毕业设计（论文）-基于单片机的电力线路保护的设计（含CAD图纸） .docVIP

全日制普通本科生毕业设计 基于单片机的电力线路保护的设计design of power line protection based on scm 完整版说明书，cad图纸等，联系153893706学生姓名：学 号：年级专业及班级： 2008级机械设计制造及其指导老师及职称：学 部： 理工学部提交日期：2012年5 月 39全日制普通本科生毕业设计诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。同时，本论文的著作权由本人与湖南农业大学东方科技学院、指导教师共同拥有。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计作者签名： 年 月 日 目 录摘要1关键词11 前言21.1电力系统电流保护的任务21.2继电保护的基本要求21.2.1 选择性21.2.2 速动性31.2.3 灵敏性31.2.4 可靠性31.3 微机保护系统的简介31.3.1 继电保护的发展过程31.3.2 微机保护的特点41.4.1 方案的总体思路及可行性分析42单片机实现输电线路电流保护的硬件设计52.1概述52.2系统的基本结构52.3模拟量输入通道设计62.3.1电压形成72.3.2 模拟低通滤波82.3.3 采样保持92.3.4 a/d转换112.4开关量输出通道设计132.4.1开关量输出通道132.5 单片机主系统设计142.5.1单片机的选型142.5.2 可编程i/o口8255a193显示报警及电源电路设计213.1 led显示器213.2 报警器223.3 键盘233.4电源电路设计243.4.1 电源电路设计244 单片机保护的抗干扰措施254.1 单微机保护装置的干扰来源254.2几种抗干扰措施265 单片机实现输电线路电流保护的软件设计285.1 保护软件流程285.1.1 主程序285.1.2采样中断服务程序295.1.3 事故处理程序30总结31致 谢33参考文献34附录（程序清单）35基于单片机的电力线路保护的设计摘 要：本设计对采用单片机构成结构简单、成本低，使用方便的电流保护方式，且对装置的硬件结构、软件设计进行了研究，设计了一种基于mcs-51单片机的输电线路电流保护装置。本设计重要包括三大部分的内容。第一部分介绍了微机保护的相关知识；第二部分为单片机实现输电线路电流保护的硬件电路设计，设计了模拟量输入通道、单片机系统、开关量输出通道以及键盘和显示电路，并介绍了了ad7501、ad574、8051、8255等芯片；第三部分为单片机实现输电线路电流保护的软件设计，包括软件流程、保护算法以及数字滤波部分。关键词：单片机；继电保护；电流保护；电流；输电线路 design of power line protection based on scmabstract：this design studeies the hardware structure and software of the device. it designs a kind of electric current protection device according to a single-chip computer of mcs-51 of the power line road.this design include three parts. the first part introduced the protective and related knowledge of tiny machine;the second part carries out the power line road electric current protective hardware electric circuit , designing the imitate quantity importation passage,the single-chip computer system,the switch quantity exportation passage,keyboards and manifestations electric circuit, and introduced the ad7501, ad574,8051 and 8255a etc;the third part carries out the protective software design of the power line road electric current , the third part carries out the protective software design of the power line road electric current for a machine, including the software process , protecting the calculate way and so on.key words: single-chip computer;protection; current protects; current; transmission network 1 前言1.1电力系统电流保护的任务3 电力工业是国民经济的基础，是重要的支柱产业。