变电所监控.doc

安徽理工大学自动化专业毕业设计 I 摘 要 本设计的主要内容为6KV变电所微机网络监控系统设计 系统接口电路通过微机 的RS 232串行接口和87C552单片机的串行接口 构成RS 485的多机通信网络 此系 统通过VB6 0中的通信控件MSCOM实现了以PC主机与多台单片机分站的串行通行 并 利用VB6 0编程进行实时数据的采集处理及控制 系统的上位机采用VB开发 可以实 时显示及保存采集数据 上位机软件部分通过ADO数据访问技术访问系统数据库 将采集到的数据以图形 或表格的形式显示出来 本系统下位机主要采用87C552系列单片机系列 当系统出 现故障时 单片机能及时地检测 捕获故障信息并加以处理 系统还具有数据查询 系统通信测试等功能 本系统已经完成的部分实验运行结果表明 各项性能指标基本达到设计要求 运行稳定 可靠 该系统控制有效 运行安全 维护量小 成本低廉 关键词 微机网络监控 单片机 串行通信 RS 485 安徽理工大学自动化专业毕业设计 II Abstract This design primary coverage is the 6KV transformer substation long distance microcomputer supervisory system design The system connection electric circuit through the microcomputer RS 232 serial interface and the 87C552 single chip micro computer serial interface constitutes the RS 485 many machine correspondence network This system controlled MSCOM through VB6 0 in correspondence to realize serially passed through by the PC main engine with the multi Taiwan monolithic integrated circuit substation and carried on the real time data using the VB6 0 programming gathering processing and the control The system on position machine uses the VB development May the real time display and the preserved gathering data On the position machine software part through the ADO data accessing technology visit system database the data which gathers demonstrates by the graph or the form This system lower position machine mainly uses the 87C552 series single chip micro computer series When the system appears the breakdown the monolithic function examines promptly the capture breakdown information and processes The system also has the data inquiry reports to the police functions and so on system communication test The experimental operation results show that the system with all characteristics indexes being satisfied with the design requirements can operate stably and reliably The system run safely and maintenance of the system is small The system is a cost low system Keywords computer moniter control system single chip micro computer computer series communication RS 485 安徽理工大学自动化专业毕业设计 III 摘摘 要要 I ABSTRACT II 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 1 变电所远程监控系统的基本概念 1 1 2 变电所远程监控系统的组成及特点 1 1 2 1 6KV变电所远程监控系统的组成 1 1 2 2 6KV变电所远程监控系统的特点 1 1 3 6KV 变电所远程监控系统的功能及任务 2 1 3 1 6KV变电所远程监控系统的功能 