船用发电机继电保护试验装置设计-中稿不带英文目录.doc

I 摘要 船舶电站是船舶重要组成部分 船用发电机的继电保护装置是船舶电力系 统安全供电的重要保证 本设计首先简要介绍了船用发电机的不正常运行和故障及其相应的继电保 护 针对船用发电机继电保护装置的重要性提出了设计本试验装置的必要性 接下来从概括到具体 从总体结构设计到具体功能实现 介绍了船用发电机继 电保护试验装置的组成部分以及相应的硬件和软件设计 本设计的硬件结构主要由 6 部分组成 分别为主控芯片选择 模数转换模 块设计 频率和功率因数测量模块设计 开关量输入和输出模块设计 通信模 块设计和电源模块设计 系统采用 AT89S51 为主控芯片 通过主控芯片与各 部分硬件的连接及软件的编程 与各部分共同完成设计所需要完成的工作 关键词 继电保护 状态监控 AT89S51 数据采集 II Abstract Power station is an important composition of a ship Ship motor relay protection equipment is an importance guarantee for safe power supply of ship power system Firstly the thesis discusses the abnormality and failure of ship motor and relevant relay protection equipment Because of the importance of ship motor relay protection equipment it s necessary to inquire into the ship motor relay protection experiment equipment Secondly not only in summary but also in brief we introduce the constitution and design of hardware and software of the ship motor relay protection experimental equipment The introduction includes both collectivity design and idiographic realization The design of hardware structure consists mainly of six parts respectively for controlling chip selection modulus conversion module design frequency and power factor measurement module design switch input and output module design communication module design and power supply module design System select AT89S51 for controlling chip through the main controlling chip and each part of the hardware and the software programming and connecting with the parts together complete design needs Key words transmission lines condition monitoring AT89S51 data acquisition 目录 III 摘要 I Abstract II 第 1 章 绪论 1 1 1 设计的背景及意义 1 1 2 国内外的发展状况 2 1 3 本设计的主要工作 2 第 2 章 不正常运行状态和故障分析 3 2 1 船舶同步发电机的过载保护 3 2 2 船舶同步发电机外部短路保护 4 2 3 船舶同步发电机的欠压保护 4 2 4 船舶同步发电机的逆功率保护 5 第 3 章 系统总体结构和硬件设计 7 3 1 系统总体结构方案设计 7 3 1 1 系统设计要求及总体结构框图 7 3 1 2 总体结构方案设计 9 3 2 主控芯片及接口电路设计 10 3 2 1 主控芯片的选择 10 3 2 2 译码电路 13 3 2 3 看门狗电路 14 3 3 模数转换模块设计 15 3 3 1 微型交流电量隔离传感器 15 3 3 2 模数转换器主要性能 17 3 3 3 模数转换器 ADC0809 18 3 3 4 模数转换模块的工作原理 20 3 4 频率和功率因数测量模块设计 20 3 4 1 波形变换单元 20 3 4 2 8253 芯片简介 21 3 4 3 频率和功率因数测量模块 22 IV 3 5 开关量输入和输出模块设计 23 3 5 1 开关量输入模块的原理和构成 23 3 5 2 开关量输出模块的原理和构成 25 3 5 3 继电器电路设计 26 3 6 系统供电模块设计 27 3 7 串行通信模块设计 28 3 7 1 串行通信的介绍 28 