基于單片機的電網(wǎng)基本參數(shù)測量

1、基于單片機的電網(wǎng)基本參數(shù)測本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）論文題目：基于單片機的電網(wǎng)基 _本參量測量系統(tǒng)設(shè)計姓名： _系別： _專業(yè)： _年級、學(xué)號： _指導(dǎo)教師： _I摘要近些年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會生活的進步與需要，電力系統(tǒng)中電能 質(zhì)量在工業(yè)生產(chǎn)中日益重要。所以，對電網(wǎng)參數(shù)進行及時有效的分析和檢測是十 分必要的。建立監(jiān)測和分析電能質(zhì)量各項指標的系統(tǒng)，可以提高電能的質(zhì)量，并 且可以及時地檢測、更新電網(wǎng)中的各項指標。目前市場上有兩類電能質(zhì)量測試裝置，一種是功能簡單價格低廉，但是不能 高效地檢測電能質(zhì)量參數(shù)。另一種測試裝置功能齊全但是價格偏高，故市場上并 不普及。因此，本次畢業(yè)設(shè)計就是想要克服上述兩

2、種裝置的弊端，所設(shè)計的電能 參數(shù)測量系統(tǒng)既性能優(yōu)良、又滿足市場需求。本次設(shè)計基于電能質(zhì)量的概念，從硬件、軟件這兩方面來設(shè)計，以51單片機為核心對電網(wǎng)參數(shù)進行測量、以及設(shè)計報警電路、保護電路。主要包括的內(nèi)容： 結(jié)合51單片機的特點進行信號采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理和顯示等模塊的軟硬 件功能設(shè)計與實現(xiàn)。利用傳感器模塊對電網(wǎng)的參數(shù)進行測量，在顯示電路給出電 壓、電流的測量原理。對電參數(shù)的測量采納數(shù)字信號處理技術(shù)，在系統(tǒng)性、及時 性、精確性方面有著巨大的優(yōu)勢。關(guān)鍵詞：電網(wǎng)參數(shù)單片機電能質(zhì)量數(shù)據(jù)顯示Follow the fastIIIAbstractIIIlivi ngon powersystem hig

3、her and higher requireme ntforquality ofpower en ergy and in dustrialproducti on. So, in real-time detecti onandan alysisofpower parameter hasimporta ntsig ni fica nee. Inordercomplete thepower quality, the first to establish the in dicators ofthepower qualitymon itori ng andan alysis system, real t

4、ime update of dataacquisiti on and measureme nt of various in dex in power system.On the market use of en ergyquality teachi ng In stallati on is dividedinto two categories, general users is good to find it difficult to as accept.In this paper, on the basis of discuss ing the con cept of quality Ano

5、 toer is that cheap but simple fun cti on, could not fully rash the variouselemicerSergof quinrtf9ducffd teteceiarniergy. powe,rthis)ardesg?f sygteto whign51 microc on trolleras the core of the hardwaredesig n, software desig n.ffliefeafredmainlsiatafoeows：for Thhesoftwaakend dRardwidre des ign with

6、er thepaasaceSiistics of the 51 single chip microcomputer for power distribution,meagluremeftrsyste m.datamodule. The parameters were measuredusingin strume nttran sformerchip module on the grid, theprin cipleofiimesureme nt of voltage,curre nt,freque ncy circuit is give n avalue isevolutio n of n a

7、tio nal economy and high sta ndard ofdisplayed.Measureme ntof parameters usingsig nalIIIprocess ingtech no logy, in order to improve the accuracy, real-time and system levelhas unique adva ntage.Key words :grid parameters single chip microcomputerpower quality data showIV摘要 .Abstract .IV1緒論 .11.1研究背

8、景 .11.1.1課題研究背景及意義 .11.1.2電能質(zhì)量的定義.11.1.3電網(wǎng)質(zhì)量問題的研究現(xiàn)狀 .11.1.4現(xiàn)階段電網(wǎng)質(zhì)量測量裝置的調(diào)查 .31.2研究目的和意義 .31.3研究方法和構(gòu)想 .41.3.1總體設(shè)計思路理論綜述： .41.3.2總體設(shè)計思路原理框圖： .42電網(wǎng)參量測量系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 .62.1互感器（變壓器）模塊 .62.1.1互感器介紹 .62.1.2電壓互感器 .62.1.3電流互感器.82.1.4 電壓、電流測量回路 .102.1.5互感器模塊采集電網(wǎng)參數(shù)電路圖 .122.1.6 監(jiān)測與保護電路設(shè)計 .122.1.7頻率的測量.122.2模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D ）模

9、塊 .142.2.1 ADC 的定義.142.2.2 A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇 .142.2.3 A/D模塊和單片機模塊硬件連接.172.3控制器模塊 .182.3.1單片機最小系統(tǒng) .182.3.2 MCS51 單片機.192.4 顯示模塊.212.4.1 LCD12864液晶顯示模塊簡介 .212.4.2模塊主要硬件構(gòu)成說明.222.4.3模塊接口說明.222.4.4 LCD12864顯示電路硬件電路圖 .242.5電網(wǎng)參量測量系統(tǒng)總原理圖.25V2.6元器件清單 .263電網(wǎng)參量測量系統(tǒng)軟件程序設(shè)計 .273.1A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換程序 .273.2LCD液晶顯示程序.284總結(jié)與展望.32致謝

10、.33參考文獻 . .3411緒論1.1研究背景1.1.1電網(wǎng)的定義在電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)屬于運送和分派電能的中間環(huán)節(jié)，被稱作發(fā)電和用電的關(guān)聯(lián)設(shè)施。變配電所、配電線路和輸送電線路構(gòu)成輸電網(wǎng)。一般把由輸電、配電、 用電設(shè)備組成的聯(lián)系發(fā)電與用電的統(tǒng)一整體稱為電力網(wǎng)，簡稱電網(wǎng)。電壓等級可 以分成超高壓的有330kV到 750kV ;特高壓：直流 800kV、交流1000kV，這兩種基本上就是大負荷電網(wǎng)了。然后高壓110、220kV;中壓 6、10、20、66kV。一般情況而言，傳輸?shù)木嚯x越遠，電壓的等級越高。10kV 屬于小區(qū)域供電，大概是涉及范圍在6-10公里。66kV為較大地區(qū)供電，它的供電范圍大約

