10kv电力变压器状态参量监测系统设计毕业论文.doc

10kv电力变压器状态参量监测系统设计毕业论文目录0 引言11 绪论21.1 目的和意义21.2 国内外发展现状31.3 变压器原理42 10kV电力变压器状态参量监测系统总体设计方案52.1 在线监测系统的组成52.2 功能设计方案63 10kV电力变压器状态参量监测系统硬件电路设计83.1 电流信号的提取部分93.2 电压电流互感器原理和使用93.2.1电压互感器工作原理103.2.2电流互感器工作原理113.3 电压互感器的选择和采样电路设计123.3.1 JDZW-10型电压互感器的性能和特性概述123.3.2电压互感器采样和测量电路设计133.4 电流互感器的选择和电路设计143.4.1 LBZ-10型电流互感器技术指标143.4.2电流互感器采样和测量硬件电路设计153.5 DS18B20温度检测系统设计163.6 限流电阻单元183.7 ADC0832采样电路设计193.7.1 外部引脚及其说明203.7.2单片机对ADC0832 的控制原理203.7.3 ADC0832典型应用223.8 LCD1602液晶显示部分243.9抗电磁干扰263.10单片机最小系统设计263.10.1晶振电路293.10.2 STC89C52的并行I/O口详细说明303.11键盘操作部分313.11.1键盘313.12信号传输部分333.13 SIM300C模块333.14 SIM卡接口334 10kV电力变压器状态参量监测系统软件设计344.1软件控制部分流程图344.2 ADC0832子程序流程图354.3延时子程序流程图365 总结37致谢38参考文献39附录A译文40附录B51辽宁工程技术大学毕业设计（论文）0 引言变压器作为电力系统的枢纽设备，其运行可靠性直接影响电力系统的安全运行。为保证电力系统的稳定，必须加强对电力变压器绝缘的监测和诊断。变压器参量被广泛认为是导致变压器劣化的重要因素，与变压器运行的安全性和可靠性具有密切联系。变压器中多种参量在线监测系统中的自动识别，能够及时发现内部缺陷及变压器损坏程度，防止事故发生。现代电力系统日趋复杂，对电力设备运行可靠性的要求不断提高。电力变压器作为电力系统中重要的变电设备，其运行状态将直接影响到电力系统的安全运行。目前电力系统中变压器等电力设备大多采用定期检修方式，这种体制存在着严重缺陷，如维修不足、维修过剩或盲目维修等，这使世界各国每年在设备维修方面耗资巨大且影响了供电可靠性。怎样合理安排电力设备的检修，节省检修费用、降低检修成本，同时保证系统有较高的可靠性，对系统运行人员来说是一个重要课题。在电力系统中推行状态检修是解决上述问题的有效手段，而故障诊断就是状态检修的基础和前提。1 绪论1.1 目的和意义在电力系统中,变压器非常重要,也是非常昂贵的设备。其主要实现电能的分配、电压的转化以及转移的作用。电力系统安全与否、供电性能是否可靠、运行是否经济与变压器有着直接的关系。电力变压器的工作效率代表电力部门的财政收益。所以,变压器的正常运行对整个电力系统而言非常重要。但是因为变压器常处于不停歇工作的状态,所以无法避免故障的产生。导致变压器出现事故的原因很多,其中包括变压器在安装、维护、检修时,没有严格按照相关要求,导致变压器存在一定的缺陷,存在严重的故障隐患;自然灾害也是导致变压器发生故障及事故的重要原因;因为变压器长期处于运行的状态,所以其组成材质逐渐劣化,为事故的发生埋下隐患,已经成为导致变压器出现故障的主要原因。因为无法避免变压器故障的出现,对其故障实现早期预测以及准确的诊断非常重要,也具有较强的实用性。所以，变压器有必要研究状态监测和在线状态监测，如何科学有效的防止变压器故障及快速准确监测变压器故障，提高电力变压器的安全性、可靠性，降低维修成本，保证供电质量的研究显得十分有意义，应该引起重视.电力变压器实行状态参量监测是先进的科学管理方法，原有电力变压器的运行监测已难以适应高安全、优质、可靠、经济性电网的发展要求，实现状态参量监测，可以减少监测的盲目性，降低运行维护费用，提高资金利用率，提高电力变压器运行可靠性及设备寿命，减轻工人劳动强度，实现减员增效，提高企业社会效益和经济效益。因此，在线监测变压器、及时了解变压器的设备以及运行状态是电力工作人员追求的工作目标。1.2 国内外发展现状从国内外的研究情况来看,对变压器的状态参量监测工作的研究已经受到国内的广泛关注,也取得了一定的成果。但总的来说,较多的集中在对电气或机械方面的具体参量进行监测,还缺乏一种有效的方法来表征变压器运行状态和各种试验、运行参数之间的关系。目前利用综合信息对变压器进行状态评估的研究还远未达到实用要求。近年，电力变压器及电气设备的状态评估受到了很大的重视,但在我国仍处在学术讨论范围中,没有达到实用的要求。造成这种状况的原因是多方面的,除管理维护、质量监督、设计标准等方面的问题外,反映在评估技术上的问题主要有:评估时没有把各类设备一并考虑。