低压配电集中管理系统设计.doc

桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 I 页 共 53 页 编号 毕业设计说明书 题 目 低压配电集中管理低压配电集中管理 系统设计系统设计 摘 要 随着人民生活水平的不断提高 人们对电力的需求已经不仅是有电用 优良的供 电质量和服务水平 成为社会对供电企业要求的重要部分 在电力管理发展过程中 原先以人工巡视 抄表的管理方式正逐渐向集中化 网络化管理的方向过渡 为提高 供电质量和服务水平 需要有一套完善的用电侧电能管理系统 对与用户直接相关的 低压电网运行状态进行实时监测 及时掌握低压配电网运行的情况 适时根据供电需 求的增长调整电网负荷 及时发现和定位电网故障 低压配电监控装置是整套用电侧 电能管理系统中的最重要的一个环节 低压配电智能监控系统实时监控配电网运行状 况 完成自动测量 智能分析和数字通讯等任务 论文设计了实时性强 成本低的智 能监控系统 对于电能质量的提高 电力用户的需求以及低压配电的安全稳定运行具 有十分重要的意义 本设计就集体宿舍供电系统为对象进行其管理系统的设计 构造 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 II 页 共 53 页 出按多个监测点设计了对其进行集中监测的基本网路 并应用单片机了设计了现场检 测装置的硬件电路和软件对电流电压功率等电气参数进行监测监测 其中监测装置以 A TC89C52 单片机 CS5460A 为核心 通过实验室测试以及现场验证 系统运行良好 测 量精度高 达到了设计目标 关键词 低压电网 用电管理 实时监测 单片机 电监控装置 Abstract With the continuous improvement of people s living standard the demand for electricity of people s is not just simply using electricity High quality of power supply and service play an important role in the development of the society In the process of the development of the electric power management the original way to pull brake to restrict using power is gradually turn to apply electricity management in order to control the electrical load A set of complete power management system must be needed to monitor the low voltage power grid operation on the side of uses for the electric power enterprises to improve the quality of power supply and services And power supply department can adjust the electrical load according to 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 III 页 共 53 页 the monitor of power supply and find mistakes in time The supervising device of low voltage distribution is the most import ant part of the system The electric power department monitor power electrical parameters through he device and the monitor provide enough information to the power department to analysis line loss the load forecast the voltage qualification rate power distribution planning and so on And this paper discusses a management system of dormitory power supply which is a kind of network structure applied to monitor the situation of operation of electrical system The device is designed to measure electrical parameters such as current voltage electrical power The paper expounds the design of hardware circuit and software of the device with AT89C52 and CS5460A as its core The system was verified to work well high accuracy and reach the design target through