电力参数检测装置设计

1、I辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学单片机原理及接口技术单片机原理及接口技术 课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目： 电力参数检测装置设计电力参数检测装置设计 院（系）：院（系）： 电气工程学电气工程学 专业班级：专业班级： 电气电气1111 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字）起止时间：起止时间：2014.06.16-2014.06.302014.06.16-2014.06.30本科生课程设计（论文）II课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室： 电气工程教研室学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目电力参数检

2、测装置设计课程设计（论文）任务该检测装置实时监测 380V 三相电流，并实时显示电流有效值，当电流超过 100A 时发出声光报警。设计任务：设计任务：1. CPU 最小系统设计（包括 CPU 选择，晶振电路，复位电路）2. 电流互感器选择及模拟量接口电路设计3. 电源电路及声光报警电路设计4 . 程序流程图设计及程序清单编写技术参数：技术参数：1电流上限值 100A2工作电源 220V设计要求设计要求：1、分析系统功能，尽可能降低成本，选择合适的单片机、AD 转换器、输出电路等；2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图；3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件

3、设计说明，详细阐述系统的工作过程，字数应在 4000 字以上。进度计划第 1 天 查阅收集资料第 2 天 总体设计方案的确定第 3-4 天 CPU 最小系统设计 第 5 天 电流互感器及接口电路设计 第 6 天电源电路以及声光报警电路设计第 7 天 程序流程图设计第 8 天 软件编写与调试第 9 天 设计说明书完成第 10 天 答辩指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日本科生课程设计（论文）III摘 要电流的检测在人们的生产和生活的过程中都是十分普遍的，特别是当电流量是模拟信号时，给人们的检测带来了许多的不变， 因此如何来计量它就具有重要的现实意义

4、。本文主要介绍了一种基于 89C51 单片机的电力运行参数测量装置，该装置采用单片机作为测控核心，能够自动完成电力供电线路的参数测定、运算和显示。本文详细介绍了电力参数的测量方法，并通过制图软件绘制了系统原理图完成了装置的设计和各部分功能软硬件调试，着重介绍了装置电流采样、数据采集计算、显示处理单元的功能实现过程，并总结了每个单元调试过程中发现的问题。解决了原有电力参数检测装置的功率损耗大，参数显示不精确，反应速度慢的缺点。关键词：89C51；电力参数；数据采集显示；检测装置本科生课程设计（论文）IV目 录第 1 章 绪论 .11.1 电力参数检测概况 .11.2 本文研究内容 .11.完成功

5、能： .11.3 电力参数检测装置总体设计方案 .2第 2 章 最小 CPU 系统 .32.1 数据存储器扩展 .32.2 复位电路设计 .42.3 时钟电路设计 .52.4 CPU 最小系统图 .6第 3 章 电力参数检测装置输入输出接口电路设计 .73.1 电力参数检测装置传感器的选择 .73.2 电力参数检测装置检测接口电路设计 .73.2.1 A/D 转换器选择.73.3 人机对话接口电路设计 .83.3.1 LED 显示电路.83.3.2 数码管显示电路的设计.93.4 报警电路的设计 .103.5 电流有效值计算 .10第 4 章 电力参数检测装置软件设计 .114.1 软件实现功

6、能综述 .114.2 流程图设计 .114.2.1 模拟量检测流程图设计.12第 5 章 系统设计与分析 .135.1 系统原理图 .135.2 系统原理综述 .145.3 软件调试结果 .14本科生课程设计（论文）V5.4 程序清单 .14第 6 章 课程设计总结 .19参考文献 .20本科生课程设计（论文）1第 1 章 绪论1.1 电力参数检测概况在工业生产和日常生活中，电能的质量越来越受到重视。电网电压、电流的过高或过低，都会影响到电器设备的正常使用和使用寿命。应用于电力系统的电力参数实时监测功能，在变电站一级一般都由远动装置来实现；而在日常生活中，一般只是利用电能表进行电量的计量，其原

7、理是通过将有功功率对时间的积分来计算有功电能。目前，我国主要使用的电能表有两种：一种是感应式机械电能表：另一种是随着电子工业的发展而出现的电子式电能表，它是利用电流和电压作用于固态电子器件产生电能输出量的电能计量仪表。机械式电能表由于其稳定性和精度都不高，随着电力市场改革的不断深入，我国在各级电能计量系统的建立中，大部分已将机械式电能表更新为电子式电能表。 1.2 本文研究内容1.完成功能：需要监测的三相电流经电流互感器变压变流给模数转换器 ADC0833，把模拟量转换为数字量，再把转换完的数字量供给 89C51 单片机。89C51 单片机对数字量分析处理把当前的电流有效值大小通过锁存器给 L

