三相电源应用系统设计研究生类试卷说课讲解.doc

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研究生课程（论文类）试卷
课程名称： 单片机应用系统设计
论文题目： 三相电源应用系统设计
学生姓名：
专业﹑学号： 控制工程 127680545
学院： 光电信息与计算机工程学院
课程（论文）成绩：
课程（论文）评分依据（必填）：

任课教师签字：
日期： 年 月 日
课程（论文）题目：三相电源检测系统设计
内容：
设计一个用单片机进行三相电压与电流的硬件检测系统。该系统检测3相交流电压（AC220V×3）及3相交流电流（A、B、C线电流0～5A）。要求系统的传感器、放大器、A/D转换和计算产生的综合精度达到5%。
输出采用164×64（汉字16×16、西文8×8点阵）点阵的LCD方式显示的电路。
单片机电源由AC220V交流供电（需设计变压与整流稳压电路）。系统要有数字时钟芯片、≥2kB的RAM存储器扩展芯片。
要求：
硬件电路(protel或其它绘电路图软件)原理正确；有器件参数详细计算过程；设计过程流程图（技术准备、设计思路、方案、实施过程等）；并对总体电路进行详细的文字解说。

参考流程：
三相电压和电流——电压和电流互感器——转换及整流——转换（放大）为标准信号——A/D转换——单片机——LCD显示

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摘 要
该课题是基于MCS-51单片机的三相电源检测系统设计，对三相电压与电流的硬件检测系统。该系统检测三相交流电压（AC220V×3）及三相交流电流（A、B、C线电流0～5A）。要求系统的传感器、放大器、A/D转换和计算产生的综合精度达到5%。系统传感器使用巨磁电阻磁场传感器保证上下级隔离而不互相干扰，为减少A/D采样中的误差，A/D转换采用高精度16位的采样芯片ADS7809。输出采用164×64（汉字16×16、西文8×8点阵）点阵的LCD方式显示的电路。单片机电源由AC220V交流供电（需设计变压与整流稳压电路）。系统要有数字时钟芯片、≥2kB的RAM存储器扩展芯片。
关键词：单片机AT89S52, 三相电压和电流，GMR磁场传感器，A\D转换，LCD显示

Abstract
This topic is based on the MCS-51 MCU of three-phase power testing system designing, with the three-phase voltage and current hardware detection system.The system tests three-phase AC voltage (AC220V × 3) and three-phase alternating current (A, B, C line current 0 ~ 5 A). Requirements of the sensor system, amplifier, A/D conversion and calculation have comprehensive accuracy up to 5%. System sensor using giant magnetic resistance magnetic field sensor guarantees superior isolation without mutual interference, in order to reduce the error of A/D sampling, A/D conversion uses chip ADS7809 with high precision 16 sampling. The output is a circuit of 164 x 64 (Chinese 16 × 16, western 8 x 8 lattice) lattice LCD displaying. The MCU’power is supplied from AC220V communication power (need to design transformer and rectifier voltage regulator circuit). System should have digital clock chip, or 2 KB RAM memory expansion chip.
Keywords: MCS-AT89S52, three-phase voltage and current, GMR magnetic field sensors, A\D conversion, LCD display

第1章 绪论
1.1 引言
三相电路是由三相电源供电的电路。三相电源能产生三个频率相同而相位互异的随时间按正弦函数变化的电动势。如果每相电动势的振幅相等、相位依次相差120度则称为三相电动势。产生对称三相电动势且各相阻抗相等的电源的称为对称电源。当三相电动势的相序依次为A (或称为U相)—B(或称为V相)—C (或称为W相) （也可看成V—W—U或W—U—V）时称为正序，反之称为负序或逆序。 在三相电路中，电源或负载各相的电压称为相电压，端线之间的电压称为线电压，流过电源或负载各相的电流称为相电流，流过各端线的电流称为线电流。星形连接时，各相电压源的负极性连在一起称为三相电源的中点或零点。各相负载的一端接在一起称为负载的中点或零点。电源中点与负载中点的连线称为中线或零线。
1.2 研究背景
随着电力系统配电网络规模的扩大，网络的监测愈显重要。为了能够更加精确、简便的监测配电网络，提高电网的可靠性，利用单片机信号处理能力强的特点，在一种新的采样原理的基础上，设计了一种三相电压电流检测系统。目前的三相电压电流测试大多数都采用平均值法测量交流电压和电流的有效值。这种交直流转换法测量交变信号的有效值存在着诸多缺点：非真有效值测量、无法测量非正弦交变周期信号、可测频域窄、存在转换误差及直流漂移误差等。另外，由于电力电子技术的发展，导致电力系统谐波含量迅速增长，电压和电流波形产生畸变，对电力系统和用电设备的安全运行带来严重影响。为保证供电质量必须对三相电流电压进行稳定的采样，本课题采用GMR磁场传感器，该巨磁电阻传感器不仅可用来探测直流和交流而且还可保证上下级隔离而不相互干扰。应用单片机作为智能控制，对数据进行计算和处理。以及采用高精度16位的A/D采样芯片ADS7809来减少采样误差，并使用D/A芯片得到稳定的供电电压和电流。