the laboratory test and field test Key words low voltage power grid management of electricity single chip microcomputer monitor device 目目 录录 引言 1 1 绪 论 1 1 1 配电系统概述 2 1 2 课题研究的目的及意义 4 1 3 系统设计主要任务 4 2 方案设计 5 2 1 设计要求 5 2 2 设计方案 5 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 IV 页 共 53 页 2 2 1 网络监测 5 2 2 2 低压配电监控系统 6 2 2 3 监测装置 8 3 硬件电路设计 9 3 1 设计使用的基本知识 9 3 2 系统设计整体电路 9 3 3 主控电路原理 9 3 3 1 主控芯片选择介绍 10 3 3 2 单相电能芯片此时 CS5460 A 概述 14 3 4 各部分电路 19 3 4 1 显示部分 19 3 4 2 按建及串口 19 3 4 3 存储扩展部分 20 3 4 4 时钟模块 22 3 4 5 前端电路调理模块 23 3 4 65 伏直流稳压电源 23 4 软件部分 25 4 1 程序设计流程 25 4 2 CS5460 的设置和启动 26 4 3 CS5460 的读写 26 4 4 结果显示 28 5 系统制作及调试 29 5 1 软硬件调试 29 5 3 1 硬件调试 29 5 3 2 软件调试 29 5 3 3 软硬联调 29 5 2 系统制作及调试 29 5 3 系统 PCB 板的设计 30 5 3 1 尺寸 30 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 V 页 共 53 页 5 3 2 布局 30 5 3 4 布线 30 5 4 误差的定性分析及改进措施 30 结论 32 谢辞 33 参考文献 34 附录 35 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 1 页 共 53 页 引言 长期以来 低压配电网络一直是供电系统运行可靠性的薄弱环节之一 一些配电 变压器和配电线路因过载发热 线损率高 电压质量合格率低等 既容易烧毁设备 也容易危及低压电网安全可靠运行 而这些故障却常常被人们忽视 为此 原能源部 规定各基层单位要定期上报电压质量合格率和作配电网的可靠性统计 并在 用电管 理信息技术规范 中明确提出要掌握配电网络负荷情况及重点用户的年 季 月 日 各种负荷曲线等重要信息 但多年来 由于低压配电网络缺乏这方面的自动化检测手 段 一般都在每年或每季的几个典型工作日 由工作人员用钳式电流表逐个测量配电 装置负荷的简单方法 结果是费时费工 既不能反映真实情况 也不能解决实际问题 为此 研发 推广一系列低压配电网络的监控装置仪表是十分必要的 随着人民生活 水平的不断提高 人们对电力的需求已经不仅仅满足于有电用 良好的供电质量和服 务水平 成为社会对供电企业要求的重要部分 在电力管理发展过程中 原来以拉闸 限电为目的的负荷控制正逐渐向用电管理方向过渡 电力企业为提高供电质量和服务 水平 需要有一套完善的用电侧电能管理系统 对与用户直接相关的低压电网运行状 态进行实时监测 及时掌握低压配电网运行的情况 适时根据供电需求的增长调整电 网负荷 及时发现和定位电网故障 发现异常供电和异常线损 杜绝供电隐患 低压 配电监控装置是整套用电侧电能管理系统中的最重要的一个环节 它一般以低压网中 的配变为监测对象 使电力部门及时了解设备运行状况 为线损分析 负荷预测 电 压合格率 配电规划等提供科学的依据 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 2 页 共 53 页 1 绪论 70 年代末 80 年代初 随着电子技术的发展 低压成套装置的发展步入控制电子 化 保护综合化时代 出现了电子式的各种运行电量控制器 电动机综合保护器 无 功功率补偿控制器等产品 其结构多为继电器型的小型装置 如电动机综合保护器 其功能有过电流 断相 过载等保护 起动时间可调整 过载时间可整定 而无功功 率补偿控制器可根据无功电流 功率因数等不同参量自动进行电容补偿无功功率 进入 80 年代中期 此类装置发展己初步进入智能型时代 在低压配电领域 采用 了 PLC 技术 利用 0 方式通过可编程控制器实现配电装置的控制与操作 后期出现了 微机集中检测与控制 可对馈电主保护断路器进行远距离操作 对各回路电压 电流 有功电量和无功电量 功率因数频率 变压器温度等进行检测 但它停留在遥测 遥 控水平上 缺少遥讯和遥调功能 更缺少智能型应具有开关柜的思维 分析 判断与 选择的功能 从 80 年代束至 90 年代韧 随着计算机技术 微电子技术 电力电子技术 抗干 扰技术等新技术的飞速发展 特别是网络通讯技术的发展使得自动化技术得到了空前 发展 在这个时期 直流控制产品和 PLC 可编程逻辑控制器 发展迅速 每 3 4 年就 换代一次 功能越来越强大 可靠性也越来越高 微处理器从 8 位机发展到 16 位机 又发展到应用 32 位机和多机运行 从主要控制线路和控制结构由硬件组成发展到由 可自由组合的软件块来组成 比如西门子公司的直流全数字产品 由 6RA 22 系列发展 到 6RA23 6RA 24 系列 又发展到 SIMADYN D 系列 时间还不足十年 联网方面功能 也越来越强大 从两机之间的通讯到一机与多机通讯发展到网络通讯 在通讯协议方 面由各公司的内部协议发展到开放的标准的协议 