電氣工程及其自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)真空斷路器滅弧室真空度在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙第2頁共2頁P(yáng)AGE編號(hào)：畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書題目：真空斷路器滅弧室真空度在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究院（系）：機(jī)電工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：職稱：題目類型：理論研究實(shí)驗(yàn)研究工程設(shè)計(jì)√工程技術(shù)研究軟件開發(fā)目錄TOC\o"1-3"\u引言 11緒論 21.1我國電力工業(yè)的發(fā)展 21.2真空斷路器簡介 21.3真空滅弧室的工作原理 31.4真空斷路器真空度降低原因分析 42真空斷路器結(jié)構(gòu)、分類與真空度檢測方法 52.1真空斷路器類型 52.2真空斷路器的結(jié)構(gòu) 52.2.1真空斷路器的基本要求 52.2.2功能部件 52.2.3真空斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu) 62.3真空斷路器優(yōu)缺點(diǎn) 72.3.1真空斷路器優(yōu)點(diǎn) 72.3.2真空斷路器缺點(diǎn) 72.4真空斷路器真空度檢測方法介紹 82.4.1離線檢測 82.4.2在線檢測 93設(shè)計(jì)思路 113.1設(shè)計(jì)依據(jù) 113.2設(shè)計(jì)構(gòu)思 124硬件設(shè)計(jì) 134.1設(shè)計(jì)流程圖 134.2電阻分壓、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓 134.2.1電阻分壓 134.2.2穩(wěn)壓電路 144.3電壓跟隨器 154.4電壓電流轉(zhuǎn)換和電流電壓部分 164.5信號(hào)放大部分 194.6信號(hào)全波整流部分 224.7二階低通濾波部分 264.8硬件設(shè)計(jì)部分 284.8.1單片機(jī)硬件部分 284.8.2AD轉(zhuǎn)換硬件部分 334.8.3串口通信硬件部分 365軟件設(shè)計(jì) 426調(diào)試 447結(jié)論 45謝辭 46參考文獻(xiàn) 47附錄1 48附錄2 53畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙第56頁共55頁引言高壓斷路器在電力系統(tǒng)中具有控制和保護(hù)雙重功能，是電力系統(tǒng)一次設(shè)備中檢修、維護(hù)工作量最大的設(shè)備之一。有關(guān)資料表明，開關(guān)的維修費(fèi)用占變電站總維修費(fèi)用的一半以上，而且大部分用于斷路器的小修和定期檢修上。真空斷路器由于滅弧能力強(qiáng)、電氣壽命長、現(xiàn)場維護(hù)方便、技術(shù)含量高等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)基本建設(shè)及無油化改造中，被廣泛選用。尤其是在l0kV電壓等級(jí)，真空斷路器已經(jīng)成為高壓斷路器的首選型式。然而，在運(yùn)行中的真空斷路器滅弧室，其真空度有可能因?yàn)樵S多原因在不知不覺中下降，按常規(guī)，我們只有在定期的預(yù)試時(shí)才能發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的缺陷。如果在預(yù)試周期內(nèi)，真空滅弧室內(nèi)氣體壓強(qiáng)升至1xl0-1Pa以上時(shí)，將完全有可能因?yàn)檎婵斩鹊南陆凳箶嗦菲髟诙搪饭收戏珠l時(shí)動(dòng)、靜觸頭之間產(chǎn)生放電擊穿，使真空滅弧室不能有效滅弧，嚴(yán)重情況下真空斷路器將發(fā)生爆炸，造成設(shè)備損壞事故以及輸電線路停電，導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，國內(nèi)真空開關(guān)事故均是由于此原因引起的。由于滅弧室是以真空條件作為其工作基礎(chǔ)的，所以它不象油開關(guān)，SF6開關(guān)那樣容易檢查其介質(zhì)量。有些真空開關(guān)在運(yùn)行過程中其真空滅弧室含有不同程度的泄露，因此如何才能實(shí)時(shí)在線觀測到真空斷路器滅弧室的真空度，以防范事故于未然？這已經(jīng)成為電力系統(tǒng)十分關(guān)注的一個(gè)問題。美國、日本及前蘇聯(lián)等國早在20世紀(jì)五六十年代久開展了電力開關(guān)設(shè)備在線監(jiān)測的研究工作，開始由定期檢修向狀態(tài)檢修轉(zhuǎn)變。我國自80年代以來，在變電站高壓設(shè)備在線監(jiān)測、故障只能診斷方面也進(jìn)行了大量的研究工作，取得了很多的成果，逐步積累了一些經(jīng)驗(yàn)，為開展?fàn)顟B(tài)檢修打下了良好的基礎(chǔ)。[1][2]1緒論1.1我國電力工業(yè)的發(fā)展首先介紹一下我國電力工業(yè)的建設(shè)成就。中國電力工業(yè)始于1882年。新中國成立前，電力工業(yè)發(fā)展緩慢，1949年發(fā)電裝機(jī)容量和發(fā)電量僅為185萬千瓦和43億千瓦時(shí)，分別居世界第21位和第25位。新中國成立后，電力工業(yè)得到快速發(fā)展，1978年發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到5712萬千瓦，發(fā)電量達(dá)到2566億千瓦時(shí)，分別躍居世界第8位和第7位。1978年改革開放到2000年，我國發(fā)電裝機(jī)和發(fā)電量先后超越法國、英國、加拿大、德國、俄羅斯和日本，居世界第2位。1987年發(fā)電裝機(jī)突破1億千瓦，1995年超過了2億千瓦，2000年跨上3億千瓦臺(tái)階。進(jìn)入新世紀(jì)，電力工業(yè)進(jìn)入歷史上的高速發(fā)展階段，2004年全國發(fā)電裝機(jī)突破4億千瓦，2005年超過了5億千瓦。電力技術(shù)水平接近和達(dá)到國際先進(jìn)水平。改革開放之前，我國發(fā)電設(shè)備只能生產(chǎn)12.5萬千瓦和20萬千瓦等級(jí)及以下的機(jī)組，輸變電設(shè)備只能生產(chǎn)220千伏及以下的裝置。隨著電力工業(yè)的技術(shù)裝備水平不斷提高，我國成批量生產(chǎn)的30萬千瓦和60萬千瓦機(jī)組已成為國內(nèi)的主力機(jī)型。目前,60萬千瓦、90萬千瓦超臨界機(jī)組已經(jīng)投產(chǎn)發(fā)電，國產(chǎn)百萬千瓦級(jí)超超臨界機(jī)組也即將投產(chǎn)。通過引進(jìn)國際先進(jìn)技術(shù)，國內(nèi)合作生產(chǎn)的30萬千瓦大型循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電設(shè)備、9F級(jí)聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)、60萬千瓦級(jí)壓水堆核電站和70萬千瓦三峽水輪機(jī)組等發(fā)電設(shè)備在性價(jià)比上已經(jīng)具有了國際競爭力。同時(shí)，國內(nèi)制造廠家生產(chǎn)制造的500千伏交直流輸變電設(shè)備已成為電網(wǎng)的骨干輸電網(wǎng)架。西北750千伏交流輸變電示范工程和河南靈寶背靠背成套設(shè)備已建成投產(chǎn)。但是，在有些方面我們同國際先進(jìn)水平相比仍有一定差距，如百萬千瓦級(jí)核電站的設(shè)備制造。1.2真空斷路器簡介真空斷路器因其滅弧介質(zhì)和滅弧后觸頭間隙的絕緣介質(zhì)都是高真空而得名；其具有體積小、重量輕、適用于頻繁操作、滅弧不用檢修的優(yōu)點(diǎn)，在配電網(wǎng)中應(yīng)用較為普及。真空斷路器主要包含三大部分：真空滅弧室、電磁或彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)、支架及其他部件。以下是對(duì)基本術(shù)語和各部分的具體介紹：1.80年代以前，真空斷路器處于發(fā)展的起步階段，技術(shù)上在不斷摸索，還不能制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，直到1985年后才制定相關(guān)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。