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PAGEV單片機(jī)原理及接口技術(shù)課程設(shè)計(jì)題目:電力參數(shù)檢測裝置設(shè)計(jì)院(系):電氣工程學(xué)院專業(yè)班級:學(xué)號:課程設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)及評語院(系):電氣工程學(xué)院教研室:電氣教研室學(xué)號學(xué)生姓名專業(yè)班級課程設(shè)計(jì)(論文)題目電力參數(shù)檢測裝置設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)該檢測裝置實(shí)時監(jiān)測380V三相電流,并實(shí)時顯示電流有效值,當(dāng)電流超過100A時發(fā)出聲光報(bào)警。設(shè)計(jì)任務(wù):1.CPU最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)(包括CPU選擇,晶振電路,復(fù)位電路)2.電流互感器選擇及模擬量接口電路設(shè)計(jì)3.電源電路及聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)4.程序流程圖設(shè)計(jì)及程序清單編寫技術(shù)參數(shù):1.電流上限值100A2.工作電源220V設(shè)計(jì)要求:1、分析系統(tǒng)功能,盡可能降低成本,選擇合適的單片機(jī)、AD轉(zhuǎn)換器、輸出電路等;2、應(yīng)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(shè)計(jì)說明書一份,其中程序開發(fā)要有詳細(xì)的軟件設(shè)計(jì)說明,詳細(xì)闡述系統(tǒng)的工作過程,字?jǐn)?shù)應(yīng)在4000字以上。進(jìn)度計(jì)劃第1天 查閱收集資料第2天 總體設(shè)計(jì)方案的確定第3-4天 CPU最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)第5天電流互感器及接口電路設(shè)計(jì)第6天 電源電路以及聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)第7天 程序流程圖設(shè)計(jì)第8天 軟件編寫與調(diào)試第9天設(shè)計(jì)說明書完成第10天 答辯指導(dǎo)教師評語及成績平時:論文質(zhì)量:答辯:總成績:指導(dǎo)教師簽字:年月日注:成績:平時20%論文質(zhì)量60%答辯20%以百分制計(jì)算
摘要隨著時代跟科技的發(fā)展,電能在我們?nèi)粘I钪邪缪葜絹碓街匾慕巧?。我們做什么事都與電分不開聯(lián)系。故此,對于電流的測量在我們的社會生活中就有著非常重大的意義。故此本實(shí)驗(yàn)選擇了89C51單片機(jī)作為的電力運(yùn)行參數(shù)測量裝置,此裝置采用單片機(jī)作為測控核心。要求其能夠自動完成電力供電線路的參數(shù)測定、運(yùn)算和顯示并且在電流超過限定值時完成報(bào)警。本文對于運(yùn)用89C51芯片對于電力參數(shù)的測量有詳細(xì)的介紹,并通過Protle99軟件來繪制系統(tǒng)原理圖,在將系統(tǒng)圖連接好并且確定各器件完好且正常運(yùn)行的情況下。詳細(xì)介紹了從輸入380V三相交流電到實(shí)時反映電流的有效值,這一系列的運(yùn)行狀態(tài)。還解決了原有電力參數(shù)檢測裝置,反應(yīng)速度慢,顯示不精確,效率不高等缺點(diǎn)。關(guān)鍵詞:電力參數(shù);檢測裝置;89C51目錄TOC\o"1-3"\f\h\z第1章緒論 11.1電力參數(shù)檢測裝置概況 11.2本文研究內(nèi)容 1第2章CPU最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22.1電力參數(shù)監(jiān)測裝置總體設(shè)計(jì)方案 22.2CPU的選擇 32.3數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展 42.4復(fù)位電路設(shè)計(jì) 52.5時鐘電路設(shè)計(jì) 62.6CPU最小系統(tǒng)圖 7第3章電力參數(shù)檢測裝置輸入輸出接口電路設(shè)計(jì) 83.1電力參數(shù)檢測裝置傳感器的選擇 83.2電力參數(shù)檢測裝置檢測接口電路設(shè)計(jì) 83.2.1A/D轉(zhuǎn)換器選擇 83.2.2模擬量檢測接口電路圖 93.3電力參數(shù)檢測裝置輸出接口電路設(shè)計(jì) 