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兰州理工大学智能型配电控制柜设计,毕业设计论文
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兰州理工大学毕业设计说明书 Zi 陈会囝 03220127 I 摘 要 本设计是基于 51 单片机的 配电控制柜 的 远程监控控制器的设计， 设计项目，需要考虑连接 至少 64 个网络节点，并可以对每个节点实时地采样数据、输出控制 ,以及对站点的智能识别。 根据设计指标，在分析工艺的基础上，本设计主要进行控制器的总体硬件设计、光电转换电路的设计以及电源模块的设计，并选择适合本设计的 51 单片机，为了完善本控制器，设计了系统的抗干扰技术。最终 通过软件编程完成本设计的实现了 51 单片机 对 配电控制柜 的 远程监控。 关键词 ： 计算机 、 单片机 、 通信协议 、 远程监控 nts兰州理工大学毕业设计说明书 Zi 陈会囝 03220127 II Abstract This design is controls the cabinet based on 51 monolithic integratedcircuits power distribution the long-distance monitoring controllerdesign, the design project, needs to consider the connection at least64 nodes, and may to each pitch point real-time sampling data, theoutput control, as well as to the stand intelligent recognition.According to designs the target, in the analysis craft foundation,this design mainly carries on the controller the overall hardwaredesign, the photoelectricity switching circuit design as well as thepower source module design, and the choice suits this design 51monolithic integrated circuits, for the rare book controller, hasdesigned the system antijamming technology. Finally programmed thecost design through software the realization 51 monolithic integratedcircuits to control the cabinet to the power distribution thelong-distance monitoring. Keywords: Computer、 MCU、 Communication Protocol、 Remote Control nts兰州理工大学毕业设计说明书 Zi 陈会囝 03220127 III 目录 第一章 绪论 . 1 1.1 前言 . 1 1.2 选题背景及依据 . 1 1.3 解决的关键问题 . 3 1.4 选题目的及意义 . 3 1.5 主要设计（研 究）内 容 . 3 1.6 设计工作步骤 . 4 1.7 毕业设计进度安排 . 4 第二章 总体硬件设计 . 5 2.1 硬件 电路设计 . 5 2.2 方案论证 . 8 2.3 站点智能识别的设计 . 9 第三章 光电转换电路设计 . 11 3.1 光电传感器概述 . 11 3.2 光电转换器的组成 . 11 3.3 光电传感器的分类 . 11 3.4 传感器的主要类型 . 12 3.4.1 光电传感器 . 12 3.4.2 模拟式光电传 感器 . 12 3.4.3 脉冲式光电传感器 . 12 3.5 光电转换电路 . 12 3.5.1 光敏电阻测量电路 . 13 3.5.2 光电池测量电路 . 