（电力系统及其自动化专业论文）微机型自动准同期并列教学实验装置研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文微机型自动准同期并列教学实验装置 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 坐型乒 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，e p ：0 学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 导师签名： 日期：盥 ，1】 氰 期 签者 ， 佑 日 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 电力行业依托科研，不断提高自动化水平，对从业人员素质要求更加严格。高 校为培养高素质电气工程专业人才，就必须加强实验室建设，研制出一些反映当前 行业特点的实验装置。当前的微机型准同期实验装置暴露出一些问题，学生很难对 装置硬件和软件进行设计修改，不利于教学。本文设计实验装置以a t 8 9 c 5 2 单片机 为控制核心，包括硬件设计和软件设计。该实验装置采取模块化的设计思想，对现 有实验装置进行改进，解决了现有实验装置不利于教学的问题。实验装置简单灵活， 可有效应用于教学实践。 关键词：单片机，准同期，模块化，实验，装置 a b s t r a c t t h ee l e c t r i c p o w e rp r o f e s s i o nd e p e n d s o nt h es c i e n t i f i cr e s e a r c h ，r a i s e st h e a u t o m a t e dl e v e lu n c e a s i n g l y , i ss t r i c t e rt ot h ej o b h o l d e r sq u a l i t yr e q u e s t t h eu n i v e r s i t ) ，t o t r a i nt h eh i g hq u a l i t ye l e c t r i c a le n g i n e e r i n gp r o f e s s i o n a l ，m u s ts t r e n g t h e nt h el a b o r a t o r y c o n s t r u c t i o n ，d e v e l o p s s o m e e x p e r i m e n t d e v i c ew h i c hr e f l e c t sc u r r e n t p r o f e s s i o n c h a r a c t e r i s t i c b u tt h ec u r r e n tm i c r o c o m p u t e ra u t o m a t i cq u a s i s y n c h r o n i z a t i o nc o m p o u n d e x p e r i m e n td e v i c ee x p o s e ss o m eq u e s t i o n s ，s t u d e n t sa lev e r yd i f f i c u l tt or e v i s eo rd e s i g n t ot h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r eo ft h ee x p e r i m e n td e v i c e ，d o e sn o tf a v o rt ot h e t e a c h i n g t h i sa r t i c l ed e s i g n e de x p e r i m e n td e v i c et a k ea t 8 9 c 5 2m i c r o l c o n t r o l l e ra st h e c o n t r o l c o r e ，i n c l u d i n gh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n t h i se x p e r i m e n td e v i c e a d o p tm o d u l a rd e s i g ni d e a ，t oi m p r o v ee x i s t i n ge x p e r i m e n td e v i c e ，s o l v et h ep r o b l e mo f e x i s t i n ge x p e r i m e n td e v i c ei su n f a v o r a b l ef o rt e a c h i n