8、ED 显示出来。如果电流有效值大于 100A，则 89C51 单片机通过报警系统对外发出警报。2.2.设计任务设计任务: :此次所设计的电流参数检测装置严格的按照所要完成的功能、本身的实用性、器件本身的性价比，进行系统的整体方案设计。包括以下内容1. CPU 最小系统设计（包括 CPU 选择，晶振电路，复位电路）2. 电流互感器选择及模拟量接口电路设计3. 电源电路及声光报警电路设计4 . 程序流程图设计及程序清单编写 本科生课程设计（论文）21.3 电力参数检测装置总体设计方案数字电压表总体方案设计如图 1.1 所示： 图 1.1 总体方案设计图1)显示模块是显示电压。2)时钟电路是给单片机

9、提供时钟信号。3)复位电路的作用是使单片机的程序计数器清零。第 2 章 最小 CPU 系统AT89C51 是一可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压微处理器，俗称单片机。由于将多功能本科生课程设计（论文）38 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器。AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。图 1.2 89c512.1 数据存储器扩展如前所述，单片机的芯片内集成了 CPUROMRAM定时/计数器和并行 I/

10、O接口，已经具备了很强的功能，一片单片机基本上就是一台计算机。但是，单片机内部的 ROMRAM 的容量定时器I/O 接口和中断源等资源往往有限，在实际应用中通常不够用，因此需要对单片机的资源进行扩展。需要扩展的是程序存储器和数据存储器。单片机内部虽然有一定数量的存储器，但常常不能满足实际需要，因此要求从外部进行扩展。常用的外部数据存储器有静态 RAM（static Random Access Memory）和动态RAM（Dynamic Random Access Memory）两种。前者读/写速度高，一般都是 8 位宽度，易于扩展，且大多数与相同容量的 EPROM 引脚兼容，有利于印刷板电路设

11、计，使用方便；缺点是集成度低，成本高，功耗大。后者集成度高，成本低，功耗相对较低；缺点是需要增加一个刷新电路，附加另外的成本。本文采用ERROM6264 和地址锁存器 74LS373（如图 1.3 所示）本科生课程设计（论文）4图 1.3 CPU 与数据存储器的硬件原理图2.2 复位电路设计复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因此非常重要。单片机的复位都是靠外部复位电路来实现得，在时钟电路工作后，只要在单片机得 RESET 引脚上出现 24 个时钟脉冲（两个机器周期）以上的高电平，单片机就能实现复位。为了保证系统可复位，在设计复位电路时，一般使RESET 引脚保持

12、100ms 以上的高电平，单片机便可以可靠地复位。当 RESET 从高电平变为低电平以后，单片机从 0000H 地址开始执行程序。在复位有效期间，ALE 和 PSEN 引脚输出高点平。该设计采用的是按健电平复位电路，使用比较方便，在此复位电路中，干扰易串入复位端，在大多数情况下不会造成单片机的错误复位，但会引起内部某些寄存器错误复位。在 RESET 复位引脚上接一个去耦电容。在程序跑飞时，可以手动复位，按下按键后，使 RESET 端产生高电平，按键时间决定复位时间，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位。如图 1.4：A010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A10

13、21A1123A122CE120CE226WE27OE22D011D112D213D315D416D517D618D719VCC28GND146264D718D617D514D413D38D27D14D03Q719Q616Q515Q412Q39Q26Q15Q02G11OE174LS373+5V1k+5VVCCVSSRESETP1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT13P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL119P2.021P2.

14、122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE30P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039XTAL218EA31VCC40VSS2089C51XTAL2XTAL1本科生课程设计（论文）5图 1.4 按键脉冲复位2.3 时钟电路设计时钟电路用于产生单片机工作所需的时间信号。时钟信号可以有两种方式产生：内部时钟方式和外部时钟方式。89C51 单片机内部有一个高增益反向放大器（及与非门的一个输入端编程为常有效时） ，用于构成片内振荡器，引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是此放大器的输入端和输

