00-110903-0014-基于单片机最小系统下电网数据采集的设计.doc

目 录1、毕业论文正文2、皖西学院本科毕业论文（设计）任务书3、皖西学院本科毕业论文（设计）开题报告4、皖西学院本科毕业论文（设计）中期检查表5、皖西学院本科毕业论文（设计）指导教师意见表6、皖西学院本科毕业论文（设计）评阅教师意见表7、皖西学院本科毕业论文（设计）答辩记录表基于单片机最小系统下电网数据采集的设计作 者张剑指导教师张 斌摘要：电网系统数据（包括电流、电压、频率、电能开关量等）的电量采集，要求高精度、高可靠性以及高速度。为了实现这一目标，必须采用较先进的计算机技术、数据处理技术以及通信。本文设计的系统不用单片机定时中断采样，不用单片机下达指令对数据进行采样，而是直接通过硬件将采样数据送入双口RAM中，从而保证了单片机有充足的时间对数据进行修正、计算处理，与其他装置进行通信。关键词: 采样 单片机 电能计量 电压 Microcomputer-based data acquisition system, the design of power gridAbstract: Power system data (including current, voltage, frequency, power switching capacity, etc.) electric energy acquisition, requires high precision, high reliability and speed. To achieve this goal, we must use more advanced computer technology, data processing and communications. This single chip design of the system without interruption of sampling time, do not give instructions to the MCU data sampling, but sampling data directly through the hardware will be sent to dual-port RAM in the microcontroller in order to ensure sufficient time to amend the data, computing, communicate with other devices.Keywords: sampling Champing power-measuring Voltage 目 录1 绪论52 系统设计62.1系统的基本构成62.2 系统设计内容63 硬件系统设计73.1硬件系统设计框图73.2 系统硬件电路设计84.软件设计144.1系统主程序设计144.2 A/D转换子程序设计144.3显示子程序155 系统调试176 总结18致 谢19第 18 页1 绪论伴随着经济的持续快速发展，电网作为现代生活的基础、工业和信息化社会的脊柱，其发展越来越受到重视。采集技术的发展也跟随着电网的发展而迅猛发展，在电力系统中，电网数据采集系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟。它作为信号采集系统，有着信息完整、提高效率、正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势，现已经成为电力调度不可缺少的工具。它对提高电网运行的可靠性、安全性与经济效益，减轻调度员的负担，实现电力调度自动化与现代化，提高调度的效率和水平中方面有着不可替代的作用。电网数据采集系统自诞生之日起就与计算机技术的发展紧密相关。电网数据采集系统发展到今天已经经历了三代。第一代是基于专用计算机和专用操作系统的电网数据采集系统，如电力自动化研究院为华北电网开发的SD176系统以及在日本日立公司为我国铁道电气化远动系统所设计的H-80M系统。这一阶段是从计算机运用到电网数据采集系统时开始到70年代。 第二代是80年代基于通用计算机的电网数据采集系统。在第二代中，广泛采用VAX等其它计算机以及其它通用工作站，操作系统一般是通用的UNIX操作系统。在这一阶段，电网数据采集系统在电网调度自动化中与经济运行分析，自动发电控制（AGC）以及网络分析结合到一起构成了EMS系统（能量管理系统）。90年代按照开放的原则，基于分布式计算机网络以及关系数据库技术的能够实现大范围联网的EMS/电网数据采集系统称为第三代。本文设计的系统采用直接通过硬件将采样数据送入双口RAM中，利用单片机对数据进行修正、计算处理，与其他装置进行通信。2 系统设计2.1系统的基本构成该系统主要由隔离变换器，采样保持器，双端RAM，80C196，数据显示模块等构成.系统基本框图如图1：电网信号隔离变换器采样保持器双端RAM80C196数据显 示图1 系统组成基本框图2.2 系统设计内容电网信号经隔离变换器进行变换后，变换成0-5V的小信号，首先送入采样保持器。多路选择器从多路信号中选择一路送入A/D转换器中，A/D转换器采用了12位的MAX191芯片。