电力电子装置电流检测与过流保护系统设计毕业设计

摘要-PAGEV-毕业设计说明书(论文)专业：√自动化□测控技术与仪器所在系：√控制科学与工程□仪器科学与技术题目：电力电子装置电流检测与过流保护系统设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日期：

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摘要本论文针对不间断电源以霍尔传感器和AT89C51单片机为核心，设计了一个利用霍尔效应实现电流检测并带过流保护的装置。该装置在片外扩展A/D转换接口，系统选用ADC0804转换器，电流检测元件采用ACS712霍尔传感器。在上述硬件基础上，实现了对ADC0804芯片的启动与读写操作，完成对来自ACS712的直流电流信号的A/D转换工作，当A/D转换结束后，ADC0804向CPU发出一个信号，CPU对转换后的数字量进行处理，并将结果通过数码管实时显示出来，达到检测电流的目的。并且采用新型超低\o"电压"电压检测器PT7M6lOl及一些通用元器件设计的一种通用过流保护电路，经实验其效果较好。该保护电路的特点是：最大的允许工作电流Imax可设定；在正常工作状态(无过流发生)时，电路耗电极小，约几十微安；一旦有过流状态出现，切断负载电源迅速(约几毫秒)，并锁存(印保持负载断开电源状态)，不影响其他电路工作；控制切断电源的P-MOS-FET的压降小，检测电流的电阻Rs上的压降小(仅1OOmV)，所以电路的效率>95%；有过流状态指示；电路简单、无需调整；若都采用贴片式元器件占印制板面积较小。关键词：霍尔传感器；AT89C51；过流保护东北电力大学学士学位论文ABSTRACTInthispaper,theuninterruptiblepowersupplytotheHolzersensorandAT89C51SCMasthecore,thedevicewithovercurrentprotectionbytheuseofaHolzereffectofcurrentdetectionanddesign.ThedeviceextensionA/Dconversioninterfaceinchip,systemwithADC0804converter,currentdetectiondeviceusingACS712Holzersensor.Onthehardwarebasis,realizethestartupandreadontheADC0804chipofthewriteoperation,tocompletetheDCcurrentsignalfromtheACS712A/Dconversionwork,whentheA/Disfinished,theADC0804sendsasignaltotheCPU,CPUdigitalconversionafterthetreatment,andtheresultsthroughdigitaltubedisplay.Current,todetectthepurpose.AndusingthenewultralowvoltagedetectorPT7M6lOlandsomecommoncomponentstodesignageneralover-currentprotectioncircuit,theexperimenttheeffectisbetter.Theprotectioncircuitis:themaximumpermissibleworkingcurrentoftheImaxcanbeset;inthenormalworkingstate(noflow),thepowerconsumptionofthecircuitisverysmall,abouttensofmicroamperes;oncetheovercurrentcondition,loadoffquickly(aboutafewmilliseconds),andlatches(YinBao'sloaddisconnectpowerstate),doesnotaffectothercircuit;controlthepressurecuttingoffthesupplyofsmallP-MOS-FET,Rscurrentdetectingresistorvoltagedroponthesmall(only1OOmV),sotheefficiencyof>95%circuit;overcurrentstateindicator;thecircuitissimple,noneedofadjustment;ifusesSMDcomponentsaccountedforprintedcircuitboardareaissmall.Keywords:Holzersensor;AT89C51;Overcurrentprotection目录-目录TOC\o"1-3"\u摘要 IABSTRACT II目录 III第1章绪论 11.1课题背景与意义 11.2研究现状 11.2.1不间断电源的研究现状 11.2.2电流检测的研究现状 21.2.3过流保护的发展现状 3第2章不间断电源简介 42.1设备简介 42.2设备工作过程 52.3设备异常情况 52.4不间断电源发展特点 52.5设备分类与应用 7第3章电流检测系统硬件设计 83.1单片机原理简介 83.1.1AT89C51简述 83.2A/D转换电路 93.2.1ADC0804简述 93.2.2ADC0804外围电路以及与单片机的链接图 93.3数码管显示电路 103.3.174HC4511管脚与工作原理 103.3.2七段数码管引脚与工作原理 113.4系统整体电路原理图 11第4章系统软件设计 144.1单片机开发及调试工具 144.3系统程序设计 154.3.1定时器计数程序 154.3.2外部中断程序 154.3.3初始化MCU程序 164.3.4ADC0804启动、读取转换程序 164.3.5霍尔传感器ACS712的计算函数程序 184.3.6七段数码管显示程序 184.3.7主程序 19第5章过流保护系统设计 215.1PT7M6lOl的结构及工作原理 215.2过流保护电路及工作原理 235.3电路模块 25第6章软件系统仿真 266.1仿真软件介绍 266.2系统仿真过程与结果 26结论 29参考文献 30致谢 31第1章绪论第1章绪论1.1课题背景与意义近几年来，单片机已逐步深入应用到工农业生产各部门及人们生活的各个方面。