15、出端。在 XTAL1 和 XTAL2 两端跨接晶体或陶瓷谐振器，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发生器，如图 2.5 所示。外接晶振时，C1 和 C2 值通常选择为 30pF 左右；外接陶瓷谐振器时，C1 和C2 可稳定频率并对振荡频率有微调作用，振荡频率范围是 0 到 24MHz。为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定可靠的工作，谐振器和电容应尽可能安装的与单片机芯片可靠。内部时钟发生器实质上是一个二分频的触发器，其输出是单片机工作所需的时钟信号。RRCVCCSVssRST单单单本科生课程设计（论文）62.4 CPU 最小系统图CPU 最小系统见图 1.6：A010A1

16、9A28A37A46A55A64A73A825A924A1021A1123A122CE120CE226WE27OE22D011D112D213D315D416D517D618D719VCC28GND146264D718D617D514D413D38D27D14D03Q719Q616Q515Q412Q39Q26Q15Q02G11OE174LS373+5V1k+5VC322C422Y1CRYSTALC222C122R11kR21kS1SW-PBVCCVCCVCCVSSVSSRESETRESETP1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0/RXD1

17、0P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT13P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL119P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE30P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039XTAL218EA31VCC40VSS2089C51XTAL2XTAL2XTAL1XTAL1本科生课程设计（论文）7第 3 章 电力参数检测装置输入输出接口电路设计3.1 电力参数检测装置传感器的选择由于检测装置实时监测 380V 三相

18、电流，所以要接入电流互感器。电流互感器的作用为了保证电力系统安全经济运行，必须对电力设备的运行情况进行监视和测量。但一般的测量和保护装置不能直接接入一次高压设备，而需要将一次系统的大电流按比例变换成小电流，供给测量仪表和保护装置使用。在测量交变电流的大电流时，为便于二次仪表测量需要转换为比较统一的电流（我国规定电流互感器的二次额定为 5A 或 1A），另外线路上的电压都比较高如直接测量是非常危险的。电流互感器就起到变流和电气隔离作用。 它是电力系统中测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一次回路电流信息的传感器，电流互感器将高电流按比例转换成低电流，电流互感器一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表

19、、继电保护等。3.2 电力参数检测装置检测接口电路设计3.2.1 A/D 转换器选择现实世界的物理量都是模拟量，能把模拟量转化成数字量的器件称为模/数转换器（A/D 转换器） ，A/D 转换器是单片机数据采集系统的关键接口电路，按照各种 A/D 芯片的转化原理可分为逐次逼近型，双重积分型等等。双积分式 A/D 转换器具有抗干扰能力强、转换精度高、价格便宜等优点。与双积分相比，逐次逼近式 A/D 转换的转换速度更快，而且精度更高，比如 ADC0809、ADC0832 等，它们通常具有 8 路模拟选通开关及地址译码、锁存电路等，它们可以与单片机系统连接，将数字量送到单片机进行分析和显示。一个 n

20、位的逐次逼近型 A/D 转换器只需要比较 n 次，转换时间只取决于位数和时钟周期，逐次逼近型 A/D 转换器转换速度快，因而在实际中广泛使用。ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种 8 位分辨率、双通道 A/D 转换芯片。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。本设计采用精密采样电阻（9 欧、0.9 欧、0.09 欧、0.01 欧） ，电阻精度可达 0.1%可忽略；八位 A/D 精度为 5/256（V）;对于 100A 的总量程精度可达本科生课程设计（论文）80.1%，因而方案可达设计要求。ADC0832 具有以下特点： 8 位分辨率；

21、双通道 A/D 转换； 输入输出电平与 TTL/CMOS 相兼容； 5V 电源供电时输入电压在 05V 之间； 工作频率为 250KHZ，转换时间为 32S； 一般功耗仅为 15mW； 8P、14PDIP（双列直插） 、PICC 多种封装； 商用级芯片温宽为 0C to +70C，工业级芯片温宽为- 40C to +85C；芯片接口说明:CS_ 片选使能，低电平芯片使能； CH0 模拟输入通道 0，或作为 IN+/-使用； CH1 模拟输入通道 1，或作为 IN+/-使用； GND 芯片参考 0 电位（地） ；DI 数据信号输入，选择通道控制； DO 数据信号输出，转换数据输出； CLK 芯片

22、时钟输入；Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）3.3 人机对话接口电路设计3.3.1 LED 显示电路本科生课程设计（论文）9图 2.3LED 显示电路本文通过 3 块 LED 显示屏，将 AD 转换电路得到值显示出来，即为当前电流的大小3.3.2 数码管显示电路的设计数码管显示电路由段驱动电路和位驱动电路组成。由于单片机的并行口不能驱动数码管显示器，必须采用专门的驱动电路芯片，使之产生足够大的电流，显示器才能正常工作。如果驱动电路能力差，即负载能力不够，显示器亮度就低，而且驱动电路长期在超负荷下运行容易损坏。本系统采用并行驱动动态显示。采用单片机P2口的低3位作为数码管的位码输出信

