变电站控制母线直流电源监测系统毕业论文.doc

本科生毕业设计（论文）变电站控制母线直流电源监测系统毕业论文目 录第1章 绪 论11.1 控制母线直流电源的作用11.2 控制母线直流电源检测系统的发展及现状11.3 本文研究内容2第2章 总体方案设计32.1 控制母线直流电源监测系统的功能要求32.2 总体方案设计32.3 系统功能分析4第3章 系统硬件电路设计53.1 中央处理电路53.1.1 中央处理芯片53.1.2 扩展芯片73.2 键盘及复位电路93.2.1 键盘电路的设计93.2.2 复位电路设计103.3 系统电压电流检测电路113.3.1 电压互感器和电流互感器113.3.2 A/D转换电路123.3.3 交流信号的计算153.4 直流电源监测173.4.1 蓄电池组总电压监测电路173.4.2 蓄电池单节巡检电路183.5 报警及显示电路213.5.1 报警电路213.5.2 显示电路213.6 DC/DC电源电路243.7 蓄电池组充电电路253.7.1 MOS管开关253.7.2 蓄电池组充电电路25第4章 系统软件设计274.1 总体流程274.1.1 总体分析274.1.2 总体流程图284.2 显示部分程序设计294.2.1 清屏指令304.2.2 进入模式设置指令304.2.3 显示开关控制指令304.2.4 功能设置指令314.2.5 LCD1602显示程序314.3 键盘输入程序344.3.1 键盘输入流程图344.3.2 键盘输入子程序354.4 DS1302程序设计364.4.1 DS1302时钟芯片流程图374.4.2 DS1302初始化程序：374.5 A/D转换程序394.5.1 A/D转换程序流程图394.5.2 A/D转换子程序40第5章 总结42参考文献43致 谢45附 录46附 录54附 录55II第1章 绪 论1.1 控制母线直流电源的作用电能己经成为现代人们生活当中不可缺少的动力源，电力系统的运行必须安全、可靠，这样才能保证供电的正常。直流电源系统作为变电站电力系统的保障，也就必须稳定可靠。基于软开关技术的高频开关电源因其性能可靠、效率高、寿命长等优点，成为了现代电力操作电源系统中的重要组成部分。控制母线直流电源是电力系统的重要组成部分，为信号设备、继电保护、自动装置、事故照明及断路部分、合闸操作提供直流电源，并在外部交流故障的情况下，保证由后备电源继续提供直流电源的重要设备，是继电保护、自动装置和断路器等设备正确动作的基本保证。1.2 控制母线直流电源检测系统的发展及现状在1955年以前，国内发电厂和变电所的建设规模较小，其直流控制电源系统，大多采用110V，单母线和不带端电池的蓄电池组。1956年以后，发电厂和变电所的建设规模增大。这时，由于引进了当时苏联的设计技术原则，在所有新建和扩建的发电厂和变电所中，都采用了220V、带端电池的蓄电池组，并根据工程规模的大小，采用单母线或双母线接线。这个期间的设计，是充分利用了蓄电池的容量和具有较小的电压波动范围，但代价是采用了较复杂的接线。1984年以后，随着欧美设计技术理念的引进，以及发电厂和变电所建设规模不断增大、开关设备情况的变化，在直流控制电源系统的设计上，又开始逐渐采用单母线接线和不带端电池的蓄电池组，对控制负荷，直流母线电压则采用110V电压。这一期间设计的主导思想，是以适当加大蓄电池的容量、允许电压有较大的波动范围为代价，达到简化接线、提高可靠性的目的。90年代以前变电所一般装设一组蓄电池构成的直流控制电源；只有对于大型变电所，特别是500kV变电所，才装设两组蓄电池组。90年代后期随着人们对供电可靠性要求的提高，220kV及以上枢纽变电所均要求装设两组蓄电池以上。这一发展过程表明，随着大机组、超高压工程的发展，人们更加关注直流控制电源系统的可靠性，并为此而适当提高了工程造价。变电站直流电源系统主要由以下四部分组成：(1) 蓄电池部分，其功能主要是在交流电源断电时能够实时地提供二次回路所需要的直流供电。(2) 充电模块部分，其功能主要有2个：一是交流整流，即将交流电源转换成稳定的直流电源；二是稳压整流，即适时地给蓄电池充电，以确保蓄电池处于随时可供电的状态。(3) 微机监控部分，该部分是直流电源系统的控制核心，其主要负责监控交流及电池状态等众多的物理量，并且控制充电模块部分智能的对电池进行充电。