用单片机实现的船舶发电系统综合保护装置-船舶学院毕业论.doc

渤海船舶职业学院毕业论文论文题目：用单片机实现的船舶发电系统综合保护装置作 者： 指导教师： 单 位：专 业： 班（年）级：论文提交日期：2008年 12月 10日 摘 要 本文对船舶电力系统进行了一定的介绍，简要论述了船舶发电机在运行过程中可能出现的不正常状况和故障，以及相应的保护措施，并对研制该试验装置的意义和必要性进行了说明。船舶发电机综合保护试验装置主要是由船舶发电机控制屏、继电器保护单元、电网参数（电压、电流）检测与变送单元、AID转换单元、频率及功率因数角检测单元、开关量输入输出单元、中央处理单元、通信电平转换单元、上位PC机控制单元和键盘显示单元等组成，本文对船舶发电机综合保护试验装置组成部分的相应的硬件和软件设计都进行了介绍。 船舶发电机综合保护试验装置能够实现操作训练、故障设置、系统监控等功能，模拟了船舶电站在正常和非正常工况下船舶发电机可能出现的各种问题和故障，能够达到技术人员的基础培训，提高解决使用中出现问题的能力。关键词：电站 船舶发电机 试验装置 单片机目 录第1章绪论.11 船舶电站简介.12 课题的提出.21.2.1 课题的提出.21.2.2 研制船舶发电机综合保护试验装置的意义.2第2章船舶电力系统.42. 1船舶电力系统的组成l .4 2.1.1电源4 2.1.2配电装置5 2.1.3船舶电力网5 2.1.4负载5 2.2船舶电力系统的特点及对其基本要求.6 2.2.1船舶电力系统的特点.6 2.2.2对船舶电气设备的基本要求7 2.3船舶发电机综合保护.9 2.3.1短路保护.9 2.3.2过流、过载保护.9 2.3.3欠压保护.10 2.3.4逆功率保护.11第3章船舶发电机综合保护试验装置的总体设计123.1船舶发电机综合保护试验装置的总体结构.123.2单片机控制系统的设计.123.3船舶发电机继电保护单元.133.4上位PC机与键盘显示单元.14第4章系统的硬件设计164. 1主控单元（MCU） .164.2模数转换模块.17 4.2.1电量变换单元.18 4.2.2 AD转换单元.184. 3频率测量模块.224.4串行通信模块.23 4.4.1串行通信简介.23 4.4.2串行通信波特率的设置.25 4.4.3通讯模块原理及接口电路.264. 5键盘与显示单元.27第5章系统的软件设计30 5. 1概述.30 5. 2上位PC机监控软件设计.30 5. 3单片机控制系统的软件设计.33 5. 3. 1系统的主程序.33 5. 3. 2数据采集子程序设计.34 5. 3. 3串行通信子程序设计.36 5. 4键盘显示单元程序设计.39 5. 5系统软件设计中提高可靠性的方法.42第6章结论43致谢.4- 45 -第1章 绪论1.1 船舶电站简介 船舶电站是指船舶上将非电形式的能量转为符合要求的电能，并向船舶电网供电的设备的总称。它由原动机、发电机和主配电装置组成。根据带动电动机的原动机的不同，船舶发电机组主要分为以2下几种：柴油发电机组：用柴油机带动的发电机组，这种类型的发电机组目前用的最多，这是由柴油机的效率高、机动性强、启动快等优点所决定的；汽轮发电机组：用汽轮机带动的发电机组；轴带发电机组：用主机转轴带动的发电机组；核子发电机组：采用原子反应堆作为能源使锅炉工作，产生高温、高压蒸汽，带动汽轮机再带动发电机发电的机组。目前船舶发电机组多采用柴油机发电机组。 船舶电站是船舶动力系统的重要组成部分，船舶上各种辅机、通讯导航设备、照明设备等的电能都是靠船舶电站提供的，船舶如果没有了电能，就会如同折翅的鸟儿失去飞行的动力，成为一艘死船。所以船舶电站管理人员要能够正确、熟练的对船舶电站系统进行管理、使用和操作，以尽量避免由于管理人员的误操作而导致全船断电和由此产生的对人身、财产安全的威胁，尤其是恶劣海况时的误操作可能造成极大的人身伤亡和财产损失。而在实船上对船舶电站管理人员进行电站管理、操作的训练是相当困难的，而且局限性也很大，所以陆地上建立船舶电站试验装置是十分必要的。1.2 课题的提出1. 2. 1 课题的提出 船舶电站是船舶的重要组成部分，船舶发电机的综合保护为船舶电力系统安全供电提供了重要保证，同时也为船舶的安全稳定航行提供了可靠保障。随着科学技术的发展，船舶电站也向着自动化和智能化的方向发展，因此，要求轮机员必须具有较强的基础理论与动手能力，熟练掌握船舶电站的运行规律，能够及时发现电站运行过程中可能出现的各种故障，以及各种潜在的危险，对船舶电站故障有一定预测、判断、排除以及应变能力，并能及时有效的加以处理，保证船舶电力系统的供电畅通。 船舶发电机综合保护试验装置的设计及研究， 全面清楚的认识和掌握船舶电站的运行过程和规律，以及运行过程中可能出现的各种故障。