教学楼电力控制系统设计毕业设计 精品.docx
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教学楼电力控制系统设计
摘要……………………………………………………………………………1
关键词…………………………………………………………………………1
1前言……………………………………………………………………………2
1.1设计意义……………………………………………………………………………2
1.2使用现状……………………………………………………………………………2
1.3单片机特点…………………………………………………………………………3
2电力监控保护的设计…………………………………………………………………4
2.1电力线路保护系统构成相关硬件…………………………………………………4
2.2电力线路监控保护系数采样及A/D转换电路……………………………………4
2.2.1max471芯片介绍…………………………………………………………………5
2.2.2max引脚功能……………………………………………………………………6
2.2.3max471工作原理…………………………………………………………………6
2.2.4max197芯片初步了解……………………………………………………………7
2.2.5max197芯片简介…………………………………………………………………7
2.2.6特性和引脚功能及控制字简介…………………………………………………7
2.3电力线路监控保护数据显示电路………………………………………………11
2.3.1max7219芯片简介………………………………………………………………11
2.3.2电力线路保护系统显示电路设计……………………………………………17
2.4电力线路保护键盘电路设计……………………………………………………17
2.4.1电路设计………………………………………………………………………17
2.4.2功能介绍………………………………………………………………………17
2.5电力线路保护系统开关量输出控制电路设计…………………………………19
2.5.1开关量输入控制电路…………………………………………………………19
2.5.2功能介绍………………………………………………………………………20
2.6电力线路保护单片机电源设计…………………………………………………21
3电力线路保护系统软件设计………………………………………………………22
3.1单片机C51语言的简介……………………………………………………22
3.2电力线路保护系统单片机软件总体设计………………………………………23
3.3T0中断服务程序设计……………………………………………………………24
3.3.1T0中断服务程序设计原理……………………………………………………24
3.3.2T0服务程序C语言代码……………………………………………………25
3.4INT1中断服务程序设计…………………………………………………………31
3.4.1INT中断服务程序设计原理……………………………………………………31
3.4.2INT中断服务程序设计C语言代码……………………………………………31
3.5MAIN主程序设计…………………………………………………………………36
3.5.1MAIN主程序设计原理…………………………………………………………36
3.5.2MAIN主程序C语言代码………………………………………………………37
3.6串行接受及发送程序设计………………………………………………………46
3.6.1串行接受及发送程序设计原理………………………………………………46
3.6.2串行接收及发送程序C语言代码……………………………………………47
4结果分析……………………………………………………………………………49
5结论与总结…………………………………………………………………………49
参考文献……………………………………………………………………………50
致谢……………………………………………………………………………………50
教学楼电力系统监控系统
摘要：
本文介绍了用单片机实现电力线路监控保护系统中单片机部分连接电路及程序设计。
基于AT89C51单片机，参看各芯片厂商的技术手册，详细介绍了各个功能模块的硬件电路。
硬件部分由信号采集处理，线路状态输入、控制，工作电流显示，按键处理，电源处理等环节组成。
根据两采样积值算法要求，软件部分用定时中断对电流数据采集。
程序包初始化，按键处理，数据采集，信号控制，数据显示等部分组成，还设计了串行通信接口程序，方便与上位机交换数据，以此来实现教学楼的的电力监控保护。
关键词：
电力线路保护；单片机；电流速断保护
THEBUILDINGPOWERSYSTEMMONITORING
Abstract：
PowerlineprotectionwithmicrocomputerareintroducedinthisconnectionpartsofMCUsystemcircuitandprogramdesign，BasedonAT89C51。
Seethechipvendor'stechnicalmanual,detailedintroducesthehardwarecircuitofeachfunctionmodule。
Hardwarepartconsistsofsignalacquisitionprocessing,circuitstateinput,control,workingcurrent,accordingtothekeyprocessing,powerhandlingofsuchlinks.Accordingtothetwosamplingvaluealgorithmsrequire,softwarepartusetimerinterruptthecurrentdataacquisition.Packageinitialization,keyprocessing,dataacquisition,signalcontrol,datadisplayandotherparts,designedtheserialcommunicationinterfaceprogram,easytoexchangedatawithPC.
