基于單片機(jī)AT89C52的線路監(jiān)控器設(shè)計畢業(yè)論文

1、基于單片機(jī)at89c52的線路監(jiān)控器設(shè)計電氣信息及其自動化 孫宇斌 指導(dǎo)老師 閆紹敏摘 要：介紹了一種基于單片機(jī)的電網(wǎng)監(jiān)控器。控制器由at89c52單片機(jī)，ad轉(zhuǎn)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(shí)時采線路電壓、電流、頻率和相位的功能，并根據(jù)輸入電壓，電流能夠自動實(shí)現(xiàn)對線路的保護(hù)并進(jìn)行聲光報警。同時具有串行通訊功能，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控及參數(shù)設(shè)置。通過運(yùn)行，證明系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計合理，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。關(guān)鍵詞：單片機(jī) 交流采樣 線路保護(hù) 電力監(jiān)測power line monitor and control system based on at89c52

2、student 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 c

3、urrent 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 indi

4、cates 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(tǒng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)容量的擴(kuò)大使其結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，實(shí)時監(jiān)控、調(diào)度的自動化顯得尤為重要；而在電力調(diào)度自動化系統(tǒng)中，電力參數(shù)的測量是最基本的功能。如何快速、準(zhǔn)確地采集各種電力參數(shù)顯得尤為重要。電網(wǎng)監(jiān)控主要是指電力調(diào)度自動化系統(tǒng)，根

5、據(jù)電網(wǎng)的規(guī)模不同，可以分為不同級別的電力調(diào)度自動化系統(tǒng)。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電網(wǎng)監(jiān)控和自動化系統(tǒng)的運(yùn)行水平、實(shí)用程度以及總體技術(shù)性能得到迅速發(fā)展和提升。輸電電壓等級不斷升高，電網(wǎng)范圍不斷擴(kuò)大，對電網(wǎng)運(yùn)行管理的要求愈來愈高，對電網(wǎng)監(jiān)控與自動化技術(shù)的要求也愈來愈高。只有運(yùn)行穩(wěn)定可靠的電網(wǎng)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(shí)時根據(jù)輸入電壓，輸入電流，電網(wǎng)頻率及功率的變化控制3 路繼電器，對三相線路進(jìn)行通斷控制，實(shí)現(xiàn)短路、過負(fù)荷保護(hù)，并在低頻時進(jìn)行自動減負(fù)荷操作。并可以實(shí)現(xiàn)線路的控制監(jiān)控參數(shù)的設(shè)定及實(shí)時參數(shù)顯示。主要功能有：（1）.實(shí)時采集線路的輸入電壓、輸入電流，

6、輸入功率和頻率；（2）.通過lcd點(diǎn)陣液晶顯示模塊，實(shí)時顯示電壓、電流、頻率、相位、功率；（3）.實(shí)現(xiàn)對線路監(jiān)控門限參數(shù)的設(shè)定，并具有rs232通信功能，也可實(shí)現(xiàn)門限參數(shù)的遠(yuǎn)程修和遠(yuǎn)程設(shè)置；（4）通過繼電器的控制，實(shí)現(xiàn)對線路的通斷控制，并在短路、過負(fù)荷、低頻高頻時進(jìn)行聲光報警。電壓變換電流變換多路轉(zhuǎn)換開關(guān)采樣保持電路ad轉(zhuǎn)換電路at89c52電壓比較電壓比較lcd顯示鍵盤max232pc圖1系統(tǒng)框圖2 at89c52單片機(jī)及相關(guān)芯片簡介2.1 at89c52總體結(jié)構(gòu)at89c52是一種低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有8k 在系統(tǒng)可編程flash 存儲器。使用atmel 公司高密度非易失

7、性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80c51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上flash允許程序存儲器在系統(tǒng)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(tǒng)可編程flash，使at89s52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。at89c52具有以下標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)指針，三個16 位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)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(shù)器、串口