23、号，P0口作为段码输出信号。该驱动电路如图2.3所示，P0口作为段码输出信号需外接上拉电阻。由图2.4可以看到，原理图中用3个三极管作为数码管的位驱动。图 2.4 数码显示电路图+5VVCCVSSRESETP1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT13P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL119P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE30P0.732P0.6

24、33P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039XTAL218EA31VCC40VSS2089C51XTAL2XTAL1abfcgdeDPY76421910abcdefg5dpdp38DS?DPY_7-SEG_DPabfcgdeDPY76421910abcdefg5dpdp38DS?DPY_7-SEG_DPabfcgdeDPY76421910abcdefg5dpdp38VSS9VCC18D12D23D34D45D56D67D78D01Q111Q212Q313Q414Q515Q616Q717Q010U?DPY_7-SEG_DPQ?PNPQ?PNPQ?PNPVCCR?1

25、kR?1kR?1kR?2kR?2kR?2kR?2kR?2kR?2kR?2kVCC本科生课程设计（论文）103.4 报警电路的设计当电流达到或超过上限是就会报警，报警电路与单片机的P2.3口相连当单片机输出一个低电平时，蜂鸣器就会发出报警信号，说明电流已经超过规定的上限值，外部输出设备应该启动进行相应的措施。只用在人按下复位按钮或电路在允许的范围内报警电路就不会触动。 图 2.5 报警电路图3.5 电流有效值计算电力参数的准确、快速测量对于实现电网调度自动化、保证电网安全与经济运行具有十分重要的意义。电网频率并不是固定不变的，而是在 50Hz 附近波动。传统的直流采样算法不能及时反映被测量的突变

26、，精度与稳定度受变送器的影响很大，己逐渐不能满足系统的需要。随着人们对测量精度、性能的要求越来越高，在目前应用于电力系统的各种测量控制仪表中，交流采样就越来越受人们的青睐。交流采样是按照一定的规律对被测物理量的瞬时值进行采样，用一定的算法计算出被测物理量的有效值。目前国内外已经提出和实现了许多交流采样的算法。由于采用的具体原理不同，在硬件软件的配置上也不一样，以致系统的精度和造价也不一样。在应用中应根据实际情况选择最适宜的交流采样算法。R?RES2Q?PNPLS?SPEAKERVCC本科生课程设计（论文）11第 4 章 电力参数检测装置软件设计4.1 软件实现功能综述本实验要实现的是对 380

27、V 三相电流实时监测装置。由 89C51 单片机和其他一些器件组成的控制系统，要实现的软件功能是将线路中的电流信息通过电流检测模块传送给 89C51 单片机，途中利用 A/D 转换器将模拟信号转换为数字信号，让单片机识别，并显示。然后对电流进行判断，通过显示模块显示电流的有效值，如果电流有效值大于设定的允许值，则对外报警。4.2 流程图设计主程序流程图设计电流信号通过电流检测模块传送给89C51单片机，途中利用A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，让单片机识别，并处理，然后电流大小进行判断，超过允许值进行报警。图3.1主程序流程图本科生课程设计（论文）124.2.1 模拟量检测流程图设计每次对

28、 ADC0832 操作时要按造 ADC0832 工作过程中的协议进行。初始化- ROM操作命令- 存储器操作命令- 处理数据 程序流程图如图4.2图3.2模拟量检测流程图本科生课程设计（论文）13第 5 章 系统设计与分析5.1 系统原理图图 4.1 系统原理电路图A010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A1021A1123A122CE120CE226WE27OE22D011D112D213D315D416D517D618D719VCC28GND146264D718D617D514D413D38D27D14D03Q719Q616Q515Q412Q39Q26Q15Q02

29、G11OE174LS373+5VR71k+5VC322C422Y1CRYSTALC222C122R11kR21kS1SW-PBVCCVCCVCCVSSVSSRESETRESETP1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT13P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL119P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE30P0.732P0.633P0.534P0.435P

