基于单片机的电力系统电压电流监测

基于单片机的电力系统电压电流监测内容摘要：

”信号，表示输入电压过量程。 如果输入模拟电压 UiUR/2n1，则过量程信号和各段鉴别与门输出均为 0，表示输入电压小于 1/2LSB，认为 Ui=0。 从理论上讲，并行比较式 A/D 转换只需要一个时钟周期，但实际上却占用两个周期。 第一个时钟周期用于将 输入信号寄存在可锁存电压比较器中，第二个时钟周期用于对比较结果进行编码，并输出数据。 并行比较式 A/D 转换具有如下特点： （ 1）由于转换是并行的，其转换时间只受比较器、触发器和编码电路延迟时间的限制，因此转换速度最快。 （ 2）随着分辨率的提高，原件数目要按几何级数增加。 一个 n 位转换器，所用比较器的个数为 2n 1，如 8位的并行 A/D 转换器就需要 28 1=255 个比较器。 由于位数愈多，电路愈复杂，因此制成分辨率较高的集成并行 A/D 转换器是比较困难的。 第 9 页 共 16 页 （ 3）为提决绝高分辨率和增加原件数的矛盾，可以采取分级并 行转换的方法。 例如 10 位分级并行 A/D 转换器，输入模拟信号 Ui，经取样 — 保持电路后分两路，一路先经第一级 5 位并行 A/D 转换进行粗转换，得到输出数字量的高 5 位，另一路送入减法器，与高 5 位 A/D 转换得到的模拟电压相减。 由于相减所得到差值电压小于 1VLSB 为保证第二级 A/D 转换器器的转换精度，将差值放大 25=32 倍，送第二级 5 位并行比较 A/D 转换器，得到低 5 位输出。 这种方法虽然在速度上做了牺牲，却使原件数大为减少，在需要兼顾分辨率和速度的情况下常被采用。 4 电荷平衡式 U/f 转换 U/f 转换也是数模转换的一种实现方 法。 电荷平衡式 U/f 转换的原理电路中，输入模拟电压Ui与 R 构成对积分器的充电回路。 恒流源 IR与模拟开关 S 则构成对积分器的反充电回路。 整个电路构成可视为一个震荡频率受输入电压 Ui控制的多偕振荡器。 当积分器的输出电压Uint下降到零时，零电压比较器发生跳变，触发但稳态定时器，产生一个宽度为 t0的脉冲，该脉冲使开关 S 导通。 在电路设计中要求 IR Uimax/R，因此，在 t0 期间积分器是以反充电为主，使积分器负积充电， Uint 逐渐下降，当 Uint 下降到 0V 时，零电压比较器反转，又使单稳态定时器产生一个 t0脉冲，再 次反充电，如此不断的震荡循环下去。 在一个周期 T 中，输入电压 Ui和 R 一直处于充电工作状态，恒流源 IR只持续时间 t0的反充电过程。 根据一个周期中充电电荷量与反充电电荷量相等的电荷平衡原理，可得 输出震荡频率 f 上式表明，输出电压频率 f 与输入电压 Ui成正比，从而实现了 U/f转换。 U/f 转换精度与 IR、t0及 R 的准确性和稳定性有关。 积分电阻 R 可用来调节 U/f 的标称传递关系。 U/f 转换与上述三种 A/D 转换的不同之处在于：上述三种 A/D 转换输出的是并行二进制数据（也有串行二进制数据），而 U/f 转换输出的则是串 行频率信号。 因此 U/f 转换与计算机接口简单、灵活，只要用一路输入通道，可以是计算机（或单片机）的一根 I/O 口线、中断源输入或计数输入。 由于 U/f 转换将直流模拟电压转换成一频率数字信号，因此易于实现光电隔离和信号的远传。 U/f 转换与双积分式 A/D 转换有相似之处，都采用了对输入信号的积分，因此 U/f转换同意也是具有很强的抗干扰性能。 U/f 转换具有良好的精度和线性度，频率输出动态范围宽，最高可达 100kHz. 4． 5． 2 ADC0808 模数转换器 根据 A/D 转换原理，数模转换电路可以分为以下几种类型： （ 1） 并 行 A/D 转换器。 是一种用编码技术实现的高速 A/D 转换器，价格较高，仅用于要求高速度的场合。 第 10 页 共 16 页 （ 2）逐位比较式 A/D 转换器。 在精度上、速度上和价格上都始终是最常用的 A/D 转换器件。 （ 3）双积分式 A/D 转换器。 具有精度高、抗干扰性能好、价格低廉等特点，但速度慢。 综合从速度、精度和价格三方面考虑，最终选择 ADC0808。 