2 1 3 2 6KV变电所远程监控系统的任务 3 1 4 变电所远程监控系统的历史 现状及发展前景 3 1 5 本设计选题意义和系统采取的总体方案及其可行性 4 1 5 1 本设计选题意义 4 1 5 2 系统采取的总体方案及其可行性 5 第二章第二章 远端智能控制单元的设计远端智能控制单元的设计 6 2 1 远端智能控制单元的硬件设计基础 87C552 简介 6 2 1 1 概述 6 2 1 2 引脚配置及封装 7 2 1 3 定时器T2 9 2 1 4 I O端口结构 11 2 1 5 模拟输入电路 12 2 1 6 A D转换 12 2 1 7 87C552中断系统 14 2 2 远端智能控制单元的硬件设计 15 2 2 1 远端智能控制单元的硬件设计思路 16 2 2 2 87C552系列单片机引脚排列及其外接电路 17 2 2 3 三相电压 A相电流和零序电压的监测电路图 17 安徽理工大学自动化专业毕业设计 IV 2 2 4 相位差检测电路 19 2 2 5 继电器输出电路 21 2 2 6 键盘电路 21 2 2 7 显示电路 22 2 2 8 15v和 5v直流电源电路图 23 2 2 9 时钟电路以及复位电路 24 2 2 10 远端智能控制单元的工作原理 24 2 3 远端智能控制单元的蝡件设计以及流程图 25 2 3 1 主程序软件流程图和显示子程序图 25 2 3 2 键盘子程序软件流程图 26 2 3 3 T0中断子程序流程图以及相位差检测子程序流程图 27 2 3 4 串口中断输入服务子程序 28 第三章第三章 上位机的主要功能概述 工作原理上位机的主要功能概述 工作原理 29 3 1 上位机的主要功能概述 29 3 2 上位机的工作原理 29 第四章第四章 上位机与远端智能控制单元的通信上位机与远端智能控制单元的通信 30 4 1 上位机与远端智能控制单元的通信网络协议 30 4 2 上位机向远端智能控制单元发送数据的格式及命令码 30 4 3 远端智能控制单元向上位机上传数据的格式及 IO 状态 30 4 4 上位机与远端智能控制单元的接口电路 31 4 5 上位机与远端智能控制单元的通信原理 31 第五章第五章 微机远程监控系统上位机监控软件调试实验微机远程监控系统上位机监控软件调试实验 32 5 1 实验原理 32 5 2 实验过程 33 5 2 1 设计 33 5 2 2 运行 33 5 2 3 调试 33 附录附录 1 下位机的片内下位机的片内 RAM 区分配表区分配表 33 安徽理工大学自动化专业毕业设计 V 附录附录 2 程序清单程序清单 35 结束语结束语 58 致致 谢谢 59 参考书目参考书目 60 安徽理工大学自动化专业毕业设计 1 第一章 绪 论 1 11 1 变电所远程监控系统的基本概念变电所远程监控系统的基本概念 变电所是接受电能 变换电压和分配电能的场所 为了实现电能的经济输送和 满足用电设备对供电质量的要求 需要对电压进行多次变换 变电 这项任务是由 变电所完成的 监控是计算机对生产过程 被监视对象 的不同变量参数进行巡回 检测 将采集到的数据以一定格式在监视器上显示或通过打印机打印出来 实现对 生产过程的集中监视 并对采集到的数据进行分析处理 给出生产过程控制的建议 由过程的操纵者依给定的建议实现对过程的控制 1 21 2 变电所远程监控系统的组成及特点变电所远程监控系统的组成及特点 1 2 11 2 1 6KV6KV 变电所远程监控系统的组成变电所远程监控系统的组成 6KV 变电所微机远程监控系统由主站设备 PC 机 和远端设备单片机监控单元 87C552 两部分构成 系统硬件由主机及其外部设备 多台单片机智能控制单元 及其外部设备 RS 485 接口组成 远端设备安装在变电所内 每路一台 主要完成 对模拟量的采集和检测 将运行状态和数据发送给主站 并能接收主站发送来的命 令 主站设备是一台装有监控软件的 PC 机 安装在控制中心或值班室 进行设置参 数或控制 通过串口和远端设备相连 远端设备站软件可以管理整个系统的所有远 端设备 如 当远端送来的被控对象出现异常信息时 主站会提示报警 将数据存 入数据库中 并能提供历史数据查询及数据曲线的绘制等 上位机与下位机的通信 采用主从式 RS 485 接口通信网络 如图 1 2 1 所示 1 2 21 2 2 6KV6KV 变电所远程监控系统的特点变电所远程监控系统的特点 6KV 变电所采用微机远程监控系统后 对于一次系统没有影响 一次设计仍按常 规设计 二次系统的设计除保护外 在开关柜上有测量与控制信号 控制室的控制 与信号屏上仍有一套测量与控制信号 这两套测量信号与控制都进入计算机 为了 减小二次回路的负担 减少事故隐患 设计的工作量 工程投资及日后的维护工作 取消 了保护屏 信号屏 控制屏及测量表计 仅保留开关柜上的一部分 变电所二次系 统功能在采用微机监控后没有发生改变 而且在某些方面还得到加强 在采用变电 站成套微机保护后 二次回路设计变化较大 微机保护以一个配电回路为单位 把 这一回路的测量 保护及控制信号由一个独立的单片机来完成 形成一个独立完整 的微机监控单元 每一配电回路的单片机通过一根通信电缆相互连接 先将数据集 安徽理工大学自动化专业毕业设计 2 中到现场控 制站再传送到中控制站 