A/D转换时间是由74HC393和GAL20V8组成的逻辑电路按每一周波32个采集点的采样速度将数据自动采集到双端口RAM中。每个转换后的数据按每次转换的计数累加值存入相应的RAM地址单元。双端口RAM采用IDT7132芯片。单片机采用16位单片机80C196处理器。最终数据的输出时通过现场总线CAN把处理后的数据发送出去。CAN通信电路由82C200和82C250组成。系统采用的自动校准满量程技术，这主要是方便系统调试而设计的。3 硬件系统设计3.1硬件系统设计框图硬件系统框图如图二图二 硬件系统框图利用双端口RAM直接进行数据采集技术现场信号经隔离变换器输入A/D转换电路，12位快速A/D转换后，为了实现将转换后的数据送入双端口RAM中指定地址。单片机在程序的开始，初始化8254芯片的第0个计数器按工作模式2运行，对CLK8254脉冲信号进行技术，而CLK8254信号来自控制逻辑电路，它为系统频率12MHz的二分频时钟信号。8254的计数值为0EAH，这样可以使OUT8254信号每间隔0.039ms发出一个脉冲信号。8254的计数值将随着装置对电网频率的测量进行重新计算，并在程序中重新赋值，以保证每个周波32个采集点的准确时刻，从而保证对电网电量有效值计算的精度。由这个OUT8254信号通过逻辑电路产生CS191和IDTR片选信号。这2个信号都有效时，逻辑电路选择下一个通道，并启动A/D转换。这一过程不断重复，即将现场信号不断的采集进双端口RAM中。3.2 系统硬件电路设计3.2.1 系统采用电路设计采样电路为电能计量的关键电路。该电路以AD7755为核心的计能转换成标准脉冲信号送到单片机处理电路。图三为采样模块电路图 图三 系统采样电路采样电路通过采样电阻(锰铜合金制成)获取的电流采样信号由芯片5, 6脚输入，经过可变电阻网络R28，R27， R26，R25， R24， R21， R20， R5， RX 等衰减后的电压采样信号由芯片7、8脚输入，两路信号在芯片内部实现电能计量累加运算，并在内部实现A/D转换，以脉冲方式由23, 24脚输出供给机械计度器，由22脚输出经光耦合隔离后经母板插座通过选通的三态门输入到单片机的P3.4脚进行数据采集与处理。系统工作参数设定在1600imp/kWh。图中Rx为精度调节电位器，通过调节电压信号达到电表精度调节。电感L0, L1, L2等用于抑制电网干扰。系统采用模拟地与数字地分离接地方式，通过电感LO实现直流共地并阻隔交流干扰。3.2.2 LED数码管显示电路设计LED数码显示电路，如图四图四 LED数码显示电路74HC595是硅结构的CMOS器件， 兼容低电压TTL电路，遵守JEDEC标准。 74HC595是具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。 移位寄存器和存储器是分别的时钟。 数据在SCHcp的上升沿输入，在STcp的上升沿进入的存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。 移位寄存器有一个串行移位输入（Ds），和一个串行输出（Q7）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。 8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器，具有高阻关断状态。三态。8位串行输入 /8位串行或并行输出 存储状态寄存器，三种状态 输出寄存器可以直接清除 100MHz的移位频率并行输出，总线驱动； 串行输出；标准中等规模集成电路 595移位寄存器有一个串行移位输入（Ds），和一个串行输出（Q7）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。CPD决定动态的能耗， PDCPDVCCf1+(CLVCC2f0) F1输入频率，CL输出电容 f0输出频率（MHz） Vcc=电源电压符号 引脚 描述 Q0Q7 15， 1， 7 并行数据输出 GND 8 地 Q7 9 串行数据输出 MR 10 主复位（低电平） SHCP 11 移位寄存器时钟输入 STCP 12 存储寄存器时钟输入 OE 13 输出有效（低电平） DS 14 串行数据输入 VCC 16 电源输入 输出 功能 SHCP STCP OE MR DS Q7 Qn L L NC MR为低电平时仅仅影响移位寄存器 L L L L 空移位寄存器到输出寄存器 H L L Z 清空移位寄存器，并行输出为高阻状态 L H H Q6 NC 逻辑高电平移入移位寄存器状态0，包含所有的移位寄存器状态 移入，例如，以前的状态6（内部Q6”）出现在串行输出位。 L H NC Qn 移位寄存器的内容到达保持寄存器并从并口输出 L H Q6Qn 移位寄存器内容移入，先前的移位寄存器的内容到达保持寄存器并出。3.2.3 控制保护电路设计与分析（1）开关控制电路分析以BH3023为控制芯片的开关控制电路实现的自动开关控制，其核心器件是磁保持继电器及其驱动电路芯片BH3023.磁保持继电器区别于普通继电器的特点在于继电器一经触发即可保持开启与关断状态，触发信号撤消后继电器状态不变，因而无需保持触发信号。驱动芯片BH3023较采用分立晶体管驱动电路，具有线路简洁、可靠的优点。