1. 2. 2 研制船舶发电机综合保护试验装置的意义 现代船舶电气化、自动化程度越来越高，对船舶电站以及电力系统依赖越来越强，因此对船舶电站以及电力系统的要求也就越来越严格。不仅要保证在最恶劣的环境下不中断的对船舶供电；还要在工况多变的情况下，维持较高的供电品质。为此，现代船舶除了要装备性能优良，工作可靠的发配电及控制设备外，还应提高船舶电气管理人员的技能与素质。 船舶发电机综合保护试验装置将微机控制、单片机控制以及键盘显示结合在一起，可以模拟电站运行的动态过程，通过该试验装置，了解并熟练掌握船舶电站的工作过程，以及在运行过程中可能出现的各种故障，并掌握对故障排除的能力。第2章 船舶电力系统2. 1 船舶电力系统的组成船舶电力系统主要由电源、配电装置、电力网和电力负载四部分组成。其单线图，如图2-1所示。2.1.1电源电源是将机械能、化学能等能源转变成电能的装置。船舶电源主要为发电机，蓄电池只能作为小应急电源。2.1.2配电装置 配电装置是对船舶电源、电力网和电力负载进行保护、测量、监视和控制的装置。它包括各种开关电器、测量仪表、互感器、连接母线、继电保护、自动装置及各种辅助设备。根据供电范围和对象的不同，配电装置可分为主配电板、应急配电板、各种照明及动力分配电板及蓄电池充放电板等。2.1.3船舶电力网船舶电力网是全船电缆电线的总称，其作用是将电能的生产者（各种电源）和电能的消费者（各种电力负载）联系起来。船舶电力网根据其所联接的负载性质，可分为动力电网、照明电网、应急电网、小应急电网等。2.1.4负载 船舶电力负载大体可分为如下几类： （1）船舶各种机械的电力拖动 甲板机械舵机、锚机、绞缆机、起货机、舷梯绞车、吊艇机等； 舱室机械各种油泵、水泵、空压机、冷冻机、通风机、空调设备等； 电力推进船舶或特种工程船舶使用的推进电动机及生产机械用电。 （2）船舶电气照明 工作场所和生活舱室安装的各种照明灯具及各种航行灯和信号灯具用电。 （3）船舶通信和电航设备 船舶通信设备有线电收发报机、电话、广播、声光报警装置、电车钟、舵角指示器等。 电航设备有陀螺罗经、雷达、罗兰、无线电测向仪、电测深仪、电记程仪等。 （4）其他用电设备如电热器、洗衣机、电视机、录像机等家用电器。2.2船舶电力系统的特点及对其基本要求2. 2. 1船舶电力系统的特点 与陆上大电力系统相比，船舶电力系统有如下特点： （1）系统容量与发电机单机容量及类型 船舶电力系统一般电源只有一个电站，电站大多由2-4台相同型号的发电机组构成。单机容量不超过1000KVA，电站总容量不超过2000KVA。陆上电力系统一般由许多个不同类型的发电厂组成其电源，电力系统的总容量最小的为1000M W，大者则高达l05MW以上，单台发电机容量最大已达1200MW。船舶发电机的原动机多采用柴油机，因其启动快，机动性强。随着节能的需求，轴带发电机及废气汽轮发电机的使用也渐渐增多，核能只用于军舰及破冰船上；陆地上考虑效率和经济性，火电厂及热电厂多采用汽轮发电机，原子能电厂的原动机也仍用汽轮机，汽轮机因转速很高（3000/min ），故发电机多采用隐极机，水电厂使用水轮发电机，水轮机组因转速很低，大多与柴油发电机相似，都采用凸极发电机。 （2）配电装置 由于陆上电力系统容量大，输电距离长，为了降低工作电流，减少电压损耗及功率损耗，因此发电机输出电压达数千伏甚至几万伏，输电线路最高电压已达500KV。开关电器大多采用高压设备，各种变、配电装置种类繁多，以适应不同电压等级，不同绝缘水平的需要。继电保护与自动装置比之船舶也复杂得多，仅发电机保护就有差动、速断、过流、转子一点接地、两点接地等多种，电网保护则有过流、距离、高频等多套保护。另外还有母线保护，防雷及接地保护等。自动装置已发展到以计算机为中心的电力系统自动监视和控制环节，保证系统安全经济运行。自动监控系统能满足电力系统并列运行的稳定性和供电可靠性的要求，保证电能质量及控制电力设备运行参数，对电力系统中机组的有功和无功功率及某些节点的电压进行监视与测量，对联络线和变压器的传输功率进行控制。为与自动监控系统配套，遥测、遥信、遥调与遥控等远动装置在陆上大电力系统中也已经普及，实现了调度中心与发电厂、变电所之间实时信息的自动传输。 船舶电力系统因容量小，送电距离短，电压等级少而低，目前大多数采用500V以下的电压，故变电设备、配电设备、开关电器、绝缘要求、继电保护与自动装置都比陆上简单。 （3）电力网 陆上电力网主要由架空线及电缆构成。架空线由导线、杆塔、绝缘子和属具组成，电缆则由导电芯线和包覆芯线的绝缘材料和外护层组成。陆上电力系统输电线路电压高、距离长，大多采用架空线。架空线利用空气和绝缘子实现导体线间绝缘和导线与大地的绝缘。