这样就可以取消原来的保护屏 信号屏 控制屏及测量表 计 PC机 232 485通信网络 单 片 机 监 控 单 元 n 1 单 片 机 监 控 单 元 1 单 片 机 监 控 单 元 0 单 片 机 监 控 单 元 n 图 1 2 1 变电所远程监控系统的组成 变电所外部控制电缆的减少 简化了二次系统设计 减少了施工量并降低了工程综 合造价 提高了变电所的运行效率 此外 系统抗干扰能力强 可扩展性好 可对全厂供电系实现远距离测量 监 控 值班人员可以随时观察到整个供电系统的运行情况 出现事故时监控系统能立 即报警并进行打印记录 工作人员可以通过这些信息迅速判断事故发生地点 查找 事故发生原因 并及时做出相应的处理 从而减少停电的时间 日常工作时微机监 控系统还可以根据要求打印出各种测量数据 而不必象以前需要人工抄表记录 减 轻了工作人员的劳动强度 更为重要的是通过测控可合理地进行负荷调配 节约电 能 降低能耗 优化运行 安徽理工大学自动化专业毕业设计 3 1 31 3 6KV6KV 变电所远程监控系统的功能及任务变电所远程监控系统的功能及任务 1 3 11 3 1 6KV6KV 变电所远程监控系统的功能变电所远程监控系统的功能 随着单片机及微机技术的不断发展 特别是网络技术的应用 变电所远程监控 系统的范围越来越广 功能也越来越强大 此 6KV 变电所微机远程监控系统有如下 功能 a 数据采集功能 系统对所有的模拟量 开关量进行实时和定时数据采集 定 时数据可根据设定的时间间隔自动转存于硬盘作为历史记录 并能报表打印 b 数据处理功能 系统能对模拟量进行合理性的校验和上下限比较 对开关量 进行实时扫描 对事件记录输出并报警 对重要的历史数据进行处理并存盘 c 可通过监控主机的键盘和鼠标对断路器进行控制操作 1 3 21 3 2 6KV6KV 变电所远程监控系统的任务变电所远程监控系统的任务 目前我国众多大中型企业都面临技术改造问题 随着监控的覆盖面的扩大 监 控系统的任务也日益繁重 系统技术改造是一项重要的技改工作 此6KV微机远程监 控系统的主要任务就是监视变电站运行生产过程 实现各类操作控制 完成变电站生 产过程的监测与控制 所以该系统首先要能够实时采集全站生产过程中的各种实时 信息 更新数据库 为监控系统提供真实可靠的运行 能提供正常情况下的运行显示 调用所有的数据 完成各种管理提示及统计报表等工作 实时监视生产过程中的各类 异常报警 如短路 过载 过压 欠压 过电流 等信号 并做出相应的处理 此外 次系统不仅要在本地完成监视现场运行数据 对现场仪表进行标定 对 操作参数进行修改 实现各种先进控制 方便地完成对控制系统的监视 设置参数 等功能 而且在远程和异地也能实现控制系统操作和运行数据的传输 实现资源共享 1 41 4 变电所远程监控系统的历史 现状及发展前景变电所远程监控系统的历史 现状及发展前景 在早期的变电所微机远程监控系统中 设备较为简单 只能完成一些基本的操 作 如 数据采集 报警等 但是一旦系统出现故障 便不能进行正常的工作甚至 会造成大面积的断电事故 这是工矿企业和其他企业所不能允许的 我国现有的大中型企业的变电所远程监控系统大多采用分散的模拟量的监控系 统 这种监控系统庞大 复杂 可靠性差 浪费能源 而且使用大量人力 在大型 工矿企业 由于企业生产的特殊性决定了许多生产装置的安全性很高 这就要求有 很高的供电质量 否则将直接影响装置的安全生产及系统的综合生产能力 工业系 安徽理工大学自动化专业毕业设计 4 统几乎每年都有因供电故障而导致装置停车的事故发生 直接影响到各厂及公司的 经济效益 80 年代以来由于微机技术的发展 特别是进入 90 年代微机监控技术的不断升级 运动终端 当地监控等装置的相继更新换代 系统可以自检并能进行自诊断 自排 除故障等 大大提高了运行效率 随着世界经济一体化进程的加快 这些企业就必 须用先进的技术进行彻底改造 研制一套更为完备的监控系统 此系统用一台高性能 的计算机 上位机 对整个系统进行管理 用多台前端机 单片机智能控制单元 执行 分布式检测与控制任务 采用集检测 控制和管理为一体的计算机网络 集中分散型 系统 具有主从式微机网络形式 随着计算机技术的飞速发展 变电所远程监控系统的性能价格比越来越高 成 本也越来越低 这使其在各行业中得到更为广泛的应用 近年来 计算机技术和自 动控制技术也逐渐在工厂变电所中得到推广使用 变电所监控技术得到迅速发展 今后这一技术的发展 必将使变电所远程监控装置逐步取代变电所原有的继电保护 就地保护等常规设备 提高变电所安全经济运行效率 现在工业系统内已有许多 单位使用了变电所微机远程监控系统 目前变电所微机远程监控系统向下述方向发展 变电所站内综合自动化监控系 统 是将线路 电动机 电容器等微机保护测控装置结合起来而组成的集保护 测量 控制 通信于一体的新型变电所监控系统 该系统分为三层 变电站层 通信层 间 隔层 近几年来 变电站的各种微机监控装置得到了广泛应用 如微机保护装置 微机多功能电能表 微机直流监控装置 微机单相接地选线装置 微机故障滤波装 置 这些装置提供了大量的电网的运行和控制信息 如何全面迅速地收集处理这些 种类繁多 数量庞大 实时性和准确性要求较高的信息并进行有效的管理和控制 真正做到无人值班变电站和变电站自动化是自动化人员面临的重大课题 