预试及检修均要求设备退出运行,而设备一般不易单独退出运行,通常一个间隔的设备必须同时退出运行,因此电气设备的维护是相互关联和相互影响的；历史数据与在线数据的数值化管理欠缺；缺乏行之有效的诊断理论与方法,仅提供数据,且知识贫乏,不能建立各种监测信息之间的关联关系,无法解释测量结果正常的波动,很难做出准确的变压器状态评估。从目前国内外变压器状态在线监测技术发展来看，主要的技术有两种：局部放电在线监测和油色谱分析。变压器的色谱在线监测技术是相对成熟的、有效的、最受电力部门欢迎的技术，而局部放电在线监测技术是以变压器内部局部放电时产生的电光声等现象为依据，通过能描述这些现象的物理量来表征局部放电的状态（包括定位和放电的程度），可以预防变压器的突发性故障。因此，这两种状态监测技术各有优势，可同时采用以实现互补。1.3 变压器原理变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯（磁芯），如图1-1所示。主要功能有：电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等。按用途可以分为：配电变压器、电力变压器、全密封变压器、组合式变压器、干式变压器、油浸式变压器、单相变压器、电炉变压器、整流变压器等。变压器是变换交流电压、交变电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器两组线圈圈数分别为N1和N2，N1为初级，N2为次级。在初级线圈上加一交流电压，在次级线圈两端就会产生感应电动势.当N2N1时，其感应电动势要比初级所加的电压还要高，这种变压器称为升压变压器：当N2N1时，其感应电动势低于初级电压，这种变压器称为降压变压器。图1-1 理想变压器原理图Figure 1-1 The principle diagram of the ideal transformer2 10kV电力变压器状态参量监测系统总体设计方案2.1 在线监测系统的组成不论监测系统是什么类型，它都应包括以下几个基本单元:1) 信号的变送 一般由相应的传感器来实现，它从电气设备上监测出那些反映设备状态的物理量，例如温度、电压、电流、气体成分等，并将其转换为合适的电信号传送到后续单元。它对监测信号起着读数和观测的作用。2) 信号的处理 其功能是对传感器变送来的信号进行适当的预处理，将信号幅度调整到合适的电平；对混叠的干扰采用极性鉴别器、滤波器等硬件电路进行抑制，以提高系统的信噪比。3) 数据的采集 将经过预处理的信号进行采集、A/D转换和记录。4) 信号的传输将采集到的信号传送至后续单元。对固定式监测系统，因数据处理单元远离现场，故需配置专门的信号传输单元。对便携式监测装置，只需对信号进行适当的变换和隔离即可。 5) 数据的处理 对采集到的数据进行处理和分析，例如，对获取的数字信息作频谱和时域分析，利用平均处理、软件滤波等技术，对信号做进一步的处理，来提高信噪比。获取反映设备状态的特征值，为诊断提供有效的数据和信息。6) 诊断对处理后的数据和历史数据、判据及其他信息进行比较、分析后，对设备的状态或故障部位做出诊断。必要时需采取进一步的措施，例如是否需要退出运行、安排维修计划等。2.2 功能设计方案本论文将设计一套10kV电力变压器多参量综合在线监测系统。该系统将在统一的软硬件结构下监测参量，将实现实时监测变压器电流、电压、油温状态参量。该系统设计将对10kV变压器进行现场连续在线监测，铁芯接地电流、电压在正常范围内波动，顶层油温处于正常范围。 计划研究的系统具备如下功能：1）可在线实时采集和记录监测点的铁芯接地电流、电压、顶层油温各项参数情况，进行实时显示和记录存储。2）系统设计时预留有接口，可随时增加软硬件设备，系统只要做少量的改动即可，可以在很短的时间内完成。 整个系统由信号采集和处理单元、A/D转换单元、单片机、显示单元、按键单元、通信接口等组成。如图2-1所示。图2-1 系统总体框图Figure 2-1 Block diagram of the whole system传感器将信号转换为电压信号，电压信号经放大、滤波及A/D转换后到单片机,经通信接口把数据上传至无线传输模块，再经无线传输模块将数据传输到上位机。主要设计内容电力变压器发生故障时，会有很多特征量表现出来，本文主要是针对接地电流、电压、温度进行专项研究。理论上来说，只要捕捉到哪怕是很微弱的信息量，进而经过对这些数据的处理和综合分析，就可以对设备绝缘的可靠性做出判断和对绝缘寿命做出预测，这就是在线监测的理论基础。本论文主要围绕以下工作展开:1)对引起接地电流、电压、温度变化的原因进行分析;2)如何实时而不失真的采集电流、电压、温度信号;3)如何保证信号在传输、处理的过程中的真实可靠性;4)信号的传输方式、量程切换等的处理。