目前國內(nèi)主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為：JP3855-96《3.6～40.5kV交流高壓真空斷路器通用技術(shù)條件》DL403-91《10～35kV戶內(nèi)高壓斷路器訂貨技術(shù)條件》這里需要說明：IEC標(biāo)準(zhǔn)中并無與我國JB3855相對(duì)應(yīng)的專用標(biāo)準(zhǔn)，只是套用《IEC56交流高壓斷路器》。因此，我國真空斷路器的標(biāo)準(zhǔn)至少在下列幾個(gè)方面高于或嚴(yán)于IEC標(biāo)準(zhǔn)：(1)絕緣水平：試驗(yàn)電壓IEC中國1min工頻耐壓(kV)2842(極間、極對(duì)地)48(斷口間)1.2/50沖擊耐壓(kV)7575(極間、極對(duì)地)84(斷口間)(2)電壽命試驗(yàn)結(jié)束后真空滅弧室斷口的耐壓水平：IEC56中無規(guī)定。我國JB3855一96規(guī)定為：完成電壽命次數(shù)試驗(yàn)后的真空斷路器，其斷口間絕緣能力應(yīng)不低于初始絕緣水平的80%，即工頻1min33.6kV和沖擊60kV。(3)觸頭合閘彈跳時(shí)間：IEC無規(guī)定，而我國規(guī)定要求不大于2ms。(4)溫升試驗(yàn)的試驗(yàn)電流：IEC標(biāo)準(zhǔn)中，試驗(yàn)電流就等于產(chǎn)品的額定電流。我國DL403-91中規(guī)定試驗(yàn)電流為產(chǎn)品額定電流的110%。2.真空斷路器的主要技術(shù)參數(shù)(1).開距(2).觸頭接觸壓力(3).接觸行程(或稱壓縮行程)(4).平均合閘速度(5).平均分閘速度(6).合閘彈跳時(shí)間(7).合、分閘不同期性(8).合、分閘時(shí)間(9).回路電阻[15.16]1.3真空滅弧室的工作原理真空斷路器的滅弧室每一只為一不可拆卸的整體，動(dòng)、靜能為分別焊在動(dòng)、靜導(dǎo)電桿上。靜導(dǎo)電桿焊在上法蘭盤上，動(dòng)導(dǎo)電桿上焊一波紋管在導(dǎo)向套內(nèi)運(yùn)動(dòng)。波紋管及導(dǎo)向套焊在下法蘭盤上，由瓷柱支撐的金屬圓筒屏蔽罩在動(dòng)靜觸頭外面，再與玻璃外殼形成一密封的腔體。該腔體經(jīng)過抽真空，真空度一般在10-6Pa以上。當(dāng)合、分閘操作時(shí)，動(dòng)導(dǎo)電桿上下運(yùn)動(dòng)，波紋管被壓縮或拉伸，使真空滅弧室內(nèi)的真空度得到保持。在真空中由于氣體分子的平均自由行程很大，氣體不容易產(chǎn)生游離，真空的絕緣強(qiáng)度比大氣的絕緣強(qiáng)度要高得多。真空斷路器中的觸頭斷開過程中，依靠觸頭產(chǎn)生的金屬蒸氣使觸頭間產(chǎn)生電弧。當(dāng)電流接近零值時(shí)，電弧熄滅。一般情況下，電弧熄滅后，弧隙中殘存的帶電質(zhì)點(diǎn)繼續(xù)向外擴(kuò)散，在電流過零值后很短時(shí)間內(nèi)弧隙便沒有多少金屬蒸氣，立刻恢復(fù)到原有的“真空”狀態(tài)，使觸頭之間的介質(zhì)擊穿電壓迅速恢復(fù)，達(dá)到觸頭間介質(zhì)擊穿電壓大于觸頭間恢復(fù)電壓條件，使電弧徹底熄滅，觸頭間的介質(zhì)強(qiáng)度又迅速恢復(fù)起來。1.4真空斷路器真空度降低原因分析真空滅弧室漏氣的原因分析：1.觸頭行程的影響國產(chǎn)各種型號(hào)的10kV真空斷路器滅弧室的觸頭超行程是在4mm左右，開距11mm左右應(yīng)嚴(yán)格測量控制。真空斷路器在安裝或檢修時(shí)，嚴(yán)格按照產(chǎn)品安裝說明書中觸頭行程要求準(zhǔn)確測量，調(diào)整拉桿，防止行程超越。2.跳的影響真空斷路器的觸頭多為對(duì)接式結(jié)構(gòu)，在分合閘操作中可能產(chǎn)生不同程度的反彈現(xiàn)象，不論分閘反彈還是合閘反彈都會(huì)給運(yùn)行帶來危害：波紋管經(jīng)受強(qiáng)迫振動(dòng)可能產(chǎn)生裂紋，使滅弧室漏氣；分合閘時(shí)的沖擊速度及沖擊力較大，發(fā)生彈跳，可能產(chǎn)生觸頭和導(dǎo)電桿的變形，甚至產(chǎn)生裂紋；切合電容器組的真空斷路器如果發(fā)生合閘彈跳，還會(huì)導(dǎo)致電容器的損壞。3.分合閘速度的影響斷路器在投運(yùn)前應(yīng)測量分合閘速度，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量和調(diào)試上的一些問題，防止分合閘速度過大，對(duì)滅弧室產(chǎn)生嚴(yán)重震動(dòng)和撞擊。4.緩沖器的影響應(yīng)仔細(xì)檢查緩沖器行程，不應(yīng)有變形損傷現(xiàn)象或壓縮超量，須留緩沖裕度。5.操作機(jī)構(gòu)容量的影響不同型號(hào)容量的開關(guān)，須配置不同容量的操作機(jī)構(gòu)，在安裝或改造時(shí)，應(yīng)按制造廠家的要求配置，如果容量偏大，將對(duì)滅弧室產(chǎn)生嚴(yán)重撞擊，造成真空滅弧室波紋管損壞。運(yùn)行和檢修中應(yīng)注意的事項(xiàng)：真空滅弧室管內(nèi)的真空度通常是在10-4~10-6Pa，隨著真空滅弧室使用時(shí)間的增長和開斷次數(shù)增多，以及受外界因素的影響，其真空度逐步下降，下降到一定程度，將會(huì)影響它的開斷能力和耐壓水平。因此，真空斷路器在使用過程中必須定期檢查滅弧室管內(nèi)的真空度。1.運(yùn)行檢查對(duì)玻璃外殼真空滅弧室，巡視檢查時(shí)可以定期目測。正常時(shí)內(nèi)部的屏蔽罩等部件表面顏色應(yīng)很明亮，在開斷電流時(shí)發(fā)出淺藍(lán)色弧光；當(dāng)真空度下降很嚴(yán)重時(shí)，內(nèi)部顏色就會(huì)變得灰暗，開斷電流時(shí)將發(fā)出暗紅色弧光。2.試驗(yàn)檢查工頻耐壓試驗(yàn)：定期（1～3年左右）進(jìn)行一次工頻耐壓試驗(yàn)（42kV/min）。當(dāng)動(dòng)靜觸頭滿足額定開距條件時(shí)，如果耐壓很低，達(dá)不到規(guī)定耐壓標(biāo)準(zhǔn)，就說明真空滅弧室真空度已嚴(yán)重下降，不能繼續(xù)使用。真空度測試儀檢查：用真空度測試儀定期測量滅弧室真空度，真空度下降超過規(guī)定數(shù)值，可再做一次真空的耐壓試驗(yàn)，進(jìn)行再次確認(rèn)其完好性。3.技術(shù)數(shù)據(jù)的檢查雖然真空斷路器不進(jìn)行周期大修，但檢查維護(hù)必須開展，對(duì)斷路器的各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行定期實(shí)際測量，以判斷其傳動(dòng)系統(tǒng)的狀況。4.斷路器的特性試驗(yàn)定期對(duì)斷路器的特性進(jìn)行試驗(yàn)，以檢查行程、彈跳、速度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的變化，及時(shí)調(diào)整，消除隱患[13、17、18]。2真空斷路器結(jié)構(gòu)、分類與真空度檢測方法2.1真空斷路器類型真空斷路器的類型，可從不同角度來劃分，一般情況下主要從以下兩個(gè)方面劃分：(1)按使用場所劃分--可分為戶內(nèi)式和戶外式，分別用ZN和ZW來表示。(2)按斷路器主體與操動(dòng)機(jī)構(gòu)的相關(guān)位置劃分--可分為整體式和分體式。整體式真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)與開關(guān)本體安裝在同一骨架上，體積小、重量輕、安裝調(diào)整方便、機(jī)械性能穩(wěn)定。分體式真空斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)與開關(guān)本體分別裝于開關(guān)柜的不同位置上，斷路器的各項(xiàng)機(jī)械特性參數(shù)必須安裝在開關(guān)柜上調(diào)整試驗(yàn)才有實(shí)際意義，這種安裝方式主要受我國少油斷路器的安裝方式的社響，比較適合于少油開關(guān)柜的無油化改造，優(yōu)點(diǎn)是巡視和檢修方便，缺點(diǎn)是安裝調(diào)整稍麻煩，機(jī)械特性的穩(wěn)定性和可靠性稍遜[16-18]。2.2真空斷路器的結(jié)構(gòu)2.2.1真空斷路器的基本要求(1)機(jī)械性能穩(wěn)定，例如合閘彈跳時(shí)間，希望在壽命全程中保持同一狀態(tài)，不要初期無彈跳，后期則彈跳。

