智能型电压监测仪表课程设计

I智能仪器课程设计题目电压在线监测系统的设计系别机电工程系专业09机电（2）班姓名马洲学号0906160307指导教师杨志远设计日期2011年12月6日I基于AT89C51电压在线监测系统的设计摘要为保证工矿企业等用电单位在生产时设备的可靠运行，需要一种能监测电网中的电压值、电压状况的智能仪表，而单片机就开发了一种监测电压的智能仪表，该仪表可实时采集、记录、显示电网中的电压值，并存储电网中的电压跳变的时间和进行声光报警。另外，该仪表通过无线通信的方式，将现场采集的数据发送到远端操作站的上位机，由上位机的监控软件对现场数据进行处理1。该系统解决了人工完成时所带来的两大难题一是现场环境差，尤其是在高压中，人们不适合长期工作；二是人工记录存在较大的误差，且数据统计、处理都费时费力。并且该系统能实现“无人值守”，降低了工人的劳动强度；能及时准确地了解各监测点的监测数据；查询条件灵活多样，查询结果既可以是单个监测点的监测数据，也可以是单个监测点的统计数据或多个监测点的统计数据；使用方便，操作简单。此方案主要有以下几个步骤首先，对单片机原理进行深层研究，熟悉单片机的原理及编程技术；其次，参考文献资料无线通信进一步的了解；再次，编写基于单片机的电压监测测试程序，完成软件设计；最后，设计框图，完成电压监测仪的硬件设计2。I目录第一章绪论111电压在线监测系统的现状112AT89C51单片机电压在线监测系统的优点213本设计的主要内容2第二章硬件设计1221系统的总体设计方案1222电压监测仪的实现1323系统硬件的实现和设计13第三章软件设计1631系统的总体程序流程1632系统的中断程序设计17第四章结论194第一章绪论随着经济的发展，社会的进步，生产管理自动化水平的不断提高，特别是网络的日益普及，电压监控系统在社会各行各业得到越来越广泛的应用，尤其是在电力系统及其设施中。由于需要监控的范围广、监控点分散，需要花费大量的人力、物力和财力对设备进行维护和维修。维护人员不足和维护手段落后已经成为管理中的薄弱环节。因此，为提高维护管理自动化水平、保障设备的安全和正常运行，实现电压在线监测和实时报警已势在必行，而国外很多国家也应用了电压监测仪这种系统，如美国则利用很多先进的电压监测仪监测线路中的电压，以防止电压出现跳变3。据统计，以前我国工矿企业的电压监测大都需要人工来完成，这样必然产生如下弊端一是现场环境差，尤其是在高压中，人们不适合长期工作；二是人工记录存在较大的误差，且数据统计、处理都费时费力。因此出现了电压监测仪这种“无人值守”的系统，降低了工人的劳动强度，为公司和各个企业带来了很大的方便。11电压在线监测系统的现状我国现有的电压监测仪存在很多问题4（1）时间精度和事件顺序的正确性不高；系统停电时，仪器时钟芯片大都选择后备电池供电。在电网频繁停电、闪变、打雷、闪电等恶劣条件下，时钟容易出错，导致统计结果出错。（2）通讯方式和接口落后；仪器大多采用的串行通讯接口，往往速率低，误码率高，接口已经很难适用信息技术迅速发展的今天。并且，新型的笔记本电脑已经不配备这种口，从而影响装置与电脑的匹配；还有采用定时打印电压数据或ICINTEGRATEDCIRCUIT卡读取电压数据，安装调试方便，但是需要人工抄录统计数据，也有利用无线通信系统或电话MODEM传输方式，虽然使用方便，但需要自己对通信网络进行维护或租用公共网，费用高。3仪器规格多且大多属于单相电压测量，应用范围窄；由于电网电压有10KV，35KV，110KV，220KV等多种规格，以往电压监测仪一般1台仪器只能适用1种电网电压规格，造成仪器规格种类多。4版本升级困难、功耗大、精度低等，难以满足统计和控制的精度要求；大多数5装置不能实现在线写入程序，工作电压为5V损耗较大，模数转换器ADCANALOGTODIGITALCONVERTER转换精度往往是8位或10位，误差相对较大，难以满足统计和控制的精度要求。12AT89C51单片机电压在线监测系统的优点基于凌阳AT89C51单片机开发的一种监测电压的智能仪表，可实时采集、记录、显示电网中的电压值，并存储电网中的电压跳变的时间和进行声光报警。另外，该仪表通过无线通信的方式，将现场采集的数据发送到远端操作站的上位机，由上位机的监控软件对现场数据进行处理，对公司和各个企业带来了很大的方便4。该系统可以解决人工完成时所带来的两大难题一是现场环境差，尤其是在高压中，人们不适合长期工作；二是人工记录存在较大的误差，且数据统计、处理都费时费力。