14 3.6 光电传感器的应用 . 14 第四章 电源模块的设计 . 17 4.1 概述 . 17 4.2 电源设计要求 . 17 4.3 电源模块的设计 . 17 4.3.1 单片开关电源工作模式的设定及反馈理论分析 . 17 4.3.2 具体设计 . 19 nts兰州理工大学毕业设计说明书 Zi 陈会囝 03220127 IV 4.4 辅助元器件选择 . 26 4.4.1 输入滤波电容的选择 . 26 4.4.2 TOPSWITCH 芯片的选择 . 27 4.4.3 TT431 型可调式精密并联稳压器的选择 . 27 第五章 单片机的选择 . 28 5.1 概述 . 28 5.2 C8051F021 型单片机 . 28 5.2.1 C8051F021 型单片机特点 . 28 5.2.2 与 8051 的兼容性 . 29 5.2.3 指令集 . 30 5.3 中断系统 . 30 5.4 复位源 . 31 5.4.1 上电复位 . 31 5.4.2 掉电复位 . 32 5.4.3 外部复位 . 32 5.4.4 看门狗定时器复位 . 32 5.6 FLASH 存储器编程 . 33 5.7 端口输入 /输出 . 33 5.8 定时器 . 33 第六章 系统抗干扰设计 . 34 6.1 概述 . 34 6.2 硬件抗干扰 . 34 6.2.1 接地技术 . 34 6.2.2 电源的干扰及抑制 . 34 6.2.3 传感器的干扰和抑制 . 35 6.3 硬件隔离抗干扰技术 . 35 6.3.1 光电耦合器 . 35 6.3.2 固态继电器 . 35 6.3.3 线性光电隔离放大器 . 36 6.3.4 复位抗干扰 . 36 6.4 软件抗干扰设计 . 37 6.4.1 软件抗干扰的基本要求 . 37 6.4.2 设置“看门狗” . 37 6.5 掉电记忆 . 38 nts兰州理工大学毕业设计说明书 Zi 陈会囝 03220127 V 第七章 软件设计 . 39 7.1 概述 . 39 7.2 程序设计 . 39 设计总结 . 43 参考文献 . 44 英文原文 . 45 英文翻译 . 63 致 谢 . 76 附录 :器件明细表 . 77 附录 :程序清单 . 79 nts兰州理工大学毕业设计说明书 Zi 陈会囝 03220127 1 第一章 绪论 1.1 前言 随着自动控制技术和设备的飞速发展，控制方面的选择也在增加，设计一种具有可靠、灵活、易学、易用、功能齐全等优点的远 程监控控制系统就显得很重要。本次设计的远程监控系统包括现场设备控制 和现场通信两大 部分 。其中现场的数据采集和具体任务的 执行是由单片机来实现的，而现场和控制计算机之间的通信则借助于光纤传输 技术，在 软件 通信技术的支持下完成信息的交换。 远程 监控的主要任务是进行过程数据的采集及处理，然后将控制过程中的各种数据送到计算机，借助于监控软件完成数据统计、分析功能，从而实现对运行 过程的整体操作 与 过程的监控；建立在信息管理基础上的主控计算机和管理计算机对整个系统的数据信息进行管理和操作，它把运行过程及输出管理系统连接在一起，在完成数据采集、交换和设备共享。 配电控制柜作为智能 系统 中测量与控制的关键设备，直接影响着 设备的正常 运行。因此，对其进行实时监控非常关键。传统的电器开关柜通过工作人员的日夜值班来了解其运行状态，既浪费人力资源又得不到可靠的运行数据，并且不适应信息化发展的要求。 而且在一些不适合人工作业的场合，设计一种远程监控系统显得尤为重要， 基于 单片机控制器 的智能 型配电控制柜适应了 当今数字化、集成化和网络化的要求，把配电控制柜赋予了新的内涵。 鉴于此，本设计以 51 单片机为主要控制器件，设计开发一种能够对比较分散的配电控制柜进行远程集中监控的控制器，它具有控制稳定性高、抗干扰能力强、可操作性强、价格便宜的优点， 有广阔的发展前景 。 1.2 选题背景及依据 在电力、自来水和管道煤气等公用事业系统的信息化过程中，户表数据的自动抄送具有十分重要的意义，也是行业单位迫切想要解决的问题，因为水电煤三表数据抄送的准确性、及时性，直接影响公用事业部门系统的信息化水平、甚至管理决策、经济效益。传统的手工抄 表费时、费力，准确性和及时性得不到可靠的保障，这导致了相关营销和企业管理类软件不能获得足够详细和准确的原始数据；一般人工抄表都按月抄表，对于用户计量来说是可行的，但对于相关供应部门进行更深层次的分析和管理决策却不够，行业的实际需求催生着自动抄表系统的技术和应用的不断发展。