微机自动准同期装置试验台的软件设计.doc

重庆科技学院 毕业设计 论文 毕业设计 论文 题 目 微机自动准同期装置试验台的软件设计 院 系 电气与信息工程学院 专业班级 测控普 2007 02 学生姓名 陈 磊 学号 2007440775 指导教师 朱 红 军 职称 讲 师 评阅教师 职称 2011 年 6 月 8 日 注 意 事 项 1 设计 论文 的内容包括 1 封面 按教务处制定的标准封面格式制作 2 原创性声明 3 中文摘要 300 字左右 关键词 4 外文摘要 关键词 5 目次页 附件不统一编入 6 论文主体部分 引言 或绪论 正文 结论 7 参考文献 8 致谢 9 附录 对论文支持必要时 2 论文字数要求 理工类设计 论文 正文字数不少于 1 万字 不包括图纸 程序清单等 文科 类论文正文字数不少于 1 2 万字 3 附件包括 任务书 开题报告 外文译文 译文原文 复印件 4 文字 图表要求 1 文字通顺 语言流畅 书写字迹工整 打印字体及大小符合要求 无错别字 不准请他人 代写 2 工程设计类题目的图纸 要求部分用尺规绘制 部分用计算机绘制 所有图纸应符合国家 技术标准规范 图表整洁 布局合理 文字注释必须使用工程字书写 不准用徒手画 3 毕业论文须用 A4 单面打印 论文 50 页以上的双面打印 4 图表应绘制于无格子的页面上 5 软件工程类课题应有程序清单 并提供电子文档 5 装订顺序 1 设计 论文 2 附件 按照任务书 开题报告 外文译文 译文原文 复印件 次序装订 3 其它 学生毕业设计 论文 原创性声明学生毕业设计 论文 原创性声明 本人以信誉声明 所呈交的毕业设计 论文 是在导师的指导下进行 的设计 研究 工作及取得的成果 设计 论文 中引用他 她 人的文 献 数据 图件 资料均已明确标注出 论文中的结论和结果为本人独立 完成 不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证 书而使用其材料 与我一同工作的同志对本设计 研究 所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 毕业设计 论文 作者 签字 年 月 日 重庆科技学院本科生毕业设计 摘要 I 摘 要 准同期并列是电力系统中一项重要操作 准同期并列必须平滑而又快速 发电机 电压与系统电压之差必须足够小 避免合闸时发电机电枢绕组电流过大 对发电机联 轴系统产生冲击 这就要求并列合闸时断路器两侧电压的幅值差 频率差和相角差都 足够小 基于单片机的自动准同期装置是最具代表性的并列装置 本文中研制的基于单片机的自动准同期装置能够测量两侧的电压 两侧的电压差 决定了发电机的调节方向和幅度 频率差决定了发电机的转速需要增加还是减少 电 压幅值差决定了发电机电压是需要升高还是降低 在发电机机端的电压值和频率值满足要求的前提下 两侧电压的相位差在断路器 合闸瞬间应尽接近于零 本装置中采用了作者设计的一种精密测量相位差的电路 装 置的相关硬件和软件设计保证了合闸瞬间的相位差小于允许合闸相角差 对两电压的电压差 频率差和相位差的严格控制确保平滑 迅速地将发电机并入 电网 关键词 MCS 51 自动准同期 同步发电机 相序检测 合闸时间在线测量 越前时间调节 重庆科技学院本科生毕业设计 ABSTRACT II ABSTRACT Quasi synchronizing juxtaposition is an important operation in the power system Quasi synchronization should juxtaposition synchronous generator into the power system smoothly and the rapidly The voltage difference between the system and generator must be small enough to ensure minor electric current in the armature winding of generator avoiding the impact to the coupling shaft This means the difference of magnitude frequency and phase of the voltages between the two sides of breaker must be small enough Juxtaposition device is typically based on Microprocessor The microprocessor based automatic quasi synchronizing device designed in the paper measures the magnitude and frequency of the generated voltage of synchronous generator and of the power system directly and accurately The measured quantities are compared and the