8、、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，ram內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。 2.2 at89c52的主要性能1與mcs-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容2 8k字節(jié)在系統(tǒng)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(shù)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(shù)據(jù)指針l4 掉電標(biāo)識符 2.3 at89c52的優(yōu)點(diǎn)at89c52單片機(jī)是美國atmel公司生產(chǎn)的低功耗，高性能cmos8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k

9、bytes的可系統(tǒng)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(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集flash程序存儲器，既可在線編程（isp）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)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(qiáng)大，低價at89s52單片機(jī)可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)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(jié)果送顯示區(qū)測量幅度程序結(jié)果送顯示區(qū)yynynn結(jié)果送顯示區(qū)3.線路監(jiān)控器系統(tǒng)設(shè)計3.1線路監(jiān)控器軟硬件結(jié)構(gòu)3.1.1系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要由單片at89c5

10、2、ad轉(zhuǎn)換電路、lcd顯示電路、遠(yuǎn)程通訊電路以及信號實(shí)時采集條理電路組成系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。 3.1.2系統(tǒng)主要軟件結(jié)構(gòu)軟件采用單片機(jī)匯編程序，由主程序和各參數(shù)測量的子程序組成。主程序主要由初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、lcd顯示模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、輸出控制模、塊等組成。軟件，經(jīng)調(diào)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(jīng)過電量變送器，按一定規(guī)律直接將二次側(cè)的電壓、電流經(jīng)高精度的ct、pt變成計算機(jī)可測量的交流小信號，即輸入a/d轉(zhuǎn)換器的是與電力系統(tǒng)的一次電壓和一次電流同頻率、大小成比例的交流電

11、信號，然后再送人計算機(jī)進(jìn)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?qū)Ρ粶y量的瞬時值進(jìn)行采樣，因而實(shí)時性好，效率高，相位失真小，適用于多參數(shù)測量。通過在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的實(shí)踐表明，采用交流采樣方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過算法運(yùn)算后獲得的電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)等電力參數(shù)有著較好的準(zhǔn)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(zhuǎn)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(nèi)有限個采樣電壓數(shù)字量來代替一個周期內(nèi)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(diǎn)數(shù)

12、。若相鄰兩次采樣的時間間隔相等，即為常數(shù)t，考慮到，則有 （1）式(1)就是根據(jù)一個周期內(nèi)各采樣瞬時值及每周期采樣點(diǎn)數(shù)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(zhuǎn)換延時120us啟動ad轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果送顯示區(qū)轉(zhuǎn)單片機(jī)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(shù)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(zhuǎn)換成ttl電平，作為計數(shù)器的輸入脈沖，在已知的時間內(nèi)，根據(jù)計數(shù)器的值即可計算出交流信號的頻率。通過at80c52內(nèi)部的定時計數(shù)器，可以準(zhǔn)確地

13、控制計數(shù)的時間。在定時開始時啟動計數(shù)器，定時時間一到就關(guān)閉計數(shù)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(shù)器和 級聯(lián)起來，便可得到定時為1 s或更長的時間間隔。將設(shè)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(shù)器，這樣定時時間可達(dá)到0278 ms，然后再將其定時輸出作為的外部輸入脈沖。將設(shè)置成功制作方式1，適當(dāng)調(diào)節(jié)時間常數(shù)，可得到準(zhǔn)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(shù)器的數(shù)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(shù)讀數(shù)并處理數(shù)據(jù)結(jié)

14、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(shù)器設(shè)置方式2定時設(shè)置方式1定時啟動、開中斷轉(zhuǎn)單片機(jī)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(jié)構(gòu)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(cè)相位差其中t是交流信號的周期。的測量：實(shí)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(shè)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(wù)程序中，首先啟動定時器，開中斷，撤銷全部中斷

