電力參數檢測裝置設計

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學單片機原理及接口技術 課程設計（論文）題目： 電力參數檢測裝置設計 院（系）： 電氣工程學 專業(yè)班級： 電氣 學 號： 學生姓名： 指導教師： （簽字）起止時間： 課程設計（論文）任務及評語院（系）：電氣工程學院 教研室： 電氣工程教研室學 號學生姓名專業(yè)班級課程設計（論文）題目電力參數檢測裝置設計課程設計（論文）任務該檢測裝置實時監(jiān)測380V三相電流，并實時顯示電流有效值，當電流超過100A時發(fā)出聲光報警。設計任務：1. CPU最小系統設計（包括CPU選擇，晶振電路，復位電路）2. 電流互感器選擇及模擬量接口電路設計3. 電源電路及聲光報警電路設計4 . 程序流程圖設計

2、及程序清單編寫技術參數：1電流上限值100A2工作電源220V設計要求：1、分析系統功能，盡可能降低成本，選擇合適的單片機、AD轉換器、輸出電路等；2、應用專業(yè)繪圖軟件繪制硬件電路圖和軟件流程圖；3、按規(guī)定格式，撰寫、打印設計說明書一份，其中程序開發(fā)要有詳細的軟件設計說明，詳細闡述系統的工作過程，字數應在4000字以上。進度計劃第1天 查閱收集資料第2天 總體設計方案的確定第3-4天 CPU最小系統設計 第5天 電流互感器及接口電路設計 第6天電源電路以及聲光報警電路設計第7天 程序流程圖設計第8天 軟件編寫與調試第9天 設計說明書完成第10天 答辯指導教師評語及成績 平時： 論文質量： 答辯

3、： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日摘 要電流的檢測在人們的生產和生活的過程中都是十分普遍的，特別是當電流量是模擬信號時，給人們的檢測帶來了許多的不變， 因此如何來計量它就具有重要的現實意義。本文主要介紹了一種基于89C51單片機的電力運行參數測量裝置，該裝置采用單片機作為測控核心，能夠自動完成電力供電線路的參數測定、運算和顯示。本文詳細介紹了電力參數的測量方法，并通過制圖軟件繪制了系統原理圖完成了裝置的設計和各部分功能軟硬件調試，著重介紹了裝置電流采樣、數據采集計算、顯示處理單元的功能實現過程，并總結了每個單元調試過程中發(fā)現的問題。解決了原有電力參數檢測裝置的功率損耗大，參數顯示不精確，

4、反應速度慢的缺點。關鍵詞：89C51；電力參數；數據采集顯示；檢測裝置目 錄第1章 緒論11.1 電力參數檢測概況11.2 本文研究內容11.完成功能：11.3 電力參數檢測裝置總體設計方案2第2章 最小CPU系統32.1 數據存儲器擴展32.2 復位電路設計42.3 時鐘電路設計52.4 CPU最小系統圖6第3章 電力參數檢測裝置輸入輸出接口電路設計73.1 電力參數檢測裝置傳感器的選擇73.2 電力參數檢測裝置檢測接口電路設計73.2.1 A/D轉換器選擇73.3 人機對話接口電路設計83.3.1 LED顯示電路8 數碼管顯示電路的設計93.4 報警電路的設計103.5 電流有效值計算10

5、第4章 電力參數檢測裝置軟件設計114.1 軟件實現功能綜述114.2 流程圖設計11 模擬量檢測流程圖設計12第5章 系統設計與分析135.1 系統原理圖135.2 系統原理綜述145.3 軟件調試結果145.4 程序清單14第6章 課程設計總結19參考文獻20第1章 緒論1.1 電力參數檢測概況在工業(yè)生產和日常生活中，電能的質量越來越受到重視。電網電壓、電流的過高或過低，都會影響到電器設備的正常使用和使用壽命。應用于電力系統的電力參數實時監(jiān)測功能，在變電站一級一般都由遠動裝置來實現；而在日常生活中，一般只是利用電能表進行電量的計量，其原理是通過將有功功率對時間的積分來計算有功電能。目前，我