如西门子公司的产品由原先的 USS 协议发展到现在 Profilbus 协议和工业以太网协议 随着全数字控制和自动化技术的 发展并大公司也把这些技术应用到配电系统 也就是所谓把强电控制与微电子技术 计算机技术 网络通讯技术相结合 形成了第二代产品 出现了智能型断路器等智能 元器件和智能型开关柜 如 ABB 公司的 F 系列断路器和 MSG 系列智能开关柜 西门子 公司的 3WN 系列断路器和 SIVACON 系列开关柜 GFC ALSTHOM 公司的 GFMSTART 3 系列 智能马达中心 西屋公司的 Advantage 系列等 这些智能元器件都是以微处理器为核 心 具有测量 变换 保护 控制等功能 同时都具有通信接口可连接通信网络与上 位计算机通信形成智能配电系统 在发收智能型元器件及开关柜的同时 功能越来越 强大的监控系统也得到了快述发展 如西屋公司的 IMPACC 系列 GFC ALSTHOM 公司的 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 2 页 共 53 页 ICIS 系统 ABB 公司的 I s 系统以及西门子公司的 SIMOCODF 系统 KLOCKNERMOELLER 公司的配电系统 ID2000 等 通过这些系统与低压配电装管等现场设 置的配合 使成套供 配 用电系统能够在本机 上位机环境 负载等对象中变换各 种信息 通过网络实现状态检测 信急回馈 发出指令及操作等 提高了整个配电系 统的可靠性 国内的低压智能配电系统发展基本与国外同步 并吸取了很多国际上先 进的技术应用 在低压智能配电设备的研制和推广上 自 1985 到 1987 年自耦减压起 动柜 JJl 全国联合设计时起 首先采用了半导体集成电路式时间一电流转换器替代原 来的充气式时间继电器和电流继电器 1989 到 1990 年国内先后开发了电子式电动机多 功能综合保护器 1991 1992 年出现了半导体式热继电器 在成套装置方面 智能型 配电系统也已经起步 厦门电器控制设备厂等已开发了能进行数据采集的马达控制中 心 天津夏利汽车工程的所有国产的低压配电柜动力柜全部实现了上位计算机控制 做到了运行 故障集中监视 集中判断 处理 大大提高了设备运行安全性和可靠性 近年来智能型电器 特别是智能型断路器在国内外发展非常快 并已成功地投入 到实 际的运营中 智能型电器中的智能单元的基本结构包含输入 中央控制 输出和 通信四大模块组成 通常智能单元与被监控的开关集成一个整体 当开关电器是断路 器时 智能监控模块就是附属于它的智能脱扣器 完成脱扣器所要求的各种保护和操 作功能 目前在国内应用较为广泛的智能型电器由施耐德公司的 MT 空气开关和江苏凯 帆电器公司的智能型断路器 南京因泰莱公司研制的 INT SCADA 监控系统代表着国内 智能配电系统的发展水平 系统采用独立的智能监控模块 YCK YXK 组成分布式网络对 低压配电网现场设备实时监控 通讯网络中数据传输实时性好 易于扩展 1 1 配电系统概述 传统上将电力系统划分为发电 输电和配电三大组成系统 发电系统发出的电能 经由输电系统的输送 最后由配电系统分配给各个用户 一般地 将电力系统中从降 压配电变电站 高压配电变电站 出口到用户端的这一段系统称为配电系统 配电系 统是由多种配电设备 或元件 和配电设施所组成的变换电压和直接向终端用户分配 电能的一个电力网络系统 在我国 配电系统可划分为高压配电系统 中压配电系统 和低压配电系统 三部分 由于配电系统作为电力系统的最后一个环节直接面向终端用 户 它的完善与否直接关系着广大用户的用电可靠性和用电质量 因而在电力系统中 具有重要的地位 我国配电系统的电压等级 根据 城市电网规划设计导则 的规定 220kV 及其以上电压为输电系统 35 63 110kV 为高压配电系统 10 6kV 为中压 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 3 页 共 53 页 配电系统 380 220V 为低压配电系统 宿舍楼的配电线路的接线方式采用放射式和树干式的混合型接线 从变压器的配 电房到宿舍楼的配电柜 采用放射式接线 这样可以使当某一配电出线发生故障时 不致影响其他配电出线的运行 提高供电的可靠性从宿舍楼的配电箱到每一间宿舍的 用电设备采用树干式接线 它采用的开关电器较少 有色金属消耗量也较少 克服了 放射式接线中采用多开关电器 高消耗有色金属的问题 且树干式多采用封闭母线 灵活方便 也较安全 配电箱 干线组 接线 还省去了变压器低压侧整套低压配电 装置 从而使接线大为简化 投资大大降低 符合了 GB50052 1995 供配电系统设 计规范 的规定 供电系统应简单可靠 同一电压供电系统的配电级数不宜多于两 级 某宿舍供电系统图 1 配电箱电路图如图 1 2 所示 图 1 2 配电箱电路 2 分电箱到宿舍的电路如图 1 3 所示 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 4 页 共 53 页 图 1 3 分电箱到宿舍电路 3 宿舍内部配电系统图如图 1 4 所示 图 1 4 宿舍内部配电 1 2 课题研究的目的及意义 目前发电厂和大型变电站中均采用了综合自动化系统 但对低压配电网的监控还 是薄弱环节 通过对低压智能监控系统的研究和推广使得其技术更成熟 应用更广泛 并和变 电站综合自动化等 孤岛 相集合成更高层次的配电监控系统 通过对低压智 能监控系统的研究和推广 能够充分发挥和利用低压智能配电系统的优点即 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 