ADC0808 是 8 位 MOS 型逐位比较式 A/D 转换芯片，具有地址锁存控制的 8路模拟开关，应用单一 +5V 电源供电。 其模拟量输入范围为177。 5V，对应数字量输出范围为 00H~0FFH，输出具有 TTL 三 态锁存缓冲器，可以直接链接到单片机数据总线上。 转换时间为 100us，无需调零和调满量程。 其 结构如图所示： ADC0808 结构图 图中，多路开关可以选通 8个模拟通道 ，允许 8 路模拟量分时输入，共用一个 A/D 转换器进行转换。 地址锁存与译码电路完成对 A、 B、 C3 个地址进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择。 8 位 A/D 转换器是逐位比较式 A/D 转换芯片，由控制于时序电路、逐次逼近寄存器、树状开关以及 256R 电阻阶梯网络等组成。 输出锁存器用于存放和输出转换得到的数字量。 ADC0808 芯片为 28 引脚双列直插式封 装，引脚图如图所示： 第 11 页 共 16 页 引脚功能如下： IN0~IN7： 8 路输入通道的模拟量输入端口。 ADC0808 对输入模拟量的要求主要有：输入模拟电压范围177。 5V，若信号过小，还需进行放大。 另外，模拟量输入在 A/D 转换过程中，其值不应变化，因此，对变化速度快的模拟量，在输入前应增加采样 /保持电路。 START：启动输入控制端口。 脉冲式启动，脉冲下降沿有效。 START 上升沿时，所有内部寄存器清零， START 下降沿时，开始 A/D转换。 在 A/D 转换期间， START应保持低电平。 EOC：转换结束信号脉冲输出端，高电平有效。 转 换结束到下次启动转换期间， EOC 保持高电平不变。 该信号既可以作为查询的状态标志，又可以作为中断请求信号使用。 OE：输出允许控制端口。 为脉冲信号，脉冲的有效高电平打开三态输出锁存器，将转换结果的数字量输出到数字总线上。 OE 信号由 CPU 读信号和片选信号组合产生。 CLK：外部时钟脉冲输入端。 ADC0808 内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供。 通常使用频率为 500KHz 的时钟信号。 ADDA、 ADDB、 ADDC： 8 路模拟开关的 3 位地址选通输入端， A为低位地址， C 为高位地址，用来选择相应的输入通道。 其对应关系 如表所示： 地址码 选通的模拟通道 C B A 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 第 12 页 共 16 页 1 1 1 IN7 通道地址码对应关系 ALE：地址锁存允许信号。 对应 ALE 上升沿， A、 B、 C 地址状态送入地址锁存器中。 D0~D7：数据输出线。 为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。 Vcc： +5V电源。 Vref：参考电压。 参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐位比较的基准。 ADC0808 的时序如图所示： 4． 6 单片机的选择 单片机选择 Intel 公司生产的 80C51 单片机， 80C51 单片机是具有 16 为地址线的 8 位机，它带有 4KB 片内 ROM， 128 字节的片内 RAM，最大工作频率为 12MHz，同时，具有 32 条输入输出线， 2 个 16 位定时器 /控制器， 5 个中断源， 1 个串行口。 80C51 的特点： （ 1）集成度高。 80C51芯片内部包括了 128 的字节的 RAM， 4 个 8位并行 I/O 口， 1 个全双工的串行口， 2 个 16位定时器 /控制器，以及一个处理功能很强的中央处理器。 在许多简单的应用场合，用一片 80C51 就可以实现系统的功能要求。 （ 2）系统结构简单，性价比大大超过 Z80 的微型计算机。 （ 3）系统扩展方便。 80C51 单片机外扩至 64k 字节程序存储器和 64k 字节的外部 RAM 和I/O 口的能力。 