设计一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向通信技术，主要适合于自动控制、远程控制领域及nts兰州理工大学毕业设计说明书 Zi 陈会囝 03220127 2 家用设备联网。 市区的路灯 如果控制不当其 耗电量 会 排在公共设施耗电量之首； 若 采用时控方式，路灯的开关时间限制比较死，每当有重要活动或遇到阴天 ，视线差，不能提前或延迟路灯的开关时间；很多时候，路灯的故障不能及时发现，影响了维护。 设计一套监控，。此 系统建成后，管理人员可以在 监控 中心遥控路灯的开关；自动计算亮灯率，及时发现故障。 在游乐设施比较分散的情况下， 想在整个大型的游乐场内平时播送柔和的音乐以营造温馨气氛，让身处其中的每一个人都能听到美妙的背景音乐，或遇有火灾或其他事故时则播送紧急广播的语言信号或警笛声，要控制分散的音调发生器和台功率放大器。过山车、海盗船等等的大型游乐设施占用场地较大，配殿控制柜的分布分散，要 管理人员可以在 监控 中心 对这些设施 实现集中控制。 或者在一些不适合人直接控制的场合， 根据工艺流程及构筑物的地理分布，依据“实用、可靠、经济、先进”的原则，采用“集中管理、分散控制”模式建立了一套经济可靠的现场监测、过程控制和计算机管理一体化的系统，设立一个中央监控管理站，利用网络通讯实现了信息、资源的共享和“现场无人值守、总站少人值班”的目标。根据所完成的控制功能，系统采用三级控制层：手动、自动控制和中央监控管理站远程监控。手动控制具有最高控制优先级，由配电屏或控制柜旁的按钮控制；自动控制是指由各现场控制站的单片机控制器 按照所编制的程序对设备进行自动控制 (控制级别高于中央控制 )；中央监控管理站远程监控是指通过中控室对生产过程进行调度，调度指令通过控制网络由现场单片机控制站实施。 对于某台具体的设备，根据控制信号的来源分为手动、远控两种控制方式，手动控制的信号来自设备旁的按钮，远控的信号则来源于单片机现场监控站输出的控制信号；中央监控管理站层的监控信号先通过网络传送至相应的现场单片机站，然后由单片机对设备发出控制信号达到监控的目的。 这样，控制系统在保证现场设备在相对独立的前提下，使监测系统、电气系统、与计算机控制系 统协调，保证现场控制站能按工艺要求和操作规程实现设备运行自动化，通过中央监控管理站实现对整个生产过程的监控、及管理，达到少人值守的目的。 主要技术参数及技术指标： 1、状态信号检测 8 个开关量 2、控制信号输出 8 个开关量 3、通信电路设计 19.2K/s nts兰州理工大学毕业设计说明书 Zi 陈会囝 03220127 3 4、光电信号转换电路设计 5、智能识别系统设计 1.3 解决的关键问题 本设计要解决的关键问题是： 1 对 64 个站点的智能识别系统设计 。 2 能正确区分地址信息和指令信息。 3 站点地址一经分配后就不再改变，除非有特殊情况 。 1.4 选题目的及意义 设计 智能型配电控制柜的 主要 功能 在以 下几方面： 1.系统具有对 下位单片机 运行状态遥测的功能，并能把这些状态和数据在上位机上进行分析、判断和显示。 2.系统具有根据 系统 运行状态及指令对智能型控制器进行远距离遥控操作的功能。 3.系统具有上位计算机与开关柜中的智能控制器和智能型低压电器元件等通过通讯网络进行通讯的功能。 4.系统具有远程视频监控报警功能。 所以 设计智能型配 电控制柜的主要目的在以下几方面： 1.改善低压配电系统管理。在系统内可以优化能量消耗的分配。可以均衡负载以养活潜在的停车事件。 2.根据系统内设备运行情况安排维修计划，进行计划维修，减少故障。 3.随时了解到有关故障和设备的状态，以便指导维修，减少故障的处理时间。 4.可以把各配电回路或设备的运行情况进行显示，提高工作效率。 设计一种控制器使它完成对比较分散的配电柜远程监控及操作，可以提高工作效率，体现高科技的优势。让高新技术服务于人类，真正为大家造福，这也是 “ 智能家居 ” 的发展趋势。这也是本次设计的意义 所在。 1.5 主要设计（研究）内 容 设计项目，需要考虑连接大约 64 个网络节点，并可以对每个节点实时地采样数据、输出控制 ,以及对站点的智能识别。