6、國主要使用的電能表有兩種：一種是感應式機械電能表：另一種是隨著電子工業(yè)的發(fā)展而出現的電子式電能表，它是利用電流和電壓作用于固態(tài)電子器件產生電能輸出量的電能計量儀表。機械式電能表由于其穩(wěn)定性和精度都不高，隨著電力市場改革的不斷深入，我國在各級電能計量系統的建立中，大部分已將機械式電能表更新為電子式電能表。 1.2 本文研究內容1.完成功能：需要監(jiān)測的三相電流經電流互感器變壓變流給模數轉換器ADC0833，把模擬量轉換為數字量，再把轉換完的數字量供給89C51單片機。89C51單片機對數字量分析處理把當前的電流有效值大小通過鎖存器給LED顯示出來。如果電流有效值大于100A，則89C51單片機通過

7、報警系統對外發(fā)出警報。2.設計任務:此次所設計的電流參數檢測裝置嚴格的按照所要完成的功能、本身的實用性、器件本身的性價比，進行系統的整體方案設計。包括以下內容1. CPU最小系統設計（包括CPU選擇，晶振電路，復位電路）2. 電流互感器選擇及模擬量接口電路設計3. 電源電路及聲光報警電路設計4 . 程序流程圖設計及程序清單編寫 1.3 電力參數檢測裝置總體設計方案數字電壓表總體方案設計如圖1.1所示： 圖1.1 總體方案設計圖1) 顯示模塊是顯示電壓。2) 時鐘電路是給單片機提供時鐘信號。3) 復位電路的作用是使單片機的程序計數器清零。第2章 最小CPU系統AT89C51是一可編程可

8、擦除只讀存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓微處理器，俗稱單片機。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。圖1.2 89c512.1 數據存儲器擴展如前所述，單片機的芯片內集成了CPUROMRAM定時/計數器和并行I/O接口，已經具備了很強的功能，一片單片機基本上就是一臺計算機。但是，單片機內部的ROMRAM的容量定時器I/O接口和中斷源等資源往往有限，在實際應用中通常不夠用，

9、因此需要對單片機的資源進行擴展。需要擴展的是程序存儲器和數據存儲器。單片機內部雖然有一定數量的存儲器，但常常不能滿足實際需要，因此要求從外部進行擴展。常用的外部數據存儲器有靜態(tài)RAM（static Random Access Memory）和動態(tài)RAM（Dynamic Random Access Memory）兩種。前者讀/寫速度高，一般都是8位寬度，易于擴展，且大多數與相同容量的EPROM引腳兼容，有利于印刷板電路設計，使用方便；缺點是集成度低，成本高，功耗大。后者集成度高，成本低，功耗相對較低；缺點是需要增加一個刷新電路，附加另外的成本。本文采用ERROM6264 和地址鎖存器74LS37

10、3（如圖1.3所示）圖1.3 CPU與數據存儲器的硬件原理圖2.2 復位電路設計復位操作可以使單片機初始化，也可以使死機狀態(tài)下的單片機重新啟動，因此非常重要。單片機的復位都是靠外部復位電路來實現得，在時鐘電路工作后，只要在單片機得RESET引腳上出現24個時鐘脈沖（兩個機器周期）以上的高電平，單片機就能實現復位。為了保證系統可復位，在設計復位電路時，一般使RESET引腳保持100ms以上的高電平，單片機便可以可靠地復位。當RESET從高電平變?yōu)榈碗娖揭院?，單片機從0000H地址開始執(zhí)行程序。在復位有效期間，ALE和PSEN引腳輸出高點平。該設計采用的是按健電平復位電路，使用比較方便，在此復位電

