湖南農業大學東方科技學院全日制普通本科生畢業設計 基于單片機的電力線路保護的設計DESIGN OF POWER LINE PROTECTION BASED ON SCM 學生姓名： 李文超學 號： 200841914717年級專業及班級： 2008級機械設計制造及其自動化(7)班指導老師及職稱： 蔡培中 副教授學 部： 理工學部湖南長沙提交日期：2012年5 月 39湖南農業大學東方科技學院全日制普通本科生畢業設計誠信聲明本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業設計是本人在指導老師的指導下，進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產權爭議。除文中已經注明引用的內容外，本論文不含任何其他個人或集體已經發表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。同時，本論文的著作權由本人與湖南農業大學東方科技學院、指導教師共同擁有。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。 畢業設計作者簽名： 年 月 日 目 錄摘要1關鍵詞11 前言21.1電力系統電流保護的任務21.2繼電保護的基本要求21.2.1 選擇性21.2.2 速動性31.2.3 靈敏性31.2.4 可靠性31.3 微機保護系統的簡介31.3.1 繼電保護的發展過程31.3.2 微機保護的特點41.4.1 方案的總體思路及可行性分析42單片機實現輸電線路電流保護的硬件設計52.1概述52.2系統的基本結構52.3模擬量輸入通道設計62.3.1電壓形成72.3.2 模擬低通濾波82.3.3 采樣保持92.3.4 A/D轉換112.4開關量輸出通道設計132.4.1開關量輸出通道132.5 單片機主系統設計142.5.1單片機的選型142.5.2 可編程I/O口8255A193顯示報警及電源電路設計213.1 LED顯示器213.2 報警器223.3 鍵盤233.4電源電路設計243.4.1 電源電路設計244 單片機保護的抗干擾措施254.1 單微機保護裝置的干擾來源254.2幾種抗干擾措施265 單片機實現輸電線路電流保護的軟件設計285.1 保護軟件流程285.1.1 主程序285.1.2采樣中斷服務程序295.1.3 事故處理程序30總結31致 謝33參考文獻34附錄（程序清單）35基于單片機的電力線路保護的設計學 生：李文超 指導老師：蔡培中(湖南農業大學東方科技學院，長沙 410128)摘 要：本設計對采用單片機構成結構簡單、成本低，使用方便的電流保護方式，且對裝置的硬件結構、軟件設計進行了研究，設計了一種基于MCS-51單片機的輸電線路電流保護裝置。本設計重要包括三大部分的內容。第一部分介紹了微機保護的相關知識；第二部分為單片機實現輸電線路電流保護的硬件電路設計，設計了模擬量輸入通道、單片機系統、開關量輸出通道以及鍵盤和顯示電路，并介紹了了AD7501、AD574、8051、8255等芯片；第三部分為單片機實現輸電線路電流保護的軟件設計，包括軟件流程、保護算法以及數字濾波部分。關鍵詞：單片機；繼電保護；電流保護；電流；輸電線路 Design of Power Line Protection Based On SCMAuthor: Li Wenchao Tutor: Cai Peizhong(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)Abstract：This design studeies the hardware structure and software of the device. It designs a kind of electric current protection device according to a single-chip computer of MCS-51 of the power line road.This design include three parts. The first part introduced the protective and related knowledge of tiny machine;The second part carries