15、信號，等待y波中斷。在中斷服務(wù)程序中關(guān)閉定時器，撤銷全部中斷申請信號，然后讀取定時器的數(shù)值，計算兩個交流信號過零點(diǎn)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(biāo)志，計算相位，供輸出顯示使用。中斷服務(wù)程序和中斷服務(wù)程序。其流程分別如圖8， 圖9所示。撤銷外部中斷讀計數(shù)器的值p停止計數(shù)開始tp計算相位差返回置y超前標(biāo)志p0.5t?11結(jié)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(wù)流程圖 圖9 中斷服務(wù)流

16、程圖 3.4. 通訊模塊設(shè)計3.4.1通訊的功能計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議包括了從物理線路的電氣特性到各計算機(jī)的進(jìn)程之間的共享資源的全部內(nèi)容，其內(nèi)容龐大而復(fù)雜。就本控制器而言，通信協(xié)議無需考慮那么復(fù)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(tǒng)運(yùn)行的一個重要組成部分，協(xié)議的設(shè)計主要考慮可靠、方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。控制器主要的通訊功能是通過上位機(jī)設(shè)置或修改控制器工作的延遲時間、輸入電壓的保護(hù)門限、電流的保護(hù)門限以及控制器實(shí)時數(shù)據(jù)的傳輸?shù)??？墒箍刂破髟诓煌妮斎腚妷汉碗娏鞣秶畠?nèi)正常工作，從而增加了控制器的靈活性。通信協(xié)議

17、必須解決以下問題：（1）接收并處理上位機(jī)傳來的命令和數(shù)據(jù)；（2）對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，能夠識別指令和數(shù)據(jù)的效性；（3）收到任何傳送給本機(jī)的命令應(yīng)做出相應(yīng)的響應(yīng)；（4）將實(shí)時監(jiān)測的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、記錄并作出相應(yīng)的響應(yīng) 3.4.2數(shù)據(jù)通信協(xié)議：協(xié)議中所有的命令與數(shù)據(jù)信息均包含幀頭和數(shù)據(jù)，幀頭1b ,，數(shù)據(jù)1b ,。在該系統(tǒng)通信中，系統(tǒng)將設(shè)置5個參數(shù)值，其通信協(xié)議如表1，表2 所示。無論系統(tǒng)設(shè)置是否成功，下位機(jī)都將向上位機(jī)返回信息，在表2中，上行命令是由上位機(jī)發(fā)送給控制器，實(shí)現(xiàn)控制器參數(shù)的設(shè)置和修改；下行命令主要是控制器根據(jù)系統(tǒng)要求完成某種功能之后的反饋信息和數(shù)據(jù)，也是通信是否

18、成功的回執(zhí)。上行命令格式：序號改值說明幀頭實(shí)時數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)成功0x57接收數(shù)據(jù)失敗0x 表一下行令格式：序號改值說明幀頭實(shí)時數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)成功0x5接收數(shù)據(jù)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(jī)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(jīng)過判斷是否有效。若有效，則接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，最后返回成功應(yīng)答信號；否則返回數(shù)據(jù)校驗(yàn)錯或者數(shù)據(jù)接收錯誤信號，上位機(jī)將重新發(fā)送。上位機(jī)收到數(shù)據(jù)成功應(yīng)答信號后，就認(rèn)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(shù)據(jù)返回錯誤命令返回正確命令檢測字頭修改數(shù)據(jù)恢復(fù)現(xiàn)場 圖104 結(jié)束語經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，本系統(tǒng)測量原理正確，測量效果比較理想。測量交流信號頻率可達(dá)10 mhz以上，對于50 hz的交流信號的相位差，其測量結(jié)果可精確到千分之一。測量交流信號幅度的精度是由模數(shù)轉(zhuǎn)換器決定的，提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)即可提高測量的精度。在具體測量中要注意以下3點(diǎn)：(1)交流信號的頻率一方面受計數(shù)器最高使用頻率的限制，另一方面受計數(shù)