为防止空气被电压击穿，线间距离随电压的提高而加大。并容易受外力破坏而发生故障。电缆在传输高压电时，因绝缘要求高而使工艺复杂，造价比架空线高许多倍，故除非特殊需要，陆上的电力网一般均使用架空线。 船上由于环境的限制，加之供电电压低、距离短，因此全部采用电缆。电缆线路具有可靠性高，遭受雷击和外力破坏的可能性小的特点。 （4）船舶负载的特点 船舶负载主要是电动机及照明装置。船上某些大电动机的功率与船舶电站运行发电机的功率可相比拟，大电动机起动电流甚至超过发电机额定电流，因此相互影响大。电动机起动时，电网电压降落大，发电机组的转速与频率波动也大，因此对船舶发电机的调压器与调速器都提出了较高的要求。陆上电力系统容量比每一个负载的功率要大得多，可以认为是无限大容量电源，电源的内阻为零，电源的电压可认为是一个常数。2.2.2对船舶电气设备的基本要求 船舶设计与建造时，对电气设备的选择及安装必须考虑船的航线、种类、吨位、主机的种类和功率以及有无特殊要求等条件。无论什么种类的船舶，对其所安装的电气设备都应注意满足下述基本要求： （1）保证供电的可靠性 保证供电可靠是船舶电力系统运行中的一项极为重要的任务。中断船舶供电，会使船上作业停顿、生活混乱，甚至危及人身和设备的安全，从而造成极大的经济损失。因此船舶电力系统的首要任务就是要满足船舶对供电可靠的要求。 造成船舶供电中断的原因很多，例如可能是船舶电力系统的设备发生了故障，如发电机、变压器、输电线路等发生了故障；也可能是系统的全面瓦解崩溃，如稳定性遭到破坏而导致系统瓦解等。 保证船舶供电的可靠，首先要求系统元件（如发电机、变压器和输电线路等）的运行具有足够的可靠性，元件发生故障不仅会直接造成船舶供电中断，而且可能发展成为全局性事故。其次，要求提高系统运行的稳定性，增强系统的抗干扰能力，保证不发生或不轻易发生造成大面积停电的系统瓦解事故。为此，要不断提高轮机员的技术水平和责任心，防止误操作的发生，在事故发生后能够尽量及时的采取有效措施，从而防止事故的进一步扩大，此外我们还要采取现代化的监测、控制和保护装置等手段，来预防事故的发生。 （2）保证良好的电能质量 衡量电能质量的主要指标是电压、频率和波形，在船舶电力系统正常运行时，主要保证电压和频率的偏差不超过规定的范围。 （3）为船舶提供充足的电力 船舶电力系统担负着为全船各用电设备提供安全、可靠的供电的使命，为此我们要对其加强维护、科学管理，提高运行操作水平，防止事故发生，减少事故次数。 （4）提高船舶电力系统的经济性 在保证船舶供电可靠和良好电能质量的前提下，进行优化调度，最大限度的提高电力系统运行的经济性，为船舶提供充足的电能。以上是对船舶电力系统的要求是相互关联的，当然有的也是相互矛盾的。因此，我们应该从实际出发，采取切实可行的措施，提高船舶电力系统安全经济运行水平。一般来说，一个可靠性指标差的船舶电力系统根本谈不上优质和经济，而电能质量差的船舶电力系统也就无从谈起可靠性和经济性了。对可靠和优质的要求，有时候会与经济性发生矛盾。因此，无论我们在考虑其中哪一项要求时，都应该兼顾其他各项的要求。2.3 船舶发电机综合保护2. 3. 1短路保护 短路故障对船舶电站所造成的后果是十分严重的。发生短路时，由于外部电路负载被短路，发电机定子绕组中产生极大的短路电流，电网电压也急剧下降。例如：当发电机端部发生三相短路时，短路电流可以达到额定电流的十倍以上，此电流产生的热量和机械力可比正常值大一百倍以上，对发电机有巨大的破坏作用。 发电机短路的原因很多，但不外乎是维护不周，检修不良，受到机械损伤，绝缘老化，误操作等等。防止短路故障的最好手段是操作人员加强对电站设备的日常维护，定期的检查绝缘情况，认真地执行操作规范。 处理发电机短路故障，通常在技术上采用继电保护装置，以限制短路的破坏作用，并保证在故障发生后，能自动地、迅速地切除故障部分，最大限度地保护整个电站，避免故障的进一步扩大；处理发电机短路的原则就是既要保护发电机，又要保证不中断电网供电，因此要兼顾到保护的选择性和快速性问题。实现选择性的两个基本原则：时间原则和电流原则。根据以上原则，并考虑到保护的可靠性，我国的钢质海船入级与建造规范（以下简称“规范” ）作了这样的规定8：“对于船舶发电机外部短路保护一般应该设有短路延时和短路瞬时动作保护。短路短延时保护的启动电流整定为3到5倍的发电机额定电流。动作时限则整定为0.2到0.6秒，作用于发电机跳闸，短路瞬时保护的启动电流整定为5到10倍的发电机额定电流，瞬时动作于发电机跳闸。”2.3.2 过流、过载保护 当船舶电站在运行过程中，如果发电机的容量不能满足负载增长的需要时，或者因并联运行的发电机间因为负荷分配不恰当时，都可能造成发电机过载现象的发生，也就是运行着的发电机的输出功率或者电流超出了其额定值。