3 7 2 本设计的串行通信电路 29 第 4 章 船用发电机继电保护系统软件设计 31 4 1 系统整体软件流程 31 4 2 模数转换模块软件设计 32 4 3 频率和功率因数测量模块软件设计 36 4 4 开关量输入输出模块软件设计 36 4 5 串行通信软件设计 37 第 5 章 系统的抗干扰设计 40 5 1 系统的硬件抗干扰设计 40 5 2 系统的软件抗干扰设计 41 第 6 章 仿真实验 44 6 1 单片机最小系统仿真 44 6 2 系统电源模块仿真 45 结论 47 致谢 48 参考文献 49 附录 50 1 第 1 章 绪论 1 1 设计的背景及意义 船舶电站是船舶的重要组成部分 电站运行安全可靠和电站供电电能的高 质量是船舶安全 经济航行的重要保证 随着船舶向大型化和自动化方向的发 展 对船舶电站提出的要求也越来越高 船舶电站在近二十年来有了很大的发 展 其发展的突出标志便是自动化和智能化 船舶电力系统在运行中 可能出现各种不正常运行和故障情况 其中不正 常运行情况主要有过载 欠压 欠频 过频 逆功以及三相三线制中性点绝缘 系统发生单相接地等 上述情况发生后 往往会引起严重后果 严重的短路故 障若不及时切除 有可能使并联运行的发电机失步 破坏并联运行稳定性 使 电站解列 扩大成为系统性事故 以致使整个电力系统失电 影响船舶安全运 行 本设计针对主开关继电保护装置的重要性和复杂性以及目前船舶人员管理 能力的不理想 我们提出对船用发电机继电保护试验装置的设计 计划当试验 装置投入使用后 学生不仅可以对主开关内部结构进行认识实习 而且可以通 过机旁和遥控两种方式进行主开关的三项模拟实验 在实验过程中通过试验装 置自带的机械仪表 指示灯或者通过上位机控制界面对实验现象进行形象而直 观的观察 船用发电机试验装置的投入使用将使学生在实验过程中将理论知识 和实际操作有机结合 从而迈出实验教学改革的一大步 此外 由于主开关继 电保护装置是保证船舶电力系统正常工作的重中之重 在船舶维护过程中 船 舶运营商往往需要投入较大的人力和财力对船舶电站进行检修 对继电保护装 置动作的可靠性进行测试 从设计的长远规划来看 该试验装置将成为微机化 船舶发电机继电保护测试装置的一个有力探索 功能完善的微机化船舶发电机 继电保护测试装置将会大大提高船舶继电保护测试水平和工作效率 并有效的 减少人为误差 对防止继电保护及安全自动装置的不正确动作 提高船舶电站 安全水平有着积极的现实意义 2 1 2 国内外的发展状况 根据国际海事组织 STCW78 95 公约和我国海事局关于远洋运输船舶在 2002 年开始不再配备电机员的决定 管理模式从原来的机舱轮机管理模式扩 展为机电合一的管理模式 老式的船用发电机继电保护装置是万能式空气断路器 它不仅价格昂贵 而且寿命有限 更不能适应 STC278 95 公约中提出的对轮机员的培养要求 综上所述 老式的船用发电机继电保护装置已经相对落后 随着计算机的 不断发展 船用继电保护装置也应步入自动化和智能化 1 3 本设计的主要工作 本设计是一种经济 切实有效的综合监测控制系统 主要做了电压 电流 频率 功率因数和开关量这几个方面的工作 主要工作如下 1 分析船用发电机各项关键参数 提出选取三相电压 三相电流 功率 频率 功率因数作为监控对象 实现船用发电机运行状态的监测 2 对装置硬件整体方案进行设计和研究 包括主控芯片的选择 数据采 集处理单元以及开关量输入模块等部分的设计 3 对装置软件部分进行设计 4 对上位机监控软件进行设计 5 分析装置可能受干扰的情况 从硬件 软件设计上提出一些抗干扰措 施 3 第 2 章 不正常运行状态和故障分析 发电机是现代船舶中的重要电源设备之一 所以保护发电机不损坏是船舶 安全航行的重要保证之一 针对船舶发电机各种常见的不正常运行状况和故障 必须装设相应的继电保护装置 船舶同步发电机的不正常运行情况主要有 l 负荷超过发电机的额定值而 形成的过载 2 外部短路 非同期合闸以及系统振荡等而引起的过电流 3 发电机电压及频率低于或高于其额定值而形成的欠压或过压及欠频或过频 4 在 并联运行时可能产生的逆功率状态 根据 钢质海船入级与建造规范 规定 对船舶低压同步发电机 只针对 其不正常运行情况 主要设有如下继电保护 过载保护 外部短路的过电流保 护 欠压保护 逆功率保护 船舶上针对这几种不正常运行状态设定了如下继电保护措施 2 1 船舶同步发电机的过载保护 当船舶电站在运行中发电机的容量不能满足负载增长的需要时 或应几台 发电机并联运行而未做并联运行时 都有可能造成发电机的过载现象 对船舶发电机过载保护装置的起动电流和动作时限 可做如下整定 qd It 2 1 Nkfh IKI 2 2 fh fh qd K I I 2 3 N fh k qd I K K I 其中 为返回电流 为可靠系数 对于船舶发电机过载保护 fh I k K 1 1 2 0 8 0 9 于是 船舶发电机过载保护装置的起动电流可整定 k K fh K 为 2 4 fhfhqd III 5 1 1 1 9 0 8 0 2 1 1 船舶发电机过载保护装置动作时限的整定 主要考虑躲开大电动机或几台 4 较大电动机同时起动的时间 一般电动机起动时间为 5s 10s 所以过载保护 的动作时限可整定在 10s 20s 