它与国家的兴盛和人民的安康有着密切的关系，因此，电力产品应该是安全、可靠、经济、优质的能源产品。 随着国民经济的飞速发展，电力系统的规模越来越复杂。在整个电力生产过程中，由于人为因素或大自然的原因，会发生这样那样的故障和出现不正常的运行状态。一旦发生故障即会产生如下后果： （1）数值很大的短路电流通过短路点会燃起电弧使故障设备烧坏，烧毁。（2）短路电流通过故障设备和非故障设备时会发热并产生电动力作用，使设备受到机械损坏和绝缘损伤以至缩短设备使用寿命。 （3）电力系统中电压下降，使大量用户的正常工作遭受破坏或产生废品。 （4）破坏电力系统各发电厂之间并行运行的稳定性，导致事故扩大，甚至造成整个系统瓦解瘫痪。 对于电力系统运行中存在的这些故障隐患，要积极采取一些预防措施，如提高设备质量，增加可靠性和延长使用寿命。而从运行管理角度出发，应提高从业人员的安全意识和增强责任心，提高科学管理水平，增强安全措施以减少事故的发生。8 对于不可抗拒的事故发生应做到及时发现，并迅速有选择地切除故障组件，隔离故障范围，以保证系统非故障部分的安全稳定运行，尽可能减少停电范围，保护设备安全。继电保护是一种能反应电力系统故障和不正常状态，并及时动作于断路器跳闸和发出信号的自动化设备。继电保护一词是指继电保护技术或由各种继电保护装置单元组成的继电保护系统。其任务是：（1）自动、迅速、有选择地切除故障组件，使无故障部分恢复正常运行，使故障部分设备免遭毁坏。（2）发现电器组件的不正常状态，根据运行维护条件动作于发信号，减负荷或跳闸。1.2继电保护的基本要求51.2.1 选择性继电保护动作的选择性指保护装置动作时，仅将故障组件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小。要满足选择性，必须从两方面出发进行考虑。一方面考虑哪个组件发生故障应由该组件上的保护装置动作切除故障。另一方面，考虑到继电保护或断路器有拒绝动作的可能性，需要考虑后备保护问题。1.2.2 速动性当电力系统发生故障时，继电保护装置应该能迅速动作切除故障。快速切除故障可以提高电力系统运行稳定性，减少用户在电压降低情况下的工作时间，缩小故障组件的损坏程度，还有利于电弧闪络处的绝缘程度恢复，从而提高再送电的成功率。切除故障的总时间等于保护装置和断路器动作时间之和。一般的快速保护动作时间为0.060.12s，最快的可达到0.020.04s；一般的断路器的动作时间为0.060.15s，最快的可达0.020.06s。41.2.3 灵敏性灵敏性指的是继电保护装置对于其保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力，通常用灵敏系数来衡量。满足灵敏性要求的保护装置应该是在事先规定的保护范围内部故障时，不论短路点的位置，短路的类型如何，以及短路点是否存在过度电阻，都能敏锐感觉，正确反应。1.2.4 可靠性可靠性指就保护装置本身的质量和运行维护水平而言，要求在其规定的保护范围内发生了它应该动作的故障时，它不拒绝动作；而在任何其他不应该动作的情况下，则不误动作。提高继电保护装置不误动可靠性和不拒动可靠性的措施常是矛盾的，在选用和设计继电保护装置时，需要依据保护对象的具体情况，对两方面的性能要求适当的予以协调。例如，对于传送大功率的输电线路保护，一般强调不误动作的可靠性；对于其它线路保护，则往往强调不拒动的可靠性。2除了上述四个基本要求以外，选用保护装置时还应该考虑经济性。在保证电力系统安全运行的前提下，尽可能地采用投资少，维护费用低的保护装置。61.3 微机保护系统的简介71.3.1 继电保护的发展过程继电保护的发展与世界工业技术的发展息息相关。19世纪末出现了直接作用于断路器的电磁型电流继电器，这可认为是保护技术的开端。20世纪50年代，电子工业方面出现了半导体晶体管，随后人们又将多个晶体管集成在一个半导体芯片上，就出现了集成电路。20世纪70年代后期，由于微机处理器技术的发展，计算机价格下降，出现了比较完善的微机保护样机，并投入到电力系统中试运行。