result of the comparison determines the adjustment of the synchronous generator The criteria of comparison can be set by the keyboard finely and flexibly The differential frequency determines whether to increase or to decrease the rotate velocity of the synchronous generator and the differential voltage determines the adjustment of the generated voltage The differential phase must be zero at the moment of closing breaker when the frequency and magnitude condition of juxtaposition is satisfied The device detects accurately the differential phase by a new circuit designed by here The design of the hardware and software ensures the breaker closing at the just moment of zero differential phase Closing the breaker under the rigid condition of the magnitude frequency and differential phase ensures juxtapos the synchronous generator into the power system smoothly and rapidly without undesired large strike closing current Keywords automatic quasi synchronization synchronous generator phase order detection adjust ahead time adaptively 重庆科技学院本科毕业设计 目录 III 目录 摘 要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 1 1 本课题目的及意义 1 1 2 微机自动准同期装置的发展现状 1 1 3 本课题研究的主要内容 3 2 自动准同期原理及并列 4 2 1 自动准同期装置的基本原理 4 2 2 数字式准同期装置的原理 4 2 3 并列操作的原则和条件 4 2 3 1 同步发电机并入电网时应该遵循的基本原则 4 2 3 2 同步发电机并入电网时的条件 5 2 3 3 同步发电机并网的三种情况分析 5 2 4 准同期并列的原理 5 2 4 1 存在幅值差的情况 6 2 4 2 仅存在频率差的情况 6 2 4 3 仅存在相角差的情况 6 2 4 4 差频并列 7 2 5 自同期并列 7 3 微机型自动准同期装置的硬件设计 8 3 1 设计依据 8 3 2 基本功能 8 3 3 装置的结构组成 8 3 3 1 基本单片机系统 9 3 3 2 频差和角差测量电路 9 3 3 3 电压差测量部分 9 3 3 4 液晶显示模块 10 3 3 5 输出电路 10 3 3 6 信号调理部分 10 3 3 7 利用等分周期采样点上的样本值求各种电压 12 3 3 8 合闸执行单元 13 重庆科技学院本科毕业设计 目录 IV 4 自动准同期装置的软件设计 14 4 1 编程语言的选择 14 4 2 系统程序的设计 15 4 2 1 系统软件流程图 15 4 2 2 电压幅值测量的编写 16 4 2 3 频率测量的程序编写 17 4 2 4 中断子程序 18 4 2 5 定时器 计数器 19 4 2 6 时间量测量程序的编写 20 5 软件调试 21 6 总结及展望 23 6 1 总结 23 6 2 展望 23 参考文献 24 致谢 25 附录一 原理图 26 附录二 源程序 27 附录三 实物图 33 重庆科技学院本科生毕业设计 1 绪论 1 1 绪论 1 1 本课题目的及意义 电力工业是国民经济的基础 是重要的支柱产业 在现代电力系统中 提高和维持 同步发电机运行的稳定性 是保证电力系统安全和经济运行的基本条件之一 同步发 电机励磁控制在保证电能质量 无功功率的合理分配和提高电力系统运行的可靠性等 方面都起着十分重要的作用 随着电力系统自动化水平的不断发展 适应不断发展的电力系统的要求 研究可 靠性更高 功能更加完善的同步发电机综合测控装置是今后同步发电机测控装置的发 展趋势 本课题的意义是解决我国中小型电站存在的装备水平及自动化程度低 机电 设备性价比低 经济效益差等问题 本文研究的目的在于 在对实验室发电机组的了 解基础上能实现平稳快速同期并列的功能 同时尽量提高同步发电机测控装置的可靠性 同期并列操作是电力系统运行中的一项频繁而又重要的操作 在发电机并列瞬间 往往伴随有冲击电流和冲击功率 