对无分级自动卸载装置的发电机过载保护 我国一般规定 其起动电流值 可整定在其额定电流值的 125 135 延时 15s 20s 过载保护装置动作 使发电机自动跳闸 本文所讲述的船用发电机继电保护试验装置在进行过载实 验时 起动电流值和动作时限的设定即是参照这种规定 2 2 船舶同步发电机外部短路保护 船舶同步发电机发生外部短路时 发电机定子绕组中将产生极大的短路电 流 电网电压急剧下降 会使电动机停转 甚至发电机全部断开 导致全船停 电 外部短路故障造成的后果是非常严重的 为了限制短路故障的破坏作用 在技术措施方面必须装设继电保护装 置 以便在故障发生后 能自动切除故障部分 保护设备 防止事故扩大 保证非故障部分得以正常的运行 处理发电机外部短路 原则上既要保护发电机 义要保证不中断供电 因此 要着重兼顾到保护的选择性和快速性问题 视短路点远近而分别处 理 实现保护选择性有两个基本原则 时间原则和过电流原则 时间原则是指 以保护装置动作时限不同 来保证选择性 在一个系统中 常常采用时间和电流原则混合的方法 来满足保护选择性 和快速性的要求 一般在船舶发电机的短路保护装置中 都设有两套过电流保 护装置 第一套为带时限的外部过电流保护装置 又叫短路短延时保护装置 第二套为不带时限的电流速断保护装置 又叫短路瞬时动作保护装置 对于船 舶发电机外部短路保护 我国 钢质海船入级与建造规范 作了规定 对于船 舶发电机外部短路保护一般应设有短路短延时和短路瞬时动作保护 短路短延 时保护的起动电流整定为 3 5 倍的发电机额定电流 动作时限整定为 0 2s 0 6s 作用于发电机跳闸 短路瞬时保护的起动电流整定为 5 10 倍的发 电机额定电流 瞬时动作于发电机跳闸 5 2 3 船舶同步发电机的欠压保护 当调压器失灵或由于发电机外部发生持续性短路故障等原因时 都将出现 发电机电压下降的现象 发电机在欠压情况下运行将引起电机的电流增加 电动机转矩下降 发电 机过热 绝缘损坏 这对发电机本身和异步电动机的运行等都是很不利的 发电机欠压保护的任务是当发电机在低电压时 保证发电机合不上闸或从 电网上自动断开 船舶发电机欠压保护的整定电压 应躲开最低可能的工作电压进行整 2 5 fhk g qd KK U U min 式中 起动电压整定值 qd U 最低工作电压 ming U 可靠系数 k K 返回系数 fh K 在进行带时限欠压保护起动电压整定时 可取 Ng UU min 1 1 1 3 1 1 1 2 于是带时限欠压保护起动电压值可整定为 k K fh K 2 6 N N dq U U U 80 70 2 1 1 1 3 1 1 1 由于具有良好性能快速动作的调压器在 1 5s 之内可把暂时性的电压下降 回复到接近额定电压值的 3 之内 故欠压保护动作时限的整定值 t 应大于 1 5s 以躲开暂时性电压下降时间 一般取欠压保护的整定时限为 t 1 5 3 s 对于船舶发电机欠压保护 我国 钢质海船入级与建造规范 作了规定 对带时限的发电机欠压保护 整定在当发电机电压低于其额定电压的 70 80 时 延时 1 5 3 s 动作于跳闸 对于不带时限的发电机欠压保护 整定在当 发电机电压低于其额定电压的 40 75 时 瞬时动作于跳闸 6 2 4 船舶同步发电机的逆功率保护 同步发电机的逆功率运行 是指该同步发电机不是发出有功功率 而是从 电网中吸收有功功率 出现这种情况时 要求将处于电动机运行状态的发电机 切除 因为发电机过载保护时具有时限的 所以逆功率保护也并不要求立即跳闸 即也可以有一定的时限 从避开并车时可能出现的短时逆功率冲击来要求 逆 功率保护也应具有一定的时限 发电机过载保护一般整定在额定值的 125 135 延时 15s 20s 跳闸 非同步并车出现的功率冲击一般在 1s 逆功率保护的起动功率一般整定在发电机额定功率的 15 左右 延时时 间一般整定在 1s 10s 7 第 3 章 系统总体结构和硬件设计 3 1 系统总体结构方案设计 3 1 1 系统设计要求及总体结构框图 1 设计要求 1 系统要实现的功能 该装置通过串口通信方式遥测三相电压 三相电流 功率 频率和实验屏 上 10 盏状态指示灯的亮灭状态 通过串口通信方式对船用发电机继电保护实 验柜进行远程控制 船用发电机继电保护试验装置一方面秉承了船用发电机继 电保护实验柜的特点 另一方面 船用发电机继电保护装置应用单片机技术 通信技术和面向对象的程序设计语言开发了界面友好 功能强大的人机对话界 面 从而在原有装置的基础上实现了上位机对试验状态的遥测功能和上位机对 原有试验装置的遥控功能 用户可以便捷的进行船用发电机继电保护实验 并 且直观地对实验现象进行观察 2 对系统成本的要求 本设计尽量使用成熟的 通用的技术实现功能 尽量采用常用的 市面价 格不是很昂贵的硬件 真正做到达到装置各项要求的同时 降低软硬件投入及 人力成本 2 系统总体结构框图 系统由继电保护试验装置 波形变换单元 交直变换单元 继电器驱动单 元 周期测量单元 相位测量单元 A D 转换单元 开关量输出单元 开关量 输入单元 中央处理单元以及串行通信构成 这些构成单元的逻辑关系原理如 图 3 1 所示 8 继电保护 试验装置 波形变 换单元 交直变 换单元 继电器驱 动单元 相位差测 量单元 周期测 量单元 