微处理器方案的选择以及应用方面调研毕业论文.doc

I 微处理器方案的选择以及应用方面调研毕业论文微处理器方案的选择以及应用方面调研毕业论文 目 录 第一章第一章 概述概述 1 1 1 1 设计背景 1 1 2 电能量监测系统发展方向 1 1 3 设计内容 2 第二章第二章 系统设计系统设计 3 3 2 1 设计基本原理 3 2 2 方案比较 3 2 2 1 微处理器方案选择 4 2 2 1 1 单片机公司现状 4 2 2 1 2 单片机介绍 4 2 2 2 电能量采集模块方案选择 5 2 2 2 1 电网电量采集 5 2 2 2 2 电能表电量采集 6 2 2 3 相位测量电路方案选择 6 2 2 4 模数转换方案选择 7 2 2 5 显示电路方案选择 8 2 2 6 通信网络方案选择 8 第三章第三章 硬件电路设计硬件电路设计 1010 3 1 单片机外围电路设计 10 3 1 1 单片机介绍 10 3 1 2 最小系统电路设计 12 3 1 3 存储扩展电路设计 12 3 1 3 1 存储芯片 12 3 1 3 2 扩展地址介绍 12 3 2 电能量测量电路硬件设计 13 3 2 1 电网电能测量 13 3 2 1 1 传感器芯片介绍 13 3 2 1 2 A D 转换芯片介绍 15 II 3 2 2 电能表电量测量 16 3 2 2 1 电能表介绍 16 3 2 2 2 串口通讯介绍 17 3 2 2 3 电平转换电路介绍及硬件图设计 17 3 3 相位检测电路硬件设计 18 3 3 1 电压电流信号采集 18 3 3 1 1 电流互感器选择 19 3 3 1 2 电压互感器的选择 19 3 3 2 过零比较电路设计 20 3 3 2 1 相位差测量原理 20 3 3 2 2 过零比较器工作原理 21 3 4 LED 显示电路硬件设计 22 3 4 1 CD4511 驱动芯片介绍 23 3 4 2 显示电路图设计 23 3 5 报警电路硬件设计 24 3 5 1 电能计量故障分析 24 3 5 2 键盘显示电路 25 3 5 3 报警电路 25 3 6 网络模块硬件设计 26 3 6 1 GSM 模块选型及介绍 26 3 6 2 GSM 串行接口方式 27 3 6 3 模块采用的 AT 命令集 28 3 7 电源设计 29 3 7 1 直流稳压电源设计原理介绍 29 3 7 2 硬件电路设计 30 3 7 2 1 变压器选型 30 3 7 2 2 整流电路设计 30 3 7 2 3 滤波电路设计 31 3 7 2 4 稳压电路设计 31 第四章第四章 软件系统设计软件系统设计 3232 4 1 系统软件流程总体设计 32 4 2 软件设计地址分配 33 4 3 各模块流程图设计 33 4 3 1 电网电量采集模块 33 III 4 3 2 电能表电量采集模块 34 4 3 3 相位检测模块 34 4 3 3 1 中断子程序 35 4 3 3 2 相位计算子程序 35 4 3 4 故障分析报警模块 36 4 3 5 键盘扫描模块 36 4 3 6 显示电路模块 37 4 3 6 1 显示主流程模块 37 4 3 6 2 故障显示 37 4 4 GSM 通讯模块 39 4 4 1 GSM 模块数据通信 39 4 4 2 短消息的收发 41 总总 结结 4242 参考文献参考文献 4343 英文资料原文英文资料原文 4444 英文资料翻译英文资料翻译 5959 致致 谢谢 7171 附录附录 1 1 程序清单程序清单 7272 1 第一章第一章 概述概述 1 11 1 设计背景设计背景 当今社会 电能作为重要能源之一 对其监测技术的要求不断提高 随着电力行 业体制改革不断深化 电网的运营和管理正逐步向市场开放 同时也给保障线路设备 正常 合理运行带来一系列的问题 为了实现公平 公正 公开的电力交易原则 电 能量损失监控系统的重要性比以往任何时候都更加突出 为此 电力部门投入了大量 的人力财力开展这方面的开发研究和工程实施工作 采用先进的计算机技术和测量技 术 设计电能量损失监控系统 解决困扰电力系统的难题 电能量计量主要实现电能 量的采集 数据的存储和处理 为结算和分析提供基本数据 从用户的使用情况来看 电能作为一种特殊的商品具有生产与使用同时进行和无 实物可见的特性 为使电能在流通环节上不造成无谓的损失 特别是防窃电方面 根 据众多窃电案例显示 窃电多从计量装置入手 电能表计量电量是由电压 电流 功 率因数三要素和时间的乘积决定 因此 改变三要素中的任何一个都可以使电能表慢 转甚至停转 鉴于各级电力公司是以电能量作为其计费 奖惩的主要依据 因此必须 有一个独立完整的系统来保证电能量采集 传送 处理过程的可靠性 唯一性 准确 性和连续性 随着全球移动通信系统 GSM Global System for Mobile Communications 的完 善和发展 运用其网络进行远程控制技术趋于完善和成熟 利用 GSM 网络将电能计量 技术与现代通信网络相结合 具有一次投资少 运营成本低 可靠性高的特点 可以 作为现有电网监控系统通信方式的重要补充 能实现无线网络对电力线路的监控 提高 电力系统的稳定性 实时性和性价比 具有比较广阔的市场前景 GSM 是一个开放的系 统 允许多种不同设备的接入 通过 GSM 网络的连接 电能量监测系统能够被应用扩 