3 10kV电力变压器状态参量监测系统硬件电路设计系统整体采用单片机作为控制核心，主要进行电压和电流采样，同时通过2路温度采样，检测变压器重要部位的温度情况，实现全面检查。下面将会分模块分别介绍。系统整体设计电路图如下图3-1所示。图3-1 系统总体电路图Figure 3-1 Overall system circuit diagram3.1 电流信号的提取部分在线监测系统在提取监测信号时应保证尽量不改变设备的运行接线状态，因此，将电流信号的取样点选择在变压器铁心外引接线处，选择电流传感器作为信号提取单元。装置接线方式如图3-2。图3-2信号提取部分结构框图Figure 3-2 Signalextractionofpartialstructurediagram3.2 电压电流互感器原理和使用在线监测系统的传感器选择和测点布置是整个监测系统功能实现的前提条件，应该遵循以下原则:安全性、可靠性、准确性、方便性、经济性。利用信号接收电路将传感器阵列的输出的信号转化为电压信号，并将电压信号进行放大、滤波，为了确保采集电路的精度，其中的供电电压都是由电源模块提供的准确、稳定的电源电压。当变压器正常运行时，铁心电流、电压很小。而在发生多点接地故障时，接地电流会变得很大，为安培级。因此在该装置所采用的电流、电压传感器应具有较宽的线性范围和变化范围较大的量程。根据现场实际数据，电流传感器可选择量程在0.5mA-10A，分辨率在2mA的电流传感器，电压传感器可选择量程在10kV之内。另外，由于监测时不可避免的会有工频电流流过，故要求磁心具有较强的抗工频磁饱和的能力，使磁心不会因饱和而影响监测。一般来说，对于铁氧体磁心，该要求能够满足。3.2.1 电压互感器工作原理电压互感器是一个带铁心的变压器。它主要由一、二次线圈、铁心和绝缘组成。当在一次绕组上施加一个电压U1时，在铁心中就产生一个磁通，根据电磁感应定律，则在二次绕组中就产生一个二次电压U2。改变一次或二次绕组的匝数，可以产生不同的一次电压与二次电压比，这就可组成不同比的电压互感器。电压互感器将高电压按比例转换成低电压，即100V，电压互感器一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表、继电保护等；主要是电磁式的（电容式电压互感器应用广泛），另有非电磁式的，如电子式、光电式。电压互感器的分类1) 按安装地点可分为户内式和户外式。35kV及以下多制成户内式；35kV以上则制成户外式；2) 按相数可分为单相和三相式，35kV及以上不能制成三相式；3) 按绕组数目可分为双绕组和三绕组电压互感器，三绕组电压互感器除一次侧和基本二次侧外，还有一组辅助二次侧，供接地保护用；4) 按绝缘方式可分为干式、浇注式、油浸式和充气式。干式电压互感器结构简单、无着火和爆炸危险，但绝缘强度较低，只适用于6kV以下的户内式装置；浇注式电压互感器结构紧凑、维护方便，适用于3kV35kV户内式配电装置；油浸式电压互感器绝缘性能较好，可用于10kV以上的户外式配电装置；充气式电压互感器用于SF6全封闭电器中。此外，还有电容式电压互感器，电容式电压互感器实际上是一个单相电容分压管，由若干个相同的电容器串联组成，接在高压相线与地面之间，它广泛用于110kV330kV的中性点直接接地的电网中。其工作原理与变压器相同，基本结构也是铁心和原、副绕组。特点是容量很小且比较恒定，正常运行时接近于空载状态。电压互感器本身的阻抗很小，一旦副边发生短路，电流将急剧增长而烧毁线圈。为此，电压互感器的原边接有熔断器，副边可靠接地，以免原、副边绝缘损毁时，副边出现对地高电位而造成人身和设备事故。测量用电压互感器一般都做成单相双线圈结构，其原边电压为被测电压（如电力系统的线电压），可以单相使用，也可以用两台接成V-V形作三相使用。3.2.2 电流互感器工作原理电流互感器的结构较为简单，由相互绝缘的一次绕组、二次绕组、铁心以及构架、壳体、接线端子等组成。其工作原理与变压器基本相同，一次绕组的匝数(N1)较少，直接串联于电源线路中，一次负荷电流(I1)通过一次绕组时，产生的交变磁通感应产生按比例减小的二次电流(I2)；二次绕组的匝数(N2)较多，与仪表、继电器、变送器等电流线圈的二次负荷(Z)串联形成闭合回路，见下图3-3。图3-3 最简化的电流互感器结构原理图Figure 3-3 Thesimplified schematicdiagramofcurrenttransformerstructure由于一次绕组与二次绕组有相等的安培匝数，I1N1=I2N2，电流互感器额定电流比:I1/I2=N1/N2。电流互感器实际运行中负荷阻抗很小，二次绕组接近于短路状态，相当于一个短路运行的变压器。3.3 电压互感器的选择和采样电路设计根据设计的需要且考虑到本设计为高压设备，要考虑安全性等问题，电压互感器选择符合国家强制标准GB1207-1997 电压互感器 的JDZW-10型电压互感器。