A D转 换单元 开关量输 出单元 开关量输 入单元 中央处 理单元 通信电平 转换单元 上位机 图 3 1 系统逻辑关系原理框图 其中与继电保护装置有直接电气连接的有波形变换单元 交直变换单元 继电器驱动单元和开关量输入单元 由于周期测量单元和相位差测量单元可以识别的只有方波信号 所以波形 变换单元的功能就是将从继电保护试验装置采集来的单相电压 单相电流正弦 波信号分别转换为与之同频 同相的方波信号 由于 A D 转换单元可以识别的信号只限于 0 5V 的直流信号 从继电保护 试验装置采集来的三相电压 三相电流信号首先要先经过交直变换单元转换为 与之成线性关系的直流信号 即将交流电量转换为交流电量的有效值 上位机通过单片机系统对试验装置进行遥控时 考虑到开关量输出单元的 驱动能力 上位机送来的开关量动作信号使继电器驱动单元动作 相应触点开 9 合 触点信号直接连到试验装置中 同理 当上位机通过单片机系统对试验装置进行遥测时 试验装置的状态 反映到与指示灯并联的继电器线圈上 线圈的通断电通过其常开触点的状态量 反映出来 该状态量被作为开关量输入单元的输入信号 3 1 2 总体结构方案设计 1 系统概述 船用发电机继电保护试验装置主要由发电机继电保护试验装置和微机控制 系统两部分组成 其中 发电机继电保护试验柜是相对独立的一套试验装置 可以以手动方式实现船用发电机继电保护的四项实验 过载实验 外部短路实 验 欠压实验和逆功率实验 微机控制系统则由一套小型单片机控制系统和 一台计算机组成 其中 单片机控制系统中的单片机固化了 INTEL HEX 文件 在计算机上使用面向对象的程序设计语言 Visual Basic 编制了 EXE 文件 单 片机系统和计算机通过串行通信实现实验数据和作业命令的传输 最终实现上 位机对试验装置的遥控和遥测 2 发电机继电保护试验装置的构成 发电机继电保护试验装置主要指的是船用发电机继电保护实验柜 在船用 发电机继电保护实验柜中 选用了 AH 6B 型的万能式自动空气断路器 过载 保护装置和外部短路保护装置都是由万能式自动空气断路器中的过电流脱扣器 来担当的 同时万能式自动空气断路器中的失压脱扣器实现了欠压保护的功能 实验柜中装设了逆功率继电器 用来实现对发电机出现逆功率状态的继电保护 试验装置的内部工作原理如图 3 2 所示 控制 电源 万能式空 气断路器 实验 电源 电压互 感器 电流互 感器 控制 电源 逆功率 继电器 电压互 感器 cba UUU a I 图 3 2 继电保护试验装置内部工作原理 试验装置内部的实验动作装置还包括成比例变换电流的电流互感器 成比 例变换电压的电压互感器 实现延时动作的时间继电器以及进行过电流保护的 熔断器等等 这些装置的设置对于试验装置的功能实现都是必不可少的 10 3 2 主控芯片及接口电路设计 3 2 1 主控芯片的选择 本设计采用 AT89S51 单片机 该系列单片机是以 8031 为核心的 它和 8051 单片机是兼容的 AT89 系列单片机有以下特点 内部含有 Flash 存储器 与 8051 引脚兼容 静态时钟方式 可反复进行系统实验 其最小系统如图 3 3 所示 EA VPP 31 XTAL1 19 XTAL2 18 RST 9 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 AD0 P0 0 39 AD1 P0 1 38 AD2 P0 2 37 AD3 P0 3 36 AD4 P0 4 35 AD5 P0 5 34 AD6 P0 6 33 AD7 P0 7 32 A8 P2 0 21 A9 P2 1 22 A10 P2 2 23 A11 P2 3 24 A12 P2 4 25 A13 P2 5 26 A14 P2 6 27 A15 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 TXD P3 1 11 RXD P3 0 10 GND 20 VCC 40 U1 AT89S51 12 Y1 11 0592M 20pF C1 20pF C2 P1 0 P1 1 P1 2 INT0 RST RD WR ALE TXD RXD A1 A0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 图 3 3 AT89S51 最小系统图 单片机的最小系统是指单片机能正常工作所必须的外围元件 1 主要性能 工作电压为 5V 4KB Flash 程序存储器 可写入 擦除 1000 次 全静态工作 0 24MHz 三级程序存储器加密 11 128 字节内部 RAM 32 条可编程 I O 线 两个 16 位定时器 计数器 5 个中断源 可编程串行口 通道 片内时钟震荡电路 2 引脚功能说明 1 I O 口 P0 口 8 位漏极开路型的双向 I O 端口 本设计中与 A D 转换模块 开 关量输入输出模块和频率功率因数测量模块相连接 P1 P2 P3 口 8 位准双向 I O 端口 具有内部上拉电阻 其中 P3 口还用于一些复用功能 情况如下 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 外部中断 0 申请 本设计与频率功率因数模块相连接 