展到相当广泛的距离 彻底解决电能监测系统中所遇到的距离问题 1 21 2 电能量监测系统发展方向电能量监测系统发展方向 传统电能计量方式误差造成电力部门重大损失 难以满足电力市场计量的要求 今后发展方向应是智能化多功能电能表的分布式直接数字传送模式 数据传输逐步实 现网络化 综上所述 电能监测系统正步入成熟发展阶段 向高端延伸 形成集现代数字通 信技术 计算机软硬件技术 电能计量技术为一体的综合性实时信息采集与分析处理 系统 以公共的通信网络和多种通讯方式实现系统计算机主站和现场计量终端之间的 2 数据通讯 为电力市场提供更加快速 高效的服务 使电能得到合理的利用 1 31 3 设计内容设计内容 本设计是基于 GSM 网络的电能量损失监测系统 完成对电能量数据进行采集 存 储 计算 分析故障 数据传输的功能 电能量计量问题一般发生在输电线路的二次侧 通常有失压 欠压 计量电流短 路 开路或分流 错接线等故障 针对此 本次设计具体要求 1 具有线路电压 电流的幅值 相位的自动采集 转换 存储 2 能够读取电度表的实时计量值 3 能够分析判断出失压 欠压 计量电流短路 开路或分流 错接线等故障 4 可当地显示线路电压值 线路电流值 计量故障信息 5 能够根据监控中心需要 定时上传线路电压值 线路电流值 计量故障信息 6 具有故障报警与越限报警功能 7 按照 AT 命令集 生成 GSM 标准通信数据包 技术指标 1 额定工作电压 AC220V 10 50Hz 2 额定功耗 1W 3 工作环境条件 温度 20 55 湿度 95 4 精度 1 3 第二章第二章 系统设计系统设计 2 12 1 设计基本原理设计基本原理 基于设计要求 系统主要由三个单元组成 电能量采集单元 计量分析单元和通 讯网络单元 其中电能量采集单元又由两部分组成 电网线路电能量采集和电能表电量 采集 通过串口电路的连接 实现电能量采集 具体系统方框图如下 输 电 线 路 电压互感器电流互感器 信号整形放大信号整形放大 模数转换 单 片 机 电 能 表 串口电路 GSM 网络模块 报警电路 显示电路 串口电路 按照以上系统图的设计思路 设计原理是采用了微电子技术和单片机技术在用户 的低压电能表侧采集信号 数据送至单片机 由单片机对电压电流计量信号进行运算 处理 计算出相应三相交流电的实际电能量再与从电能表中获取的电量值相比较 判 断电能损失的原因 并将这些数据存储再微处理器的存储单元中 按照要求随时进行 4 网络传输 2 22 2 方案比较方案比较 2 2 12 2 1 微处理器方案选择微处理器方案选择 2 2 1 12 2 1 1 单片机公司现状单片机公司现状 1 Intel 公司是 MCS 51 系列单片机的创始者 它的单片机是针对控制优化设计的 适用于低功耗 高集成度和高性能要求的控制应用场合 在我国广泛应用的主要有 8051 子系列 80C51 子系列 以及 80C52 子系列等 MCS 51 系列单片机都集成了对时 间控制专门优化过的 8 位 CPU 可方便用于各种单片机控制的场合 2 美国 Atmel 公司主要在单片机领域已形成三大系列 分别为 C51 系列 AT89 系 列 AT91 系列 它的单片机在用 C 语言开发上都达到了极高的水平 Atmel 将自身先 进的 FLASH 存储器技术与 80C31 核心相结合 推出 AT89 系列精简指令的单片机 3 美国达拉斯 Dallas 半导体公司针对设计高速性能单片机 它的第一类单片 机产品是 8 位高速单片机系列 为提高指令的执行速度而进行多次改进 DSC80C320 就 是 DALLAS 公司最新生产的与 MCS 51 系列完全兼容的高速升级产品 由于用了重新设 计的微处理器内核 去除了多余的时钟和存储周期 运行于频率高达 33MHz 的外部时 钟下 因此 每一条指令的执行时间都比原来的 8051CPU 快 1 5 至 3 倍 根据设计要求 本次单片机选用具有双串口工作 针对做三相相位差的检测 在 高速性能上也有要求较高 美国 Dallas 公司生产的 DS80C320 是一个功能强大的微处 理器 对处理器内核重新设计后运行速度提高 特别适合速度要求较高的应用系统 采用 DS80C320 单片机 不但可以达到一般 16 位单片机的速度还可以缩短系统设计以 及调试周期 为提高应用系统的可靠性和抗干扰能力创造了良好的条件 所以达拉斯 公司的高速单片机系列更适用于本设计 2 2 1 22 2 1 2 单片机介绍单片机介绍 DS80C320 的主要性能特点如下 1 提供 4 个 8 位 I O 口 3 个 16 位定时 计数器 2 片内 RAM 共 256 字节 可寻址外部数据存储器和程序存储器均为 64KB 3 采用高速结构重新设计 CPU 内核 每个机器周期只有 4 个时钟周期 DS80C320 最 高工作频率可达 33MHZ 一条指令的最快执行时间为 121ns 4 采用双数据指针 DPTRs 可加快存储器数据块操作速度 访问片外存储器的速 度也可调整 以匹配不同存取速度的存储器 5 集成了电源失效时的复位功能及中断预报警功能 6 可编程的看门狗定时器 7 2 个硬件全双工的异步串行口 5 8 共有 13 个中断源 其中外部中断源 6 个 9 DS80C320 的工作电压范围为 4 5V 5 5V 在本次设计中 DS80C320 