各种类型的单片机也根据社会的需求而开发出来。单片机是器件级计算机系统，实际上它是一个微控制器或微处理器。由于它功能齐全，体积小，成本低，因此它可以应用到所有电子系统中。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C51是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[1]。此外在一些\o"把电能转换成其他形式的能的装置叫做负载"负载\o"电流"电流较大的\o"电流流过的路叫做电路"电路中，若由于负载内部产生局部短路或其他原因造成负载电流超过最大允许电流(过流)时，若不及时断开负载\o"把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源"电源，往往容易造成负载过热烧毁或\o"把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源"电源过载使整个电路系统不能正常工作或电源受损[2]。采用完善的过流保护电路可在一旦出现过流时，瞬间断开过流负载的电源，这可减小电路损坏的程度、减小损失。1.2研究现状1.2.1不间断电源的研究现状不间断电源(或称UPS，即UninterruptiblePowerSupply)是在电网异常的情况下不间断的为电器负载设备提供后备交流电源，维持电器正常运作的设备。通常情况下不间断电源被用于维持计算机(尤其是服务器)或交换机等关键性商用设备或精密仪器的不间断运行，防止计算机数据丢失，电话通信网络中断或仪器失去控制。1.飞轮式不间断电源在使用电池的时代之前，不间断电源曾经使用飞轮和内燃机为负载提供电能供应，这种不间断电源被称为飞轮式或旋转式不间断电源。飞轮式不间断电源由整流器、直流电动机、飞轮、柴油机（或汽油机）及发电机等组成。在电网供电的情况下，由整流器提供的直流电驱动电动机带动飞轮旋转，并且带发电机为负载供电。由于飞轮的惯性作用，发电机转速可以保持均衡，此时不间断电源起过滤电网干扰的作用。当电网断电后，飞轮继续带动发电机的转子旋转，同时启动柴油机带动发电机发电，替代原有电网为负载供电。由于飞轮式不间断电源使用内燃机提供电力，会产生较大的噪音同时体积也较大，因此目前一般仅被用于应急情况和一些自然状况恶劣的场合，通常情况下不间断电源会使用蓄电池来提供电力2、蓄电池式不间断电源自二十世纪六十年代美国通用电气公司研究生产不间断电源以来，不间断电源一直在被改进，但是其基本原理没有重大变化。现代的不间断电源由电池组、逆变器和控制电路组成，一端连接电网另一端连接电器负载。在电网电压正常的情况下，不间断电源利用电网电源为自身充电，在电网出现异常的时候，不间断电源将存储于电池中的电能释放，供负载使用。它按工作方式通常分为在线式和后备式（亦称为离线式）两种；按输出波形可分为正弦型、近似正弦型（用阶梯方波来拟合正弦波）等[5]。1.2.2电流检测的研究现状传感器产业分类众多，其中霍尔传感器市场是第三大的传感器产品市场。在汽车业、电脑、手机以及新兴消费电子领域都得到了广泛应用。未来几年，随着越来越多的汽车电子和工业设计企业转移到中国，霍尔传感器在中国市场的年销售额将保持20%到30%的高速增长。与此同时，霍尔传感器的相关技术仍在不断完善中，可编程霍尔传感器、智能化霍尔传感器以及微型霍尔传感器将有更好的市场前景。在我们的日常生活中，霍尔传感器被广泛应用。例如，在翻盖或是滑盖的手机中，用来检测手机盖翻开或是滑动的器件就是霍尔传感器；再比如，在电脑键盘上，实现光标移动的滚动键就是由霍尔传感器组成的；还有，在汽车变速箱、电动门窗等需要电机的部件中也有霍尔传感器应用。可以说，我们在每天的生活中都在与霍尔传感器打交道[3]。“由于需要采用霍尔传感器的应用领域，如汽车、电机、手机和电脑都已经采用了该器件，而且这些市场在未来几年的增长较为稳定，而其他一些新的应用市场又不足以与上述几个市场相比，因此霍尔传感器在全球总的市场容量是较为稳定的，每年的增长率保持在5%到10%之间。”霍尔传感器应用的领域不同，因此各个市场对它的要求也不尽相同[4]。手机市场对霍尔传感器的主要要求包括尺寸、功耗和可调节的阈值。在工业和汽车应用方面，霍尔传感器首先要满足工业或汽车认证对器件的要求，例如安全性、稳定性和温度范围要达到相应的级别。1.2.3过流保护的发展现状电力系统在运行时常常因为系统中的过电流保护发生误动作而造成事故，给经济带来巨大的损失。该文针对过电流保护误动作及各种情况提出了应采取的措施，并提出了过电流保护改进的方向。我国正处在经济发展的重要时期，各行各业对电力的需求日益增加。因此，预防用电事故就成为迫切需要解决的问题。电力系统在运行中，可能发生各种故障和不正常运行状态，最常见的也是最危险的故障是发生各种形式的短路，在发生短路时流过故障点的短路电流很大，有可能破坏系统并列运行的稳定性，因此需要在系统中配置过电流保护。