[工学]电能信号采集及数据处理系统.doc
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1、_ 电能信号采集及数据处理系统摘 要随着国民经济的快速发展和电力市场的初步形成,电能质量问题已经引起电力部门的高度重视。为采取合理措施提高电能质量,建立电能治理的监测和分析系统,对其进行正确检测、评估和分类都是十分必要的。随着电力系统自动化程度的提高,以及计算机技术在电力系统中日益广泛的应用。传统的电量计费方式由于其效率低、投入大、可靠性差等弊端,已无法适应新的形势要求。建立一套稳定可靠、自动化程度高的电能量自动计量系统具有实际应用意义。本文介绍以STC89C58RD+单片机为基础的电能信号采集及数据处理系统。主要对系统的结构、设计方法、硬件配置、程序代码等进行详细阐述。关键词: 电能信号 采
2、集系统 数据处理系统 单片机Electric energy signal acquisition and data processing systemAbstract With the rapid development of national economy and electric power market is preliminary form, power quality problems have been caused by the electric power departments high value. To take reasonable measures to impro
3、ve power quality, establishing electric energy management monitoring and analysis system, carries on the correct detection, assessment and classification is very necessary.With the power of automated systems to improve, as well as the increasingly widespread application of computer technology in ele
4、ctric power system,traditional electricity billing, due to its low efficiency, investment, reliability, such as malpractice, has been unable to adapt to the new situation requires. Establishment of a stable and reliable, high degree of automation of electric energy automatic metering system is of pr
5、actical significance. The passage is described based on the STC89C58RD+ microcontroller electric energy data acquisition and data processing systems. It tells the main method for system architecture, design, hardware configuration, programs, code, and other details.Keywords:Power signal Acquisition
6、system Data processing system STC89S58 SCM目 录 1 前言1 1.1电能采集及数据处理系统发展现状及发展趋势1 1.1.1 我国的电能采集发展现状1 1.1.2 电能采集发展趋势2 1.2设计任务4 1.3 基本思路和方法42 系统整体设计原理及分析6 2.1 系统整体设计6 2.2 单片机控制模块和显示模块63 系统硬件电路的设计6 3.1芯片的选择7 3.1.1 A/D转换芯片ADC08097 3.1.2 D/A转换芯片DAC0832的工作原理9 3.1.3 集成运放芯片LM324的工作原理11 3.1.4 四2输入或非门芯片74LS02的工作原理
7、12 3.1.5 STC89C58RD+单片机13 3.2 LCD工作原理20 3.2.1 字符型点阵式LCD简介20 3.2.2 字符型LCD1602的外观与引脚20 3.2.3 字符型LCD1602的时序图22 3.2.4 LCD内部寄存器22 3.2.5 字符型LCD1602的应用23 3.3硬件电路25 3.3.1 晶振电路25 3.3.2 复位电路26 3.3.3 输入电压处理电路26 3.3.4 AD转换电路27 3.3.5 DA转换电路28 3.3.6 LCD连接电路29 3.4装配和硬件调试304 程序设计31 4.1 单片机程序设计实现31 4.2 子程序设计31 4.3 主