11、路中，干擾易串入復位端，在大多數情況下不會造成單片機的錯誤復位，但會引起內部某些寄存器錯誤復位。在RESET復位引腳上接一個去耦電容。在程序跑飛時，可以手動復位，按下按鍵后，使RESET端產生高電平，按鍵時間決定復位時間，這樣就不用在重起單片機電源，就可以實現復位。如圖1.4：圖1.4按鍵脈沖復位2.3 時鐘電路設計時鐘電路用于產生單片機工作所需的時間信號。時鐘信號可以有兩種方式產生：內部時鐘方式和外部時鐘方式。89C51單片機內部有一個高增益反向放大器（及與非門的一個輸入端編程為常有效時），用于構成片內振蕩器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。在XTAL1和XTAL2

12、兩端跨接晶體或陶瓷諧振器，就構成了穩(wěn)定的自激振蕩器，其發(fā)出的脈沖直接送入內部時鐘發(fā)生器，如圖2.5所示。外接晶振時，C1和C2值通常選擇為30pF左右；外接陶瓷諧振器時，C1和C2可穩(wěn)定頻率并對振蕩頻率有微調作用，振蕩頻率范圍是0到24MHz。為了減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定可靠的工作，諧振器和電容應盡可能安裝的與單片機芯片可靠。內部時鐘發(fā)生器實質上是一個二分頻的觸發(fā)器，其輸出是單片機工作所需的時鐘信號。2.4 CPU最小系統圖CPU最小系統見圖1.6：第3章 電力參數檢測裝置輸入輸出接口電路設計3.1 電力參數檢測裝置傳感器的選擇由于檢測裝置實時監(jiān)測380V三相電流，所以要接入電流互感

13、器。電流互感器的作用為了保證電力系統安全經濟運行，必須對電力設備的運行情況進行監(jiān)視和測量。但一般的測量和保護裝置不能直接接入一次高壓設備，而需要將一次系統的大電流按比例變換成小電流，供給測量儀表和保護裝置使用。在測量交變電流的大電流時，為便于二次儀表測量需要轉換為比較統一的電流（我國規(guī)定電流互感器的二次額定為5A或1A），另外線路上的電壓都比較高如直接測量是非常危險的。電流互感器就起到變流和電氣隔離作用。 它是電力系統中測量儀表、繼電保護等二次設備獲取電氣一次回路電流信息的傳感器，電流互感器將高電流按比例轉換成低電流，電流互感器一次側接在一次系統，二次側接測量儀表、繼電保護等。3.2 電力參數

14、檢測裝置檢測接口電路設計3.2.1 A/D轉換器選擇現實世界的物理量都是模擬量，能把模擬量轉化成數字量的器件稱為模/數轉換器（A/D轉換器），A/D轉換器是單片機數據采集系統的關鍵接口電路，按照各種A/D芯片的轉化原理可分為逐次逼近型，雙重積分型等等。雙積分式A/D轉換器具有抗干擾能力強、轉換精度高、價格便宜等優(yōu)點。與雙積分相比，逐次逼近式A/D轉換的轉換速度更快，而且精度更高，比如ADC0809、ADC0832等，它們通常具有8路模擬選通開關及地址譯碼、鎖存電路等，它們可以與單片機系統連接，將數字量送到單片機進行分析和顯示。一個n位的逐次逼近型A/D轉換器只需要比較n次，轉換時間只取決于位數

15、和時鐘周期，逐次逼近型A/D轉換器轉換速度快，因而在實際中廣泛使用。ADC0832 是美國國家半導體公司生產的一種 8 位分辨率、雙通道 A/D 轉換芯片。由于它體積小，兼容性強，性價比高而深受單片機愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經有很高的普及率。本設計采用精密采樣電阻（9歐、0.9歐、0.09歐、0.01歐），電阻精度可達0.1%可忽略；八位A/D精度為5/256（V）;對于100A的總量程精度可達0.1%，因而方案可達設計要求。ADC0832 具有以下特點： 8 位分辨率； 雙通道 A/D轉換； 輸入輸出電平與 TTL/CMOS 相兼容； 5V 電源供電時輸入電壓在 05V 之間； 工作頻率為