INT0 P3 3 外部中断 1 申请 INT1 P3 4 T0 定时器 0 的外部输入 P3 5 T1 定时器 1 的外部输入 P3 6 外部数据存储器 RAM 写选通 本设计与 A D 转换模块相连WR 接 P3 7 外部数据存储器 RAM 读选通 本设计与 A D 转换模块相连RD 接 2 控制信号线 RST 复位输入信号 高电平有效 Vpp 外部程序存储器访问允许信号 EA 片外程序存储器读选通信号 低电平有效 PSEN ALE 低字节地址锁存信号 PROG 3 电源线 VCC 电源电压输入引脚 接 5V 电压 GND 电源地 4 外部晶振引线 XTAL1 片内振荡器反相放大器和内部时钟发生器的输入端 12 XTAL2 片内振荡器反相放大器的输出端 本设计采用的是 AT89S51 芯片 它内部自带 4K 的 Flash 程序存储器 一 般情况下 这 4K 的存储空间足够使用 单片机的时钟电路由一个 11 0592MHz 的晶振和两个 20pF 的小电容组成 主控模块中的时序电路为单片机工作提供了统一的时钟脉冲 时序电路包 括振荡器和时钟电路两部分 AT89S51 内部由一个高增益反相放大器 用于 构成振荡器 89S51 的时钟产生方法有内部时钟方式和外部时钟方式两种 如 图 3 3 所示采用的是内部时钟方式 利用芯片内部的振荡器 在引脚 XTAL1 和 XTAL2 两端跨接晶体谐振器 就构成了稳定的自激振荡器 其发出的脉冲 直接送入内部时钟电路 为了减少寄生电容 更好的保证振荡器稳定 可靠地 工作 振荡器和电容尽可能安装得与单片机芯片靠近 3 2 2 译码电路 本设计的译码电路选用常规的 3 8 线译码器 74LSl38 译码电路规定了单 片机控制系统中各个芯片的地址 当 74LSl38 的输入使能端和接A2OEB2OE 低电平 地 接高电平 5V 时 译码器工作在直通方式 对于任何一组1OE 输入同时产生与之对应的输出信号 译码芯片与单片机的连接图如图 3 4 所示 EA VPP 31 XTAL1 19 XTAL2 18 RST 9 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 AD0 P0 0 39 AD1 P0 1 38 AD2 P0 2 37 AD3 P0 3 36 AD4 P0 4 35 AD5 P0 5 34 AD6 P0 6 33 AD7 P0 7 32 A8 P2 0 21 A9 P2 1 22 A10 P2 2 23 A11 P2 3 24 A12 P2 4 25 A13 P2 5 26 A14 P2 6 27 A15 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 TXD P3 1 11 RXD P3 0 10 GND 20 VCC 40 U1 AT89S51 12 Y1 11 0592M 20pF C1 20pF C2 A 1 B 2 C 3 OE2A 4 OE2B 5 OE1 6 Y7 7 GND 8 Y6 9 Y5 10 Y4 11 Y3 12 Y2 13 Y1 14 Y0 15 VCC 16 U2 74ALS138 VCC VCC P1 0 P1 1 P1 2 INT0 RST RD WR ALE TXD RXD A1 A0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 SEL0 SEL1 SEL2 SEL3 SEL4 SEL5 SEL6 SEL7 图 3 4 译码芯片与单片机的连接图 在本系统中 译码输出地址分配如表 3 1 所示 13 表 3 1 译码电路输出地址分配 P2 7P2 6P2 5SELADDRESS 3FFFH8253 控制字寄存器地址 P2 1P2 2计数初值寄存器地址 00计数器 03CFFH 0011 01计数器 13DFFH 01025FFFH0809 片选地址 01137FFFH1 244 片选地址 10049FFFH2 244 片选地址 1015BFFFH1 373 片选地址 1106DFFFH2 373 片选地址 3 2 3 看门狗电路 若单片机受到某些干扰 使程序计数器 PC 中的值发生改变 则会误把操 作数当成操作码 程序陷入 死循环 为了防止出现死循环 通常采用程序 运行监视技术和出错自动复位技术 俗称 看门狗 技术 看门狗 技术就 是不断监视程序一次循环的运行时间 若发现某一次循环时间超过一致的循环 设定时间 就认为系统陷入了死循环 此时强迫单片机复位 从初始状态重新 运行程序 本系统选用 MAX813L 芯片构成看门狗电路 MAX813L 芯片和单片机连接如图 3 5 所示 14 EA VPP 31 XTAL1 19 XTAL2 18 RST 9 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 AD0 P0 0 39 AD1 P0 1 38 AD2 P0 2 37 AD3 P0 3 36 AD4 P0 4 35 AD5 P0 5 34 AD6 P0 6 33 AD7 P0 7 32 A8 P2 0 21 A9 P2 1 22 A10 P2 2 23 A11 P2 3 24 A12 P2 4 25 A13 