g e x p e r i m e n td e v i c ei sf l e x i b l ea n d s i m p l e ，c 觚e f f e c t i v e l ya p p l i e di nt e a c h i n gp r a c t i c e w a n ga i m i n ( e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f t i a nj i a n s h e k e yw o r d s ：m i e r o l c o n t r o l l e r ，q u a s i s y n c h r o n i z a t i o n ，m o d u l a r , e x p e r i m e n t ， d e v i c e 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言l 1 1 课题的研究目的和意义1 1 2 本课题相关的国内外研究现状2 1 2 1 准同期并列操作概述2 1 2 2 微机型准同期工控装置与教学实验装置的研究现状3 1 3 论文的主要工作内容4 第二章微机型自动准同期教学实验装置总体设计方案5 2 1 实验装置设计依据5 2 2 实验装置的结构组成与功能实现5 2 3 实验装置设计步骤7 2 3 1p r o t e u s 与k e i l c 5 l 前期仿真评估7 2 3 2 硬件电路开发和仿真调试8 第三章实验装置硬件设计9 3 1 单片机基本系统的设计9 3 1 1a t 8 9 c 5 2 单片机内部结构及i o 接口o , o0 0 0 9 3 1 1 1a t 8 9 c 5 2 单片机内部结构9 3 1 1 2a t 8 9 c 5 2 单片机i o 接口l o 3 1 2 单片机复位电路的设计1 0 3 1 3 单片机时钟振荡源电路的设计1 1 3 2 微机型准同期教学实验装置输入通道的设计1 l 3 2 1 电压测量模块l l 3 2 2 频率相位差测量模块1 4 3 3 微机型准同期教学实验装置输出通道的设计1 6 3 4 人机接口的设计17 3 4 1 定值输入模块1 7 华北电力大学硕士学位论文目录 3 4 2 显示模块18 第四章实验装置软件设计2l 4 1 主程序算法流程2l 4 2 电参量测量部分2 2 4 2 1 频率测量模块2 2 4 2 2 电压测量模块2 6 4 2 3 相位差测量模块2 7 4 3 人机接口3 0 4 3 1 定值输入模块3 0 4 3 2 显示模块“3l 4 4 频率电压自动调节部分3 2 4 4 1 均频模块”32 4 4 2 均压模块33 4 5 合闸时机捕捉35 第五章实验装置的仿真调试37 5 1 软硬件脱机调试3 7 5 2 微机型准同期教学实验装置软硬件联机仿真调试3 7 5 2 1 电参量测量功能调试3 8 5 2 2 键盘功能调试4l 5 2 3 调压调频功能调试4 l 5 2 4 合闸时机捕捉功能调试4 2 第六章总结4 4 参考文献_ 4 5 蜀c谢一4 6 附录4 7 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 6 i i 华北电力大学硕士学位论文 1 课题的研究目的和意义 第一章引言 随着经济和高科技产业的发展，社会对供电可靠性和电能质量有了更高要求。 如今的电力行业依托科研，不断提高自动化水平，对从业人员素质能力要求更加严 格。高校为培养高素质电气工程专业人才，就必须加强实验室建设，研制出一些反 映当前行业特点的实验装置。 当前，国内已研制了一些微机型准同期实验装置，并广泛用于教学实验，但随 着教学深入，这些装置暴露出一些问题。 这些实验装置并没有改变工控装置的那些不利于教学的因素。工控装置相当于 一个黑箱，内部的软硬件设计更多考虑了装置的实时性和准确性，不是按照模块化 的思路设计的。而当前的微机型准同期教学实验装置并没有尝试对这些缺陷进行改 进，仍然延续了这些不利于教学的因素。在做实验时，这些实验装置与工控装置一 样，相当于一个黑箱，实验装置内部情况无法获知，实验数据只是初始状态和最终 结果，这些装置只能验证课本理论。在开展实验之后，学生只是觉得验证了课本理 论的正确性，并没有对实验装置有太多深入的了解。而且学生很难对装置硬件和软 件进行修改，即不能达到研究型实验的标准，只能达到验证型实验的标准，不利于 教学。 本文介绍了一种基于a t 8 9 c 5 2 单片机的微机型准同期实验装置的设计，建立了 以k e i l 软件、实验装置开发板、仿真器、计算机组成的仿真实验系统。 该实验装置采取模块化的设计思想，对现有实验装置进行改进，解决了现有实 验装置不利于教学的问题。按照模块化思想进行改进的实验装置，具有开放型和研 究型的特点，易于教学。硬件电路设计体现了模块化设计思想，包括如下模块：电 压测量模块、频率相位差测量模块、定值输入模块、输出显示模块等。