11、在80公里；而平常我們說的 380/220V是供居民用的電壓。1.1.2電能質(zhì)量的定義隨著電力事業(yè)的迅速發(fā)展，電網(wǎng)負荷不斷加劇，沖擊性和非線性負荷也在增 長，供能系統(tǒng)電能質(zhì)量因此受到了污染。供電質(zhì)量對用戶使用設(shè)備時也作為了一 種高檔的要求去使用，現(xiàn)代電力系統(tǒng)的新特征是電能質(zhì)量新的定義和意義。嚴格的講，頻率、電壓是衡量電壓質(zhì)量的主要標準。普通的說法則是指高質(zhì)量的電能，包括供電、用電、電壓、電流的質(zhì)量 。通常是說導(dǎo)致用電設(shè)備不能正常使用的電壓、電流或頻率的偏差是電能質(zhì)量問題。1.1.3電網(wǎng)質(zhì)量問題的研究現(xiàn)狀1、1980年前，電力專家認為，能保證供電電壓處在合適的范圍之內(nèi)以及電 網(wǎng)頻率的正常，也就能

12、確保供電電網(wǎng)的質(zhì)量；同時，電力企業(yè)也認為提高功率因 數(shù)是極其重要的舉措。2、隨著生活條件的改善，工業(yè)負荷量急劇增加，電網(wǎng)快速的發(fā)展，電能是 種需要多種物理參數(shù)才能全面地描述其性能的復(fù)雜商品。這些參數(shù)一般有諧波、 電壓偏差、負序、電壓波動等。這方面是當(dāng)前熱門的電能質(zhì)量研究方向。3、最近幾年，電能質(zhì)量對于人們已不再陌生，人們普遍說電力系統(tǒng)電能的 輸送是能量的傳遞，但也是一種輸送信息。其主要內(nèi)容有頻率、電壓、電流，但 這些東西中又卻依附了許多 “壞”信息，包括諧波電壓、電壓波動、諧波電流等 2等，同時還有一些所謂的暫態(tài)電能質(zhì)量依附在其中?？梢灶A(yù)言，暫態(tài)電能質(zhì)量問 題將是我們研究的重要課題。4、 隨著

13、大量高新企業(yè)進入中國市場，在這個瞬息萬變的時代里，電網(wǎng)電能 質(zhì)量能否與經(jīng)濟技術(shù)發(fā)展同步將會成為我們所關(guān)注的問題，所以對電能質(zhì)量的研 究顯得尤為重要。同時降低網(wǎng)損、減少電力生產(chǎn)事故可提高電能質(zhì)量，直接帶來 經(jīng)濟效益。隨著電力系統(tǒng)進入市場，區(qū)域間電網(wǎng)競爭悄然來臨，誰控制好電網(wǎng)電 能質(zhì)量，誰就將成為最終的贏家。所以對電能質(zhì)量分析和運用將成為現(xiàn)代電力生 產(chǎn)發(fā)展的緊迫要求1005、 目前的研究主要基于以下幾個方面：（1）建立電能質(zhì)量體系主要研究電能質(zhì)量的定義、在電子消費市場，智能儀器中的應(yīng)用及各路綜合 的評價體系。（2）對電能質(zhì)量暫態(tài)信號分類主要討論暫態(tài)的各種電能質(zhì)量突變現(xiàn)象，比如說電壓暫降、電壓閃變等

14、產(chǎn)生 原因、信號辨別及控制等。市場上采用的分析方法數(shù)不勝數(shù)，比如粗糙集、小波 變換、S變換等等。（3）諧波分析電能質(zhì)量測量裝置中諧波分析的開發(fā)正處在欣欣向榮的階段，各種裝置源源 不斷出現(xiàn)。硬件方面有基于雙CPU系統(tǒng)、基于DS芯片、基于單片機等，軟件方 面，充分利用了 CA總線、We技術(shù)等，實現(xiàn)了實時在線監(jiān)控。（4）算法的開發(fā)電能質(zhì)量檢測中算法是重要內(nèi)容，目前國內(nèi)外算法相關(guān)研究主要使用電壓偏 差分析、電壓波動和閃邊處理、高次諧波研究、三相不對稱的情況處理、頻率偏 離其標稱值等方面的處理等等，這方面的參考文獻很多。1.1.4現(xiàn)階段電網(wǎng)質(zhì)量測量裝置的調(diào)查1、 電能質(zhì)量測量分析與評估主要內(nèi)容作為大型電

15、能質(zhì)量測試分析與評估，主要包括以下四個方面：（ 1）公共電網(wǎng) 電能質(zhì)量監(jiān)測；（2）電網(wǎng)設(shè)備兼容性的檢驗；（3）負荷的干擾測試與電能的質(zhì)量 評估糾紛測試。2、測量方法測試時間長度：干擾負荷的運行全概況。測試間隔：當(dāng)干擾負荷運行時，一般用到 5s至5mi n。3測試參量：三相電壓及電流大小。3、電能質(zhì)量產(chǎn)品化測試裝置現(xiàn)狀0第一，通常的電能質(zhì)量監(jiān)測方法在對電能質(zhì)量的實時監(jiān)測方面有不足。除非 電能質(zhì)量波動較大，便不能全面接收到電能質(zhì)量。一般情況下只有在必要時才對 電能質(zhì)量進行校驗。第二，傳統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測已經(jīng)滿足不了國際規(guī)定的五項電能質(zhì)量監(jiān)測的要 求了。傳統(tǒng)的方法測量不能及時地監(jiān)測其中的幾項指標，原因