监控器性能的优劣往往决定直流电源系统性能的好坏，是决定直流电源系统总体价格的决定性因素。(4) 调压模块部分，电力操作电源的额定输出电压一般选择为1 10V或220V，如果考虑蓄电池均充电运行的需要，输出电压最高则可达到额定输出电压的145，因此电力操作电源的输出电压(220V系统，最高输出电压可达到330V)，又因为蓄电池的端电压变化范围很大，所以在电力系统中，除了合闸等冲击性负置间接与蓄电池相连接(调压装置的输出母线被称为控制母线)，以获得比较稳定的工作电压。1.3 本文研究内容本文对变电站控制母线直流电源监测系统的构成、功能和流程进行了仔细分析并在此基础上进行了详细设计。本系统包括键盘输入、微机控制、AD转换、显示及报警装置，微机控制采用了AT89C51单片机，并外扩了数据存储器62256和程序存储器27256，AD转换器采用了MAX197，并利用了多路开关4051进行单节蓄电池的巡检，利用MOS管IRF254控制蓄电池组的充电。本系统还对变电站的系统电压电流进行采集判断，异常报警及显示功率。本文主要做了以下方面的工作：(1) 根据系统功能要求并且考虑产品的性价比，进行系统的整体方案设计。该方案将拨号模块加入系统之中，并采用模块化设计方法，以方便系统的调试和用户的使用。(2) 系统硬件设计。主要包括中央处理器设计、片选电路设计、键盘电路设计、复位电路和显示电路设计、系统电压电流监测设计、蓄电池组总电压及单节电压监测设计、蓄电池组充电电路设计、报警电路设计。(3) 系统软件设计。主要考虑片选程序设计、时钟芯片程序设计、报警程序设计、单片机控制程序设计。第2章 总体方案设计2.1 控制母线直流电源监测系统的功能要求系统的设计指标：（1）测量系统电压等级：变压器二次侧线电压380V。（2）控制母线电压稳定于DC 220V、蓄电池组的充电电压220V、充电电流0.5-1A。具有三相电流、电压，有功功率、无功功率、功率因数的测量及显示功能。 （3）电流、电压测量精度0.1%。（4）系统应具备有好的人机接口并具有通信接口上传数据。（5）具有系统过压、过流报警及保护动作。（6）具有电池组单节巡检功能，短路保护功能。2.2 总体方案设计根据系统功能的要求和系统构成的需要来设计系统，其总体设计方案如图2.2所示。本设计分为八大部分：以单片机作为中央处理器、键盘电路电路、报警电路、显示电路、系统电压电流及蓄电池组总电压的实时监测、AD转换、蓄电池组充电电路、蓄电池组单节电池的定时巡检电路。实现此功能总体思路如下：用电压互感器SPT204A和电流互感器SPT205B对系统的电压电流时时监测，将信号经过A/D转换器MAX197转换后送单片机分析处理，如有异常则报警并调整，没有异常则显示电压、电流、有功功率、无功功率等。下一步检测蓄电池组的总电压，如果电压过低则开启充电，直至电压正常。然后单片机读入当前时间，如果是蓄电池单节巡检时间则对蓄电池组进行单节电压巡检，否则回到键盘扫描。如果对蓄电池组的单节巡检发现异常蓄电池，则报警，并更换新的电池。时钟电路键盘输入光耦隔离通信接口AT89C51单片机LCD显示报警器A/D转换蓄电池组控制母线开启充电电源综合检测系统电压PT/CT调整电路图2.1 控制母线直流电源监测系统总体框图2.3 系统功能分析本文设计的控制母线直流电源监测系统具有安装简单、使用方便、经济实惠、工作稳定、可靠性高等特点，为信号设备、继电保护、自动装置、事故照明及断路部分、合闸操作提供直流电源，并在外部交流故障的情况下，保证由后备电源继续提供直流电源的重要设备，是继电保护、自动装置和断路器等设备正确动作的基本保证。第3章 系统硬件电路设计本章详细介绍硬件电路的设计。硬件电路包括八部分：以单片机作为中央处理器、键盘电路、报警电路、显示电路、系统电压电流及蓄电池组总电压的实时监测、AD转换、蓄电池组充电电路、蓄电池组单节电池的定时巡检电路。详细阐明芯片的选择比较，所选用芯片内部组成、功能特点、外围电路及其接口电路，并设计出具体的硬件电路。3.1 中央处理电路该报警器的中央处理电路采用AT89C51单片机来实现。单片机是将中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、定时器/计数器及输入输出接口电路等计算机主要部件集成在一块集成电路芯片上的微机算计。