模块化的电 路设计，易于理解，便于修改。软件程序分为几个模块，包括电压测量模块、频率 测量模块和均频均压模块等。这样做的好处在于：若电路和程序能实现模块化，学 生对原有电路和程序做一些改动就比较方便了，模块化的设计思路利于学生发挥创 新能力。 总之，该实验装置对现有微机型准同期实验装置做了两方面的改进： 第一：现有微机型准同期实验装置相当于一个黑箱；而该实验装置克服了这一 缺点，通过建立以k e i l 软件、实验装置开发板、仿真器、计算机组成的仿真实验系 华北电力大学硕士学位论文 统，实现了实验装置内部透明化，实验装置内部情况都是可以获知的。 第二：现有的微机型准同期实验装置不是按照模块化的思路设计的，由于软硬 件没有实现模块化，学生对原有电路和程序做一些改动就比较困难；而该实验装置 实现了软硬件设计的模块化，具有研究型实验的特点，软硬件易于修改，易于教学。 1 2 与本课题相关的国内外研究现状 1 2 1 准同期并列操作概述 发电机的并网操作是电力系统的一项最基本的操作，其简单的工作原理就是把 发电机的电压频率调到与电网的电压频率相等，在相角差满足要求时将发电机并入 电网。随着负荷的波动，电力系统中运行的发电机台数也要经常变动。当机组发生 事故时，也要将备用机组投入电网。在电力系统中，并列操作是很频繁的。电力系 统容量在不断加大，大型机组不恰当的并列操作将导致严重后果。 在发电机并列时，经常会产生较大冲击电流和冲击功率所谓冲击电流是指并 列断路器合闸时，通过断路器主触头的电流。一般情况下冲击电流幅值较高且持续 时间较短。这些冲击电流和冲击功率，将引起系统电压快速下降。因此，不是每一 次并列操作都是成功的，当并列时冲击电流超过容许值时，或当发电机不能被拉入 同步时，就会对机组造成很大损害。当机组容量远大于系统容量时，还会对系统产 生一定的扰动，造成系统振荡。在并列操作不恰当时，产生过大的冲击电流，还可 能引发电机大轴机械损伤，或者引发电机绕组电气损伤。 同步发电机并网是电力系统的一项基本操作，在事故出现导致功率缺额时，也 要求将备用机组迅速投入系统。因此，同步电机的并列操作在电力系统中是频繁而 重要的。为了实现发电机准确并网而保证电力系统的安全运行，电机的同期并列应 具备以下要求：发电机投入瞬间产生的冲击电流尽可能小，最大值不可以超过设定 的门限值；发电机组在并入电网后，应非常快的进入同步运行状态【1 6 ，。 并列操作可分为两种，它们分别是准同期并列和自同期并列。先使待并发电机 组的电压与系统电压相等，再使得待并发电机组的频率与系统的频率相等。然后再 检测发电机组与系统之间的相位差，如果相位差再符合并列条件，则发出合闸命令， 合上发电机组与系统之间的并列断路器。这种并列操作称为准同期并列。在采取准 同期并列方法进行并列操作时，可产生较小的冲击电流，对电力系统的损害程度较 小，因而在当前得到了广泛的应用n 们。 在电力系统中，任一母线电压瞬时值可表示为8 】： 2 华北电力大学硕士学位论文 u = s i n ( c o x + 力 ( 1 - 1 ) 中为电压幅值，彩为电压角频率，缈为初相角。 此，同步发电机并网前断路器两侧的发电机和系统电压可表示为： 砺- - u o u s i n ( c o o t + c a ) ( 1 2 ) u x = 酗硝妇( 删+ 班) ( 1 - 3 ) 使一台发电机以准同期的方式并入电网，最合适的时机就是当并列断路器的 闭合时：同步发电机的电压与系统侧的电压幅值相等，= ；待并发电 机的频率与系统的频率相等，缴= 2 咖= 伽= 2 咖j 乒= 知；并列断路器主触头闭 合瞬间，待并发电机电压与系统电压间的相角差为零。 若符合上述条件，当并列断路器主触头闭合的瞬闻，产生的冲击电流为零，待 并发电机不会受到任何冲击，并列后发电机立即进入了同步运行状态。事实上，上 述的条件永远也不可能得到满足，但是这也是没有必要的。只要并列时的冲击电流 较小，不会危及设备安全，发电机并入系统拉入同步的过程中，对机组和系统的影 响较小，就可以进行并列操作。 1 2 2 微机型准同期工控装置与教学实验装置的研究现状 首先，从工控装置的角度来看。国内外关于准同期装置的研究取得了一定的成 果，不论理论还是实践上，都有一定的成就。国内外常规的准同期装置由集成电路 或单片机构成。准同期装置分为两种，一种是半自动准同期装置，另一种是全自动 准同期装置。集成电路构成的微机型准同期装置，在应用中通常采取半自动方式。 单片机构成的准同期装置，在应用中通常采取全自动方式。 在微机型准同期装置广泛应用之前，模拟式的准同期装置在电力行业占主导地 位。模拟式的自动准同期装置以许继的z z q - 3 和z z q - 5 为代表，模拟式的同期装 置合闸速度慢，准确性差，不能进行状态自检，因而具有很多缺点。模拟式装置多 由模拟电路和少量集成芯片组成，模拟式的同期装置由于受到电路的限制，在进行 并网操作时，不可能快速准确的实现并网操作。