P2 5 26 A14 P2 6 27 A15 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 TXD P3 1 11 RXD P3 0 10 GND 20 VCC 40 U1 AT89S51 12 Y1 11 0592M 20pF C1 20pF C2 P1 0 P1 1 P1 2 INT0 RST RD WR ALE TXD RXD A1 A0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 MR 1 Vcc 2 GND 3 PFI 4 PF0 5 WDI 6 RESET 7 WDO 8 U3 MAX813L D5 4148 VCC RST 图 3 5 MAX813L 芯片和单片机连接 MAX813L 芯片是专门用来实现电源电压检测的 在这里主要利用它内部 自带的看门狗定时电路来充当单片机控制系统的复位电路 MAX813L 的引脚 是看门狗检测输入端 当此端跳变为低电平或高电平时 片内的看门狗WDI 定时器开始计数 若低电平或高电平的维持时间等于 1 6s 时看门狗定时器完 成计数 输出低电平 引脚是人工复位输入端 当其电压降到 0 8VWDOMR 以下时 片内产生一高电平有效的复位脉冲 宽度为 140ms 280ms 可有效 地消除机械开关的抖动 使系统进入复位状态 引脚 RST 是复位信号输出端 高电平有效 当 MR 端由低电平变为高电平后 该端仍保持 200ms 有效高电 平 根据看门狗的工作原理 当 89S51 正常工作时 管脚 P1 0 向 MAX813L 的 WDI 端输出矩形波 即 MAX813L 的 WDI 端输入相同矩形波 时间不超过 1 6s 这样保持高电平 端保持高电平 系统正常工作 当干扰信WDOMR 号使系统程序跑飞或进入死循环 89S51 的 P1 0 端不能正常输出脉宽小于 1 6s 的矩形波 使 WDI 端的高或低电平持续时间超过 1 6s 看门狗定时器溢出 15 端由高电平变为低电平 由于端有一内部 250mA 的上拉电流 D5WDOMR 导通 获得有效低电平 RST 端输出复位脉冲 单片机复位 看门狗定时MR 器清零 又回复为高电平 WDO 3 3 模数转换模块设计 本设计需要采集的模拟量包括三相电压和三相电流共计六路模拟量 单片 机控制系统的模数转换模块实现了单片机对模拟量的采集功能 模数转换模块 主要由电量变换单元和 A D 转换单元两部分组成 根据本设计对 A D 转换芯 片的分辨率 量化误差 转换进度和转换速率的要求 A D 转换单元选用了 ADC0809 芯片实现 A D 转换功能 根据 A D 转换芯片的输入模拟量要求 电 量变换单元选用微型交流电量隔离传感器 3 3 1 微型交流电量隔离传感器 电量变换单元主要由微型交流电压电量隔离传感器和微型交流电流电量隔 离传感器构成 分别实现了求取三相交流电压和三相交流电流有效值的功能 交流电量隔离传感器的输入和输出均不共地 从而实现了交流电量输入端和直 流电量输出端完全的电气隔离 微型电量隔离传感器的主要技术指标如表 3 2 所示 表 3 2 微型电量隔离传感器的主要技术指标 主要技术指 标 微型交流电压电量隔离传感 器 微型交流电流电量隔离传感 器 输入范围0 400V0 5A 精度等级0 5 级0 5 级 工作温度 0 50 C 0 50 C 温漂特性 500ppm C 500ppm C 隔离耐压 2500 DC V 2500 DC V 16 负载能力 电压输出 2K 电流输出 300 电压输出 2K 电流输出 300 响应时间 300ms 300ms 静态功耗 30mW 30mW 输入过载能 力 10 倍标称值10 倍标称值 输出范围输出电流 0 20mA输出电流 0 20mA 由于 A D 转换单元选用了 ADC0809 芯片 该芯片的输入范围为 0 5V 电 压量 而我们选用的交流电量隔离传感器均为电流输出型 所以输出电流量在 送到 ADC0809 的输入端需要经过电阻转变为 0 5V 电压量 电流变换单元原理如图 3 6 所示 NC 1 NC 2 OUT 5 GND 4 Vcc 3 U24 TRAN CUR 250 R5 1 2 J5 CON2 12V GND 图 3 6 电流变换单元电路原理图 电压变换单元原理如图 3 7 所示 IN1 1 IN2 2 OUT 5 GND 4 Vcc 3 U27 TRAN VOL 250 R11R8 1 2 J11 CON2 12V GND 17 图 3 7 电压变换单元电路原理图 3 3 2 模数转换器主要性能 1 分辨率 A D 转换器的分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟电压 的变化量 常以 A D 转换结果的二进制位数表示 例如分辨率为 12 位的 A D 转换器 表示该转换器的输出数据可以用 212个二进制数进行量化 故一个 10V 为满刻度的 12 位 A D 转换器能够分辨输入电压变化的最小值为 10V 212 2 4mV 2 量化误差 量化误差是由 A D 转换器的有限分辨率而引起的误差 在不计其他误差 的情况下 一个分辨率有限的 A D 转换器的阶梯状特性曲线与既有无限分辨 