生产厂家为上海万上电气设备有限公司。如下图3-4所示。具体使用过程当中，将待测电压线，接在具有高强度绝缘性能的上端两个支撑架上面。使用过程选择额定变压比为10000/100绕组变比的方式，将待测电压进行准确变比。然后配合电压测量电路进行使用。图3-4 JDZW-10型电压互感器外观图Figure 3-4 jdzw-10voltage transformeroutsideView3.3.1 JDZW-10型电压互感器的性能和特性概述功能介绍:电压互感器适用于额定频率50Hz，额定电压10kV的电力系统中作电能计量及仪表监测用，特别适用无人值守，无油化变电站，实行遥测、遥信、遥调之用。互感器采用户外环氧树脂浇注，全封闭、支柱式结构。由于采用户外环氧树脂浇注，产品具有耐电弧、耐紫外线、耐老化、寿命长、免维护等特点。二次出线有接线保护盒，其下方有出现孔，接线方便、安全可靠并能实现防窃电措施。底板上有四个安装孔供安装使用。技术参数:1) 额定绝缘水平：12/42/75kV;2) 表面爬电比距离满足二级污秽等级;3) 本型互感器满足GB1207-1997电压互感器之要求; 4) 局部放电水平符合GB7354-1987互感器局部放电测量，其视在放电量不大于20PC; 5) 环境温度：-3040。日平均气温不超过30; 6) 海拔高度：不超过1000m;3.3.2 电压互感器采样和测量电路设计具体电路设计采用如下图3-5的电路，将流过如上所述电压互感器之后的安全电压接入下图当中的电压互感器输入端，通过检波电路实现分压且交流到直流的转换，然后将直流电通过ADC0832进行采样，然后将采样得到的信号输入到单片机。具体模块的工作方式后面会详细介绍。图3-5电压互感器采样和测量电路图Figure 3-5 Samplingandmeasurementofvoltage transformercircuit diagram3.4 电流互感器的选择和电路设计考虑到本设计的要求，电流互感器在选择上面，要求绝缘性较高，要适应10kV的电压要求，安全性非常重要，必须选择满足国家标准的设备作为设计选取器材。本设计选择符合国家强制标准GB1208-2006的LBZ-10型电流互感器。LBZ-10型干式环氧树脂浇注电流互感器，适用额定电压10kV、额定频率50Hz的电力系统中的测量和保护，外壳采用特殊工艺处理的钢板加工而成，具有防腐性。综合考虑设备的配套等特性，生产厂家也选择上海万上电气设备有限公司。设备如下图3-6所示。图3-6 LBZ-10型干式环氧树脂浇注电流互感器外观图Figure 3-6 LBZ-10dry-typeepoxy resincastofcurrenttransformeroutsideView3.4.1 LBZ-10型电流互感器技术指标LBZ-10型为干式环氧树脂浇注电流互感器。适用额定电压10kV、额定频率50Hz的电力系统中的测量和保护，外壳采用特殊工艺处理的钢板加工而成，具有防腐性。技术参数： 1) 产品符合GB1208-2006;2) 额定频率50Hz;3) 绝缘水平12/42/75kV;4) 额定二次电流5A。3.4.2 电流互感器采样和测量硬件电路设计电流互感器选择额定电流比为100A/5A变比的具体型号，通过运放加采样电阻的方式，对电流进行采样。具体方式通过两步进行，第一步通过电流互感器实现安全采样，变比为100:5，然后将交流电流采用采样电阻进行电流到电压的转换。第二步骤，将电压进行交直流变换，完成检波和直流电路的测量功能。具体电路图如下图3-7所示。图3-7电流互感器采样和测量电路图Figure 3-7 Samplingandmeasurementofcurrenttransformercircuit diagram3.5 DS18B20温度检测系统设计具体硬件设计电路图如下图3-8所示，采用两个温度传感器，同时检测变压器内部两个点的温度，起到更加全面保护的作用。采用美国DALLAS公司的数字温度传感器，具有测温精准，达到0.1摄氏度，同时抗干扰能力强，抗老化能力强等综合优点。图3-8温度采样和测量电路图Figure 3-8 Temperaturesamplingandmeasurementcircuit diagramDS18B20引脚及管脚功能介绍图3-9 DS18B20管脚图Figure 3-9 ds18b20pinmapDQ：数字信号输入输出端。GND：电源地端。VDD：外接供电电源输入端(在寄生电源接线时此脚应接地)。