的双串口 I O 口 六个中断和三个计数器都得到了充分 的利用 2 2 22 2 2 电能量采集模块方案选择电能量采集模块方案选择 电能量采集系统分为两个部分 一部分是电网电量采集 另一部分是电能表测量 电量的采集 2 2 2 12 2 2 1 电网电量采集电网电量采集 1 电流电压检测通常用互感器 传感器测量 互感器是电力系统组成中的重要电气设备 主要承担电量采集和电气隔离的功能 随着电力技术的进步 输配电设备正向着智能化 组合化 紧凑型 远程监控等方向 发展 微机保护及通信技术逐步普及 互感器在实际应用中暴露出诸多不足 a 互感器受铁芯磁饱和影响 动态有效工作范围窄 精度波动大 b 为满足精度要求 电流测量和保护相互独立 线圈数量多 设备体积大 c 互感器二次侧发生开路和短路时 会出现危险过电压或过电流危害设备及人身 安全 d 其外围电路的设计考虑面很多 设计复杂 受其工艺结构和工作原理的限制 互感器很难从根本上解决上述问题 不符合设 计要求 传感器是一种能将物理量 化学量 生物量等转换成测量信号的电子器件 能输 出电压 电流 频率等多种形式的信号 满足信息传输 处理 记录 显示和控制等 功能要求 传感器优点是线性输出 精度高 稳定 工作范围广 不存在磁饱和问题 在测量范围内均呈线性 可以准确测量电量 故在本次系统设计电量检测上选择电流 电压传感器 并配合外围电路实现电量采集 2 电能量测量也可以利用集成芯片 电能量计量中 常用到 ADE7755 集成测量芯片 它是由两个模数转换器对来自电 压 电流传感器的电压信号进行数字化转换 在电流通道中还设计了可编程增益调节 电路 同时在电流通道中设计了高通滤波器 以消除电压 电流失调引起的有功功率 计算上的误差 瞬时功率信号是通过电压 电流信号的直接相乘得到 此瞬时功率信 号经过低通滤波器得到有功功率 ADE7755 的功率脉冲输出是通过对上述有功功率信息 的累计产生的 但是由于是高集成度的芯片 其工作要求较高 虽然在设计工作量上 有所降低但是其可靠性不高 不能体现设计思想 从上面的比较可以看出 用集成芯片直接测量电压电流值虽然在电路设计上比较 简单 但是其可靠性不高 直接影响了整个系统的运行效果 在本次设计中不采用集 6 成芯片测量电路 电压电流幅值采用传感器测量 一方面由于传感器可以输出多种形 式的信号 鉴于电路的需要 能够采用直流输出 另一方面 传感器的应用范围比较 广 技术水平也比较成熟 在本次设计中能够得到充分的运用 2 2 2 22 2 2 2 电能表电量采集电能表电量采集 1 电能表测量电量的采集首先涉及到了电能表的选择 就目前发展来看 各种结构 的电能表出现在实际应用中 最常见的几种还是电子式电能表 智能化电能表和感应 式电能表三种 感应式电能表已有 100 多年的生产历史 工艺成熟 价格低廉 过载能力强 可 靠性好 但是准确度等级较低 不易实现自动化 国家曾三次对感应式电能表进行抽 查 其合格率分别为 7 1 30 4 和 55 6 远远超出了国家规定的 2 的技术指标要求 机械磨损是感应式电能表无法克服的缺陷 磨损的后果是表计越走越慢 所以如果采 用感应式电能表 则需要在每 5 年进行一次更换 在人力财力上都是一种浪费 智能化电能表的主要功能是住户信息管理 安全防护和通信 主要是针对智能化 住宅区的硬件环境 所以不适于本设计中的电能表要求 全电子式电能表内部无机械磨擦而且准确度高 灵敏度高 易实现自动化计量 可实现遥测遥控 实现数据自动分析统计 计量中可有效排除人为因素干扰 功能多 数据可存储 综合上述 全电子式电能表更适合于本次设计 能达到工艺要求完成设计任务 2 从电能表中采集测量电量要通过串口连接 电子式电能表内具有的标准接口通常 为红外通信口 RS 485 通信口和 RS 232 通信口等 通过接口对电能表进行数据的信息 采集 RS 485 通信接口通信距离远 抗干扰能力强 数据传输可以达到 1200m 红外通信为一种看不见的光 波长为 0 76 到 1000 m 一般红外通信采用串行半双工通信方式 最远可达到 8m 但是通信干扰很大 且 为直线传播 通信时要求限制收发端直射 RS 232 串行通信是最常用的数据通信标准之一 其接口是一个异步全双工串行通 信接口 通信距离可以达到几十米 接口简单可靠 易于实现 目前广泛用于计算机 通信 根据设计实际要求 电能表数据的传输距离不长 所以按照可靠性和实用性选择 RS 232 串口通信来实现电能表的数据采集 2 2 32 2 3 相位测量电路方案选择相位测量电路方案选择 相位差是工业测控领域经常需要测量的参数 如电力系统中功率因数的测量 相 位差测量方法有很多 数字算法就有基于傅立叶变换的相位测量 传统的相位差测量 方法通常有两种 一种是基于硬件的测相方法 即 相位 脉宽 法 一种是基于软 7 件的测相方法 即功率比例法 1 基于傅立叶变换的相位测量是首先对信号进行采样 然后对采样得到的序列 x n 进行运算 直接计算出基波的初相 从而计算出两信号的相位差 此种方法可 以从已失真的 具有多次谐波和噪声的工频电压和电流信号中测得严格意义上的工频 电压和工频电流之间的相位差 但是用傅立叶变换计算对象信号频率如果是确定的 可以直接对信号进行整周期采样 但多数情况是测量信号的片频率是不稳定的 所以 必须在采样前精密计算出信号周期 