基于单片机的智能开关研制文档格式.docx

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InventingIntelligenceSwitch

BaseonSingle-chipMicrocomputer

Abstract

Switchingpowerasconnectivitycomponentsinpowerelectronicsystemsusedverywidely,Switchesgenerallyusethetraditionalmechanicalcomponentstoachievethedivisioncircuit,inthecourseofoperatingeasilyarcandhitCurrent.IntelligentSwitchcombinesthepowerelectronicsandcomputertechnologyasanewtypeofswitch,throughautomaticdetection,ImplementationSupervisoryandsystemprotectionfunctions.

Thisarticleintroducesahigh-performance8AVRmicrocontrollerAtmega8tocontrolthecore,sensorsandpowerelectronicscomponentscombiningtheintelligentswitchhardwareandoperatingprinciple.Andhowdetailedpull-ACDCmaintainedthroughtheACvoltageandcurrentsignalscollection,calculatedACvoltageandcurrentRMS,powerfrequency,periodicity,phaseangle,powerfactor,apparentpower,activeandreactivepoweroftheelectricityandallotherparameters.Throughsoftwareprogrammingofthesmartswitchcontroltotakecorrespondingflow,undervoltage,overheating,leakageprotectionmeasures.

Inthisdesign,thesub-machineisprovidedbyacombinationwhichconsistingofkeyboardandLCDmodulefordebuggingandsettingparameteratthescene.Inaddition,thereisaRS-485communicationinterface,sowecanusethecomputertocentralizedmanagementandmonitoringthepowerbythissystem.

Atlast,thistextlistsomeproblemwhichtheintelligentapplicationswitchingtechnologystillrequiresfurtherstudy.

Keywords:

intelligentswitches,single-chipmicrocomputer,sensors

目录

第一章绪论1

1.1智能开关研制的目的和意义1

1.2智能开关研制的发展状况1

第二章智能开关硬件设计3

2.1智能开关硬件结构3

2.25V电源设计3

2.3交流吸合直流维持4

2.4电压、电流的采集5

2.5采样信号保持9

2.6三相电压不平衡判断10

2.7电网参数的测量11

2.8温度测量14

2.9过电压保护15

2.10漏电保护16

第三章人机交互接口设计17

3.1键盘的设计17

3.2LCD显示18

第四章数据通信设计20

4.1数据通信系统的硬件设计20

4.2数据通信系统的软件设计22

4.3数据通信中的差错控制技术28

4.4RS-485数据通信系统的维护29

第五章软件设计31

5.1软件程序的组成31

5.2软件程序设计32

5.3抗干扰34

第六章常用器件介绍38

6.1ATmega8的体系结构与主要性能特点38

6.2DVDI-001型卧式穿芯小型精密交流电压电流互感器39

6.3数字温度传感器DS18B20介绍41

第七章结论44

参考文献45

致谢47

第一章绪论

1.1智能开关研制的目的和意义

电力系统关系到国计民生，电力工业是重要的产业部门之一，在国民经济中具有举足轻重的作用，它为现代工业、现代农业、现代科学技术和现代国防提供必不可少的动力，它和我们的日常生活息息相关。

电力工业的发展必须优先于其他工业部门的发展，整个国民经济才能不断前进。

开关作为人机接口和信号检测的重要元件，在电子和电气各领域得到越来越广泛的应用，品种也发展的越来越多。

目前使用的开关大多数采用拔插式结构，在大电流工作的场合，接触电阻是不容忽视的，一旦接触不良，将造成插头处压降增大，发热量增大，加速接插件表面的氧化，进而使接触效果更差，这种恶性循环最终导致插头处烧损。

国外的开关使用寿命要长一些，主要是机械加工精度高，接触电阻较小。

但是它也还是不能避免接插件表面的氧化。

开关的发展除了提高自身的各种性能，还要能够满足电力系统自动化水平发展的要求。

因此，从某种程度上说，微机芯片的利用程度体现一个国家工业控制的自动化水平，所以开关也要实现微机控制。

智能开关的应用有如下作用和意义：

（1）减小对传动元件的机械冲击，消除开关动作过程中的不良影响，提高开关和其他设备的使用寿命；

（2）在开关中，采用标准的、开放式的现场总线，将具有通讯能力的开关器件与之相连接（或通过接口单元），能够与上位机（主站）进行数据通讯，实现开关的集中监控、集中管理；