来自单片机P1.6、 7的开、关控制信号经光电隔离送至BH3023的输入端B, A，经输出端QA，QB控制继电器的通断，从而实现开，关控制。电阻R29即是光耦电路的输出电阻，也是驱动电阻BH3023的输入电阻，图五为开关控制电路图， 图五 开关控制电路图BH3023芯片是由输入门控电路、输出端A、B同时为“0”或“1”状态时判别保护电路、输出端二极管保护电路以及驱动电路组成。它主要用于控制BST-902系列磁保持继电器的工作，是理想的双向继电器驱动电路。 BH3023具有以下特点： 静态功耗电流低（小于1u A）； 高输入阻抗，与TTL、COMS及单片机兼容； 输入触发方式可以是脉冲，也可以是电平； 输出驱动极内部加二极管正、反向保护； 输出驱动有足够大的输出电流（大于80mA）。 BH3023真值表：表一 BH3023真值表（2）数据选择器设计系统采用的选择器由两片8选1通用数据选择芯片74LS151进行级连获得，74LS151是一种典型的数字电路数据选择器，它有3个地址输入端CBA，可选择D0-D78个数据源，具有两个互补输出端，同相输出端Y，和反相输出端W，其引脚图和功能表分别如图六、表二所示；图六 74LS151引脚图 表二 74LS151的功能表将两片74LS151连接成一个16选1的数据选择器如图7所示，其地址选择输入有4位，其最高为D与一个8选1数据选择器的使能端相连，经过一个反相器后与另一个数据选择器的使端相连接，低3位地址选择输入端CBA由两片74LS151的地址选择输入端相对应连接而成。图7 用两片8选1数据选择器连成的16选1数据选择器（3）数据分配器设计数据分配器是数据选择器的反用，是将从一个数据源来的数据根据需要送到多个不同的通道上去。它的作用相当于多个输出的单刀多掷开关。本系统采用的分配器是由两片74LS138级连成的4-16线多路分配器，芯片级连图如图8示。图8 由两片74LS138级连成的4-16线数据分配器图为避免各采样模块通过共地造成各房间火线相联(采样电路为火地)产生干扰与危险，每块采样模块的电能采样电路均采用单独电源供电。各继电器驱动电路所需电源由12V开关电源集中供电，每个控制柜使用一个12V开关电源。采样电路电源设计采用交流电通过电容降压的方式整流、滤波后经稳压电路输出。在此不可以将采样电路电源地与开关电路电源地(也。是系统信号地)混在一起4.软件设计4.1系统主程序设计系统主程序流程图如图9图9 系统主程序流程图4.2 A/D转换子程序设计A/D转换子程序流程图如图10所示。图10 A/D转换子程序流程图4.3显示子程序显示子程序采用动态扫描法实现四位数码管的数值显示。测量所得的A/D转换数据放在数据段NUM的4字节存储单元，测量数据在显示时需要转换为十进制BCD码放在BCD0BCD3单元中，其中BCD3存放的是输入电压路数。由于ADC0809是将模拟信号转换为数字信号，所以要将数字信号转换为对应的电压值，公式为VDATA/51。转换时取一位整数和两位小数，再将数据转换为显示码就可以输出显示了。显示子程序流程图如图11所示。显示子程序中调用了BCD码转换子程序和4位数据显示子程序，BCD码转换程序是将数据转换为BCD码值。4位显示子程序是将每组数据输出，主要是将对应的段码和位码输出，注意小数点的处理。延时子程序利用8253计时1ms，用8255来查询计时是否完成。开始对SMC1602B初始化写入显示设置命令延时5ms检测忙信号STA7=0?获得显示RAM地址延时5ms写入相应数据数据显示完毕？返回主程序NYNY图11 显示子程序流程图5 系统调试调试部分是本设计的又一重点部分，如何按设计要求的实现实物制作，不仅是本设计的重要要求，而且也是本设计最终的目标。实现设计的目标，是关系到本设计的最重要的一步10。调试步骤，第一，检查硬件电路的连接，是否正确，做出进一步确定，当发现硬件确实是正确无误，通电测试硬件。第二，当完成了第一步之后，可以把编译成二进制代码的程序灌进单片机，进行通电调试，观察显示是否符合设计的要求，验证采集来的信号是不是与现实的数据对应，如果不符合要求，修改程序，使之达到要求。第三，作进一步的固定，防止线路的震动影响系统的稳定性。调试过程中信号采用异常。A/D转换出现异常，开始的时候是没注意到这个问题，经过调试发现的，最后选用频率较高的晶振，设置较高的串行通信波特率才解决这一问题。另外，发现无法准确拨号，最后检查下线路，发现是转换芯片不灵，换了芯片后，终于可以准确拨号了。经过多次调试最终可以采集模拟控制信号，进行数模转换，并利用单片机进行数据处理显示。6 总结现将本文设计的系统的几个特点总结如下：1、A/D转换电路无可调电阻对零点和满量程进行调整，系统的零点和满量程是通过软件进行整定的。2、选择A/D转换通道、启动A/D转换、将A/D转换的结果存入双口RAM均不占用单片机时间，全部由硬件逻辑电路完成。3、采样时间由硬件计数器发出，无需单片机定时中断采样。而且计数器的计数值用实际测得电网频率修正。4、单片机通过检测双端口RAM的地址来获得每周波采样是否结束，然后提取双口RAM中的所有采样值，以便进行下一次数据采集。5、单片机只负责模拟量的误差修正、模拟量的计算处理、数据的发送通信。致 谢在论文完成之际，向我尊敬的指导教师张斌老师表示诚挚的感谢。在四年的大学生活中，张斌老师严谨认真的治学态度