16、很多，比如說實現(xiàn) 方法的困難大及國家單位的重視程度。第三，傳統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置只涉及穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量的監(jiān)測，質(zhì)并不能全面 監(jiān)測動態(tài)電能質(zhì)量，是因為重視程度不夠以及實現(xiàn)的困難及監(jiān)測系統(tǒng)只能監(jiān)視其 中的一項。第四，傳統(tǒng)的電能質(zhì)量監(jiān)測裝置精度往往達不到要求，由于多采用模擬元器 件，受器件性能和信號處理方法有局限性。1.2研究目的和意義1、大型工業(yè)生產(chǎn)對電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量要求越來越高，是因為科學(xué)技術(shù)進 步了和經(jīng)濟的迅速發(fā)展，故實時測量與分析電網(wǎng)的參數(shù)具有重要意義。建立電能 質(zhì)量各項指標的分析和監(jiān)測系統(tǒng)，是解決電能質(zhì)量的第一任務(wù)，即對電網(wǎng)中的 各種參數(shù)進行實時同步，即有測量和數(shù)據(jù)采集兩大步。在測量過程中，

17、更為重 要的是監(jiān)控環(huán)節(jié)，例如，當(dāng)電路中出現(xiàn)短路電路怎么實施保護，當(dāng)電路中出現(xiàn) 過負荷怎么實施保護，這些都是測量電網(wǎng)參數(shù)的意義的所在。2、在電氣電網(wǎng)系統(tǒng)中，測量電壓和電流是最為首要的。而且是要快速并且 準確地采集。依據(jù)不同的采集信號要求和實現(xiàn)方法的準確度，一般可分為交流 采樣、直流采樣兩種方法，直流采樣的一般過程是交流電壓、電流信號經(jīng)過變送 器轉(zhuǎn)化為0-5V的直流電壓由儀表采集，此方法設(shè)計簡單很容易得到被測量的數(shù) 值，可是采集的不是實時的信號；另外測量精度和穩(wěn)定性無法保證，滿足不了 電力系統(tǒng)實時性和可靠性的要求。然而交流采樣法是通過二次測得的一次側(cè)的 電壓、電流，它們經(jīng)過 TV、TA轉(zhuǎn)換為A/D

18、 芯片可處理的交流小信號，然后再 將輸出的數(shù)字量送入計算機進行處理，故這種方法比直流采樣更精確，更可 靠。因為 51單片機運行速度快再加上內(nèi)部程序并行運行、處理復(fù)雜功能的特 點，故采用 51單片機和交流采樣相結(jié)合，可以滿足我的設(shè)計系統(tǒng)的一般要求44。1.3研究方法和構(gòu)想1.3.1總體設(shè)計思路理論綜述：在我不斷學(xué)習(xí)和探索了多種測量方法之后，于是我決定采用51單片機為核心控制 A/D 轉(zhuǎn)換器，將電網(wǎng)變換后的小幅交流模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再送入單 片機進行處理數(shù)據(jù)、實現(xiàn)電網(wǎng)參數(shù)的準確測量。即在模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用高速轉(zhuǎn)換 芯片ADC0809，在控制部分則利用 51單片機直接控制 ADC0809對模擬信號的

19、 交流采樣。然后迅速將轉(zhuǎn)換好的8位二進制數(shù)存到51單片機內(nèi)部的存儲器中去通過顯示電路顯示電壓電流的實時值。同時更為重要的是，在一次高壓電路中我 選用了熔斷器和負荷開關(guān)來設(shè)計保護電路，即在一次電路正常工作時和短路故障 條件下，高壓一次設(shè)備工作安全可靠，運行維護方便。1.3.2總體設(shè)計思路原理框圖：測量系統(tǒng)的組成電路主要包括供配電模塊、互感器模塊、A/D轉(zhuǎn)換電路、51單片機模塊、LCD1286液晶顯示模塊。測量系統(tǒng)框圖如圖1.3.2所示硬件系2統(tǒng)圖系統(tǒng)6-10kv高壓電網(wǎng)經(jīng)過電壓互感器、電流互感器、變壓器后的輸出電壓為 -5v +5v，該信號符合電壓芯片ADC080輸入端的范圍要求，通過ADC08

20、0將輸入的 小幅模擬量信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量信號傳送到 51單片機中，通過液晶顯示電 路分別顯示電壓和電流的大小。5工電路工電路接地接地2電網(wǎng)參量測量系統(tǒng)硬件電路設(shè)計2.1互感器(變壓器)模塊2.1.1互感器介紹1、互感器的工作原理、構(gòu)造各方面與變壓器差不了多少，因此也是一種變壓器，它可以將高電壓、大電流變成低電壓、小電流。由此得到電流互感器(TA)和電壓互感器(TV)兩種測量儀器，另一方面它也可用來隔離高壓，保障安全4o2、互感器的功能：(1)隔離高壓電路。互感器的兩邊不可能有電的聯(lián)系，只會有磁的關(guān)聯(lián)，這樣它就能使測量儀表、保護設(shè)施與高壓電路隔離開，保證了設(shè)備和人員的安全；(2) 二次設(shè)備的

21、使用范圍可以擴大。例如一只5A量程的電流表，通過 TA就可測量很大的電流；同樣，一只100V的電壓表，經(jīng)過 TV就能測出很高的電壓；(3)為了有利于更好地生產(chǎn)，降低成本，可以盡量使測量設(shè)備和繼電器小型化，標準化的。2.1.2電壓互感器1、工作原理：TV是由鐵心、一次繞組、二次繞組構(gòu)成的。TV的一次繞組匝數(shù)多，二次匝數(shù)少，其工作原理和降壓變壓器相似，如圖2.1.1所示。工作時，高壓電網(wǎng)回路上有一次繞組并接著，二次繞組和電壓線圈并接用于測量，TV工作時二次繞組常常是空載狀態(tài)因為電壓線圈的阻抗大。TV的額定變比為：感器原理圖電壓互6=UMU 2N=N(2.1 )L：； K-電互N- 一次線圈的額定電