20世纪80年代微机保护被一些国家广泛应用，这就是第三代的静态继电保护装置，也叫数字型保护装置。到了20世纪90年代，微机保护在我国开始大量应用。进入21世纪，微机保护已经成为继电保护的主要形式。11.3.2 微机保护的特点微机保护主要由硬件和软件两大部分组成。硬件主要包括输入信号的预处理系统，一台计算机系统向计算机输入信号和计算机向外输出信息的输入和输出端口，打印机，键盘及调试整定设备等。软件主要指用汇编语言编写的计算机初始化程序，针对保护原理而设计的测量和判断故障的程序，数字滤波程序，计算机硬件和软件的自检程序等。 微机保护具有以下优点：一台微机保护除了有保护功能外，同时还可以兼有故障滤波，故障测距或重合闸等功能。微机保护可以通过软件设计而改变保护定值和特性以适应电力系统运行方式变化要求。微机保护由于有自动检测和自诊断能力，能自动检测出硬件的故障和对输入数据进行校错，使检测监视变得容易，从而使保护可靠性大大提高。同时，由于它的硬件和软件的测试是自动进行的，所以不存在大量的调试工作。由于一套微机保护同时能具有保护，测距和滤波等多种功能；且它的体积小，耗电量少，维护工作量小，而微处理器价格也逐渐下降，这使用户的投资成本降低。1.4方案可行性分析1.4.1 方案的总体思路及可行性分析通过电流互感器检测line.1和line.2两条线路的电流，电流互感器的接线方式是差接法，该方案主要是线路上的保护。电流互感器二次侧额定电流为id，为强电流，通过大功率电阻将其转为电压，再由强点转弱点模块转为小电压输出，变成可以经单片机a/d转换的弱电信号，再转为数字信号后，单片机对其进行处理后在显示器上可以显示出线路的正常运行工作值。同时，经过逻辑判断，若该值大于电流速断值，则单片机迅速发出跳闸信号，由专门的io口输出至开关量输出电路，继电器动作，自动控制线路断路器跳闸，若电流大于电流整定值而小于电流速断值，则开始延时，进行过电流保护，发出警示信号，超过延时电流任大于整定值时，单片机发出跳闸信号。而通过以上几节介绍分析可知，微机继电保护装置具有优越的性能、合理的价格，帮采用以单片机为核心处理器的微型机继电保护装置实现对于10kv配电线路继电器保护。2单片机实现输电线路电流保护的硬件设计2.1概述微机继电保护是以微型计算机为核心，配置相应的外围接口，执行元件的计算机控制系统。根据保护装置微处理器的多少可分为单处理器系统和多处理器系统。其硬件结构如图1所示：图1 单片机实现输电线路电流保护结构框图fig.1 single chip microcomputer transmission line current protection structure diagram2.2系统的基本结构单片机实现的输电线路电流保护装置要求把输电线路上的电流转换变成数字量，利用单片机系统进行处理，判断是否发生故障或不正常状态，从而控制跳闸电路，达到保护输电线路的作用。按照系统设计功能的要求，初步确定设计系统由模拟量输入通道，单片机系统，开关量输入输出通道以及键盘和显示四个部分组成。其基本结构框图如图1所示。在系统的硬件设计中，单片机系统主芯片使用的是美国intel公司生产的8051芯片，8051是高性能单片机，它以8031为基础，片内又集成4kb的程序存储器，是一个程序不超过4kb的小系统。因此，在单片机实现输电线路电流保护的单片机系统中，要对芯片进行扩展，根据需要，可以扩展了一片32kb的片外程序存储器27256和一片32kb的片外数据存储器62256，以满足在对输电线路电流保护时单片机运行的需要。8051本身具有很强的接口能力，对于8051组成的系统，p0-p3口均可作为i/o口用，共有32根i/o口线。但在应用系统中往往是不够的，需要对i/o接口电路进行扩展。8255是intel公司生产的可编程的并行i/o接口芯片，它具有8位的并行i/o口，使用灵活方便，通用性强，可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路，这里选用8255a作为扩展并行i/o口的芯片。 在开关量输出通道中，为了提高抗干扰能力，经过一级光电隔离，控制断路器跳闸。显示部分采用普通的共阴极led数码管，分块如下：（1）模拟量输入 模拟量输入通常为电流、电压信号。由于电流、电压为随时间变化的连续信号，而计算机只接收数字信号，因此，须将这种类型的模拟信号转变为数字信号。完成模拟量到数字量的变换称为模数变换。（2）数字量输出 微机继电保护装置是通过数字量输出实现对断路器等的控制。该输出通道也需要光电隔离提高抗干扰能力。 （3）电源 电源的作用是将220v或110v直流电压换成能满足微机系统各部分要求的弱电电压，有12v、+24v、+5v等。（4）单片机以8051(89c15)扩展一个8255a为主，及一些信号转换元件等。