(2)足夠的機(jī)械強(qiáng)度，使斷路器本身具有足夠的動(dòng)穩(wěn)定度。

(3)高壓區(qū)和低壓區(qū)的分隔，最好是前后布置，有助于保證運(yùn)行中人員的人身安全。

(4)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的檢查、調(diào)整、維修要有足夠空間。方便。

(5)配用機(jī)構(gòu)的可選擇性，有的型號(hào)可配CD和CT兩種機(jī)構(gòu)，有的只能配用一種。

(6)結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、價(jià)格低廉。

(7)易于實(shí)現(xiàn)防誤聯(lián)鎖。

所有真空斷路器，不論是何種結(jié)構(gòu)，斷路器本體中均裝設(shè)有分閘拉力彈簧。合閘過程中操動(dòng)機(jī)構(gòu)既要提供驅(qū)動(dòng)開關(guān)運(yùn)動(dòng)的功，又要同時(shí)將分閘彈簧貯能。當(dāng)需要分閘時(shí)，操動(dòng)機(jī)構(gòu)只需完成脫扣解鎖任務(wù)，由分閘彈簧釋能完成分閘運(yùn)動(dòng)[18]。2.2.2功能部件真空斷路器按其結(jié)構(gòu)的功能可分為六個(gè)部分：

(1)支架：安裝各功能組件的架體。

(2)真空滅弧室：實(shí)現(xiàn)電路的關(guān)合與開斷功能的熄弧元件。

(3)導(dǎo)電回路：與滅弧室的動(dòng)端及靜端連接構(gòu)成電流通道。

(4)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：把操動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)傳輸至滅弧室，實(shí)現(xiàn)滅弧室的合、分閘操作。