当同期操作过慢时，会增加发电厂 的成本，浪费大量资源。 微机型准同期装置与模拟式准同期装置相比，有更大的优越性。 微机型自动准同期装置以深圳市智能设备开发公司的s i d - 2 多功能微机自动准 同期装置为代表。微机型准同期装置脉络清晰，比模拟式准同期装置更容易实现。 3 华北电力大学硕士学位论文 由于单片机具有高速运算和逻辑判断功能，故能实现发电机快速准确的并入电网。 并列断路器两侧的相角差可以用一定时间的脉冲来表示，脉冲宽度随时间变化而变 化。这说明了在滑差存在的条件下，相位差存在变大或变小的趋势。所以可以利用 单片机的定时器对脉宽进行计数的方法测量相位差。而且单片机可方便的检测电压 差频率差，并判断其是否符合条件。 其次，从教学实验装置的角度来看。当前，国内外关于微机型自动准同期并列 教学实验装置的研究也取得了一定的成就，大量的微机型自动准同期并列教学实验 装置广泛应用于实验室。但是这些实验装置继承了工控装置哪些不利于教学的因 素，这些实验装置仍相当于一个黑箱，软硬件设计没能实现模块化，因此不利于教 学 1 3 论文的主要工作内容 本文主要工作就是研制出一台微机型自动准同期并列教学实验装置，该教学实 验装置应实现自动准同期并列的基本功能，使其达到基本教学要求。由于当前的教 学实验装置只达到验证型实验的标准，不利于教学。所以在此基础上，还应研究如 何使实验装置达到研究型实验的要求，使其更有利于教学这些要求包括：实验装 置内部环节的透明化，实验装置软硬件模块化，硬件电路易于修改，软件程序易于 查询和修改。 本文的主要工作包括三方面的内容。 第一个方面的工作：按照模块化设计，完成了微机型自动准同期并列教学实验 装置硬件部分设计；硬件部分设计包括输入通道、单片机系统、输出通道、人机接 口等；硬件设计细分为如下模块：电压测量模块、频率相位差测量模块、定值输入 模块、输出显示模块等。 第二个方面的工作：按照模块化设计，完成了微机型自动准同期并列教学实验 装置软件部分程序设计；软件部分设计包括主程序算法、电参量测量部分、人机接 口、频率电压自动调节部分、合闸时机捕捉等部分。软件部分设计细分为频率测量 模块、电压测量模块、显示模块、定值模块、均频模块、合闸时机捕捉模块等。 第三个方面的工作：完成了微机型自动准同期并列教学实验装置的仿真调试， 包括软硬件脱机调试和软硬件联机仿真调试。通过软硬件联机仿真调试实验，对教 学实验装置的电参量测量功能、键盘功能、调压调频功能、合闸时机捕捉功能进行 调试，验证了本文设计的微机型自动准同期并列教学实验装置的良好性能。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章微机型准同器教学实验装置的总体方案 2 1 实验装置设计依据 本文所设计的微机型准同器教学实验装置主要设计依据：当前实验室的微 机型准同器教学实验装置相当于一个黑箱，而且软硬件设计没有采取模块化思想。 因此这些实验装置不利于教学，必须对这些缺陷进行改进，设计出一种利于教学的 微机型准同器实验装置。 本文设计的微机型准同器教学实验装置区别于工控装置和现有的微机型准 同期实验装置。 为了达到便于教学的目的，微机型准同器教学实验装置的软硬件均采用模块 化的设计思路，建立了以k e i l 软件、实验装置开发板、仿真器计算机组成的仿 真实验系统，使实验装置内部透明化，学生便于设计修改实验装置的软硬件，学 生便于观察实验装置内部每一环节的实验结果。 本文设计的同期实验装置在仿真实验时，也要尽量达到实际工控装置的性能 和要求，实现一个工控装置基本控制功能。 要求并列断路器合闸前，电压差不超过系统电压的q 2 0 ，频率差不超过 士0 1 5 h z ，相角差不超过1 0 度，恒定越前时间在l o o m s 左右。在准同期并列实验 中，学生可通过小键盘，输入实验中需要的各种偏差阈值和定值。通过数码管和 显示按键的切换，观察各种重要参数的变化情况。 要求在发电机与系统侧的电压差频率差合格时，捕捉合闸的时机，提前一个 恒定越前时间将发电机并入电网。在检测到并列条件不满足时，还需通过发出调 节脉冲，以调节发电机调速装置或励磁装置，改变发电机电压和频率。依靠单片 机实现的微机型准同期实验装置能够快速准确的实现电压频率调节和并网操作。 2 2 实验装置的结构组成与功能实现 本文设计的微机型自动准同期实验装置也是一种计算机自动控制系统，该应用 系统分为三部分，应用系统的总体框图如图2 1 。 第一部分为输入通道，主要功能是采集和电网电压的幅值、频率和相角差，并 将这些数据存入单片机的r a m 区。第二部分为单片机控制系统，主要功能是根据 输入通道测量的数据，进行判断处理与控制，在不符合并列条件时进行调节，或直 5 华北电力大学硕士学位论文 接发出合闸命令。第三部分为输出通道，包括一些开关量输出电路和人机接口等。 该应用系统由硬件和软件两部分组成。 硬件部分包括电参量的测量电路的设计、单片机基本系统的设计、开关量输出 电路的设计以及人机接口的设计。 