5 页 共 53 页 1 可以改善低压配电网管理 具有记录以前事件的功能 可以迅速地对负载输入要求 作出响应 在系统内可以优化能量消耗的分配 可以均衡负载以减少潜在的停车事件 2 可以根据系统内设备运行情况安排维修计划 按计划维修 减少了维修成本 3 可以对潜在的事故进行预报警 并及时处理以避免事故的出现 节省时间 减少损 失 4 可以随时了解到有关故障信息 来指导维修 减少故障的处理时间 5 可把各配电回路或设备的运行情况 含运行数据 以报表方式或以图形方式进 行显示 并可保存在磁盘上或打印出来 进行日报和月报 提高工作效率 1 3 系统设计主要任务 1 实现集中监测的基本网络结构 2 现场监测装置硬件问题 3 软件问题 2 方案设计 设计就是根据题目的要求而对硬件和软件进行规划 并选择最合适的硬件电路和 软件程序来达到目的 硬件设计是通过对设计要求的分析 对各种元器件的了解 而得出分立元件与集 成块的某些连接方法 以达到设计的功能要求 并且把这些元器件焊接在一块电路板 上 它包括对各种元器件的功能和接法的了解 以及对各种元器件的选择和设计方案 的选择 软件设计是分析设计的硬件用程序实现其功能 并且调试优化产品功能 2 1 设计要求 1 按 20 个 或更多个 监测点设计了对其进行集中监测的基本网络结构 2 应用单片机了设计了现场检测装置的硬件电路和软件电路对电流电压功率等 电气参数进行监测监测 2 2 设计方案 2 2 1 监测网络结构 目前 实现低压配电系统智能化可以用不同方式 大多数采用了高速数据处理和 网络 通信技术 低压配电智能化系统主要由智能仪表 电动断路器 触摸屏 监控模块 站级监控微机 局级监控微机组成二级监控网络 其组成原理示意如图 2 1 所示 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 6 页 共 53 页 局 以太网 控 站 控 现 场 监 控 馈电柜 N 馈电柜 2 馈电柜 1 进线柜 图 2 1 低压配电智能化系统 2 2 2智能型低压配电监控系统 用通信网络把众多的带有通信接口的低压配电和控制设备与主计算机连接起来 由计算机进行智能化管理 来实现集中数据处理 集中监控 集中分析及集中调度的 低压配电监控系统 此类产品日前国外较先进的有英国 GEC ALSTHOM 公司的 ICIS 系统 美国西屋公司的 IMPACC 系统以及 ABB 公司的 INSUM 系统等 1 系统的基本组成 智能型低压配电监控系统较常见的为三级结构 如图 2 1 所示 从结构上看 整 微计算机 MODEN打印机 打印机微计算机 MODEN 智能仪表 智能仪表 智能仪表 断路器 智能仪表 智能仪表 智能仪表 断路器 智能仪表 智能仪表 智能仪表 断路器 以太网控制器 监控模块 触摸屏 智能仪表 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 7 页 共 53 页 个智能型低压配电监控系统主要由三部分组成 1 主计算机 主计算机用来实现对配电和控制设备以及智能型元器件的监控 保 护和控制通信 它可以是 PC 机 己存在的计算机系统 PLC 或离散控制系统 2 通信网络 主要含主机接口 子网络监控器及网卡 主计算机通过主机接口 对整个通信网络实施控制 子网络监控器是二级网的控制器 在较大的配电系统中 采用子网络监控器可以大大提高主计算机对整个配电系统的访问速度 提高实际监控 的能力 3 智能型低压配电和控制设备 也就是采用了带有通信接口的智能型控制器或 智能型电器元件的低压配电和控制设备 在智能型低压配电监控系统中 关键部分是 通信网络 它就像整个监控系统的神经网一样 把各现场的配电和控制设备与主计算 机连接起来 由于各公司的通信网一般是在工业自动化系统中应用的 因此 各公司 的智能低压配电系统网络基本上都采用了与工业自动化网相同的网络 这也有利于把 配电系统与工业自动化系统连接起来 图 2 2 智能型低压配电和控制设备 在通信网络的通信介质方面 目的应用较多的有光纤 同轴电缆及屏蔽双绞线 目前在智能型低压配电系统中应用的基本上是屏蔽双绞线 硬件接口为 RS 485 口 关 于通信协议 早期的通信协议各公司不尽相同 各自发展自己的协议 但随着自动化 技术和通信技术的发展 带有通信接口的产品应用量越来越大 往往一家的产品不能 完全满足一个工程的需要 而工程本身又需要有统一的通信网络 因此为满足应用的 网络监控口 网卡 网络监控口 网络监控口 监控装置 配电 箱 配电箱 配电箱 监控装置 监控装置 主计算机 主机接口 网卡网卡 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 8 页 共 53 页 要求协议向标准化 开放性发展 如西门子公司的 Profilbus 协议 由于各方而性能都 比较好 深受欧洲各厂家的欢迎 结果西门子的内部协议上升为德国标准 后又成为 欧洲的标准协议之一 被欧洲厂家广泛采用 目前国际上应用较多的总线协议有 Profilbus 总线 基金会总线和 CANbus 总线等 各大公司在统一协议的同时 在自己 原有通信网络的基础上也开发能连接其他公司通信网络的接口产品 如 A B 公司 KLOCKNERMOELLER 公司就有能连接 Profilbus 网的接口 GFC ALSTHOM 公司的 智能马达控制器能连接到 GE 公司的网络上 这样各公司的产品通用性加强 利于产 品的推广 各种通信网络的性能一般为传输距离 1000m 以上 所带设备可达 1000 台套 通信速率可达几百 K 波特率 2 软件配置 上位计算机上运行的软件有两类 