因此 变 电所微机监控系统是今后一段相当长时期的发展方向 1 51 5 本设计选题意义和本设计选题意义和系统采取的总体方案及其可行性系统采取的总体方案及其可行性 1 5 11 5 1 本设计选题意义本设计选题意义 随着自动控制技术和信息技术的迅速发展 以及80年代以来微机技术的发展 特别是进入90年代以来的微机监控系统中 电力系统已经成为城市经济活动的命脉 对城市经济发展和人民生活水平的提高起着十分重要的作用 近几年来 变电所电 压等级的迅速提高 容量的不断扩大和结构的优化升级 对自动化程度的要求也越来 安徽理工大学自动化专业毕业设计 5 越高 采用常规的仪表 光字牌 开关等对设备监控已很困难 特别是大中型变电所 更是难以实现 煤矿企业是电力系统的重要用户 对供电的可靠性要求很高 因此 对变电站也有了更高的要求 如 1 能对供电系统中每一路进线开关的电压 电流 相位差进行采集 并实现实时的测量和监视 2 能对供电系统中每一路进线开关 的电压 电流 功率因数 有功功率 无功功率 电度 频率 温度等数据进行报 表输出 3 能对供电系统中每一路的运行状况进行查询以及进行相应的控制和保护 4 能对供电系统中每一路的各种参数值进行设置 5 通过CRT能实现实时显示 主接线画面 并显示各种图形 曲线 图表以及故障后的历史画面显示等等 6 通 过打印机能打印测量和计算后的曲线 图表等 能随时完成召唤打印屏幕上显示的 内容 7 能通过微机键盘 在显示器上闪光等方式来操作断路器的合闸 分闸 可 避免误操作 为了解决以上问题 采用微机远程监控系统是一种较好的途径 通过微机远程 监控可随时观察供电系统的运行情况 进行自动检测并定时打印 以了解系统的工 作状况 并能够及时发现设备的异常情况及迅速处理异常或故障 实现系统的优化 1 5 21 5 2 系统采取的总体方案及其可行性系统采取的总体方案及其可行性 此6KV变电所远程监测系统是一个实时多任务的开放系统 主要通过采集供电系 统中每一路进线开关的电流 电压及相位差等 对供电系统中每一路进线开关在运 行期间的电压 电流 功率因数 有功功率 无功功率 电度 频率 温度等数据 进行检测 监视6KV进线 变压器 电压互感器 电流互感器等 对各路供电进行过 载保护 短路保护 过电压保护 欠电压保护 过电流保护 零序电流保护等 在 事故掉闸时可以发出报警信号 对过载 短路 过压 欠压 过电流 零序电流等 参数进行记录并制表打印 以便当可能的事故发生时能在事前进行故障预报 及时 发现并排除故障隐患 此系统还可对开关合闸及继电器保护环节的开关状态进行巡 回扫描和数据处理 使得即使事故出现后亦能进行事故追忆 事故顺序记录能重现 事故发生时的开关状态和运行参数等 为分析事故原因提供了详细的资料 在系统中 具有管理功能的上位机须要对单片机智能控制单元发布命令 作为 检测与控制的单片机智能控制单元则随时向上位机传送现场数据信息 形成多机通 信 在单片机智能控制单元即单片机87C552系统完成参数数据采集 处理 输出控 制信号 参数设定与修改 显示 声光报警及与上位机通信联络功能 上位机则需将 安徽理工大学自动化专业毕业设计 6 单片机智能控制单元所有信息进行综合处理 完成屏幕显示 设定与修改单片机智 能控制单元参数 打印表格 报表及报警功功能 上位机与单片机智能控制单元间 通过串行通信接口联系起来 由于单片机性能稳定可靠 接口通道配置简单灵活 数据传输方便快捷 价格 低等优点 从而为现场控制 数据采集 传输提供了良好的条件 PC机计算能力强 容量大 具有良好的人机界面的优点 这种一台PC机与多台单片机的远距离多机通 信是可行的 第二章 远端智能控制单元的设计 由于变电所的特点和实际需要 本设计的远端设备应能完成对模拟量 电压 电流 相位差 的采集和开关量的检测 能够通过通信接口将运行状态和数据发送 给主站 接收主机发送的命令 并进行相应参数设置或控制 在本智能控制单元 下位机 中 选择了 Philips 公司的 80C51 系列中的 87CS52 单片机 它是 80CSI 系列中的典型产品 与 Intel 公司的 MCS 51 系列单片机完全兼容 具有相同的指令 系统 地址空间和寻址方式 采用模块化的系统结构 且其在以 8051 为内核的基础 上增加了一些功能部件 这些新增的功能部件 电路 有 A D 转换器 捕捉输入 定时 输出 脉冲宽度调制输出 PWM IIC 总线接口 监视定时器 Watchdog Timer 等 2 12 1 远端智能控制单元远端智能控制单元的硬件设计基础的硬件设计基础 8787C C552552 简介简介 PHILIPS 80C51 系列单片机是以堪称 8 位工业标准微控制器的 Intel 8051 为 基础发展起来的加强型产品 其中最具代表性的便是 8XC552 它已被成功应用于 仪器仪表 工业控制以及汽车发动机和传送控制等广阔的领域中 2 1 12 1 1 概述概述 8XC552 单片 8 位微控制器以先进的 CMOS 工艺制成 为 80C51 微控制器大家族 中的一个分支 8XC552 用来泛指以下三个产品 83C552 含 8K 字节掩膜编程 ROM 256 字节 RAM 87C552 含 8K 字节 EPROM 256 字节 RAM 80C552 无 ROM 型 