然而，在某些情况下，即使采用的过电流保护装置的动作值和时间匹配得很合理，但由于与系统中其他的保护不能很好地配合而导致其误动作，造成整个系统故障。因此随着电网结构的日趋紧密，过电流保护能否正确动作，对电力系统安全、稳定运行非常重要。第2章不间断电源简介第2章不间断电源简介2.1设备简介不间断电源(或称UPS，即UninterruptiblePowerSupply)是在电网异常(如停电、欠压、干扰或浪涌“也称：涌浪电流”)的情况下不间断的为电器负载设备提供后备交流电源，维持电器正常运作的设备。通常情况下不间断电源被用于维持计算机(尤其是服务器)或交换机等关键性商用设备或精密仪器的不间断运行，防止计算机数据丢失，电话通信网络中断或仪器失去控制。UPS是针对中国电网环境和网络监控及网络系统、医疗系统等对电源的可靠性要求，克服中、大型计算机网络系统集中供电所造成的供电电网环境日益恶劣的问题，以全新的数字技术研制出的第三代工频纯在线式智能型UPS。直流电源，是维持电路中形成稳恒电流的装置。如干电池、蓄电池、直流发电机等。UPS和直流电源是企业重要的供电保障设备，传统的维护管理包括：①日常巡检外观，定期更换电池、滤波电容、风机等易损件，大修时做电池活化等；②改造或采用换代设备，使用高级工具测试电池性能。这种管理方式企业投入成本高，维护人员工作量大，不易实时掌握设备运行状态和关键数据，设备事故预防能力低。实施在线维护管理可避免传统方式的不足之处，获得良好效益。UPS电源系统由五部分组成：主路、旁路、电池等电源输入电路，进行AC/DC变换的整流器(REC)，进行DC/AC变换的逆变器(INV)，逆变和旁路输出切换电路以及蓄能电池。其系统的稳压功能通常是由整流器完成的，整流器件采用可控硅或高频开关整流器，本身具有可根据外电的变化控制输出幅度的功能，从而当外电发生变化时(该变化应满足系统要求)，输出幅度基本不变的整流电压。净化功能由储能电池来完成，由于整流器对瞬时脉冲干扰不能消除，整流后的电压仍存在干扰脉冲。储能电池除可存储直流直能的功能外，对整流器来说就像接了一只大容器电容器，其等效电容量的大小，与储能电池容量大小成正比。由于电容两端的电压是不能突变的，即利用了电容器对脉冲的平滑特性消除了脉冲干扰，起到了净化功能，也称对干扰的屏蔽。频率的稳定则由变换器来完成，频率稳定度取决于变换器的振荡频率的稳定程度。为方便UPS电源系统的日常操作与维护，设计了系统工作开关，主机自检故障后的自动旁路开关，检修旁路开关等开关控制。2.2设备工作过程当市电正常380Vac时，直流主回路有直流电压，供给DC-AC交流逆变器，输出稳定的220V或380Vac交流电压，同时市电经整流后对电池充电。当任何时候市电欠压或突然掉电，则由电池组通过隔离二极管开关向直流回路馈送电能。从电网供电到电池供电没有切换时间。当电池能量即将耗尽时，不间断电源发出声光报警，并在电池放电下限点停止逆变器工作，长鸣告警。不间断电源还有过载保护功能，当发生超载(150%负载)时，跳到旁路状态，并在负载正常时自动返回。当发生严重超载(超过200%额定负载)时，不间断电源立即停止逆变器输出并跳到旁路状态，此时前面输入空气开关也可能跳闸。消除故障后，只要合上开关，重新开机即开始恢复工作。2.3设备异常情况使用不间断电源是为了应对电网可能出现的以下情况：停电(电网停止工作，无电压输出)压降(亦称下陷，电网电压低于标称电压15%-20%，时间可能持续数秒)电涌(亦称浪涌、突波，电网电压瞬间高于标称电压10%以上，时间持续数秒)持续欠压持续过压线噪(因线路屏蔽差而引入的射频或电磁干扰)频率漂移(发电机不稳定造成的电网频率偏差)开关瞬态(亦称暂态，由电气设备开关或放电造成的电压偏差，有时可高达20000伏，但是持续时间极短，仅数纳秒)谐波(电网中由非线性特性的电气设备产生的对交流电正弦波形的干扰)2.4不间断电源发展特点（1）高效率、高可靠性UPS由于IT设备不断增多、用电量加剧、机房面积紧张、低耗节能需求等客观因素的存在，高效率、高可靠性的UPS技术倍受关注。为提高UPS运行效率，高性能电力电子器件不断被研发成功并投入实际应用，如IGBT、MOSFET、GTR、智能功率模块IPM、MOS控制晶闸管MCT等，变流技术也需要随着电力电子器件而更新。此外，业界正逐步推广UPS内部多模块冗余并联运行、甚至多台UPS组成的系统冗余运行技术，在并联运行中，当单一模块或单机发生故障时，其功能则自动转由冗余单元承担，大大提高了UPS供电系统的可靠性。（2）大功率化、模块化由于IT行业迅猛发展，数据中心的数据量也在以爆炸式的速度持续增长，随之而来功率消耗增大。UPS一方面朝着更大功率的方向发展，另一方面为应对不间断电源容量分期扩充的需求，产品模块化已是不可阻挡的趋势。更个性化的用户需求、更庞大的数据中心规模及更高的维护成本使得UPS已不再是单纯的不间断供电设备，针对不同行业领域的全套电源供应与管理解决方案才将倍受市场青睐。行业内针对模块化UPS解决方案基本形成了两个方向：一是单机冗余化，即通过多模块冗余并联构成大功率单相或者三相UPS，其可用性指标得到了质的飞跃；二是全模块化结构，即一个模块是一台完整的UPS，通过冗余并联直接构成中等功率UPS，在兼顾可用性指标的同时还具有良好的性价比。（3）高频化相比传统的工频UPS，高频UPS采用功率因数校正和高频软开关技术，省去了工频电能转换环节，因此运行效率更高、对电网的谐波污染及无功消耗极小，完全能够满足国内外相关电力行业的标准要求。此外，高频电能变换装置在减小磁性部件体积和重量、降低制造成本、遏制运行噪音、节能环保等方面效果显著，因此越来越受到用户认可。（4）数字化、智能化、网络化数字化技术的优势在当今信息社会中愈加明显。