使计算复杂化 2 功率比例法是一种基于软件的相位测量方法 它是利用对电压 电流信号进行交 流采样所获得的数据 按照一定的计算方法 将隐含在这些离散的采样数据中的相位 关系计算出来 但是 功率比例法只适用于同一负载上的电压与电流之间的相位角 如果要监测三相之间的相位角 这种方法就不太适用 3 相位 脉宽 法 是指两路信号经过零比较后 得到同周期的方波 通过微处 理器的定时或计数器对脉冲宽度计数 这种方法简单通用 电路结构简单 物理概念 简明 软件易于实现 因此在有关相位差的测量技术中得到了及其广泛的应用 本次设计要求三相电压电流的相位差测量 考虑到实用性和简宜的原则 相位 脉宽 法更适合运用于设计当中 并且此种方法能够使电路设计更加简单 2 2 42 2 4 模数转换方案选择模数转换方案选择 交流电压电流信号经过传感器转换成电信号模拟量后 需经过模数转换变成数字 信号才可送入数字系统进行处理和控制 A D 转换技术是实现各种模拟信号转换为数字 信号的桥梁 作为将模拟信号转换成数字信号的 A D 转换技术主要有 积分型 ADC 逐 次逼近型 ADC 并行 ADC 等 积分型 ADC 又单积分和双积分两种转换方式 单积分转换精度不高 受内部斜波 电压发生器 比较器精度等的影响 双积分型转换器虽然在精度上得到了提高 可以 达到 22 位 但是转换速度太慢 转换精度随转换速率的增加而降低 逐次逼近型 ADC 按照二分搜索法的原理 将模拟信号与不同的参考电压进行多次 比较 使转换后的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量的对应值 它的特点是转换速 度高 电路实现上较其他转换方式成本低 并行 ADC 是目前速度最快的一种结构 但是随着分辨率的提高 电路愈复杂 一 般分辨率在 8 位以内 A D 转换器技术是建立在先进的芯片技术基础上的 有 16 位 100MHz 以及 8 10 位 8 10GHz 的低电源 低功耗 高速 高进度的高性能 A D 转换器 本设计中要求精度为 1 所以选用分辨率位 8 位 A D 转换器即可满足设计要求 考虑到电路实现的可行性和转 换快速性的要求 上述三种转换方法逐次逼近型较为实用 2 2 52 2 5 显示电路方案选择显示电路方案选择 显示电路有很多种 最常见的两种是液晶显示和 LED 显示 LED 显示具有轻薄 省 电 成本低的特点 是单片机应用中常用的显示方式 如果与键盘配合还可实现人机 对话 并且 LED 与单片机的接口方法有很多 可用 74LS274 74LS248 直接驱动 LED 可 也用带有所存功能的芯片驱动 选择范围广 使用简单 针对此在本次设计选用 LED 显示电路实现数据的实时显示 LED 显示有两种显示方式 静态显示方式和动态显示方式 1 静态显示就是将共阴极 LED 显示器的阴极连接在一起 当显示某一个字符时 相 应的发光二极管就导通 每一位 LED 可独立显示 静态显示的优点是所需驱动电流小 显示稳定 但是在多位显示中不经常使用 2 动态显示就是用扫描的方式 一位一位地轮流点亮 LED 显示器的每一位 这样给 人一种视觉暂停的效应 实现多位同时点亮的效果 设计要求当地显示线路电压值 线路电流值 是多位显示 静态显示显然不合适 故在本设计中采用动态显示以满足设计要求 2 2 62 2 6 通信网络方案选择通信网络方案选择 目前比较成熟的通信方式有近距离通信方式和远距离通信方式 1 近距离通信方式分为 短距无线 采用蓝牙或低发射功率无线通信 通信距离可以达到 1000m 电力载波 信号通过调制后耦合到电力线上 再在集中器中解调复原信号 低压 载 波通信距离可以达到 2000m 有线 采用各种总线方式 如 RS 485 RS 422 M BUS 总线等 2 远距离通信方式 无线通信 采用专用无线网络 如频率在 200 400Mhz 的无线电台 采用电信的移 动通信网 如 GPRS GSM 光纤通信 采用光纤通信 电话线通信 采用电信的公用电话通信网进行数据传输 电能量监测系统是一个远程控制系统 其通讯网络的选择应该基于远距离通信方 式 在远距离通信方式中 以光纤作为传输媒介的通信方式 它是近 30 年迅猛发展起 来的高新技术 具有传输频带宽 通信容量大 由于光纤衰减小 无中继设备 故传 输距离远 干扰小 信号传输质量好 但是光纤通信成本高 尤其是电能监测专门进 行远距离铺设不实际 在连接技术复杂程度上也不被接受 9 电话线通信有一定的局限性 电能量监测系统针对众多的电网用户进行实时监测 由于监测点分散 分布范围广 有一部分还设在环境条件较恶劣的地区 没有架设好 的电话线可以利用 要通过电话线通信很难实现 在本设计中不可用 利用 GSM 网络作为无线智能监控系统的信息传输平台是一种很有效的方法 其原 理简单 安全保密性高 又不需要组建专用的网络和维护网络 加上 GSM 网络覆盖面 广 因此与传统的监控系统相比有着其独特的优势 所以本次设计中选用了 GSM 网络 作为通讯网络 10 第三章第三章 硬件电路设计硬件电路设计 3 13 1 单片机外围电路设计单片机外围电路设计 3 1 13 1 1 单片机介绍单片机介绍 1 DS80C320 高速度低功耗单片机原理 DS80C320 单片机是兼容传统 80C32 的高速单片机 它采用经过重新优化设计的 