这些冲击将引起系统电压瞬间下降 如果操作不当 冲击电流过大 可能引起发电机组大轴发生机械损伤 或者引起机组绕组电气损伤 在系统正常运行时 随着负荷的增加 要求备用机组迅速投入系统 以满足用户用电 量增长的要求 在系统发生事故时 会失去部分电源 要求将备用机组快速投入电力 系统制止系统崩溃 在某些情况下 甚至需要将己被解列为两部分的电力系统重新恢 复并列运行 这些情况均要进行同步操作 将发电机组安全可靠 准确快速地投入 确保系统的可靠 经济运行和发电机的安全 1 2 微机自动准同期装置的发展现状 自动准同期装置就是针对电网中并列操作的一种自动装置 可以保证并列操作在 合适的时机合适的条件下迅速准确地完成 同期装置是同步发电机并网的重要设备 其主要准则是将发电机无冲击地平滑并入电 而且要快速地完成这一过程 准同步是一 种很小冲击的并网方式 最原始的准同步方是用三个灯泡的旋转灯泡法 后来改用指针式电磁绕组的整步 表构成的手动准同期装置简单的电磁继电器 电子元件构成的模拟式半自动或自动准 同期装置 最早时期的发电机并网合闸依靠操作人员手动来进行 运行操作人员通过 监视电压 频率表及整步表 靠经验人为的判断合闸时间 操作断路器合闸 手动准 同步装置是供同步操作的表计和操作开关装在同步小屏或中央信号屏上 运行操作人 员监视同步屏的电压表 频率表及整步表 靠经验人为的判断合闸时间 操作断路器 重庆科技学院本科生毕业设计 1 绪论 2 合闸 手动准同步装置主要存在以下弊端 存在重大的安全隐患 由于操作人员技术不娴熟 经常出现在大相角差下并网 不仅给机组带来冲击 有时更为严重的使会诱发扭振 延误并网时间 手动同步操作复杂 靠人的感觉来操作 延误很长时间 由于 误并列所带来的严重后果是众所周知的 因而运行操作人员存在恐惧感 导致紧张 犹豫 以致延误并网时机 拖长并网时间在系统稳定储备不够时将带来严重后果 这 在系统事故情况下尤为有害 此外长时间并网过程还将造成大量的能源消耗 手动准同步装置一般是几台机组共用一套 各机组之间的控制电缆较多 接线 复杂 同步小屏与发电机组断路器的控制地点距离较远 由于视觉误差 可能引起同 步操作错误 鉴于以上原因 手动准同步法应该取消 但目前为了照顾一些运行习惯 有些中 小容量机组 仍保留一套手动准同期装置作为一种备用手段 随着发电机单机容量和电网容量的不断增大 电力系统及发电机组对励磁 同期 调速等功能的控制在快速性 可靠性 多功能性等方面提出了更高的要求 目前国内 外广泛采用以嵌入式单片机或工业控制计算机作为同步发电机控制器的控制核心 其 控制器逐渐显现出如下几个方面的问题 可靠性方面 目前大多数发电机综合控制装置的控制主机主要采用单片机 PLC 工控机等几种工业控制平台 基于单片机的控制器 其硬件系统一般为各厂家自 行设计制造 且均为小批量生产 故生产工艺等都受到限制 造成硬件系统可靠性较 低 PLC 虽然具有较高的可靠性 但其运算速度不高 难以满足大中型发电机控制系统 的应用要求 基于工控机的控制装置 其硬件标准化程度高 软件资源丰富 有实时操作系统 支持 运行速度快 但装置硬件访问时间较长 软件可靠性较差 影响了系统整体可 靠性 并且具有体积大 成本高等不利因素 总之 上述几种元器件可靠性 运算速 度 软件可靠性等方面还不同程度地存在一些问题 控制器间的协调控制不理想 同步发电机励磁 同期 调速等控制系统在发电 机运行过程中需要协调控制 发电机并网过程中 当发电机转速不满足同期条件时 同期装置需要给调速器发均频脉冲 待并发电机在投入系统前通过调节器调节原动机 转速 使发电机转速满足同期条件 当发电机端电压不满足同期条件时 同期装置需 要给励磁装置发均压脉冲 通过励磁控制器调节发电机励磁电流 使发电机端电压接 近系统电压 但在实际应用中会出现同期时机组转速有超调现象 同期装置不能发出 合闸脉冲 如果均压脉宽参数设置不当 励磁调节也会出现超调现象 将影响发电机 快速并网 中小水电站自动化水平低 我国小水电资源极其丰富 但大多分布在边远山区 重庆科技学院本科生毕业设计 1 绪论 3 中小装机容量数目较大 主要靠操作员人工投运 这种人工投切的现状与电力运行管 理现代化的要求不相适应 总体而言 我国目前的小型水电站 装备水平及自动化程 度低 机电设备陈旧老化 先进技术应用少 因此存在运行水平低 经济效益差 事 故频繁 工作人员多等问题 断路器合闸导前时间的测量不准确 同期装置发出合闸信号到断路器主触头闭 合所经历的时间为断路器的合闸导前时间 主要包括出口继电器动作时间和断路器合 闸时间 发电机并网瞬间是否正好落在 0 的点上 极大程度取决于准同期装置的导 前时间整定值是否与实际相符 然而遗憾的是 迄今还没有人去做取得整个合闸回路 包括中间环节 精确时间的工作 这样即使准同期装置设计得再严密 没有精确原始 数据的支持 并网也不可能不发生出人意料的冲击 1 3 本课题研究的主要内容 如前所述 同期并列是电力系统中经常进行的一项重大操作且在电力系统中所担 负的责任重大 多年来 电力科技工作者也开发了多种微机自动准同期装置 但是 目前应用的微机自动准同期装置在并列条件判断 电压差和频率差控制等方面 都仍 然采用模拟式自动准同期装置的方法 没有充分发挥微处理器的数值运算和逻辑判断 能力 从而限制了微机自动准同期装置性能的进一步提高 针对这种状况 