不论是负载电流超过了发电机的额定电流，还是负载的有功功率超过了发电机的额定功率，这都将对发电机产生不利的影响。发电机如果长时间在这种不正常的状态下运行，会使发电机过热，引起绝缘老化和损坏，以及原动机的寿命缩短和部件损坏等。所以，应装设相应的保护，以保护发电机组。对于同步发电机的过载，可以用过电流来加以检测。因为同步发电机上装有自动电压调整器，在电压不变的情况下，当发电机过载时，必然要出现输出电流过大的现象，所以只要监视输出电流就可以间接地判断系统是否过载。对同步发电机过载采取的保护措施和处理方法，也要兼顾到两个方面：一方面要保护发电机不受损坏；另一方面还要考虑到尽量保证不中断供电。因此，当发电机过载时，延时确认报警之后要根据过载的大小来判断应该采取的措施。将一部分不重要的负载先自动卸掉，以消除发电机的过载现象，并保证重要负载的不间断运行。2. 3. 3欠压保护 当调压器失灵或由于发电机外部发生持续性短路故障没有及时切除等原因时，都将出现发电机电压下降的现象。 “规范”规定8“并联运行的发电机应设有欠压保护，并能满足如下要求： 1、用于避免发电机不发电时断路器若合闸则瞬时动作： 2、当电压降至额定电压的70%到35%时，应经系统选择性保护要求的延时动作方能动作。” 发电机在欠压的情况下运行，会引起电机电流的增加，电动机转矩下降，发电机过热，绝缘老化，这些对发电机本身和异步电动机的运行等都是不利的。因此，维持船舶发电机端电压恒定（在允许的范围内变化）是非常重要的。自动电压调整器能够自动的调整发电机励磁，使发电机端电压保持在允许变化的范围内。“规范”对动态指标的规定为：“交流发电机在负载为空载、转速为额定转速，电压接近额定值的状态下突加或突卸60%额定电流及功率因数不超0.4%（滞后）的对称负载时，当电流跌落时，其瞬态电压值应不低于额定电压的85%；当电压上升的时候，其瞬态电压值应不超过额定电压的120%，而电压恢复到与最后稳定值相差3%以内所需要的时间应不超过1.5s。 发电机欠压保护的任务就是当发电机在低电压时，保证发电机合不上闸，或者能够自动从电网中断开。2.3.4 逆功率保护 当几台同步发电机并联运行时，若其中一台发电机的原动机出现故障，例如原动机燃油供应中断或者发电机与原动机的联轴节损坏等，便会产生逆功率现象。发生逆功现象时，故障机不但不发出有功功率，反而要从系统中吸收有功功率，即同步发电机变成了同步电动机。船舶电网出现逆功率时，将对系统产生不利的影响，极有可能造成另一台在网机的过载，所以要对发电机实行逆功率保护措施，其主要任务是当发电机出现逆功率运行时，将该故障发电机从系统中切除。由于逆功率保护具有一定的时限，不需要立即脱网，根据“规范”要求：“当原动机为柴油机时，整定为发电机额定功率的8-巧%；当原动机为汽轮机时，整定为发电机额定功率的2-6%.”本试验系统中整定逆功率限值为额定功率的10%，延时确认时间为5秒。当并联机组中出现一台机组逆功，并达到保护的启动值后，系统延时5秒钟报警，并判断此时是否有正常的备用机组，若有就启动备有机组，并迅速调用直接停机程序，阻塞机组。备用机组启动成功后，开始并车，不论成功与否，均向系统汇报。第3章 船舶发电机综合保护试验装置的总体设计3. 1船舶发电机综合保护试验装置的总体结构船舶发电机综合保护试验装置主要是由船舶发电机控制屏、继电器保护单元、电网参数（电压、电流）检测与变送单元、AM转换单元、频率及功率因素角检测单元、开关量输入输出单元、中央处理单元、通信电平转换单元、上位PC机控制单元和键盘显示单元等组成，硬件结构图如图3-1所示。 图3-1船舶发电机综合保护试验装置硬件结构图 其中，电网参数检测与变送单元、A/D转换单元、频率及功率因素角检测单元、开关量输入输出单元、通信电平转换单元和中央处理单元构成单片机控制系统，系统中固化了INTEL HEX文件；上位PC机和键盘显示单元通过与单片机控制系统之间进行串行通信实现对实验数据和操作命令的传输，最终实现上位机对船舶发电机综合保护试验装置的遥控和遥测。而继电器保护装置是一套相对独立的试验装置，可以通过手动的方式实现对船舶发电机的过载、外部短路、欠压和逆功率等四项实验。3. 2单片机控制系统的设计单片机控制系统是上位PC机与继电保护试验装置之间的联系纽带，它主要由中央处理单元、通信电平转换单元、周期测量单元、相位差测量单元、A/D转换单元、开关量输入/输出单元、波形变换单元、交直变换单元和继电器驱动单元等部分组成。其中：交直变换单元的直流电量输出到A/D转换单元，再由A/D转换单元（包括三相电压和三相电流）送中央处理单元；波形变换单元的方波输出送到周期测量单元和相位差测量单元，测量结果（16位数字量）再送中央处理单元；继电保护试验装置改造过程中引入了众多继电器。