DS18B20具有以下特性1）适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电 2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯 3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温 4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内 5）温范围-55+125，在-10+85时精度为0.5 6）可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温 7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快 8）测量结果直接输出数字温度信号，以一线总线串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力 9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作 DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。3.6 限流电阻单元我们都知道，当变压器发生多点接地故障时，若现场条件不具备，可采用临时措施保证变压器继续运行，即在铁心外引接地线上串接一个合适的电阻，达到减小铁心接地电流的目的。但此方法只能作为应急措施，最终还是需要真正排除故障。采用此方法时应根据变压器铁心实际接地电流的大小选择所串电阻的阻值及容量。串入电阻后应当使接地电流控制在100mA以下，这样既能确保电阻运行中不致损坏产生高压，又能减轻铁心的发热。 限流电阻投切单元如图3-10所示，其中，Jl-J3是继电器。当铁心接地电流超标后，系统能够根据接地电流的大小，手动/自动的在接地线中投入一定的限流电阻，将电流暂时限制在规定量程之内。CPU通过控制继电器状态来实现各个支路电阻的投切。其中R4支路没有串入继电器，其目的是为了避免铁心接地线出现开路的情况。图3-10限流电阻投切单元Figure 3-10 Current-limitingresistorswitchunit3.7 ADC0832采样电路设计ADC0832是NS(National Semiconductor)公司生产的串行接口8位A/D转换器，通过三线接口与单片机连接，功耗低，性能价格比较高，适宜在袖珍式的智能仪器仪表中使用。ADC0832 为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。芯片具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片能输入，使多器件连接和处理器控制变得更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。其主要特点如下：1) 8位分辨率，逐次逼近型，基准电压为5V；2) 5V单电源供电；3) 输入模拟信号电压范围为05V；4) 输入和输出电平与TTL和CMOS兼容；5) 在250kHz时钟频率时，转换时间为32s；6) 具有两个可供选择的模拟输入通道；7) 功耗低，15mW。3.7.1 外部引脚及其说明ADC0832有DIP和SOIC两种封装，DIP封装的ADC0832引脚排列如图3-11所示。各引脚说明如下：1) CS片选端，低电平有效。2) CH0，CH1两路模拟信号输入端。3) D1两路模拟输入选择输入端。4) D0模数转换结果串行输出端。5) CLK串行时钟输入端。 6) Vcc(REF)正电源端和基准电压输入端。7) GND电源地。图3-11 ADC0832引脚图Figure 3-11 ADC0832pinmap3.7.2 单片机对ADC0832 的控制原理一般情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、D0、D1。但由于D0端与D1端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将D0和D1 并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK 和D0/D1 的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK提供时钟脉冲，D0/D1端则使用D1端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲到来之前D1端必须是高电平，表示启动位。在第2、3个时钟脉冲到来之前D1端应输入2位数据用于选择通道功能，其功能项见表3-1：表3-1 功能项Table3-1functionkeys输入形式配置位选择通道CH0CH1CHOCH1差分输入00+-01-+单端输入10+11+当配置位2位数据为1、0时，只对CH0 进行单通道转换。当配置2位数据为1、1时，只对CH1进行单通道转换。