83C552 8XC552 具有如下特点 1 80C51 中央处理单元 使用 MCS 51 指令系统 安徽理工大学自动化专业毕业设计 7 2 8K 字节程序存储器 并可外扩展至 64K 字节 3 新增了一个 16 位定时 计数器 与 4 个捕捉寄存器及三个比较寄存器配合 使用 4 两个标准的定时 计数器 5 一个 8 路模拟输入的 10 位 A D 转换器 6 256 个字节 RAM 可外扩展至 64K 字节 7 五个 8 位 I O 端口和一个与模拟输入公用的输入端口 8 IIC 总线串行口 具有针对字节的主从功能 2 1 22 1 2 引脚配置及封装引脚配置及封装 8XC552 有 68 脚 LCC 塑料 PLCC 和陶瓷 CLCC 与 80 脚 QFP 两种封装 这里我们 首先介绍这两种形式下的引脚排列情况 然后再讲述这些引脚的功能 1 引脚排列 图 2 1 1 和图 2 1 2 所示为 LCC 和 QFP 两种封装形式的引脚排列情况 图 2 1 3 所示为 8XC552 的逻辑符号图 9 165 4 60 43 27 16 128XC552 LCC 80 65 1 4 64 41 2540 8XC552 QFP 图 2 1 1 LCC 封装形式的引脚排列 2 引脚功能 1 VDD 和 Vss 数字电路电源引脚 前者接 5V 供电电源 后者接数字地 2 AVDD 和 AVss 模拟电路电源正极和模拟地 3 STADC 输入 A D 转换信号 4 和 脉冲宽度调制输出引脚 0 和 10PWM1PWM 5 监视定时起开放引脚EW 6 P0 0 P0 7 P0 口引脚 8 位漏极开路的双向 I O 线 图 2 1 2 QFP 封装形式的引脚排列 安徽理工大学自动化专业毕业设计 8 7 P1 0 P1 7 P1 口 8 条 I O 引脚 复用功能如下 P1 0 P1 3定时器 T2 捕捉输入信号 P1 4定时器输入事件信号 P1 5 定时器外部复位信号 上升沿有效 P1 6 串行口时钟线 I2C 总线 P1 7串行口数据线 I2C 总线 8 P2 0 P2 7 P2 口准 8 位 I O 口 9 P3 0 P3 7 第二功能 V V XTAL1 XTAL2 EA V ALE FFO AVSS P5口 ADC P4口 CMSR0 5 RSTR CMT1 EW PO口 P1口 P2口 P3口 地址 数据总线 CT0I CT1I CT2I CT3I T2 RT2 SCL SDA SDA 图 2 1 3 8XC552 逻辑符号图 P3 2 INT0 P3 3 INT1 P3 4 T0 P3 5 T1 P3 6 WR P3 7 RD 安徽理工大学自动化专业毕业设计 9 P4 0 P4 7 准 8 位双向 I O 口 10 P5 0 P5 7 模拟量的输入 仅仅做输入口用 11 RST 复位 12 XTAL1 内部反向放大器输入 13 XTAL2 内部反向放大器输出 14 PSEN 外部程序存储器读允许 15 ALE 地址锁存信号 高电平有效 16 EA EA 1 从内部读取数据 片内访问程序存储器 17 Avref A D 转换参考电压 低端 18 Avref A D 转换参考电压 高端 2 1 32 1 3 定时器定时器 T2T2 2 1 3 12 1 3 1 内部结构内部结构 定时器 T2 是一个 16 位定时器 它主要有定标器与 T 高字节 TMH2 和低字节 TML2 高低字节有时合称 TML2 两个寄存器构成 CTI0 CT0 CTI1 CT2 CTI3CTI2 CT3CT1 12 定标器TML2 TMH2 8位溢出中断 16位溢出中断 比较器 CM0 S 比较器 CM1 R 比较器 CM2 T INT INT INT off Fosc T2 RT2 T2ER CT0I INTCT1IINT CT2IINTCT3IINT 2 1 3 22 1 3 2 定时器定时器 T2T2 控制寄存器控制寄存器 TM2CONTM2CON 图 2 1 2 定标器三位开关的切换 外部复位信号的开闭与 16 位溢出中断的选 图 2 1 1 定时器 T2 的内部结构图 安徽理工大学自动化专业毕业设计 10 择以及定标器分频因子的确定等问题 直接受控于定时器 T2 工作控制寄存器 TM2CON 定时器的复位有三种方法 1 复位引脚 RST 上的有效信号使 87C552 复位 2 在外部复位信号 T2ER TM2CON 5 置 1 情况下 把 RT2 P1 5 由低拉成高电平 T2IS1T2IS0T2ER T2BOT2P1T2P0T2MS1 T2MS0 16位溢出中断系统 字节溢出中断字节溢出中断标志 外部复位允许 分频因子 方式选择 76 54 32 1 0 2 1 3 32 1 3 3 输入捕捉逻辑输入捕捉逻辑 输入捕捉逻辑的功能是测量脉冲宽度 频率 周期 占空比和相位差等参数有 力工具 其中 CT0I CT3I 为 4 条独立的信号输入线 这 4 条输入线与 P1 口低位共用 每条输入线都有一个专门的 16 位捕捉寄存器 CT0 CT3 相连接 输入线上的正跳变 负跳变都可以看作一个事件 这样 某输入线上 CTnI 上一有规定的事件发生 则相 应的寄存器 CTn 立即去捕捉寄存器 T2 的内容 也就是记录下定时器 T2 的内容 同 时通过中断标志寄存器 