一类是系统软件 也就是我们所说的操作系 统 如 MIS DOS6 22 和 Windows 95 等 另一类是低压配电系统的监控软件 监控 软件又分为两部分 一部分是监控的应用软件 对整个配电系统进行管理 监视控制 数据输出 通信处理等 监控软件不仅能使主计算机通过通信网络对整个配电系统各 回路的状态 运行参数等进行采集 还能对所采集的数据状态进行处理 引入专家系 统进行分析 判断和协调控制 如故障的预报警 故障诊断及保护等 另一部分是应 用软件的运行环境或者称为软件平台 这种软件平台各公司可能有所不同 有些公司 是直接用 C 语言 有些公司是用专门开发的组态图形软件 如西门子的 WINCC 软件 美国 Intellution 的 FIX 软件 这些软件有着良好的人机界而完善的图形编程功能 监控系统功能 1 系统具有对各配电回路的电流 电压 功率 频率 功率因数等参量以及运 行状态进行遥测的功能 能把这些状态和数据在上位机进行处理 分析 判断和显示 2 系统具有根据各配电回路的运行状态及指令对智能型控制器 断路器进行远 距离遥控操作的功能 3 系统具备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器件 通过通信网络进行通信的功能 这是智能型低压配电系统的基本功能 4 系统具有由上位计算机根据指令或计算机的分析 判断智能监控器 智能断 路器等智能元器件的设定值和接地 过载 过流等故障保护值进行遥调的功能 2 2 3 监测装置部分 方案一 采用 A D 转换芯片分别对电压 电流回路采样 然后送给单片机 经单 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 9 页 共 53 页 片机计算 算出电能 功率等电量 该方案电路设计较麻烦 并且容易受外部干扰 准确度低 并且编程较麻烦 方案二 采用现在比较流行的电能计量芯片 CS5460A 实现对电能等电量的采集和 测量 CS5460A 是 Crystal 公司推出的用于测电流 电压 功率等的芯片 是 CS5460 的增强版 精度高 性能强且成本低 CS5460A 包含两个 模 数转换器 ADC 高速电能计算功能和一个串行接口的高度集成的 模 数转换器 它可以精确测量 和计算有功电能 瞬时功率 IRMS 和 VRMS 用于研制开发单相 2 线或 3 线电表 CS5460A 可以使用低成本的分流器或互感器测量电流 使用分压电阻或电压互感器测量 电压 CS5460A 具有与微控制器通讯的双向串口 芯片的脉冲输出频率与有功能量成正 比 CS5460A 具有方便的片上 AC DC 系统校准功能 自引导 的特点使 CS5460A 能 独自工作 在系统上电后自动 初始化 在自引导模式中 CS5460A 从一个外部 EEPROM 中读取校准数据和启动指令 使用该模式时 CS5460A 工作时不需要外加微控制器 因此当电表用于大批量住宅电 气参数测量时 可降低电表的成本 并且本芯片集成度较高便于编程控制 故本设计 采用此方案 图 2 3 多功能电能表硬件框图 该系统主要由显示模块 通讯模块 键盘控制模块 MCU 模块 电能表芯片 电流型电 压互感器 电压 信号 电流互感 器 电流 信号 电 流 电 压变 换电 路 CS54 60 AT8 9C52 Key LCD 串 口 复位 时钟 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 10 页 共 53 页 CS5460 模块 时钟模块 存储器模块和前端电路调理模块部分组成 前端电路调理模 块采用变比 1 1 的电流型电压互感器 电流模块采用变比 2000 1 的电流互感器 利用取样电阻采样信号 经变换后的信号以差模电压的形式接到由 CIRRUS LOGIC 公司 生产的电能表芯片 CS5460A 取样电阻的阻值由被测信号的最大值决定 然后经 CS5460A 转换后将电压 电流 功率 电能等信号传给单片机 AT89S52 AT89S52 组成 的 MCU 模块控制所有芯片的工作 截止及计算和模块的显示 显示模块采用 LCD1602 液晶模块 液晶正常显示当前测量的电能值 日期 时间 可通过键盘控制显示电压 电流有效值 功率等 通讯模块采用 Max232 芯片实现电能表与 PC 机之间的通信 并 接受 PC 上位机同步控制并与其通信 该系统可以实现对电能等电参量测量 显示及采 集处理的目的 系统硬件框图如图 2 1 所示 主要部分电路功能如下 1 电流互感器及调理电路相结合将电信号转换较小的电信号输入到检测芯片 2 单片机在接收到 CS5460A 计算出来电气参数后通过 LCD 显示 由键 盘控制可显 示不同参数如电流 电压 功率 3 通过串口与上位机相连实现网络管理 及实施监控 3 硬件电路设计 每一个设计都要以一定的知识为基础 知识的多少在一定程度上决定了设计出来 的东西的好坏程度 这些知识包括硬件知识和软件知识 硬件知识用来设计硬件电路 以实现电信号的采集 隔离 匹配等功能 软件知识用来设计芯片处理数据的先后顺 序 数据的获得途径以及对数据做怎样的处理 还有其他的一些驱动和显示功能等等 当然 在硬件电路里一些芯片是必不可少的 软件设计也需要对芯片进行编程序 本 章将介绍本次设计用到的一些基本知识和主要芯片 3 1 设计使用的基本知识 我们用单相双向功率 电能芯片 CS5460A 通过调理电路把电压信号 电流信号 转换为符合的芯片输入范围的电压信号 经过该芯片的计算功能 将数据输送至单片 机显示 并用串口通讯与上位机相连 从而实现对电力运行的监控 其中主要运用了 单片机的知识 及模电的知识 3 2 系统主电路 