out the power line road electric current protective hardware electric circuit , designing the Imitate quantity importation passage,the single-chip computer system,the switch quantity exportation passage,keyboards and manifestations electric circuit, and introduced the AD7501, AD574,8051 and 8255A etc;The third part carries out the protective software design of the power line road electric current , The third part carries out the protective software design of the power line road electric current for a machine, including the software process , protecting the calculate way and so on.Key words: single-chip computer;Protection; Current protects; Current; Transmission network 1 前言1.1電力系統電流保護的任務3 電力工業是國民經濟的基礎，是重要的支柱產業。它與國家的興盛和人民的安康有著密切的關系，因此，電力產品應該是安全、可靠、經濟、優質的能源產品。 隨著國民經濟的飛速發展，電力系統的規模越來越復雜。在整個電力生產過程中，由于人為因素或大自然的原因，會發生這樣那樣的故障和出現不正常的運行狀態。一旦發生故障即會產生如下后果： （1）數值很大的短路電流通過短路點會燃起電弧使故障設備燒壞，燒毀。（2）短路電流通過故障設備和非故障設備時會發熱并產生電動力作用，使設備受到機械損壞和絕緣損傷以至縮短設備使用壽命。 （3）電力系統中電壓下降，使大量用戶的正常工作遭受破壞或產生廢品。 （4）破壞電力系統各發電廠之間并行運行的穩定性，導致事故擴大，甚至造成整個系統瓦解癱瘓。 對于電力系統運行中存在的這些故障隱患，要積極采取一些預防措施，如提高設備質量，增加可靠性和延長使用壽命。而從運行管理角度出發，應提高從業人員的安全意識和增強責任心，提高科學管理水平，增強安全措施以減少事故的發生。8 對于不可抗拒的事故發生應做到及時發現，并迅速有選擇地切除故障組件，隔離故障范圍，以保證系統非故障部分的安全穩定運行，盡可能減少停電范圍，保護設備安全。繼電保護是一種能反應電力系統故障和不正常狀態，并及時動作于斷路器跳閘和發出信號的自動化設備。繼電保護一詞是指繼電保護技術或由各種繼電保護裝置單元組成的繼電保護系統。其任務是：（1）自動、迅速、有選擇地切除故障組件，使無故障部分恢復正常運行，使故障部分設備免遭毀壞。（2）發現電器組件的不正常狀態，根據運行維護條件動作于發信號，減負荷或跳閘。1.2繼電保護的基本要求51.2.1 選擇性繼電保護動作的選擇性指保護裝置動作時，僅將故障組件從電力系統中切除，使停電范圍盡量縮小。要滿足選擇性，必須從兩方面出發進行考慮。一方面考慮哪個組件發生故障應由該組件上的保護裝置動作切除故障。另一方面，考慮到繼電保護或斷路器有拒絕動作的可能性，需要考慮后備保護問題。1.2.2 速動性當電力系統發生故障時，繼電保護裝置應該能迅速動作切除故障?？焖偾谐收峡梢蕴岣唠娏ο到y運行穩定性，減少用戶在電壓降低情況下的工作時間，縮小故障組件的損壞程度，還有利于電弧閃絡處的絕緣程度恢復，從而提高再送電的成功率。切除故障的總時間等于保護裝置和斷路器動作時間之和。一般的快速保護動作時間為0.060.12s，最快的可達到0.020.04s；一般的斷路器的動作時間為0.060.15s，最快的可達0.020.06s。41.2.3 靈敏性靈敏性指的是繼電保護裝置對于其保護范圍內發生故障或不正常運行狀態的反應能力，通常用靈敏系數來衡量。滿足靈敏性要求的保護裝置應該是在事先規定的保護范圍內部故障時，不論短路點的位置，短路的類型如何，以及短路點是否存在過度電阻，都能敏銳感覺，正確反應。