CTI0 CTI3 去请求中断 如图 2 1 3 示 事件的定义 CTN3CTP3CTN2 CTP2CTN1CTP1CTN0CTPO CT3I下降沿有效 CT3I上升沿有效 7654 32 1 0 CTCON CT2I下降沿有效 CT2I上升沿有效 CTOI上升沿有效 CT0I下降沿有效 CT1I上升沿有效 CT1I下降沿有效 EBH 图 2 1 2 定时器 2 控制寄存器 TM2CON 图 2 1 3 捕获控制寄存器 CTCON 安徽理工大学自动化专业毕业设计 11 2 1 3 42 1 3 4 中断标志寄存器中断标志寄存器 TM2IRTM2IR 与定时器 2 有关的中断标志有 9 个 8 位溢出中断标志 T2BO 16 位溢出中断 标志 T2OV 四个输入捕获标志 CTI0 CTI3 和三个比较匹配中断标志 CMI0 CMI3 C8H T2OVCMI2CMI1 CMI0CTI3CTI2CTI1CTI0 7654 32 1 0 16位中断溢出标志 CM2 CM0的比较匹配中断标志 CT3 CT0的输入捕获中断标志 TM2IR 2 1 3 52 1 3 5 中断优先级寄存器中断优先级寄存器 IP1IP1 F8H PT2PCM2PCM1 PCM0PCT3PCT2PCT1PCT0 7654 32 1 0 溢出中断优先级 CM2 CM0中断优先级 CT3 CT0中断优先级 IP1 2 1 3 62 1 3 6 中断允许寄存器中断允许寄存器 IEN1IEN1 E8H ET2ECM2ECM1 ECM0ECT3ECT2ECT1ECT0 7654 32 1 0 溢出中断允许位 CM2 CM0中断允许位 CT3 CT0中断允许位 IEN1 2 1 42 1 4 I OI O 端口结构端口结构 7C552 有 6 个 8 位端口 每个端口都有锁存器 输入缓冲器以及输出驱动器 P5 口没有 构成 其中 P0 P3 四个端口和 80C51 芯片上的同名端口几乎完全相同 只 是 87C552P1 口增加了第二功能 P4 口的并行输入输出和 PI P2 P3 相同 但是 P5 口只做模拟量的输入口用 不能用做输出口 下图仅仅表示了 P5 口的示意图 如图 2 1 7 图 2 1 6 中断允许寄存器 IEN1 图 2 1 4 中断标志寄存器 TM2IR 图 2 1 5 中断优先级寄存器 IP1 安徽理工大学自动化专业毕业设计 12 示 P5 X 引脚 内部总线 读引脚 2 1 52 1 5 模拟模拟输入电路输入电路 87C552 的模拟输入电路由 8 路输入 开关电路和 10 位二进制逐步逼近式 ADC 组成 模拟参考电压 AVREF 和模拟地 AVSS 分别通过各自引脚接入 转换时间为 50 个机器周期 若震荡频率为 16MHZ 则转换 时间为 37 5us 震荡频率为 24MHZ 则转换时间为 25us 模拟输入电压范围 0 5V 如 图 2 1 8 所示 模拟输入 多路开关 I0 位A D转换器 ADC0 ADC7 01234 5 67 01 2 34567ASCON ADCH STADC AVDD AVSS 2 1 62 1 6 A DA D 转换转换 有逐步逼近式 A D 转换器 ADC ADC 含有一个一个 D A 转换器 它把逐步逼近 式寄存器 SAR 的内容转换为内部电压 VDAC去与模拟电压 Vin比较 1 A D 转换器的启动 ADC1 ADC0 ADEXADC1ADCSAADR2AADR1AADR0 ADCON C5H 765 4 321 0 转换结果位1和位0 A D转换外部启动位 ADC中断标志 模拟输入选择位 ADC启动和状态位 图 2 1 9 A D 控制寄存器 ADCON 图 2 1 7 P5 口锁存器和 I O 缓冲器 图 2 1 8 模拟输入电路功能框图 安徽理工大学自动化专业毕业设计 13 2 A D 转换过程 ADC 对被选中的 P5 口某引脚上的输入电压进行采样 为得到有效的 采样值 该输入电压应该稳定 为了防止产生不确定的后果 该输入电压的变化率 必须小于 10V ms 逐步逼近式控制逻辑首先把逐步逼近寄存器 SAR 的最高位置 1 其它位均为 0 即 200H 内部 ADC 于是将此值转换为相应的模拟电压 VDAC 第一次为全量程的 一半 去与输入电压 Vin 相比较 如果输入电压高于或等于 Vin 则最高位的 1 保留 否则为 0 逐步逼近控制逻辑下次将把次高位置为 1 得 300H 或 100H 所得的 VDAC 与 Vin 进行比较 若输入电压高于或等于 VDAC 则相应的位的 1 保留下来 否则接 被清掉 此过程一直继续到所有的 10 位被测试完毕为止 此时 转换结果保留在 SAR 中 图 2 1 10 所示为 A D 转换的流程 图中位指针指向正在被测试的位 每位的转 换时间为 4 个机器周期 3 A D 转换结果 一次 A D 转换的结束以 ADCON 4 位置 1 为标志 ADCI 是 ADC 中断标志 不可用软 件置 1 仅仅在 ADC 转换结束时 有硬件自动置 1 该标志可以被中断服务子程序清 0 当 ADCI 为 1 时 ADC 不能启动新一轮转换 转换的结果高 8 位放在 ADCH 中 低 两位放在 ADCON 的第一位和第零位中 实际转换时间为 50 个机器周期 在命令触发 器 ADCS 置 