基于单片机的智能开关研制本科毕业论文.doc
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1、广西大学本科毕业论文 基于单片机的智能开关研制摘 要电力开关作为连接元件在电力电子系统中使用十分广泛,传统开关一般采用机械元件实现电路的分合,在操作过程中易产生电弧和冲击电流。而智能开关是结合电力电子技术和微机技术的一种新型开关,能够通过自动检测,实现电源监控和系统保护的功能。本文将介绍以AVR高性能8位单片机Atmega8为控制核心,传感器和电力电子元件相结合的智能开关的硬件组成及工作原理。并且详细介绍如何实现交流吸合直流维持,如何通过交流电压和电流信号采集,计算出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。通过软件编程实现了对开关
2、的智能控制,能够采取相应的过流、欠压、过热、漏电等保护措施。在本设计中,除了在子机上也设置了由键盘组合和液晶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,还配有RS-485通信接口,可与上位计算机机通信,实现电源的集中监控、集中管理。最后还提出应用智能开关技术还有待进一步研究的问题。关键词:智能开关 单片机 传感器 Inventing Intelligence SwitchBase on Single-chip MicrocomputerAbstractSwitching power as connectivity components in power electronic sy
3、stems used very widely, Switches generally use the traditional mechanical components to achieve the division circuit, in the course of operating easily arc and hit Current. Intelligent Switch combines the power electronics and computer technology as a new type of switch, through automatic detection,
4、 Implementation Supervisory and system protection functions. This article introduces a high-performance 8 AVR microcontroller Atmega8 to control the core, sensors and power electronics components combining the intelligent switch hardware and operating principle. And how detailed pull-AC DC maintaine
5、d through the AC voltage and current signals collection, calculated AC voltage and current RMS, power frequency, periodicity, phase angle, power factor, apparent power, active and reactive power of the electricity and all other parameters. Through software programming of the smart switch control to
6、take corresponding flow, undervoltage, overheating, leakage protection measures.In this design, the sub-machine is provided by a combination which consisting of keyboard and LCD module for debugging and setting parameter at the scene. In addition, there is a RS-485 communication interface ,so we can
7、 use the computer to centralized management and monitoring the power by this system . At last ,this text list some problem which the intelligent application switching technology still requires further study.Keywords : intelligent switches, single-chip microcomputer, sensors 目 录第一章 绪论11.1 智能开关研制的目的和意
8、义11.2 智能开关研制的发展状况1第二章 智能开关硬件设计32.1 智能开关硬件结构32.2 5V电源设计32.3 交流吸合直流维持42.4 电压、电流的采集52.5 采样信号保持92.6 三相电压不平衡判断102.7 电网参数的测量112.8 温度测量142.9 过电压保护152.10 漏电保护16第三章 人机交互接口设计173.1 键盘的设计173.2 LCD显示18第四章 数据通信设计204.1 数据通信系统的硬件设计204.2 数据通信系统的软件设计224.3 数据通信中的差错控制技术284.4 RS-485数据通信系统的维护29第五章 软件设计315.1 软件程序的组成315.2