2.3模拟量输入通道设计微机保护要从被保护的电力设备和线路的电流互感器、电压互感器上取得电流和电压量，由于这些电流、电压的数值范围超过了微机系统所能承受的区域，因此，需要降低和转换为微机保护中通常需要的输入电压范围5v或10v。一般采用中间变流的方式将高电压和大电流转变为微机系统能够接收的信号。微机保护的模数变换方式主要有两种：一种是adc方式，另一种是vfc方式。对于中低压电力系统这两种方式都在使用，而高压或超高压的保护装置，我国目前大都采用vfc变换方式。adc方式是将模拟量直接转变为数字量的方式，而vfc是将模拟量先转变为频变脉冲量，再通过脉冲计数变换为数字量的一种变换方式。adc式数据采集系统如图2电流互感电压形成alfs/ha/dcpu 图2 adc数据采集系统流程图fig.2 adc data acquisition system flow chart2.3.1电压形成1模拟电流、电压形成由于单片机的工作电压在5伏15伏之间，因而必须匹配电压值，完成强电向弱电的转变。又由于单片机只能处理数字量，而要将模拟电流量转化为数字量比较烦琐，但要实现模拟电压量到数字量的转换却比较容易，所以我们还必须完成电流向电压量的转换。我们选用电流互感器（ct）和电压互感器（pt）。电压形成回路，本装置采用交流采样，共需6路模拟量，即：三相保护电流ia、ib、ic，三相相电压ua、ub、uc。模拟信号分别由电流互感器（ct）和电压互感器（pt）输出，15 其原理图见图3。 图3 模拟电流、电压形成原理图fig.3 simulation current, voltage form principle diagram2电压变换电流变换器ua由一个小容量辅助电流互感器ta及其负荷电阻构成。电流变换器一次绕组接保护元件的电流互感器二次侧绕组，将输入电流变换成与其成正比的电压，这里的作用是将输入电流减小，其结构和工作原理基本和电流互感器相同。变压器的作用是用来降低输入电压或使之可以调节，其结构和原理与电压互感器相同。模拟信号分别由电流互感器（ct）和电压互感器（pt）输入，经电流变换ta和电压变换器转换成与之成比例的5v的弱电信号。原理图如图4。图4 电压变换原理图fig.4 voltage transform principle diagram2.3.2 模拟低通滤波模拟低通滤波的作用是滤掉电流和电压中的高频分量以降低采样频率。分为无源和有源两种，对要求动作迅速的保护及装置而言，为防止无源模拟低通滤波中电阻和电容对信号造成衰减和时间延迟，可以采用有源模拟低通滤波器；一般采用无源低通滤波器即可以。只要调整rc即可改变低通滤波器的截止频率。截止频率可设计为fs/2，这样fs/2以上的高频分量就可以被滤掉。之后，再对电流进行采样，可降低对模/数转换芯片的要求，节省购置芯片的投资。无源模拟低通滤波示意图如5所示 图5无源模拟低通滤波fig.5 passive simulation low pass filtering因为 (1)所以 又计算得 ， （2） （3）又，取所以 2.3.3 采样保持通常要求输入的模拟量应保持不变，以保证转换的准确进行。因此，采样信号应送至采样保持电路（亦称采样保持器）进行保持。采样保持器对系统精度有很大影响，特别是对一些瞬变模拟信号更为明显。采样保持器通常由保持电容、输入输出缓冲放大器、模拟开关等组成。lf398价格低廉，在国内应用非常广泛。它有8个引脚，结构框图和典型连线图如图6所示。2脚接1k电阻，用于调节漂移电压，7脚和8脚是两个控制端，控制开关的关断。7脚接参考电压，8脚接控制信号。参考电压应根据控制信号的电平来选择。如7脚接地，则8脚接控制信号大于14v时，lf398处于采样状态；如8脚为低电平， 则lf398处于保持状态。6脚外接保持电容，它的选取对采样保持电路的技术性能指标至关重要，大电容可使系统得到较高精度，但采样时间加长。小电容可提高采样频率，但精度较低。同时，电容的选择应综合考虑精度要求和采样频率等因素。lf398的其它几个参数为：ri=，r0=0.5，漂移电压2mv，供电电压值在518v间选择。图6 lf398连接框图fig.6 lf398 connection diagram采样电路总图如下：图7 采样电路图fig.7 sampling circuit diagram对采样保持电路的相关计算 为了计算简单化，可将采样一块示为电阻r0，则电路图可化简为：由lm324n的参数：p0=570mw,u05v此处u0暂取5v 则 r0u0/p0=44因电流互感系数为10，线路电流暂定50a,则ia=50a/10=5a而 r6=10k有: (r0+r6)u0/r0=r5(ia-u0/r0)则 r5=(r0+r6)u0/r0(ia-u0/r0)代入数据 得： r5233.3 则r5可取200当r5=200时，逆向计算得： u04.3v2.3.4 a/d转换1 a/d转换器的接口任务）发转换启动信号一般a/d转换芯片的转换是受外界控制的，所以必须从外部加一转换启动信号。