16、 250KHZ，轉換時間為 32S； 一般功耗僅為 15mW； 8P、14PDIP（雙列直插）、PICC 多種封裝； 商用級芯片溫寬為0°C to +70°C，工業(yè)級芯片溫寬為- 40°C to +85°C；芯片接口說明:l CS_ 片選使能，低電平芯片使能； l CH0 模擬輸入通道 0，或作為 IN+/-使用； l CH1 模擬輸入通道 1，或作為 IN+/-使用； l GND 芯片參考 0 電位（地）；l DI 數據信號輸入，選擇通道控制； l DO 數據信號輸出，轉換數據輸出； l CLK 芯片時鐘輸入；l Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入

17、（復用）3.3 人機對話接口電路設計3.3.1 LED顯示電路圖2.3LED顯示電路本文通過3塊LED顯示屏，將AD轉換電路得到值顯示出來，即為當前電流的大小3.3.2 數碼管顯示電路的設計數碼管顯示電路由段驅動電路和位驅動電路組成。由于單片機的并行口不能驅動數碼管顯示器，必須采用專門的驅動電路芯片，使之產生足夠大的電流，顯示器才能正常工作。如果驅動電路能力差，即負載能力不夠，顯示器亮度就低，而且驅動電路長期在超負荷下運行容易損壞。本系統采用并行驅動動態(tài)顯示。采用單片機P2口的低3位作為數碼管的位碼輸出信號，P0口作為段碼輸出信號。該驅動電路如圖2.3所示，P0口作為段碼輸出信號需外接上拉電阻

18、。由圖2.4可以看到，原理圖中用3個三極管作為數碼管的位驅動。圖2.4 數碼顯示電路圖3.4 報警電路的設計當電流達到或超過上限是就會報警，報警電路與單片機的P2.3口相連當單片機輸出一個低電平時，蜂鳴器就會發(fā)出報警信號，說明電流已經超過規(guī)定的上限值，外部輸出設備應該啟動進行相應的措施。只用在人按下復位按鈕或電路在允許的范圍內報警電路就不會觸動。 圖2.5 報警電路圖3.5 電流有效值計算電力參數的準確、快速測量對于實現電網調度自動化、保證電網安全與經濟運行具有十分重要的意義。電網頻率并不是固定不變的，而是在50Hz附近波動。傳統的直流采樣算法不能及時反映被測量的突變，精度與穩(wěn)定度受變送器的影

19、響很大，己逐漸不能滿足系統的需要。隨著人們對測量精度、性能的要求越來越高，在目前應用于電力系統的各種測量控制儀表中，交流采樣就越來越受人們的青睞。交流采樣是按照一定的規(guī)律對被測物理量的瞬時值進行采樣，用一定的算法計算出被測物理量的有效值。目前國內外已經提出和實現了許多交流采樣的算法。由于采用的具體原理不同，在硬件軟件的配置上也不一樣，以致系統的精度和造價也不一樣。在應用中應根據實際情況選擇最適宜的交流采樣算法。第4章 電力參數檢測裝置軟件設計4.1 軟件實現功能綜述本實驗要實現的是對380V三相電流實時監(jiān)測裝置。由89C51單片機和其他一些器件組成的控制系統，要實現的軟件功能是將線路中的電流信

20、息通過電流檢測模塊傳送給89C51單片機，途中利用A/D轉換器將模擬信號轉換為數字信號，讓單片機識別，并顯示。然后對電流進行判斷，通過顯示模塊顯示電流的有效值，如果電流有效值大于設定的允許值，則對外報警。4.2 流程圖設計主程序流程圖設計電流信號通過電流檢測模塊傳送給89C51單片機，途中利用A/D轉換器將模擬信號轉換為數字信號，讓單片機識別，并處理，然后電流大小進行判斷，超過允許值進行報警。圖3.1主程序流程圖4.2.1 模擬量檢測流程圖設計每次對ADC0832操作時要按造ADC0832工作過程中的協議進行。初始化-> ROM操作命令-> 存儲器操作命令-> 處理數據 程序