22、壓;Uh-二次線圈的額定電壓，般規(guī)定為100V I、/匚2、TV的分類及型號（1）雙繞組和三繞組的；（2）單相、三相和五芯柱的；（3）戶外和戶內(nèi)的;（4）干式和油浸式的等等。3、電壓互感器的選擇和校驗電壓互感器應(yīng)按以下條件選擇18:（1）其額定電壓絕不能小于供電電網(wǎng)的額定電壓。（2）其類型匹配應(yīng)和實際安裝地點的工作條件及環(huán)境條件（單相、三相；戶 內(nèi)，戶外）相似。（3）TV應(yīng)滿足準確度等級的要求。（4）TV準確度等級要求我們選擇器件時，必須保證二次側(cè)所接負荷容量大小應(yīng)小于或等于額定二次容量。因為TV的一、二次側(cè)均有熔斷器（FU）作為保護用，故不需要校驗動、熱穩(wěn)定度了。4、電壓互感器使用注意事項（

23、1）鑒于電壓互感器一二次側(cè)是并聯(lián)運行的，一旦發(fā)生短路時，將會產(chǎn)生很大的短路電流，很可能燒毀互感器，嚴重地將影響一次電路的安全工作。所以電 壓互感器使用中二次側(cè)不允許短路，應(yīng)使電壓互感器的一、二次側(cè)都必須安裝熔 斷器通過切除內(nèi)部故障實現(xiàn)短路保護的功能，一般熔斷器的額定電流為0.5A。（2）在使用電壓互感器時應(yīng)校驗電壓互感器的極性，否則其二次側(cè)所接儀表 或者繼電器中的電壓大小就不是理想的電壓值，一來造成誤測量，二來引起保護 裝置的誤動作。72.1.3電流互感器2.1.5、本設(shè)計采用的電壓互感器接線方式兩個單相電壓互感器接成 V/V形，如下圖2.1.2所示，廣泛應(yīng)用于工廠變配電所的6-10kV高壓配

24、電輸電網(wǎng)中，測量、監(jiān)控線電壓值的任務(wù)由各儀表和繼電器來 測量。1、工作原理:電流互感器結(jié)構(gòu)和電壓互感器類似，如下圖2.1.3所示。其中二次繞組和儀表、繼電器的以及電流線圈串接組成這里的閉合回路。因為儀表、繼電器的電流線圈 阻抗很小，故TA工作時二次回路接近于短路的狀態(tài)。TA的額定變比為KN2/N/12N比一次線圈的額定電流； I2N-二次線圈的額定電流， 一般規(guī)定為5A;線圈線圈的匝數(shù)；2、分類及型號按接線方式可以分為單相、三相星形；按原理分，有電磁式、電子式的；按 用途分，有測量用的和保護用的；按用途分，有保護用和測量用兩種。 KN1-F-接地接地N212流互83、 電流互感器的選擇和校驗電

25、流互感器應(yīng)按以下條件選擇：（1）其額定電壓應(yīng)不小于供電電網(wǎng)的額定電壓。（2）所接線路的額定電流大于或者等于其額定電流應(yīng)。（3）其類型應(yīng)和具體安裝位置的工作條件及環(huán)境條件相適應(yīng)。4、 電流互感器使用注意事項（1）電流互感器二次側(cè)不能開路。（2）電流互感器連線時，一定要注意其端子的極性，要不然其二次側(cè)所接 繼電器或者儀器中經(jīng)過的電流就不是理想的電流，這樣一來導(dǎo)致誤測量，二來引 起不必要的事故。5、 本設(shè)計米用的電流互感器接線方式TA通常連在 A、C相上，這樣的接法也叫做兩相不完全星形接線，中性點 不接地的三相三線制電路中（如 6-10kV高壓電網(wǎng)電路中）普遍使用這種接法的。 兩相V形（兩相兩式）連

26、線如圖 2.1.4所示。2.1.4電壓、電流測量回路1、降壓變壓器（降壓站）（1）變電站的一次回路我們需要多大的電網(wǎng)容量，相應(yīng)的發(fā)電站就會生產(chǎn)相應(yīng)等級的更大的電網(wǎng)值， 9那部分的電路就是通常人們所說的電網(wǎng)回路。7（變電站的二次回路是包含：測量回路、保護回路、控制回路及調(diào)節(jié)保護回路 等部分。其中測量回路包括：計量測量和保護測量，負責(zé)指示和記錄一次設(shè)備的 運行參數(shù)?？刂苹芈穭t是通過控制開關(guān)設(shè)備的合與跳實現(xiàn)電氣設(shè)備的投入和退 出。2、測量回路這里我主要闡述測量回路和保護電路，測量回路分為電壓回路與電流回路8。設(shè)計的要求是測量電網(wǎng)的電壓、電流值。（1）電壓測量回路一方面本設(shè)計是以中壓10kV電網(wǎng)為測量

27、對象，線路上的電壓一般都比較高 如直接測量是非常危險的，需要通過電力變壓器來轉(zhuǎn)換，這里我們選用降壓站。 一般所謂的10kV線路是指線電壓而言，即A-B、B-C、C-A相之間的電壓為10kV, 所以僅接入一臺電壓互感器即可同時檢測到 2相線路。3kV以上高壓電網(wǎng)首先通 過電壓互感器（TV）將各類高電壓變?yōu)榭蓽y量的統(tǒng)一的100V電壓。電壓表并接在 100V電壓母線上。在互感器模塊中，我采用了 GB1207-200慕準中JDJ-10型的電壓互感器（單 相，額定頻率50Hz,其中一次繞組A和B相之間的電壓為10kV,二次側(cè)繞組的額 定電壓為100V,0.5級的精度標準）。本設(shè)計采用的電壓互感器測量范圍

28、為10kV左右的高壓交流電，我同時考慮 電壓波動的影響以及ADC080芯片的電壓范圍為-5V- +5V，在TV二次回路后加 一個電壓分組電路即可把100V直流電壓信號變成+5V的信號。測量電路如圖 2.1.5所示。10(2)電流測量回路Q 3-10D*I - Ikiuuk電壓在發(fā)電、變電、輸電、配電及用電的電路路中電流大小不一，小的幾安，大的到幾萬安都有，為便于測量需要轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)值來才好。在這里電流互感9器就起到電流變換為主要作用。電流二次回路的流過的電流值就是電流互感器(TA的二次側(cè)的固定的一個值為5A由于電流互感器輸出的是電流信號，需經(jīng)過電流 /電壓轉(zhuǎn)換電路變成電壓信號，以滿足A/D對