C52 处理器内核 最终使得每一个机器周期包含 4 个时钟周期 因此在相同的时钟频率 下 DS80C320 单片机执行一条指令的速度是 80C32 的 1 5 3 倍 即在使用相同的程序 和相同的时钟频率 将原有设计中的 80C32 用 DS80C320 代替 执行速度将有平均约 2 5 倍的提升 DS80C320 采用 40 脚 DIP 44 脚 PLCC 及 44 脚 TQFP 封装 其引脚排列如下图所示 2 引脚说明 VCC 芯片主电源 接 5V 11 ALE 地址锁存有效信号 PSEN 外部程序存储器选择信号 并在外部程序存储器读取指令时产生 指令内容读 到数据总线上 EA 访问外部程序存储器控制信号输入端 P0 单片机的双向数据总线和低 8 位地址总线 在分时操作时 先用做地址总线 在 ALE 信号的下降沿 地址被锁存 然后作为数据总线 也可以作为双向并行 I O 口 P1 口 除作为通用 I O 口外 还有 P1 口的复用 P2 口 准双向 I O 口 在访问外部存储器时 用作高 8 位地址总线 P3 口 准双向 I O 口 高速结构 每个机器周期只要 4 个时钟周期 时钟频率最高可达 33MHz 或 18MHz 等量工作情况下 功耗更小 双重数据指针 使用可变时间长度的 MOVX 指令访问高 低速 RAM 或外部电路 例如 100 个字节存储块传送 DS80C320 工作时钟频率为 12MHz 时 若仅用一个数据指针实现 需要 971 s 用两个数据指针时 仅需 570 s 两个全双工串口 多达 6 个外部中断 总共 13 个中断 工作电压范围在 4 24V 到 5 5V 之间 3 外设及中断功能 串行口 DS80C320 除与 80C32 一样提供一个标准的串行口外 还提供第二个全双 工串行接口 这一新的串口在 SFR 中有独立的控制寄存器和数据缓冲 使用 SFR 中新 位置的控制字进行控制 P1 2 RXD1 和 P1 3 TXD1 进行收发数据 掉电复位 DS80C320 内部有一套完整的电源上电复位逻辑 当电低于复位阈值电 平时 CPU 将处于复位状态 而在 VCC 大于阈值电平后 振荡器开始起震 同时内部一 计数器开始计数 当计满 65536 个脉冲后 CPU 才进入运行状态 以确保电源和振荡器 已进入稳定状态 中断系统 DS80C320 的中断系统除具有 80C32 的六个中断源外 还提供了另外七 个中断 具体中断如下表 中断源说明入口地址优先级 PFI 掉电中断 33H1 SCON1 串口 1 中断 3BH8 INT2 外部中断 2 48H9 INT3 外部中断 3 4BH10 INT4 外部中断 4 53H11 INT5 外部中断 5 5BH12 WDT1 看门狗中断 63H13 12 根据本设计的需要 单片机的中断主要是在相位检测上 三相电路共有六路中断 其中 INT0 和 INT1 分别供给 A 相电流 电压 INT2 和 INT4 供给 B 相 INT3 和 INT5 为 C 相中断输入 3 1 23 1 2 最小系统电路设计最小系统电路设计 单片机的较小系统是指单片机能正常工作所必须的外围元件 首先根据单片机的 片内存储空间来判断是否需要扩展存储 其次是时钟电路和复位电路 单片机的时钟 由一个 12M 的石英晶体振荡器和两个 30pF 的小电容组成 时钟电路决定了单片机工作 的时间精度为 1 s 复位电路一般采用 10 F 电容和 10K 电阻组成 该电路能显著 增强单片机复位电路的抗干扰性能 DS80C320 单片机的最小系统接法与 80C51 80C32 系列单片机都是非常类似的 差 异不大 电路如下图 VCC 40 GND 20 RST 9 X1 19 X2 18 PSEN 29 ALE 30 AD0 39 AD1 38 AD2 37 AD3 36 AD4 35 AD5 34 AD6 33 AD7 32 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 RXD1 3 P1 3 TXD1 4 P1 4 INT2 5 P1 5 INT3 6 P1 6 INT4 7 P1 7 INT5 8 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 P2 7 A15 28 P3 0 RXD0 10 P3 1 TXD0 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 EA 31 U10 DS80C320 VCC C2 30pF C3 30pF VCC C1 10uF 12M 3 1 33 1 3 存储扩展电路设计存储扩展电路设计 DS80C320 只具有 256 字节的片内 RAM 和 64KB 外部数据 程序寻址能力 针对设计 需要存储能力较弱 故需要对其进行存储扩展 3 1 3 13 1 3 1 存储芯片存储芯片 用 8K 8 位数据存储器 RAM 7165 和 8K 8 位程序存储器 ROM 2764 将单片 机扩展为 64KB 的外部存储 3 1 3 23 1 3 2 扩展地址介绍扩展地址介绍 通过 7165 和 2764 的扩展 单片机存储为 8KB RAM 和 8KB ROM 其地址范围为 13 0000H 1FFFH 2000H 