这些网络节点分布在不同的区域，而且要求对单个区域内的网络节点对数据的实时性和设备运行时的连续性都具有较高的要求。但是本系统对启动时的快速性要求不高。 按项目的以上要求，本设计的设计内容包括： 1.完成当前控制器状态信号检测。 2.完成上位计算机命令执行。 nts兰州理工大学毕业设计说明书 Zi 陈会囝 03220127 4 3.系统应包括上位控制和就地控制转换电路。 4.电源：除给系统供电外，还可向外提供 24V、 1A 的隔离型开关电 源 以备外部开关量使用，应设计为开关电源。 5.根据系统要求选用适当的 CPU 模块，具有一定的抗干扰能力。 6.系统应具有复位电路，并在复位后保持现有输出的开关状态不变 , 7.并等待上位计算机通信信号，根据上位计算机通信信号变化输出状 态。 8.系统提供 EEPROM 并能够保留上位计算机分配的地址信号。 9.提出综合自动化系统的硬件方案和方案论证优化。 10.完成软件需求的系统分析。 1.6 设计工作步骤 1、查找与系统相关文献资料、了解系统当前发展情况。 2、 查找当前比 较成熟的单片机与系统相关的硬件资料。 3、 系统总体结构图设计。 4、 系统硬件电路设计及硬件总体方案设计优化及说明。 5、 装置的选型。 6、 对所选用的单片机程序软件进行了解、学习、熟悉。 7、 软件的系统分析。 8、 用学习的软件根据系统的工艺要求对系统进行软件的编制及说明。 9、 画图、写说明书、准备进行毕业答辩。 1.7 毕业设计进度安排 1、查找与系统相关文献资料、了解系统当前发展情况。（ 1 周） 2、查找当前比较成熟的单片机与系统相关的硬件资料。（ 2 周） 3、系统总体结构图设计。（ 2 周 ） 4、系统硬件电路设计及硬件总体方案设计优化及说明。（ 2 周） 5、对所选用的单片机程序软件进行了解、学习、熟悉。（ 2 周） 6、用学习的软件根据系统的工艺要求对系统进行软件的编制及说明。 （ 2 周） 7、画图、写说明书、准备进行毕业答辩。（ 1 周） nts兰州理工大学毕业设计说明书 Zi 陈会囝 03220127 5 第二章 总体硬件设计 在单个区域内，由总线网络 模式 构建设备网，总体成本较低，满足实时性的要求，应用可靠，维护方便；设备网的固定节点 (地址为 00 号 )同时作为网关，将下位机设备连接至，从而总线网络形成 可以通过 VB 环境统一监控设备信息。 本设计中只需通过一台 PC机发出的控制指令来实现对 64个分散设备的集中控制。其上位机完成发送指令和对下位机的实 时监控。 并通过 下位单片机来实现具体的功能，中间数据传输用一种系统总线来完成。考虑到实际设计的传输距离约 60Km，而现行的一些较为常用的系统总线所能传送的最远距离都无法达到这个距离，故中间的数据传输要依靠电 /光转换将电信号转换为光信号，再在单片机的接收端完成光 /电转换，使单片机完成最终的指令执行，达到远程监控的目的。 此外，在本设计的下位机中还加入了手动复位 、指示电路和 系统的 抗干扰等的外围电路，使系统性能稳定、操作精确。 2.1 硬件 电路设计 由于本设计是基于 51 单片机的控制器设计 ,主要通过 PC 机和 51 单片机之间的通讯来实现实时数据之间的传输。所以选择一种适合本设计的 通信线路 是本设计性能能否实现的重要环节之一。 由于本设计的传输距离较远，约为 60Km，超出了总线的传输距离，而且一般的总线也无法将信号传到 60Km 以外的地方。所以本设计必然要选用一些中继器来延长信号的传送距离，现对通信方案的确定做如下论证： 方案 1： 将 PC 机发出的 TTL 电平经 RS-232C 接口传送出后，直接在 RS-232C 总线中传输，用主从通信方式， PC 机发送的指令经 MC1489 作为接受端电平转换电路， MC1488 作为发送端电平转换电路。单片机通过 MC1488 端的发送线经二极管隔离后才能并接入 PC 机的接收端上。整个传输过程中通过中继器延长总线的传输距离，达到本设计的传输距离。示意图 2-1 如下： nts兰州理工大学毕业设计说明书 Zi 陈会囝 03220127 6 图 2-1 方案 2： 将 PC 机发出的 TTL 电平经 RS-232C 接口传送出后， 将 RS-232C 格式的信号转换为 CAN-bus 格式的信号在 CAN-bus 总线中传输，用主从通信方式， PC机发送的指令，在经过 CAN-bus 总线收发器后转换为单片机可以识别的信号，从而完成相应的指令。