1 的后的 50 个机器周期内 ADCI 被置位 状态标志 ADCS 同时被复位 但 ADCS 不可用软件复位 在 ADC 忙于转换期间 ADCS 一直为 1 而在 ADCI 和 ADCS 标 志为高电平期间 新一轮转换是不能启动的 A D 控制寄存器低三位用来选择控制模 拟多路选择开关 所选的输入通道只能在 ADCI 和 ADCS 为 0 时才能改变 正在进行 的 A D 转换不受软件 硬件的影响 在 ADCI 等于逻辑 1 的情况下 已经完成的转换 结果不受影响 但是当芯片进入空闲或者掉电方式时 正在进行的 A D 转换立即停 止 然而 已经完成的 A D 转换结果 ADCI 1 在芯片进入掉电时仍将保持不变 安徽理工大学自动化专业毕业设计 14 启动转换 SAR复位 位指针 转换时间 位n 测试结果 位指针 位n 0 每位均试定 转换结束 否 是 2 1 72 1 7 87C55287C552 中断系统中断系统 2 1 7 12 1 7 1 中断源中断源 87C552 有 15 个中断源 其中两个外部中断 和 定时器 0 与定时0INT1INT 器 1 溢出中断 TF0 和 TF1 以及串行口中断 RI 和 TI 等五个中断是与 80C51 共 同的 在 87C552 中新增加的 T2 定时器有 8 个中断 其中比较中断 3 个 输入捕获 4 个 溢出中断 1 个 分别由 CMI0 CMI2 CTI0 CTI3 以及 T2OV 或 T2BO 等 9 个标志 产生 应当强调指出 这 9 个中断在中断响应过程中不是由硬件自动清 0 的 所以必 须在中断服务子程序中用软件清 0 以免再次引起中断 图 2 1 10 A D 转换 安徽理工大学自动化专业毕业设计 15 2 1 7 22 1 7 2 中断允许寄存器中断允许寄存器 EA EAD ES1 ES0 ET1EX1ET0EX0 中断总允许 ADC中断允许 SIO1 总线 中断允许 SIO0 UART 中断允许 外部中断0允许 定时器0中断允许 外部中断1允许 定时器1中断允许 76 5 43 2 10INE0 A8H 2 22 2 远端智能控制单元远端智能控制单元的硬件设计的硬件设计 如图 2 2 1 所示 系统每一路为一个监控单元 每一个监控单元都以一个单片 机 87C552 为核心 图 2 1 11 中断允许寄存器 IEN0 安徽理工大学自动化专业毕业设计 16 电压 电流互感器 电源变压器 分合闸控制单元 本安变压器 15V直流稳压源 5V直流稳压源 检测电路 光电隔离 单片机监控单元 87C552 显示电路 声光报警电路 键盘显示485串口 驱动中间继电器单元 中间继电器 出线端 a b c 图 2 2 1 远端智能控制单元 2 2 12 2 1 远端智能控制单元的硬件设计思路远端智能控制单元的硬件设计思路 下位机以高档微型计算机 87C552 系列单片机为核心 由于它内部含有 8KEPROM 和 256 字节的 RAM 下位机采集到的数据只要暂存缓冲区 所以外部不需要 扩展 其输入量包括模拟量和开关量 模拟量输入有测量电压 Ua Ub Uc 电流 Ia 和 零序电压 U0 开关量输入有 Ub 和 Ib 的相位差 输出量包括继电器输出 跳闸输出 下位机还具有人机对话界面 包括 4 位键盘输入和 6 位显示输出 安徽理工大学自动化专业毕业设计 17 2 2 22 2 2 87C55287C552 系列单片机引脚排列及其外接电路系列单片机引脚排列及其外接电路 15V 100 f ZDW RST 15 P3 0 RXD 24 P3 2 INT0 26 P3 3 INT1 27 P3 4 T0 28 P3 5 T1 29 6 EA VPP 49 XTAL1 35 NC 32 NC 33 NC 38 AV REF 58 AV REF 59 P0 0 AD0 57 P0 1 AD1 56 P0 2 AD2 55 P0 3 AD3 54 P0 4 AD4 53 P0 5 AD5 52 P0 6 AD6 51 P0 7 AD7 50 P1 0 CT0I 16 P1 1 CT1I 17 P1 2 CT2I 18 P1 3 CT3I 19 P1 4 T2 20 P1 5 RT2 21 P1 6 SCL 22 P1 7 SDA 23 P2 0 A08 39 P2 1 A09 40 P2 2 A10 41 P2 3 A11 42 P2 4 A12 43 P2 5 A13 44 P2 6 A14 45 P2 7 A15 46 P4 0 CMSR0 7 P4 1 CMSR1 8 P4 2 CMSR2 9 P4 3 CMSR3 10 P4 4 CMSR4 11 P4 5 CMSR5 12 P4 6 CMT0 13 P4 7 CMT1 14 P5 0 ADC0 1 P5 1 ADC1 68 P5 2 ADC2 67 P5 3 ADC3 66 P5 4 ADC4 65 P5 5 ADC5 64 P5 6 ADC6 63 P5 7 ADC7 62 P3 1 TXD 25 PWM0 4 PWM1 5 P3 6 WR 30 P3 7 RD 31 PSEN 47 ALE PROG 48 XTAL2 34 STADC 3 87C552 BMA 68 R 4 5V CT0I CT1I XTAL1 12MHZ C01 