(5)絕緣支撐：絕緣支持件將各功能元件，架接起來滿足斷路器的絕緣要求。

(6)操動(dòng)機(jī)構(gòu)：斷路器合、分間的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置[17]2.2.3真空斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)操動(dòng)機(jī)構(gòu)是真空斷路器的驅(qū)動(dòng)裝置，主要有電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)與彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)。(1)真空斷路器對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的要求：1)機(jī)構(gòu)的輸出特性盡量與真空斷路器的反力特性相匹配。2)要有足夠的合閘輸出功；保證真空斷路器具有關(guān)合短路故障電流的能力。

3)合閘后，即使在事故狀態(tài)下也能穩(wěn)定地保持合閘（即令開關(guān)具有動(dòng)穩(wěn)定性）。

4)要保證在85%～110%合；同操作電壓下能正常合閘；在65%～120%分閘電壓下能正常分閘，而在30%額定操作電壓下不得分閘。

5)可以電動(dòng)或手動(dòng)操作。

6)電磁機(jī)構(gòu)應(yīng)具有自由脫扣的功能。

(2)真空斷路器的電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)

由于電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)螺管電磁鐵的出力特性容易滿足真空斷路器合閘反力特性的要求，所以在真空斷路器的發(fā)展初期主要是配用電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)。此外電磁機(jī)構(gòu)具有構(gòu)造簡單、使用簡便、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，是目前配電系統(tǒng)各類斷路器的主要配用機(jī)構(gòu)，運(yùn)行部門不但十分熟悉而且積累了很多使用維護(hù)的寶貴經(jīng)驗(yàn)。

常用的電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)有CD10、CD17、CD19型等。

CD10型電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)原是配用SＮ10-10型少油斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)，為族傳式輸出。真空斷路器發(fā)展初期因無專用操動(dòng)機(jī)構(gòu)而被采用。現(xiàn)仍有配CD10型操動(dòng)機(jī)構(gòu)的真空斷路器在生產(chǎn)。目前少油開關(guān)拒的無油化改造，也可采用CD10型操動(dòng)機(jī)構(gòu)。

CD17電磁機(jī)構(gòu)是專門為真空斷路器設(shè)計(jì)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)，為直推式輸出。它有CD17－Ⅰ、CD17－Ⅱ、CD17－Ⅲ型，分別配用分?jǐn)嗄芰?0、31.5、40kA真空斷路器。其體積、重量都比CD10型機(jī)構(gòu)小得多，合。分閘操作電流也僅是CD10型機(jī)構(gòu)的2/3，安裝占用空間小。

(3)真空斷路器的彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)

彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)可交、直流操作，操作電流很小，一般僅為1.5～3A，即便采用直流操作時(shí)所需的直流蓄電裝置容量也小。它可手動(dòng)儲(chǔ)能合閘、分閘，并且具有過流脫扣功能。在一般的終端配電室可以取消直流蓄電裝置而節(jié)省投資。國外一般中壓等級(jí)的斷路器大多配用彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)。

國內(nèi)初期真空斷路器的彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)常用CT7、CT8，由于這些產(chǎn)品投入運(yùn)行以來，故障較多，維修不便，體積較大，因而不夠理想。對(duì)于使用于頻繁操作的真空斷路器來說，不但要求彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)壽命高，而且工作要十分可靠。

我國目前多采用兩種新型的彈簧機(jī)構(gòu)，一種是CT17型，另一種是CT19型。前者為直推式輸出，后者為轉(zhuǎn)動(dòng)式輸出。這二種產(chǎn)品都小巧玲瓏，體積。重量比電磁機(jī)構(gòu)都小得多，如CT17機(jī)構(gòu)的重量僅為CD17型機(jī)構(gòu)的2/3。從多家工廠進(jìn)行產(chǎn)品型式試驗(yàn)看來，產(chǎn)品在安裝時(shí)幾乎不用調(diào)整，運(yùn)行可靠，機(jī)械壽命長，特別是CT19，在多次研究性試驗(yàn)中都達(dá)到2～3萬次，被認(rèn)為是具有90年代先進(jìn)水平的產(chǎn)品，是真空斷路器的理想配用操動(dòng)機(jī)構(gòu)。

彈簧機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，零件的加工精度河裝配要求高，所以價(jià)格較貴，增加了真空斷路器的成本與售價(jià)。但對(duì)整個(gè)配電站來說，可以節(jié)省直流蓄電裝置的投資，且對(duì)電壓穩(wěn)定性要求不高，提高了運(yùn)行的安全性，減少了維護(hù)工作量[18][19]。2.3真空斷路器優(yōu)缺點(diǎn)2.3.1真空斷路器優(yōu)點(diǎn)（1）在密封的容器中滅弧,電弧和熾熱氣體不外露；

（2）觸頭間隙很少,僅幾毫米至40毫米。我廠運(yùn)用中的ZN28型是11±1毫；

（3）燃弧時(shí)間短,電弧電壓低,電弧能量小,觸頭磨耗少,允許的開斷次數(shù)多。我廠現(xiàn)在運(yùn)用的SN10Ⅲ型小油斷路器,機(jī)械壽命是3000次,ZN28型真空斷路器機(jī)械壽命是10,000次；

（4）動(dòng)導(dǎo)電桿的慣性小,適宜頻繁操作；

（5）操作機(jī)構(gòu)小及結(jié)構(gòu)簡單,整體體積小,重量輕；

（6）控制功率校ZN28型真空斷路器配CD17型機(jī)構(gòu)直流電壓220V合閘55A、分閘1.5A；SN10Ⅲ型1250A少油斷路器配CD10Ⅱ型機(jī)構(gòu)、直流電壓220V,合閘147A,分閘2.5A；

（7）操作時(shí)噪聲小；

（8）由于無油,故無火災(zāi)和爆炸燃火的危險(xiǎn)；

（9）觸頭部分為完全密封結(jié)構(gòu),不容易因潮氣、灰塵、有害氣體等影響而降低它的性能,工作可靠性提高,開斷與并合性能穩(wěn)定且觸頭磨耗小,使用期較長[18-20]。

2.3.2真空斷路器缺點(diǎn)（1）容易產(chǎn)生操作過電壓,在開斷感性電流時(shí),會(huì)出現(xiàn)電流截?cái)喱F(xiàn)象造成較高的過電壓,因此要加裝過電壓吸收裝置,這樣設(shè)備量增加,維護(hù)量增加,費(fèi)用也上升；

（2）運(yùn)行中不易監(jiān)測真空度；

（3）國內(nèi)產(chǎn)品體系不多；

（4）配用的合成絕緣子在火電廠運(yùn)行易積灰塵,因此,要求廠用電室的環(huán)境要相對(duì)干凈[19][20]2.4真空斷路器真空度檢測方法介紹真空斷路器真空度檢測的方法有很多，不同方法適合的場合也不盡相同。歸總來說可以分為兩大類：離線檢測和在線檢測。比如離線檢測主要有工頻耐壓法、磁控放電法、吸氣劑膜法、德斯拉線圈法等；在線檢測主要有耦合電容法和電光變換法[5、6]。2.4.1離線檢測離線檢測的方法很多，而且發(fā)展也比較成熟。只是離線檢測需要把斷路器拆卸下來，工作繁重。工頻耐壓法工頻耐壓試驗(yàn)是指對(duì)220kV及以下電氣設(shè)備也用它來檢驗(yàn)絕緣耐受操作過電壓，暫時(shí)過電壓的能力。試驗(yàn)時(shí)，按規(guī)定將被試品接入試驗(yàn)回路，逐步升高電壓至標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的額定工頻耐受電壓值，保持1min，然后迅速、均勻地降壓到零。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，被試品絕緣未發(fā)生擊穿或表面閃絡(luò)，則認(rèn)為通過了該項(xiàng)試驗(yàn)。工頻交流耐壓試驗(yàn)所施電壓高出電氣設(shè)備額定工作電壓，通過這一試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)很多絕緣缺陷，尤其對(duì)局部缺陷更為有效，其缺點(diǎn)是可能在耐壓試驗(yàn)時(shí)給絕緣帶來一定損傷，所以應(yīng)在絕緣電阻、介質(zhì)損耗因數(shù)等項(xiàng)目試驗(yàn)合格后，才可進(jìn)行工頻交流耐壓試驗(yàn)。[2]脈沖磁控放電法脈沖磁控放電法的基本原理是:真空滅弧室的觸頭處于額定開距狀態(tài)時(shí)，在兩觸頭間施加一直流高壓，使兩觸頭的間距空間處于強(qiáng)電場中，同時(shí)在兩觸頭間施加一軸向強(qiáng)磁場，滅弧室內(nèi)的電子在強(qiáng)電場與強(qiáng)磁場的共同作用下，將從觸頭的一端以螺旋軌跡向觸頭另一端運(yùn)動(dòng)，并與滅弧室內(nèi)殘余氣體分子碰撞，產(chǎn)生電離，電離出的離子在強(qiáng)電場的作用下形成離子電流。理論與試驗(yàn)證明，該離子電流與滅弧室內(nèi)殘余氣體分子濃度基本成正比關(guān)系，因此，通過對(duì)該離子電流的測量，便可推算出滅弧室內(nèi)的真空度。