93.4人機(jī)對話接口電路設(shè)計(jì) 10第4章電力參數(shù)檢測裝置軟件設(shè)計(jì) 124.1軟件實(shí)現(xiàn)功能綜述 124.2流程圖設(shè)計(jì) 124.2.1主程序流程圖設(shè)計(jì) 124.2.2模擬量檢測流程圖設(shè)計(jì) 134.3程序清單 14第5章系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 195.1系統(tǒng)原理圖 195.2系統(tǒng)原理綜述 195.3軟件調(diào)試結(jié)果 20第6章課程設(shè)計(jì)總結(jié) 21參考文獻(xiàn) 22PAGE22緒論電力參數(shù)檢測裝置概況當(dāng)今社會隨著的電能的普及,電能走入我們家庭跟生活的同時也在改變著我們的生活。時至今日,電作為一種最重要的能源跟我們的工作、生活緊密地聯(lián)系著,可以這么說,如果沒有了電,人類社會就不能正常地運(yùn)轉(zhuǎn),整個社會就會混亂。電作為這么重要的能源,如何來計(jì)量它就具有了重要的意義。
大多數(shù)的電力參數(shù)測量系統(tǒng),多采用8051、80C196等普通單片機(jī)作為微控制器。由于其指令周期長、在高速采樣和實(shí)時性方面受到一定的限制。電網(wǎng)電壓、電流的過高或過低,都會影響到電器設(shè)備的正常使用和使用壽命。應(yīng)用于電力系統(tǒng)的電力參數(shù)實(shí)時監(jiān)測功能,在變電站一級一般都由遠(yuǎn)動裝置來實(shí)現(xiàn);而在日常生活中,一般只是利用電能表進(jìn)行電量的計(jì)量,其原理是通過將有功功率對時間的積分來計(jì)算有功電能。同時隨著電子科技水平的不斷進(jìn)步與完善,C8051F020單片機(jī)技術(shù)體現(xiàn)了單片機(jī)集多種器件(包括看門狗,F(xiàn)LASH程序存儲器,同、異步串行口,A/D轉(zhuǎn)換器,定時器,計(jì)數(shù)器等)和多種功能(增強(qiáng)可靠性的復(fù)位系統(tǒng)、降低功耗抗干擾的休眠模式、品種多門類全的中斷系統(tǒng)、具輸入捕獲和比較匹配輸出等多樣化功能的定時器、計(jì)數(shù)器)于一身。1.2本文研究內(nèi)容要求對380V的三相交流電流進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,并顯示其有效值。再將信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并供給給89C51單片機(jī)。單片機(jī)再對信號進(jìn)行分析如果電流大于100A,則單片機(jī)發(fā)出報(bào)警。還需要完成裝置的設(shè)計(jì)和軟硬件調(diào)試,在論文中以流程圖、原理圖、程序等形式詳細(xì)介紹了裝置電壓電流采樣、數(shù)據(jù)采集計(jì)算、鍵盤顯示處理單元的功能實(shí)現(xiàn)過程,并總結(jié)了每個單元調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的問題,使89C51單片機(jī)的諸多特點(diǎn)得到更好的應(yīng)用,通過實(shí)際調(diào)試總結(jié)了裝置中誤差存在的硬件和軟件原因,考慮到裝置自身功能跟性價比,并提出了減小誤差的方案。
第2章CPU最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1電力參數(shù)檢測裝置總體設(shè)計(jì)方案電力參數(shù)檢測裝置總體設(shè)計(jì)如圖2.189C51晶振模塊復(fù)位模塊電流檢測模塊報(bào)警系統(tǒng)顯示模塊圖2.1總設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖晶振模塊:為單片機(jī)提供時鐘信號。復(fù)位模塊:將單片機(jī)程序計(jì)數(shù)器清零。顯示模塊:顯示電流。報(bào)警系統(tǒng):當(dāng)電流值超過了允許值時,報(bào)警系統(tǒng)會發(fā)出報(bào)警。2.2CPU的選擇對于本設(shè)計(jì)我們選擇89C51單片機(jī)為CPU,因?yàn)?9C51在編程中用途更廣泛,在開發(fā)、修改程序方面優(yōu)于同類單片機(jī),并且其與各大公司的MC-51系列單片機(jī)兼容。89C51內(nèi)部資源:(1)片內(nèi)4KB
Flash
ROM程序存儲器。(2)5個中斷源,2個中斷優(yōu)先級。(3)21個特殊功能寄存器。(4)2個16位的定時/計(jì)數(shù)器。(5)有4個并行I/O接口分別為P0、P1、P2
