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数字继电器的设计制作,设计
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无锡职业技术学院毕业设计（论文）说明书第0页共29页数字式继电器的设计制作目录第一章绪论311数字式继电器课题的发展背景及意义312数字式继电器发展状况和国内外研究现状313本课题研究的内容414数字继电器在电路中的作用4第2章总体方案设计与论证421方案一基于AT89C51的设计方案422方案二基于AT89C2051的设计方案423方案的选择5第三章电脑计数定长转速仪电路设计和论证631最小电路设计和论证632信号发生源电路设计和论证833信号输入电路的设计和论证934存储电路的设计和论证1035显示与按键电路的设计和论证1336数码管显示电路的设计和论证1637控制电路的设计与论证18第四章软件设计2241程序流程2242系统子程序流程图22第五章PROTELDXP软件功能与KEIL软件功能简介2651PROTELDXP软件功能简介2652PROTELDXP原理图的设计2653KEIL软件功能简介26第六章软硬件系统的调试2761硬件系统结构总框图2762硬件调试过程2763软硬件调试过程28第七章毕业论文小结28参考文献29无锡职业技术学院毕业设计（论文）说明书第1页共29页附录30无锡职业技术学院毕业设计（论文）说明书第2页共29页第一章绪论11数字式继电器课题的发展背景及意义近些年来，随着计算机技术应用的普及，使得继电器的需求不断增加，带微处理器的继电器得到了迅速发展。时间继电器就是一种利用电磁原理和机械动作原理实现触点延时闭合或者延时断开的自动控制电器。现有的时间继电器种类有电动机式、电子式、电磁式及其空气阻尼式等，而数字式继电器也是时间是电器的一种。数字继电器当加上或除去输入信号时，输出部分需延时或限时到规定的时间才闭合或断开其被控线路。数字式时间继电器从延时的范围来看,数字式继电器可由几毫秒到几十个小时且可以连续调节。数字模拟和模拟量是两种表示信息处理体系的名称，模拟量一般是用来交流或用来直流表现的连续量,而数字量是不连续量。从信息处理的方面看,数字量比模拟量要好得多。使用数字量来处理信息，可以把信息无误差的进行数字转换,并且在运算过程中也能实现没有误差,那些由于元件老化等因素产生的误差也不会逐年变化，因此数字式继电器有着广泛的应用前景。数字式继电器在测量仪器或控制元件在工业生产中有着广泛的应用，例如纺织行业中用来测量纺织布匹的长度；在造纸行业中用纸浆压轴测纸的长度；切割硬纸板测量切割长度；在机电自动化控制中更加使用频繁，对于机械的行程，高低测量控制则要求非常精确。如交通管理中的三辊闸门就用到数字技术及继电器控制方式。12数字式继电器发展状况和国内外研究现状在自动控制系统中，数字式继电器是一种常用的一种控制电气设备，由于其延时范围长、延时精确度高，能缩短过流保护的级差，减少维护量，从而保护主系统及主设备的安全稳定运行，在工业生产中有着广泛的应用。国内的继电器起步比较晚，但近几年随着我国电子技术的不断发展与继电器芯片的大力研发和应用,继电器无论在外观还是产品性能上都有了很大的完善，从功能具体使用上，国内的有些产品可以与国外产品处于同一水平。无锡职业技术学院毕业设计（论文）说明书第3页共29页13本课题研究的内容本次的设计是在基于51系列单片机进行的设计，通过单片机来控制继电器，让电路达到以弱控强。这次的设计是一个能够将计数、延时功能合二为一的数字式继电器系统，它可以让定长数能够在四位数范围内随意设定。在定长的控制下，计数器能累计计数，并且对输入信号自动计时,通过数码管显示从定长启动到定长到达所需要的时间。14数字继电器在电路中的作用我们可以通过改进设备的性能、加强运行维护、提高检修的，质量等措施尽可能的减少设备故障发生的次数，但设备的故障是难以避免的。在电路中经常使用继电保护装置的措施来避免、减少事故的发生所以避免事故发生。继电保护装置会保护电路，迅速并有选择性的切除故障，避免故障发展成事故或减小事故发生的范围。继电保护的装置在必须具备速度性、灵敏性、选择性、可靠性。在电力系统继电保护中，都要满足以上四个基本要求，但是在一套继电保护装置中，以上四种性能之间常常存在着矛盾，很难同时满足，从电力系统的实际情况来看，只有协调好各性能之间的协同运作，才能保证电力系统安全运行。