现在世界上已经有很多大公司能够生产单片机，随着超大规模集成电路的迅猛发展，单片机的功能也是日渐强大，运算速度日益提高，相继出现了32位和64位单片机，根据时间系统的需要和产品的性价比，本文选用了ATMEL 公司生产的8位单片机AT89C51，构成系统的主机。3.1.1 中央处理芯片中央处理电路是以AT89C51位核心芯片，AT89C51是ATMEL公司采用CMOS工艺生产的低功耗、高性能8位单片机，与MCS-51单片机兼容，其功能特点为：（1）有CHMOS工艺的节能运行方式（2）8K字节的闪烁存储器（FLASH），可以进行1000次写、擦除操作。（3）静态操作，外接024MHZ晶振。（4）三层程序存储锁。（5）256字节内部数据存储器（RAM）。（6）32根可编程输入输出线。（7）3个16位定时/计数器。（8）6个中断源。（9）一个去全双工串行口。（10）支持有空闲和掉电两种节电模式。（11）面向控制的8位CPU。（12）可以寻址64K的片外程序存储器和寻址64K片外数据存储器。AT89C51引脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。/VPP：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。AT89C51单片机最小系统3.1所示：图3.1 AT89C51最小系统3.1.2 扩展芯片由于AT89C51的内存只有4K，所以需要对系统扩展。系统扩展是指单片机内部各功能部件不能满足系统要求时，在片外连结相应的外部芯片以满足应用系统要求。因此单片机的系统扩展有程序存储器（ROM）扩展、数据存储器（RAM）扩展、I/O口扩展、定时/计数器扩展、中断系统扩展以及其他特殊功能扩展。对于主控微控制器8051单片机来说，程序存储器扩展用的最多，扩展方法也简单容易。扩展性能如下：( 1) 数据存储器与程序存储器的片外64KB扩展地址空间完全重叠（0000HFFFFH）,它们并联接在外部系统总线上。至于哪类存储器选通操作，由控制信号和片选信号确定。外部程序存储器的读指令信号为，CPU自动产生。另外，执行MOVC指令时，也会产生。( 2) 扩展的外部程序存储器的地址指针为程序计数器PC和数据指针DPTR。( 3) 扩展的外部程序存储器多使用EPROM型。芯片型号的高两位数字27表示EPROM，地位数字表示存储容量，如本系统所使用的27256表示256K存储位的EPROM低位数字除以8为芯片的字节存储容量，如27256表示字节容量为32K，可以表示成32K8。从芯片引脚图中可以看到，某些芯片管脚数目相同而容量不同的，但管脚却是兼容的。这样为在已设计好的电路板上更换不同容量的EPROM芯片，带来了方便。EPROM的管脚中，除去VCC、GND、地址线AN、数据线DN外，主要还有三个脚：、VPP。其中：片选输出允许，接CPU的读信号线。：片选，由地址线译码器或单独的地址线选通。VPP：编程写入电压，不同型号芯片的VPP可能不同。扩展单片机EPROM,其片选接地，即只要系统执行读外部程序存储器的指令，就能由控制读该片EPROM。当单片EPROM的容量不能满足要求时，就要进行多片扩展。扩展时各片的数据线、地址线、控制线都并行挂接在系统三总线上，只有各片的片选信号要分别处理。产生片选信号主要有两种方法：线选法和译码法。采用线选法时，用所需的低位地址线进行片内存储单元寻址，余下的高位地址线可分别作各芯片的片选信号，当芯片对应的片选地址线输出有效电平时，该片EPROM选通操作。线选法构成的存储系统单元地址不连续，构成存储器的部分空间浪费。采用译码法时，仍由低位地址线进行片内寻址，高位地址线经过译码器译码产生各个片选信号。本系统设计中就是采用的这种方法。单片机的P2口接上锁存器74HC373，锁存器74HC373的OE脚接地，用74LS138来进行片选。74LS138的A、B、C引脚分别接单片机的P00、P01、P02，Y0、Y1、Y2分别接MAX197、62256、27256的片选。当ABC为000时选中MAX197，为001时选中62256，为010时选中27256。中央处理电路如图3.2所示：图3.2 中央处理电路及部分外围电路3.2 键盘及复位电路系统在启动运行时都要复位，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，并从这状态开始工作；根据该系统的设计要求还需要设计可以输入控制信号的键盘输入。