和P3口,每個I/O接口有8條可單獨(dú)編程的I/O線。(6)128B片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器。(7)可編程串行口。引腳可分為如下3類:
(1)電源及時鐘引腳:Vcc、Vss、XTAL1、XTAL2。(2)控制引腳:PSEN、ALE、EA、RESET(RST)。(3)I/O口引腳:P0、P1、P2、P3,為四個8位I/O口的外部引腳。89C51芯片的I/O口:P0口:P0口有兩個用途,一是作普通I/O口使用;二是作低8位地址數(shù)據(jù)總線使用。P1口:P1口只做作普通I/O使用。P2口:P2口有兩個用途,一是作為普通I/O口使用;二是作高8位地址線。P3口:P3口是一個多功能端口,除了有準(zhǔn)雙向I/O功能外,還具有第二功能。引腳圖如下:圖2.289C51引腳圖2.3數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展雖然單片機(jī)擁有CPU,RAM,ROM,I/O接口和定時/計(jì)數(shù)器,但是單片機(jī)內(nèi)的RAM,ROM跟定時/計(jì)數(shù)器等資源往往很有限,并不能滿足單片機(jī)在實(shí)際應(yīng)用時對于所有情況的要求,因此我們需要對單片機(jī)的存儲資源進(jìn)行擴(kuò)展。本文選用的數(shù)據(jù)存儲器為靜態(tài)RAM6264,地址鎖存器為74LS373。其優(yōu)點(diǎn)是寫速度高,一般都是8位寬度,易于擴(kuò)展,且大多數(shù)與相同容量的EPROM引腳兼容,有利于印刷板電路設(shè)計(jì),使用方便;缺點(diǎn)是集成度低,成本高,功耗大。圖2.3數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展2.4復(fù)位電路設(shè)計(jì)復(fù)位電路是一種用來使電路恢復(fù)到起始狀態(tài)的電路設(shè)備,它的操作原理與計(jì)算器有著異曲同工之妙,只是啟動原理和手段有所不同。對于單片機(jī)程序來說,復(fù)位電路的存在是非常重要且必要的。復(fù)位操作可以使單片機(jī)初始化,也可以使死機(jī)狀態(tài)下的單片機(jī)重新啟動。復(fù)位電路,就是利用它把電路恢復(fù)到起始狀態(tài)。就像計(jì)算器的清零按鈕的作用一樣,以便回到原始狀態(tài),重新進(jìn)行計(jì)算。和計(jì)算器清零按鈕有所不同的是,復(fù)位電路啟動的手段有所不同。一是在給電路通電時馬上進(jìn)行復(fù)位操作;二是在必要時可以由手動操作;三是根據(jù)程序或者電路運(yùn)行的需要自動地進(jìn)行。復(fù)位電路都是比較簡單的大都是只有電阻和電容組合就可以辦到了。再復(fù)雜點(diǎn)就有三極管等等配合程序來進(jìn)行了。當(dāng)單片機(jī)需要復(fù)位時,必須依靠外部復(fù)位電路來提供脈沖,在復(fù)位有效期間,ALE和PSEN引腳輸出高點(diǎn)平。在時鐘電路工作后,單片機(jī)得到RESET引腳上出現(xiàn)24個時鐘脈沖以上的高電平,單片機(jī)就能實(shí)現(xiàn)復(fù)位。圖2.4復(fù)位電路2.5時鐘電路設(shè)計(jì)時鐘電路就是產(chǎn)生象時鐘一樣準(zhǔn)確的振蕩電路。任何工作都按時間順序。用于產(chǎn)生這個時間的電路就是時鐘電路。時鐘電路的作用是產(chǎn)生可以使單片機(jī)工作的時間信號。時鐘信號可以由內(nèi)部產(chǎn)生也可以由外部產(chǎn)生。89C51單片機(jī)內(nèi)部有一個高增益反向放大器,用于構(gòu)成片內(nèi)振蕩器,XTAL1和XTAL2兩個引腳分別是此放大器的輸入端和輸出端。在XTAL1和XTAL2兩端跨接晶體或陶瓷諧振器,就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器,其發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時鐘發(fā)生器,如圖2.5所示。而當(dāng)CPU系統(tǒng)外接晶振時,C3和C4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(diào)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(yīng)盡可能安裝的與單片機(jī)芯片可靠。圖2.5晶振電路2.6CPU最小系統(tǒng)圖圖2.6最小系統(tǒng)圖第3章電力參數(shù)檢測裝置輸入輸出接口電路設(shè)計(jì)3.1電力參數(shù)檢測裝置傳感器的選擇本文要求的輸入電流為380V三項(xiàng)交流電,所以為了保證電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行,同時對電力設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)視和測量,需要在系統(tǒng)中加入電流互感器。