第2章总体方案设计与论证21方案一基于AT89C2051的设计方案AT89C2051单片机是低电压、性能比较好的CMOS8位单片机，它可以和MCS51指令系统实现完全兼容。因为只有20个引脚，在一些不太复杂的控制电子电路系统中，只要用一个AT89C2051就可以了。AT89C2051单片机可为用户提供许多实用简便的功能应用。22方案二基于AT89C51的设计方案若使用AT89C51单片机作为控制器件，在功能上，AT89C51的功能与AT89C2051基本相同，也能与MCS51实现兼容。AT89C51有40个引脚，分两排每排20个引脚。无锡职业技术学院毕业设计（论文）说明书第4页共29页23方案的选择AT89C2051单片机与AT89C51单片机在功能上大体相同，但从引脚的个数上看，AT89C2051的IO线更少，它的结构也显得更为简单，体积也比AT89C51小很多，再加上价格低廉，是一种经济实用的选择，同时也能满足本课题的要求。因此，本次设计选择的是AT89C2051单片机，即选择方案一。如图21整体方案设计图所示图21系统整体方案图无锡职业技术学院毕业设计（论文）说明书第5页共29页第三章电脑计数定长转速仪电路设计和论证31最小电路设计和论证311AT89C2051的简介AT89C2051单片机是一个低电压、高性能的CMOS8位单片机，与MCS51指令系统完全兼容。片内2KB的FLASH程序存储器可反复擦写，包含了一个模拟比较放大器，它可以通过软件设置成系统睡眠、省电状态，然后通过RAM、定时/计数器、串行口和外中断方式将其唤醒，系统唤醒后即可进入继续工作状态。AT89C2051的特点（1）内部含有FLASH存储器，能有效地保存一些数据信息。（2）和80C51插座兼容。因此，89C2051单片机可以取代80C51。（3）静态时钟方式。AT89C2051单片机采用静态时钟方式，可以节省电能。AT89C2051的外形图如图31所示图31单片机AT89C2051的外形图312AT89C2051引脚说明AT89C2051引脚图如图32所示图32AT89C2051引脚图无锡职业技术学院毕业设计（论文）说明书第6页共29页AT89C2051单片机引脚功能1P10P17简称为P1口；P1口是准双向口，只能作为通用I/O端口使用。P1口作为输出口使用时，无须再外接上拉电阻。P1口作为输入口使用时，有读引脚和读端口之分。读引脚时，必须先向电路中的锁存器写入“1”，使输出电路的场效应管截止。2P30P37简称为P3口P3口内部的上拉电阻与P1口的相同，不同的是P3口既可以作为通用I/O端口，还可以作为第二功能口。P3口是准双向口，可以作为通用I/O端口使用，也可以当第二功能端口使用。作为第二功能使用的端口使用时，不能同时作通用I/O端口使用，但其他未被使用的端口可作为通用I/O端口使用。当P3口作为通用I/O的输出口使用时，不用外接上拉电阻。3）XTALL1和XTAL2即外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，两引脚用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于连接外部时钟脉冲信号。4）RST即复位信号，当输入复位信号延续两个机器周期以上的高电平时才有效，用以完成单片即复位初始化操作。其中，在单片机最小系统电路中，复位信号RST一定要连接复位电路。313晶振电路晶振是电路中常用到的时钟元件,是组成单片机最小系统电路的重要元器件。在单片机系统中，晶振有很大的作用。它为系统提供时钟信号，结合单片机内部的电路，产生单片机工作所需的时钟频率。时钟频率越高，单片机运行的速度越快。晶振电路图如图33所示无锡职业技术学院毕业设计（论文）说明书第7页共29页图33晶振电路32信号发生源电路设计和论证321TLP5211的特点和结构TLP5211的结构图和外观图如图341和342所示图341TLP5211结构图图342TLP521的外观图322工作原理TLP5211连接在电源器件与负载之间，传输电路之间的信号，加强了电路的安全性。当内部的发光二极管导通时，三极管也会导通，信号继续传送。