第2章 系统概述
2.1 硬件总体设计
该系统主要由电压和电流数据采集模块、A\D转换模块、MCU模块、LCD显示模块、电源模块、整流放大模块。三相电压电流互感采样电路运用了整流电路降压稳压的特点得到稳定的单相电压和电流，电压互感器输入电压为交流220V输出电压为交流5V，精度为5%，供应电源由AC220V交流供电再经过变压与整流稳压电路输出相应电压，工作温度为-40~85℃，满足要求，输出的信号整流后能够被ADS7809芯片识别。三相交流电中每相电流为交流5A，这电流要求比较大，大电流在电路中作用功耗大，应该降压成小电流，然后再进行整流，整流后进行I/V变换，转为5V的电压送给ADS7809芯片进行A\D转换，转换后送给单片机处理，采用164×64（汉字16×16、西文8×8点阵）点阵的LCD方式输出显示。电路模块如图1所示。

图1 整体硬件电路

2.2 系统各模块硬件电路设计
2.2.1 单片机最小系统电路
AT89S52单片机有40个引脚，共分为端口线、电源线和控制线三类。其中有2个专用于主电源引脚，2个外接晶振的引脚，4个控制或与其它电源复用的引脚，以及32条输入输出I/O引脚。
下面按引脚功能分为4个部分叙述各个引脚的功能。
1、电源引脚VCC和VSS
VCC（40脚）：接+5V电源正端；
VSS（20脚）：接地线。
2、外接晶振引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1（19脚）：接外部石英晶体的一端。在单片机内部，接至片内振荡器的反相放大器的输入端。当采用外部时钟时，对于HMOS型单片机，该引脚接地；对于CHOMS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。
XTAL2（18脚）：接外部石英晶体的另一端。在单片机内部，接至片内振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时，对于HMOS型单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。对于CHMOS型单片机，该引脚悬空不接。
3、控制信号或与其它电源复用引脚
控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP等4种形式。
（A）RST/VPD（9脚）：RST即为RESET，VPD为备用电源，所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机复位到初始状态。当VCC发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD（+5V）为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。
（B）ALE/ PROG（30脚）：当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出，用于锁存出现在P0口的低8位地址。
（C）PSEN(29脚):片外程序存储器读选通输出端,低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期PESN两次有效，以通过数据总线口读回指令或常数。当访问外部数据存储器期间，PESN信号将不出现。
（D）EA/VPP（31脚）：EA为访问外部程序储器控制信号，低电平有效。当EA端保持高电平时，单片机访问片内程序存储器4KB（MCS—52子系列为8KB）。当超出该范围时，自动转去执行外部程序存储器的程序。当EA端保持低电平时，无论片内有无程序存储器，均只访问外部程序存储器。对于片内含有EPROM的单片机，在EPROM编程期间，该引脚用于接21V的编程电源VPP。【8】
4、输入/输出（I/O）引脚P0口、P1口、P2口及P3口
(A) P0口（39脚～22脚）：P0.0～P0.7统称为P0口。当不接外部存储器与不扩展I/O接口时，它可作为准双向8位输入/输出接口。当接有外部程序存储器或扩展I/O口时，P0口为地址/数据分时复用口。它分时提供8位双向数据总线。 对于片内含有EPROM的单片机，当EPROM编程时，从P0口输入指令字节，而当检验程序时，则输出指令字节。
(B) P1口（1脚～8脚）：P1.0～P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O接口使用。对于MCS—52子系列单片机，P1.0和P1.1还有第2功能：P1.0口用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2；P1.1用作定时器/计数器2的外部控制端T2EX。对于EPROM编程和进行程序校验时，P1口接收输入的低8位地址。
(C) P2口（21脚～28脚）：P2.0～P2.7统称为P2口，一般可作为准双向I/O接口。当接有外部程序存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用于高8位地址总线送出高8位地址。对于EPROM编程和进行程序校验时，P2口接收输入的8位地址。
(D) P3口（10脚～17脚）：P3.0～P3.7统称为P3口。它为双功能口，可以作为一般的准双向I/O接口，也可以将每1位用于第2功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第1功能的输入输出或第2功能。
单片机最小系统是由包括晶振、复位电路、电源和AT89S52单片机组成。其电路图如图1所示。