9、软件程序设计325.3 抗干扰34第六章 常用器件介绍386.1 ATmega8的体系结构与主要性能特点386.2 DVDI-001型卧式穿芯小型精密交流电压电流互感器396.3 数字温度传感器DS18B20介绍41第七章 结论44参考文献45致 谢47V第一章 绪论1.1 智能开关研制的目的和意义电力系统关系到国计民生,电力工业是重要的产业部门之一,在国民经济中具有举足轻重的作用,它为现代工业、现代农业、现代科学技术和现代国防提供必不可少的动力,它和我们的日常生活息息相关。电力工业的发展必须优先于其他工业部门的发展,整个国民经济才能不断前进。开关作为人机接口和信号检测的重要元件,在电子和电气
10、各领域得到越来越广泛的应用,品种也发展的越来越多。目前使用的开关大多数采用拔插式结构,在大电流工作的场合,接触电阻是不容忽视的,一旦接触不良,将造成插头处压降增大,发热量增大,加速接插件表面的氧化,进而使接触效果更差,这种恶性循环最终导致插头处烧损。国外的开关使用寿命要长一些,主要是机械加工精度高,接触电阻较小。但是它也还是不能避免接插件表面的氧化。开关的发展除了提高自身的各种性能,还要能够满足电力系统自动化水平发展的要求。因此,从某种程度上说,微机芯片的利用程度体现一个国家工业控制的自动化水平,所以开关也要实现微机控制。智能开关的应用有如下作用和意义:(1)减小对传动元件的机械冲击,消除开关
11、动作过程中的不良影响,提高开关和其他设备的使用寿命;(2)在开关中,采用标准的、开放式的现场总线,将具有通讯能力的开关器件与之相连接(或通过接口单元),能够与上位机(主站)进行数据通讯,实现开关的集中监控、集中管理;(3)实现开关的各种故障判断和保护,提高设备自动化水平;(4)具有节能作用。1.2 智能开关研制的发展状况在我国,对微机技术和电力电子技术在电力系统中的应用是在70年代末期开始的,由于继电保护和励磁的要求,这两项技术一直发展十分迅速,应用范围也越来越广。随着微机技术和电力电子技术的发展,对开关智能化的研究也越来越多。在开关中使用微机芯片控制技术和电力电子元器件,一方面可以减少其选择
12、开关数量,简化硬件电路,很多功能依靠程序实现。另一方面,一些先进的保护,分断技术以及设备的软启动控制技术等也要依靠微机芯片来完成,同时,采用微机技术可对开关设备故障前的状态进行记忆。近年来计算机技术及微电子器件在各方面中应用十分广泛,在此基础上发展起来的智能仪器无论是在测量的准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度、运用功能方面或在解决测量技术问题的深度及广度方面都有了巨大的发展,在高准确度、高性能、多功能的仪器中已经很少不采用微计算机的了。这类仪器中含有微处理器、单片计算机或体积很小的微型机,它的功能丰富又很灵巧。开关作为连接和信号检测的重要元件在电力系统中使用十分广泛,对电力系统的稳定性和电能质
13、量都有很大的影响。智能开关正是单片机、传感器和电力电子开关的结合,在电力系统中应用智能开关技术,不仅可以提高电力系统设备的使用寿命,而且能够减少各种设备动作对电网的冲击,提高电力系统的稳定性,同时能够一定程度的节约电能。而且采用微机控制实现智能化管理,可提高电力系统的自动化水平。由此可见,智能开关有着明显的优越性,在智能电器元件的基础上,研制和开发智能开关具有显而易见的意义,在电力系统中应用智能开关技术具有十分光明的前景。第二章 智能开关硬件设计2.1 智能开关硬件结构本智能开关是以Atmega8单片机作为中央控制单元,Atmega8单片机在预先编制好的指令(即软件程序)的驱动下,控制整个硬件
14、电路工作,完成系统各项功能。具有当地无线通讯口,能对下位机进行控制;同时也具备远程数据接口。键盘用于修改和设定定值,电压上下限、电流上限值等;LCD用于显示定值及各种运行状态。单片机获得电压、电流、相位角值后进行分析计算出功率因数、三相不平衡参数等,判断是否正常,进而控制开关的闭合与关断。智能开关的硬件结构框图如图21所示。图21 智能开关硬件结构框图本智能开关可用于单相(220V)和三相(380V)交流电源,适用于额定电流为18A以上的电路,因此,把该智能开关与接触器相联合起使用,使接触器在应用系统中具有带检测和保护的功能,使接触器运行更加可靠、更加稳定和节能。2.2 5V电源设计该系统单片
15、机和数字温度传感器需+5V直流稳压电源,产生该电压的电路原理图如图2-2所示,先利用变压器对220V的交流电降压,然后把变压器次级输出9V的交流电压由整流桥作全波整流,经电容滤波以及稳压芯片7805即可得到所需的电压。图2-2 电源设计原理图2.3 交流吸合直流维持交流接触器能够节电运行的基本原理是采用交流吸合、直流维持的运行方式。交流接触器工作时,电磁系统消耗的有功功率中,铁芯损耗和短路环损耗占绝大部分,而线圈铜损仅占3-5%,改用交流吸合、直流维持的运行方式后,铁芯损耗和短路环损耗几乎为零,只需很小维持电流,就足以使接触器稳定地处于闭合状态,从而大大节约了电能,做到无声运行,提高了可靠性。