系统主电路主要有电参数测量芯片 CS5460 单片机最小系统 及单片机显示电路 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 11 页 共 53 页 组成 3 3 主控电路原理 集成块出现使硬件电路设计更加简单易懂 从而得到了广泛的应用 在这次毕业 设计中用到的主要芯片有单片机 ATC89C52 电能计量芯片 CS5460A 下面详细介绍它 们具体的应用方法 主控电路中 以单片机为主体 通过电能计量芯片 CS5460A 监测得到的数字值 将数据显示出来 并上传至上位机实现实时监控 它是系统的枢纽 3 3 1 主控芯片选择介绍 电子式多功能电能表硬件的核心 MCU 主控制器 它负责按键输入扫描 工作状 态检测 计量数据的读入 计算和存储 电表参数的现场配置以及与外界的通信控制 由于单片机是按工业测控环境要求设计的 抗干扰能力强 环境要求不高 灵活 性好 体积轻 可以降低系统的成本获得较好的性能 单片机基本系统以89C52为核心 单片机选用AT89C52 AT89C52是一种低功耗 高性能的CMOS型8位微型计算机 它有具 有8K 在系统可编程Flash 存储器 256字节RAM 32线I O口 3个16位定时 计数器 6向量两极中断 一个双工串行口 具有片内自激振荡器和时钟电路等标准功能 此外 AT89C52设有静态逻辑 用于运行到零频率 并支持软件选择的节电运行方式和空闲方 式使CPU停止工作 而允许RAM 定时 计数器 串行口和中断系统继续工作 在掉电 方式下 片内振荡器停止工作 由于时钟被冻结 一切功能都停止 只有片内RAM的内 容被保存 直到硬件复位才恢复正常工作 芯片上的EEPROM允许在线 5V 电擦除 电写入或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程 一般专为 ATMEL AT89Cx 做的编程器均带有这些功能 单片机对开发设备的要求很低 开发时间也大大 缩短 写入单片机内的程序还可以进行加密 这些都是其他机种不能比拟的 所以我 们选用AT89C52 引脚结构如图3 1所示 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 12 页 共 53 页 图3 1 AT89C52引脚结构图 VCCVCC 电源 GNDGND 地 P0P0 口口 P0口是一个8位漏极开路的双向I O口 作为输出口 每位能驱动8个TTL逻 辑电平 对P0端口写 1 时 引脚用作高阻抗输入 当访问外部程序和数据存储器时 P0口也被作为低8位地址 数据复用 在这种模式下 P0具有内部上拉电阻 在flash 编程时 P0口也用来接收指令字节 在程序校验时 输出指令字节 程序校验时 需 要外部上拉电阻 P1P1 口口 P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I O 口 p1 输出缓冲器能驱动 4 个TTL 逻辑电平 对P1 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作为 输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出电流 IIL 此外 P1 0和P1 2分别作定时器 计数器2的外部计数输入 P1 0 T2 和时 器 计数器2的触发输入 P1 1 T2EX 具体如表2 1所示 在flash编程和校验时P1口 接收低8位地址字节 表2 1 P1口引脚第二功能 引脚号第二功能 P1 0T2 定时器 计数器 T2 的外部计数输入 时钟输出 P1 1T2EX 定时器 计数器 T2 的捕捉 重载触发信号和方向控制 P1 5MOSI 在系统编程用 P1 6MISO 在系统编程用 P1 7SCK 在系统编程用 P2 口 口 P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I O 口 P2 输出缓冲器能驱动 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 13 页 共 53 页 4 个TTL 逻辑电平 对P2 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作为 输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出电流 IIL 在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器 例如执行MOVX DPTR 时 P2 口送出高八位地址 在这种应用中 P2 口使用很强的内部上拉发送 1 在使用8位地址 如MOVX RI 访问外部数据存储器时 P2口输出P2锁存器的内容 在flash编程和校验时 P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号 P3 口 口 P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I O 口 p2 输出缓冲器能驱动 4 个TTL 逻辑电平 对P3 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作为 输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出电流 IIL P3口亦作为AT89S52特殊功能 第二功能 使用 如表2 2所示 在flash编 程和校验时 P3口也接收一些控制信号 