3.2.1 键盘电路的设计根据设计要求以及实际产品的情况，在键盘输入方面至少需要14个按键才能满足产品需求。这包括了09十个数字输入键、一个确认键、一个删除键、一个继续采集键和一个启动单节电池巡检键，还有另外两个按键可以作为系统功能拓展的冗余。基于如上考虑，本系统采用44矩阵键盘即可。在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比直接将端口用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输入端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。键盘是一种按钮，与开关不同的是它只有一个稳定的位置。当按下键盘时，改变了开关的位置，但是一旦放开就会回到原来的位置。因此，当按键过程中会产生抖动，为避免引起读键误判断，需要对键抖动进行处理。由于AVR系列单片机内带上拉电阻故省去上拉电阻。键盘编码如表3.1所示：表3.1 键盘编码表键编号键值功能键键编号键值功能键S111S999S222S10a*S333S1100S444S12b#S555S13c确认S666S14d删除S777S15e继续采集S888S16f启动单节巡检3.2.2 复位电路设计系统在启动运行时都要复位，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，并从这状态开始工作。采用上电复位方式，在RST复位端接一个电阻R2至VCC和一个电容C3至GND(地)，就能实现上电自动复位。在上电的瞬间，电容通过电阻充电，就在复位端出现一定时间的高电平。只要保持RST引脚为高电平时间足够长，就可使CPU复位。所需高电平时间的长短与VCC上升时间和振荡器起振时间有关。10MHz时，约lms；1MHz时，约l0ms。若VCC上升时间小于20ms，那么从上电时间算起，只要保持RST引脚在高电平停留时间不小于20ms即可。下图为键盘电路以及复位电路与单片机的连接电路，AT89C51的P0.0P0.4为键盘的输入口。图3.3 键盘电路以及复位电路与单片机的连接电路图3.3 系统电压电流检测电路系统电压电流需要用互感器来采集，本系统采用了电压互感器SPT204A和电流互感器SCT205B采集系统的电压电流信号。3.3.1 电压互感器和电流互感器由于系统的电压电流都比较大，单片机很难直接采集，所以要利用电压互感器和电流互感器。电压互感器把高电压按比例关系变换成100V或更低等级的标准二次电压，供保护、计量、仪表装置使用。在线路上接入电流互感器变电流，可以把线路上大大小小的电流，按不同的比例，统一变成大小相近的电流。只要用一种电流规格的电气仪表，例如通用的电流为5A的电气仪表，就可以通过电流互感器，测量线路上小至几安和大至几万安的电流。系统采用电压互感器SPT204A和电流互感器SCT205B对电压电流进行采集，然后通过AD转换器MAX197输入AT89C51单片机，单片机再根据编程对数据进行分析，并做出相应的控制。SPT204A实际上是一款毫安级精密电压互感器，输入额定电流为2mA，额定输出电流为2mA，额定输入电压5V1000V，额定输出电压50mV8V(运放输出)。SCT205B实际上是一款毫安级精密电流互感器，输入额定电流为5A，额定输入电压5V1000V，输出电流5mA。SPT204A的额定输入电流为2mA，所以出入串联一个110K的电阻，SCT的额定输入电流为5A，所以输入端串联一个44的电阻。SPT204A、SCT205B应用电路如图3.5和图3.6所示：图3.5 SPT204A应用电路图3.6 SCT205B应用电路3.3.2 A/D转换电路由于AT89C51单片机不能识别模拟信号，所以必须用A/D转换器将采集到的模拟信号转换为数字信号，该系统采用的A/D转换器为MAX197芯片，它是美国MAXIM公司近年的新产品，是多量程(10V，5V，010V，05V)、8通道、12位高精度的A/D转换器。它采用逐次逼近工作方式，有标准的微机接口。三态数据IO口用做8位数据总线，数据总线的时序与绝大多数通用的微处理器兼容。全部逻辑输入和输出与TTLCMOS电平兼容。新型AD转换器芯片MAX197与一般A/D转换器芯片相比，具有极好的性能价格比，仅需单一5V供电，且外围电路简单，可简化电路设计MAX197无需外接元器件就可独立完成A/D转换功能。