強(qiáng)軸向磁場的產(chǎn)生有兩種方法：一種是通過圍繞滅弧室真空泡周圍的螺旋繞組充電獲得，另一種是通過對(duì)帶有鐵心的π型勵(lì)磁繞組充電獲得。這兩種勵(lì)磁繞組的優(yōu)點(diǎn)是不用將真空滅弧室拆下，而只需將勵(lì)磁繞組置于真空泡外表面便可產(chǎn)生所需的軸向磁場。離子電流的電場是由通過軟件控制的脈沖電壓產(chǎn)生的，磁場勵(lì)磁電流是與電場電壓同步的脈沖電流，電場與磁場的同步性大大提高了測量的精確度。使用此方法測量真空度時(shí)，必須在滅弧室外加一個(gè)能夠產(chǎn)生縱向磁場的笨重線圈，因此限制了這種方法的使用范圍；隨后出線的不拆卸真空滅弧室測量真空度的磁控放電法，解決了測量真空度時(shí)必須將真空滅弧室從真空開關(guān)拆卸下來的問題[2]。2.4.2在線檢測在線檢測要在不改動(dòng)開關(guān)主體結(jié)構(gòu)及運(yùn)行狀態(tài)的前提下，隨時(shí)監(jiān)測其真空度的變化。目前，國內(nèi)外還無法實(shí)現(xiàn)真空度的直接測量，用于真空度在線檢測的兩種間接方法是耦合電容法和電光變換法[6]。(1)耦合電容法耦合電容法是根據(jù)局部放電測量原理提出來的。設(shè)被測真空滅弧室的帶電觸頭至中間屏蔽罩間的耐壓強(qiáng)度由于真空度降低而下降，則當(dāng)工頻電壓從零點(diǎn)升至某一值時(shí)，帶電觸頭和屏蔽罩之間的等值電容發(fā)生放電，該局部放電信號(hào)可通過位于屏蔽罩與接地箱殼之間的兩個(gè)局部放電探頭進(jìn)行在線監(jiān)測。這種方法的靈敏度還有待于驗(yàn)證。[2](2)電光變換法圖1電光變換接線圖一般真空滅弧室的屏蔽罩，金屬部分完全密封在滅弧室中，其電位的變化無法直接測試。但屏蔽罩電位的變化會(huì)引起屏蔽罩附近電場的變化，故通過放置于屏蔽罩附近的Pockels電場探頭可以測知屏蔽罩電位的變化，亦即可以進(jìn)行真空度的在線測試。屏蔽罩電場是指滅弧室絕緣殼外屏蔽罩部位與接地機(jī)架之間形成的電場，當(dāng)真空開關(guān)結(jié)構(gòu)一定時(shí)，僅與系統(tǒng)電壓有關(guān)。文[2]曾討論電光法測試真空度的原理，其試驗(yàn)研究的測試系統(tǒng)選用BSO晶體制作Pockels電場探頭，晶體厚度為3.5mm，中心波長選為860nm，試驗(yàn)的原理接線如圖1所示[2]。3設(shè)計(jì)思路3.1設(shè)計(jì)依據(jù)在線檢測的關(guān)鍵是綜合考慮各種監(jiān)測方法現(xiàn)場實(shí)施的難易程度和成本，既要保證監(jiān)測系統(tǒng)本身不過于繁雜。針對(duì)以上狀況，結(jié)合電氣設(shè)備的現(xiàn)代檢修體制由計(jì)劃性檢修向狀態(tài)檢修轉(zhuǎn)變的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出一種性能可靠、使用價(jià)廉的在線檢測裝置是實(shí)現(xiàn)真空開關(guān)狀態(tài)檢修必須解決的前提條件。耦合電容法是根據(jù)動(dòng)態(tài)電荷分布和電容分壓原理提出的。當(dāng)滅弧室內(nèi)真空度正常時(shí)，僅需要較低的電壓（幾百伏）就可以維持帶電觸頭與中間屏蔽罩之間由場致發(fā)射引起的電子電流。在屏蔽罩上積累的負(fù)電荷使其負(fù)電位幾乎可以達(dá)到電極電壓的峰值。當(dāng)真空度劣化時(shí)，滅弧室內(nèi)的氣體密度變大，場致發(fā)射的電子被氣體分鐘吸附后成為負(fù)離子。由于負(fù)離子質(zhì)量大，漂移速度慢，使得上述電子電流減小，屏蔽罩電位絕對(duì)值降低。上述過程引起電容C2、C3上電荷的重新分布，通過檢測先好輸出端U0的變化即可跟蹤屏蔽罩電位UC的變化過程，從而實(shí)現(xiàn)真空度的在線檢測。圖2所示為耦合電容法的原理和等效電路。圖2耦合電容的原理和等效電路使用此方法進(jìn)行真空度在線監(jiān)測時(shí)，首先離線試驗(yàn)標(biāo)定出不容型號(hào)的真空斷路器滅弧室屏蔽罩電位和真空度的關(guān)系。本文敘述的在線監(jiān)測裝置存儲(chǔ)了ZN12-10和ZN28-12系列的真空斷路器的屏蔽罩電位與真空度的多組對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，可根據(jù)被檢測斷路器型號(hào)預(yù)先設(shè)定，大大增強(qiáng)了該裝置使用的靈活性和應(yīng)用范圍。圖3為自制的耦合電容傳感器離線標(biāo)定的一組ZN12-10系列真空斷路器的真空滅弧室屏蔽罩電位與真空度的關(guān)系曲線。由于真空度變化是一個(gè)相對(duì)量，所以傳感器的輸出整定到適合A/D采樣的范圍即可。[1]圖3真空滅弧室屏蔽罩電位與真空度的關(guān)系曲線3.2設(shè)計(jì)構(gòu)思因?yàn)檎婵諟缁∈覂?nèi)真空度的下降是一個(gè)緩變的過程，程序處理上采取在斷路器正常運(yùn)行時(shí)，處理器開始處理耦合電容傳感器的輸出數(shù)據(jù)，計(jì)算采樣值，查表記錄真空度數(shù)值。耦合電容拾取真空滅弧室中間屏蔽罩上的原始電位信號(hào)，經(jīng)過一定的技術(shù)處理、整流、濾波、V/I、I/V變換后傳送到單片機(jī)處理。對(duì)于真空度的在線檢測而言，電容傳感器是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。耦合電容傳感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)理進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器。只需要計(jì)算該電壓信號(hào)的有效值，通過事先標(biāo)定的真空度與電容傳感器輸出的關(guān)系曲線便可判斷滅弧室的真空狀況，從而大大簡化了系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計(jì)。由于真空斷路器和電容傳感器價(jià)格較貴，而且我們的條件有限，所以前面的斷路器和電容傳感器部分就不做了，只考慮傳出來的電壓信號(hào)的調(diào)理和單片機(jī)處理的設(shè)計(jì)。4硬件設(shè)計(jì)4.1設(shè)計(jì)流程圖圖4設(shè)計(jì)流程圖4.2電阻分壓、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓耦合電容傳感器傳出來的電壓信號(hào)大概是100V左右，頻率很高。所以我們要經(jīng)過一些的信號(hào)處理使其能適合后面的芯片采樣。4.2.1電阻分壓電阻串聯(lián)電路時(shí)一個(gè)分壓電路，它有如下的基本特點(diǎn)：(1)各個(gè)電阻或者各處的電流都相等；(2)總電壓等于各電阻的分電壓之和；(3)總電阻等于所以各個(gè)分電阻之和。在串聯(lián)電路中還有兩個(gè)公司經(jīng)常用到，即兩個(gè)電阻串聯(lián)時(shí)的分壓公式：（4.2.1）它們都是歐姆定律的變形“U=IR”表述的“電阻的電壓和電阻成比例”的表現(xiàn)。設(shè)總電流為I，根據(jù)歐姆定律得(4.2.2)將上式代入“U=IR”中即可得到上面的分壓公式。本次設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的分壓電路圖如圖5所示圖5分壓、穩(wěn)壓電路圖其中J1為信號(hào)輸入端，R2和RV1組成串聯(lián)分壓電路，R2選10K，RV1選用0-10K，由上面分壓計(jì)算公式可以算出這個(gè)分壓電路輸出的電壓是0-50V可調(diào)。而我們需要的是5V的電壓信號(hào)，這時(shí)我們可以預(yù)先調(diào)節(jié)好RV1的阻值用萬用表測量使其輸出為5V以使其能被ADC0809芯片采樣。4.2.2穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓二極管(又叫齊納二極管)是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導(dǎo)體器件.在這臨界擊穿點(diǎn)上,反向電阻降低到一個(gè)很少的數(shù)值,在這個(gè)低阻區(qū)中電流增加而電壓則保持恒定,穩(wěn)壓二極管是根據(jù)擊穿電壓來分檔的,因?yàn)檫@種特性,穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準(zhǔn)元件使用.其伏安特性見圖6,穩(wěn)壓二極管可以串聯(lián)起來以便在較高的電壓上使用,通過串聯(lián)就可獲得更多的穩(wěn)定電壓.圖6穩(wěn)壓二極管的伏安特性我們本次設(shè)計(jì)選用穩(wěn)壓二極管的型號(hào)為1N4733,穩(wěn)壓電壓范圍5.1V,當(dāng)輸入電壓增大時(shí)，它的電壓可以穩(wěn)定在5V。4.3電壓跟隨器電壓跟隨器是共集電極電路，信號(hào)從基極輸入，射極輸出，故又稱射極輸出器。基極電壓與集電極電壓相位相同，即輸入電壓與輸出電壓同相。這一電路的主要特點(diǎn)是：高輸入電阻、低輸出電阻、電壓增益近似為1，所以叫做電壓跟隨器。如圖4-12所示。電壓跟隨器是同相放大電路的特殊情況，輸入信號(hào)是從集成運(yùn)放的同相端引入，反饋電阻為零，負(fù)反饋極強(qiáng)，運(yùn)放工作非常穩(wěn)定，輸入阻抗很大。輸出電阻卻很小，因而這種電路具有阻抗變換作用。所謂阻抗變換作用是指經(jīng)電壓跟隨器放大后，其輸出電壓近似等于信號(hào)源的電動(dòng)勢而其輸出電阻卻很小。該電路常用作輸入級(jí)、中間緩沖級(jí)和輸出級(jí)。共集電路的輸入高阻抗，輸出低阻抗的特性，使得它在電路中可以起到阻抗匹配的作用，能夠使得后一級(jí)的放大電路更好的工作。電壓隔離器輸出電壓近似輸入電壓幅度，并對(duì)前級(jí)電路呈高阻狀態(tài)，對(duì)后級(jí)電路呈低阻狀態(tài)，因而對(duì)前后級(jí)電路起到“隔離”作用。電壓跟隨器常用作中間級(jí)，以“隔離”前后級(jí)之間的影響，此時(shí)稱之為緩沖級(jí)?；驹磉€是利用它的輸入阻抗高和輸出阻抗低之特點(diǎn)。電壓跟隨器的輸入阻抗高、輸出阻抗低特點(diǎn)，可以極端一點(diǎn)去理解，當(dāng)輸入阻抗很高時(shí)，就相當(dāng)于對(duì)前級(jí)電路開路；當(dāng)輸出阻抗很低時(shí)，對(duì)后級(jí)電路就相當(dāng)于一個(gè)恒壓源，即輸出電壓不受后級(jí)電路阻抗影響。一個(gè)對(duì)前級(jí)電路相當(dāng)于開路，輸出電壓又不受后級(jí)阻抗影響的電路當(dāng)然具備隔離作用，即使前、后級(jí)電路之間互不影響。[9]圖7電壓跟隨器電路圖4.4電壓電流轉(zhuǎn)換和電流電壓部分(1)電壓電流轉(zhuǎn)換在工業(yè)控制和許多傳感器的應(yīng)用電路中,摸擬信號(hào)輸出時(shí),一般是以電壓輸出。在以電壓方式長距離傳輸模擬信號(hào)時(shí),信號(hào)源電阻或傳輸線路的直流電阻等會(huì)引起電壓衰減,信號(hào)接收端的輸入電阻越低,電壓衰減越大。為了避免信號(hào)在傳輸過程中的衰減,只有增加信號(hào)接收端的輸入電阻,但信號(hào)接收端輸入電阻的增加,使傳輸線路抗干擾性能降低,易受外界干擾,信號(hào)傳輸不穩(wěn)定,這樣在長距離傳輸模擬信號(hào)時(shí),不能用電壓輸出方式,而把電壓輸出轉(zhuǎn)換成電流輸出。另外許多常規(guī)工業(yè)儀表中,以電流方式配接也要求輸出端將電壓輸出轉(zhuǎn)換成電流輸出。V/I轉(zhuǎn)換器就是把電壓輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流輸出信號(hào),有利于信號(hào)長距離傳輸。V/I轉(zhuǎn)換器可由晶體管等多種器件組成。如左下圖8所示為實(shí)現(xiàn)電壓-電流轉(zhuǎn)換的基本原理電路。由于電路引入負(fù)反饋，uN=uP=0，負(fù)載電流