取回转换结束信号以此信号作为查询数据的依据，或作为中断请求或dma请求信号。）读取转换数据 用查询方式或中断方式读取数据到内存，也可在dmac控制下利用dma方式直接读到内存。 ）进行通道寻址 对多通道a/d转换器，应能寻址选择通道进行输入。 ）发s/h（采样保持）信号 当模拟信号的变化速度比转换器的转换速度快时，一般都需要加采样保持器，以保证转换精度。 ad574为12位a/d转换器，并具有三态输出缓冲器。可作为12位转换器，也可作为8位转换器使用，转换速度：25s。112 引脚r/c：读数/转换启动，输出。=0启动转换，为边沿启动；=1读数。cs：片选信号。低电平有效。ce：输出允许。高电平有效。12/8：=1时，一次输出12位数字数据；=0时，分两次输出，若采用左对齐数据格式，则，先输出高8位，后输出低4位，并右补4位0。a0：两个作用，转换启动前，=1表示进行8位转换；=0表示进行12位转换；转换结束后，若12/8=0时，=1读低字节，=0读高字节。sts：转换状态信号。=1时，表示转换期间；=0表示转换结束。ad574的控制信号的作用如表表1ad574的控制信号真值表table 1 ad574 control signals true value table ce cs r/c 12/8 a0 ad574操作0 x x x x 不允许转换x 1 x x x 未接通芯片1 0 0 x 0 启动1次12为转换1 0 0 x 1 启动1次8位转换1 0 1 高电平 x 1次输出12位1 0 1 低电平 0 输出高字节 1 0 1 低电平 1 输出低字节根据ad574的控制信号真值表与控制时序，可以设计ad574和8051单片机的接口电路，如图图8ad574和8051单片机的接口电路fig.8 ad574 and 8051 single chip microcomputer interface circuit此时ad574采用的是单极性输入，输出是三态琐存器，因而可以直接和8051单片机数据总线接口。该电路是12位向左对齐的数据输出格式，ad574的高8位db4-db11，接到8051的p10-p17上;低4位db0-db3接到8051的p14-p17上,可分两次读取,第一次读高8位,第二次低4位。ce受8051的wr和rd与非控制，所以无论读写都为有效。将8051的p21-p22换成p26-p27来分别控制r/c、a0，cs由译码器y4控制。142.4开关量输出通道设计2.4.1开关量输出通道开关量输出主要包括保护的跳闸出口以及本地和中央信号等。一般都采用并行接口的输出口来控制有接点继电器（干簧或密封小中间继电器）的方法，16 但为提高抗干扰能力，最好也经过一级光电隔离如图9所示。只要由软件使并行口的pa0输出“0”，pa1输出“1”,便可命名与非门h1输出低电平，光敏三极管导通，继电器j被吸合。 在初始化和需要继电器j返还时，应使pa0输出“1”，pa1输出“0”。设置反相器及与非门，而不是将发光二极管直接同并行口相连。一方面是因为并行口带负载能力有限，不足以驱动发光二极管；另一方面因为采用与非门后，要满足两个条件才能使j动作，增加了抗干扰能力。9图9 装置开关输出回路接线图fig.9 device switch output loop connecting diagram最后应当注意：图9中的pa0经一反相器，而却不经反相器，这样接可防止拉合直流电源的过程中继电器j的短时误动。因为在拉合直流电源过程中，当5v电源处在某一临界电压值时，可能由于逻辑电路的工作紊乱而造成保护误动作，特别是保护装置的电源往往接有大量的电容器，所以拉合直流电源时，无论是5v电源还是驱动继电器用的电源，都可能相当缓慢地上升或下降，从而完全可能来得及使继电器的接点短时闭合。采用图9的接法后，由于两项相反的条件的互相制约，可以可靠地防止误动作。其中继电器型号选用cj20-16,励磁线圈直流额定电压为24v,直流额定电流为1.5a.则zj=24/1.5，r=(3024)/1.5=4。2.5 单片机主系统设计2.5.1单片机的选型51单片机选型：在51单片机中89c51内含4kb内存，外接可最大扩展到64kb而且89c51不但可将程序“加载”到芯片内的程序储存器中而且只要以5v或12v电压即可轻松、快速清除程序储存器里的数据，这种芯片可重复写入与清除达1000次以上，而本设计需要整定值可调整，重复写入与清除较多，故选用89c51单片机。