本文主要探讨了快速自动准同期并网的理论及所开发出的准同期 装置的软 硬件的实现 全文共分 5 个章节 各章节主要内容简介如下 第 1 章对同期装置的发展过程进行回顾 并简单介绍了同期并列过程的重要性 提 出了本文研究问题 目的和意义 第 2 章分析了同期并列原理 同期装置的功能要求 以及介绍了几种能实现快速同 期并网的方法并对均频 均压控制方法 第 3 章介绍了 MCS51 单片机的硬件资源 及如何利用其特点设计测频 测压 采样 通讯等电路 搭建所开发装置的硬件系统平台 第 4 章为软件设计 对应系统的硬件构成 完成相应的软件设计 第 5 章对本文的全部工作进行概括总结 并指出有待进一步开展的工作 重庆科技学院本科生毕业设计 2 自动准同期原理及并列 4 2 自动准同期原理及并列 2 1 自动准同期装置的基本原理 自动准同期装置一般由三个控制单元组成 频差控制单元 它的任务是检测滑差频率 调节发电机转速 使发电机电压 的频率接近于系统频率 电压差控制单元 它的任务是检测发电机电压幅值与系统电压幅值之间的差 调节发电机电压使它与系统电压之间的电压差值小于规定值 促使并列条件的实 现 合闸信号控制单元 检查并列条件 当发电机频率和电压都满足并列条件时 控制单元就选择合适的时间发出合闸信号 使并列断路器的主触头接通时 相角差接 近于零 2 2 数字式准同期装置的原理 两侧电压的相角差可以表现为一定的脉冲宽度 宽度随时间变化的脉冲序列表征 两侧电压相位差随时间的变化 可以采用直接测量脉宽的方式计算两侧电压的相角差 采用基于单片机的测控系统能够方便地测量脉冲宽度 并进行处理 同理 采用了单片机以后 可以分别测量两侧电压 频率 将两侧频率相减得到 频率差 对于电压差 也可以通过分别测量两侧电压幅值 将测得的电压幅值进行比 较获得电压幅值差 采用单片机的数字式准同期装置脉络清晰 实现起来比模拟式装置简单明了 单 片机具有高速运算和逻辑判断功能 它的指令周期是微秒级的 对于每一个周期近于 20ms 的矩形波来说 可以有充裕的时间进行运算 2 3 并列操作的原则和条件 系统在需要增加电源的时候 要求将备用发电机迅速投入系统 系统正常运行时 负荷的增长会要求增加电源 系统因故障失去部分电源时 需要投入备用机组 将发 电机安全 快速地并入系统是电力系统可靠 经济运行的需要 也是保障发电机安全 的需要 2 3 1 同步发电机并入电网时应该遵循的基本原则 同步发电机并入电网时应该遵循的基本原则是 并列断路器合闸时 对发电机的冲击电流足够小 发电机并入系统后 能够足够迅速地进入同步运行状态 重庆科技学院本科生毕业设计 2 自动准同期原理及并列 5 上述原则要求发电机电压与系统电压之间必须满足的基本条件是两侧电压的幅值 差 频率差和相位差足够小 2 3 2 同步发电机并入电网时的条件 准同期并列要求在合闸前调节待并发电机或待并系统同时满足以下 3 个条件 应使待并发电机的频率接近系统频率 一般频差最大不超过 0 4Hz 本装置控制 在 0 33Hz 以内 应使待并发电机和系统电压接近相等 一般电压差应在 10 以内 应使得在并网合闸时刻 待并发电机与系统相角差趋于零 通常此相角差不宜 超过 10 度 假如待并发电机和电力系统之间满足上述 3 个条件 则发电机投入瞬间冲击电流 很小 能马上拉入同步对系统扰动最小 2 3 3 同步发电机并网的三种情况分析 电压幅值差过大 合闸冲击电流的无功分量正比于电压幅值差 无功冲击电流在系统电抗和发电机 次暂态电抗上的压降幅值等于电压幅值差 冲击电流的电动力将危害发电机绕组 合闸相角差过大 合闸相角差越大 大于 0 度小于 90 度时 合闸冲击电流的有功分量就越大 在相 角差较大的时候并网会导致发电机的绕组 轴承联轴器等受到突然冲击 造成损伤 频率差过大 频率差越大 发电机进入同步运行状态需要经历的时间越长 在拉入同步的过程 中 发电机会经历剧烈的暂态过程 对于发电机并列操作的意义 原则和条件以及为什么要满足条件的正确认识 是 设计研制并列合闸装置的指南 在电力系统中 并列方法分为准同期和自同期两种方式 并列合闸装置分为准同 期合闸装置与自同期合闸两种 后者由于用得很少 所以本文较详细地论述准同期合 闸原理及其装置 而对自同期合闸仅仅稍作介绍 2 4 准同期并列的原理 准同期方式是将待并发电机组在投入系统前通过调速器调节原动机转速 使发电 机转速接近同步转速 通过励磁调节装置调节发电机励磁电流 使发电机端电压接近 系统电压 在同期条件中的频差和压差满足给定值时 选择在零相角差到来前的合适 时刻发出合闸信号 使断路器触点闭合瞬间引起的冲击电流小于允许值 发电机迅速 被拉入同步运行 在满足并列条件的情况下 采用准同期并列 只要控制得当就可以使冲击电流很 重庆科技学院本科生毕业设计 2 自动准同期原理及并列 6 小 对电网没有扰动 这是准同期并列最突出的优点 准同期并列是电力系统正常运 行中采用的主要并列方式 设发电机电压为 sin 系统电压为 sin 发电机与系统两者之间的电压差为 下面通过对的分析来了解并列的基本条件 为了分析的方便 分别讨论发电机 电压和系统电压的幅值 频率和初始相角这三个要素中只有一个不相等的情况 2 4 1 存在幅值差的情况 设两个电压的频率相等 初始相角相等 且令电压两侧的初始相角为零 仅幅值 不等 那么差电压为 