29、采樣信號的要求。這里我采用運放知識，充分利用運放的“虛短”和“虛斷”的概念，將5A左右的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，如下圖 2.1.6 電路：112.1.5互感器模塊采集電網(wǎng)參數(shù)電路圖起 E 口2.1.6監(jiān)測與保護電路設(shè)計1、熔斷器保護熔斷器的基本工作原理就是當(dāng)主電路出現(xiàn)短路故障或是過電流時，它的熔體 被熔斷，使接在高壓引出線或串接在被保護的電氣設(shè)備免受過電流的損害。本設(shè) 計中就需要考慮到三相電相與相之間或是一相與地之間可能發(fā)生短路，產(chǎn)生很大 的電流，用斷路器就可起到保護電路；另一方面，由顯示電路顯示的電網(wǎng)參數(shù)及 和被測電網(wǎng)相比較，當(dāng)出現(xiàn)測得電流過大時，產(chǎn)生過負荷，這時熔斷器也可實現(xiàn) 過負荷保護2

30、102、開關(guān)保護在此次設(shè)計中，我在一次高壓電路中采樣了高壓負荷開關(guān)，它的功能就是通 過自身簡單的滅弧裝置，來通斷一定的負荷電流；本身帶脫口器的負荷開關(guān)在負 荷過大的情況下可自動跳閘。故具有隔離高壓電源、保障電路安全的優(yōu)勢。2.1.7頻率的測量1、測量頻率的意義頻率直接反映了電能質(zhì)量，生活中如電機旋轉(zhuǎn)，電網(wǎng)測試都需要頻率這一指 標的。2、測量頻率的方法三種常用的測量方法：（1）比較法。即通過與標準頻率相比較，求出被測頻率值，是一種準確度比 較高的測量方法。(2) 無源測量法。即任何一種無源網(wǎng)絡(luò)，如果其頻率特性存在極值，這種網(wǎng) 絡(luò)都可以用來測量頻率。12(3) 計數(shù)法。即利用標準頻率與被測頻率進行

31、比較來測頻，是一種比較廣泛 的使用的方法。3、用諧振法測量頻率這里我采用無源測量法中的諧振法來測量頻率。(“諧振法測量頻率的原理z ： LC諧振電路在頻率等諧振頻率時，頻率特 性有一個峰值；被測頻率通過互感線圈與一個諧振回路耦合，調(diào)節(jié)回路的可變電 容C，如圖1所示，則回路中的電路i和電容器端電壓UC就會發(fā)生變化，當(dāng)回路諧振時，即f=f0=1/2 n* LC的二次方根電流i和電壓UCi到最大值，根據(jù)諧振時的L、C值求得被測頻率f o(2) 諧振測量法實質(zhì)：事先用標準頻率對可變電容進行刻度，然后反過來用 C的調(diào)節(jié)柄位置確定被測頻率值，整個過程就是一個比較的過程。(3) 本方法類似頻率計的原理如圖2

32、.1.8 o(4) 諧振法測量頻率的電路圖2.1.9 o圖計原理圖頻132.2模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D )模塊221 ADC的定義A/D轉(zhuǎn)換，顧名思義就是模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的過程，很好理解，也可 認為是一個整流的過程。而ADC是一種通過某種電路將模擬量轉(zhuǎn)換為與之成比例 的數(shù)字量的器件，大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展給了設(shè)計者們設(shè)計芯片的空間?；?于輸入到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號必須是電壓信號，故本設(shè)計要測量的電流信號就 需要通過功放電路轉(zhuǎn)換為電壓信號：另一方面ADC勺輸出的數(shù)字信號有8位、 10位、12位的。再者整個轉(zhuǎn)換的過程是模擬信號先經(jīng)過采樣將時間離散化，再 通過保持過程，再經(jīng)過量化過程即對幅值離散化

33、，最后通過編碼過程輸出輸出信 號。2.2.2 A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇1、根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器性能指標選型(1) 分辨率轉(zhuǎn)換器所能分辨的模擬量的最小信號的能力，用二進制表示。(2) 轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換速率(3) 量程它指的是A/D所能轉(zhuǎn)換的電壓范圍，比如0-5V。(4) 線性度線性度是指實際輸出值和理論值之間的最大差值，不包括滿刻度誤差、量化 誤差及偏移誤差。(5) 量化誤差由A/D轉(zhuǎn)換器的有限分辨率而引起的誤差，通常即指 1個或半個最小數(shù)字量 的模擬變化量。在此設(shè)計中，上一模塊互感器模塊最終輸出電壓為 -5v-+5v，作為此模塊的 模擬輸入電壓，這里我選用ADC080芯片。2、ADC080的選用在初步了

34、解了 AD(芯片的性能指標之后，我開始考慮選用怎樣一種類型的芯 片才好?；叵氲酱笏膶W(xué)過的一門單片機課里有這個芯片介紹，所以趕緊找到了此 14書。我采用了里面寫到了 AD(芯片與單片機的典型應(yīng)用的例題，故就選擇了課本 上的ADC080芯片。另外，ADC080是逐次逼近式的，相對其他類型 A/D轉(zhuǎn)換器 速度較快且精度較高。它的分辨率為8位，采樣正+5V電源供電，里面帶有一個8路通道的轉(zhuǎn)換開關(guān)，是對8路中的任意一路模擬信號進行轉(zhuǎn)換的。它的芯片 管腳圖如圖2.2.1所示，采用DIP28封裝。管腳功能介紹如下：(1)IN7IN0:八路模擬量輸入通道。(2)ALE:鎖存地址輸入端。(3)START轉(zhuǎn)換啟動