互感器二次侧的电网和发电机电压信号是交流量，经过整流、滤波、稳压之后， 得到反映交流量有效值的直流信号。整流电路采用四个二极管反向并联的全桥整流 电路，在整流电路输出端并联一个容量较大的电解电容。两路直流信号加到a d 转 换芯片的两路输入通道，每个通道对应一个片外r a m 地址。利用这个地址启动a d 转换，通过查询a d 芯片e o c 引脚，确定转换是否完成。 互感器二次侧的电网和发电机电压信号是交流信号，经过整形电路后会变成同 频率的方波信号。整形电路可通过电压比较器l m 3 2 4 实现。这样的方波信号不能直 接加到单片机i n t 0 和i n t l 端，单片机不能识别。方波信号经过电平转换芯片7 4 1 4 之后，得到两路能被单片机识别的t t l 电平方波信号。 显示部分包括4 个l e d 数码管、4 片c d 4 5 1 1 硬件译码芯片、两片7 4 l s 3 7 4 输 出接口芯片。显示部分采用静态扫描的方法，4 个l e d 数码管可同时显示四位b c d 码，对应着当前的运行状态和参数，如电压、频率、相角差等。每片7 4 l s 3 7 4 对应 着一个片外r a m 地址，r a m 区存储的参数经过数制转换程序，转换为易于显示的 b c d 码，然后通过扩展i o 口输出显示。 定值输入部分包括2 片扩展输出接口芯片7 4 l s 2 4 4 、1 6 个按键组成的小键盘。 小键盘通过扩展输出接口芯片将各种参数和设定值写入单片机。由于小键盘输入的 是b c d 码，所以这些码值还需经过数制转换程序，转换为易于运算处理的十六进 制数。 其它的硬件电路还包括8 0 5 1 单片机最小系统，a d 接口电路和开关量输出电路 等。开关量输出电路包括光敏三极管、发光二极管、7 4 0 7 反相驱动器、继电器线圈 等，主要功能为对单片机弱电信号隔离放大，通过继电器线圈闭合控制发电机的励 磁装置和调速装置。 软件部分的设计主要包括主程序、电参量测量部分、人机接口、频差压差自动 调节部分和合闸时机捕捉部分。 当给系统通电后，主程序最开始进行初始化，对一些堆栈指针进行设置，给一 些特殊功能寄存器置初值。然后对输入的发电机和系统电压信号进行检测，判断其 是否满足合闸条件。将信号发生器模拟的两路电压信号加到输入通道以后，系统的 前向通道通过电参量测量的程序采集各种电气量信号，包括发电机和系统电压信号 的电压和频率等，并将这些数据传送给a t 8 9 c 5 2 单片机。然后单片机对这些数据进 6 华北电力大学硕士学位论文 行运算处理与比较，判断并列条件的满足情况。当频差压差满足条件时，借助合闸 时机捕捉程序，捕捉合闸时机，发出合闸命令。当频差压差不满足条件时，程序转 入频差压差自动调节部分，根据频差压差的大小和方向，发出相应的调节脉冲。 j l 图2 - 1 实验装置的应用系统总体框图 2 3 实验装置设计步骤 2 3 1 p r o t e u s 与k e i l c 51 前期仿真评估 p r o t e u s e 软件是一款极好的单片机应用系统开发平台，它以其特有的虚拟仿 真技术，解决了单片机及其外围电路的设计和协同仿真问题。它可以在没有单片 机实际硬件的条件下，利用p c 机以虚拟仿真的形式，实现软硬件的同步仿真调试， 使单片机应用系统的设计变得简单容易。 。 k e i l 软件是目前最流行开发m c s 5 1 系列单片机的软件，k e i l 提供了包括编 译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发 方案，通过一个集成开发环境将这些部分组合在一起。k e i l 集成开发环境内嵌了 多种符合当前工业标准的开发工具，可以完成从工程的建立和管理、编译和连接、 目标代码的生成、软件仿真和硬件仿真等完整的开发流程。 虚拟仿真是近年来兴起的一种新型应用技术，采用虚拟仿真技术，在原理图 设计阶段就可以对单片机应用设计进行评估，验证所设计电路是否达到所要求的 技术指标，还可以通过改变元器件参数使整个电路性能达到最优化。 采用p c 进行虚拟仿真要比采用单片机实验箱更为有效，因为用户可随时根 据需要对电路原理图进行修改，并立即获得仿真结果。由于在p c 上修改原理图要 比在试验箱上修改硬件电路容易的多，而且还可以根据设计要求选择不同的元器 件，或修改元器件参数以获得不同的结果。 7 华北电力大学硕士学位论文 在成功进行虚拟仿真并获得期望结果的条件下，再制作实际硬件进行在线调 试，可以获得事半功倍的效果嗍。 2 3 2 硬件电路开发和仿真调试 该实验装置的硬件电路可以根据功能及系统的安装时的机械结构要求，做成 该实验装置硬件电路的目标开发板。通过软硬件联机调试的方式，建立由k e i l 软 件、微型计算机、实验装置目标开发板、仿真器组成的实验环境，进行微机型准 同期并列仿真教学实验。通过电参量测量功能调试、键盘功能调试、调压调频功 能调试、合闸时机捕捉功能调试等，检验该微机型准同期教学实验装置的准确性 和可靠性0 5 1 。 