iL與uI成線性關(guān)系。

如右上圖所示為實(shí)用的電壓-電流轉(zhuǎn)換電路。

如下圖8所示為實(shí)現(xiàn)電壓-電流轉(zhuǎn)換的基本原理電路。由于電路引入負(fù)反饋，uN=uP=0，負(fù)載電流

（4.4.1）iL與uI成線性關(guān)系。由于負(fù)載沒有接地點(diǎn)，因而不適用于某些應(yīng)用場合。

圖8電壓電流轉(zhuǎn)換基本原理電路式（4-2）表明，負(fù)載電流iL僅由輸入電壓決定，而與負(fù)載RL的大小無關(guān)。當(dāng)輸入電壓不變時(shí)，負(fù)載電阻在一定的范圍變化，輸出電流將保持不變，此電路就成為恒流源。本次設(shè)計(jì)的電壓電流轉(zhuǎn)換電路如圖9所示：圖9電壓電流轉(zhuǎn)換電路因?yàn)榇舜卧O(shè)計(jì)需要用到比較多的運(yùn)算放大器，LM324是通用四運(yùn)放放大器，價(jià)格也不高，一塊芯片四個(gè)放大器，大大的減少了制作成本和布線的難度。電流電壓轉(zhuǎn)換這個(gè)電路是運(yùn)算放大器的一個(gè)典型接法呀!運(yùn)算放大器同相端接地,電流信號(hào)輸入到反向端,反向端與輸出端接一個(gè)反饋電阻,由于運(yùn)算放大器反向端此時(shí)是"虛地"輸出電壓U=-I*R。如圖10所示為電流-電壓轉(zhuǎn)換電路。在理想運(yùn)放條件下，輸入電阻Ri=0，因而iF=iS，故輸出電壓(4.4.2)Rs比Ri大得愈多，轉(zhuǎn)換精度愈高。圖10電流電壓轉(zhuǎn)換電路本次設(shè)計(jì)的電路如下圖11：圖11電流電壓轉(zhuǎn)換電路VIIV轉(zhuǎn)換部分在proteus仿真軟件上仿真的電路如圖12所示圖12VIIV仿真電路圖在仿真電路的輸入和輸出接入示波器，波形如圖13所示：圖13VIIV部分波形圖上面的為輸入波形，下面為輸入波形，兩波形基本一致，只是頂端和低端有點(diǎn)削減。削減的原因可能是LM324運(yùn)放的精度不夠高導(dǎo)致的，不過不影響有效值，用交流電壓表測得的有效值是一致的。[9][10]4.5信號(hào)放大部分放大電路我們使用的還是一個(gè)運(yùn)算放大器，也是放大電路的一個(gè)經(jīng)典接法。集成運(yùn)算放大器按照輸入方式可以分為同相、反相、差分三種接法，按照輸入電壓與輸出電壓的運(yùn)算關(guān)系可以分為比例、加法、減法、積分、微分等，輸入方式和運(yùn)算關(guān)系組合起來，可以構(gòu)成各種運(yùn)算放大器。我們這次設(shè)計(jì)的是一個(gè)反相比例放大電路，所以下面我們只介紹反相比例電路。反相比例放大電路的特點(diǎn)由運(yùn)算放大器組成的反相比例放大電路如圖14所示：圖14反相比例放大器根據(jù)集成運(yùn)算放大器的基本原理，反相比例放大電路的閉環(huán)特性為：閉環(huán)電壓增益：（4.5.1）輸入電阻（4.5.2）輸出電阻（4.5.3）環(huán)路帶寬（4.5.4）其中：BWo為運(yùn)放的開環(huán)帶寬。最佳反饋電阻=（4.5.5）上式中：Rid為運(yùn)放的差模輸入電阻，Ro為運(yùn)放的輸出電阻。平衡電阻（4.5.6）從以上公式可以看出，由運(yùn)算放大器組成的反相輸入比例放大電路具有以下特性：（1）在深度負(fù)反饋的情況下工作時(shí)，電路的放大倍數(shù)僅由外接電阻R1和Rf的值決定。（2）由于同相端接地，故反相端的電位為“虛地”，因此，對(duì)前級(jí)信號(hào)源來說，其負(fù)載不是運(yùn)放本身的輸入電阻，而是電路的閉環(huán)輸入電阻R1。由于Rif=R1，因此反相比例放大電路只適用于信號(hào)源對(duì)負(fù)載電阻要求不高的場合（小于500kΩ）（3）在深度負(fù)反饋的情況下，運(yùn)放的輸出電阻很小。本次設(shè)計(jì)的電路接線圖15如下圖15信號(hào)放大電路圖由上面的計(jì)算公式可以算出增益為1，而平衡電阻為5K取標(biāo)準(zhǔn)電阻4K7。在仿真軟件proteus上仿真的電路圖為圖16所示：圖16放大電路仿真電路圖在輸入和輸出端接入示波器觀察波形如圖17所示：圖17信號(hào)放大部分波形圖上面的為輸入波形，下面為輸入波形，兩波形基本一致，因?yàn)槭欠聪虮壤糯笏暂斎牒洼敵霾ㄐ问莿偤孟喾吹?。頂端和低端有點(diǎn)削減，削減的原因可能是LM324運(yùn)放的精度不夠高導(dǎo)致的，不過不影響有效值，用交流電壓表測得的有效值是一致的。[11]4.6信號(hào)全波整流部分全波整流電路一種對(duì)交流整流的電路。在這種整流電路中，在半個(gè)周期內(nèi)，電流流過一個(gè)整流器件（比如晶體二極管），而在另一外一個(gè)半周內(nèi)，電流流經(jīng)第二個(gè)整流器件，并且兩個(gè)整流器件的連接能使流經(jīng)它們的電流以同一方向流過負(fù)載。全波整流整流前后的波形與半波整流所不同的，是在全波整流中利用了交流的兩個(gè)半波，這就提高了整流器的效率，并使已整電流易于平滑。因此在整流器中廣泛地應(yīng)用著全波整流。在應(yīng)用全波整流器時(shí)其電源變壓器必須有中心抽頭。無論正半周或負(fù)半周，通過負(fù)載電阻R的電流方向總是相同的。全波整流使交流電的兩半周期都得到了利用。其各項(xiàng)整流因數(shù)則與半波整流時(shí)不同。本次設(shè)計(jì)采用的是通常用的一個(gè)經(jīng)典的精密全波整流電路，在精密全波整流的基礎(chǔ)上并聯(lián)上一個(gè)濾波電容就成了全波整流有效值電路是在絕對(duì)值電路的基礎(chǔ)上再加低通濾波電路構(gòu)成，其核心的運(yùn)算放大器如下圖18所示：圖18全波整流有效值電路運(yùn)算放大器IC1、IC2，二極管D6、D7和電阻、構(gòu)成半波整流電路。當(dāng)輸入信號(hào)Uin<0時(shí)，運(yùn)放IC1輸出為正，D6導(dǎo)通、D7截止,Uo=0；當(dāng)Uin>0時(shí)，IC1輸出為負(fù)，D7導(dǎo)通、D6截止,Uo=-,波形如下圖19所示。圖19半波整流波形上面為UIN輸入波形，下面為U0輸出波形只要運(yùn)算放大器IC1的輸出電壓在數(shù)值上大于整流二極管D6、D7的正向?qū)妷海瑒t當(dāng)Uin≠0時(shí)D6、D7中總有一個(gè)處于導(dǎo)通狀態(tài)，另一個(gè)處于截止?fàn)顟B(tài)，實(shí)現(xiàn)正常整流。若運(yùn)算放大器的開環(huán)增益為,則其整流的最小輸入電壓峰值為/，即使二極管正向?qū)妷涸谡髦械挠绊懴魅趿吮叮虼苏魈匦源蟠蟾纳?。在未接入Cf時(shí)，運(yùn)算放大器IC2和電阻、、構(gòu)成反向加法器，、（4.6.1）（4.6.2）為保證正負(fù)半波放大倍數(shù)一致，要求，即=2。=1時(shí)絕對(duì)值電路，調(diào)整的阻值，可改變電路的增益。通常選=，=2，Uout的波形如圖4-17所示。假設(shè)輸入信號(hào)為正弦波電壓Uin=Uimsinwt,在上并入一電容Cf，構(gòu)成低通濾波器，只要適當(dāng)選取Cf的值，是低通濾波器的截止角頻率Wo滿足（4.6.3）則可認(rèn)為全波整流電壓Uout中的全波交流紋波均被A2抑制掉，只有Uout中的直流分量out方能通過，即（4.6.4）調(diào)節(jié)的阻值，使（4.6.5）即可保證輸出電壓out為輸入正弦波Uin的有效值。總之，輸出電壓與輸入電壓的有效值成正比。綜合實(shí)驗(yàn)研究與仿真計(jì)算，通過以上公式換算。工頻W=50HZ,取=10k,則=10k；取=10k，則=20k；推出=22k，Cf>>14nf,取Cf=1uf。根據(jù)上面的結(jié)論，本次設(shè)計(jì)的電路仿真圖如下：圖20全波整流有效值仿真電路其仿真結(jié)果如下所示：圖21未接入C1時(shí)Uin和Uout波形圖波形圖中上面的波形為輸入波形，下面為全波整流輸出波形。當(dāng)接入濾波電容C1后，波形圖如下圖22接入C1后，out波形圖通過實(shí)驗(yàn)仿真，采樣的信號(hào)通過全波整流有效值電路之后，轉(zhuǎn)換為帶有些許紋波的有效值輸出。倘若將其輸出電壓信號(hào)再經(jīng)一級(jí)低通濾波后，可以得到更為滿意的直流電壓信號(hào)。[10][11]4.7二階低通濾波部分使通過全波整流有效值電路的輸出電壓信號(hào)再經(jīng)一級(jí)低通濾波，可以得到更為滿意的直流電壓信號(hào)。低通濾波器可以采用電壓控制電壓源（VCVS）型二階低通濾波器電路實(shí)現(xiàn)。電壓控制電壓源(VCVS)電路，其中運(yùn)放為同相輸入，輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，濾波器相當(dāng)于一個(gè)電壓源，故稱電壓控制電壓源電路。其優(yōu)點(diǎn)是電路性能穩(wěn)定、增益容易調(diào)節(jié)。電壓控制電壓源（VCVS）型二階低通濾波器電路如圖4-19所示。低通濾波的傳遞函數(shù)為（4.7.1）——電壓增益；——低通濾波器截止角頻率；Q——品質(zhì)因數(shù)，BW——帶通、帶阻濾波器的帶寬；圖23二階低通濾波電路圖21所示的電路的傳輸函數(shù)的表達(dá)式為：(4.7.2)則低通濾波器相應(yīng)的其他性能參數(shù)為：(4.7.3)(4.7.4)(4.7.5)在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，通常給定的性能指標(biāo)有截止頻率或截止角頻率，帶內(nèi)增益，以及濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q。對(duì)于二階低通(或高通)濾波器，通常取Q=O.707。對(duì)低通濾波電路部分的設(shè)計(jì)如圖24所示。圖24二階低通濾波仿真電路圖通過參考書籍和計(jì)算得到R20=1.5K,R21=5.5K,R25=1M,R24=100,C2=670nf，C3=210nf；對(duì)其取標(biāo)準(zhǔn)值為C2=470nf，C3=220nf。將上圖22在multisim里對(duì)全波整流有效值電路的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波得到的波形如下圖23所示。圖25經(jīng)過二階低通濾波后波形圖圖上最上面的為輸入信號(hào)波形，中間為低通濾波輸出信號(hào)，最下面的就是二階低通濾波輸出信號(hào)波形，二階低通濾波后得到的是基本上沒有紋波的直流信號(hào)。經(jīng)過低通濾波電路之后，信號(hào)轉(zhuǎn)變成近似于直流的有效值直流信號(hào)。這個(gè)直流信號(hào)直接可以接入單片機(jī)部分處理了[10、11]。4.8硬件設(shè)計(jì)部分4.8.1單片機(jī)硬件部分單片機(jī)硬件部分本設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)處理中引入單片機(jī),利用其強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算功能對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和處理。一般單片機(jī)的選擇需考慮很多因素比如說1).單片機(jī)的基本參數(shù)例如速度，程序存儲(chǔ)器容量，I/O引腳數(shù)量

2).單片機(jī)的增強(qiáng)功能，例如看門狗，雙指針，雙串口，RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘），EEPROM，擴(kuò)展RAM，CAN接口，I2C接口，SPI接口，USB接口。

3).Flash和OTP（一次性可編程）相比較，最好是Flash。

4).封裝IP（雙列直插），PLCC（PLCC有對(duì)應(yīng)插座）還是貼片。DIP封裝在做實(shí)驗(yàn)時(shí)可能方便一點(diǎn)。

5).工作溫度范圍，工業(yè)級(jí)還是商業(yè)機(jī)。如果設(shè)計(jì)戶外產(chǎn)品，必須選用工業(yè)級(jí)。

6).功耗，比如設(shè)計(jì)并口加密狗，信號(hào)線取電只能提供幾個(gè)mA,用PIC就是因?yàn)榈凸?，后來出了MSP430也不錯(cuò)。

7).工作電壓范圍。例如設(shè)計(jì)電視機(jī)遙控器，2節(jié)干電池供電，至少應(yīng)該能在1.8-3.6V電壓范圍內(nèi)工作。

8).供貨渠道暢通。能申請(qǐng)樣片，小批量購買有現(xiàn)貨。最好像標(biāo)準(zhǔn)51，中發(fā)里隨便找個(gè)柜臺(tái)就能買到。

9).價(jià)格低。

10).有服務(wù)商，像周立功公司推Philips，雙龍公司推AVR，都提供了很多有用的技術(shù)支持，起碼燒寫器有地方買。

11).燒錄器價(jià)格低，如果是ICP（把單片機(jī)放在燒錄器上編程）能否利用現(xiàn)有的燒錄器，如果是表貼封裝，買一個(gè)轉(zhuǎn)接座也很貴，至少得一二百元。能否ISP（在系統(tǒng)編程，即把芯片先焊到板子上再通過預(yù)留的ISP接口編程），一般ISP編程器比較便宜大約一二百元甚至幾十元。

12).仿真器便宜。對(duì)于FLASH型單片機(jī)，仿真器不是必備的。但是對(duì)于OTP（一次性可編程）型單片機(jī)，必須購買或者租用仿真器。

13).單片機(jī)匯編語言是自己熟悉的，并且能支持C語言。編程環(huán)境要像keil一樣好用，并且還是免費(fèi)的。

14).網(wǎng)站速度快，資料豐富。包括芯片手冊(cè)，應(yīng)用指南，設(shè)計(jì)方案，范例程序。最好有中文，像Atmel就不錯(cuò)。

