基于单片机的智能开关研制本科毕业论文(编辑修改稿)

基于单片机的智能开关研制本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

实际上就 任一相电压与该相电流之间夹角的余弦值。 图 210 给出了三相输电线路的相电压、相电流的矢量图，相位角为  ，则可计算出功率因数 cosk。 图 210 相电压、相电流矢量图 广西大学本科毕业论文 基于单片机的智能开关研制 12 测量 相位角可采用的方法是首先将正弦信号整形为方波，再利用方波的边沿作为中断源触发中断来实现。 如图 2－ 11所示，为将两路正弦波整型为方波的原理图： R11 0 kR24 .7 kR34 .7 kD1 D232184U 1 AL M 3 5 8D5L E DU4NOTU5NOTT P 5 2 1 2S ig n a l_ UV C CR41 0 kD3 D4567U 1 BL M 3 5 8D6L E DS ig n a l_ I+ 1 2 V1 2 VUI 图 211 正弦波整型为方波电路 具体实现过程为：交流电压和电流信号经过运放分别整形为方波，经过光电隔离加以整理并去掉负半波，再经过施密特触发器整形为 TTL 电平的波形。 获得了电压和电流信号转换来的 TTL 信号，来求得相位角。 在采集过程中，关键是利用 AVR 单片机的输入捕获引脚： ICP。 该引脚的功能为捕捉边沿信号。 其特点为能记录当前定时器 /计数器 1 的值。 当该引脚边沿触 发时，可以将当时的定时器 /计数器 1的值放入寄存器。 整形后的电压信号输入 AVR 的外部中断引脚，上升沿触发中断。 单片机接收到上升沿触发中断后，将定时器 /计数器 1 清零并开始计数，直到下一个上升沿中断的到来，该时间间隔即为一个周期，其倒数即为频率，如图 212所示： 图 212 正弦波转方波求 采样信号周期 T 整形后的电流信号输入 AVR的输入捕获引脚 ICP，通过单片机内部的 ICP寄存器读取。 由其值与周期值的比值，可计算出相位角，并推断出电压和电流之间的时间关系。 其过程可由图 2－ 13 所 示： 广西大学本科毕业论文 基于单片机的智能开关研制 13 图 213 采 集 求 相位角 的 信号 使用本方法可以 求得 一个 采集 周期内电网的频率、周期、相位角，并 求出 电压和电流在时间上的关系。 功率计算 通过前面采集到的交流电压、电流的采样值和功率因数值，由以下方法可以获得系统的视在功率、有功功率和无功功率。 经过电流与电压的采样，可获得电压与电流的有效值：  310 2321 k ikUU （ 31,1,0 k ） (23)  310 2321 k ikII （ 31,1,0 k ） （ 24） 由公式（ 23）和（ 24） 可 求 得到系统的视在功率 S ： IUS  （ 25） 有功功率和视在功率 、 功率因数之间的关系 ： SPk  cos （ 26） 由公式（ 26） 可以求得 有功功率 P ： cosSP （ 27） 系统的无功功率 Q： 广西大学本科毕业论文 基于单片机的智能开关研制 14 sinSQ （ 28） 至此， 通过 单片机获得了交流电压和电流的有效值、电网频率、周期、相位角、功率因数、视在功率、有功功率和无功功率等全部的电力参数。 温度测量 该系统采用温度传感器为 DS18B20，把 温度 直接 转换为数字 信号传给单片机， 测 温范围－ 55℃ ～＋ 125℃ ， 工作 电压范围： ～ ，在寄生电源方式下可由数据线供电。 DS18B20 测温系统 具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用 接线端 口少等优点 ， 单 点测温 电路如 214 所示。 图 214 外部供电方式的 单 点测温电路 要想使 DS18B20 进行精确的温度转换， I/O 线必须保证在温度转换期间提供足够的能量，由于每个 DS18B20 在温度转换期间工作电流达到 1mA，当几个温度传感器挂在同一根 I/O 线上进行多点测温时，只靠 上拉电阻就无法提供足够的能量，会造成无法转换温度或温度误差极大。 