sin 差压的幅值为 U 差压是一个以系统频率波动的正弦波 合闸瞬间流过系统电抗 Xs 和发电机次暂态的冲击电流的峰值 为 h 幅值差引起的冲击电流为无功电流 主要考虑产生的电动力对发电机绕组的影响 电动较大时 有可能引起发电机绕组的端部变形 2 4 2 仅存在频率差的情况 两侧的差电压仅频率不同时 差压的表达式为 2 sin 2 cos 2 这里称为滑差频率 2 4 3 仅存在相角差的情况 如果以发电机电压正向过零点为起始点 相继的系统电压正向过零点为终止点 以 两点之间的时间间隔为一个脉冲的宽度代表发电机电压与系统电压之间的相角差 那 么两侧电压之间的相角差可以用一个宽度在不断变化的脉冲序列来表示 角差变化的规律与脉动电压幅值的变化规律一致 角差最大的地方同时也是脉动电 重庆科技学院本科生毕业设计 2 自动准同期原理及并列 7 压幅值最大的地方 角差最小的地方同时也是脉动电压幅值最小的地方 这表明了 脉动电压里面包含了准同期并列所需要检测的所有信息 电压幅值差 频率差和相 角差随时间变化的规律 2 4 4 差频并列 当电压幅值差不够小的时候 可以调节发电机的励磁增大或者减小发电机电压 使得两侧电压的幅值差达到要求 当频率差不够小的时候 可以通过调节原动机的转 速使得发电机的频率达到要求 但是 如果频率差等于零 而相位差在允许范围以外 是无法将相位差调节到合 乎合闸要求的 如果发电机电压频率与系统电压频率相等 那么发电机电压矢量与系 统电压矢量相对静止 两个电压矢量之间的夹角保持不变 夹角不会随着时间的变化 增大或者减小 如果频率差不等于零 那么发电机电压矢量将以滑差频率相对于系统电压矢量旋 转 相角差的绝对值会在之间变化 这样就有了两侧电压出现较小角差提供了 00 1800 可能性 有了这种可能性 就可能在零相角差时刻将发电机并入系统 从上述分析可知 在合闸期间不能将发电机电压的频率调节到系统频率大小 而 必须使之与系统频率存在一个差值 这样才一有可能在两侧电压角差变化的过程中捕 捉到合适的时刻并列 需要说明的是 不要把频率差调节得太小 频率差越小 滑差周期越长 允许合 闸角差出现的周期也就越长 把频率差调节得过分精细 不仅不能及时地将发电机并 入电网带负荷 而且带来极大的空转能耗浪费 2 5 自同期并列 自同期并列是将一台未加励磁电流的发电机升速到接近系统频率 由于没有加励 磁电流 所以发电机电压为零 发电机频率与系统电压频率的接近程度可以通过滑差 频率表现出来 不允许频率太接近 原因在前一小节中已经述及 即滑差频率不仅应 该有个上限 而且应该有个下限 当将滑差频率调节到规定范围内时 就将发电机并 入电网 然后再给发电机加励磁电流 使得发电机电压逐渐增大 在发电机电压逐渐 增长的过程中 系统将发电机拉入同步 由于在合闸时两侧电压的幅值很大 所以自同期并列不可避免地要引起很大的冲 击电流 因此 自同期方式不能用于两个系统之间的并列操作 发电机在自同期并列 时需要吸收大量系统发出的无功 这将会导致电网电压大幅度下降 对其它用电设备 的正常工作造成不利影响 目前 自同期并列方式只在系统发生事故 需要迅速投入 备用机组才被采用 重庆科技学院本科生毕业设计 3 微机型自动准同期装置的硬件设计 8 3 微机型自动准同期装置的硬件设计 3 1 设计依据 同期装置必须严格按照准同期的三要素来设计 应该在待并侧与系统侧的电压差 和频率差满足要求的前提下 确保相角差小于某一允许值时将发电机平滑地并入电网 更进一步地讲 应在压差和频差满足要求时捕获第一次出现的合闸时机将发电机并入 电网 在同期过程中 通过调节调速器改变待并发电机的频率 调节自动励磁调节器改 变待并发电机机端的电压 使之达到同期的条件 由于各类调速器和励磁调节器的特 性各不相同 因此在发电机同期过程中会出现频率和电压的波动 一般这些波动较大 的成份是频差和压差及其一阶导数 作为自动准同期装置 不论在精确捕捉同步时机 方面还是在实施均压及均频控制方面 都要按计及偏差及其导数的运动方程求解 确 保快速 精确地实现同期操作 快速性和精确性是白动准同期装置设计追求的主要目 标 3 2 基本功能 系统的硬件框图如图 3 1 AT80C52 单片机 ADC0809 调节励磁电流 调节原动机转 速 捕捉零相位点 并合闸 频率 相位差 调理电路 电压 调理 电路 发电机 电压 频率信 号 系统电 压 图 3 1 系统硬件总框图 3 3 装置的结构组成 微机型自动准同期装置形式较多 但其功能和装置原理是相似的 装置基本组成为以下 8 个部分 基本单片机系统 人机交互部分 频差和相角差检测部分 重庆科技学院本科生毕业设计 3 微机型自动准同期装置的硬件设计 9 电压差检测部分 输入部分 输出部分 信号调理部分 工作电源部分 3 3 1 基本单片机系统 AT89C52 是 ATMEL 公司生产的低电压 高性能 CMOS8 位单片机 片内含 8KbyTES 的 可反复擦写的只读程序存储器 PEROM 和 256byTES 的随机存取数据存储器 RAM 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术生产 与标准 MCS 51 产品引脚兼容 片内置通用 8 位中央处理器 CPU 和 FLASH 由存储单元 功能强大 AT89C52 单片适用 于许多较为复杂控制应用场合 