C02 5V C Rk I0 Ic Ia Ubc DE REMAX485 R0DI EW XTAL2 2 2 32 2 3 三相电三相电 压 压 A A 相电流和零序电压的监测电路图相电流和零序电压的监测电路图 此电路由四个变压器 四个桥式整流单元 四个电容和若干个电阻组成 用来 监测电压和电流 如图 2 2 3 所示 在变压器原端并联有电阻的都是用来检测该相电流用的 通过变压器降压 经单 相桥式整流 经电解电容进行低通滤波 再经电阻分压 从而把检测的值送到 P5 0 P5 1 P5 2 和 P5 3 口 分别用来监测电压 Ua 电压 Ub 电压 Uc 电流 Ia 和零序电压 U0 值 2 2 2 87C552系列单片机引脚排列及其外接电路图 安徽理工大学自动化专业毕业设计 18 a Va PT 100V Vb PT 100V Vc PT 100V Ia CT 5A Ic CT 5A Ra Ca Ca1 Cap Tb Rb Cb Cb1 Cbp Tc Tia Tic Rc Ria Ric Cc1 Ccp Cc Ria Rip Cia Cic Ric Rip 图 2 2 3 三相电压 A 相电流和零序电压的监测电路图 安徽理工大学自动化专业毕业设计 19 此电路图的信号输入包括模拟电压信号输入和模拟电流信号输入 a 模拟电压信号输入 如图 2 2 4 所示 A D 转换器的模拟输入要求的电压为 0 5V 的直流信号 来自电压互感器二次侧的交流电压信号 经变压器降压 再经整 流桥转换为直流信号 由电容 C 滤波 经 R1 R2 分压转换为符合 A D 转换器电压等 级的电压信号 输入到 A D 转换器转换为数字信号 来反映实际电压值大小 b 模拟电流信号输入 如图 2 2 5 所示 来自电流互感器二次侧的交流电流 信号 经 R3 转换为电压等级较高的交流电压信号 然后经变压器降压 再经整流桥 整流 电容 C 滤波 R1 R2 分压转换为 A D 转换器要求的直流电压信号 经 A D 转 输出 来自 变压 器二 次侧 交流 电压 信号 C R1 R2 图 2 2 4 电压检测信号输入 换成数字信号 反映实际电流值大小 输出 C R1 R2 R3 来自 变压 器二 次侧 交流 电流 信号 图 2 2 5 电流检测信号输入 2 2 42 2 4 相位差检测电路相位差检测电路 此电路由两个变压器 两个光电耦合器 两个运算放大器 四个二极管和若干 个电阻组成 用来监测相电压 相电流之间的相位关系 如图 2 2 7 所示 两个变压器用来从 a 相电路中进行取样 其中在检测电流的变压器的原端要并 联一个电阻 这样在次端所测得的波形图 就是反映电流真实相位的波形图 然后 把检测到的电压和电流用运算放大器进行放大 最后通过光电耦合的办法把信号输 送到单片机的 P1 0 和 P1 1 两个端口上 安徽理工大学自动化专业毕业设计 20 此电路图的信号输入是开关量信号输入 如图 2 2 6 所示 15V 5V 至单片机I O口 图 2 2 6 开关量信号输入 本系统单片机及其外围扩展芯片工作于 5V 直流电源 为了防止控制板外较高电 压进入单片机系统内而造成单片机及接口损坏 以及阻止由外部长输送线带来的干 扰信号进入单片机 需要对采集来的输入信号进行电气隔离 对输入开关量采用光 电隔离 来自各位置开关的开关信号 经光电隔离转换成单片机可以接受的开关信 号 送入单片机的 I O 口 由单片机进行检测 采用光电隔离器的优点 输入输出间绝缘电阻高 耐压最高可达 10KV 输入阻 抗低 对抑制干扰信号有益 容易实现不同电平的转换 响应速度快 动态性能好 并且稳压性能较好 5A Ia CT 15V 5V P1 1 T10 100V Ua PT 15V 5V P1 0 T00 图 2 2 7 相位监测电路图 安徽理工大学自动化专业毕业设计 21 2 2 52 2 5 继电器输出电路继电器输出电路 单片机输出信号 图 2 2 9 继电器输出电路 此电路图的信号输出是开关量信号输出 包括跳闸信号和报警信号 由于单片 机的负载能力有限 跳闸驱动继电器工作于 15V 直流电源 为防止较高电压影响单 片机正常工作甚至损坏单片机及阻止由外部长输送线上来的干扰信号进入单片机 需经光电耦合隔离及驱动电路来接通负载电路 跳闸的光电耦合驱动电路如图 2 2 10 所示 来自单片机 15V I O口 输出至继电器 图 2 2 10 开关量输出回路 安徽理工大学自动化专业毕业设计 22 2 2 62 2 6 键盘电路键盘电路 如图 2 2 11 所示 此电路由 87C552 的 P4 口采用矩阵结构形式的 4 只键组成 各键功能如表 2 1 所示 表 2 1 各键功能 87C552 R 4 P4 3 P4 0 P4 2 P4 1 5V 2 2 72 2 7 显示电路显示电路 此电路由 87C552 的 P0 口 P2 口 6 只 LED 和两个电阻组成 用于电压或电流 值的显示 如图 2 2 12 所示 a b c d e f g h LED 选用六段显示器 并采用动态显示 即一位一位地轮流点亮各位显示器 键号功能 0 地址加 1 键 1 内容加 1 键 2 执行键 3 退出键 图 2 2 12 显示电路图 87C55287C552 P2 5 P2 0 P0 0 P0 7 图 2 2 1