15).保密性能好，查一下專業(yè)解密網(wǎng)站上的黑名單，再發(fā)個(gè)mail咨詢一下解密價(jià)格。

16).抗干擾性能好。我曾經(jīng)把XXC52改為S52后發(fā)現(xiàn)抗干擾性能下降，只好改回去。

17).和其他外設(shè)芯片放在一起的綜合考慮而我們這次設(shè)計(jì)則不需要考慮那么多的因素，畢竟單片機(jī)只是一個(gè)信號(hào)的處理系統(tǒng)，是輔助我們做出判斷的機(jī)器，主要考慮的因素有：低功耗、價(jià)格便宜、隨便能買得到、抗干擾性能好、存儲(chǔ)器夠用就可以了。綜合上面的考慮，比如AT89S51單片機(jī)就很適合這個(gè)設(shè)計(jì)。選擇低功耗的單片機(jī)產(chǎn)品,并使其工作于休眠狀態(tài)。只有當(dāng)瞬變量檢測電路受觸發(fā)時(shí),才將單片機(jī)從休眠狀態(tài)喚醒,進(jìn)行程序規(guī)定的判別操作。單片機(jī)在休眠狀態(tài)下,工作電流是μA級(jí),這種模式抗干擾能力大為提高,且可大大降低功耗。使用較低頻率的晶體振蕩器是降低功耗的另一措施。單片機(jī)部分是設(shè)計(jì)最后一個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行分析判斷，然后輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)以驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示，提示信號(hào)的有效值，并發(fā)送數(shù)據(jù)到連接PC的串口，在PC上顯示出來。設(shè)計(jì)采用的是廣泛應(yīng)用的AT89S51單片機(jī)。AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。AT89S51具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，4kBytesFlash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。此外，AT89S51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。1．主要特性：?8031CPU與MCS-51兼容?4K字節(jié)可編程FLASH存儲(chǔ)器(壽命：1000寫/擦循環(huán))?全靜態(tài)工作：0Hz-24KHz?三級(jí)程序存儲(chǔ)器保密鎖定?128*8位內(nèi)部RAM?32條可編程I/O線?兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器?6個(gè)中斷源?可編程串行通道?低功耗的閑置和掉電模式?片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路2．管腳說明：P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INT0（外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（記時(shí)器0外部輸入）P3.5T1（記時(shí)器1外部輸入）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。I/O口作為輸入口時(shí)有兩種工作方式即所謂的讀端口與讀引腳讀端口時(shí)實(shí)際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)而是把端口鎖存器的內(nèi)容讀入到內(nèi)部總線經(jīng)過某種運(yùn)算或變換后再寫回到端口鎖存器只有讀端口時(shí)才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線上面圖中的兩個(gè)三角形表示的就是輸入緩沖器CPU將根據(jù)不同的指令分別發(fā)出讀端口或讀引腳信號(hào)以完成不同的操作這是由硬件自動(dòng)完成的不需要我們操心1然后再實(shí)行讀引腳操作否則就可能讀入出錯(cuò)為什么看上面的圖如果不對(duì)端口置1端口鎖存器原來的狀態(tài)有可能為0Q端為0Q^為1加到場效應(yīng)管柵極的信號(hào)為1該場效應(yīng)管就導(dǎo)通對(duì)地呈現(xiàn)低阻抗,此時(shí)即使引腳上輸入的信號(hào)為1也會(huì)因端口的低阻抗而使信號(hào)變低使得外加的1信號(hào)讀入后不一定是1若先執(zhí)行置1操作則可以使場效應(yīng)管截止引腳信號(hào)直接加到三態(tài)緩沖器中實(shí)現(xiàn)正確的讀入由于在輸入操作時(shí)還必須附加一個(gè)準(zhǔn)備動(dòng)作所以這類I/O口被稱為準(zhǔn)雙向口89C51的P0/P1/P2/P3口作為輸入時(shí)都是準(zhǔn)雙向口接下來讓我們?cè)倏戳硪粋€(gè)問題從圖中可以看出這四個(gè)端口還有一個(gè)差別除了P1口外P0P2P3口都還有其他的功能RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。AT89S52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(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52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(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、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(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。[4][10]本次設(shè)計(jì)的單片機(jī)接線圖如下：圖26單片機(jī)部分電路圖4.8.2AD轉(zhuǎn)換硬件部分設(shè)計(jì)中用到數(shù)據(jù)采集，在這些被采集的數(shù)據(jù)中，大部分可以通過我們的I/O口擴(kuò)展接口電路直接得到，由于51單片機(jī)大部分不帶AD轉(zhuǎn)換器，所以模擬量的采集就必須靠A/D或V/F實(shí)現(xiàn)。下現(xiàn)我們就來了解一下AD0809與51單片機(jī)的接口及其程序設(shè)計(jì)。AD0809的邏輯結(jié)構(gòu)ADC0809是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。它由一個(gè)8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存譯碼器、一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成（見圖25）。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。圖27ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖AD0809的工作原理圖28ADC0809針腳圖IN0－IN7：8條模擬量輸入通道ADC0809對(duì)輸入模擬量要求：信號(hào)單極性，電壓范圍是0－5V，若信號(hào)太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。地址輸入和控制線：4條ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0－IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如下表1所示。CBA選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表1ADC0809通道選擇表數(shù)字量輸出及控制線：11條ST為轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng)ST上跳沿時(shí)，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時(shí)，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應(yīng)保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)EOC為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號(hào)，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE＝1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE＝0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7－D0為數(shù)字量輸出線。CLK為時(shí)鐘輸入信號(hào)線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ，VREF（＋），VREF（－）為參考電壓輸入。ADC0809應(yīng)用說明①ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與AT89S51單片機(jī)直接相連。②初始化時(shí)，使ST和OE信號(hào)全為低電平。③送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到A，B，C端口上。④在ST端給出一個(gè)至少有100ns寬的正脈沖信號(hào)。⑤是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號(hào)來判斷。⑥當(dāng)EOC變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，這時(shí)給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機(jī)了。了解完A/D轉(zhuǎn)換芯片，下面我們開始來完成它和單片機(jī)的接線設(shè)計(jì)。接線圖如下：圖29ADC0809和單片機(jī)接線圖電路說明：電路見圖27，主要由AD轉(zhuǎn)換器ADC0809，單片機(jī)AT89S51組成。單片機(jī)的P0口接ADC0809的輸出口，A、B、C分別接單片機(jī)的14、15、16接線口。AD0809的啟動(dòng)方式為脈沖啟動(dòng)方式，啟動(dòng)信號(hào)START啟動(dòng)后開始轉(zhuǎn)換，EOC信號(hào)在START的下降沿10us后才變?yōu)闊o效的低電平。這要求查詢程序待EOC無效后再開始查詢，轉(zhuǎn)換完成后，EOC輸出高電平，再由OE變?yōu)楦唠娖絹磔敵鲛D(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。我們?cè)谠O(shè)計(jì)程序時(shí)可以利用EOC信號(hào)來通知單片機(jī)（查詢法或中斷法）讀入已轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，也可以在啟動(dòng)AD0809后經(jīng)適當(dāng)?shù)难訒r(shí)再讀入已轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。ADC0809的時(shí)鐘頻率用由軟件提供，在51單片機(jī)中設(shè)置一個(gè)頻率給它就可以了。[3]4.8.3串口通信硬件部分串口通訊對(duì)單片機(jī)而言意義重大，不但可以實(shí)現(xiàn)將單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)端，而且也能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)單片機(jī)的控制。由于其所需電纜線少，接線簡單，所以在較遠(yuǎn)距離傳輸中，得到了廣泛的運(yùn)用。串口通信的工作原理請(qǐng)同學(xué)們參看教科書。

以下對(duì)串口通信中一些需要同學(xué)們注意的地方作一點(diǎn)說明：

波特率選擇

波特率（BoudRate）就是在串口通信中每秒能夠發(fā)送的位數(shù)（bits/second）。MSC-

51串行端口在四種工作模式下有不同的波特率計(jì)算方法。其中，模式0和模式2波特率計(jì)算很簡單，請(qǐng)同學(xué)們參看教科書；模式1和模式3的波特率選擇相同，故在此僅以工作模式1為例來說明串口通信波特率的選擇。

在串行端口工作于模式1，其波特率將由計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)器1來產(chǎn)生，通常設(shè)置定時(shí)器工作于模式2（自動(dòng)再加模式）。在此模式下波特率計(jì)算公式為：

波特率=（1+SMOD）*晶振頻率/（384*（256-TH1））其中，SMOD——寄存器PCON的第7位，稱為波特率倍增位；TH1——定時(shí)器的重載值。

在選擇波特率的時(shí)候需要考慮兩點(diǎn)：首先，系統(tǒng)需要的通信速率。這要根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)作特點(diǎn)，確定通信的頻率范圍。然后考慮通信時(shí)鐘誤差。使用同一晶振頻率在選擇不同的通信速率時(shí)通信時(shí)鐘誤差會(huì)有很大差別。為了通信的穩(wěn)定，我們應(yīng)該盡量選擇時(shí)鐘誤差最小的頻率進(jìn)行通信。

下面舉例說明波特率選擇過程：假設(shè)系統(tǒng)要求的通信頻率在20000bit/s以下，晶振頻率為12MHz，設(shè)置SMOD=1（即波特率倍增）。則

TH1=256-62500/波特率

根據(jù)波特率取值表，我們知道可以選取的波特率有：1200，2400，4800，9600，19200。列計(jì)數(shù)器重載值，通信誤差如下表2所示：表2通信誤差表

因此，在通信中，最好選用波特率為1200，2400，4800中的一個(gè)。通信協(xié)議的使用

通信協(xié)議是通信設(shè)備在通信前的約定。單片機(jī)、計(jì)算機(jī)有了協(xié)議這種約定，通信雙方才能明白對(duì)方的意圖，以進(jìn)行下一步動(dòng)作。假定我們需要在PC機(jī)與單片機(jī)之間進(jìn)行通信，在雙方程式設(shè)計(jì)過程中，有如下約定：

0xA1：單片機(jī)讀取P0端口數(shù)據(jù)，并將讀取數(shù)據(jù)返回PC機(jī)；

0xA2：單片機(jī)從PC機(jī)接收一段控制數(shù)據(jù)；

0xA3：單片機(jī)操作成功信息。

在系統(tǒng)工作過程中，單片機(jī)接收到PC機(jī)數(shù)據(jù)信息后，便查找協(xié)議，完成相應(yīng)的操作。當(dāng)單片機(jī)接收到0xA1時(shí)，讀取P0端口數(shù)據(jù)，并將讀取數(shù)據(jù)返回PC機(jī)；當(dāng)單片機(jī)接收到0xA2時(shí)，單片機(jī)等待從PC機(jī)接收一段控制數(shù)據(jù)；當(dāng)PC機(jī)接收到0xA3時(shí)，就表明單片機(jī)操作已經(jīng)成功。[3]