8、程序设计325系统测试结果及分析33 5.1系统结果测试33 5.2 测试结果及分析34 5.3 总结与展望34参考文献34附录:35_1 前言1.1 电能采集及数据处理系统发展现状及发展趋势1.1.1我国的电能采集发展现状当前,解决电量只占10左右而花费人力在90以上居民照明用户抄表问题,已成为供电部门提高经济效益、减人增效的迫切需要。针对于此,许多供电部门已实现了手持抄表微机抄表、电费结算计算机管理、供电部门电费计算机系统与银行联网实现电费自动划拨等。同时为解决工作量大的问题,有的地方还对居民照明用户采用了两个月抄收一次的办法。虽然,在现阶段这些措施和方法在一定意义上说确实提高了工作效率,
9、但是都未从根本上解决矛盾。电能表数据采集系统按其通讯方式的不同可有多种模式。目前,国内外常用的有:有线、低压载波、租用电话线、无线电这4种模式。(1)有线模式一般是在每块电能表上增加一个附件,内有微处理器(CPU),存贮电能表的电脉冲数并换算为电能度数,通过专用线路(一般采用总线方式)联接到集中抄表仪上。集中抄表仪每隔数分钟向所接电能表的附件依次发出讯号。若专用通讯线路完好、电能表附件工作正常,则附件返回应答讯号;若电能表附件CPU中电脉冲数已满一度,则返回电度讯号,集中抄表仪检测和记录下属各用户的用电量。抄表仪上设有按钮和显示装置,以设定各用户户号、电能表底度数及按需要显示用户号、用电量。集
10、中抄表仪上有抄表微机接口,与手持抄表微机连接可“读”取用户的用电量。集中按表仪的容量一般为128户或256户,可采集几幢住宅楼居民照明用户电能表的数据。(2)低压载波模式以低压供电线路作为数据载波通道,不需另设专用通讯线路。在居K照明用户电能计量箱内装有积算器,用以采集、存贮若干块电能表的电脉冲数,并运算为电能度数。配电变压器处装一个集中器,集中器按规定的时间(一般为一个月或两个月)或需要时采集该配变台区内各积算器中每个用户电能表指数,集中器上也有抄表微机接口。低压载波模式利用低压供电线路本身作为通讯通道,因此通道安全可靠,而且施工安装较为方便,对于电缆供电的住宅小区尤为简单,与环境较为协调。
11、(3)租用电话线模式国外电话相当普及,因此供电部门可利用公用电话线作为通讯通道采集电能表数据,用户使用电子式电能表加积算器通过M()DEM与公用电话线连接。供电部门设中央站,装有计算机和自动拨号设备,通过调制解调器与公用电话线连接后,系统便可按设定的时间自动采集用户电能表指数。该模式投资较大,鉴于我国电话不够普及,所以不适合向居民用户推广应用。但可用于对大用户或供电部门变电站内关日表的数据采集;也可以与其它模式的电能表数据采集系统协同工作,负责向供电部门电费管理计算机传送数据。(4)无线电模式一般是指使用移动的车载电台进行发讯召唤,在识别码范围内电能表数据积算器(每台积算器管理若干块电能表)的
12、发讯机启动,按预先设定的次序向下属各电能表的数据发讯,车载电台收讯后,将数据记录在计算机内。该模式在城市里易受外界干扰及房屋屏蔽等影响,有时还会发生差错或收不到讯号,所以要作为居民照明用户电能表数据采集系统还需进一步完善。随着科技的发展,对居民用户实拖自动按表,开发“居民照明用户电能表数据自动采集系统”已是很现实的事情。应该说自动抄表系统是一个系统工程,它涉及到电能表计遥测、通讯、计算机等等领域。“居民照明用户电能表数据自动采集系统”适合应用于电能表数量很多,分布范围广的地区。系统可靠、价格适中将是其推广的先决条件。随着嵌入式的不断进步,各地的电能采集都已经应用上嵌入式系统,其方便、可靠、价格
13、便宜的优点一直深受各电力部门所青睐。1.1.2电能采集发展趋势考虑到电力系统政策的不断推进,采集终端应用领域必将随之拓展。根据采集终端的应用现状及关口计量、采集和传输技术手段的提高,着眼于智能电网建设和发展的需要,“模块化、标准化、网络化、智能化”将成为关口采集终端的主要方向发展。模块化 模块化的设计技术有利于采集终端的升级、移植和扩展。模块化包括硬件模块化和软件模块化。硬件模块化是根据元器件的制造工艺、结构、质量等将技术相对成熟和标准的部分进行封装人库,形成可组合、分解、更换的相对独立的单元,模块式结构能使以后的扩展被简单集成到现有的终端结构中,使配置更加合理。软件模块化是指终端功能模块化,
14、在硬件模块化的基础上可组合、能分解、易升级。标准化 标准化主要是建立一套完整的、互操作性好的采集终端技术标准体系,实现数据、信息的共享和互用。主要是4个统一:功能统一、外观级接线统一、通信协议统一、应用关口类型统一。明确定义采集终端的基本功能,可扩展功能;外观结构、安装尺寸、显示内容、接线端子布局,以及按键、通信接口、铭牌、信号输出端子和显示器参数,便于安装、使用和管理。上行主站通信规约、下行抄表通讯规约、级联通讯规约,且各规约必须适合扩展,以满足电力不断发展的需求。针对厂站级、地区级和省网级系统对采集终端的不同需求,划分不同关口类型标准。网络化 当前应用中,关口采集终端已经发挥数据通讯中枢的
15、作用。今后的网络化发展方向主要表现在采集终端可具有作为系统中的一个通信网关的功能,承担电能采集管理系统网络与整个变电所应用网络之间的通信。采集终端就必须具有丰富的网络接口,提高RS485总线节点的相互独立性、无线通信的穿透力、有线通道的可靠性和抗干扰性,提高接口的适应性和组网的灵活性,达到减少安装和调试工作量,提高数据采集和传输的能力。智能化 采集终端的智能化是在原有数据采集,存储和传输功能的基础上,具备更多的主动性和互操作性。不仅能够记录电能、开关量、谐波和故障数据,而且能够进行谐波分析、电能质量分析、用电需量分析,提供无功补偿、故障定位所需数据,记录并主动上报事件;存储PT,CT参数,线路