其中一部分继电器常开触点状态量经由开关量输入单元送中央处理单元；中央处理单元送来的动作指令通过开关量输出单元发送到继电器驱动单元，驱动与试验装置内部动作继电器触点并联的另一部分继电器触点开合，从而实现各种实验状态；经过通信电平转换单元，中央处理单元发往上位机的信号电平从原有的TTL电平变为RS-232电平，PC机通过串口发往中央处理单元的RS-232电平变为中央处理单元可以接收的TTL电平，上下位机信号电平的匹配才可能实现上下位机的串行通信。 船舶发电机综合保护试验装置硬件结构图如图3-1所示，其中与继电保护装置有直接电气连接的有波形变换单元、交流变换单元、继电器驱动单元和开关量单元。由于周期测量单元和相位测量单元可以识别的只有方波信号，所以波形变换单元的功能就是将从继电保护试验装置采集来的单相电压（Uab）、单相电流（Ia）正弦波信号分别转换为与之同频同相的方波信号。而A/D转换单元可以识别的信号只限于05V的直流信号，所以从继电保护试验装置采集来的三相电压（Uab、Ubc、Uac）、三相电流（Iab、Ibc、Ia）信号首先要经过交直变换单元转换为与之成线性关系的直流信号，即将交流电量转换为交流电量的有效值。3. 3船舶发电机继电保护单元在船舶发电机继电保护单元中，采用了AH-6B型的万能式自动空气断路器。过载保护装置和外部短路保护装置由万能式自动空气断路器中的过电流脱扣器来担当，同万能式自动空气断路器中的失压脱扣器实现欠压保护的功能。在本单元中装设了逆功率继电器，用来实现对发电机出现逆功率状态的继电保护。继电保护单元主要由船舶发电机继电保护实验柜构成，装置内部的实验动作装置还包括成比例变换电流的电流互感器、成比例变换电压的电压互感器、实现延时动作的时间继电器以及进行过流保护的熔断器等等，这些装置的设置对于继电保护的功能实现都是必不可少的。继电保护单元的内部工作原理如所示3-2所示。 船舶发电机综合保护试验装置在对原有试验装置进行硬件改造的基础上，实现了对实验状态的遥测和遥控。从实现遥测功能的角度而言，需要遥测的状态量包括：三相电压、三相电流、功率、频率、功率因数，以及实验屏上总计10盏实验状态指示灯的亮灭状态；从实现遥控的角度而言，一方面考虑到遥控功能的实现，在所有原有动作继电器电路的两段并联了由上位机进行遥控的可以实现各项实验功能的继电器的常开触点。此外，考虑到遥控状态和机旁状态的互锁，所有原有动作继电器的电路中都串联了实现遥控选择功能的继电器的常闭触点，与之相并联的电路中串联了实现遥控选择功能的继电器的常开触点。3.4上位PC机与键盘显示单元船舶发电机综合保护试验装置的上位机控制部分由PC机和键盘显示单元两部分构成。其中，在PC机上运行由Visual Basic6.0语言编写的可执行程序JDBH.exe文件，通过PC机串行接口与89C51单片机控制系统的通信，实现了对遥控状态，各项实验（包括过载、欠压和逆功率实验）继电器动作值和动作时间进行整定的功能。单片机控制系统将PC机和试验装置联系在一起，一方面它对从试验装置采集来的动态量进行处理，然后通过串行通信将结果送PC机进行显示，实现了PC机对试验装置的远程测量；另一方面它将串行通信得到的上位机发出的实验操作指令进行执行，实现了PC机对试验装置的远程控制。 此外，为了使发电机控制屏和单片机控制系统成为一组相对独立的保护装置，在缺少上位机PC机时也能够保证正常工作，该试验装置在单片机系统中扩展了键盘及液晶显示单元，通过程序处理，实现人际对话，完成该装置要求的所有试验功能。本文在分别在第4章和第5章中，对键盘显示单元的硬件构成和软件设计做了相应的介绍。第4章 系统的硬件设计4. 1主控单元（MCU） 主控单元采用ATMEL公司的AT89C51控制芯片，是一种高性能、低电压、低功耗的8位CMOS微型处理器，它具有40针脚，与51系列单片机的指令、管脚完全兼容。其主要性能如下： 1. 4KB可编程Flash存储器（可擦写1000次） 2.三级程序存储器保密 3.静态工作频率：OHz-24MHz 4. 128字节内部RAM 5. 2个16位定时/计数器 6.一个串行通讯口 7. 6个中断源 8. 32条110引线 9.片内时种振荡器AT89C51芯片管脚功能分配如图4-1所示：AT89C51片内具有的4K字节能够完全满足本试验装置系统的设计需求。在控制软件的支持下，CPU对外围电路进行控制、计算，将检测电路输入的各种测量数据进行处理，同时将计算得到的控制结果输出给控制电路对执行机构进行操作，完成整套控制过程。单片机控制系统的主控单元模块由89C51芯片、时钟电路、译码电路和复位电路四部分组成。