101 at89c51的内部资源（1）一个8位的微处理器（cpu）。（2）片内数据存储器ram（128b/256b），用于存放可以读/写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等。（3）片内程序存储器rom/eprom（4kb/8kb），用以存放程序、一些原始数据和表格。（4）四个8位并行i/o接口p0p3，每个口既可以用做输入，也可以用作为输出。（5）两个定时器/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成计数方式，用于对外部事件进行计数，也可设置为定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。（6）五个中断源的中断控制系统。（7）一个全双工uart（通用异步接收发送器）的串行i/o口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信。（8）片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频为12mhz。以上各个部分通过内部数据总线相连接。2 at89c51单片机引脚图及其功能108051采用40脚双列直插封装方式，其引脚功能如下：(1) 电源引脚vcc和vssvcc（40脚）：电源端，为+5v。vss（20脚）：接地端。(2) 时钟电路引脚xtal1和xtal2xtal2（18脚）：接外部晶体和微调电容的一端； 在at89c51片内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需要采用外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲。xtal1（19脚）：接外部晶体和微调电容的另一端；在at89c51片内它是振荡电路反相放大器的输入端。在采用外部时钟信号时，该引脚必须接地图10 at89c51引脚图fig10 at89c51 pin figure(3) 控制引脚rst，ale，pesn和earst/vpd：rst是复位信号输入端，高电平有效。rst引脚的第二功能是，即备用电源的输入端。ale/（30脚）：地址锁存允许信号端。当8051上电正常工作后，ale引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。cpu访问片外存储器时，ale输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。此引脚的第二功能在对片内带有4kb eprom的8751编程写入时，作为编程脉冲输入端。（29脚）：程序存储允许输出信号端。在访问片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲作为片外存储器的选通信号。/vpp（31脚）：外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。当ea接高电平时，cpu只访问片内的eprom/rom并执行内部程序存储器的指令，但当pc（程序计数器）的值超过0ffffh（对8051为4kb）时，将自动转去执行外部程序存储器的程序。当ea接低电平时，cpu只访问外部eprom/rom并执行外部程序存储器的指令，而不管是否有片内程序存储器。（4）输入/输出端口p0，p1，p2和p3p0口：p0口是一个漏极开路的8位准双向i/o端口。作输出端口时，每位可驱动8个ls型的ttl负载。作输入时，应先向口锁存器（80h）写入全1。p1口、p2口、p3口均可作为输出/输入口，每位可驱动4个ls型的ttl负载。p3口除此之外，每个引脚还具有第二功能。3 时钟电路单片机的时钟产生方法有内部时钟方式和外部时钟方式两种，大多数单片机运用系统采用内部时钟方式。（1） 内部时钟方式 最常用的内部时钟方式是采用外接晶体 图11 内部时钟方式的时钟电路fig.11 internal clock way clock circuit （陶瓷谐振器的频率稳定性不高）和电容组最常用的内部时钟方式是采用外接晶体（陶瓷谐振器的频率稳定性不高）和电容组成的并联谐振回路。连接方法如图11所示,at89c51单片机允许的谐振晶体可在1.2mhz24mhz之间选择，一般取11.0592mhz。电容c1、c2可在20pf100pf之间选择，一般当外接晶体时典型取值为30 pf，外接陶瓷谐振器时典型取值为47 pf，取60 pf70 pf时震荡器有较高的频率稳定性。成的并联谐振回路。连接方法如图所示8051单片机允许的谐振晶体可在1.2mhz24mhz之间选择，一般取11.0592mhz。