30、0.336P0.237P0.138P0.039XTAL218EA31VCC40VSS2089C51XTAL2XTAL2XTAL1XTAL1CH-02DI5CH-13DO6CS1CLK7VCC8GND4U1ADC0833VCC1234D1BRIDGE1T1TRANS1R41kR643kR543kC52.2V1380VabfcgdeDPY76421910abcdefg5dpdp38DS1DPY_7-SEG_DPabfcgdeDPY76421910abcdefg5dpdp38DS2DPY_7-SEG_DPabfcgdeDPY76421910abcdefg5dpdp38VSS9VCC18D12D23D

31、34D45D56D67D78D01Q111Q212Q313Q414Q515Q616Q717Q010U2DPY_7-SEG_DPQ2PNPQ4PNPQ3PNPVCCR31kR81kR91kR112kR122kR132kR142kR152kR162kR172kVCCR10RES2Q1PNPLS1SPEAKERVCCP0P1P2P3P4P5P6P7P0P1P2P3P4P5P6P7I0I1I2I0I1I2I3I3本科生课程设计（论文）14 5.2 系统原理综述需要监测的三相电流经电流互感器变压变流给模数转换器 ADC0833，把模拟量转换为数字量，再把转换完的数字量供给 89C51 单片机。89C51

32、 单片机对数字量分析处理把当前的电流有效值大小通过锁存器给 LED 显示出来。如果电流有效值大于 100A，则 89C51 单片机通过报警系统对外发出警报。5.3 软件调试结果分别调试各子模块：按键扫描及处理模块，显示模块，电流采样控制模块，当各子模块调试正常后再将各子模块及主模块全部汇编连接成目标文件，再将目标代码下载到单片机中进行统一调试 。各单元均调通后，进行整机调试，其过程如下：将调试好的模块连接在一起，加 380V 交流电在变压器两端，用单片机进行调试，对每一模块的功能进行检测。调试成功则证明整个系统能够正常工作。5.4 程序清单程序编译DIS：MOV A，R2 ；ADD A，R3

33、DA AADD A，R4DA AMOV R4，A ；把相加结果存放R4中MOV 21H，#00H ；置循环显示初值HDISP：MOV A，R4ANL A，#0F0HORL A，#07H ；选通高位数码管MOV P2，A ；送显高位ACALL DELAD2 ；延时MOV A，R4ANL A，#0FH本科生课程设计（论文）15SWAP AORL A，#0BH ；选通低位数码管MOV P2，A ；送显低位ACALL DELAD2 ；延时INC 21HMOV A，#0FHXRL A，21HJZ B1 ；循环显示完否SJMP HDISP ；未完继续B1：RET ；显示完返回ORG 0000HSTART：

34、MOV P1，#0F0H ；关闭两片89C51MOV R3，#0D0H ；对第一片89C51送控制字MOV 20H，#02HM1：MOV A，R3ACALL READ ；调用读数子程序JZ N1ACALL M2 ；调用核对子程序N1：MOV A，R1INC AMOV R1，AACALL READJZ N2ACALL M2N2：MOV A，R1INC AMOV R1，AACALL READJZ N3ACALL M2N3：MOV A，R1INC AMOV R1，AACALL READ本科生课程设计（论文）16JZ N4ACALL M2N4：MOV R3，#0B0H ；第二片89C51送控制字MOV

35、 A，02HDEC AJNZ M1SJMP START ；巡回检测READ：MOV P1，A ；送控制字CLR P1.4ORL P1，#0FHMOV A，P1 ；读数据SETB P1.4ANL A，#0FHRET ；子程序返回M2：MOV R0，ALCALL DELAD1MOV A，R1XRL A，R0 ；核对比较JNZ M22 ACALL TLTC ；调用查找报警点子程序M22：RETTLTC：MOV A，R1 ；查找报警点位于哪个口ANL A，#0FHMOV R7，AMOV R2，#00HL1：MOV A，R7JNZ L2MOV R2，#04HL2：MOV A，R7JNZ L3MOV R2，#08HL3：MOV A，R7XRL A，#03HMOV R2，#12H本科生课程设计（论文）17LL3：MOV A，R1 ；查找报警点在哪片89C51ANL A，#0F0HRLC AJC L4MOV R3，#16HL4：RLC AJC L5MOV R3，#00HL5：MOV A，R0 ；查找是哪个点报警RRC AMOV R0，AJNC L6MOV R4，#01HLCALL DISL6：MOV A，R0RRC AMOV R0，AJNC L7MOV R4，#02HLCALL DISL7：MOV A，R0RRC A MOV R0，AJNC L8MOV R4，#03HLCALL DI