3FFFH 由上地址范围可知应用第十四位 P2 5 进行片选 其中 7165 的片选端通过非门与 P2 5 相连 2764 的片选端直接连在 P2 5 上 3 23 2 电能量测量电路硬件设计电能量测量电路硬件设计 3 2 13 2 1 电网电能测量电网电能测量 3 2 1 13 2 1 1 传感器芯片介绍传感器芯片介绍 电能量测量电路采用传感器测量 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种磁敏式传感 器 随着半导体技术的发展 霍尔效应被人们所重视和充分利用 本次设计中电流的 测量就选用涌纬公司 G 系列产品 YWG HSD 型霍尔电流传感器 电压传感器为力创科技 公司生产的 S3 VD 型电压传感器 1 YWG HSD 型霍尔电流传感器可以测量任意波形的电流 输出端能真实地反映输入 端电流或电压的波形参数 采用温度补偿电路进行控制 有效减小温漂对测量精度的 影响 确保测量准确 精度高 安装方便 售价低 根据设计要求可以选择 YWG HSD 50A 型电流传感器 性能指标 额定电流值 A 输入 输出 500 50A 0 4V 14 其准确度 1 0 线性度优于 0 2 失调 电压小于 20mV 温度漂移优于 100ppm 反应时间极快小于 10 s 工作耐压 AC 2KV min 1mA 以及工作环境 0 45 都能满 足设计要求 2 S3 VD 型电压传感器有极好的稳定性 能够对受干扰信号精确测量 S3 VD 系列 传感器将正选变化的电压信号转换成线性直流输出 并且与输入值成比例 故根据设计要求选择型号为 S3 VD 1 35V2C 其输入输出关系如下图 12 34 YWG HSD 50A 15V 15V 15 按照以上的关系 能够较为准确的测量出电网电压值 性能指标 精度为 0 2 工作电压为 DC24V 工作温度为 0 60 3 2 1 23 2 1 2 A DA D 转换芯片介绍转换芯片介绍 传感器输出为电压电流的模拟信号 交给单片机处理的必须是数字信号 所以在 将传感器输出送给单片机之前要经过一次 A D 转换完成信号的转变 根据设计要求 8 位 A D 转换器的精度为 0 04 4 设计任务中精度要求 5 所以满足设计要求 8 1 2 ADC0809 转换器是国内应用最多的模数转换器件 它是逐次 8 位逼近式 A D 转换器 可以和单片机直接接口 ADC0809 由一个 8 路模拟开关 一个地址锁存译码器 一个 A D 转换器和一个三态输出锁存器组成 多路开关可以选通 8 个模拟通道 允许 8 路模 拟量分时输入 共用 A D 转换器进行转换 三态输出锁存器用于锁存 A D 转换完的数 字量 当 OE 端为高电平时 才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据 ADC0809 应用 1 ADC0809 内部带有输出锁存器 可以与单片机直接相连 2 初始化时 使 ST 和 OE 信号全为低电平 3 根据 EOC 信号判断是否转换完毕 4 当 EOC 变为高电平时 给 OE 已高电平 转换的数据就输出给单片机了 ADC0809 工作方式的选择 A D 转换结束后 CPU 可以用查询方式或中断方式读走 A D 转换值 若采用查询方式 可将 EOC 直接连接单片机 通过指令让单片机查询 若 采用中断方式 将 EOC 经一个非门连接中断口 CPU 在中断服务程序中将 A D 转换值读 输入电压范围输入频率直流输出范围 0 300V 50Hz 0 5V 12 34 B2 S3 VD 1 35V2C 24V 16 走 在本次设计中 由于中断口有限 而再进行扩展又会增加电路的复杂性 达不到 设计简单化的要求 故采用单片机查询方式读取 A D 转换值 ADC0809 硬件连接图如下 IN3 1 IN4 2 IN5 3 IN6 4 IN7 5 START 6 EOC 7 D3 8 OE 9 CLK 10 VCC 11 REF 12 GND 13 D1 14 D2 15 REF 16 D0 17 D4 18 D5 19 D6 20 D7 21 ALE 22 ADD C 23 ADD B 24 ADD A 25 IN0 26 IN1 27 IN2 28 U9 ADC0809 VCC 3 2 1 U23A 7402 5 6 4 U24A 7402 T P2 7 WR RD ALE P2 7A0 A1 A2 ALE 3 2 23 2 2 电能表电量测量电能表电量测量 3 2 2 13 2 2 1 电能表介绍电能表介绍 电子式电能表是近几年来随着电子技术的迅猛发展而研制出来的一种新型电能表 因为测量精度高 工作频带宽 过载能力强 功耗低 功能全 计量准确 并且可以 在自动化抄表中实现远程集中抄表功能 电子式电能表的工作原理 有功电能是有功功率与时间的乘积 电子式电能表对被测量 U 和 I 先经过电压输 入电路和电流输入电路转换 得到工频交流功率的电压 U 和电流 I 的取样值 通过 2 个或 3 个模拟乘法器产生与电压成正比的信号 并经过模数转换将模拟量转换成数字 脉冲 再由计数器累积计数而测得在某段时间内的电能数值 最后得到电能值 电子式电能表的主要特点 准确度高 灵敏度好 稳定性强 在较小负荷时仍能做到计量准确 检定工作量 低 