8 华北电力大学硕士学位论文 第三章实验装置硬件设计 实验装置硬件部分包括由微处理器构成的主机、输入输出过程通道、以及人机 接1 ：3 电路和人机联系设备等。硬件电路设计体现了模块化设计思想，包括如下模块： 电压测量模块、频率相位差测量模块、定值输入模块、输出显示模块等i s 。 3 1 单片机基本系统的设计 单片机技术是计算机科学与技术的一个分支。单片机的得名在于它是一块集成 电路芯片，这块芯片把微机的三大组成部分和一些实时控制的功能部件集成到了一 起。微机的三大组成部分包括微处理器c p u 、存储器、i o 接口。单片机的型号不 同，实时控制器件的配置情况就不同，所以衡量单片机性能优劣的重要指标就在于 实时控制器件1 2 1 。 单片机在当今社会得到了广泛应用，特别是在工业控制领域。因为单片机主要 用于工业控制，所以单片机又称微控制器。从某种意义上来说，一块单片机就是一 个小型微机，只要加上一定的输入输出设备，就可以组成一个完整的工业控制系统 ，】。 3 1 1a t 8 9 c 5 2 单片机内部结构及i o 接口 a t 8 9 c 5 2 单片机是m c s 5 1 系列中的一个典型版本。a t 8 9 c 5 2 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。 3 1 1 1a t 8 9 c 5 2 单片机内部结构 a t 8 9 c 5 2 单片机的片内数据存储器包括两部分，一部分为随机存储器r a m ， 另一部分为特殊功能寄存器s f r 区。r a m 区又分为工作寄存器区、位寻址区、数 据缓冲区三个区域。工作寄存器区从0 0 h 单元开始，到1 f h 单元结束。工作寄存器 又称工作寄存器区，供用户编程时使用，临时寄存8 位信息。工作寄存器分为四组， 每组8 个单元，以r 0 r 7 表示。编程时一次只能用一组中的寄存器，具体要用哪组， 由p s w 中的r s i 和r s 0 两位进行选择。位寻址区从2 0 h 单元开始，到2 f h 单元结 束。该区的每一位被赋予了一个位地址，通常把程序中用到的状态标志、位控制变 量等放入位寻址区。从3 0 h 7 f h 是数据缓冲区，即用户r a m 区，共8 0 个单元。 特殊功能寄存器又称专用寄存器，专用于控制管理片内的算数逻辑部件、并行i o 9 华北电力大学硕士学位论文 接口、串行f o 接口、定时器计数器、中断系统等功能模块的工作，用户在编程时 可以置数设定，但是不能作为它用0 9 1 。 定时器计数器是a t 8 9 c 5 2 单片机重要的功能模块之一常用定时器作定时时 钟，实现定时检测和定时控制。计数器常用于对外部事件进行计数，可测量脉冲信 号的周期和频率。a t 8 9 c 5 2 单片机有两个1 6 位可编程的定时器计数器：定时器 计数器t o 和定时器计数器t 1 。t o 映射到特殊功能寄存器中的t h 0 和t l 0 这两个 寄存器，而t l 映射到特殊功能寄存器中的t h l 和t l l 这两个寄存器t o 和t l 都 有两种工作模式，定时器模式和计数器模式。定时器计数器t o 和定时器计数器 t l 在s f r 中有两个控制寄存器：定时器计数器方式控制寄存器t m o d 和定时器 计数器控制寄存器t c o n 。通过对t m o d 和t c o n 的设置，可以选择t o 和t 1 的 工作模式和工作方式，控制t o 和t l 的启动运行i 侈】。 3 1 1 2a t 8 9 c 5 2 单片机i o 接口 a t 8 9 c 5 2 单片机有四个g 位并行f o 接口，分别成为p 0 口、p l 口、p 2 和p 3 口这四个接口可并行输入输出8 位数据，也可按位使用，每一根输入输出口线都 能独立的用作输入输出a t 8 9 c 5 2 单片机的p l 口只有一种功能，通用的输入输出 口，通用的f o 接口有输入、输出、端口操作三种工作方式。p 2 口有两种用途，通 用i o 接口和高8 位的地址总线。p 3 口除用于通用的i o 接口外，它的每一位还有 各自的第二功能。其中p 3 6 为外部r a m 的写选通，p 3 7 为外部r a m 的读选通 p 0 口在进行外部扩展时分时复用，为了使在整个读写片外存储器期间，都存在有效 的低8 位地址信号，必须在p 0 口上外接一个地址锁存器，在a l e 信号有效期间， 将低8 位地址锁存于锁存器内，在从锁存器输出低8 位地址。 3 1 2 单片机复位电路的设计 复位也称作单片机的初始化过程单片机启动运行时，都需要首先进行复位， 复位的作用是让微处理器和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状 态开始工作。单片机本身不能完成复位操作，单片机的复位操作需要靠外加电路才 能完成。复位信号从单片机的r s t 引脚输入，高电平有效，其有效电平至少维持两 个机器周期。