Keywords：
Lineprotection；singlechip;currentquickbreakprotection
1前言
1.1设计意义
电力是现代工业生产、民用住宅及企事业单位的主要能源和动力同时呢也是现代文明的物质基础。
没有电力，就没有我国国民经济的现代化。
众所周知现代化社会的信息化和网络化都是建立在电气化的基础之上的。
另外，随着国家对教育事业的关注和加大投入，各地教学楼的建设也随之增加，相应的对学校的基础设施建设特别是电力设施将提出更大的挑战。
因此做好供配电工作对于保证正常学习、工作、生活将有特别重要的意义。
单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
单片机由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。
概括的讲：
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
它最早是被用在工业控制领域。
由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由仅有CPU的专用处理器芯片发展而来[1]，单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。
事实上单片机是世界上数量最多的计算机。
现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。
手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。
而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。
汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！
单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的综合，甚至比人类的数量还要多。
因此单片机地研究前景比较广阔通过这次毕业设计复习和巩固书本上所学到的知识，加强理论与实际相结合的能力，在完成设计的过程中锻炼搜索和遴选有用资料的能力，并通过逐步的完善设计内容提升自己发现问题、解决问题和所学知识的综合应用能力，为今后的工作打好基础。
单片机控制电力线路保护由于具有功能强，维护调试方便等一系列优点，易于管理所以非常受到大众的欢迎，教学楼经常出现无人值守的情况，所以，借重与单片机的应用于管理提高了效率，节约了时间，值得广泛应用。
1.2使用现状
单片机由仅有CPU的专用处理器芯片发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
INTEL的8080是最早按照这种思想设计出的处理器，当时的单片机都是8位或4位的[2]。
其中最成功的是INTEL的8031，此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。
因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。
尽管2000年以后ARM已经发展出了32位的主频超过300M的高端单片机，直到现在基于8031的单片机还在广泛的使用。
在很多方面单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了广泛的应用。
事实上单片机是世界上数量最多处理器，随着单片机家族的发展壮大，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
现代人类生活中所用的几乎每件有电子器件的产品中都会集成有单片机。
手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电子产品中都含有单片机。
在70年代中后期，出现了比较完善的单片机样机，并投入到电力系统中试运行[3]。
80年代，单片机保护在硬件结构和软件技术方面日渐成熟。
90年代，电力系统在继电保护技术发展到了单片机保护时代，它是继电保护技术发展的第四代。
随着单片机保护装置的研究，在单片机保护软件，算法方面也取得了很多理论成果，在实际中用用很广泛。
1.3单片机的特点
目前单片机的结构特征是将组成计算机的基本部件集成在一块晶体芯片上，构成一台功能独特的、完整的单片微型计算机，他的组成情况如下：
1）中央处理器单片机中中央处理器CPU和通用微处理器基本相同，由运算器以及控制器组成，另外增设了“面向控制”处理功能，如位处理、查表、多种跳转、乘除法运算、状态检测、中断处理等，增强实时性。
2）存储器单片机的存储空间有两种基本的结构。
一种是普林斯顿结构（Princeton），将程序和数据合用一个存储器空间即ROM和RAM的地址同在一个空间里分配不同的地址。
CPU访问存储器时，一个地址对应惟一一个存储单元，可以是ROM，也可以是RAM，用同类的访问指令。
另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，称是哈佛（Harvard）结构。
CPU用不同的指令访问不同的存储器空间。