当 80C51 芯片内部的 RAM 和 I/O 口线不能满足系统功能要求时，使用一些普通的扩展芯片就可以进行扩展。 （ 4）抗干扰性能强，可靠性高。 80C51 单片机的总线大多在芯片内部不易受干扰，而且采 第 13 页 共 16 页 用 80C51单片机构成的应用系统结构简单，容易采取各种抗干扰措施（屏蔽、接地等）， 适用环境广，在各种恶劣的情况下都能可靠的工作。 （ 5）处理能力强，速度快。 80C51 单片机的指令系统中有加、减、乘、除以及各种逻辑运算和转移指令，还具有位操作能力，特别适合工业控制系统、消费产品的开发。 CPU 的时钟频率可达 12MHz甚至更高，指令系统中近 50%的指令为单字节指令，指令执行速度快。 完成单字节乘法和单字节除法仅需 4μ s（时钟频率为 12MHz）。 4． 6． 1 80C51 单片机的引脚说明 80C51 单片机有 40 个引脚。 其引脚图如下图所示： 1 电源引脚 VCC（第 40 脚）：接电源 +5V。 GND（第 20 脚）：接电源负极，即接地。 电源应采用直流 +5V电源。 2 外接晶振引脚 XTAL1（第 19 脚）：片内反相放大器输入端。 XTAL2（第 18 脚）：片内反相放大器输出端。 3 输入输出引脚 ~（第 32~39 脚）： P0 口的 8 个引脚。 P0 口是一个漏极开路的 8 位准双向 I/O 口，每位能驱动 8 个 LSTTL负载。 在访问外部存贮器或进行 I/O 口扩展时，它分时作为低 8 位 地址总线和双向数据总线。 ~（第 1~8 脚）： P1 口的 8 个引脚。 P1 口是一个 8 位准双向 I/O 口，每一位可以直接驱动 4 个 LSTTL 负载。 ~（第 21~28 脚）： P2 口的 8 个引脚。 P2 口也是一个 8 位准双向 I/O 口，每一位也可以直接驱动 4 个 LSTTL 负载。 在访问外部存贮器时，它作为高 8 位地址总线。 （第 10 脚）： RXD（串行输入口，串行通信时，信号由此输入单片机）。 （第 11 脚）： TXD（串行输出口，串行通信时，单片机由此发送信号出去）。 （第 12 脚）： INT0（外部中断 0 输入口）。 （第 13 脚）： INT1（外部中断 1 输入口）。 （第 14 脚）： T0（定时器 0 外部输入口）。 第 14 页 共 16 页 （第 15 脚）： T1（定时器 1 外 部输入口）。 （第 16 脚）： WR（片外数据存储器 写选通输出口）。 （第 17 脚）： RD（片外数据存储器读选通输出口）。 4 控制引脚 （ 1） ALE/PROG（第 30 脚）：地址锁存有效信号输出端。 在访问片外数据存储器时，在其下降沿锁定低 8 位地址，以实现 P0口的地址总线和数据总线的分时复用。 当单片机上电正常工作以后该引脚上就会以时钟震荡频率的 1/6 的固定频率向外输出正脉冲信号，该信号可以作为对外输出的时钟脉冲。 （ 2） PSEN（第 29 脚）：程序存储允许输出端。 片外程序存储器的读选通信号，低电平有效。 （ 3） EA/VPP（第 31 脚）：片外程序存储器选用端。 该引脚接地时，只选用片外程序存储器，这时片内程序存储器没有作用。 该引脚接高电平时，选用片内 ROM。 （ 4） RST（第 9 脚）：复位信号输入端。 在此输入端保持两个机器周期的高电平有效信号，就可以完成复位操作，使单片机回复到初始化状态。 上电时，也是利用该引脚使单片机有效复位。 一般上电时，由于振荡器有一定的起振时间，为了保证有效复位，该引脚必须保持 10m 以上的高电平。 上电复位电路如图所示： 上电复位电路 其中电容 C1 和电阻 R1取值要求保证复位条件，一般 对 12MH中的晶振， C1 取 4μ F， R1取 10K 欧，可以可靠复位。 RST 引脚还有掉电保护功能，如果在该端接有 +5V的备用电源，在 Vcc 突然掉电时，可以保护片内 RAM 中的信息不丢失。 4． 6． 2 振荡器和时钟电路 80C51 单片机内含一个高增益的反相放大器，通过 XTAL1 和 XTAL2 外接晶振后，即可构成自激震荡器，驱动内部时钟发生器向主机提供时钟信号。 其接法如图所示： 第 15 页 共 16 页 单片机外接晶体的接法 C。