在整个传输过程中通过中继器延长总线的传输距离，达到本设计的传输距离。 结构示意图如下 2-2 所示： PC 机 异步 通信 适陪 器卡 RXD TXD RXD MC1488 64#单片机 中 继 器 MC1488 1#单片机 4.7k RS-232C 总线 MC1489 MC1489 nts兰州理工大学毕业设计说明书 Zi 陈会囝 03220127 7 图 2-2 方案 3： 将 PC 机发出的电平 信号 经输出接口传送出后，采用光电转换器，将电信号转换为光信号，在 光纤中传输，信号在光纤中传输，信号容量大，通信速度高，不存在信号衰减的问题， 也 不存在延时问题。用主从通信方式 ,在单片机的接受端再通过光检测器将光信号转换成为电信号。单片机 经 信号识别，完成相应的指令操作。这样 用简单的光电转换电路来代替价格较高的中继设备，而且在信号 传输过程中 几乎不存在 衰减，其传输距离也可以达到本设计的要求。 本设计通信电路设计模式选用 RS-422,实现数据的传送与接收相分离，互不干扰的通信方式。 结构示意图如下 2-3 所示： PC 机 CAN-bus 与RS-232C 转换接口 CAN-bus 总线 CAN-bus总线收发器 1#单片机 CAN-bus总线收发器 2#单片机 CAN-bus总线收发器 64#单片机 中继器 nts兰州理工大学毕业设计说明书 Zi 陈会囝 03220127 8 图 2-3 2.2 方案论证 三个方案在理论上都可以实现本设计的通信要求，现在从性能和价格方面做比较。最终确定本设计的通信电路方案。 1 从性能上讲 方案 1 和方案 2 的信号都在电缆中传输，信号的衰减较严重，而且数据的安全性不能得到保证，中间需要大量的中继器来延长通信距离。但是方案 1 在实现上最为容易，要求的技术也较低。相比之下，方案 2 比方案 1 要难实现一些，但是用 CAN-bus 组成的通信系统其系统的容错性能较好，单个结点的故障不会引起整个网络的瘫痪，技术支持较高。方案 1 中 的单个结点的故障可能导致整个网络的瘫痪，网络容错性能很差。由于方案 1 和方案 2 中结点很多，所以信号在传输的过程中可能不能保证正确传送。 方案三中信号在光纤中传输，信号容量大，通信速度高。光缆可以在 68Km的距离内不用中继器传输。在很宽的频带范围内，光纤对各种频率的传输损耗1#光纤 电光 转换器 PC 机 光纤 1#控制器 2# 光纤转换器 2#控制器 64#光纤转换器 64# 控制器 光纤 光纤 光纤 2#光纤 转换器 nts兰州理工大学毕业设计说明书 Zi 陈会囝 03220127 9 和色 散几乎相等，不存在信号衰减的问题，可以在长距离内传输数据，所以不需要在接收端或中继站采取幅度或延时等的均衡措施。不受电磁干扰和静电干扰的影响，即在同一根光缆中，邻近各根光纤几乎不受串扰。构成光纤的主要原料是石英，而石英资源丰富，价格便 宜。此外光缆中光的匹配性好，使人在光缆上很难窃取数据，所以信号在光纤中传输时保密性好，而且光纤本身线径细、体使信号的传输时的可靠性提高。 2、 从价格上讲 方案 1 和方按 2 的传送介质的价格低，但是在传输过程中需要大量中继器，而且一个中继器的价格又比较高，后期的维修投入也相对较高。所以总的成本投入要高一些。方案 3 中的传输介质 光纤是各种传输介质中价格最高的。但是在总的设计中需要的光电转换 器最多才会用到 64 套 ， 而且价格便宜 ,总方 案后期 维修投入相对较低，相应的总体资金投入较低。 表 2-1 三种方案比较 方案 1 方案 2 方案 3 信号传送介质 电缆 电缆 光纤 传送介质的价格 低 低 高 最大传送距离 2.5Km 2.5Km 68Km 中继设备 中继器 中继器 光电转换 器 所需数量 至少 64 台 至少 64 台 最多 64 套 技术支持 低 高 较低 信号延时 长 长 几乎没有 抗干扰性 弱 弱 强 数据保密性 差 差 好 系统的容错性 差 好 较好 通信速度 慢 慢 快 系统性价比 低 低 低 经过以上论证，现在决定选用方案 3 作为本设计的通信方案。 为 此，现在要设计一种光电转换电路，它要求有光纤接口处的光信号传入光纤的功能，还要在单片机端口可以将光信号转换为电信号。在整个的设计中，既要达到这些功能，而且价格便宜，本部分设计将在下一章中详细介绍。 