16、运行参数,电力价格、费率信息和用电量趋势信息等;能够有选择的进行信息转发,实现主站对关口电能表的控制;完善升级功能,增加数据加密技术、物理防攻击措施、软件防火墙技术;增强显示、操作、报警功能。 随着电力系统自动化程度的不断提高,电能量采集及远方终端不仅是介于计量主站与电能表之间的数据中转设备,而且正在向数据采集、状态监控、故障录波、微机保护、集散控制的一体化多功能的智能采集传输设备方向发展。将在智能电网的建设和发展中起到更重用的作用。 1.2设计任务完成电能信号采集及数据处理系统的硬件设计与软件设计,解决电能信号采集的问题。画出硬件框图与电路原理图,并了解其工作原理。画出软件流程图,了解软件工
17、作流程。(1)制作出能读取市电频率及当前电压、平均电压的电能信号采集系统; (2)频率、当前电压等数值通过LCD显示屏显示 (3)能从LED灯中看出当前电压值的压缩效果(即从0-220V压缩到0-5V后的效果)。1.3 基本思路和方法首先理清设计的要求和最后需要的做出的效果,在清楚要求的前提下开始设计硬件电路。设计的电路框架搭好,了解各种元器件的性能,选择合理的芯片、电阻、电容等元器件,设计出合理的PCB板,原理本身没有缺陷后,对PCB板进行设计,可以通过优化布局、优化布线方式,降低功耗,减小体积,方便焊接和组装,必须满足毕业设计的基本要求。元器件焊接好后,进行调试,待调试通过后,开始编写程序
18、、调试程序。确认程序没问题以后,就测试设计中涉及到的各个性能指标,如果性能达到指标,就可以了。设计流程图如图2-1所示: 图2-1设计流程图2 系统整体设计原理及分析2.1 系统整体设计 系统整体设计,选择了下面方案: 由电源电路、复位电路、晶振电路、电压处理电路、A/D、D/A转换电路、单片机STC89C58RD+、LCD、LED、按键等构成。设计框如图2-2:图2-2 设计框架图2.2 单片机控制模块和显示模块单片机控制主要包括负责接收按键输入,通过按键输入读取用户进行的动作,再通过LCD、LED输出显示结果。控制部分主芯片采用单片机STC89C58RD+,加上一些外围电路构成单片机最小系
19、统。显示模块的显示部分主要包括:(1)采用LCD显示屏显示需要的数值如电压值、频率等;(2)LED灯接输出使调整后的效果可视化。3 系统硬件电路的设计硬件电路主要有单片机最小系统、单片机接口电路、晶振电路、电压处理电路、A/D、D/A转换电路、复位电路和单片机控制电路,以及显示模块两大部分组成。3.1芯片的选择3.1.1 A/D转换芯片ADC0809ADC0809芯片封装形式为DIP28,其引脚排列如图3-1所示;(1) IN7-IN0:8个模拟量输入通道。(2) ADDA、ADDB、ADDC:地址线。ADDA为低位地址,ADDC为高位地址,用于对模拟输入通道进行选择,ADDA、ADDB和AD
20、DC分别对应表中的A、B、C,其地址状态与通道对应关系如表3.1。表3.1地址状态及通道对应关系地址码选择的通道 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 1 1 1 IN7(3) ALE:地址锁存允许信号。对应ALE上升沿,ADDA、ADDB和ADDC地址状态送入地址锁存器中,经译码后输出选择模拟信号输入通道。(4) START:转换启动信号。对应START上跳沿时,所有内部寄存器清零;对应START下跳沿,开始进行A/D转换;在A/D转换期间,START应保持低电平。(5) D7-
21、D0: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。(6) OE:输出允许信号,用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。当OE=0时,输出数据线成高电阻;当OE=1时,输出转换得到的数据。(7) CLK:时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路,所需时钟信号由外界提供,因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500kHz的时钟信号。(8) EOC:转换结束状态信号。启动转换后,系统自动设置EOC=0,转换完成后,EOC=1。该状态信号既可作为查询的状态标志,又可以作为中断请求信号使用。(9) Vref:参考电源。参考电压用来与输入的模拟信号进行比较,作为主次逼近的基准,其
22、典型值为+5V(Vref(+)=+5V,Vref(-)=0V)芯片工作原理:首先输入3位地址,并使ALE=1,将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换,之后EOC输出信号变低,指示转换正在进行。直到A/D转换完成,EOC变为高电平,指示A/D转换结束,结果数据已存入锁存器,这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时,输出三态门打开,转换结果的数字量输出到数据总线上。 转换数据的传送 A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成,因为只有确认完成后,才能进行传
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