工作效率高 电子式电能表交流采样速率为 256 点 周波 记录周期最短为 10 毫 秒 开放式 高速率通信技术 系统运行状态刷新 数据记录 可直接远程读取电表 各种实际数据 电能质量参数 具有计量专用芯片以及防窃电等功能 在本次设计中选用中国凯力电器公司生产的 DSSD15N5 型三相电子式多功能电能表 采用美国 ADI 公司最新高精度计量芯片 专用的电能表集成电路 对采样电压和电流 信号进行处理 转换成与电能成正比的脉冲输出显示 依据规定的协议 将电量数据 17 传送 根据用户的用电管理需求设计 主要用于参比频率为 50Hz 的三相电网中 本表 具有精度高 稳定性好 工艺先进 实用性强 功能强大 操作方便等特点 可准确 快捷的对各种电参数进行测量计算 该表通信符合 DL T645 1997 多功能电能表通信 规约 的要求 具有标准通讯接口 主要为红外通信口 RS 485 通信口和 RS 232 通信 口等 按照设计实际环境 选用 RS 232 通讯接口 3 2 2 23 2 2 2 串口通讯介绍串口通讯介绍 串口通信协议基本的通信方式有并行通信和串行通信两种 并行通信是数据各位同 时传送 串行通信指数据一位一位顺序传送 并行通信 8 位数据并行传送需要 8 条数据传送线 而串行通信只需要一条传送线 因此 用串行通信节省了传输线 采用串行通信可大大降低成本 提高系统的可靠性 串行通信中要求发送和接收双方必须遵守统一的规定 这样才能保证通信正常进 行 这些对数据传送方式的规定就是通信协议 通信协议包括数据格式和时间限制等 方面的定义和要求 通信协议可由用户自己制定 也可采用标准通信协议 异步通信在设置上要注意两部分 1 字符格式 起始位为 1 位 字符编码为 N 位 即用 N 位来定义一个字符 则可以区分 2N 个字 符 N 二 7 时 可以定义 128 个字符 ASC 工工码 奇 偶校验占 1 位 奇偶校验是 在传输数据时 用以检验数据传送是否正确的一种方法 如果让发送数据中 1 的个 数为偶数 这样的校验方法叫做偶校验 否则 叫做奇校验 校验位也可以不要 停 止位可以是 1 位 1 5 位或 2 位 2 波特率 波特率以 1 秒钟可以传送的数据位数来定义 每秒位数的单位叫 波特 baud 假如收 发端采用波特率为 110 一个字符帧为 1 停止位 7 字符编码位 l 奇偶校 验位 2 停止位 二 11 位 则 1 秒钟至多可传送 110 11 二 10 个字符 常用的波特率有 75 110 300 600 1200 2400 4800 9600 和 192000 RS 232C 是异步通信中应用最广的接口标准 最简单的全双工连接最少只需三根导 线 两个设备通过各自的 RXD 与 TXD 信号的交叉连接实现点对点通信 3 2 2 33 2 2 3 电平转换电路介绍及硬件图设计电平转换电路介绍及硬件图设计 本系统中 电能表电量测量要通过 RS 232 信道来传输数据 在 RS 232 接口电路 中规定 3V 15V 为 1 3V 15V 为 0 显然这与 TTL 的电平信号的规定是不 同的 需要使用电平转换电路 进行两种电平信号的转换 常用的电平转换电路是 MC1488 和 MC1489 前者是把 TTL 电平转换成 RS 232 电平 后者用于把 RS 232 电平转 换成 TTL 电平 由于 MC1488 需要使用正负 12V 的电源 设计麻烦 所以另选使用单一 18 5V 电源的芯片 这样需要通过内部自升压电路提供较高的电源 MAX232 就是典型的 此类芯片 芯片管脚图及外围电路图 使用时 此芯片需要外接四个 10 F 的电容并与单片机的 TXD 和 RXD 管脚相连 在与单片机连接的电路图如下 VCC C1 1 VS 2 C1 3 C2 4 C2 5 VS 6 T2OUT 7 R2IN 8 R2OUT 9 T2IN 10 T1IN 11 R1OUT 12 R1IN 13 T1OUT 14 GND 15 VCC 16 U13 MAX232 C11 10uF C13 10uF C12 10uF C14 10uF P3 1 P3 0 TXD RXD 3 33 3 相位检测电路硬件设计相位检测电路硬件设计 3 3 13 3 1 电压电流信号采集电压电流信号采集 电力系统中的电流电压一般为正弦量 正弦量的三要素分别为幅值 频率和初始 相角 对于同频率的电量来讲 幅值和相角是关键因素 幅值的测量用传感器实现 由于测量电压电流传感器的输出是直流的 所以在相位测量的时候对电压电流信号的 19 采集不能用传感器完成 而另外选用互感器 随着计算机测试技术在交流信号测量领 域的应用 互感器作为数据采集中的信号隔离 信号变换以及信号传送电路中的重要 组成部分 得到了长足的发展 对于精密微型互感器而言 具有极小的相位差 而一 般的数字相位测量计的测量精度为 0 2 无法满足测量精度要求 3 3 1 13 3 1 1 电流互感器选择电流互感器选择 电流互感器的选择应符合国家标准 注意额定电压 应与其一次的工作电压相一 致 电流互感器额定一次电流的确定 应保证其在正常运行中的实际负荷电流达到额 定电流值的 60 左右 至少应不小于 30 二次电流一般都采用 5A 和 1A 两种 当额定 电压为 330KV 及以上时选用 TA 的额定二次电流为 1A 其它电压等级选用 