当配置2位数据为0、0时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当配置2位数据为0、1时，将CH0作为负输入端IN-，CH1 作为正输入端IN+进行输入。到第3个时钟脉冲到来之后D1端的输入电平就失去输入作用，此后D0/D1端则开始利用数据输出D0进行转换数据的读取。从第4个时钟脉冲开始由D0端输出转换数据最高位D7，随后每一个脉冲D0端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据D0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个时钟脉冲输出D0。随后输出8位数据，到第19个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。下图3-12为ADC0832时序图。图3-12 ADC0832串口输出采样时序图Figure 3-12 ADC0832serialoutputsamplingtimingdiagram3.7.3 ADC0832典型应用1) 单片机串行口方式0与ADC0832接口 图3-13单片机串行口方式0与ADC0832接口图Figure 3-13 Single- Chipserialport0andadc0832interfacemapSTC89C52的P1.7为片选信号端，TXD是时钟信号输出端，RXD为启动信号，模拟通道选择信号发送端以及A/D转换后输出数据的接收端。ADC0832的时钟频率最高为400kHz，单片机AT89C51晶振选用4MHz，在TXD端的输出频率为4MHz/12=333kHz，符合要求。 ADC0832 输出的串行数据共15位，由两段8位数据组成，前一段是最高位在先，后一段是最高位在后，两段数据的最低位共用。只有在时钟的下降沿，ADC0832的串行数据才移出一位。由单片机控制时钟信号进行发送，并由TXD发出，以达到控制ADC0832输出数据位的目的。为了得到一列完整的8位数据，单片机分两次采集含有不同位的数据，再合成一列完整的8位数据。当REN=0时，AT89C51连续一次向ADC0832发送8个时钟脉冲，前3个脉冲发送的是启动位和模拟通道选择位，共计3位；从第4个脉冲下降沿开始，ADC0832发出转换数据D7D4（在脉冲上升沿单片机方可接收）。但由于REN=0，单片机不予接收，丢失D7D4数据。当REN=1时，单片机又向ADC0832连续发出8个时钟脉冲，其输出转换数据D3，D2，D1和d0，d1，d2，d3，d4存入累加器A形成如下结构：累加器A d4d3d2d1d0D1D2D3MSB LSB上述数据右移3位，并屏蔽掉高3位，暂存于寄存器B，得到如下结构：寄存器B000d4d3d2d1d0MSB LSB单片机第二次接收，可得到下列数据：累加器A XXXXXd7d6d5MSB LSB以上数据左移5位，并屏蔽低5位，送入累加器A，得到如下结构：累加器Ad7d6d500000 MSB LSB进行（A）+（B）（A）运算，得到如下结构：累加器Ad7d6d5d4d3d2d1d0MSB LSB从而得到一个完整的8位A/D转换结果。2) SPI串行接口方式SPI是MOTOROLA公司推出的一种同步串行外设接口，允许MCU也各个厂家生产工具的标准外围设备直接接口，以串行方式交换信息。SPI使用4条线与主机（MCU）连接：串行时钟SCK，主机输入/从机输出数据线SO，主机输出/从机输入数据线SI和低电平有效的从机选择线CS。SPI串行扩展系统的主器件单片机，可以带有SPI接口，也可以不带SPI接口，但从器件必须具有SPI接口。 图3-14同步串行外设接口与主机连接图Figure 3-14 SynchronousserialPeripheralInterfaceconnectedtothehostmapADC0832具有SPI接口，AT89S51与ADC0832的SPI串行接口方式，将D0和D1分别连接于P1.0和P1.1。对CH0通道的模拟信号进行A/D转换，转换结果存于累加器A中。3.8 LCD1602液晶显示部分本显示电路采用了液晶显示(LCD)模块，系统显示部分采用LCD1602，具体硬件电路图见下图3-15。本设计采用LCD1602实时显示所测量的电压和电流的数值，同时实时显示当前变压器的工作状态是否良好。包括温度传感器测量到的温度信息。图3-15 LCD1602原理图Figure 3-15 SchematicdiagramofLCD16021）液晶显示简介液晶显示原理液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。液晶显示器的分类液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动(Static)、单纯矩阵驱动(Simple Matrix)和主动矩阵驱动(Active Matrix)三种。