它可分为内部采样模式和外部采样模式，采样模式由控制寄存器的D5位决定。在内部采样控制模式(控制位置0)中，由写脉冲启动采样间隔，经过瞬间的采样间隔(芯片时钟为2MHz时，为3ms)，即开始A/D转换。MAX197无需外接元器件就可独立完成A/D转换功能。它可分为内部采样模式和外部采样模式，采样模式由控制寄存器的D5位决定。在内部采样控制模式(控制位置0)中，由写脉冲启动采样间隔，经过瞬间的采样间隔(芯片时钟为2MHz时，为3ms)，即开始A/D转换。在外部采样模式(D5=1)中，由两个写脉冲分别控制采样和A/D转换。在第一个写脉冲出现时，写入ACQMOD为1，开始采样间隔。在第二个写脉冲出现时，写入控制字ACQMOD为0，MAX197停止采样，开始A/D转换。这两个写脉冲之间的时间间隔为一次采样时间。当一次转换结束后，MAX197相应的INT引脚置低电平，通知处理器可以读取转换结果。MAX197是一种通用A/D芯片，可以和多种微机接口，在此选用AT89C51单片机作为主处理器。对于模拟到数字量的转换，时序要求非常严格，由于MAX197的数字信号输出引脚是复用的，要正确读出转换结果，时序要求尤其重要。在一次采样开始前，可以通过单片机的8位数据线把这些控制字写入MAX197来初始化相应的参数。然后按照一定的时序进行采样和转换。MAX167特性： （1）12位分辨率，1/2LSB线形度； （2）单+5V供电； （3）软件可编程选择输入量程： 10V，5V，0+5V，0+10V； （4）输入多路选择器保护： 16.5V （5）8路模拟输入通道； （6）6us转换时间，100kSPS采样速度； （7）内/外部采集控制； （8）内部4.096V或外部参考电压； （9）两种掉电模式； （10）内部或外部时钟。MAX197的引脚功能表如表3.2所示：表3.2 MAX197引脚功能表引脚符号功 能1CLK时钟输入。外部时钟输入时，由此引脚输入电平与TTL或CMOS兼容的时钟。2片选信号，低电平有效。3为低电平时，在内部采集模式下， 的上升沿将锁存数据，并启动一次采集和一次转换周期；在外部采集模式下， 的第一个上升沿启动采集，第二个上升沿结束采集，并启动转换周期。4读信号5HBEN用来传输12位转换结果6停止端710D7D4三态数字I/O口11D3/D11三态数字I/O口，D3输出HBEN低，D11输出HBEN高12D2/D10三态数字I/O口， D2输出HBEN低，D10输出HBEN高13D1/D9三态数字I/O口， D1输出HBEN低，D9输出HBEN高14D0/D8三态数字I/O口，D0输出HBEN低，D8输出HBEN高15AGND模拟地1623CH0CH7模拟输入通道24当转换结束和准备输出数据时，为低25REFAD外调节引脚28REF参考缓冲输出27VDD正电源电压输入端28DGND数字地通过AT89C51的P2.0P2.7与MAX197的D0D7相连，既用于输入MAX197的初始化控制字，也用于读取转换结果数据。 用74LS138的Y0作片选信号，74LS138的A、B、C为000时，MAX197被选中。选择MAX197为软件设置低功耗工作方式，所以置SHDN脚为高电平。本文采用外部基准电压，所以REFD接高电平，而REF则接外部输入参考电压。系统电压电流采集及AD转换电路图3.7所示：图3.7系统电压、电流采集电路图3.3.3 交流信号的计算电力系统中，常需测量电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率、视在功率等电力参数。在微机应用之前，这些量通常都是通过一些专用仪表进行测量，且常常是一台仪表只能测量和显示一个量。随着微处理器技术的发展，人们可借助于微机将这些量在同一台测量装置中通过对电压、电流的采样及处理后再将这些参数全部显示出来给测量者提供了很大方便。微机测量仪表发展至今，其对电力参数的采样方法主要有两种，即直流采样法和交流采样法.直流采样法采样的是整流变换后的直流量，软件设计简单，计算方便，但测量精度受整流电路的影响，调整困难.交流采样法则是按一定规律对被测信号的瞬时值进行采样，再按一定算法进行数值处理，从而获得被测量，因而较之直流采样法更易获得高精度、高稳定性的测量结果。