89C52 单片机的主要性能参数 与 MCS 51 产品指令和引脚完全兼容 8 字节可重擦写 FLASH 闪速存储器 1000 次 擦写周期 全静态操作 0Hz 24MHz 三级加密程序存储器 256X8 字节内部 RAM 32 个可编程 I 0 口线 3 个 16 位定时 计数器 8 个中断源 可编程串行 UART 通道 低 功耗空闲和掉电模式 89C52 单片机的功能特性 AT89C52 提供以下标准功能 8 字节 FLASH 闪速存储器 256 字竹内部 RAM 32 个 I O 口线 3 个 16 位定时 计数器 一个 6 向量两级中断结构 一个全双工串行通信口 片内振荡器及时钟电路 同时 AT89C52 可降至 OHz 的静态逻辑操作 并支持两种软件 可选的节电上作模式 空闲方式停止 CPU 的工作 但允许 RAM 定时 计数器 串行通 信口及中断系统继续工作 掉电方式保存 RAM 中的内容 但振荡器停止工作并禁止其 它所有部件工作直到下一个硬件复位 3 3 2 频差和角差测量电路 来自并列点两侧的 PT 的二次电压经过隔离传感器以后通过相敏电路将正弦波转换 为相同周期的矩形波 通过对矩形波的过零点检测 即可获取发电机电压频率 系统 电压频率以及两侧电压之间的相角差 还能获取两侧电压相序是否一致的信息 频率 和角差的测量都要快 有的装置采用很复杂的算法获取频差和角差 以单片机的速度 来看 这是不可取的 违背了同期并列快速性的原则性要求 3 3 3 电压差测量部分 采用 A D 转换电路将电压传感器传来的电压转换为数字量 由 CPU 进行判别处理 电压测量电路测量的速度不能慢 要及时跟踪电压的变化 尤其是发电机电压的变化 励磁调压要根据测得的电压值对发电机电压及时进行调节 同期的快速性要求也需要 电压测量速度快 重庆科技学院本科生毕业设计 3 微机型自动准同期装置的硬件设计 10 由于 ADC0809 片内无时钟 可利用 AT89C52 供的地址锁存允许信号 ALE 经 D 触发 器 4 分频后获得 ALE 引脚的频率是单片机时钟频率的 1 6 ALE 引脚的输出频率为 2MHz 再 4 分频后为 500kHz 恰好符合 ADC0809 对时钟频率的要求 由于 ADC0809 具 有输出三态锁存器 其 8 位数据输出引脚可直接与数据总线相连 地址译码引脚 A B C 与单片机相连 以选通 IN0 IN7 中的一个通路 将 P2 5 作为片选新号端 在 启动 A D 转换时 有单片机的写信号和 P2 5 引脚信号控制 ADC 的地址锁存器和转WR 换启动 由于 ALE 和 START 连在一起 因此 ADC0809 在所存通道地址的同时启动并进 行转换 在读取转换结果时 用低电平的读信号和 P2 5 引脚经 1 级或非门后 产RD 生的正脉冲为 OE 信号 用以打开三态输出锁存器 3 3 4 液晶显示模块 主控模块的 AD 转换器把模拟电压频率转变为数字信号 再对数字信号进行相应处 理 主要是计算在液晶屏上的显示位置 然后把信号送入液晶显示模块进行显示 因 而在设计系统时 选择一块合适的液晶模块也成了关键问题之一 选择液晶模块需要 考虑以下几点 液晶屏规格是否符合我们显示心音呼吸音的要求 主要是对尺寸 分辨率 亮度 背光的要求 液晶显示模块与所选 MCU 的接口要简单 显示控制 操作简单 最好是内嵌液晶驱动模块 对外提供统一接口 功耗要低 满足电池供 电的要求 经过多次考察和比较 选择了 ST7920 液晶模组 3 3 5 输出电路 输出电路实现对发电机的均压 均频和合闸控制 控制命令由加速 减速 升压 降压 合闸等继电器执行 同步闭锁继电器是在进行装置试验时闭锁合闸回路的 所 有的继电器的驱动电流都较大 单片机系统的口的驱动能力显然不够 应该加外部 驱动器 执行回路属于强电部分 接点断开 闭合时会产生很强的电磁干扰 必须用 采用光电隔离将测控弱电系统与强电部分隔离开来 3 3 6 信号调理部分 信号调理部分分为电压调理部分和频率相位调理部分 LM324 为四运放集成电路 采用 14 脚双列直插塑料封装 有四个运算放大器 有 相位补偿电路 电路功耗很小 LM324 工作电压范围宽 可用电源 3 30V 或正负双电 源 1 1V 5V 工作 如图 3 2 重庆科技学院本科生毕业设计 3 微机型自动准同期装置的硬件设计 11 12345678 A B C D 87654321 D C B A Title NumberRevisionSize A2 Date 30 May 2011Sheet of File C Users Administrator Desktop 123 ddb Drawn By C4 CAPACITOR POL T1 TRANS1 R6 RES2 1 2 J1 CON2 D4 DIODE AI0 10 9 8 U5C LM324 5 6 7 U5B LM324 D3 DIODE R4 RES2 D2 DIODE D1 DIODE 3 2 1 411 U5A LM324 R5 RES2 12 13 14 U5D LM324 R8 RES2 R7 RES2 压压压压压压压 C6 CAP VCC 图 3 2 电压信号调理电路 经过选通电路后 我们把相位采集数据送入到相位检测电路 检测其与信号源的 相位差 即相位偏移量 