并且该系统能实现“无人值守”，降低了工人的劳动强度；能及时准确地了解各监测点的监测数据；查询条件灵活多样，查询结果即可以是单个监测点的监测数据，也可以是单个监测点的统计数据或多个监测点的统计数据；使用方便，操作简单13本设计的主要内容利用AT89C51单片机设计一款可以解决现在电压在线监测系统不足的现状，解决电压监测仪的许多问题。可以根据LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片,可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路,在整个工作温度范围内和低到40V电源电压下都有极高的精度。LM331的动态范围宽,可达100DB线性度好,最大非线性失真小于001,工作频率低到01HZ时尚有较好的线性变换精度高,数字分辨率可达12位外接电路简单,只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路,并且容易保证转换精度。LM331的内部电路组成如图1所示。由输入比较器、定时比较器、RS触发器、输出驱动管、复零晶体管、能隙基准电路、精密电流源电路、电流开关、输出保护管等部分组成。输出驱动管采用集电极开路形式,因而可以通过选择逻辑电流和外接电阻,灵活改变输出脉冲的逻辑电平,以适配TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。LM331可采用双电源或单电源供电,可工作在4040V之间,输出可高达40V,而且可以防止VCC短6路。第二章硬件设计21系统的总体设计方案软件时钟模块算法运算及数据处理串口通信A/D转换I/O接口传感器LED显示操作按钮声光报警数传电台数传电台串口通信个人计算机（PC）无线通信现场电压AT89C51图31基于SPCE061A电压在线监测设计方案电压监测仪是基于AT89C51单片机实现的，其主要的系统工作原理是通过改变电压，使不同的电压值经变送器或传感器转换为标准的电压模拟量信号，AT89C51单片机采集该模拟量信号并进行A/D转换，处理、存储A/D转换后的数据，并与原来设定的电压范围相比较，当现场电压值不在原来设定的范围值内时，单片机SPCE061A便会驱动声光报警，通过LED显示出当时的电压值。同时通过软7件时钟模块记录电压出现跳变的时间，通过RS232串口与本端的数传电台连接，发送数据。数传电台是连接现场电压监测仪与远端上位机的桥梁。在本系统中，通过无线通信的方式完成数据的远程通信。PC机负责接收、处理无线通信发送过来的数据。应用VB60编写的监控软件，可实现对现场数据进行数据库管理和曲线显示等功能1022电压监测仪的实现电压监测仪硬件电路的核心元件是AT89C51，它是一款16位微控制器。其主要特点就是高度的功能集成，并且易于扩展。几个关键的性能参数如下工作电压为2636V；工作频率为03248152MHZ；2K的SRAM和32K的FALSHROM；32位可编程的多功能I/O端口；2个16位定时器/计数器；32768HZ实时时钟；8通道10位模/数转换输入并具有内置自动增益控制功能的麦克风输入方式；双通道10位DAC方式的音频输出功能通用异步全双工串行通信接口UART；具有RS232标准的发送/接收时序；串行设备接口SIO；可与串行外围设备进行串行数据传输等。23系统硬件的实现和设计（1）工作原理8（2）电压频率变换器图2是由LM331组成的电压频率变换电路。外接电阻RT、CT和定时比较器、复零晶体管、RS触发器等构成单稳定时电路。当输入端VI输入一正电压时,输入比较器输出高电平,使RS触发器置位,Q输出高电平,输出驱动管导通,输出端FO为逻辑低电平,同时,电流开关打向右边,电流源IR对电容CL充电。此时由于复零晶体管截止,电源VCC也通过电阻RT对电容CT充电。当电容CT两端充电电压大于VCC的2/3时,定时比较器输出一高电平,使RS触发器复位,Q输出低电平,输出驱动管截止,输出端FO为逻辑高电平,同时,复零晶体管导通,电容CT通过复零晶体管迅速放电电流开关打向左边,电容CL对电阻RL放电。当电容CL放电电压等于输入电压VI时,输入比较器再次输出高电平,使RS触发器置位,如此反复循环,构成自激振荡。图3画出了电容CT、CL充放电和输出脉冲F0的波形。