1.2.4 可靠性可靠性指就保護裝置本身的質量和運行維護水平而言，要求在其規定的保護范圍內發生了它應該動作的故障時，它不拒絕動作；而在任何其他不應該動作的情況下，則不誤動作。提高繼電保護裝置不誤動可靠性和不拒動可靠性的措施常是矛盾的，在選用和設計繼電保護裝置時，需要依據保護對象的具體情況，對兩方面的性能要求適當的予以協調。例如，對于傳送大功率的輸電線路保護，一般強調不誤動作的可靠性；對于其它線路保護，則往往強調不拒動的可靠性。2除了上述四個基本要求以外，選用保護裝置時還應該考慮經濟性。在保證電力系統安全運行的前提下，盡可能地采用投資少，維護費用低的保護裝置。61.3 微機保護系統的簡介71.3.1 繼電保護的發展過程繼電保護的發展與世界工業技術的發展息息相關。19世紀末出現了直接作用于斷路器的電磁型電流繼電器，這可認為是保護技術的開端。20世紀50年代，電子工業方面出現了半導體晶體管，隨后人們又將多個晶體管集成在一個半導體芯片上，就出現了集成電路。20世紀70年代后期，由于微機處理器技術的發展，計算機價格下降，出現了比較完善的微機保護樣機，并投入到電力系統中試運行。20世紀80年代微機保護被一些國家廣泛應用，這就是第三代的靜態繼電保護裝置，也叫數字型保護裝置。到了20世紀90年代，微機保護在我國開始大量應用。進入21世紀，微機保護已經成為繼電保護的主要形式。11.3.2 微機保護的特點微機保護主要由硬件和軟件兩大部分組成。硬件主要包括輸入信號的預處理系統，一臺計算機系統向計算機輸入信號和計算機向外輸出信息的輸入和輸出端口，打印機，鍵盤及調試整定設備等。軟件主要指用匯編語言編寫的計算機初始化程序，針對保護原理而設計的測量和判斷故障的程序，數字濾波程序，計算機硬件和軟件的自檢程序等。 微機保護具有以下優點：一臺微機保護除了有保護功能外，同時還可以兼有故障濾波，故障測距或重合閘等功能。微機保護可以通過軟件設計而改變保護定值和特性以適應電力系統運行方式變化要求。微機保護由于有自動檢測和自診斷能力，能自動檢測出硬件的故障和對輸入數據進行校錯，使檢測監視變得容易，從而使保護可靠性大大提高。同時，由于它的硬件和軟件的測試是自動進行的，所以不存在大量的調試工作。由于一套微機保護同時能具有保護，測距和濾波等多種功能；且它的體積小，耗電量少，維護工作量小，而微處理器價格也逐漸下降，這使用戶的投資成本降低。1.4方案可行性分析1.4.1 方案的總體思路及可行性分析通過電流互感器檢測LINE.1和LINE.2兩條線路的電流，電流互感器的接線方式是差接法，該方案主要是線路上的保護。電流互感器二次側額定電流為Id，為強電流，通過大功率電阻將其轉為電壓，再由強點轉弱點模塊轉為小電壓輸出，變成可以經單片機A/D轉換的弱電信號，再轉為數字信號后，單片機對其進行處理后在顯示器上可以顯示出線路的正常運行工作值。同時，經過邏輯判斷，若該值大于電流速斷值，則單片機迅速發出跳閘信號，由專門的IO口輸出至開關量輸出電路，繼電器動作，自動控制線路斷路器跳閘，若電流大于電流整定值而小于電流速斷值，則開始延時，進行過電流保護，發出警示信號，超過延時電流任大于整定值時，單片機發出跳閘信號。而通過以上幾節介紹分析可知，微機繼電保護裝置具有優越的性能、合理的價格，幫采用以單片機為核心處理器的微型機繼電保護裝置實現對于10kv配電線路繼電器保護。2單片機實現輸電線路電流保護的硬件設計2.1概述微機繼電保護是以微型計算機為核心，配置相應的外圍接口，執行元件的計算機控制系統。根據保護裝置微處理器的多少可分為單處理器系統和多處理器系統。其硬件結構如圖1所示：圖1 單片機實現輸電線路電流保護結構框圖Fig.1 Single Chip Microcomputer Transmission Line Current Protection Structure Diagram2.2系統的基本結構單片機實現的輸電線路電流保護裝置要求把輸電線路上的電流轉換變成數字量，利用單片機系統進行處理，判斷是否發生故障或不正常狀態，從而控制跳閘電路，達到保護輸電線路的作用。按照系統設計功能的要求，初步確定設計系統由模擬量輸入通道，單片機系統，開關量輸入輸出通道以及鍵盤和顯示四個部分組成。其基本結構框圖如圖1所示。在系統的硬件設計中，單片機系統主芯片使用的是美國Intel公司生產的8051芯片，8051是高性能單片機，它以8031為基礎，片內又集成4KB的程序存儲器，是一個程序不超過4KB的小系統。