在UPS产品的研发和制造过程中采用全数字化技术可有效缩小产品体积、降低生产成本、提高产品的可靠性及针对用户需求的匹配性；而数字化控制技术则会在UPS系统运行过程中准确及时地进行信号采样、处理、控制（包括电压电流环等）、通信等工作，并将各环节的控制参数优化统一后发送给UPS综合控制单元，从而使UPS系统的运行更具效率，实现更简单、更稳定的通信与均流，并获取优良的电磁兼容指标。智能化主要贯穿于UPS系统的控制、检测与通信过程中，完全由计算机管理。计算机及其外设能自主应付一些可预见的问题，进行自动处理和调整，发出预警、告警信息等。通信设施所处环境日趋复杂，增大了维护难度，对电源设备的网络化监控管理提出了新的要求。网络化技术可通过对UPS配置与计算机互连的软硬件接口，实现计算机网络系统及数据资料的双重保护、网络远程事件记录和监测控制、故障告警、参数自动测试分析等功能，使维护人员更为轻松、安全、高效地通过互联网进行数据查询、控制等维护工作。（5）绿色、节能、环保在世界能源格局变化加剧，国际油价剧烈震荡，全球能源供应紧张的形势下，节能环保已成为UPS厂商进行产品技术创新的指导原则。对UPS而言，输入功率因数的高低表明其吸收电网有功功率的能力及对电网影响的程度。降低电源的输入谐波，不但能改善UPS对电网的负载特性，减少给电网带来的严重污染，也能降低对其他网络设备的谐波干扰。已有许多UPS厂商推出的产品功率因数接近1，可最大限度地减少无功功率的消耗。2.5设备分类与应用UPS按工作原理分成后备式、在线式与在线互动式三大类。其中，最常用的是后备式UPS，它具备了自动稳压、断电保护等UPS最基础也最重要的功能，虽然一般有10ms左右的转换时间，但由于结构简单而具有价格便宜，可靠性高等优点，因此广泛应用于微机、外设、POS机等领域。后备式UPS电源又分为后备式正弦波输出UPS电源和后备式方波输出UPS电源。后备式正弦波输出UPS电源：单机输出可做到0.25KW~2KW，当市电在170V~264V间变化时，向用户提供经调压器处理的市电；当市电超出170V~264V范围时，才由UPS提供高质量的正弦波电源。后备式方波输出UPS电源：与后备式正弦波输出UPS电源不同的只是为用户提供50Hz方波电源。在线式UPS结构较复杂，但性能完善，能解决所有电源问题，如四通PS系列，其显著特点是能够持续零中断地输出纯净正弦波交流电，能够解决尖峰、浪涌、频率漂移等全部的电源问题；由于需要较大的投资，通常应用在关键设备与网络中心等对电力要求苛刻的环境中。在线互动式UPS，同后备式相比较，在线互动式具有滤波功能，抗市电干扰能力很强，转换时间小于4ms，逆变输出为模拟正弦波，所以能配备服务器、路由器等网络设备，或者用在电力环境较恶劣的地区。不间断电源现已广泛应用于：矿山、航天、工业、通讯、国防、医院、计算机业务终端、网络服务器、网络设备、数据存储设备、UPS不间断电源、应急照明系统、铁路、航运、交通、电厂、变电站、核电站、消防安全报警系统、无线通讯系统、程控交换机、移动通讯、太阳能储存能量转换设备、控制设备及其紧急保护系统、个人计算机等领域。第3章电流检测系统硬件设计简述第3章电流检测系统硬件设计3.1单片机原理简介单片机是指集成在一个芯片上的微型计算机，也就是把组成微型计算机的各种功能部件，包括CPU(CentralProcessingUnit)、随机存储器RAM(RandomAccessMemory)、只读存储器ROM(Read-onlyMemory)、基本输入/输出(Input/Output)接口电路。定时器/计数器等部件都制作在一块集成芯片上，构成一个完整的微型计算机从而实现微型计算机的基本功能[6]。3.1.1AT89C51简述AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式[4]。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。AT89C51管脚图如下：图3.1AT89C51引脚排列3.2A/D转换电路3.2.1ADC0804简述ADC0804是一个早期的A/D转换器，因其价格低廉而在要求不高的场合得到广泛应用。ADC0804是一个8位、单通道、低价格A/D转换器，主要特点是：模数转换时间大约100us；方便的TTL或CMOS标准接口；可以满足差分电压输入；具有参考电压出入端；内含时钟发生器；单电源工作时（0V-5V）输入信号电压范围是0V-5V；不需要调零等等[2]。ADC0804管脚图如下：图3.2ADC0804管脚图3.2.2ADC0804外围电路以及与单片机的链接图图3.3ADC0804外围电路图调整变阻器HAUBLAN20K，使辅助参考端VREF脚得到2.5V标准参考电压。在CLKIN、CLKOUT端设计RC振荡电路，由于ADC0804频率限制在100～1460kHz，通过对频率公式F=1／(1.1RC)的计算，选择电阻R=20k，电容C=200pF，即可得到符合设计要求的频率。图3.4ADC0804与单片机的的链接图3.3数码管显示电路3.3.174HC4511管脚与工作原理本设计选用74HC4511作为驱动芯片,以七段数码管管作为显示器件的显示模块最为系统的输出.为了数码管的保险器件.我们在数码管与驱动芯片之间加1K欧姆的电阻作为限流电阻,保证驱动芯片以及数码管的安全运行74HC4511管脚图如图3.5：3.3.2七段数码管引脚与工作原理在单排年级应用系统和智能化仪器仪表中广泛使用各种显示器来显示数据文字或者是图形画面，其中最常用的显示器是LED(发光二级管显示器)，因为它具有驱动电路简单，配臵灵活方便，功耗低响应速度快，可靠性高以及易于实现而且价格低廉等优点[7]。