35、。(4)C B A:地址線、通道端口選擇線。選通IN7IN0中的一路模擬量，其中 C為高位。(5)CLK時鐘輸入信號引腳。ADC080外接時要求鐘頻率為10kHz-1280kHz,- 般都送入640kHz。(6)EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束腳，高電平有效。(7)D7D0:8位數(shù)據(jù)輸出線。(8) OE:輸出允許管腳,當(dāng)高電平時有效，允許轉(zhuǎn)換結(jié)果從 A/D轉(zhuǎn)換器的三態(tài)輸 出鎖存器輸出數(shù)據(jù)。(9)VCC:+5fc源。(10)VREF參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次逼近 的基準。它的典型值為+5V(VREF(+)=+5V, VREF(-)=-5V), 般與VCC目連。153、8051單片機與A

36、DC080連接14。C、B、A地址與c 0管腳圖3、8051單片機與ADC080連接會遇到兩個問題。我的第一個問題是模擬信 號通道的選擇，第二個問題是A/DD么傳送轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)的 選通的通道間的關(guān)系如下表1所示：表1通道選擇表被選擇的通道IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7C VI16ClK*aIMKWN7ADC0809IOS D?EOCIALDSTAFin兩個過程:223 A/D模塊和單片機模塊硬件連接51單片機的P2.7 口起到了控制作用1、兩路模擬通道的選擇當(dāng)P2.7 口寫入（W有效）時，脈沖的上升沿使AD啲ALE端有效，即地址 開始鎖存（這確保ADC0809能將數(shù)字量送入該

37、單片機中的）：將模擬通道的選擇信號A、B、C低3位地址分別接A2、A1、A0端，也即51的P0.0、P0.1、P0.2口，并由此選擇IN0-IN7中的一路進行轉(zhuǎn)換。同時，因為STAREt腳和ALEf腳連接在一起，故脈沖的下降沿來到時, 將清除逐次逼近寄存器，就會開始啟動 A/D轉(zhuǎn)換15。2、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送當(dāng)P2.7 口讀入（W有效）時，此時低3位地址已無意義，ADC勺0B端有效, 保存A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)果的自帶輸出三態(tài)鎖存器打開，把數(shù)據(jù)送上給單片機的數(shù) 據(jù)總線。最后我們通過查詢方式來確認 A/D轉(zhuǎn)換是否完成，即通過測試ADC0809 的E0端，若此信號有效（E0C=1注意到P2.7 口才有效）

38、，轉(zhuǎn)換已結(jié)束，并接 著進行數(shù)據(jù)傳送了。Al- E17RST2.3控制器模塊231單片機最小系統(tǒng)1、最小單片機系統(tǒng)單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)，指的是能讓自己工作起來的所必須的最基本的條件 的部件組成，本設(shè)計使用的系統(tǒng)包括：單片機、晶振電路以及復(fù)位電路就夠 了。2、晶振電路晶振可以說是單片機的大心臟，沒有它就無法實現(xiàn)工作，有外部晶振和內(nèi)部晶振之分。典型的晶振值取 11.0592MHz或者12MHz,電路組成如圖2.3.1示。振電路 13、復(fù)位電路單片機在開機時都需復(fù)位，同時重新啟動時也需要它。外部電路在其RET腳產(chǎn)生24個時鐘周期以上的高電平時，單片機內(nèi)部初始復(fù)位 購。為了使單片機 能夠正常復(fù)位，必需使復(fù)

39、位脈沖寬度保持 2卩s以上。手動復(fù)位電路如圖2.3.2 所示。復(fù)系統(tǒng)的復(fù)位電路由+5V電源供電，在電阻上獲得正脈沖，維持脈沖的寬度為YL1810us,便可使單片機復(fù)位。手動復(fù)位是通按下鍵 SV,電源開始對電容C充電，這 時RST端迅速達到高電平；而松開 SW，電容向外放電，即恢復(fù)為低電平，此時 單片機得到可靠復(fù)位。232 MCS51單片機（1）MCS5單片機簡介MCS5單片機我所學(xué)單片機知識8051最為常見，所以我選擇51單片機來完 成此次設(shè)計。由中央處理器、只讀存儲器、隨機存儲器、并行口、串行口和中斷 系統(tǒng)等組成，這種系列單片機采程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是分開的。（2）單片機各部分組成及主要特

40、性如下：1.中央處理器，由控制器和運算器組成。然后它的特性主要有：它是 8位的; 具有位尋址的功能，即布爾代數(shù)處理器；內(nèi)部是單字節(jié)指令； +5V電源供電，40 引腳DIP封裝。2.存儲器，顯而易見就是存儲東西的，它有片內(nèi)和片外之分，又有程序和數(shù) 據(jù)存儲器兩大類，然后它的特性就是片內(nèi)的集成在芯片內(nèi)部，片外的通過電路板 的三總線與51相連接17O3.I/O接口，也叫輸入/輸出端口，它們是51和外界聯(lián)系進行信息交換、控 制的必經(jīng)途徑，分為串口和并口之分，串口是一位一位地傳的，而并口是將數(shù)據(jù) 同時傳送。4.定時器/計數(shù)器，它們均由兩個8位的寄存器組成，通過指令可以對它們 存取數(shù)據(jù)。5.中斷系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生

41、計算機的中斷時，CP暫時停止原來程序的執(zhí)行，立刻 為外圍設(shè)備服務(wù)，即執(zhí)行中斷服務(wù)程序，在執(zhí)行完這一過程后又回到原來的程序 繼續(xù)下去。（3）MCS5單片機的工作方式1.復(fù)位方式：51單片機在我使用它工作時都需要通過這種方式進行。2.程序執(zhí)行方式：分為連續(xù)與單步執(zhí)行。簡單地說單步執(zhí)行就是在執(zhí)行一條程序時，就可以逐步檢查程序，立刻發(fā)現(xiàn)問題并解決問題；而連續(xù)就是51按程序事先排好的任務(wù)，自動連續(xù)地執(zhí)行下去。3.節(jié)電方式：節(jié)電就是降低功耗 ，讓單片機低功耗工作。19X 11.1p:V3PDALO/PAMP5EN1ST4.編程和校驗方式：一般我們從P0 口寫入編程信息，再由片內(nèi)EPRO內(nèi)容來校驗內(nèi)容的準確