无锡职业技术学院毕业设计（论文）说明书第8页共29页33信号输入电路的设计和论证331LM393的特点和结构LM393内部是一个双电压比较器集成电路。它是一种低功耗、低失调电压、双比较器。它的输出部分是集电极开路，并且输出时得加上上拉电。LM393电路连接图如图35所示图35LM393电路连接图332工作原理LM393正极电压大于负极电压时，有电流输出，“1”连接的是AT89C2051单片机的外部中断1请求P33端口；当正极电压小于负极电压时，就会有高电压低电压的一个转换，形成一个下降沿，就会发生外部中断1请求。34存储电路的设计和论证34124C01的特点和结构24C01的内部含有8KBFLASH的存储器、128B（RAM）数据存储器，是两线式串行接口，双向数据传送协议，兼容100、400KHZ，8个引脚分成两列无锡职业技术学院毕业设计（论文）说明书第9页共29页直插，但它是只读不写的存储器，广泛应用于低电压、低能耗的环境中。24C01结构图如图36所示图3624C01结构图AT24C01存储器的特点如下1可以适应标准电压和低电压操作AT24C01能够使用的工作电压如下50VVCC4555V27VVCC2755V25VVCC2555V18VVCC1855V2数据传输速率可变，当工作电压为5V时，传输速率是400KHZ；工作电压为27V，25V，18V时，传输速率是100KHZ。3分页式存储方式，每页的大小为8字节，根据内存容量的不同，支持不同大小的页面写入方式。4自计时写周期小于10MS。5高可靠性可进行100万次读/写操作，资料保存时间长于100年。AT24C01存储器读写代码VOIDIICWR_BYTEUCHARDATUCHARISCL0/SCL为低电平才能对数据改变；FORI0IDEFINELEDP0/定义P0口为LEDDEFINESCANP2/定义P2口为SCANUNSIGNEDCHART_CNT,D0,E0,F0,G0,H0,K0,FLAG0,MOS0,SHEZ1,I0,J0/定义变量TYPEDEFUNSIGNEDCHARBYTE无锡职业技术学院毕业设计（论文）说明书第15页共29页BYTEDATAINT00,6,0,0/总时间初值BYTEDATAINT10,7,0,3/开始时间设置初值BYTEDATAINT20,8,0,9/关闭时间设置CHARTAB0XC0,0XF9,0XA4,0XB0,0X99,0X92,0X83,0XF8,0X80/数码管代码VOIDSHUZHI（VOID）/计算时分秒VOIDMOSHIVOID/模式的变法VOIDANJIANVOID/按键判断选择IFK10DELAY_MS5IFK10MOSSHEZ1WHILEK10/按键K1扫描IFK20DELAY_MS5IFK20SHEZIFSHEZ3SHEZ1WHILEK20/按键K2扫描36数码管显示电路的设计和论证361LED数码管的特点和结构单片机系统中用LED数码管显示单片机系统的工作状态和运算结果，还有其他的信息。LED数码管由8个发光二极管组成，这些二极管称之为“段”，通过不同的发光字段组合，可以显示出09、字符AF、H、L、P、R、U、Y、符号“”及小数点“”等。无锡职业技术学院毕业设计（论文）说明书第16页共29页362工作原理LED数码管动态显示动态显示是按位轮流点亮各位数码管，在某一时段，只让其中一位数码管的“位选端”有效，并送出相应的字型显示编码。此时其他位的数码管因“位选端”无效而处于熄灭状态，在下一时段，再按顺序选通另外一位数码管，送出相应的字型显示编码。按此循环下去即可使各位数码管分别、间断地显示出相应的字符。这一过程被称为动态扫描显示。6位数码管动态显示“012345”的程序如下INCLUDE/函数名DELAY10MS/形式参数无/返回值无VOIDDELAY10MSTH10XD8/设置定时器的初值TL10XF0TR11/启动定时器1WHILETF1TF10MAIN/主函数UNSIGNEDCHARLED0XC0,0XF9,0XA4,0XB0,0X99,0X92；/设置数字05字型码UNSIGNEDCHARI,WTMOD0X10WHILE1无锡职业技术学院毕业设计（论文）说明书第17页共29页W0X01FORI0I59J0/从零开始INT03/分钟个位就加一IFINT039INT30/从零开始INT02/分钟十位就加一IFINT025/如果分钟十位大于5就执行下面INT020