主控单元是整个单片机控制系统的核心，实现了在始终脉冲作用下运行固化程序，对单片机地址进行译码分配，以及当程序运行故障自动进行复位等功能。主控单元模块结构如图4-2所示。4.2模数转换模块该模块的功能是将电网中的模拟信号（电压信号、电流信号）经A/D转换单元转换成单片机系统能够进行处理的数字信号。本试验装置主要采集三相电压以及三相电流共计六路模拟量。该模块主要由电量变换单元和A/D转换单元两部分组成。其中选用ADC0809芯片实现A/D转换功能。4. 2. 1电量变换单元 电量变换单元主要由电压变换单元和电流变换单元组成，其变换功能分别由微型交流电压电量隔离传感器和微型交流电流电量隔离传感器实现，这两种隔离传感器可以分别求取三相交流电压和三相交流电流的有效值。电压变换单元和电流变换单元的原理图分别如图4-3和图4-4所示。 为了满足ADC0809电压输入范围在0-5V的要求，因此交流电量隔离传感器的输出量（电流量）在送到ADC0809输入端之前，均需经过电阻转变成0-5V的电压量。4. 2. 2 A/D转换单元4.2.2.1 ADC0809芯片说明2本试验装置的A/D转换单元中，采用了ADC0809芯片。ADC0809包括一个8位的逼近型的ADC部分，并提供一个8通道的模拟多路开关和联合寻址逻辑。用它可直接输入8个单端的模拟信号，分时进行A/D转换，再多点巡回监测、过程控制等领域中使用非常广泛。ADC0809的主要技术指标为： 分辨率：8位 单电源：+5V 总的不可调误差：士1LSB转换时间：取决于时钟频率模拟输入范围：单极性0-5V时钟频率范围：10KHZ-1280KHZ ADC0809芯片的内部结构框图如图4-5所示，引脚如图4-6所示，其引脚功能如下： 1. IN0-IN7为八路模拟电压输入线，用于输入被转换的模拟电压。2.地址输入和控制共计4条，其中ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，ADDA， ADDB和ADDC三条地址线上地址信号得以锁存，经译码后控制八路模拟开关工作。ADDA， ADDB和ADDC为地 址输入线，用于选择INO -IN 1上哪一路模拟电压送给比较器进行AID转换。ADDA，ADDB和ADDC对IN0 -IN 1的选择，即地址信号与选中通道的关系，如表4-1所示。 3.数字量输出及控制线11条，其中START为“启动脉冲”输入线，该线上正脉冲由CPU送来，宽度应大于100ns，上升沿清零SAR，下降沿启动AOC工作。EOC为转换结束输出线，该线上高电平表示A/D转换己结束，数字量己锁入“伞态输出锁存器”。2-12-8为数字量输出线，2-1为最高位。OE为“输出允许”线，高电平时能使2-12-8引脚上输出转换后的数字量。4.电源线及其他线5条，其中CLOCK为时钟输入线，用于为ADC0809提供逐次比较所需640KHz时钟脉冲序列。Vcc为+5V电源输入线，GND为地线。V REF（+）和Vcc相连，V REF（-）常接地。4.2.2.2模数转换单元电路设计 模数转换模块电路原理图如图4-7所示。图中外部输入模拟电压量通过电容滤波后送到ADC0809的IN端，ALE和START互连可以使ADC0809在接收模拟量路数地址时启动工作，START启动信号由89C51的WR和译码器输出端经或非门产生，一般情况时，START因译码器输出端为高电平而封锁，当89C51执行如下程序： MOV R0，#5FFFH MOV A，#07H ；选择IN7模拟电压地址送累加器A MOV S DPTR，A ；START上产生正脉冲后，START上正脉冲启动ADC0809工作，ALE上正脉冲使ADDA， ADDB和ADDC上的地址得到锁存，以选中IN7路模拟电压送比较器。显然，89C51此时是把ADDA， ADDB和ADDC上地址作为数据来处理的。EOC线经过反相器和89C51的INTO线相连，这说明89C51是采用中断方式和ADC0809传送AID转换后的数字量。此外，ADC0809所需的CLOCK信号是由89C51的ALE信号提供。89C51的ALE信号通常是每个机器周期出现两次，所以它的频率是单片机始终频率的1/6。若89C51的主频是6MHz，则ALE信号频率就为1MHz，我们采用的89C51的主频是11.0592MHz，故ALE信号频率为1.8432MHZ，若使ALE上信号经触发器四分频到ADC0809的CLOCK输入端，就可以获得小于500KHz的AID转换脉冲。当然，ALE上脉冲会在MOVX指令的每个周期内少出现一次，但在通常情况下影响不大。4.3频率测量模块该模块的主要功能就是检测三相电量的频率、相位差及功率因数角。该模块主要由波形变换单元、周期测量单元和相位差测量单元三部分组成。其结构框图如图4-8所示。