为了测温系统 稳定可靠，抗干扰能力强， DS18B20 采用 外部电源供电方式 ， 在外接电源方式下，可以充分发挥 DS18B20 宽电源电压范围的优点，即使电源电压 VCC降到 3V 时，依然能够保证温度量精度。 在外部电源供电方式下， DS18B20 工作电源由 VDD引脚接入，此时 I/O 线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个 DS18B20 传感器，组成多点测温系统 ，如图 215所示。 在外部供电的方式下， DS18B20 的 GND 引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是 85℃。 广西大学本科毕业论文 基于单片机的智能开关研制 15 图 215 外部供电方式的多点测温电路 DS18B20 虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接 方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题： （ 1） 较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于 DS18B20 与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对 DS18B20进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果 ； （ 2） 当单总线上所挂 DS18B20 超过 8 个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题 ； （ 3） 连接 DS18B20 的总线电缆是有长度限制的。 当采用普通信号电缆传输长度超过 50m 时，读取的测温数据将发生错误。 当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达 150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长 ； （ 4） 在 DS18B20测温程序设计中，向 DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待 DS18B20的返回信号，一旦某个 DS18B20 接触不好或断线，当程序读该 DS18B20 时，将没有返回信号，程序 将会 进入死循环。 过电压保护 过电压对于电源来说是一个非常有害的信号，雷电等引起的瞬时高电压如果不加遏制，直接由电源引入 RTU（远程终端设备）则会影响其电源模块的正常工作，使各功能模块的工作电压升高而工作不正常，严重时会损坏模块， 烧坏元器件（ IC）。 过电压保护的基本原理是在瞬态过程电压发生时 （微秒或纳秒级） ，通过过电压检测电路对这个信号进行检测。 过电压检测电路中主要的元件是压敏电阻。 压敏电阻相当于很多串并联在一起的双向抑制二极管。 电压超过箝位电压时，压敏电阻导通 ， 从输出端输出脉冲信号，通过脉冲信号来驱动保护电路； 电压低于箝位电压时，压敏电阻截止 ， LM393 的输出端为零，不执广西大学本科毕业论文 基于单片机的智能开关研制 16 行保护电路。 压敏电阻工作极为迅速，响应时间在纳秒级。 过电压检测 工作原理图如图 216所示。 图 216 过电压检测电路原理图 漏电保护 图 217 是漏电保护原理图，其中 S1 是手动开关。 在电路正常使用时，零序电流互感器 LH 二次绕组无输出信号，保护装置不 执行 动作。 当电路发生漏电或人身触电事故时，只要漏电或触电电流达到漏电保护装置的动作电流值时，零序电流互感器二次绕组输出一个信号，使线路中的晶闸管 VT1 被触发导通，整流桥被短接，使得漏电脱扣器 TQ 中流过一个较大的电流，脱扣器动作，自动断开电路，切断电源的火线，起到保护作用。 图 217 漏电保护 电路 原理图 广西大学本科毕业论文 基于单片机的智能开关研制 17 第三章 人机交互接口设计 在本设计中，除了将信息通过无线电收 /发模块传回上位机，在子机上也设置了 由键盘组和显示模块组成的人机交互接口以便在现场进行调试和参数的设定，其 软件设计及软件流程图 如 31所示。 