MAX197采集的信号只是一个时刻的信号，并不是有效值，所以还需要通过计算得到交流电流电压的有效值。本系统采用同步采样法来采集信号，用积分和的方法计算有效值。 同步采样法是指信号周期为T，采样间隔，采样点数N严格满足。对电力运行参数主要采用积分和的方法，只要保证足够的测量点数，就可以近似逼近被测量。设交流电压信号 u=Usin（t+） (3-1)其有效值可定义为 (3-2)将该有效值公式离散化，以一个周期内等间隔采样有限个电压数字量来代替一个周期内连续变化的电压函数值，则 (3-3)式中为第n个电压采样的瞬时值、N为一个周期内的采样点数。同理，电流的有效值为 (3-4)计算一相有效功率公式为 (3-5)离散化后得 (3-6)式中、分别为同一时刻的电压电流采样值。因为无功功率Q和有功功率P仅在电压和电流相位差，所以无功功率可写成 (3-7)式中 表示第 次的电流采样值(移相后的采样值)，当 大于N时， 取 。本系统测量的交流信号为50Hz的正弦交流电，单片机采用的是12MHz的晶振，所以在一个周期内，单片机理论上最多可以采集240000次信号，为了方便计算并保证足够的测量点数，每个周期内取100个采样点，既在该系统中N的值为100，的值为0.2毫秒。3.4 直流电源监测直流电源作为变电站的重要组成部分，必须实时对其进行监测，确保其工作在稳定的状态。3.4.1 蓄电池组总电压监测电路本系统采用分压的方式来测量蓄电池组的总电压，如图3.8所示。CON2端子的1、2引脚接蓄电池组的正负极，RHZL1+和RHZL1-是10K的电阻，MAX197的输入电压为5V，则根据公式3-8 (3-8)计算得RHZH1的电阻值为430K。输出端并联一个5V稳压二极管，当蓄电池组的电压高于220V时，使HZ输出电压稳定在5V，从而保护A/D转换器MAX197。图3.8 蓄电池组总电压测量电路当蓄电池组的电压为220V时，HZ端输出的电压为5V，当蓄电池组的电压低于220V时，HZ端输出的电压小于5V。经过AD转换器MAX197输入单片机，低于5V时，单片机的P17口输出一个高电平，打开MOS管IRFS254开关，系统电压给蓄电池组充电。3.4.2 蓄电池单节巡检电路该系统的具有单节蓄电池定时巡检功能，采用时钟芯片一个DS1302，单片机时时读入当前时间，如果是定时巡检时间（自定，默认为10:00 AM），则对蓄电池组进行单节电池巡检。 DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小与31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。工作电压宽达2.55.5V。采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。DS1302的外部引脚分配如图3.9所示。DS1302用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录，因此广泛应用于测量系统中。各引脚的功能为： （1）Vcc1：主电源；（2）Vcc2：备份电源。当Vcc2Vcc1+0.2V时，由Vcc2向DS1302供电，当Vcc2 Vcc1时，由Vcc1向DS1302供电。 （3）SCLK：串行时钟，输入，控制数据的输入与输出； （4）I/O：三线接口时的双向数据线； （5）CE：输入信号，在读、写数据期间，必须为高。该引脚有两个功能：第一，CE开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；其次，CE提供结束单字节或多字节数据传输的方法。（6）X1、X2：32.768KHz晶振引脚。（7）RST：复位DS1302内部的RAM分为两类，一类是单个RAM单元，共31个，每个单元为一个8位的字节，其命令控制字为COHFDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；再一类为突发方式下的RAM，此方式下可一次性读写所有的RAM的31个字节，命令控制字为FEH（写）、FFH（读）。DS1302工作时为了对任何数据传送进行初始化，需要将复位脚（RST）置为高电平且将8位地址和命令信息装入移位寄存器。数据在时钟（SCLK）的上升沿串行输入，前8位指定访问地址，命令字装入移位寄存器后，在之后的时钟周期，读操作时输出数据，写操作时输出数据。