电容c1、c2可在20pf100pf之间选择，一般当外接晶体时典型取值为30 pf，外接陶瓷谐振器时典型取值为47 pf，取60 pf70 pf时震荡器有较高的频率稳定性。（2）外部时钟方式 vccat89c51xtal2xtal1vss外部时钟ttl门图11 hmos型单片机的外部信号源接入方法fig.11 hmos type of aingle chip external source access method浮空 at89c51xtal2xtal1vss外部时钟带上拉电阻的ttl或cmosm门电路图13 chmos型单片机的外部信号源接入方法fig.13 chmos type of aingle chip external aource access method 外部时钟方式是利用外部震荡信号源直接接入xtal1或xtal2。图11，at89c51单片机的外部信号源接入方法，图13为，at89c51单片机的外部信号源接入方法。本次控制系统采用内部时钟方式。 4 复位电路 复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把pc值初始化为0000h，使单片机从0000h单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。在设计单片机应用系统时，必须了解单片机的复位状态。因为单片机应用系统工作时，会经常进入复位的工作状态。应用系统的复位状态与单片机的复位状态是密切相关。单片机的复位都是靠外部的电路实现的。mcs-51单片机通常采用上电自动复位和按钮复位电路。当晶体震荡频率为12mhz（6mhz）时，r、c的典型值为c=10f（22f），r=8.2k（1k）。通常因为系统运行的需要，常常需要人工按钮复位，如图所示： 图14 复位电路fig.14 eset circuit除pc之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表2所示。表2 一些寄存器的复位状态table 2 aome register reset condition寄存器复位状态寄存器复位状态pcaccpswspdptrp0p3ipietmon0000h00h00h07h0000h0ffhxxx00000b0xx00000b00htcontl0th0tl1th1sconsbufpcon00h00h00h00h00h00h不定0xxxx000b2.5.2 可编程i/o口8255a 8255a是intel公司设计的可编程并行接口芯片、具有功能强、与cpu接口方便、使用灵活等特点，广泛微机单片机系统中，可作为打印机、磁盘驱动器、键盘、显示器等各种外设的接口电路，而本设计需用到键盘输入与显示器，故扩展选用8255a。1 8255a的基本特性11 1）8255a具有二个8位、二个4位的并行i/o端口的芯片； 2）8255a能以多种形式，在i/o端口与cpu之间进行数据传送。如：程序直接传送、应答方式传送和中断方式传送等。 3）有4个端口地址：a、b、c三个数据端口地址和控制口地址。一般情况下该芯片的a1、a0脚接系统总线的a1、a0，此时，a1a0=11时选择的是控制口；a1a0=00时选择的是a口；a1a0=01时选择的是b口；a1a0=10时选择的是c口； 4）8255a的工作方式选择和c口按位操作控制字均利用控制口发布命令。传送数据时用各数据口的地址。8255a有三种工作方式： 1）0方式：基本i/o方式。无须连接信号的直接i/o，三个8位口均可作此类i/o。无专用联络信号，不能采用中断方式与cpu交换数据，输出锁存，输入缓冲（有三态门）而无锁存。 2）1方式：选通方式。只有a口、b口可作此方式使用，c口此时作为联络线或0方式使用； 3）2方式：双向i/o。只有a口可以作为此方式使用，c口在此方式下有5条线作联络线，余下的做b口1方式的联络线。2 8255a芯片引脚图158255a的引脚图fig.15 8255 a pin figure在与单片机接口的方向，8155a提供如下信号，引脚如图14ad7 ad0 三态双向数据线。读选通信号。写选通信号。片选信号。reset复位信号。复位后a、b、c口均置为输入方式。a1-a0地址线，用来选择8255a内部端口。3 8255a与8051单片机的连接 图16 at89c51和8255a的连接图 fig.16 at89c51 and 8255 a connection diagram根据需要对单片机8051芯片扩展了i/o口，扩展了一片8255a芯片，设计了8255a和8051的连接图，如图168051扩展8255a，两片8255a都工作在0方式。