/从零开始INT01时钟个位就加一IFINT019如果时钟个位大于9就执行下面INT010/从零开始INT00/时钟十位就加一IFINT002INT010/从零开始VOIDMOSHIVOID/模式选择SWITCHMOSCASE0SCAN0X01FORI0ITIME_CNT/判断是否有20次T_CNT0/清零J/自加FLAGFLAG/取反无锡职业技术学院毕业设计（论文）说明书第25页共29页TR01第五章PROTELDXP软件功能与KEIL软件功能简介51PROTELDXP软件简介PROTELDXP是目前使用最多的32位的电子设计系统，使用起来也非常方便和简单。软件主要分为四部分（1）原理图设计系统设计原理图，做电路仿真，也可以设计电路装配图。（2）印制电路板设计系统设计印刷电路板，这个印刷电路板与原理图密切相关，可以通过设计好的电路原理图直接生成。（3）FPGA设计系统对于原理图和电路板设计系统来说，是一个相对比较独立的系统，用来设计数字电路。（4）VHDL设计系统VHDL可直接进行编写文件，使其完成不同的逻辑功能，也可通过绘制原理图，然后编译成VHDL文件，进行仿真分析。此外PROTELDXP2004还可进行模拟/数字混合信号仿真、布局前/后信号完整性地分析以及计算机的辅助输出等，具有强大的电路原理图绘制功能。52PROTELDXP原理图的设计原理图设计1）原理图设计环境设置绘制原理图之前要先对设计环境进行设置，以使设计环境适合自己的设计习惯及设计要求。2）放置元件从元件库中选择所需元件，放置在图纸上，可以根据要求修改元件属性。3）原理图布线无锡职业技术学院毕业设计（论文）说明书第26页共29页利用工具栏中的工具连接各元件的引脚，主要的连接方法包括导线和总线。53KEIL软件简介KEILC51软件是一款适用于C语言的软件开发系统，KEILC51软件里有丰富的库函数，可以自动识别用汇编语言或者C语言编写的程序的语法错误；编译效率极高，仿真功能也很好。同时由于KEILC51的安装过程也简单，根据系统的软件安装提示就可以完成，对系统的要求比较低，一般的WINDOWS系统就可以安装。第六章软硬件系统的调试61硬件系统结构总框图硬件系统结构总框图如图61所示图61硬件系统结构总框图62硬件调试过程首先对电路中的主要线路进行测量，包括电源线，芯片，排线。然后，接上5V电源对电路中的功能进行检测。接通电源后，首先观察LED灯是否都亮，如果不亮，要分别每个LED灯是否虚焊了，如果灯亮，但是不按照所编的程序亮，这是要检查程序是否已经成功录入芯片，或者是否是程序出现错误，再或者是有些元器件管脚多了焊接时出现短路。无锡职业技术学院毕业设计（论文）说明书第27页共29页63软硬件调试过程分为两个步骤（1）程序下载部分安装完STCISP后，其下载步骤简略如下先给单片机芯片供电，通过串口线将电脑与单片机系统连接，然后打开此软件设置好相应的COM口，选择AT89C2051然后打开KEIL软件中生成的HEX文件，直接点击DOWNLOAD下载，程序向单片机中下载，可以能清楚的看到。注意如果程序有错误的话，会出现相应的提示信息，电源提供5V电压，开关关闭后系统断电。没有差错的情况下，点击下载，并下载到单片机中。（2）KEIL的调试部分如果程序编写的正确，能够正确进行，就不用调试了，往往是发生错误，才用到调试程序的，程序的调试可以分为两种模拟单片机执行指令的软件模拟调试，还有一种是硬件调试，需要配合计算机软件，需要将编好的程序配合计算机软件传输到仿真器中。第7章毕业论文小结这次的毕业设计是以数字式继电器的背景及意义为开端，通过本课题研究的内容及其制作等，更详细的了解数字式继电器的一些情况和特点，设计分成七大模块即数字式继电器的介绍、总体方案设计与论证、对组成数字式继电器系统电子器件的介绍、系统的软件设计、PROTELDXP软件功能与KEIL软件功能简介、软硬件系统的调试、毕业论文小结。这次毕业设计，通过理论联系实际的过程，自己参观了外资企业汉达公司的做线路板的生产线，全部使用贴片机自动化焊接；参观了造纸厂中大纸筒切割成A4纸；参观了生产瓦伦纸的生产线，用编码器测量纸板长度。在图书馆查找资料时，我们必须要明确哪些知识是与我们课题有关的，哪些是我们所需要的
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