时钟脉冲的个数在单字节方式下为8+8（8位地址+8位数据），在多字节方式下为8加最多可达248的数据。DS1302的引脚排列,其中Vcc1为后备电源，VCC2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc1+0.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。DS1302与单片机的连接也仅需要3条线：CE引脚、SCLK串行时钟引脚、I/O串行数据引脚，Vcc2为备用电源，外接32.768kHz晶振，为芯片提供计时脉冲。DS1302在该系统中与单片机的连接电路如下图所示，DS1302的SCLK端、I/O口以及分别与AT89C51的P3.0、P3.1、P3.2相连。图3.9 DS1302与单片机连接电路图蓄电池组是由18节12V的蓄电池组构成，所以一共要测量巡检18节蓄电池，采用3个多路开关CD4051，有24个接口，满足对18节蓄电池组的电压采集。18节电池组引出19个外接线，连接到一个20引脚的端子排。 CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。INH是禁止端，当“INH”=1时，各通道均不接通。只有当INH=0时，三位二进制信号才可以选通8通道中的一个通道，连接该输入端至输出。此外，CD4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的 CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰峰值达15V的交流信号。例如，若模拟开关的供电电源VDD=5V，VSS=0V，当VEE=5V时，只要对此模拟开关施加05V的数字控制信号，就可控制幅度范围为5V5V的模拟信号。如图3.10所示，用一片74HC138进行片选，74HC138的A、B、C分别接单片机的P13、P14、P15，Y0、Y1、Y2分别接3个CD4051的INH引脚，当ABC为000时，选中第一个CD4051：当ABC为001时，选中第二个CD4051：当ABC为010时，选中第三个CD4051。每个CD4051的A、B、C分别接AT89C51的P10、P11、P12，CD4051的ABC为000111对应的X0X7导通。对于单节蓄电池电压的测量同样采用分压的方式测量，由公式3-8，求得RHZH2：RHZL2=7:5，RHZH2取14K，RHZL2取10K。如图3.10所示，用多路开关控制相应的继电器控制芯片，控制继电器开关的闭合，从而测量相应的蓄电池的电压。对18节蓄电池一共引出19个引脚DC1DC19，连接在一个20引脚的端子排上，每两个引脚间的电压就是对应蓄电池的电压。图3.10 单节电池巡检电路3.5 报警及显示电路报警器可以通过警报声提示提醒工作人员有异常发生，同时液晶显示器也很方便读取信息，本小节详细的介绍了这两部分电路。3.5.1 报警电路为了方便变电站工作人员能在第一时间收到异常通知，本系统采用了蜂鸣器报警，由于自激蜂鸣器是直流电压驱动的，不需要利用交流信号进行驱动，只需对驱动口输出驱动电平并通过三极管放大驱动电流就能使蜂鸣器发出声音，很简单。单片机驱动他激蜂鸣器的方式有两种：一种是PWM 输出口直接驱动，另一种是利用I/O 定时翻转电平产生驱动波形对蜂鸣器进行驱动。由于驱动的信号刚好为周期500s，占空比为1/2duty 的方波，只需要每250s 进行一次电平翻转，就可以得到驱动蜂鸣器的方波信号。在程序上，可以使用TIMER0 来定时，将TIMER0 的预分频设置为/1，选择TIMER0 的始终为系统时钟(主振荡器时钟/4)，在TIMER0 的载入/计数寄存器的高4 位和低4 位分别写入00H 和06H，就能将TIMER0 的中断设置为250s。当需要I/O 口驱动的蜂鸣器鸣叫时，只需要在进入TIMER0 中断的时候对该 I/O 口的电平进行翻转一次，直到蜂鸣器不需要鸣叫的时候，将I/O 口的电平设置为低电平即可。不鸣叫时将I/O 口的输出电平设置为低电平是为了防止漏电。本系统采用I/O口驱动，利用I/O 定时翻转电平来产生驱动波形的方式会比较麻烦一点，必须利用定时器来做定时，通过定时翻转电平产生符合蜂鸣器要求的频率的波形，这个波形就可以用来驱动蜂鸣器了。