（3）实现开关的各种故障判断和保护，提高设备自动化水平；

（4）具有节能作用。

1.2智能开关研制的发展状况

在我国，对微机技术和电力电子技术在电力系统中的应用是在70年代末期开始的，由于继电保护和励磁的要求，这两项技术一直发展十分迅速，应用范围也越来越广。

随着微机技术和电力电子技术的发展，对开关智能化的研究也越来越多。

在开关中使用微机芯片控制技术和电力电子元器件，一方面可以减少其选择开关数量，简化硬件电路，很多功能依靠程序实现。

另一方面，一些先进的保护，分断技术以及设备的软启动控制技术等也要依靠微机芯片来完成，同时，采用微机技术可对开关设备故障前的状态进行记忆。

近年来计算机技术及微电子器件在各方面中应用十分广泛，在此基础上发展起来的智能仪器无论是在测量的准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度、运用功能方面或在解决测量技术问题的深度及广度方面都有了巨大的发展，在高准确度、高性能、多功能的仪器中已经很少不采用微计算机的了。

这类仪器中含有微处理器、单片计算机或体积很小的微型机，它的功能丰富又很灵巧。

开关作为连接和信号检测的重要元件在电力系统中使用十分广泛，对电力系统的稳定性和电能质量都有很大的影响。

智能开关正是单片机、传感器和电力电子开关的结合，在电力系统中应用智能开关技术，不仅可以提高电力系统设备的使用寿命，而且能够减少各种设备动作对电网的冲击，提高电力系统的稳定性，同时能够一定程度的节约电能。

而且采用微机控制实现智能化管理，可提高电力系统的自动化水平。

由此可见，智能开关有着明显的优越性，在智能电器元件的基础上，研制和开发智能开关具有显而易见的意义，在电力系统中应用智能开关技术具有十分光明的前景。

第二章智能开关硬件设计

2.1智能开关硬件结构

本智能开关是以Atmega8单片机作为中央控制单元，Atmega8单片机在预先编制好的指令（即软件程序）的驱动下，控制整个硬件电路工作，完成系统各项功能。

具有当地无线通讯口，能对下位机进行控制；

同时也具备远程数据接口。

键盘用于修改和设定定值，电压上下限、电流上限值等；

LCD用于显示定值及各种运行状态。

单片机获得电压、电流、相位角值后进行分析计算出功率因数、三相不平衡参数等，判断是否正常，进而控制开关的闭合与关断。

智能开关的硬件结构框图如图2－1所示。

图2－1智能开关硬件结构框图

本智能开关可用于单相（220V）和三相（380V）交流电源，适用于额定电流为18A以上的电路，因此，把该智能开关与接触器相联合起使用，使接触器在应用系统中具有带检测和保护的功能，使接触器运行更加可靠、更加稳定和节能。

2.25V电源设计

该系统单片机和数字温度传感器需+5V直流稳压电源，产生该电压的电路原理图如图2-2所示，先利用变压器对220V的交流电降压，然后把变压器次级输出9V的交流电压由整流桥作全波整流，经电容滤波以及稳压芯片7805即可得到所需的电压。

图2-2电源设计原理图

2.3交流吸合直流维持

交流接触器能够节电运行的基本原理是采用交流吸合、直流维持的运行方式。

交流接触器工作时，电磁系统消耗的有功功率中，铁芯损耗和短路环损耗占绝大部分，而线圈铜损仅占3-5%，改用交流吸合、直流维持的运行方式后，铁芯损耗和短路环损耗几乎为零，只需很小维持电流，就足以使接触器稳定地处于闭合状态，从而大大节约了电能，做到无声运行，提高了可靠性。

对交流接触器进行实验测试所得的数据如表2-1所示，由该表也可明显看出对交流接触器采用交流吸合直流维持具有显著的节能效果。

表2-1交流接触器的各种动作电压

交流电

直流电

吸合

220V

——

维持

160V

90V

要实现接触器交流吸合直流维持就必须有一个电压的切换电路，该切换电路如图2-3所示：

图2-3电压切换电路

当单片机PA1引脚输出高电平，PA2引脚输出低电平时，常开触点KM1和常闭触点KM2都闭合，电源电压直接加到接触器绕组上，常开触点KM闭合，3秒钟后PA1引脚和PA2引脚都输出低电平，常开触点KM1断开，常闭触点KM2和常开触点KM继续闭合，电源经二极管整流继续加到