将a片pa口设置为输入口，pb口设置为输出口，cs由译码电路的y6控制；将b片pa、pb口都设置为输出口，pc口低4位设置为输入口，cs由译码电路的y7控制。3显示报警及电源电路设计3.1 led显示器1.led数码显示器的结构和原理单片机中通常用4个7段led构成字型“8”，经ad转换之后的数据采集，经一定的逻辑运算转换为实际的运行电流的大小值x，编程将x的千位数，百位数，十位数，个位数分别转换为合适数码管显示的二进制码，程序选择第一个数码管显示千位数据。这种显示器有共阴极和共阳极两种，如图15 所示。发光二极管的阳极连在一起的（公共端ko）称为共阳极显示器，阴极连在一起的（公共端ko）称为共阴极显示器。本系统中采用的是共阴极数码管。 （1）共阴极数码管 （2） 共阴极数码管封装图图17 共阴极数码管fig.17 cathode tube of digital一位显示器由7个发光二极管组成，其中，7个发光二极管构成字型“8”的各个笔划（段）a-g。当在某段发光二极管上施加一定的正向电压时，该段笔划即亮；不加电压则暗。为了保护各段led不被损坏，需外加限流电阻。2. led显示方式静态显示： led的亮度高，软件编程也比较容易，但是它占用比较多的i/o口资源，常用于显示位数不多的情况。11动态显示：它利用了人眼的“视觉暂留”效应，占用资源少，动态控制节省了驱动芯片的成本，节省了电 ,但编程比较复杂，亮度不如静态的好。11 本设计中用到了4位显示，故选用动态显示方式。原理简介如下：在多位led显示时，为了简化电路，降低成本，将所有位的段选线并联在一起，有一个8为i/o口控制。而共阴（或共阳）极公共端分别由相应的i/o线控制，实现各位的分时选通。由于所有位选线皆由一个i/o口控制，因此，在每一瞬间，几位led就会显示相同的字符。要每位显示不同的字符，就必须采用扫描方法轮流点亮各位led，即在每一瞬间只使某一位显示字符。在此瞬间，段选控制i/o口输出相应字符段选码（字型码），而位选则控制i/o口在该显示位送入选通电平（设led为共阴，则应送低电平），以保证该位显示相应字符。如此轮流，是每位分时显示应显示字符。段选码，位选码每送入一次后延时1ms，因为人眼的视觉暂留时间为0.1s（100ms）,所以每为显示的间隔不能超过20ms，并保持延时一段时间，以造成视觉暂时留效果，给人看上去每个数码管总在亮。3.2 报警器电路中选用蜂鸣器作为报警器，功能实现简便，只要在程序判定电流为过载或速度电流时，编程使得驱动io口输出高点平即可驱动蜂鸣器工作，由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的i/o接口是无法驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放放大电流就可以了。如下图所示：图18 报警电路图fig.18 alarm circuit diagram选择型号为cx9655sc-sm的蜂鸣器，额定电压为30v，性噪比可达85db。以l1和l2的排列来显示那条线路故障。其中，线路1的报警型号经p20口输出，线路2的报警信号p21口输出其中，二极管起续流作用，保护三极管在断开状态时不被报警器的线圈电流击穿，in4148是一种小型的告诉开关二极管，开关比较迅速，且电流有50ma，能满足对报警器的要求。3.3 键盘1. 矩阵式未编码式键盘扫描原理如图19 为44矩阵式未编码式键盘结构图 图19 44的矩阵式未编码式键盘结构图fig.19 4 x 4 matrix not coding pad structure图中键盘的行线（x0x1）与列线（y0y7）的交叉处不相连，而是通过一个按键来联通，行线通过电阻接+5v。当键盘上没有键闭时所有的行线和列线都断开，则行线都呈高电平。当键盘上某一个键闭合时，则该键所对应的行线和列线被短路。例如：6号键被按下闭合时，行线x1和列线y5被短路，此时x1的电平由y5的电位所决定。如果把行线接到单片机的输入口，列线接到单片机的输出口，则在单片机的控制下，先使列线y0为低电平，其余七根列线都为高电平，读行线状态。如果x0、x1都为高电平，则y0这一列上没有键闭合。如果读出的行线状态不全为高电平，则为低电平的行线和y0相交的键处于闭和状态。如果y0这一列上没有键闭合，接着使列线y1为低电平，其余列线为高电平，用同样的方法检查y1这一列上有无键闭合。依次类推，最后使y7为低电平，其余的列线为高电平，检查y7这一列上是否有键闭合。这种逐行逐列地检查键盘状态的过程称为对键盘的一次扫描。142.控制方式单片机对矩阵式未编码式键盘的控制有以下三种控制方式供选择。（1）程序控制扫描方式，即查询方式。（2）定时扫描方式，利用单片机内部定时器产生中断（例如10ms），cpu响应