比如为2500Hz 的蜂鸣器的驱动，可以知道周期为400s，这样只需要驱动蜂鸣器的I/O 口每200s 翻转一次电平就可以产生一个频率为2500Hz，占空比为1/2duty 的方波，再通过三极管放大就可以驱动这个蜂鸣器了。由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，所以单片机的I/O 口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。3.5.2 显示电路该系统可以显示实时功率，和异常蓄电池的编号，采用的是LCD1602。1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用。微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。LCD1602工作在+5V电压，对比度可调。内含复位电路提供各种控制命令，如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能，具有字节显示数据存储器DDRAM，内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM、8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM。LCD1602引脚功能： 第1脚：VSS为电源地 第2脚：VDD接5V电源正极 第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。 第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。 第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。 第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端。 第714脚：D0D7为8位双向数据端。 第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。LCD1602主要技术参数： （1）显示容量:162个字符 （2）芯片工作电压:4.55.5V （3）工作电流:2.0mA(5.0V) （4）模块最佳工作电压:5.0V （5）字符尺寸:2.954.35(WH)mm1602液晶模块的读写操作，屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明1为高电平，0为低电平）指令1：清显示，指令码01H，光标复位到地址00H位置 指令2：光标复位，光标返回到地址00H 指令3：光标和显示位置设置I/D，光标移动方向，高电平右移，低电平左移，S：屏幕上所有文字是否左移或右移，高电平表示有效，低电平表示无效。 指令4：显示开关控制。D：控制整体的显示开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示。C:控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。 指令5：光标或显示移位 S/C ：高电平时显示移动的文字，低电平时移动光标 指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时为双行显示，F：低电平时显示5X7的点阵字符，高电平时显示5X10的显示字符。 指令7：字符发生器RAM地址设置。 指令8：DDRAM地址设置。 指令9：读忙信号和光标地址 BF：忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或数据，如果为低电平表示不忙。1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，如图10-58所示，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。图3.11为本文系统中液晶显示电路以及报警电路与单片机的连接电路图。本文设计的系统中LCD1602的RS、R/W、EN引脚分别接AT89C51的P1.4、P1.5、P1.6引脚，D0D7分别接AT