图1 单片机最小系统
2.2.2 电源电路
直流稳压电源是电子设备中最基本、最常用的仪器之一。它作为能源，可保证电子设备的正常运行。直流稳压电源一般由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路三部分组成。
电路中为了防过压或过流，在信号进入互感器之前接入压敏电阻，这种相当常见的电阻虽然价格低廉，但在电路中却起着重要的作用。压敏电阻在电路中的作用可以形容为保险丝，压敏电阻有其最大的耐压值，当通过压敏电阻的电压超过最大耐压值时，压敏电阻就会被击穿，形成短路，从而可以保证后面电路中部件或配件的安全。从电网上传送过来的电压和电流经过电压和电流互感器之后，将强电信号转换为弱电信号。
图2 电源整流稳压模块
2.2.3电流互感采样及I/V转换电路
电流采样电路采样现场电流大小并显示。对该电路的要求是，采样精度高，采样及时准确。所以实际电路使用GMR 传感器进行电流采样和I/V转换电路如图3所示。
GMR 传感器基于巨磁电阻效应，即在外磁场的作用下传感器电阻会发生巨大的变化，当磁场为零时，GMR 材料的电阻最大；在磁场正向或者负向增大时，GMR 材料的电阻均减小，且不同结构材料电阻下降的百分比不同。除直接测量磁场以外，GMR 传感器在电流、位移、线速度、角度、角速度和加速度等物理量的测量和生物检测上也得到应用。
GMR磁场传感器不仅可用来探测直流和交流而且还可保证上下级隔离。随着半导体集成技术的发展，目前已把GMR薄膜传感器和集成线路板结合在一起，从而实现了小型化、集成化，提高了灵敏度和降低了成本。另外电流探测原理，目前已经用作隔离器、开关电源和无刷直流电机系统。隔离器主要是把高电压及高电流情况下的初级信号通过电压/频率转换并传给下一级，在下一级再通过频率/电压转换成为电压或电流信号，因此上下级而不相互干扰。

图3 电流互感采样及I/V转换电路
2.2.4 电压互感采样及I/V转换电路
电压采样电路采样现场三相电压大小并显示。三相电通过电压互感器变压，然后通过桥式整流电路整流。输出时按其匝数比与一次侧和二次侧比的关系选择大约9V的输出，而后又接入GMR磁场传感器输出，可以输入到AD转换器的电压值U01、U02、U03。如图4所示。

图4 电压互感采样及I/V转换电路
2.2.5 A/D采样系统
系统要求A/D转换精度高，转换误差小，要求采用二进制的高精度的A\D芯片，所以有两种方案可供选择.
方案一 : 用1片12位并行A\D集成芯片AD574A，12位并行AD574A集成芯片的转换速度快，而且精度高，缺点是其占用大量的单片机端口，外围电路较复杂。
方案二 ：采用一片16位高精度A\D采集芯片ADS7809，其优点是采样精度高,而且占用单片机的端口资源较少，外围电路也比较简单，采用5V单电源供电,内含16位逐次逼近寄存器,功耗小。A/D转换电路运用了芯片ADS7809，把由电压电流互感采样电路得到的模拟量转换为二进制的16位精度的数字信号，A\D采样电路里用了CD4051，CD4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有三个二进制控制输入端A、B、C和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.5～20V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。由CD4051和ADS7809组合在一起，形成分别对三路电压和电流的采样，然后把采样的信号送给ADS7809进行A\D转换，转换后的信号送给单片机进行处理。
本系统考虑到对数据采样的速度和采样精度要求，而且串行A\D芯片占用单片机的端口资源较少，外围电路也比较简单，容易实现，所以最终决定选择方案二来实现对输入电压的采样。