16、对交流接触器进行实验测试所得的数据如表2-1所示,由该表也可明显看出对交流接触器采用交流吸合直流维持具有显著的节能效果。表2-1 交流接触器的各种动作电压交流电直流电吸合220V维持160V90V要实现接触器交流吸合直流维持就必须有一个电压的切换电路,该切换电路如图2-3所示:图2-3电压切换电路当单片机PA1引脚输出高电平,PA2引脚输出低电平时,常开触点KM1和常闭触点KM2都闭合,电源电压直接加到接触器绕组上,常开触点KM闭合,3秒钟后PA1引脚和PA2引脚都输出低电平,常开触点KM1断开,常闭触点KM2和常开触点KM继续闭合,电源经二极管整流继续加到接触器绕组上。此后,在交流电的正半周
17、期时二极管VD道通,实现整流作用,接触器KM始终保持在吸合状态,从而实现了交流接触器交流启动直流运行的节电工作状态。图中电容C0可以起到滤波的作用,可避免继电器在直流电压较低时发生抖动,当PA2引脚输出高电平时,常闭触点KM2和常开触点KM断开,接触器停止工作,该电路简单实用、运行可靠,适合所有采用交流接触器的电力线路,节电效果明显,同时还能延长交流接触器的寿命。2.4 电压、电流的采集三相交流电压和电流的测量均采用三个DVDI-001型卧式穿芯小型精密交流电压电流通用互感器,输出交流信号,经过整流电路,再送给A/D转换器采集,最后送给单片机进行计算。在本设计中,采用AVR单片机的片内逐次逼进
18、模数转换器。ATmega8L有一个10位的逐次逼近型ADC。ADC与一个6通道的模拟多路复用器连接,通过分时复用的方式,能对来自端口A 的6 路单端输入电压逐个进行采样。其转换结果为: (2-1)式中,VIN表示被选中的引脚输入电压;VREF为参考电压。使用AVR的ADC需要注意:ADC的分辨范围在以GND为基准的0 V到参考电压的范围内。以使用片内的2.56 V参考电压为例,ADC的分辨范围在0 V与2.56 V之间。因此在进行模数转换前,必须要对电网交流信号加以处理。要获得精确的测量结果,采样频率的选择很重要。如果采样频率选择得过高,即采样间隔小,则每个周期里采样点数过多,造成数据存储量过
19、大和计算时间太长;但如果采样频率过低,会给有效值的近似计算带来误差。综合对电力参数的采集的精度及单片机的处理速度,对工频为50Hz的信号每周期等间隔采集32个采样点。由于AVR的ADC对采集信号的要求,进行交流采集前需要对电压及电流信号加以整形。将具有正负半波的交流信号整形为全部信号均大于“0”。电压电流检测电路设计,电路中的电流和电压值的采集均用DVDI-001型卧式穿芯小型精密交流电压电流通用互感器,为保证精度,不能用电阻法直接获得采集电压,而是用运算放大器等来完成电流、电压信号的获取,并将其转换成0-6V的直流电压。由于直接使用单片机内部的A/D转换器,因此,必须在运放的输出口再接两个电
20、阻,将其变为0-5V的输出,再将其分别送至单片机的A/D转换通道。(1)DVDI-001型互感器作电压互感器使用时,实际上是一种电流型电压互感器,典型应用电路如图2-4所示。按图2-4所示电路应用是性能参数如下表2-2所示。图2-4 电压互感器典型应用电路表2-2 DVDI-001作电压互感器使用时性能参数表输入电压输出电压相移非线性度线性范围额定电流耐压1000Vac1/2倍IC电源电压0.1%2倍额定6mA/6mA3kV在本设计中,电压采样电路如图2-5所示:图2-5 电压采集电路图2-5中仅画出对相电压进行采样,对相电压和的电路原理也是一样的,图中就此省略。对相电压进行采样时,DVDI-
21、001的输入端直接到三相交流电源的220V相电压上。因为DVDI-001匝数比为1:1,额定电流为6mA/6mA,所以使用时必须在互感器的原边初级回路串接电阻和,所接电阻的计算值为:,取其标准值39,公式中为初级线圈电阻。IC为通用运算放大器OP470,运放正负输入端电阻R3、R4为配对的一般电阻,最好取值一致,一般取值为5到10之间,则电阻值。的作用是通过调节其阻值大小得到所需的输出电压。的作用是对输出信号的相移作补偿,在工频下,的经验值为0.01-0.03311,如满足于的相移,则可在经验值范围内,取适当的固定电容值。由于取的标准值与计算值之间有一定的差异,因此会引起输出电压的改变,因此在
22、元件选定后,可先通过调节得到所要的输出电压值,再调使相移满足要求。(2)用DVDI-001用做电流互感器使用时,用户只要在预留的孔内穿一匝母线。将两个线圈按同名端串联起来使用(即:2、3相接,1、4作输出),变化比为3000:1。典型应用电路如图2-6所示,性能参数如下表2-3所示。表2-3 DVDI-001作电流互感器使用时性能参数表额定输入电流额定输出电流额定采样电压相移非线性度线性范围耐压18A6mA1/2倍Ic电源电压0.1%2倍额定6kV图2-6 电流互感器典型应用电路图2-7电路仅对线电流采样,对线电流和采样也是同一原理。图中,的取值方法与在电压采集电路所介绍一样。图2-7 电流采
23、集电路2.5 采样信号保持A/D转换器在转换期间要求输入的模拟量应保持不变,以保证A/D转换的准确进行。因此,采集信号应送至采样保持电路(亦称采样保持器)进行保持。采样保持器对系统精度有很大的影响,特别是对一些瞬变模拟信号更为明显。采样保持电路是数据采集系统的重要部件,对数据采集系统的精度起决定性的作用。采样保持电路作为A/D转换的前级,主要完成信息隔离缓冲作用,如果要对变化速度快的模拟信号进行A/D转换,转换精度要求比较高,这时为了防止A/D转换过程中信号发生变化,就必须用采样保持电路。虽然在AVR单片机的模数转换器中有自带的采样保持电路,但是难以在同一时间内同时进行多路信号的采样保持。在本
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