LED显示实际上是由若干发光二级管构成的，当发光管导通时，相应的一个点或者是一个笔画发光，控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。图3.5发光管接入电路的具体接法3.4系统整体电路原理图基于单片机的霍尔电流电流检测系统的原理图如图7所示，系统由一个主控系统和一个检测模块组成。被测电流通过ACS712芯片时，该芯片利用霍尔效应，将被测电流转换成0~5VDC模拟信号，该模拟量经A/D装换变成数字量。A／D采样处理模块主要是对从ADC0804采集来的数据进行处理，完成对二进制数据BCD码的转换，并且通过Pl口输出显示，Pl口的低4位输出BCD码，高4位为数码管的片选信号。ADC0804与AT89C51的连接采用循环扫描的方式。当A／D转换结束后，ADC0804向CPU发出一个信号，CPU对转换后的数字量进行处理，使数码管显示当前的电流值。图3.7系统原理图第4章系统软件设计第4章系统软件设计4.1单片机开发及调试工具本系统的软件编程使用的是美国KeilSoftware公司出品的Keil4，是51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势。Keil4软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，Keil4生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势[8]。4.2电流检测装置软件程序流程图图4.1电流检测装置软件流程图4.3系统程序设计4.3.1定时器计数程序T1和T0是两个独立的定时器/计数器，相互之间不会影响。至于定时和计数功能，则由写入TMOD（定时器/计数器方式控制寄存器）的值，来确定当前定时器是定时功能还是计数功能。因此在程序中，可以设臵标志位TR0和TMOD配合，当TR0是1时，定时器就执行计数功能，开始计数。定时器需要计数16位数，因此选择定时器为模式1，即设臵TMOD=0x01。程序如下：#include"Public.h"u8Cnt100ms;u8Cnt1s;voidTimer0ISR(void)interrupt1{TL0=(u8)(IntervalOneMs);TH0=(u8)(IntervalOneMs>>8);ADC0804Start();//启动ADC转换}voidTimer0Initial(void){TMOD|=0x01;//设臵定时器0为模式1TL0=(u8)IntervalOneMs;//初始化低8位TH0=(u8)(IntervalOneMs>>8);//初始化高8位ET0=1;//允许定时器0中断TR0=1;//启动定时器0,开始计数}4.3.2外部中断程序中断能使处理器在运行过程中对外部事件发出的中断请求及时地进行处理，处理完成后又立即返回断点，继续进行处理器原来的工作。系统对ADC0804转换结果执行外部中断，当系统未能读取转换结果时继续返回ADC0804等待转换完毕。中断程序如下：#include"Public.h"externu8ADCResult;voidINT0ISR(void)interrupt0//外部中断0服务函数{ADCResult=ADC0804ReadADResult();//取得ADC转换结果}voidINT0Initial(void){IT0=1;//指定外部中断0下降沿触发EX0=1;//使能外部中断}4.3.3初始化MCU程序根据系统要求，单片机要有外部中断、定时器计数，因此初始化单片机时要初始化外部中断以及定时器来实现上述功能。初始化MCU程序如下：#include"Public.h"voidMCUInitial(void){GlobalInterruptDisable();//禁止全局中断INT0Initial();//初始化外部中断Timer0Initial();//初始化Tmer0GlobalInterruptEnable();//允许全局中断}4.3.4ADC0804启动、读取转换程序ADC0804的启动：ADC0804中的A/D转换转换器在满足一定条件是开始一个转换过程，这个条件就是：在实现片选WR=0的前提下，引脚上出现一个上升沿。实现A/D转换的时序如图8，实现WR=0后，使用一个上升沿信号就可以启动转换过程。图中TR2是时间延迟，时间TR3是转换时间。ADC0804转换结果的读取：在A/D转换结束以后，ADC0804的RD引脚将给出一个低脉冲，如果把这个引脚直接连接到单片机的外部中断引脚，这个低脉冲将引起单片机中断，单片机可以在中断处理程序中读取ADC0804的转换结果。图4.2ADC0804的时序转换图4.3ADC0804转换器的工作时序ADC0804启动、读取程序如下：#include"Public.h"voidADC0804Start(void){iADC0804WR=0;iADC0804WR=1;//上升沿启动ADC0804转换}voidADC0804Initial(void){iADC0804WR=1;iADC0804RD=1;//初始状态为WR,RD均为高电平}u8ADC0804ReadADResult(void){u8ADTemp;iADC0804RD=0;//低电平为读数状态ADTemp=iADC0804DATA;//读取数据口iADC0804RD=1;returnADTemp;//返回ADC转换结果}4.3.5霍尔传感器ACS712的计算函数程序查找ACS712数据手册可得到计算函数为如下#include"Public.h"floatACS712ReadCurrent(u8ADCValue){return(float)30*(ADCValue-127)/101;}[9]4.3.6七段数码管显示程序系统选用4个共阴极数码管来分别显示检测电流的十位、个位、小数点后一位、小数点后俩位，再将计算结果转换成BCD码并在数码管中显示出来。