表2 2 P3口引脚 引脚 号 第二功能 P3 0 RXD 串行输入 P3 1 TXD 串行输出 P3 2 INT0 外部中断0 P3 3 INT0 外部中断0 P3 4 T0 定时器0外部输入 P3 5 T1 定时器1外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器写选通 RST 复位输入 晶振工作时 RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位 看门狗计时完成后 RST 脚输出96 个晶振周期的高电平 特殊寄存器AUXR 地址8EH 上的DISRTO位可以使此功能无效 DISRTO默认状态下 复位高电平有效 ALE PROG 地址锁存控制信号 ALE 是访问外部程序存储器时 锁存低8 位地 址的输出脉冲 在flash编程时 此引脚 PROG 也用作编程输入脉冲 在一般情况下 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 14 页 共 53 页 ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲 可用来作为外部定时器或时钟使用 然而 特别强调 在每次访问外部数据存储器时 ALE脉冲将会跳过 如果需要 通过将地址 为8EH的SFR的第0位置 1 ALE操作将无效 这一位置 1 ALE 仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效 否则 ALE 将被微弱拉高 这个ALE 使能标志位 地址为8EH的 SFR的第0位 的设置对微控制器处于外部执行模式下无效 PSEN 外部程序存储器选通信号 PSEN 是外部程序存储器选通信号 当 AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时 PSEN在每个机器周期被激活两次 而在访 问外部数据存储器时 PSEN将不被激活 EA VPP 访问外部程序存储器控制信号 为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存 储器读取指令 EA必须接GND 为了执行内部程序指令 EA应该接VCC 在flash编程期 间 EA也接收12伏VPP电压 XTAL1 XTAL1 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 主要性能 与MCS 51单片机产品兼容 8K字节在系统可编程Flash存储器 三级加密程序存储器 32个可编程I O口线 三个16位定时器 计数器 八个中断源 全双工UART串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针 掉电标识符 51 单片机通常采用上电复位和按钮复位两种复位方式 上电复位是利用电容的充 放电来实现 按钮复位又分为按钮电平复位和按钮脉冲复位 前者 将复位端通过电 阻与 VCC相接 后者 利用微分产生正脉冲来达到复位的目的 复位电路参数的选择 应能保证复位高电平持续时间大于两个机器周期 在设计中 用到了单片机对输入口 进行查询并输出相应的高低电平实现后续工作的控制功能 这将着重在软件设计部分 讲到 AT89C51 具有四个并行的 I O 口 含有双全工的串行通信口 其引脚特性很常见这 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 15 页 共 53 页 里就不加叙述 下面介绍其最小工作系统 1 时钟电路 图 3 2 时钟电路图 时钟电路是计算机的心脏 它控制着计算机的工作 AT89C51 的时钟信号可以由两 种方式产生 一种是内部方式 利用芯片内部的振荡电路 产生时钟信号 另一种为 外部方式 时钟信号由外部引入 考虑到本次设计对时间的要求不是很高 所以选用 内部方式产生时钟脉冲 89C51 单片机虽然有内部振荡电路 但要形成时钟 必须外接 元件 外接晶振以及电容C1 和C2 构成并联谐振电路 这种方式就是内部时钟方式 如果振荡器已起振 则在 X2 引脚上输出 2 2V 左右的正弦波 振荡频率 f 取决于晶振 的频率 不同型号的产品 可选择的频率范围有所不同 一般在 0 5 12MHz之间 常 用的晶振有 6MHz 12MHz和 11 0592MHz 电容C1 和C2 主要作用是帮助起振 谐振 称其为谐振电容 其值的大小对振荡频率也有影响 因此常用调节C1 或C2 的容量大 小对频率进行微调 电容容量通常在 20 100pF 之间选择 当时钟频率为 12MHz 时其 值为 30pF 本次设计的电路就是选择 12MHz的时钟频率 如图 3 2 所示 2 复位电路 计算机在启动运行前需要复位 使中央处理器和系统中的其他部件都处于一个确 定的初始状态 单片机从这个状态开始工作 对于 89C51 单片机 只要在 RST 复位端 接一个电容至 VCC 和一个电阻至地即可 在加电瞬间 RST 端出现一定时间的高电平 只要高电平保持时间足够长 就可以使 89C51 有效地复位 RST 端在加电时应保持的 高电平时间包括 VCC 的上升时间和振荡器起振的时间 VCC 的上升时间约为 10us 振 荡器起振时间和频率有关 频率为 10MHz 时约为 1us 频率为 1MHz 时约为 10us 所 以一般为了可靠地复位 RST 在上电时保持 20us 以上高电平即可 89C51 的复位电路 有两种 上电自动复位和人工复位 人工复位方式只是将一个按键并联在上电自动复 位电路上 设计的任务中提到要用一个钥匙来控制控制器工作 