波形变换单元的功能是将单项电压的输出波形变换为与之同频的方波波形；将单相电流输出波形更换为与之同频返相的方形波形。 周期测量单元和相位测量单元的主要功能是通过8253芯片的计数器来实现的。Intel8253是一片具有三个独立的16位计数器通道的可编程定时器、计数器芯片。我们知道，周期和频率互为倒数关系，所以只要得到二者之中的一个值，就可知道另外一个的值，因此在实验中，我们采用了测量周期的方法，从而间接得到我们所需要的频率值。对于功率因数的测量，我们也可以先通过测量功率因素角必的值，在根据功率因数等于cos必得到。图4-9为频率测量电路原理图，该原理图用到了8253计数器0和计数器1，两个计数器的时钟脉冲CLK1均采用1.8432MHz。4.4串行通信模块4.4.1串行通信简介4.4.1.1串行通信概念及方式20串行通信是指数据字节的各位一位一位的依次传送的通信方式。串行通信的速度很慢，但是占用的传输线条数少，适用于远距离的数据传送。串行通信有单工、半双工和全双工之分。其中单工通信只允许一个方向传输数据。A机只能作为数据发送器，B机只能作为数据接收器，数据只能从A端发送到B端，不能进行相反方向的传输；半双工通信允许两个方向传送数据，但不能同时传输。A发B收或B发A收，交替进行；全双工通信允许两个方向同时进行数据传输，A收B发的同时可以进行A发B收。4.4.1.2串行口的结构 89C51串行口的结构由串行口控制寄存器SCON、发送和接收电路等三部分组成。 89C51对串行口的控制是通过SCON实现的，也和电源控制寄存器PCON有关。SCON和PCON都是特殊功能寄存器，选口地址分别为98H和87H，如图4-10所示。 串行口的发送电路由“SBUF（发送）”、“零监测器”和“发送控制器”等电路组成，用于串行口的发送；接收电路由“SBUF（接收）”、“接收移位寄存器”和“接收控制器”等组成，用于串行口的接收。SBUF（发送）”和“SBUF（接收）”皆为8位缓冲寄存器：SBUF（发送）”存放将要发送的数据； SBUF（接收）”存放串行口收到的字符。值的特别指出的是，SBUF（发送）”和“SBUF（接收）”共用一个选口地址99H，CPU通过执行不同的指令对它们加以存取。4.4.1.3串行口工作方式的选择89C51的串行口有方式0、方式1、方式2和方式3等四种工作方式，在本系统中，串行口控制寄存器SCON的SMo和SM，为01，表示选用的串行口工作方式是方式1。在方式1下，串行口设定为10位异步通信方式。字符帧中除8位数据位外，还可有一位起始位和一位停止位。 发送操作在TI=0时，执行MOV SBUF，A指令口开始，然后发送电路就自动在8位发送字符前后分别添加1位起始位和停止位，并在移位脉冲作用下在TxD线上依次发送一帧信息，发送完后自动维持TxD为高电平。TI也由硬件在发送停止位时置位，并由软件将它复位。 接收操作在RI=0和REN=1条件下进行，平时，接收电路对高电平的RxD采样，采样脉冲频率是接收时钟的16倍。当接收电路连续8次采样到RxD为低电平时，相应检测器便可确认RxD线上有起始位。此后，接收电路就改为对第7，8，9三个脉冲采样到的值进行位检测，并以三中取二原则来确定所采样数据的值。接受到第9数据位（即停止位）时，接收电路必须同时满足以下两个条件：RI=0和SMZ=0或接受到的停止位为“1，才能把接收到的8位字符存入“SBUF（接收）”中，把停止位送入RB8中，并使RI=1和发出串行口中断请求（若中断开放）。4.4.2串行通信波特率的设置 串行口的通信波特率恰到好处的反映了串行传输数据的速率。通信波特率的选用，不仅和所选通信设备、传输距离和MODEM型号有关，还与传输线状况有着密切的关系。在方式1下，发送时钟、接收时钟和通信波特率皆由定时器溢出率脉冲经过32分频获得，并由SMOD=1倍频。因此方式1时波特率是可变的。相应公式为：定时器TI的溢出率的计算公式为：将公式代入公式中，就可以得到方式1下波特率的计算公式为：其中K为定时器T1的位数，方式1时K值取16。 本系统中设定的串行口数据传输波特率为9600波特，将9600代入公式中，便可求得定时器T1的初值应设定为0FFFDH。4.4.3通讯模块原理及接口电路 在计算机测控系统中，数据通讯主要采用异步串行通讯方式。在设计通讯接口时，必须根据需要选择标准接口，并考虑传输介质、电平转换和通讯控制芯片等问题，以保证通讯的可靠性、通讯速度、通讯距离和抗干扰能力。 本试验装置是近距离（小于15米）的串行通讯，因此选择了计算机和单片机之间通过RS-232接口直接相连。