7段数码管显示程序：#include"Public.h"u8DisplayBCD[4];u8codeSelectTable[]={0x70,0xB0,0xD0,0xE0};voidHEXTOBCD(u16Hex){DisplayBCD[3]=Hex/1000;//千位DisplayBCD[2]=Hex%1000/100;//百位DisplayBCD[1]=Hex%100/10;//十位DisplayBCD[0]=Hex%10;//个位}voidDisplaySevenSegment(u16DisplayData){staticu8Sel;u8P0Temp;HEXTOBCD(DisplayData);//转换成BCD码P0Temp=P0;P0Temp&=0xF0;P0Temp|=DisplayBCD[Sel];//要显示的BCD码P0Temp&=0x0F;P0Temp|=SelectTable[Sel];//选中一只数码管P0=P0Temp;if(++Sel>3)//四个数码管轮流显示{Sel=0;}}4.3.7主程序主程序用来调用上述子程序，包括初始化单片机、初始化ADC0804等等#include"Public.h"u8ADCResult;floatCurrent;u16CurInt;voidPowerOnInitial(void){ADC0804Initial();//初始化ADC0804}voidmain(void){MCUInitial();//初始化MCUPowerOnInitial();//初始化上电默认状态while(1){Current=ACS712ReadCurrent(ADCResult);//根据ADC的转换结果计算出电流值CurInt=Current*100;//电流值*100以便显示DisplaySevenSegment(CurInt);//显示电流值}}第5章过流保护系统设计第5章过流保护系统设计5.1PT7M6lOl的结构及工作原理PT7M6lOl是Per\o"IC（integratedcircuit）集成电路"IComTechnology(百利通)公司的新产品，是一种可检测lOOmV超低电压的电压检测器。与一般电压检测器不同的是，它有独立的电源输入端V\o"CC"CC，供器件内部电路用，它是一种四端器件，如下图所示。图中Vcc是外接电源输入端、IN是被检测的电压输入端、GND是电源负端、OUT是检测结果输出端，输出\o"电平"电平信号[10]。如图所示：图5.1PT7M6lOl引脚图该器件的输出级有\o"MOS是-种金属-氧化物-半导体场效应管，它分为N沟道和P沟道两种导电类型，用这两种沟道场效应开关管构成互补对称型器件，这就是CMOS数字集成电路。"CMOS(推挽输出)及开漏输出两种结构。在\o"互补金属氧化物半导体——一种大规模应用于集成电路芯片制造的制作工艺"CMOS输出结构中，又分成检测电压超过1OOmV时，输出为低电平的，称为CL型(在型号后缀中用CL表示)；在检测电压超过lOOmV时)输出为高电平的称为CH型；在型号后缀中用CH表示)。开漏输出型在输入超过1OOmV时，输出低电平，称为NL型。三种不同结构如下图5.2所示[11]。下面以CH型为例说明其工作原理。该器件由一个带滞后电压的比较器、\o""反相器及由一个P-MOSFET及一个N-MOSFET组成的推挽输出级组成。被检测的电压输入比较器的\o""同相端，1OOmV的基准电压输入比较器的反相端，比较器的输出电平信号经反相后输入输出级。当输入的检测电压从OmV升到1OOmV前，比较器输出低电平，经反相器输出高电平。这高电平使输出级的P-MOSFET截止，而使N-MOSFET导通，使OUT端输出低电平；当输入的检测电压上升到大于lOOmV后，比较器输出高电平，经反相器反相后输出低电平。这个低电平使输出级的N-MOSFET截止，而使P-MOSFET导通，则OUT输出为高电平。即Vin>1OOmV，使Vout为高电平(H)的)称为CH型。CL型、NL型的工作原理读者可自行分析[12]

图5.2CL型CH型NL型当Vin>1OOmV后，若Vin电压下降到1OOmV时，0叶端输出仍为高电平，一直要到Vin降到90mV时，Vout才由高电平跳变到低电平，即有1OmV的滞后电压。这滞后电压可避兔输入的检测电压有一些纹波电压时，使输出产生震荡[13]。CH型的输入输出特性如下图所示(其中箭头表示跳变的方向)。图5.3CH输入输出特性PT7M6101有SC70-4、SOT23-5及TO94三种封装供用户选择，分别用型号后缀C4、TA及N表示。例如CH型SOT23-5封装的型号为PT7M61O1CHTA。三种不同封装的引脚排列如下图所示。图5.4SC70-4、SOT23-5、TO94封装PT7M61O1的主要参数：工作电压范围0.9~5.5V；静态电流大小与工作电压Vcc有关：Vcc=1.2V时为7.5μA、Vcc=1.8V时为9μA、Vcc=3.6V时为l6μA：检测电压的阆值电压VTH=lOOmV，在工作温度范围内，其精确度在lOOmV±3%范围内；推挽输出为高电平时，Vout≥0.8Vcc，输出为低电平时，Vcc≤0.2Vcc；滞后电压典型值为1OmV；工作温度范围为-40~+85℃。5.2过流保护电路及工作原理过流保护电路如下图所示。图5.5过流保护电路原理图它是由P-MOSFET(VT1)、负载\o"电阻"电阻（RL)、电流检测\o"电阻"电阻(Rs)、CH型电压检测器(PT7M6101CHTA)、\o"是用较小的电流去控制较大电流的一种\“自动开关\”"继电器(J)、驱动三极管(VT2)及\o"LED--发光二极管"LED等组成。