这和上电复位开关的 功能类似 这里就采用上电自动复位 添加一个开关来作为钥匙信号 再加一个 LCD 来指示钥匙开关是否打开 如图 3 3 所示 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 16 页 共 53 页 图 3 3 复位电路 3 3 2 单相电能芯片此时 CS5460 A 概述 1 基本结构及功能 CS5460A的内部组成模块如下 一个电流通道可编程增益放大器其增益为10和50可选 一个电压通道固定增益放大器 其增益为10 两个同时采样的AD模数转换器 两个高速数字滤波器 两个可选用的高通滤波器 一个功率计算引擎 一个片内电压基准 一个可以检测电力不足或电源故障的电源监视器 一个持续监视串口通讯的看门狗 一个可选的内部时钟发生器 一个双向串行接口 一个电能 脉冲变换器 一个校准用SRAM 2 主 要 特 性 1 在片计算和处理功能 2 可以从串行E2PROM 智能 自引导 不需要微控制器 具有电能 脉冲转换功能 3 具有AC或DC系统校准功能 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 17 页 共 53 页 4 具有简单的三线数字串行接口 可以方便地进行读写 5 看门狗定时器 6 片上 2 5 V 基准 60 10 6 OC 单电源 5 V 或双向 2 5V 10 电源 7 具有功率方向输出指示 8 能够测量瞬时电压 瞬时电流 瞬时功率 电能 电压有效值和电流有效值 能完成电能 脉冲转换 9 电能测量精度 0 1 10 具有相位补偿和系统校准功能 11 具有机械计度器 步进电机驱动器 12 内带电源监视器 13 电能数据线性度 在 1000 1 动态范围内线性度为 0 1 14 功率消耗小于 12mW 15 电源配置 VA 5V VA 0V VD 3V 5V 或 VA 2 5V VA 2 5V VD 3V 图 3 4 CS5460内部结构图 3 CS5460 寄存器配置 CS5460 内部集成了包括偏置寄存器 增益寄存器 脉冲速率寄存器和参数寄存器 等 16 个寄存器 还集成了串行口发送寄存器 串行口接受寄存器和一个命令解释状态 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 18 页 共 53 页 机 用于完成 CS5460 的设置 采集数据的存储和串行输入输出的控制 图 3 5 为内部 寄存器分配图 偏置寄存器 偏置寄存器 增益寄存器 增益寄存器 有符号寄存器 无符号寄存器 脉冲速率寄存器 时基寄存器 配置寄存器 周期计数寄存器 状态寄存器 屏蔽寄存器 串行接口 命令解释状态机 接收缓冲区 发送缓冲区 图 3 5 CS5460 寄存器分配 此命令通知状态机 一个寄存器的访问是必需的 在读取地址教育署到输出缓冲 区 由 SCLK 时钟了 在写数据移入输入缓冲器到第 24SCLK 的处理登记 W R 写入 读 控制 0 读寄存器 1 写入寄存器 注册地址位 二进制编码的 0 到 31 所有寄存器都是 24 位 地址名称的说明 00000 配置寄存器 00001 电流偏移校准 00010 电流增益校准 00011 电压偏移校准 00100 电压增益校准 00101 数转换整合以上 N 00110 脉冲率用于校准 规模的能量频率 00111 最后电压值 01000 最后权价值 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 19 页 共 53 页 01001 最后的总能量值 01011 RMS 电流值 01100 RMS 电压值 01101 定时基校正 01110 内部只使用 01111 状态寄存器 10000 保留 10111 保留 11000 内部只使用 11001 内部专用 11010 中断屏蔽寄存器 11011 内部专用 11100 保留 11111 保留 4 操作时序 CS5460A 串行口包括 4 条控制线 串行时钟 SCLK 串行数据输入 SDI 串行 数据输出 SDO 和片选 CS 器读写时序如图 2 3 所示 CS5460A 的串行接口部分集成了一个带有发送 接收缓冲器的状态机 状态机在 SCLK 的 上升沿解释 8 位命令字 根据对命令的解码 状态机将执行相应的操作 或者为被寻 址的寄存器的数据传输做准备 读操作需将被寻址的内部寄存器的数据传送到发送缓 存区 写操作在数据传输前要等 24 个 SCLK 周期 内部寄存器用于控制 ADC 的功能 所有寄存器都是 24 位 上电复位后 串行状态机初始化为命令模式 等待接收有效的命令 输入串口的 前 8 为数据 在完成对有效命令的接收和解码后 状态机将指示转换器执行系统操作 或从内部寄存器输入输出数据 当启动了读命令 串口将在下 8 个 16 个或 24 个 SCLK 周期启动 SDO 脚上的寄存 器内容的转移 从高位开始 寄存器读指令可以终止在 8 位的边界上 例如 读出时 可只读 8 16 或 24 位 同样 数据寄存器读出允许采用 命令链 因此读寄存器 时 微控制器可同时发送新指令 新指令将被立即执行 并可能终止读操作 例如 桂林电子科技大学毕业设计 论文 报告用纸 第 20 页 共 53 页 命令字送入状态机读取某一输出寄存器 进行了 16 个连续的读数据串行时钟脉冲后 执行写命令字 如状态寄存器清零 数据从 SDI 引脚输入 同时剩下的 8 位读出数 据被传送到 SDO 引脚 又如 图3 6 CS5460A操作时序图 用户仅需从读操作中获取 16 位有效位时 可在 SDO 读出 8 位数据后从 SDI 输入第二个 读命令