硬件連接

51單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行通訊口，所以單片機(jī)和計(jì)算機(jī)之間可以方便地進(jìn)行串口通訊。進(jìn)行串行通訊時(shí)要滿足一定的條件，比如計(jì)算機(jī)的串口是RS232電平的，而單片機(jī)的串口是TTL電平的，兩者之間必須有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路，我們采用了專用芯片MAX232進(jìn)行轉(zhuǎn)換，雖然也可以用幾個(gè)三極管進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換，但是還是用專用芯片更簡單可靠。我們采用了三線制連接串口，也就是說和計(jì)算機(jī)的9針串口只連接其中的3根線：第5腳的GND、第2腳的RXD、第3腳的TXD。這是最簡單的連接方法，但是對(duì)我們來說已經(jīng)足夠使用了，電路如下圖所示，MAX232的第10腳和單片機(jī)的11腳連接，第9腳和單片機(jī)的10腳連接，第15腳和單片機(jī)的20腳連接。

圖30使用MAX232串口通信電路圖（9孔串口接頭）

串口通訊的硬件電路如上圖所示為了能夠在計(jì)算機(jī)端看到單片機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)，我們必須借助一個(gè)WINDOWS軟件進(jìn)行觀察，這里利用如下圖標(biāo)的一個(gè)免費(fèi)計(jì)算機(jī)串口調(diào)試軟件來觀察。圖31串口調(diào)試助手窗口SBUF數(shù)據(jù)緩沖寄存器這是一個(gè)可以直接尋址的串行口專用寄存器。有朋友這樣問起過“為何在串行口收發(fā)中，都只是使用到同一個(gè)寄存器SBUF？而不是收發(fā)各用一個(gè)寄存器。”實(shí)際上SBUF包含了兩個(gè)獨(dú)立的寄存器，一個(gè)是發(fā)送寄存，另一個(gè)是接收寄存器，但它們都共同使用同一個(gè)尋址地址－99H。CPU在讀SBUF時(shí)會(huì)指到接收寄存器，在寫時(shí)會(huì)指到發(fā)送寄存器，而且接收寄存器是雙緩沖寄存器，這樣可以避免接收中斷沒有及時(shí)的被響應(yīng)，數(shù)據(jù)沒有被取走，下一幀數(shù)據(jù)已到來，而造成的數(shù)據(jù)重疊問題。發(fā)送器則不需要用到雙緩沖，一般情況下我們?cè)趯懓l(fā)送程序時(shí)也不必用到發(fā)送中斷去外理發(fā)送數(shù)據(jù)。操作SBUF寄存器的方法則很簡單，只要把這個(gè)99H地址用關(guān)鍵字sfr定義為一個(gè)變量就可以對(duì)其進(jìn)行讀寫操作了，如sfrSBUF=0x99;當(dāng)然你也可以用其它的名稱。通常在標(biāo)準(zhǔn)的reg51或at89x51.h等頭文件中已對(duì)其做了定義，只要用#include引用就可以了。 SCON串行口控制寄存器通常在芯片或設(shè)備中為了監(jiān)視或控制接口狀態(tài)，都會(huì)引用到接口控制寄存器。SCON就是51芯片的串行口控制寄存器。它的尋址地址是98H，是一個(gè)可以位尋址的寄存器，作用就是監(jiān)視和控制51芯片串行口的工作狀態(tài)。51芯片的串口可以工作在幾個(gè)不同的工作模式下，其工作模式的設(shè)置就是使用SCON寄存器。它的各個(gè)位的具體定義如下：（MSB）（LSB）SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI表3串行口控制寄存器SCON SM0、SM1為串行口工作模式設(shè)置位，這樣兩位可以對(duì)應(yīng)進(jìn)行四種模式的設(shè)置?？幢?－2串行口工作模式設(shè)置。SM0SM1模式功能波特率000同步移位寄存器fosc/120118位UART可變1029位UARTfosc/32或fosc/641139位UART可變表4串行口工作模式設(shè)置 在這里只說明最常用的模式1，其它的模式也就一一略過，有興趣的朋友可以找相關(guān)的硬件資料查看。表中的fosc代表振蕩器的頻率，也就是晶振的頻率。UART為(UniversalAsynchronousReceiver）的英文縮寫。 SM2在模式2、模式3中為多處理機(jī)通信使能位。在模式0中要求該位為0。 REM為允許接收位，REM置1時(shí)串口允許接收，置0時(shí)禁止接收。REM是由軟件置位或清零。如果在一個(gè)電路中接收和發(fā)送引腳P3.0,P3.1都和上位機(jī)相連，在軟件上有串口中斷處理程序，當(dāng)要求在處理某個(gè)子程序時(shí)不允許串口被上位機(jī)來的控制字符產(chǎn)生中斷，那么可以在這個(gè)子程序的開始處加入REM=0來禁止接收，在子程序結(jié)束處加入REM=1再次打開串口接收。大家也可以用上面的實(shí)際源碼加入REM=0來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 TB8發(fā)送數(shù)據(jù)位8，在模式2和3是要發(fā)送的第9位。該位可以用軟件根據(jù)需要置位或清除，通常這位在通信協(xié)議中做奇偶位，在多處理機(jī)通信中這一位則用于表示是地址幀還是數(shù)據(jù)幀。 RB8接收數(shù)據(jù)位8，在模式2和3是已接收數(shù)據(jù)的第9位。該位可能是奇偶位，地址/數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)位。在模式0中，RB8為保留位沒有被使用。在模式1中，當(dāng)SM2=0，RB8是已接收數(shù)據(jù)的停止位。 TI發(fā)送中斷標(biāo)識(shí)位。在模式0，發(fā)送完第8位數(shù)據(jù)時(shí)，由硬件置位。其它模式中則是在發(fā)送停止位之初，由硬件置位。TI置位后，申請(qǐng)中斷，CPU響應(yīng)中斷后，發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)。在任何模式下，TI都必須由軟件來清除，也就是說在數(shù)據(jù)寫入到SBUF后，硬件發(fā)送數(shù)據(jù)，中斷響應(yīng)（如中斷打開），這時(shí)TI=1，表明發(fā)送已完成，TI不會(huì)由硬件清除，所以這時(shí)必須用軟件對(duì)其清零。 RI接收中斷標(biāo)識(shí)位。在模式0，接收第8位結(jié)束時(shí)，由硬件置位。其它模式中則是在接收停止位的半中間，由硬件置位。RI=1，申請(qǐng)中斷，要求CPU取走數(shù)據(jù)。但在模式1中，SM2=1時(shí)，當(dāng)未收到有效的停止位，則不會(huì)對(duì)RI置位。同樣RI也必須要靠軟件清除。 常用的串口模式1是傳輸10個(gè)位的，1位起始位為0,8位數(shù)據(jù)位，低位在先，1位停止位為1。它的波特率是可變的，其速率是取決于定時(shí)器1或定時(shí)器2的定時(shí)值（溢出速率）。AT89C51和AT89C2051等51系列芯片只有兩個(gè)定時(shí)器，定時(shí)器0和定時(shí)器1，而定時(shí)器2是89C52系列芯片才有的。波特率在使用串口做通訊時(shí)，一個(gè)很重要的參數(shù)就是波特率，只有上下位機(jī)的波特率一樣時(shí)才可以進(jìn)行正常通訊。波特率是指串行端口每秒內(nèi)可以傳輸?shù)牟ㄌ匚粩?shù)。有一些初學(xué)的朋友認(rèn)為波特率是指每秒傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)，如標(biāo)準(zhǔn)9600會(huì)被誤認(rèn)為每秒種可以傳送9600個(gè)字節(jié)，而實(shí)際上它是指每秒可以傳送9600個(gè)二進(jìn)位，而一個(gè)字節(jié)要8個(gè)二進(jìn)位，如用串口模式1來傳輸那么加上起始位和停止位，每個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)就要占用10個(gè)二進(jìn)位，9600波特率用模式1傳輸時(shí)，每秒傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)是9600÷10＝960字節(jié)。51芯片的串口工作模式0的波特率是固定的，為fosc/12，以一個(gè)12M的晶振來計(jì)算，那么它的波特率可以達(dá)到1M。模式2的波特率是固定在fosc/64或fosc/32，具體用那一種就取決于PCON寄存器中的SMOD位，如SMOD為0，波特率為focs/64,SMOD為1，波特率為focs/32。模式1和模式3的波特率是可變的，取決于定時(shí)器1或2（52芯片）的溢出速率。那么我們?cè)趺慈ビ?jì)算這兩個(gè)模式的波特率設(shè)置時(shí)相關(guān)的寄存器的值呢？可以用以下的公式去計(jì)算。波特率＝（2SMOD÷32）×定時(shí)器1溢出速率 上式中如設(shè)置了PCON寄存器中的SMOD位為1時(shí)就可以把波特率提升2倍。通常會(huì)使用定時(shí)器1工作在定時(shí)器工作模式2下，這時(shí)定時(shí)值中的TL1做為計(jì)數(shù)，TH1做為自動(dòng)重裝值，這個(gè)定時(shí)模式下，定時(shí)器溢出后，TH1的值會(huì)自動(dòng)裝載到TL1，