图5 A\D采样电路
2.2.6 LCD显示模块
电路要求输出采用164×64（汉字16×16、西文8×8点阵）点阵的LCD方式显示的电路。故采用LCD12864液晶显示模块。
带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字， 也可完成图形显示。低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。
其基本特性有:
（1）、低电源电压（VDD:+3.0--+5.5V）（2）、显示分辨率:128×64点 （3）、内置汉字字库，提供8192个16×16点阵汉字(简繁体可选) （4）、内置 128个16×8点阵字符 （5）、2MHZ时钟频率 （6）、显示方式：STN、半透、正显 （7）、驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS （8）、视角方向：6点 （9）、背光方式：侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/5—1/10 （10）、通讯方式：串行、并口可选 （11）、内置DC-DC转换电路，无需外加负压 （12）、无需片选信号，简化软件设计（13）、工作温度: 0℃ - +55℃ ,存储温度: -20℃ - +60℃。

图6 LCD显示电路
2.2.7 2KB的RAM存储器扩展电路
RAM芯片扩展选用6116芯片，地址信号A0~A7连接到锁存器74LS373输出端上，如图7所示。
HM6116是一种2K*8位的高速静态CMOS随机存取存储器,其基本特征是:
（1）高速度----存取时间为100ns/120ns/150ns/200ns(分别以6116-10、6116-12、6116-15、6116-20为标志)。
（2）低功耗——运行时间为150mW,空载时为100mW。
（3）与TTL兼容。
（4）管脚收出与标准的2K*8b的芯片（例如，2716芯片兼容）。
（5）完全静态——无须时钟脉冲与定时选通脉冲。
（6）HM6116有11条地址线（A0~A10）、8条数据线（I/O1~I/O8）、1条电源线、1条接地线GND和3条控制线——片选信号CE、写允许信号WE和输出允许信号OE（3条控制线低电平有效）。这3个控制信号的组合控制HM6116芯片的工作方式。

图7 RAM存储器扩展电路

2.2.8 实时时钟模块
数字时钟芯片DS1302，用于显示时间日期，具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟电路，包括DS1302的结构、工作原理及其在实时显示时间中的应用。它可对年、月、日、周、日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。
DS1302的引脚排列,其中VCC1为后备电源，VCC2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。X1和X2是振荡源，外接单片机晶振电路。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在VCC>2.0V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)。SCLK为时钟输入端。

图8 实时时钟电路

第三章 系统软件设计
在系统的软件设计中，采用模块化设计方法，使得程序结构清晰，便于今后进一步扩展系统的功能。系统软件有以下模块构成：主程序、时钟中断服务程序、数据采集处理子程序、显示程序等。主程序主要完成系统初始化，装置自检等任务。系统的初始化部分包括CPU各端口输入输出设置、外围驱动、译码电路的初始化、数据RAM的初始化等。 系统的数据采集处理子程序的功能是采集各相电压值、电流值。在定时中断服务程序中主要进行频率测量。
另外，我们还应考虑到电网存在谐波，还会有各种瞬时干扰，而采用硬件滤波存在硬件电路复杂等诸多弊端，因此在此系统中求取电力参数实行数字滤波方法祛除干扰，此外，系统中还应采用指令冗余等抗干扰措施，以使系统具有良好的抗干扰性能。

总 结
通过本次论文，回顾了以前所学，深化了理解，对单片机的功能有了更深的认识，尤其是上课老师的深入，让以前仅停留在认识原理的层面，到现在的根本原理的把握。实验中借鉴了一些好的论文和方案，通过课程的学习，有了一定的收获。
本设计是采用一个单片机系统来进行对电流检测控制系统的设计与制作，并有效的进行控制输出，系统采用LCD方式显示检测电流电压值。通过设计这个系统，对单片机有了更加深入的认识和了解，同时在设计过程中我也更好地掌握了单片机原理及接口技术方面的理论知识。结合老师也在课堂中多次讲些集中的难点，使自己在单片机设计方面得到了很大的提升。
本设计，基本完成了设计的要求，但是由于设计的理论基础尚浅，对课题的研究经验还不成熟，使得在技术的解决与运用上显得浅显了一些，在某些技术关键上的叙述不能达到详细、精辟。但是这个系统的设计却不缺乏自己的特点和创新点。

参考文献
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