由于时钟采用1 2 m h z 的晶振，则复位信号至少保持2 i t s 以上，才能保 证可靠复位。只要电源v c c 的电压上升时间不超过l m s ，通过在v c c 和r s t 之间加 一个2 2 虾的电容，r s t 和v s s 引脚之间加一个i k 的电阻，就可实现上电自动复位。 在上电复位电路的基础上，再增加一个电阻和一个按键，即可实现手动复位。 当单片机按复位键时，单片机自动复位。单片机的复位操作使单片机进入初始化状 1 0 华北电力大学硕士学位论文 冷启动时片内r a m 为随机值，而热启动的复位操作 电路的设计 振荡电路在x t a l i 和x t a l 2 引脚上外接晶体振荡 并联谐振电路。振荡器的振荡频率主要取决于晶体。 反相放大器，当外接晶振后就构成了自激振荡器，并 产生时钟信号。晶振频率为1 2 m h z ，电容值为3 0 p f 。 单片机的时钟信号用作单片机内部各种微操信号的时间基准。振荡器的振荡脉 冲经二分频为内部时钟信号，用作单片机内部各功能部件按序协调工作的控制信 号，其周期成为时钟周期，六个时钟周期构成一个机器周期。振荡频率二分频后称 为状态周期，振荡频率1 2 分频后得到机器周期，所以一个机器周期包括1 2 个振荡 周期或6 个状态周期在晶振频率为1 2 m h z 的情况下，每个机器周期的时间为l p s ， 执行一条双周期指令的时间为2 i i s l l 7 l 。 3 2 微机型准同期教学实验装置输入通道的设计 实验装置采集的主要参数就是发电机和电网的电压差、频差以及两者之间的相 位角，因此这些电参数的准确测量影响到实验装置性能的优劣。 3 2 1 电压测量模块 被测的交流电压有两路，一路是发电机的电压信号，另一路是电网电压信号。 两路电压测量的基本原理相同，都是采取了直流采样的方法实现电压测量。以其中 一路举例，则电压测量模块的框图如图3 1 所示。被测的交流电压经过隔离变压器 之后，经过整流、滤波、信号调理等过程，变成一个幅值合适且与被测交流量成比 例的直流量。这个直流量在5 v 以内，可直接加到直流采样的a d 转换芯片的输入 通道。a d 芯片采样之后，将转换结果送往微机。 华北电力大学硕士学位论文 被 隔 信 离号 赠交流电压 变调 压 理 器 图3 i 电压测量模块框图 图3 - 4 是电压信号调理电路，电压测量模块包括两路电压信号调理电路，分别 调理电网和发电机的电压信号，得到两路直流电压输出。经过调理后的发电机和电 网电压信号，分别接到a d c 0 8 0 9 的输入通道i n 0 和1 n 1 端【i i ，如图3 5 。 整流就是将交流电转换为直流电的过程，装置采用了全桥整流电路，来自隔离 变压器二次侧的发电机和电网电压信号经过全桥整流电路后，得到了脉动的直流电 压 滤波电路采取了电容滤波电路，为了确定滤波电容值的大小，需要做一下分析 图3 2 是简单的电容滤波电路，图3 3 是发电机和电网电压经过整流后的电压波形。 假设把经过全桥整流后的电压加到该电路的输入端，该电容滤波电路的电容放电时 间常数为f ，电阻r l 值为r ，电容c l 值为c 。则可得到公式( 3 1 ) ： f = r x c( 3 1 ) 电网和发电机的频率为5 0 h z ，周期为2 0 m s 。经过整流后，由于正弦波的下半 周向上翻，所以整流后电压周期为1 0m s 。f 值取该周期的l o 倍，由公式( 3 1 ) 可 计算出c = 1 0 f 。 图3 2 简单的电容滤波电路 图3 3 发电机和电网电压经过整流后的电压波形 1 2 变高时将转换结果打入三态输出锁存器。如果将e o c 和s t a r t 相连，加上一个启 动脉冲则连续进行转换。o e 为输出允许信号输入端；c l o c k 为时钟输入信号，最 高允许值为6 4 0 k h z 。v r e f + 为正基准电压输入端；v r e f 为负基准电压输入端。 通常将v r e f 接+ 5 v 脚1 。 该设计采用了a d c 0 8 0 9 与单片机8 0 c 5 2 的查询方式的接口电路，如图3 5 所示。 采用线选法规定其端口地址，用8 0 1 2 5 2 单片机的p 2 7 引脚作为片选信号，因此端口 地址为7 f f f h 。片选信号和w r 信号一起经或非门产生a d c 0 8 0 8 的启动信号s t a r t 和地址锁存信号a l e ；片选信号和r d 信号一起经或非门产生a d c 0 8 0 9 的输出允 许信号o e ，o e = i 时选通三态门，使输出锁存器中的转换结果送入数据总线。 a d c 0 8 0 9 的e o c 信号与单片机的p 1 7 引脚相连，查询模数转换是否完成。a d c 0 8 0 8 的三位模拟量输入通道的地址码输入端a b c 分别接到8 0 c 5 2 的p 0 0 、p o 1 和p 0 2 ， 故只需向端口地址7 f f f h 分别写入数据0 0 h 和0 1 h ，即可启动模拟量的两个输入 通道进行a d 转换。 