图 31 软件流程图 键盘的设计 系统预留了 3 1 的按键组进行人机交互。 三个按键分别为确认 /翻页键和增大、减小待调整参数值键。 在应用于智能开关系统可通过键盘实现显示菜单的翻页 及 电压、电流的上下限值、三相不平衡度等值 的设定。 A/D 转换的参考电压存在一定温漂，可能出现数据采集系统调校准确 ，广西大学本科毕业论文 基于单片机的智能开关研制 18 但 装机后又出现电压、电流与实际值不符的情况 ， 在本设计中可在装机后通过键盘组精细调节电压、电流值以便校准。 键盘扫描电路如图 32 所示 ，在键盘输入中，因按键是机械结构，在键闭合与弹开的时候，往往会生抖动，如果不经过合理的处理，系统可能会把一次按键误认为是连续按了多次键。 因此，必须对按键的抖动作相应的处理。 克服按键抖动常用的方法有两种 :一种是用硬件消除，即在每个键上加 RC 滤波电路或用一个 RC 触发器组成防抖动的电路，如图 33所示。 图 32 键盘扫描电路 图 33 防止抖动的电路 另一 种 方法是用软件延时程序 ， 待按键状态稳定后再 去 读 按 键的信息 ，防止误判断。 在本设计中采用了第二种方法。 在键 盘程序的设计中，扫描键盘设定合适的去抖动时间。 LCD 显示 显示部分 可 采用北京青云创新科技发展有限公司的 FYD12864 液晶显示模块，可以通过串行的方式显示 128 列 64行的点阵 ， 也可根据实际情况选择数码管或 LCM1602 液晶模块作为显示模块。 液晶显示器件（ Liquid Crystal Display， LCD）以其功耗低、体积小、超簿、色调柔和等一系列优点而被广泛应用。 液晶显示器件可分为段式、字符式和点阵式三种。 其中点阵式 LCD 可以通过逐点的点亮液晶来显示图片。 但显示字符时需要另外建立字库。 由于 AVR 单片机的存储空间有限，没有大量的存储空间用于存放字库，因此 可 本设计中选用的 FYD12864 液晶显示模块为字符式，自带中文字库，可方便地显示中英文字符和数字。 当使用 FYD12864 液晶显示模块时，采用静态扫描的方式，每次参数值广西大学本科毕业论文 基于单片机的智能开关研制 19 发生改变才对显示内容进行刷新。 FYD12864 液晶显示模块与单片机之间的通信方式可选用并行或串行方式两种。 在本设计中， 可 采用串行方式，仅需片选端（ CS）、串行数据输入端（ SID）即串行同步时钟（ CLK）三个信号管脚便能实现对其控制，有效的节省了单片机的引脚资源。 但是 目前液晶显示 模块的成本仍然较高， 所以 在实际应用中也可选用数码管组进行显示。 当使用数码管进行显示时，采用动态扫描方式。 在短时间内逐个扫描数码管，使目测起来数码管总是为点亮状态，该方式的功耗较之静态扫描要小。 由于两个数码管组需要 8 位段码以及 8 位位码，总共 16 个引脚进行控制。 如果直接与单片机连接对单片机的驱动能力及引脚资源都是一个严峻的考验。 可以使用 2 个 8位移位寄存器 74HC595，将 串 联 转换为并联的电路来驱动数码管组，其原理图如图 3－ 4 所示。 图 3－ 4 用移位寄存器控制数码管 广西大学本科毕业论文 基于单片机的智能开关研制 20 第四章 数据通信设计 单片机因其优越的 性价比和 强大 的功能而被广泛的应用于测控领域。 PC则因为丰富的软、硬件资源，被广泛应用于网络监控系统中。 因而可用 一台PC 与多台单片机组成主从式网络测控系统。 串行通信是计算机和外部设备进行数据交换的重要渠道，由于其成本低，性能稳定并遵循统一的标准，因而在工程中被广泛应用。 本 章介绍的数据通信的 下位机采用 单片机 ATmega8，总线标准采用的是测控系统常用的 RS485。 数据通信系统的硬件设计 尽管 RS232 有些缺点 ， 但在两台设备的短距离 间 信息传输时， RS232还是可以作为过渡器件使用。 但对于多台设备的 长距离传输，以往常用的 RS－ 232 协议在很大程度上 就 不能满足设计的要求， 例如 传输速率慢，传输距离短，传输信号易受外界 干扰等缺点。 而 RS485 是一。