2.3 站点智能识别 的设计 本设计要求能对至少 64 个 站点进行智能识别，以方便主机对下位单片机nts兰州理工大学毕业设计说明书 Zi 陈会囝 03220127 10 的状态查询和输出控制，具体实现时是在一个控制器余下一个控制器的连接处设置一个继电器开关， 只有本控制器的地址分配完成之后，在向主机回复地址分配完成标志的同时也在程序的控制之下是单片机的一个管脚输出高电平，控制继电器 开关闭合，这样，当主机再次发送地址分配信息标志时，已经分配到地址的控制器将不再响应，而新接通的控制器就会唯一响应主机的控制信号，分配到自己的地址信息，以此类推。 nts兰州理工大学毕业设计说明书 Zi 陈会囝 03220127 11 第三章 光电转换电路设计 本设计选用光电传感器来作为光电转换电路的主要元件 , 光电传感器是一种采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把从计算机中送出的 TTL 电平 的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成 单片机可以识别的电信号，再识别电信号中承载的控制信息并加以执行。 在这个过程中需要选用合适的光电传感器，以下就对光电传感器做一下简单的介绍。 3.1 光电传感器概述 光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。早期的用来检测物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备，发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个小的白炽灯作为光源。这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天光电传感器的雏形。 如果 安装空间非常有限或使用环境非常恶劣的情况下，我们可以考虑使用光纤。光纤与传感器配套使用， 是无源元件，另外，光纤不受任何电磁信号的干扰，并且能使传感器的电子元件与其他电的干扰相隔离。由于光纤受使用环境影响小并且抗电磁干扰，因而能被用在一些特殊的场合，如：适用于真空环境下的真空传导光纤（ VFT）和适用于爆炸环境下的光纤。 3.2 光电转换 器的组成 本设计中 光电 转换电路设计时借鉴了光电式传感器的工作原理，主要由光源、光纤 通路和光电元件三部分组成。 光电检测方法具有精度高、反应快、非接触 等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此 ,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。 3.3 光电传感 器的分类 由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的，按光电元件 (光学测控系统 )输出量性质可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲 (开关 )式光电传感器。模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值关系。模拟式光电传感器按被测量 (检测目标物体 )方法可分为透射 (吸收 )式、漫反射式、遮光式 (光束阻档 )三大类。 nts兰州理工大学毕业设计说明书 Zi 陈会囝 03220127 12 3.4 传感器的主要类型 3.4.1 光电传感器 光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成，光电传感器设计灵活，形式多样，在越来越多的领域内得到广泛的应 用。 光电传感器的敏感范围远远超过了电感、电容、磁力、超声波传感器的敏感范围。此外，光电传感器的体积很小，而敏感范围很宽，加上机壳有很多样式，几乎可以到处使用。 3.4.2 模拟式光电传感器 这种传感器中光电元件接受的光通量随被测量连续变化，因此，输出的光电流也是连续变化的，并与被测量呈确定的函数关系，这类传感器通常有以下四种形式。 1.光源本
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