由于单片机实际应用中“面向控制”的特点，一般需要较大的程序存储器。
目前，包括MCS-51和80C51系列的单片机均采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构。
3）并行I/O口单片机突出控制的功能，提供了数量多的功能强的使用灵活的并行I/O口。
使用上不仅可灵活地选择输入输出，还可作为系统总线以及控制信号线，从而为扩展外部存储器和I/O接口提供方便。
4）串行I/O口高速的八位单片机都可提供全双工串行I/O口，因而能和某些终端设备进行串行通信，或者和一些特殊功能的器件相互连接。
5）定时器/计数器在实际的应用时候，单片机往往需要精确地定时，或者需对外部事件进行计数，因此在单片机内部设置了定时器/计数器电路，通过中断，实现定时/计数的自动处理。
单片机的优点：
1）有优异的性能价格比
2）集成程度高，体积小，可靠性好。
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
3）控制功能强。
有丰富的指令，I/O的逻辑操作以及位处理功能。
4）低功耗，低电压，方便携带
5）单片机系统扩展系统配置比较规范，典型，容易构成应用系统
2电力监控保护系统的设计
2.1电力线路监控保护系统总体方案
目前典型的微机保护系统包括：
数据采集系统，微机系统，开关量输入/输出系统三部分组成。
为了实现电力线路监控以达到保护的目的，这个系统可以分为两个项目进行设计，强电电路设计；单片机控制电路设计。
方案一：
采用双cpu的电力监控设计以DSP作为从机[4]，实现对采集进来的电压、电流信号，数字滤波、谐波分析和其它相关参数的计算。
方案二：
基于51单片机的电力线路监控。
由于方案一设计复杂造价较高需要耗费的时间比较长但是达到的电力监控的效果和方案二一样，所以优先选择方案一。
接口规定如下：
a，电力线路监控保护可以实现10KV两线路保护。
b，线路监控正常时，输入信号约为2.5-3.5V电压。
c，系统提供了两线路6通道数据采集,A,C相左保护电流检测相，B相为工作电流检测相。
d，开关量输入在正常情况工作时候为高电平信号约+5V
e，控制信号输出在电路正常情况工作时候为低电平信号0V
2.2电力监控构成硬件模块介绍及A/D转换电路
电路监控由显示模块，控制模块，光耦隔离模块，保护装置，键盘控制模块和数据采集模块组成。
数据采集通过max471芯片是电流信号变成电压信号，控制模块由51单片机实现，采样数据通过max197芯片实现A/D转换传输到51单片机，模数转换芯片使用的max7219芯片来实现显示功能，键盘模块光耦隔离都采用典型的电路模式。
以下是
电力线路监控示意图
图1电力线路监控保护系统示意图
Figure1Powerlinemonitoringprotectionsystemschematicdiagram
line1line2
正常指示灯
跳闸指示灯
图2系统控制面板
Figure2Systemcontrolpanel
因为先要将电流信号转化为电压信号然后才能进行A/D转换。
常用的方法就是在电路里面加入一个精密电阻，由此将电流信号转化为电压信号[5]。
利用这种方法可以使得测量简单方便的进行，但是在电流很小的时候，电阻上的电压值会比较小，从而影响测量的准确度，所以选择合适的阻值是一件很关键的事情不能忽视，另外，所得的电流检测信号只有通过放大以后才能进入电路中的比较器。
2.2.1MAX471芯片
2.2.2max471引脚功能
图3Max471引脚
Figure3Max471pinout
基本功能：
1）SHDN:
为关闭信号。
正常操作时接地
2）RS+：
信号输入端。
3）RS—：
信号输出端
4）GND:
为接地端或电源负极端。
5）SIGN:
集电极开路的逻辑输出。
6）OUT：
为电流输出端，该电流的大小正比于流过线路的电流。
2.2.3MAX471工作原理
Max471的工作原理如图2所示。
方框内的芯片是该芯片的内部结构[6]。
图4max471工作原理图
Figure4Max471workingprinciplediagram
简介：
A1，A2是两个差动运算放大器，构成差动输入，这样可以增强抗干扰能力，提高电流线号的准确度；Q1，Q2是两个三极管；COMP是比较器；Resense是电流采样电阻，RG1和RG2为增益电阻。
max471电路连接
图5电路连接图
Figure5Thecircuitconnectiondiagram
假定电流是从左向右流过采样电阻Resense，通过一电阻接地。
A1工作时候，产生电流Iout从Q1的发射极流出，而此时运放A2上截止的没有电流从Q2流出[7]。
A1的负输入端信号为Vpower=Iload*Rsense，经过计算，电压电流的比例由以下给出：
P=Vout/Iload=Rsense*Rout/RG1
根据上面的公式Rsense较小时，通过Rout把比例设置一个合适的值。
2.2.4MAX197芯片初步了解
2.2.5MAX197芯片简介
是美国MAXIM公司的新产品，是多量程（±10V，±5V，0～10V，0～5V）8通道12位高精度A/D转换器。
它采用逐次逼近的工作方式，有标准微机接口。
三态数据I/O用做8位数据总线，数据总线的时序与大多数通用的微处理器兼容。