因此，在單片機實現輸電線路電流保護的單片機系統中，要對芯片進行擴展，根據需要，可以擴展了一片32KB的片外程序存儲器27256和一片32KB的片外數據存儲器62256，以滿足在對輸電線路電流保護時單片機運行的需要。8051本身具有很強的接口能力，對于8051組成的系統，P0-P3口均可作為I/O口用，共有32根I/O口線。但在應用系統中往往是不夠的，需要對I/O接口電路進行擴展。8255是Intel公司生產的可編程的并行I/O接口芯片，它具有8位的并行I/O口，使用靈活方便，通用性強，可作為單片機與多種外圍設備連接時的中間接口電路，這里選用8255A作為擴展并行I/O口的芯片。 在開關量輸出通道中，為了提高抗干擾能力，經過一級光電隔離，控制斷路器跳閘。顯示部分采用普通的共陰極LED數碼管，分塊如下：（1）模擬量輸入 模擬量輸入通常為電流、電壓信號。由于電流、電壓為隨時間變化的連續信號，而計算機只接收數字信號，因此，須將這種類型的模擬信號轉變為數字信號。完成模擬量到數字量的變換稱為模數變換。（2）數字量輸出 微機繼電保護裝置是通過數字量輸出實現對斷路器等的控制。該輸出通道也需要光電隔離提高抗干擾能力。 （3）電源 電源的作用是將220V或110V直流電壓換成能滿足微機系統各部分要求的弱電電壓，有12V、+24V、+5V等。（4）單片機以8051(89C15)擴展一個8255A為主，及一些信號轉換元件等。2.3模擬量輸入通道設計微機保護要從被保護的電力設備和線路的電流互感器、電壓互感器上取得電流和電壓量，由于這些電流、電壓的數值范圍超過了微機系統所能承受的區域，因此，需要降低和轉換為微機保護中通常需要的輸入電壓范圍5V或10V。一般采用中間變流的方式將高電壓和大電流轉變為微機系統能夠接收的信號。微機保護的模數變換方式主要有兩種：一種是ADC方式，另一種是VFC方式。對于中低壓電力系統這兩種方式都在使用，而高壓或超高壓的保護裝置，我國目前大都采用VFC變換方式。ADC方式是將模擬量直接轉變為數字量的方式，而VFC是將模擬量先轉變為頻變脈沖量，再通過脈沖計數變換為數字量的一種變換方式。ADC式數據采集系統如圖2電流互感電壓形成ALFS/HA/DCPU 圖2 ADC數據采集系統流程圖Fig.2 ADC Data Acquisition System Flow Chart2.3.1電壓形成1模擬電流、電壓形成由于單片機的工作電壓在5伏15伏之間，因而必須匹配電壓值，完成強電向弱電的轉變。又由于單片機只能處理數字量，而要將模擬電流量轉化為數字量比較煩瑣，但要實現模擬電壓量到數字量的轉換卻比較容易，所以我們還必須完成電流向電壓量的轉換。我們選用電流互感器（CT）和電壓互感器（PT）。電壓形成回路，本裝置采用交流采樣，共需6路模擬量，即：三相保護電流Ia、Ib、Ic，三相相電壓Ua、Ub、Uc。模擬信號分別由電流互感器（CT）和電壓互感器（PT）輸出，15 其原理圖見圖3。 圖3 模擬電流、電壓形成原理圖Fig.3 Simulation Current, Voltage Form Principle Diagram2電壓變換電流變換器UA由一個小容量輔助電流互感器TA及其負荷電阻構成。電流變換器一次繞組接保護元件的電流互感器二次側繞組，將輸入電流變換成與其成正比的電壓，這里的作用是將輸入電流減小，其結構和工作原理基本和電流互感器相同。變壓器的作用是用來降低輸入電壓或使之可以調節，其結構和原理與電壓互感器相同。模擬信號分別由電流互感器（CT）和電壓互感器（PT）輸入，經電流變換TA和電壓變換器轉換成與之成比例的5v的弱電信號。原理圖如圖4。圖4 電壓變換原理圖Fig.4 Voltage Transform Principle Diagram2.3.2 模擬低通濾波模擬低通濾波的作用是濾掉電流和電壓中的高頻分量以降低采樣頻率。分為無源和有源兩種，對要求動作迅速的保護及裝置而言，為防止無源模擬低通濾波中電阻和電容對信號造成衰減和時間延遲，可以采用有源模擬低通濾波器；一般采用無源低通濾波器即可以。只要調整RC即可改變低通濾波器的截止頻率。截止頻率可設計為fs/2，這樣fs/2以上的高頻分量就可以被濾掉。之后，再對電流進行采樣，可降低對模/數轉換芯片的要求，節省購置芯片的投資。