42、程度。（4）MCS5引腳圖見圖233圖機邏輯管腳圖51系列單具體引腳的功能說明如下：（1）電源線：1. VCC （40引腳）：接正電源，+5V為正常工作電壓;2. GND（ 20引腳）：接地；（2）端口線：1. P0 口（ P0.0P0.7 , 3239引腳）：51單片機的P0口可作為通用I/O接口使用來驅(qū)動8個TTL輸入；也可作為數(shù)據(jù)/地址總線口使用。2. P1 口（ P1.0P1.7 , 18引腳）：P1 口每一位均可作為輸入線或者輸出線使 用的，如果作為輸入，鎖存器必須變成1。它的每個引腳只能驅(qū)動4個TTL負載3. P2 口（ P2.0P2.7 , 2128引腳）：它一般作為外部存儲器的

43、高 8位地址,如果P2口不用作地址接口時，也可作為通用I/O接口使用，故它是一個準雙向I/O 接口。4. P3 口（ P3.0P3.7，1017引腳）我們一般用作I/O接口功能用，它的功能和P1 口功能基本相同控制線：1. RST （9引腳）：復(fù)位信號引腳。+5V電源給51芯片供電時，時鐘電路開始工 作，此時在此引腳上會出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平，即系統(tǒng)開始復(fù)位。2. ALE（30引腳）：地址鎖存允許信號3. PSEN（29弓I腳）：片內(nèi)ROM!通線4. EA/VPP:它們分別代表允許訪問外部程序存儲器/編程電源線。51內(nèi)部程序存 儲器內(nèi)存超過4KE地址時，就會讀取外部程序存儲器指令18。

44、這里的復(fù)用引腳功 20能體現(xiàn)在：在Flash編程期間,EA也接收12V的編程電壓。233蜂鳴器報警電路蜂鳴器的報警電路的設(shè)計由一個三極管和一個蜂鳴器組成。當(dāng)電流和電壓 超過正常范圍，單片機將給予一個高電平，蜂鳴器報警，并在液晶屏上及時做出 提示。當(dāng)電流和電壓正常范圍內(nèi)時，單片機輸出信號為低電平，蜂鳴器不工作。 與單片機的連接如圖2.3.4所示。2.4顯示模塊2.4.1LCD12864液晶顯示模塊簡介1、定義:我使用的這種分辨率是很高的液晶顯示模塊，再次想實現(xiàn)全中文人機交互圖 形界面，只要利用自身靈活的接口方式和簡單方便的操作指令即可實現(xiàn)，拿該液 晶顯示原理與其他液晶顯示原理相比較，一方面價格是

45、低于其它液晶模塊的，更 重要的一方面是硬件電路結(jié)構(gòu)和顯示程序要簡單點1202、基本特性：(1)低電源電壓供電：+3.0V- +5.5V ;(2)顯示分辨率：128X 64點；(3)2MHZ勺時鐘頻率；(4)視角方向：6點；(5)背光方式：功耗為普通LED的1/5甚至只有1/10，側(cè)部白色LED21(6)無需片選信號，簡化軟件設(shè)計；(7)內(nèi)置DC-DC轉(zhuǎn)換電路故無需外加負壓;(8)通訊方式：串行、并口均可使用。242模塊主要硬件構(gòu)成說明控制器接口信號說明:1、RS R/W的配合選擇決定控制界面的4種模式;2、E信號如下表2：E犬態(tài)執(zhí)行動作結(jié)果高一 氐I/O緩沖送給DR配合W寫數(shù)據(jù)或者指令高DF送

46、給I/O緩沖配合R賣數(shù)據(jù)或者指令低/低一 高無動作無動作243模塊接口說明管腳號管膏腳名稱電平口 T說明表管腳功能描述1VSS0V電源地2VCC3.0- +5V電源正3V0-對比度(亮度)調(diào)整4RS(CSH/LRS=H,DB至DB0據(jù)的顯示RS=L,DB至DB(指令數(shù)據(jù)的顯示5 RW(SID) H1/LR/W=H,E=H數(shù)據(jù)被讀至U DB至DB0R/W=L,E=HL, DB7 至DB(數(shù)據(jù)被寫入 IR或者 DR6 E(SCLK)卜卜I/L使能信號7DB0H/L二態(tài)數(shù)據(jù)線8DB1H/L二態(tài)數(shù)據(jù)線9DB2H/L二態(tài)數(shù)據(jù)線10DB3H/L二態(tài)數(shù)據(jù)線11DB4H/L二態(tài)數(shù)據(jù)線2212DB5H/L二態(tài)數(shù)

47、據(jù)線13DB6H/L二態(tài)數(shù)據(jù)線14DB7H/L二態(tài)數(shù)據(jù)線16NC-空腳17RESETH/L復(fù)位端，低電平有效18VOUT-LCtB動電壓輸出端19AVDD背光源正端（+5V）20KVSS背光源負端注：字符顯示的RA的地址與32個字符顯示區(qū)域有著一一對應(yīng)的關(guān)系，其對應(yīng) 關(guān)系如下表4所示。80H81H表的數(shù)爛 文顯示地址對85Ht86H87H電壓kV90H91H92H93H94H95H96H97H電流A88H89H8AH8BH8CH8DH8EH8FH98H99H9AH9BH9CH9DH9EH9FH244vccLCD 12864 和引墜2442.5電網(wǎng)參量測量系統(tǒng)總原理圖I 91 1 11i呆匚26

48、2.6元器件清單表4 元 器序號名稱型號清單表數(shù)量單位備注i電壓互感器TVJDJ-101個額定電壓10kV2電流互感器TALQJ-101個額定一次電流5-300A3高壓負荷開關(guān)QLFN3-10T2個過負荷時自動跳閘4高壓熔斷器FURN1-102個短路和過負荷保護5低壓熔斷器FURN型2個額定電流為0.5A6A/D轉(zhuǎn)換器ADC08091片模數(shù)轉(zhuǎn)換7單片機MCS511個控制器8LCDS晶顯示器LCD128641個顯示電壓電流值9晶振頻率為12MHz1個為電路產(chǎn)生振蕩頻率10或非門CD40002個信號轉(zhuǎn)換11非門CD40691個信號轉(zhuǎn)換12地址鎖存器74LS3731個鎖存信號地址13電阻953k1個