相位检测电路由LM393四运放芯片和74HC74双D触发器构成 其中我们利用LM393构成的部分电路实现过零检测 74HC74双D触发提取二者的相位差 如图3 3所示 12345678 A B C D 87654321 D C B A Title NumberRevisionSize A2 Date 31 May 2011Sheet of File C Users Administrator Desktop 123 ddb Drawn By R3 RES2 1 2 3 U9A 4030 D 5 Q 1 CLK 3 Q 2 R 4 S 6 U8A 4013 R11 RES2 VCC VCC T2 TRANS1 1 2 J2 CON2 D 9 Q 13 CLK 11 Q 12 R 10 S 8 U8B 4013 R9 RES2 VCC P24 INT0 T0 D7 DIODE D5 DIODE 3 2 1 84 U7A LM393 R17 POT2 R10 RES2 5 6 7 U7B LM393 R18 POT2 T1 T3 TRANS1 1 2 J3 CON2 D8 DIODE D6 DIODE VCC VCC D18 DIODE D14 DIODE D17 DIODE D13 DIODE 图 3 3 频率 相位差信号调理电路原理图 重庆科技学院本科生毕业设计 3 微机型自动准同期装置的硬件设计 12 3 3 7 利用等分周期采样点上的样本值求各种电压 设在一个电压周期内采样 N 个点 每个点的电压为 K 1 采样间隔为 T是电压周期 下面介绍如何利用这些样本点值求取电压的基波幅值 电压平均值 电压有效值 用离散傅立叶变换 DFT 求基波幅值 实部量 Re 与虚部量的计算式分别为 1 0 1 0 电压基波值的峰值为 2 2 2 求取电压平均值 电压的平均值可以用矩形法和梯形法来求 梯形法更为精确一些 矩形法的基本思 想是将 N 个高度分别为宽度为Ts的矩形的面积之和作为电压值的近似 用矩形法的计算电压平均值的公式为 1 1 0 用梯形法计算平均电压的公式为 1 2 2 0 1 求取电压有效值 1 1 0 2 3 3 8 合闸执行单元 合闸执行单元采用具有四对常开接点的三相接触器和一个中间继电器 三相接触器中的三对接点用于将发电机发出的三相电压并入或退出三相电力系统 剩下的一对接点作为握手信号接点输出到 CPU 用来实时测量执行单元的固有动作时间 从 CPU 发出合闸指令的时刻到合闸接点接触时刻之间的时间间隔称为执行单元的固有 重庆科技学院本科生毕业设计 3 微机型自动准同期装置的硬件设计 13 动作时间 固有动作时间是用来确定越前时间的一个核心参数 由于合闸执行单元为 机械机构 固有动作时间并非固定下来一成不变的常数 而是具有一定程度的分散性 也就是说 每次的固有合闸时间都可能不同 只是在正常情况下 这种不同不是很大 重庆科技学院本科生毕业设计 4 自动准同期装置的软件设计 14 4 自动准同期装置的软件设计 本章主要介绍系统设计中的软件设计部分 MCS 51 把微型计算机的主要部件都集 成在一块芯片上 使得数据传送距离大大缩短 可靠性更高 运行速度更块 由于属 于芯片化的微型计算机 各功能部件在芯片中的布局和结构达最优化 抗干扰能力加 强 工作亦相对稳定 因此 在工业测控系统中 使用单片机是最理想的选择 单片 机属于典型的嵌入式系统 所以它是低端控制系统最佳器件 MCS 51 的开发环境要求较低 软件资源十分丰富 介绍其功能特性书籍和开发软 件随处可取 只需配备一台 PC 个人电脑 一台仿真编程器即可实现产品开发 早期 的开发软件多使用 DOS 版本 随着 Windows 视窗软件的普及 现在几乎都使用 Windows 版本 并且软件种类繁多 琳琅满目 在众多的单片机品种中 C51 的环境资源是最丰 富的 这给 C51 用户带来极大的便利 在此环境中 支持标准 C 语言 可以实现 C 语 言与汇编语言的互相调用 这些都为软件开发提供了方便条件 AT80C52 单片机板内集 成一个 ICE 接口 使得对芯片的编程 仿真都变得非常方便 并且 ICE 接口不占用芯 片上的硬件资源 可以利用其对芯片进行真实的仿真 程序的下载也通过该接口实现 软件主要完成系统对电压信号的 A D 转换 对采集后数据的处理 与液晶模块的通信 和显示等功能 4 1 编程语言的选择 在研制单片机应用系统时 汇编语言是一种常用的软件工具 它能直接操作硬件 指令的执行速度快 但其指令系统的固有格式受硬件结构的限制很大 且难于编写与 调试 可移植性也差 尤其是在数据的处理上 汇编语言在多字节数据处理 浮点数 处理上有着很大的难度 随着单片机硬件性能的提高 其工作速度越来越快 因此在编写单片机应用系统 程序时 更着重于程序本身的编写效率 为了提高应用程序效率 改善程序的可读性 和可移植性 采用高级语言 C 语言编程 C 语言是一种源于 UNIX 操作系统的语言 它 是一种结构化语言 可以产生紧凑的代码 采用 C 语言编程 可以缩短开发周期 降 低开发成本 而且开发出的系统易于维护 可靠性高 可移植性好 其有以下一些特 点 通用性强 随着微处理器技术的不断发展 其功能越来越具体 种类越来越多 而不同种类的微处理器都有自己专用的汇编语言 这就为系统开发者设置了一个巨大 的障碍 使得系统编程更加困难 软件重用无法实现 