其工作原理如下：接通电源开关以后，若工作电流正常时，VT1的栅极G经全申，器的常闭触头后接地，使VT1的Vgs=5V，VT1导通，5V电源经VT1后给负载RL供电，工作电流为Il(小于最大允许电流Ilmax负载电流Il流过Rs后，在Rs上的电压Vrs=Il×Rs<1OOmV。则CH型电压检测器输出低电平，VT2截止，继电器不吸合，LED也不亮，继电器的常闭触头接地，保证负载正常工作0一旦负载电流超过最大允许电；充IL叩x,则流过Rs后的压降Vrs>lOOmV，电压检测器(CH型)输出高电平[14]。这个高电平使VT2导通，继电器得电吸合，常闭触头断开，常开触头接地。这样使VTI的栅极G与源极S经过R1接在一起，Vgs=0，VT1截止；与此同时，常开触头接地，使继电器自保(保持吸合状态)，LDE亮。VT1截止，使RL的Il≈0，Vrs≈OV，CH型电压检测器的输入Vin=OV，其输出Vout也为低申，平)则VT2截止，但继电器J因自保，保持了负载电源的断开，并且LED一直亮着，指示出已发生了过流状态。电路在检测后，排除过流故障后，再合上电源开关K，电路又恢复正常。上图中C1是防止在有过流发生时避免继电器发生震荡而设置的。有关参数的计算及选择（1）电流检测电阻Rs的计算与选则：负载的正常工作电流为IL，最大的允许工作电流为Imax。Imax是根据负载的工作情况来设定。当Imax设定后，Rs可按Rs=lOOmV/Imax(A)计算，例如，Imax设定为2A,则Rs=100mV/2A=50mΩ。Rs可选择高精度采样电阻，其标准阻值为0.010、0.0150、0.020······。功耗为2W。不可采用一般的贴片式电阻，其误差太大会影响电路精确度。（2）VT1的选接:VTI为P-MOSFET其要求为:VT1的Vds要大于电源电压；其漏极电流Id要大于Imax；并且要选择其导通电阻Rds(on)。在本例中，选择型号为Si9934DY的双P-MOSFET。其主要参数如下：Vds=12V、Vgs=4.5V时，Rds(on)=0.05Ω，Id=±5A。该P-MOSFET为8引脚SO-8封装，内部有两个独立的P-MOSFET。如果将内部两P-MOSFET并联，则其Rds(on)减小一半，而Id增加一倍，Rds(on)=0.025Ω，Id=±1OA。Si9934DY的引脚排列如下图所示[15]。图5.6Si9934DY引脚图例如，Il=4A，Rds(on)=0.02Ω，则在VT1上的压降Vdp=Il×Rds(on)=4A×0.02Ω，即Vdp=0.01V。其功率损耗Pd=Vdp×Il=0.1V×4A=0.4W由上述计算可知，在VT1上的电压降及功率耗损是很小的。实际上Rds(on)=0.05Ω是Vgs=4.5V时的值，现Vgs=5V时。并联后的Rds(on)值小于0.055Ω的。则Vdp与Pd会更小一些。（3）继电器J的选择由于继电器触头通过的电流极小可采用超小型直流小功率电磁继电器，其额定电压为50mV。寿命>10的5次方。5.3电路模块由于该电路简单、尺寸不大，有一定的通用性，有可能做成模块，如下图所示。Vdd为电源输入端，GND为地，Vl与Vdet之间接Rl,Vdet与GND之间接Rs。如图所示图5.7过流保护电路模块第6章软件系统仿真第6章软件系统仿真6.1仿真软件介绍Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。功能特点：Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是：1．原理布图；2．PCB自动或人工布线；3．SPICE电路仿真。革命性的特点：1．互动的电路仿真，用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。2．仿真处理器及其外围电路，可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配臵的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境[16]。6.2系统仿真过程与结果在Proteus中绘制系统原理图如图6.1为了能够多次取值仿真，便于更准确测设系统的稳定性，将原电路图中的电源电路改为了一个模拟电流源直接与ACS712连接。如图6.2双击原理图中的单片机，调入已编译好的目标代码文件：*.HEX图6.1系统原理图 图6.2系统输入端图6.3录入程序点击确定对系统进行仿真。我们将模拟电流源电流大小调整为4，测试通过系统检测后得到并显示的结果是否一致。图6.4调整电源输入点击开始按钮开始系统测试系统正常运行，数码管显示出检测结果为4.15,在系统误差允许的范围内，检测结果与电流源给定值基本相等，符合设计要求。图6.6仿真结果结论结论通过此次毕业设计，我不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识，开拓了视野，认识了将来电子的发展方向，使自己在专业知识方面和动手能力方面有了质的飞跃。毕业设计是我作为一名学生即将完成学业的最后一次作业，他既是对学校所学知识的全面总结和综合应用，又为今后走向社会的实际操作应用铸就了一个良好开端，毕业设计是我对所学知识理论的检验与总结，能够培养和提高设计者独立分析和解决问题的能力；是我在校期间向学校所交的最后一份综和性作业，从老师的角度来说，指导做毕业设计是老师对学生所做的最后一次执手训练。其次，毕业设计的指导是老师检验其教学效果，改进教学方法，提高教学质量的绝好机会。毕业的时间一天一天的临近，毕业设计也接近了尾声。