设电容CL的充电时间为T1,放电时间为T2,则根据电容CL上电荷平衡的原理,我们有IRVL/RLT1T2VL/RL从上式可得F01/T1T2VL/RLIRT1实际上,该电路的VL在很少的范围内大约10MV波动,因此,可认为VLVI,故上式可以表示为F0VI/RLIRT1可见,输出脉冲频率F0与输入电压VI成正比,从而实现了电压频率变换。式中IR由内部基准电压源供给的190V参考电压和外接电阻RS决定,IR190/RS,改变RS的值,可调节电路的转换增益,T1由定时元件RT和CT决定,其关系是T111RTCT,典型值RT68K,CT001F,T175S。由F0VI/RLIRT可知,电阻RS、RL、RT和电容CT直接影响转换结果F0,因此对元件的精度要有一定的要求,可根据转换精度适当选择。电容CL对转换结果虽然没有直接的影响。但应选择漏电流小的电容器。电阻R1和电容C1组成低通滤波器,可减少输入电压中的干扰脉冲,有利于提高转换精度。（3）应用图5为由两块LM331组成的遥测电路。在人员不能进入或不易进入的场合,通过传感器将被测量转换为电压,经运算放大器放大为010V电压信号,由LM331进行V/F变换为脉冲信号,通过长双绞线传输到测量室,在测量室内通过光电耦合器转换为幅度稳定的脉冲电压,此脉冲电压再经LM331进行F/V变换为电压进行测量,从而可避免直接导线连接到测量室而造成的线路衰减或干扰,提高测量精度。当前,12位以上的A/D转换器的价格仍较昂贵,用V/F变换器来代替A/D转换器,在要求速度不太9高的场合是一种较好的选择。用LM331构成的A/D变换器采集系统接口电路如图6所示。从传感器来的毫伏级的电压信号经低温漂运算放大器INA101放大到010V后加到V/F变换器LM331的输入端,从频率输出端F0输出的频率信号加到单片机8031的输入端T1上。根据分辨率的要求利用软件限于篇幅,程序部分略处理,最后得到A/D转换的结果。系统的硬件实现参考图单片机部分的电路主要有数码管显示、晶振复位、按键、MAX232电平转换、串口通讯、AT24C02及DS1302实时时钟电路。下面分别介绍。数码管显示电路（1）此为单片机主要网络标号，其中电源略去，31脚接电源正极。10（2）数码管采用动态显示方式，其中A、BG、DP七段显示二极管并联接到P0口，低位在前，位选接到P2口的低六位。能显示电压值、系统时间。复位电路（3）复位电路采用按键电平复位，RST接到第9脚，晶振用110592MHZ。11按键电路按键接口接到P3口的INT0及INT2，P2口剩下的P26及P27，当单片机检测到这些IO口为低电平时，表示有按键按下，可转到按键处理程序进行不同功能设置。（4）电平转换及串口通讯电路电平转换及串口通讯电路MAX232实现电平转换，因单片机用的是正逻辑的TTL电平，与RS232的电平逻辑相反，必须进行电平转换。串口通信采用全双工最简系统连接，以便实时与上位机或其他智能仪器通信。12（5）I2C总线电路AT24C02提供片外存取空间，存储每天的点钟电压值，能实现掉电储存数据；DS1302为单片机提供实时时钟信号，保证系统时间的准确。第三章软件设计31系统的总体程序流程系统的总体程序流程开机后执行主程序，先通过软件初始化，输入/输出（I/O）口和ADC转换，然后设置、启动中断，其次扫描按键，若有按钮按下，LED显示查询状态，若没有按钮按下，LED显示空闲状态，最后返回中断处，进行下一次的扫描。图41所示为主程序的流程图。13主程序初始化I/O设置和ADC转换设置、启动中断有无按钮按下LED显示空闲状态LED显示查询状态YN图41主程序流程图32系统的中断程序设计（1）中断程序设计当程序检测到有中断源时，将执行中断程序，图42为中断流程图。14中断程序软件时钟启动A/D转换连续采样8次，平均值滤波串口通信返回图42中断程序AT89C51的结构有三种类型的中断软件中断、异常中断和事件中断。而本设计中采用的是事件中断。事件中断可分为两种方式快速中断请求即FIQ中断和中断请求即IRQ中断。该系统通过TIMERA溢出信号产生FIQ中断，每025S中断一次。并在中断服务子程序做相应的操作如软件时钟、A/D转换、串口通信等（2）A/D转换AT89C51内置8通道10位模数转换器，其中7个通道用于将模拟量信号（如电压信号）转换为数字量信号，可以直接通过引线（IOA06）输入；另一个通过IOA7只应用于语音输入，即通