而高级语言一般和具体机器的 硬件结构联系较少 比较流行的高级语言对多数微处理器都有良好的支持 通用性较 好 重庆科技学院本科生毕业设计 4 自动准同期装置的软件设计 15 容易编程 随着嵌入式系统应用范围的不断扩大和应用层面的不断深入 系统 规模越来越大 结构越来越复杂 设计变得越来越困难 一个系统内有多种微处理器 己是常见的事情 这时 要用汇编语言编程不仅要求编程人员要对所有微处理器的汇 编语言都了如指掌 而且随着任务复杂程度的不断提高 用汇编语言实现规模较大的 任务难度极大 而高级语言的语意层次较高 且有丰富的程序库支持 因此 编写较 复杂的程序相对简单 使用高级语言编程 不仅能够加快系统开发进程 节省大量时 间 同时也有利于系统调试及维护工作 容易阅读 由于汇编语言的语意层次较低 在阅读汇编语言程序时 往往要花费 大量精力分析 细节 问题 如为什么把一个数据传送给一个寄存器 为什么把某个 标志位清零等 当把注意力放在这些 细节 上的时候 往往又把程序的主线忘记了 因此 汇编语言程序不仅难写 而且难读 采用高级语言就可以很好地解决这些问题 因为高级语言的语意层次较高 表达方式更接近入们日常的思维方法 一些数学表达 式可以直接用一条语句表达 程序的思路更加清晰 简捷 因此 程序也就容易阅读 可移植性好 由于汇编语言和具体的微处理器密切相关 为某个微处理器设计的 程序不能直接移植到另一个不同种类的微处理器上使用 因此 移植性差 而高级语 言对所有微处理器都是通用的 因此 程序可以在不同的微处理器上运行 可移植性 较好 这是实现软件重用的基础 可维护性好 高级语言程序往往是模块化设计 各个模块之间的接口是固定的 因此 当系统出现问题时 可以很快地将问题定位到某个模块内 并尽快得到解决 另外 模块化设计也便于系统功能的扩充和升级 直接支持中断管理 中断是嵌入式系统最重要也是最常用的信息交换方式 因此 中断系统是否灵活 中断功能是否强大对系统的性能影响极大 在高级语言中 一般 都有强大的中断管理机制 以便构建高效灵活的中断系统 而在汇编语言中 一般要 由程序设计者自己编程来进中断管理 这不仅增加了编程的难度 而且效果也不一定好 支持软件重用 由于汇编语言的可移植性极差 使得其软件重用性严重受阻 而 高级语言具有较好的通用性和可移植性 这就使得高级语言程序可以在不同时间 不 同地点 不同系统 不同人员之间分享 实现软件重用 这不仅可以提高产品质量 缩短开发周期 降低产品成本 而且还可以使软件开发走上正规化 产业化的道路 所以 本系统在设计时使用 C 语言编程 4 2 系统程序的设计 在本次系统程序的设计中 整个系统程序有三个主要的流程 一个主程序流程 一 重庆科技学院本科生毕业设计 4 自动准同期装置的软件设计 16 个幅值采集程序 一个电压采集程序 本次设计的系统软件流程图如图 4 1 所示 4 2 1 系统软件流程图 主程序部分主要功能就是初始化系统设置 如单片机的端口初始化 系统变量初始 化 以及协调系统各子模块的工作 本程序把计算频率差和相位差和调节频率电压程 序放入主程序中 其具体流程图如图 4 1 所示 系统定时初始化 计算显示发电机频率 计算显示电网频率 计算显示电网频率差 计算显示相位差 进入电压采集程序 频率差与电压差都达标否 合闸并网 计算显示电压差 否 是 相位差是否达标 是 否 返回 开始 图 4 1 主程序流程图 重庆科技学院本科生毕业设计 4 自动准同期装置的软件设计 17 4 2 2 电压幅值测量的编写 单片机在查询到采样时钟的上升沿时 开始启动 MAX197 进行一次 A D 转换 启动 MAX197 转换是通过向 MAX197 写入一个命令字来实现的 这个命令字里面包含了通道号 采样极性 采样量程等信息 启动转换后 单片机查询 MAX197 的转换结束信号 当查 询到结束信号为高时 表明转换结束 单片机先令 HBEN 0 使得 MAX197 在数据总线上 呈现 12 位转换结果的低 8 位 读取 MAX197 的状态字 将转换结果的低 8 位存起来 然后 令 HBEN 1 读取转换结果的高 4 位并存入数据存储器 然后 按照这个流程对 下一个通道进行采样 每个通道要采 64 个点 由于装置用到的是双极性采样 所以转换结果的最高位是符号位 将转换结果的 低 11 位转换为十进制数 存入 RAM 将每个通道的 64 个点绝对值平均后得到电压的平 均值存放入 RAM 电压幅值的测量是经过一定的电压转换之后 将电压信号送到 ADC0809 的模拟量 输入口 经过 A D 转换 进行相应的数据处理后得到该电压信号的有效值 送入相应 的存储单元 以供控制和计算用 电压差计算的软件流程图如图 4 2 所示 通道自动跳转采集 计算2个 通道的电压差 启动A D电压采集 电压差采集数据处理 及显示 电压采集入口 返回 图 4 2 电压差采集 4 2 3 频率测量的程序编写 频率测量是由中断和定时器来完成的 首先计算频率的公式是 重庆科技学院本科生毕业设计 4 自动准同期装置的软件设计 18 1 f 是频率 T 是周期 因为定时器 或中断 在 1s 内能得到 N 个正弦波 通过转换电路将其转换成方波 下降沿产生中断来计脉冲个数 N 周期的公式是 1 则频率就为 N 4 2 4 中断子程序 中断是指当单片机在正常执行程序的时候 系统中有再