(1)就是根據一個周期內各采樣瞬時值及每周期采樣點數計算電壓信號有效值的公式。同理,電流有效值計算公式如下:(2)計算一相有功功率的公式: 離散化后為: .(3)開始1啟動ad轉換延時120us啟動ad轉換數據數據處理結果送顯示區(qū)轉單片機顯示式中:、 為同一時刻的電流、電壓采樣值。圖4幅度測量程序流程功率因數可由下式求得:幅度測量程序流程如圖4所示。3.3頻率測量原理交流信號通過電壓比較器轉換成ttl電平,作為計數器的輸入脈沖,在已知的時間內,根據計數器的值即可計算出交流信號的頻率。通過at80c52內部的定時計數器,可以準確地控制計數的時間。在定時開始時啟動計數器,定時時間一到就關閉計數器。但由于時鐘為11.0592 mhz時,一個定時通道最大定時時間只能是幾十毫秒,這樣將兩個定時計數器和 級聯起來,便可得到定時為1 s或更長的時間間隔。將設置成工作方式2, 就被拆成一個8位的寄存器和一個8位的計數器,這樣定時時間可達到0278 ms,然后再將其定時輸出作為的外部輸入脈沖。將設置成功制作方式1,適當調節(jié)時間常數,可得到準確的1 s的時間間隔(選取其他的時間間隔也可,然后通過程序計算頻率值),這樣計數器的數值即為交流信號的頻率。軟件包括頻率測量程序和中斷程序,其流程分別如圖5、圖6所示。開始1停止計數讀數并處理數據結果送顯示區(qū)計算周期周期送指定單元返回開始1清除計數器設置方式2定時設置方式1定時啟動、開中斷轉單片機顯示 圖5測量頻率流程圖 圖6中斷流程圖3.3相位測量原理utxy圖7硬件結構交流信號的相位是相對而言的,特別是測量兩個同頻率的交流信號的相位差。例如交流電源中的電壓和電流的相位差,為測量相位差首先要測量出交流信號的頻率與周期,然后側相位差其中t是交流信號的周期。的測量:實際兩個同頻率的交流信號,相位差可能超前也可能落后,測量時要區(qū)別開來。假設有x與y兩個 交流信號(如圖7所示) ,可利用x方波的上升沿起動中斷;利用y方波的上升沿起動 中斷。在中斷服務程序中,首先啟動定時器,開中斷,撤銷全部中斷信號,等待y波中斷。在中斷服務程序中關閉定時器,撤銷全部中斷申請信號,然后讀取定時器的數值,計算兩個交流信號過零點的時間差。由于兩個同頻率的交流信號過零時間差不能大于12周期,所以如果測得的時間差大于12周期,說明y波相位超前x波,用周期減去所測得的時間差,即是相位差的時間;否則是x波相位超前y波,測得的時間值即是相位差的時間。置相位標志,計算相位,供輸出顯示使用。中斷服務程序和中斷服務程序。其流程分別如圖8, 圖9所示。撤銷外部中斷讀計數器的值p停止計數開始tp計算相位差返回置y超前標志p0.5t?11結果送顯示區(qū)ny 撤銷外部中斷開中斷返回啟動定時器開始圖8中斷服務流程圖 圖9 中斷服務流程圖 3.4. 通訊模塊設計3.4.1通訊的功能計算機網絡的協議包括了從物理線路的電氣特性到各計算機的進程之間的共享資源的全部內容,其內容龐大而復雜。就本控制器而言,通信協議無需考慮那么復雜,只需制定信息在線路中的傳輸規(guī)則,他涉及信息格式、順序控制、流量控制、信息成幀與拆幀、差錯控制以及傳輸過程中的管理等。由于通信是系統運行的一個重要組成部分,協議的設計主要考慮可靠、方便地進行數據傳輸??刂破髦饕耐ㄓ嵐δ苁峭ㄟ^上位機設置或修改控制器工作的延遲時間、輸入電壓的保護門限、電流的保護門限以及控制器實時數據的傳輸等??墒箍刂破髟诓煌妮斎腚妷汉碗娏鞣秶畠日9ぷ?,從而增加了控制器的靈活性。通信協議必須解決以下問題:(1)接收并處理上位機傳來的命令和數據;(2)對接收數據進行校驗,能夠識別指令和數據的效性;(3)收到任何傳送給本機的命令應做出相應的響應;(4)將實時監(jiān)測的數據上傳至上位機,上位機對數據進行處理、記錄并作出相應的響應 3.4.2數據通信協議:協議中所有的命令與數據信息均包含幀頭和數據,幀頭1b ,,數據1b ,。在該系統通信中,系統將設置5個參數值,其通信協議如表1,表2 所示。無論系統設置是否成功,下位機都將向上位機返回信息,在表2中,上行命令是由上位機發(fā)送給控制器,實現控制器參數的設置和修改;下行命令主要是控制器根據系統要求完成某種功能之后的反饋信息和數據,也是通信是否成功的回執(zhí)。上行命令格式:序號改值說明幀頭實時數據1輸入電壓上限0xaa02552輸入電壓下限0x5502553輸入電流上限0xf00104頻率上限0x0f50605頻率下限0xff40506接收數據成功0x57接收數據失敗0x 表一下行令格式:序號改值說明幀頭實時數據1檢測電壓有效值0xaa0255檢測電流有效值0xf0010檢測頻率值0xff40檢測相位值接收數據成功0x5接收數據失敗0x 表二3.4.3通訊軟件簡介以修改門限值為例:首先,上位機發(fā)送起始命令( 幀頭),控制器接收到正確的起始命令之后,經過判斷是否有效。若有效,則接收數據并進行處理,最后返回成功應答信號;否則返回數據校驗錯或者數據接收錯誤信號,上位機將重新發(fā)送。上位機收到數據成功應答信號后,就認為完成了本次通信。通訊流程圖如圖10中斷入口接受命令字接收數據返回錯誤命令返回正確命令檢測字頭修改數據恢復現場 圖104 結束語經過實踐驗證,本系統測量原理正確,測量效果比較理想。測量交流信號頻率可達10 mhz以上,對于50 hz的交流信號的相位差,其測量結果可精確到千分之一。測量交流信號幅度的精度是由模數轉換器決定的,提高模數轉換器的位數即可提高測量的精度。在具體測量中要注意以下3點:(1)交流信號的頻率一方面受計數器最高使用頻率的限制,另一方面受計數
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