率的 A D 转换器特性曲线 直线 之间的最大偏差 称量化误差 3 转换精度 A D 转换器的转换精度反映了一个实际 A D 转换器在量化值上与理想 A D 转换器的差值 可以表示成绝对误差或相对误差 4 转换速率 A D 转换器的转换速率就是能够重复进行数据转换的速度 即每秒转换的 次数 而完成一次 A D 转换所需时间 则是转换速率的倒数 3 3 3 模数转换器 ADC0809 ADC0809 转换器包括 8 路模拟量输入开关 地址锁存与译码 8 位 A D 转换器和三态输出锁存器 多路开关接 8 路模拟量输入端 可对 8 路输入模拟 电压信号分时进行转换 输出具有 TTL 三态锁存器 可直接连到单片机数据 总线上 A D 转换器与 AT89C51 单片机接口电路如图 3 8 所示 18 IN3 1 IN4 2 IN5 3 IN6 4 IN7 5 START 6 EOC 7 D3 8 OE 9 CLK 10 VCC 11 VREF 12 GND 13 D1 14 D2 15 VREF 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 U10 ADC0809 VCC 34 U4B 74ALS04 P1 2 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 VCC SEL2R EA VPP 31 XTAL1 19 XTAL2 18 RST 9 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 AD0 P0 0 39 AD1 P0 1 38 AD2 P0 2 37 AD3 P0 3 36 AD4 P0 4 35 AD5 P0 5 34 AD6 P0 6 33 AD7 P0 7 32 A8 P2 0 21 A9 P2 1 22 A10 P2 2 23 A11 P2 3 24 A12 P2 4 25 A13 P2 5 26 A14 P2 6 27 A15 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 TXD P3 1 11 RXD P3 0 10 GND 20 VCC 40 U1 AT89S51 A 1 B 2 C 3 OE2A 4 OE2B 5 OE1 6 Y7 7 GND 8 Y6 9 Y5 10 Y4 11 Y3 12 Y2 13 Y1 14 Y0 15 VCC 16 U2 74ALS138 VCC VCC P1 0 P1 1 P1 2 INT0 RST RD WR ALE TXD RXD A1 A0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 SEL0 SEL1 SEL2 SEL3 SEL4 SEL5 SEL6 SEL7 2 3 1 U9A 74ALS02 5 6 4 U9B 74ALS02 RD SEL2 WR SEL2 SEL2R SEL2W D2 7 O1 5 O3 9 GND 10 O5 15 D3 8 O4 12 O7 19 D0 3 D7 18 D5 14 O0 2 D4 13 D1 4 VCC 20 D6 17 OE 1 O2 6 LE 11 O6 16 U32 74LS373 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 VCC 图 3 8 A D 转换器与 AT89C51 单片机接口电路 ADC0809 转换器引脚功能说明如下 IN0 IN7 8 位模拟量输入端口 本设计与微型电量隔离传感器相连接 D0 D7 8 位数字量输出端口 本设计与单片机 P0 口相连接 START 启动控制输入端口 加正脉冲后 其上升沿将内部寄存器清零 下降沿启动 A D 转换开始 ALE 地址锁存控制允许信号 高电平时把三个地址信号送入地址锁存器 并经译码器得到地址输出 以选择相应的模拟输入通道 EOC 转换结束信号输入端 转换开始后 EOC 信号变低 转换结束时 EOC 返回高电平 这个信号可以作为 A D 转换器的状态信号供查询 也可以 用作中断请求信号 OE 输出允许控制端 OE 端的电平由低变高时 打开输出锁存器 将转 换结果的数字量送到数据总线上 CLK 时钟信号输入端 VREF 和 VREF 参考电压输入端 一般 VREF 与 Vcc 相连 VREF 与 GND 相连 被转换的模拟电压为 VREF 与 VREF 之差 ADDA ADDC 8 路模拟开关的 3 位地址选通输入端 用以选择对应的输 入通道 本设计与 74LS373 相连接 Vcc 电源电压 本设计电源电压为 5V GND 地 A D 转换单元主要包括一片 ADC0809 芯片 它是一种 8 位逐次逼近式 A D 转换器 采用双列直插式封装 共有 28 个引脚 19 ADC0809 的内部结构由八路模拟开关 地址锁存与译码器 比较器 256 电阻阶梯 树状开关 逐次逼近式寄存器 SAR 控制电路和三态输出锁存器 等组成 八路模拟开关用于输入 IN0 IN7 上八路模拟电压 地址锁存和译码 器在 ALE 信号控制下可以锁存 ADDA ADDB ADDC 上的地址信息 经译 码后控制 IN0 IN7 