v 图3 - 4 电压的信号调理电路 1 3 华北电力大学硕士学位论文 图3 - 5a d c 0 8 0 9 与单片机8 0 c 5 2 的查询方式的接口电路 3 2 2 频率相位差测量模块 准同期并列的条件要求并歹l j 断路器合闸期间，发电机端的频率与系统侧的频率 差值在允许值以内时，可以进行并网操作，即if g 一l f d 。其中最为发电机电压频率， 是系统侧的电压频率，矗是设定频差的门限值。何时发合闸脉冲，需要根据相角 差的变化情况来确定。一般在相位差等于或小于合闸导前角时，发出合闸指令。如 果以系统电压信号为基准，相位差则存在着从0 。到3 6 0 。和从3 6 0 。到0 。的变化 趋势。频率差的大小和方向也决定着相位差的变化情况。 频率相位差测量模块的框图如图3 - 6 所示。发电机和电网的电压信号经过隔离 变压器之后，需经过波形变换电路，转换为两路与发电机和电网的电压信号同频率 的方波，分别接到单片机的i n t 0 与i n t l 引脚，利用方波信号下降沿触发中断的方 式，借助软件实现频率和相位差的测量。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 发皇垫皇墨笪兰 至亟至垂二 _ 二一 二至至至三二 - j 片机烈t o 端 电旦皇堡焦曼 二三三至三三二l - 叫- 二至三至三二二 - _ 片机i n n 端 图3 石频率相位差测量模块的框图 频率相位差测量模块包括两路波形变换电路，分别将系统和发电机的正弦信号 转换为方波信号，该设计采用了电压比较器l m 3 1 l 将两路正弦电压整形为方波，利 用这两路方波信号实现频率和相位差的测量。其中的一路如图3 7 所示。电压互感 器二次电压信号为一个正弦交流信号，正弦波需整形为方波信号，然后方波信号接 8 0 c 5 2 的i n t 0 引脚0 0 1 。 l m 3 1 1 的电源为正1 2 伏电源和负1 2 伏电源同时供电，原因是输入的交流电压 是双向的交流量。l m 3 1 1 的输出级采用了射级输出的方式，引脚7 接正5 伏电源， 发射级的引脚i 经射级输出电阻r 1 4 接地。l m 3 1 1 芯片能工作于5 到3 0 伏的单个 电源或正负1 5 伏分离电源，是一种通用的比较器，该芯片输入可以与系统地隔离， 而输出可以驱动以地或v c c 为参考的负载，可直接与单片机接口。电压比较器可 用作模拟电路与数字电路的接口，还可用作波形变换电路，利用电压比较器可将正 弦波变成同频率方波。方波的高电平为正5 伏的t t l 电平，与单片机的引脚兼容。 电压互感器的同相端接地，反相端接电压互感器的二次侧电压信号。 + 该电路采取了抗干扰措施，即设置了滞回比较电路。输入电压通过电阻r l l 接 到u 1 3 的反相输入端3 ，与同相输入端的地电位进行比较，同相输入端经电阻r 9 接地，而电压输出端经反馈电阻r 1 3 反馈到同相输入端2 ，形成正反馈，同相输入 端2 的电压取决于r 9 与r 1 3 的比值，通常r 1 3 远大于r 9 ，这样在同相输入端2 上就可以产生一个比零电压稍微大一点的过零电压，这个电压就是滞回电压。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 图3 7 频率和相位差的测量电路 3 3 微机型准同期教学实验装置输出通道的设计 微机型自动准同期并列教学实验装置输出通道包括5 路开关量输出电路，分别 用于发出增压、减压、增速、减速脉冲以及合闸脉冲命令控制脉冲利用电磁继电 器作为输出执行元件，驱动发电机的励磁装置和调速装置，调节发电机的电压和频 率其中一路开关量输出电路如图3 8 。 开关量输出电路是计算机测控系统中重要组成部分，开关量输出电路的任务是 把计算机输出的微弱数字信号转换为能对生产过程进行控制的驱动信号。开关量是 指能够控制继电器线圈接通或断开所对应的值，比如l 和0 ，分别表示继电器的吸 合和释放。在微机控制系统中，需要处理一种数字信号，例如脉冲信号，这些脉冲 信号是以二进制逻辑表示的。在开关量输出电路中，光电耦合隔离器是一个必须的 器件。光电耦合隔离器与普通的三级管类似，存在着截止区饱和区线性区三部分。 当光敏三级管工作在截止区时，就可以隔离电磁信号的干扰，准确传送数字信号。 该实验装置采用了继电器驱动电路。电磁继电器主要由线圈铁心衔铁和触点组成。 继电器方式的开关量输出通道在电力系统中有着典型应用，通过弱电控制外界的高 电压大电流的调节设备。通常在设计继电器驱动电路时，都要考虑继电器的吸合电 压和电流，在控制电流一定要大于继电器的吸合电流的情况下，电磁继电器才能可 靠工作。 单片机的引脚输出的是由高低电平组成的弱点信号，如果直接去控制高电压大 功率的工控装置，是不可能完成任务的。在微机型准同期装置中怎样解决这个问题 1 6 华北电力大学硕士学位论文 呢? 具体解决办法为对单片机输出的弱电信号隔离放