全部的逻辑输入和输出与TTL／CMOS电平兼容。
新型的A／D转换器芯片MAX197与一般A/D转换器芯片相比来看具有极好的性能价格比，仅需单一的＋5V供电，而且外围电路简单，可大大的简化电路设计。
max197用在数据采集系统中，A/D转换的速度和精度又决定了其采集系统的速度以及精度。
MAX197是Maxim公司推出的具有十二位测量精度的高速A/D转换芯片，只需要单一的电源供电，且转换时间很非常短（6us），具有八路输入通道，还提供了标准的并行接口即8位三态数据I/O口，它还可以和大部分单片机直接接口，使用十分的方便。
2.2.6特性和引脚功能及控制字简介
1）特性
a.12位分辨率，1/2LSB线形度；
b.单+5V供电；
c.软件可编程选择输入量程：
10V，5V，0~+5V，0~+10V；
d.输入多路选择器保护：
16.5V
e.8路模拟输入通道；
f.6us转换时间，100kSPS采样速度；
g.内/外部采集控制；
h.内部4.096V或外部参考电压；
i.两种掉电模式；
j.内部或外部时钟。
2）引脚功能介绍
MAX197具有四种不同封装：
DIP28和宽SO，SSOP和陶瓷SB封装[8]。
a脚（CLK）：
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。
内部时钟模式时，该脚与地之间接一电容，以确定内部时钟频率，当f=1.56MHz时，外接电容的典型值CCLK=100PF。
b脚片选线，低电平有效。
c脚当为低电平时，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。
d脚当为低电平时，得下降沿将允许读取数据总线上的数据。
e脚（HBEN）用于切换12位转换结果。
此脚为高电平时数据总线上的数据为高4位，此脚为低电平时数据总上的数据为低8位。
下图为引脚。
图6Max197引脚
Figure6Max197pinout
1CLK：
是时钟输入。
在内部时钟模式下,该引脚接一100pF的电容可获得1.56MHz内部时钟。
2CS：
是片选信号,低电平有效的。
3WR：
当CS为低电平时刻,在内部时钟模式下,WR的上升沿将锁存设置并开始一个自动采集和转换周期,在外部时钟模式下,WR处第一个上升沿开始采集,第二个上升沿结束采集并进入转换周期经过就是这样。
4RD：
当CS为低电平时,RD上的下降沿使数据处于数据总线上就可以被读取。
5HBEN用于12位转换结果的多路复用。
当HBEN为低电平时可读取结果的高4位,当为高电平时,可读取结果的低8位[9]。
6SHDN设置电源关闭模式。
7-14D0-D11三态数字I/O端口
15AGND模拟信号地。
16-23CH0-CH7模拟信号输入通道。
24INT当转换结束且数据可被访问时为低电平。
25REFADJ带宽基准电压调整引脚。
当REF引脚使用外部基准电压时直接接VDD,否则旁路一0.01μF的电容。
26REF基准缓存输出和缓存输入引脚。
在用内部基准电压时,基准缓存输出一4.096V的名义电压,并可通过REFADJ引脚调整。
在用外部基准电压时,则通过REFADJ直接接VDD使基准缓存无效
27VDD+5V的电源。
28DGND数字信号地端。
3）控制字简介
MAX197芯片与其它A/D芯片不同的之处在于它的很多硬件的功能都是利用内部控制字来完成的，比如通道选择、模拟信号量程、极性等，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[9]。
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[10]。
表1Max197的控制字
Table1Control-byte-Format
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
DO（LSB）
PD1
PD0
ACQMOD
RNG
BIP
A2
A1
A0
表2时钟和功耗的模式设置
Table2Theclockandpowermodesettings
PD1
PD0
说明
0
0
正常模式，外部时钟模式
0
1
正常模式，内部时钟模式
1
0
后备低功耗模式，不影响时钟模式
0
1
低功耗模式，不影响时钟模式
说明：
ACQMOD:
0是内部控制采集，1是外部控制采集。
RNG位是选择输入端的满量程电压范围，BIP位选择单极性和双极性式
表3RNG,BIP设置
Table3RNG,BIPsettingup
BIP
RNG
INPUT
RANGE
0
0
0to5
0
1
0to10
1
0
-5，+5
1
1
-5，+5
A2，A1，A0:
用于选择多路输入输出地址，所以A1，A0，A2
表4通道设置
Table4Channelsettings
A2
A1
A0
CH0
CH1
CH2
CH3
CH4
CH5
CH6
CH7
0
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
1
0
0
1
0
1
1
1
1
表5数据的输出格式
Table5Dataoutput
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