21、流程圖如圖4.2圖3.2模擬量檢測流程圖第5章 系統設計與分析5.1 系統原理圖圖4.1系統原理電路圖 5.2 系統原理綜述需要監(jiān)測的三相電流經電流互感器變壓變流給模數轉換器ADC0833，把模擬量轉換為數字量，再把轉換完的數字量供給89C51單片機。89C51單片機對數字量分析處理把當前的電流有效值大小通過鎖存器給LED顯示出來。如果電流有效值大于100A，則89C51單片機通過報警系統對外發(fā)出警報。5.3 軟件調試結果分別調試各子模塊：按鍵掃描及處理模塊，顯示模塊，電流采樣控制模塊，當各子模塊調試正常后再將各子模塊及主模塊全部匯編連接成目標文件，再將目標代碼下載到單片機中進行統一調試 。各

22、單元均調通后，進行整機調試，其過程如下：將調試好的模塊連接在一起，加380V交流電在變壓器兩端，用單片機進行調試，對每一模塊的功能進行檢測。調試成功則證明整個系統能夠正常工作。5.4 程序清單程序編譯DIS：MOV A，R2 ；ADD A，R3 DA AADD A，R4DA AMOV R4，A ；把相加結果存放R4中MOV 21H，#00H ；置循環(huán)顯示初值HDISP：MOV A，R4ANL A，#0F0HORL A，#07H ；選通高位數碼管MOV P2，A ；送顯高位ACALL DELAD2 ；延時MOV A，R4ANL A，#0FHSWAP AORL A，#0BH ；選通低位數碼管MOV

23、 P2，A ；送顯低位ACALL DELAD2 ；延時INC 21HMOV A，#0FHXRL A，21HJZ B1 ；循環(huán)顯示完否SJMP HDISP ；未完繼續(xù)B1：RET ；顯示完返回ORG 0000HSTART：MOV P1，#0F0H ；關閉兩片89C51MOV R3，#0D0H ；對第一片89C51送控制字MOV 20H，#02HM1：MOV A，R3ACALL READ ；調用讀數子程序JZ N1ACALL M2 ；調用核對子程序N1：MOV A，R1INC AMOV R1，AACALL READJZ N2ACALL M2N2：MOV A，R1INC AMOV R1，AACALL

24、 READJZ N3ACALL M2N3：MOV A，R1INC AMOV R1，AACALL READJZ N4ACALL M2N4：MOV R3，#0B0H ；第二片89C51送控制字MOV A，02HDEC AJNZ M1SJMP START ；巡回檢測READ：MOV P1，A ；送控制字CLR P1.4ORL P1，#0FHMOV A，P1 ；讀數據SETB P1.4ANL A，#0FHRET ；子程序返回M2：MOV R0，ALCALL DELAD1MOV A，R1XRL A，R0 ；核對比較JNZ M22 ACALL TLTC ；調用查找報警點子程序M22：RETTLTC：MOV

25、 A，R1 ；查找報警點位于哪個口ANL A，#0FHMOV R7，AMOV R2，#00HL1：MOV A，R7JNZ L2MOV R2，#04HL2：MOV A，R7JNZ L3MOV R2，#08HL3：MOV A，R7XRL A，#03HMOV R2，#12HLL3：MOV A，R1 ；查找報警點在哪片89C51ANL A，#0F0HRLC AJC L4MOV R3，#16HL4：RLC AJC L5MOV R3，#00HL5：MOV A，R0 ；查找是哪個點報警RRC AMOV R0，AJNC L6MOV R4，#01HLCALL DISL6：MOV A，R0RRC AMOV R0，AJNC L7MOV R4，#02HLCALL DISL7：MOV A，R0RRC A MOV R0，AJNC L8MOV R4，#03HLCALL DISL8：MOV A，R0RRC AJNC L9MOV R4，#04HLCALL DISDIS：MOV A，R2 ；顯示報警ADD A，R3DA AADD A，R4DA AMOV R4，AORL A，#07HMOV P2，AACALL DELAD2ANL A，#0FHSWAP AORL A，#0BHMOV P2，A ACALL DELAD5INC 21HMOV A，#0FFHJZ B1B1：RETDELAD1：MOV R5，#04H ；