在此我選擇GB1208-2006電流互感器。因?yàn)橐话愕臏y量和保護(hù)裝置不能直接接入一次高壓設(shè)備,而需要將輸入的大電流按比例經(jīng)電流互感器變換成小電流,才可以供給測量儀表和保護(hù)裝置。在測量交變電流的大電流時,就需要電流互感器來進(jìn)行電流的升降,線路上起初的電流較大,所以是不可以直接測量線路上的電壓的。電流互感器就起到變流和電氣隔離作用,其對于保護(hù)系統(tǒng)安全起著十分重要的作用。3.2電力參數(shù)檢測裝置檢測接口電路設(shè)計(jì)3.2.1A/D轉(zhuǎn)換器的選擇A/D轉(zhuǎn)換器即是我們常說的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,簡稱為ADC,指將一個模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號的電子元件。由于數(shù)字信號本身不具有實(shí)際意義,僅僅表示一個相對大小。故任何一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器都需要一個參考模擬量作為轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn),比較常見的參考標(biāo)準(zhǔn)為最大的可轉(zhuǎn)換信號大小。而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號相對于參考信號的大小。本文的模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用ADC0832,它擁有體積小,性價比高,兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。ADC0832
具有以下特點(diǎn):
(1)8
位分辨率。
(2)雙通道
A/D轉(zhuǎn)換。
(3)輸入輸出電平與
TTL/CMOS
相兼容。
(4)5V
電源供電時輸入電壓在
0~5V
之間。
(5)工作頻率為
250KHZ,轉(zhuǎn)換時間為
32μS;
一般功耗僅為
15mW。(6)8P、14P—DIP(雙列直插)、PICC
多種封裝。
3.2.2模擬量檢測接口電路圖圖3.1模擬量檢測接口3.3電力參數(shù)檢測裝置輸出接口電路設(shè)計(jì)圖3.2輸出接口電路3.4人機(jī)對話接口電路設(shè)計(jì)3.4.1按鍵設(shè)計(jì)根據(jù)單片機(jī)的電流檢測系統(tǒng)的工作要求,需要用按鍵電路來控制調(diào)整電流上限。如圖3.3。圖3.3按鍵電路3.4.2數(shù)碼顯示電路設(shè)計(jì)數(shù)碼管顯示電路由位驅(qū)動電路和段驅(qū)動電路兩部分組成。由多個發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件,引線已在內(nèi)部連接完成,只需引出它們的各個筆劃,公共電極。數(shù)碼管實(shí)際上是由七個發(fā)光管組成8字形構(gòu)成的,加上小數(shù)點(diǎn)就是8個。這些段分別由字母a,b,c,d,e,f,g,dp來表示。由于單片機(jī)的并行口不能驅(qū)動數(shù)碼管顯示器,必須采用專門的驅(qū)動電路芯片,使之產(chǎn)生足夠大的電流,顯示器才能正常工作。如果驅(qū)動電路能力差,即負(fù)載能力不夠,顯示器亮度就低,而且驅(qū)動電路長期在超負(fù)荷下運(yùn)行容易損壞。本系統(tǒng)采用并行驅(qū)動動態(tài)顯示。采用單片機(jī)P2口的低3位作為數(shù)碼管的位碼輸出信號,P0口作為段碼輸出信號。該驅(qū)動電路如圖3.3所示,P0口作為段碼輸出信號需外接上拉電阻。圖3.4數(shù)碼顯示電路3.4.3報(bào)警電路設(shè)計(jì)報(bào)警電路的作用是當(dāng)電流達(dá)到或超過上限時進(jìn)行報(bào)警,報(bào)警電路與單片機(jī)的P2.3口相連當(dāng)單片機(jī)輸出一個低電平時,蜂鳴器就會發(fā)出報(bào)警信號,說明電流已經(jīng)超過規(guī)定的上限值,外部輸出設(shè)備應(yīng)該啟動進(jìn)行相應(yīng)的措施。圖3.5報(bào)警電路第4章電力參數(shù)檢測裝置軟件設(shè)計(jì)4.1軟件實(shí)現(xiàn)功能綜述本實(shí)驗(yàn)的要求是對于380V三相電流的監(jiān)測。由89C51單片機(jī)、傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)碼顯示器組成的控制系統(tǒng),要實(shí)現(xiàn)的軟件功能是將線路中的電流信息通過電流檢測模塊傳送給89C51單片機(jī),在傳輸電流時利用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。然后對電流的有效值進(jìn)行判斷,通過LED顯示屏顯示電流的有效值,如果電流有效值大于設(shè)定的電流上限,則蜂鳴器會對外報(bào)警。