由于单片机串行口的输入输出都是TTL电平，而上位计算机上的RS-232接口为了提高抗干扰性能，采用的是RS-232标准中EIA电平，EIA-RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态（逻辑“1” ：-3-15V；逻辑“0” ；+3+15V），与单片机中TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同，因此，为了能够实现上位计算机与单片机之间的串行通讯，必须在EIA-RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。 我们选用了MAXIM公司的MAX232芯片来完成这两种电平之间的转换工作。采用了RS-232接口中的RD（接收数据线）、TD（发送数据线）、GND（信号地）三条引脚来完成计算机与单片机的双工通讯任务。 图4-11为计算机与单片机串行通讯的硬件接口电路。由于PC机的串行口多采用了简化的9针插座，本系统也采用了9针插座。图中89C51的TXD和RXD 分别与MAX232芯片的T 1 IN和R1 OUT相连接，MAX232芯片的Rl IN和T1 OUT则通过串行口数据线与PC机串口的TXD和RXD相连。值得注意的是：图中的C3，C4，C5，C6四个电解电容，在这里起到的是抗干扰作用，在设计电路板的过程中，应使他们尽量靠近MAX232芯片。4.5 键盘与显示单元 本试验装置中，设计了键盘与显示单元，设计该部分的目的就是为了在缺少上位PC机的情况下，可以应用键盘显示单元来完成上位PC机所能实现的实验任务。由于CPU管脚的数量有限，因此对键盘和显示电路的设计，我们采用了8155可编程的键盘显示专用I/O接口扩展芯片。显示部分采用了YXD-CF12864J04液晶模块。其中，键盘矩阵采用4行4列非编码方式，采用软件查询方法来设计，低电平有效。为了消除按键抖动对系统的干扰，在键盘软件设计中，我们采用了20ms的延时程序。键盘上共有15个按键，分别执行其对应的功能。如“试灯”按键，在其被按下时，通过消抖、按键识别后，89C51通过串行通信向下位单片机控制系统发出试灯指令，下位机再根据指令要求，出发试灯对应的继电器，完成试灯功能。此外，键盘上的“上”、“下”按键出来完成液晶显示的翻屏功能外，在“参数修改”时，可以对参数值进行增减。8155芯片与89C51的接口电路如图4-12所示，键盘电路如图4-13所示。显示的内容主要包括电网的三相电压、三相电流、频率、有功功率、功率因数等。此外，在有按键按下的情况下，将会对该按键所对应的显示内容进行显示；按键功能结束后，将继续对三相电压、三相电流、频率、有功功率、功率因数进行显示。液晶模块与89C51的接口电路如图4-14所示。第5章 系统的软件设计5. 1概述 在进行软件设计时，软件的结构采用了模块化的设计思路，将本控制器所要完成的功能分别进行编写和调试，等到所有的模块都调试成功后，再将各个模块连接成整体，组成单片机软件系统。这样的设计思路，有利于程序代码的编写和优化，同时也便于设计、调试和日后的维护等。 整个控制系统的软件设计包括上位PC机软件和单片机系统软件两个部分。其中，上位PC机的软件主要是系统给定值的设定、数据的显示、异常报警、与单片机进行通信的各个程序；单片机系统的软件是由主程序、采样（A/D转换）子程序、报警处理子程序、RS-232串行口通信子程序等组成。我们主要介绍单片机子系统的各个程序的编制。5.2上位PC机监控软件设计本试验装置的上位PC机监控软件采用Visual Basic6.0进行软件编制，界面美观、功能强大、操作简单。PC机通过串行接口和89C51单片机通信系统通信，完成发送命令和接收数据工作。该监控软件不仅可以实现机旁操作状态的遥测功能，还可以通过选择试验状态，再通过对试验装置调压器进行调节，实现原有试验装置的所有功能。监控软件主要由三部分组成，分别为：通信设置（包括通信端口选择和串行通信测试）、试验状态选择（包括机旁试验状态和遥控试验状态）、退出试验状态。上位PC机监控软件的结构框图如图5-1所示。 上位PC机监控软件主要实现以下功能：一、串行通信： 主要是进行上位机和下位机的通信模式配置，实现上位机与下位机之间的串行通信。我们在设计上位机的通信软件时，利用Visual Basic6.0编程工具实现。VB支持面向对象的程序设计，具有结构化的事件驱动编程模式，而且可以十分简便地做出良好的人机交互界面。 上位机监控软件中所有的通信和接收信息都是在主窗体的MSCOMM控件中完成的。在Windows环境下，我们利用VB中提供的通信控件MSCOMM32. OCX，可以方便地对串行通信的各项参数进行设置，包括串口状态、通信格式和通信协议等。 在JDBH. exe软件中，在窗体加载程序中实现了对串口的初始化：包括选择和打开串口，设置串口的波特