5A 精密电流互感器 根据设计要求选用型号 CT06 30 4 性能特点 PBT 外壳 耐高温 耐腐蚀 环氧树脂灌封 隔离性能好 抗冲击性强 体积小 外形美观 安装方便 插针式直接焊接线路板 线性好 精度高 线性范围宽 一致性好 电流互感器使用注意 电流互感器工作时 二次侧不允许开路 开路时二次线圈两端会出现峰值达数千 伏的高电压 危及人身安全 损坏互感器的绝缘 铁芯和线圈将因过热而损坏 电流 互感器必须按减极性连接 高压电流互感器要可靠接地 防止一次侧高压窜入二次侧 低压电流互感器有条件的也应该接地 3 3 1 23 3 1 2 电压互感器的选择电压互感器的选择 电压互感器按电压等级可以分为低压和高压 只有准确度等级在 0 2 0 5 级的电 压互感器才能用于电能测量 电压互感器的选择也应符合国家标准 额定电压指加在 三相电压互感器的线电压 应与供电线路的线电压相适应 选择时该额定电压应大于 接入的被测电压的 0 9 倍 小于 1 1 倍 本设计中选用北京森社电子有限公司生产的精密电压互感器 CHG 300VB 主要性能参数 20 额定电压 AC 300V 测量范围 AC 0 360V 输出电压 AC 输出额定值 5V AC 精度 0 5 电压互感器使用注意 按要求的相序接线 防止接错极性 否则将引起某相的线电压改变 引起错误计 量 二次侧要可靠接地 以防一次侧的高压窜入二次侧造成危害 保证人身及电能表 的安全 二次侧严禁短路 否则造成烧断一次侧熔断器 计量停止 对于互感器也要进行周期检定和现场校验 3 3 23 3 2 过零比较电路设计过零比较电路设计 3 3 2 13 3 2 1 相位差测量原理相位差测量原理 相位差测量技术的发展和完善 使其应用已深入到众多领域 是科学研究不可缺 少的部分 相位差的测量方法通常是将两个信号转换为方波 再根据两信号的过零点 测出时间差 计算出相位差 过零比较的设计基于电压信号和电流信号分别经过各自的放大 限幅和整形电路 送至相应的过零比较器 过零比较器的输出为方波信号 如下图 两路过零比较器的 输出信号分别送入单片机的中断 启动单片机的内部计数器进行计数 通过软件编程 实现相位差的计算 T 1 f 为计数器计数时间 360Pt T t 21 3 3 2 23 3 2 2 过零比较器工作原理过零比较器工作原理 过零比较器 其阈值电压 0V 电路和传输特性如下图 集成运放工作在开环 f U 状态 其输出电压为 或 当输入电压 0 使 当输入电压 om U om U f U o U om U 0 时 过零比较器能将输入的正弦波转换成矩形波 f U o U om U 其波形图如下 22 为了获取特定输出电压或限制输出电压值 在输出端采取稳压管限幅 如图 a 所 示 为两只反向串联的稳压管 也可以采用一个双向稳压管 实现双向限 1D U 2D U 幅 当输入电压 大于基准电压时 正向导通 反向导通限幅 不考虑 S U REF U 1D U 2D U 二极管正向管压降时 输出电压 O U REF U I U 当输入电压小于基准电压时 反向导通限幅 正向导通 不考虑 S U REF U 1D U 2D U 二极管正向管压降时 输出电压 O U REF U I U 因此 输出电压被限制在之间 显而易见 0 即过零比较器的输 REF U I U REF U 出电压被限制在之间 I U 在图 b 中 不考虑二极管正向管压降 由前面所学的二极管知识分析可知 输出 电压被限制在之间 I U 图 a 图 b 为了保护运算放大器 防止因输入电压过高而损坏运放 在运放的两输入端之间 并联接入两个二极管进行限幅 使输入电压在0 7V 左右 如下图所示 图 4 31 具有输入保护的电压比较器 本设计中 正弦信号过零比较采用 LM2901 该芯片能对微弱信号进行比较 放大 23 整形为 TTL 电平信号 LM2901 作用于 5V 的单电源方式 转换速率高 开环增益高 在系统中 例如 B 相电压电流信号经过零比较后送入单片机的外部中断 在中断 INT0 服务程序中 将计数脉冲控制开关打开 计数器开始计数 在 INT1 中断服务程序中 计数脉冲控制开关关闭 停止计数 计数值参与电能量的计算 硬件连接图如下 12 34 CT1 CT01 30 4 2 4 5 312 U17A LM2901D D2D1 R1 Res2 R2 Res2 VCC INT2 放大器 LM2901 输入端额定电流为 4 20mA 互感器最大输出电压为 5V 故电阻值为 5 4 1 25K 选 2K 普通二极管选择为硅管 稳压二极管稳定电压值小于 5V 选用 2CW130 其稳定电压为 3 4 5V 3 43 4 LEDLED 显示电路硬件设计显示电路硬件设计 七段数字显示是单片机应用中常见的显示方式 它通常由译码器 驱动器和显示 器等部分组成 在多位数字显示时 将各显示器接到 3 8 译码器上进行片选 若想使 某位发光显示 可向其输入数值编码 当循环显示各位的速度够快时 看起来显示器 同时显示不同的数值 在设计这类电路时必须注意 每位点亮的时间很短 要使显示 器有足够的亮度 应选用负载能力大的驱动器件 本设计中采用 CD4511 驱动芯片 半导体发光二极管显示器是数字电路中使用最多的显示器 它有共阳极和共阴极 两种接法 共阳极接法是各发光二极管阳极相接 对应极接低电平时亮