在不断的努力下我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的大概总结，但是真的面对毕业设计时发现自己的想法基本是错误的。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识太理论化了，面对单独的课题的是感觉很茫然。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。参考文献参考文献何立民.单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M].北京:北京航空航天大学,1990:94-107李晓荃.单片机原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2000:47-59刘和平.单片机原理及应用[M].重庆:重庆大学出版社,2002:55-61重一.利用霍尔传感器芯片设计直流电流检测电路[J].传感器技术,2003,12(06):8-13陈杰,黄鸿.传感器与检测技术[M].高等教育出版社,2002.36-41张欣,陆申龙.新型霍尔传感器的特性及在测量与控制中的应用[J].大学物理,2002(10)：15-19D.C.Yu,J.C.Cummins,Z.Wang,H.J.Yoon,Lj.A.Kojovic,CorrectionofCurrentTransformerDistortedSecondaryCurrentsDuetoSaturationUsingArtificialNeuralNetworks,TransactionsonPowerDelivery,Vol.16,No.2,pp.189-194,April2001.徐爱钧.单片机高级语言C51应用程序设计[M].北京：电子工业出版社,2002.16-21宋吉江,牛轶霞.用霍尔传感器测量大电流[J]-中国设备管理,2001,54(02):43-48Lj.A.Kojovic,ComparisonofDifferentCurrentTransformerModelingTechniquesforProtectionSystemStudies,SummerMeeting,Chicago,D.H.Boteler,Q.Bui-Van,J.Lemay,DirectionalSensitivitytoGeomagneticallyInducedCurrentsoftheHydro-Quebec735kVPowerSystem,OnPowerDelivery,Vol.9,No.4,October1994,pp.1963-1971白韶红.集成霍尔传感器的发展[J].自动化仪表,2003,24(03):34-42任春丽,唐求.电能质量远程监测管理系统[J].仪表技术与传感器,2011,17(3):58-61.王维检.电力系统继电保护基本原理[M].清华大学出版社,1991.24-41.贺家李,宋从矩等.电力系统继电保护原理[M].中国电力出版社,1994.48-53.徐英雷,许峻峰.基于单片机的霍尔传感器测试系统[J].电力机车技术,2001,3(04):21-32致谢在本次毕业设计中，我得到了指导老师张玉财老师的热心指导。自始至终关心督促毕业设计进程和进度。帮助解决毕业设计中遇到的许多问题。还不断向我传授分析问题和解决问题的办法，并指出了正确的努力方向，使我在毕设过程中少走很多弯路。在这里非常感谢张老师的指导和帮助，并致以诚挚的谢意！同时，身边的同学给了我许多的帮助。在此，我向身边关心我的同学致以诚挚的谢意！另外，系里的领导和老师也给了我们必要的指导，我也向系和年级的领导们表示衷心的感谢！最后感谢学院对我这几年的培养。

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日期：

学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期：年月日导师签名：日期：年月日

指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神□优□良□中□及格□不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度□优□良□中□及格□不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力□优□良□中□及格□不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性□优□良□中□及格□不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格建议成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）指导教师：（签名）单位：（盖章）年月日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格建议成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）评阅教师：（签名）单位：（盖章）年月日致谢教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况□优□良□中□及格□不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况□优□良□中□及格□不及格3、学生答辩过程中的精神状态□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？