49、分壓14電阻100k1個分壓15電阻51k1個分壓16電阻10k1個分壓16電阻300?1個限流17電容20p2個晶振電路組成元件17D觸發(fā)器74HC741個觸發(fā)脈沖18三極管Q1 80501個放大信號19蜂鳴器B1 BELL1個報警27入片內(nèi)RA啲30H 31H地址單元中。ORG 0000HLJMP MAINORG 0003HLJMP INT0FORG 0100HMAIN: MOV R0,#30HMOV DPTR,#30HSETB IT0SETB EX0SETB EAMOVX DPTR,ALJMP $中斷服務(wù)程序：INTOF: MOVX A,DPTRMOV R0AINC R0INC DPTR

50、CJMP R0 #31H,NEXTCLR EX0RETINEXT: MOVX DPTR,ARETI;轉(zhuǎn)入主程序;INTO中斷服務(wù)入口地址;INTO中斷服務(wù)；內(nèi)部數(shù)據(jù)指針指向30H單元；指向P2.7 口，且選通INT0 （低3位地址為000）;設(shè)置INT0下降沿觸發(fā);允許INT0中斷；開總中斷允許;啟動A/D轉(zhuǎn)換;等待轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷;取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果；存結(jié)果;內(nèi)部指針下移;外部指針下移，指向下一路;未轉(zhuǎn)換完2路，繼續(xù)轉(zhuǎn)換;關(guān)INT0中斷允許;中斷返回;啟動下一路轉(zhuǎn)A/D轉(zhuǎn)換;中斷返回，繼續(xù)等待下一次3電網(wǎng)參量測量系統(tǒng)軟件程序設(shè)計3.1A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換程序注：采用了中斷方法，進行2路的A/D轉(zhuǎn)換，將I

51、N1、IN2轉(zhuǎn)換結(jié)果分別存END283.2LCD液晶顯示程序程序：/*12864程序模塊*/#defi ne uchar un sig ned char#defi ne uint un sig ned int/* LCD12864液晶命令寫入子程序*/void Write_Cmd(uchar cmd)Busy();測忙E=1;0為關(guān)閉使能端,1為打開使能端RS=0;1為指令,0為數(shù)據(jù)RW=0;1為讀,0為寫DATA=cmd;輸入命令cmd到DATADelay_1ms(20);延時20乘以120時間E=0;0為關(guān)閉使能端,1為打開使能端Delay_1ms(20);延時20乘以120時間/*128

52、64初始化程序*/void In it_12864(void) PSB_12864=0;選擇串口方式RST_12864=0; RST_12864=1;復(fù)位write_cmd(0 x30);設(shè)置基本指令集delay_1ms (5);write_cmd(0 x0c);游標關(guān)閉，整體顯示開，游標不顯示位置delay_1ms (5);write_cmd(0 x01);清除顯示29生成坐標地址進入LCD12864寫入字符串測忙0為關(guān)閉使能端,1為打開使能端1為指令,0為數(shù)據(jù)1為讀,0為寫輸入數(shù)據(jù)K到DATAdelay_1ms(5);/*寫入字符串子程序*/void_wrstri ng12864(ucha

53、r x,uchar y,uchar *p)If(x=1) x=2;行地址轉(zhuǎn)換Else if(x=2)x=1;Write12864(0 x80+8*x+y,0);While (*p) write12864(*p,1);p+;/*字符串顯示：*/void_write12864(void)wrstri ng12864(1,1,“電壓”)；wrstring12864(1,7,“KV” );wrstri ng12864(2,1,“電流”)；wrstring12864(2,7,“A”)；/*數(shù)據(jù)載入子程序*/void Write_Data(uchar k)Busy();E =1;RS=1;RW=0;DAT

54、A=k;30LCD1286接收地址命令數(shù)據(jù)大小被寫入LCD1286用來顯示數(shù)據(jù)1為指令,0為數(shù)據(jù)1為讀,0為寫Delay_1ms(20);E =0;延時0時使能端被關(guān)閉,1時使能端被打開Delay_1ms(20);延時/*子程序顯示數(shù)據(jù)*/void Display(uchar y,uchar x,uchar i,uchar *z) uchar Address;if(y=1)Address=0 x80+x;if(y=2)Address=0 x90+x;if(y=3)Address=0 x88+x; if(y=4)Address=0 x98+x; Write_Cmd(Address);while(

55、i)Write_Data(*(z+); i-;/*子程序的讀狀態(tài)*/void Busy()uchar busy;doE = 0;RS = 0;RW = 1;Delay_1ms(20);E = 1;31busy=P1;Delay_1ms(20);E = 0;while(bus y&0 x80);void LCD_display(void) write12864()Display()324總結(jié)與展望本設(shè)計是基于51單片機的電網(wǎng)參量測量系統(tǒng)設(shè)計，首先是方案的選擇，這 是課程設(shè)計的最主要的環(huán)節(jié)。然后到圖書館查文獻，到辦公室找老師并且解決問 題，確立整體的設(shè)計思路。硬件方面基本上是參照了所有的本科所學(xué)專業(yè)課，包 括供電技術(shù)、電氣測量、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、單片機等。軟件方面參 考了一些文獻，主要是顯示模塊的程序代碼設(shè)計。畫原理圖，比如一個模塊的設(shè) 計要參考這個模塊的多個相關(guān)書籍才能真正弄明白原理。本次設(shè)計的最大優(yōu)點是通過最后的高精度 LCD顯示電壓、電流值，比較快 速、精確；在控制器模塊增加了蜂鳴器報警電路實時監(jiān)測電路。在設(shè)計的過程中 存在的不足是理論知識理解還不夠扎實，對于各個模塊的硬件設(shè)計還不夠連貫。 另外軟件程序這塊不是太理想，自己也是不太精通明白，希望以后自己在這個方 面可以大大訓(xùn)練，多查資料，多實踐編程！總的來說通過這次設(shè)計實驗，不僅讓我們專業(yè)能力有了提高，同時也鍛煉我