液晶显示器优点显示质量高:由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。简单、方便:液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。体积小、重量轻:液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。功耗低:相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。2）线段的显示点阵图形式液晶由MN个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共168=128个点组成，屏上6416个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如:屏的第一行的亮暗由RAM区的000H-00FH的16字节的内容决定，当(000H)=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当(3FFH)=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当(000H)=FFH，(001H)=00H，(002H)=00H，(00EH)=00H，(00FH)=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线，这就是LCD显示的基本原理。3）字符的显示用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由68或88点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。图3-16 LCD1602实物图Figure 3-16 LCD1602physicalmap3.9抗电磁干扰在此首先要强调一点，预处理部分一般应安排在数据采集之前，甚至有时它与传感器安排在一起，即采用就地处理的方式，这样可大大削弱信号传输过程中受到的干扰影响。在本设计中，考虑到铁心电流是电阻性电流，数量级在几十毫安到几安培甚至更大，由于它们的变化范围都很宽，如果用一个长线传送器传送这样宽范围的电流信号，会造成较大的测量误差，因此，将铁心电流分为100mA， 1A，10A三个档，分别用三个长线传送器进行传送，这样便可大大提高测量的准确度。铁心电流的测量准确性，取决于长线传送器在测量范围内的线性度和稳定性，线性度已由分档来保证，经调试它的非线性误差2%。因为变压器铁心的电磁转换对监测信号产生电磁干扰，所以铁心电流的取样探头应具有良好的电磁屏蔽，为此，采用双层1mm厚的铁板做成屏蔽箱，并用高性能的同轴屏蔽电缆传送取样信号。3.10 单片机最小系统设计图3-17单片机最小系统原理图Figure 3-17 Schematic diagram of SCM system上图3-17是单片机最小系统部分的原理图,主要包括晶振电路,本系统单片机晶振工作在12MHz的频率下，还有一个上电复位电路，单片机启运运行时，都需要先复位，其作用是使CPU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。因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。本设计是使用上电复位。单片机是整个系统的核心，对系统起监督、管理、控制作用，并进行复杂的信号处理，产生测试信号及控制整个检测过程。所以在选择单片机时，参考了以下标准。1) 运行速度。单片机运行速度一般和系统匹配即可。2) 存储空间。单片机内部存储器容量，外部可以扩展的存储器(包括I/O口)空间3) 单片机内部资源。单片机内部存储资源越多，系统外接的部件就越少，这可提高系统的许多技术指标。4) 可用性。指单片机是否能很容易地开发和利用，具体包括是否有合适的开发工具，是否适合于大批量生产、性能价格比，是否有充足的资源，是否有现成的技术资源等。5) 特殊功能。一般指可靠性、功耗、掉电保护、故障监视等。从硬件角度来看，与MCS-51指令完全兼容的新一代STC89C52系列机，比在片外加EPROM才能相当的8031单片机抗干扰性能强，与87C51系列单片机的性能相当，但功耗小。程序修改直接用+5伏或+12伏电源擦除，更显方便、而且其工作电压放宽至2.7伏-6伏，因而受电压波动的影响更小，而且4K的程序存储器完全能满足单片机系统的软件要求，故STC89C52单片机是构造本检测系统的更理想的选择。