上相应那一路模拟电压送入比较器 256 电阻阶梯形成 256 个标准电压供给树状开关使用 SAR 在 A D 转换过程中存放暂态数字量 在 A D 转换完成后存放数字量 并可送三态输出锁存器锁存 当 CPU 使 ADC0809 的 OE 引脚变为高电平时取走锁存的数字量 EOC 经过反相器和 AT89S51 的 P1 2 口相连 采用查询方式读取 ADC0809 转换后的数据 ADC0809 的 CLOCK 信号是由 89S51 的 ALE 信号提供的 89S51 的 ALE 信号通常是每个机器周期出现两次 故它的频率是单片机时钟频率的 1 6 我 们选用的 89S51 主频为 11 0592MHZ ALE 信号频率为 1 8432MHZ 将其经 触发器四分频后接到 ADC0809 的 CLOCK 输入端 就可获得小于 500KHZ 的 A D 转换脉冲 3 3 4 模数转换模块的工作原理 输入模拟电压量通过电容滤波后送到 ADC0809 的 IN 端 ALE 和 START 互连可使 ADC0809 在接收模拟量路数地址时启动工作 START 启动信号由 89S51和译码器输出端 SEL2 经或非门产生 平时 START 因译码器输出端WR SEL2 上高电平而封锁 3 4 频率和功率因数测量模块设计 频率和功率因数测量模块由波形变换单元 周期测量单元和相位差测量单 元三部分组成 本设计采用 8253 芯片作为频率和功率模块的主芯片 因为本设计运用计 数法测量频率和功率因数 计数法具有测量精度高 速度快 操作简单等特点 是目前最好的测量方法 频率和功率因数测量模块主要实现了对三相电量周期 和电压电流相位差折合时间量的测量 两个时间量送上位机后经过运算处理得 到电网的频率和工作电压工作电流之间的相位差 20 3 4 1 波形变换单元 波形变换单元由两片 LM339 电压比较器作为主要芯片 电压电流波形变换单元如图 3 9 所示 D3 DIODE D1 DIODE D4 DIODE D2 DIODE 2 4 5 312 U7A LM339 312 1 6 7 U7B LM339 1 2 3 4 J4 CON4 做做做做做做做做 20K R2 3K R1 3K R3 20K R4 VCC VCC VOLTAGE CURRENT 图 3 9 电压电流波形变换单元 经过波形变换单元 电压 电流输出变成与之同频同相的方波波形 VOLTAGE CURRENT 3 4 2 8253 芯片简介 8253 是一片具有三个独立的 16 位计数器通道的可编程定时器 计数器芯 片 每个通道都可以编程设定 6 种工作方式之一 每个计数器可设定为按二进 制或 BCD 码计数 最高计数速率可达 2 6MHZ 使用单一 5V 电源 具有 24 条引脚 双列直插封装的 NMOS 工艺的大规模集成电路芯片 它的所有输入 21 输出引脚均与 TTL 兼容 由于 Intel8253 的读 写操作 对系统时钟没有特殊的要求 因此它几乎可 以用于由任何一种微处理器组成的系统种 作为可编程的方波频率发生器 分 频器 实时时钟 事件计数器和单脉冲发生器等 3 4 3 频率和功率因数测量模块 频率和功率因数测量模块由波形变换单元 周期测量单元和相位差测量单 元三部分组成 经过波形变换单元 单相电压的输出变成与之同频同相的 ab U 方波波形 VOLTAGE 单相电流的输出则变成与之同频反相的方波波形 a I CURRENT 周期测量单元和相位差测量单元的主要功能都是通过 8253 的计数器来完 成的 由于频率和周期互为倒数关系 故测出其中一个值就可以得到另一个值 由于电压和电流取自市电 而市电标准频率为 50Hz 考虑到电网波动 该值 变化也不是很大 对于这种情况如果直接采用测量频率的方法 假设测量时间 为 1 秒 则分辨力仅为 2 如果要做到分辨率为 0 1 的话 则测量时间需变 为 20 秒 因此我们采用了测量周期从而间接测量频率的方法 对于功率因数 的测量我们也是通过先测量出功率因数角 然后求出功率因数 8253 芯片与单片机接口电路如图 3 10 所示 22 EA VPP 31 XTAL1 19 XTAL2 18 RST 9 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 AD0 P0 0 39 AD1 P0 1 38 AD2 P0 2 37 AD3 P0 3 36 AD4 P0 4 35 AD5 P0 5 34 AD6 P0 6 33 AD7 P0 7 32 A8 P2 0 21 A9 P2 1 22 A10 P2 2 23 A11 P2 3 24 A12 P2 4 25 A13 P2 5 26 A14 P2 6 27 A15 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 TXD P3 1 11 RXD P3 0 10 GND 20 VCC 40 U1 AT89S51 P1 0 P1 1 P1 2 INT0 RST RD WR ALE TXD RXD A1 A0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 D0 8 D1 7 D2 6 D3 5 D4 4 D5 3 D6 2 D7