4.2流程圖設(shè)計(jì)4.2.1主程序流程圖設(shè)計(jì)輸入信號通過電流檢測模塊傳送給89C51單片機(jī),并利用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,讓單片機(jī)識別和處理,然后判斷電流的大小是否超過設(shè)定的電流上限,即是否報(bào)警。開始開始輸入信號模數(shù)轉(zhuǎn)換CPU識別并處理輸入信號CPU識別并處理輸入信號判斷電流是否達(dá)到上限判斷電流是否達(dá)到上限是是否否報(bào)警返回報(bào)警返回 圖4.1主程序流程圖4.2.2模擬量檢測流程圖設(shè)計(jì)每次對ADC0832操作時要按造ADC0832工作過程中的協(xié)議進(jìn)行。在開始時系統(tǒng)進(jìn)行初始化,之后輸入RAM操作命令,繼而觸發(fā)存儲器操作命令-進(jìn)行處理數(shù)據(jù)。開始開始系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化ADC0832是否存在ADC0832是否存在否否是是RAM操作命令 RAM操作命令存儲操作命令存儲操作命令讀取電流讀取電流返回返回圖4.2模擬量檢測流程圖4.3程序清單DIS:MOV
A,R2
ADD
A,R3
DA
A
ADD
A,R4
DA
A
MOV
R4,A
;把相加結(jié)果存放R4中
MOV
21H,#00H
;置循環(huán)顯示初值
HDISP:MOV
A,R4
ANL
A,#0F0H
ORL
A,#07H
;選通高位數(shù)碼管
MOV
P2,A
;送顯高位
ACALL
DELAD2
;延時
MOV
A,R4
ANL
A,#0FH
SWAP
A
ORL
A,#0BH
;選通低位數(shù)碼管
MOV
P2,A
;送低位ACALL
DELAD2
;延時
INC
21H
MOV
A,#0FH
XRL
A,21H
JZ
B1
;循環(huán)顯示完否SJMP
HDISP
;未完繼續(xù)
B1:RET
;顯示完返回
ORG
0000H
START:MOV
P1,#0F0H
;關(guān)閉兩片89C51
MOV
R3,#0D0H
;對第一片89C51送控制字
MOV
20H,#02H
M1:MOV
A,R3 ACALL
READ
;調(diào)用讀數(shù)子程序
JZ
N1
ACALL
M2
;調(diào)用核對子程序
N1:MOV
A,R1
INC
A
MOV
R1,A
ACALL
READ
JZ
N2
ACALL
M2
N2:MOV
A,R1
INC
A
MOV
R1,A
ACALL
READ
JZ
N3
ACALL
M2
N3:MOV
A,R1
INC
A
MOV
R1,A
ACALL
READ
JZ
N4
ACALL
M2
N4:MOV
R3,#0B0H
;第二片89C51送控制字
MOV
A,02H
DEC
A
JNZ
M1
SJMP
START
;巡回檢測
READ:MOV
P1,A
;送控制字
CLR
P1.4
ORL
P1,#0FH
MOV
A,P1
;讀數(shù)據(jù)
SETB
P1.4
ANL
A,#0FH
RET
;子程序返回
M2:MOV
R0,ALCALL
DELAD1
MOV
A,R1
XRL
A,R0
;核對比較。JNZ
M22
ACALL
TLTC
;調(diào)用查找報(bào)警點(diǎn)子程序
M22:RET
TLTC:MOV
A,R1
;查找報(bào)警點(diǎn)位于哪個口
ANL
A,#0FH
MOV
R7,A
MOV
R2,#00H
L1:MOV
A,R7
JNZ
L2
MOV
R2,#04H
L2:MOV
A,R7
JNZ
L3
MOV
R2,#08H
L3:MOV
A,R7
XRL
A,#03H
MOV
R2,#12H
LL3:MOV
A,R1
;查找報(bào)警點(diǎn)在哪片89C51
ANL
A,#0F0H
RLC
A
JC
L4
MOV
R3,#16H
L4:RLC
A
JC
L5
MOV
R3,#00H
L5:MOV
A,R0
;查找是哪個點(diǎn)報(bào)警
RRC
A
MOV
R0,A
JNC
L6
MOV
R4,#01H
LCALL
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RET第5章系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析5.1系統(tǒng)原理圖圖5.1系統(tǒng)原理
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