本系统选用STC公司生产的STC89C52单片机，其特性如下:1) 4K字节可编程闪速程序存储器，1000次循环写/擦2) 全静态工作:0Hz-24MHz3) 三级程序存储器锁定4) 128 X8位内部数据存储器，32条可编程I/O口5) 两个六位定时器/计数器，六个中断源6) 可编程串行通道，低功耗闲置和掉电模式该单片机的功能强大，性能稳定可靠，功耗很低。特别是用于本系统这样一个控制相对简单的系统，具有高的性价比。单片机主要完成了系统的控制功能和信息处理功能与结构。为了理解这些功能是如何实现的，以下介绍AT89C51单片机的功能。单片机其DIP封装40脚芯片引脚，引脚简要说明见表3-2表3-2 单片机引脚简单说明Table3-2Single- Chip MicrocomputerpinsimpledescriptionVss接地端Vcc电源端，接5VXTAL1接外部晶振的一个引脚XTAL2接外部晶振的另一个引脚RST/Vpd1）复位信号的输入 2）Vcc掉电后，此引脚可以接备用电源ALE/PROG地址锁存器允许PSEN程序存储器允许。输出读外部程序存储器的选通信号EA/VppEA0，单片机访问外部程序存储器，EA=1,访问内部程序存储器P0.0-P0.7数据/低8位地址复用总线端口P1.0-P1.7静态通用端口(I/O口)P2.0-P2.7高8位地址总线动态端口P3.0-P3.7双功能静态端口3.10.1 晶振电路图3-18晶振电路原理图Figure 3-18 Crystaloscillatorcircuitschematics晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。本设计的晶振电路是为单片机提供时钟信号，如图3-18晶振电路原理图。STC89C52单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为30F。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。3.10.2 STC89C52的并行I/O口详细说明由于STC89C52的并口功能强大，可用作地址/数据线，也作为通用I/O用于系统的控制工作中。因此，可以用并口来传输显示电路中LED的段选码和位选码，也可以用并口中的某一位完成DS18B20的数据读取。STC89C52共集成四个功能极强的8位双向并行接口，每位均设有输出锁存器，输出驱动器和输出缓冲器，四个口分别用P0， PI，P2，P3表示，由于接口所针对的主要用途不同所以有一定的差异，下面分别说明。P0口的每一位均由一个输出锁存器、两个三态缓冲器、一个输出驱动器和一个输出控制电路组成，其工作状态受输出控制电路的控制。P0口既可作为地址/数据线，又可以作为通用I/O口。在外部扩展存储器时，P0口必须做地址/数据总线用，先输出低8位地址到外部地址锁存器，后输出/输入数据或指令代码，分时复用。在不扩展外部存储器时可以做通用I/O用。P1口是一个8位准双向并行I/O接口，做通用1/0用。其输出驱动器有内部上拉电阻，能加速0到1的转变过程。特别在位操作方式下，P1口可以进行每位单独输出/输入操作。P2口同样是一个8位的准双向并行I/O口，在结构上它比P1口多出了一个输出转换控制部分。P2口由内部硬件控制，当作为通用I/O口时是一个准双向1/0口;当有外部扩展存储器或接口时，可用于输出高8位地址。在扩展外部存储器或接口时，由于访问外部存储器的操作是连续不断的，所以不能再扩展为通用I/O口。但是P2口作为地址输出时是由内部控制开关转换的，并不会改变其输出寄存器的内容，故访问外部地址结束后，P2口的输出锁存器的内容会恢复到输出引脚。因此，可以根据访问外部地址的频繁程度，P2口在其间仍可作为通I/O，P3口做通用I/O使用时，和P1, P2口类似。在作为多功能端口的时候，它作为读/写信号(扩展外部存储器的时候)和标准串行I/O口。3.11 键盘操作部分该模块是一个人机接口，其作用为方便用户根据自身需要对设备进行操作。在本设计方案中，键盘部分选用HD7279，显示部分选用LED数码管(虽简易，但能满足需求)。该模块能实现铁心电流、量程(0-100mA, 1-1A, 2-10A)电流预警值的显示，还能够通过按键切换显示。同时通过软件编程，还可以扩展其它功能，比如通过按键设定短信中心号等。3.11.1 键盘 通过该部分，可以使用户根据需要设置短信中心号码和电流报警范围。本设计采用可编程数码管/键盘串行接口芯片HD7279A，在下文中，将对该芯片的工作原理、工作时序等做出相关介绍。1）HD7279A芯片的特点及工作原理 HD7279A是一片具有串行接口的智能显示驱动芯片，可同时驱动8bit共阴式数码管和连接64键的键盘矩阵，无需外围元件可直接驱动LED，单片即可完成LED显示和键盘接口的全部功能。引脚功能介绍如下:1,2脚(VDD): 正电源。3,6脚(NC )