無源模擬低通濾波示意圖如5所示 圖5無源模擬低通濾波Fig.5 Passive Simulation Low Pass Filtering因為 (1)所以 又計算得 ， （2） （3）又，取所以 2.3.3 采樣保持通常要求輸入的模擬量應保持不變，以保證轉換的準確進行。因此，采樣信號應送至采樣保持電路（亦稱采樣保持器）進行保持。采樣保持器對系統精度有很大影響，特別是對一些瞬變模擬信號更為明顯。采樣保持器通常由保持電容、輸入輸出緩沖放大器、模擬開關等組成。LF398價格低廉，在國內應用非常廣泛。它有8個引腳，結構框圖和典型連線圖如圖6所示。2腳接1k電阻，用于調節漂移電壓，7腳和8腳是兩個控制端，控制開關的關斷。7腳接參考電壓，8腳接控制信號。參考電壓應根據控制信號的電平來選擇。如7腳接地，則8腳接控制信號大于14V時，LF398處于采樣狀態；如8腳為低電平， 則LF398處于保持狀態。6腳外接保持電容，它的選取對采樣保持電路的技術性能指標至關重要，大電容可使系統得到較高精度，但采樣時間加長。小電容可提高采樣頻率，但精度較低。同時，電容的選擇應綜合考慮精度要求和采樣頻率等因素。LF398的其它幾個參數為：Ri=，R0=0.5，漂移電壓2mV，供電電壓值在518V間選擇。圖6 LF398連接框圖Fig.6 LF398 Connection Diagram采樣電路總圖如下：圖7 采樣電路圖Fig.7 Sampling Circuit Diagram對采樣保持電路的相關計算 為了計算簡單化，可將采樣一塊示為電阻R0，則電路圖可化簡為：由LM324N的參數：P0=570Mw,U05V此處U0暫取5V 則 R0U0/P0=44因電流互感系數為10，線路電流暫定50A,則IA=50A/10=5A而 R6=10K有: (R0+R6)U0/R0=R5(IA-U0/R0)則 R5=(R0+R6)U0/R0(IA-U0/R0)代入數據 得： R5233.3 則R5可取200當R5=200時，逆向計算得： U04.3V2.3.4 A/D轉換1 A/D轉換器的接口任務）發轉換啟動信號一般A/D轉換芯片的轉換是受外界控制的，所以必須從外部加一轉換啟動信號。取回轉換結束信號以此信號作為查詢數據的依據，或作為中斷請求或DMA請求信號。）讀取轉換數據 用查詢方式或中斷方式讀取數據到內存，也可在DMAC控制下利用DMA方式直接讀到內存。 ）進行通道尋址 對多通道A/D轉換器，應能尋址選擇通道進行輸入。 ）發S/H（采樣保持）信號 當模擬信號的變化速度比轉換器的轉換速度快時，一般都需要加采樣保持器，以保證轉換精度。 AD574為12位A/D轉換器，并具有三態輸出緩沖器?？勺鳛?2位轉換器，也可作為8位轉換器使用，轉換速度：25S。112 引腳R/C：讀數/轉換啟動，輸出。=0啟動轉換，為邊沿啟動；=1讀數。CS：片選信號。低電平有效。CE：輸出允許。高電平有效。12/8：=1時，一次輸出12位數字數據；=0時，分兩次輸出，若采用左對齊數據格式，則，先輸出高8位，后輸出低4位，并右補4位0。A0：兩個作用，轉換啟動前，=1表示進行8位轉換；=0表示進行12位轉換；轉換結束后，若12/8=0時，=1讀低字節，=0讀高字節。STS：轉換狀態信號。=1時，表示轉換期間；=0表示轉換結束。AD574的控制信號的作用如表表1AD574的控制信號真值表Table 1 AD574 Control Signals True Value Table CE CS R/C 12/8 A0 AD574操作0 X X X X 不允許轉換X 1 X X X 未接通芯片1 0 0 X 0 啟動1次12為轉換1 0 0 X 1 啟動1次8位轉換1 0 1 高電平 X 1次輸出12位1 0 1 低電平 0 輸出高字節 1 0 1 低電平 1 輸出低字節根據AD574的控制信號真值表與控制時序，可以設計AD574和8051單片機的接口電路，如圖圖8AD574和8051單片機的接口電路Fig.8 AD574 And 8051 Single Chip Microcomputer Interface Circuit此時AD574采用的是單極性輸入，輸出是三態瑣存器，因而可以直接和8051單片機數據總線接口。該電路是12位向左對齊的數據輸出格式，AD574的高8位DB4-DB11，接到8051的P10-P17上;低4位DB0-DB3接到8051的P14-P17上,可分兩次讀取,第一次讀高8位,第二次低4位。CE受8051的WR和RD與非控制，所以無論讀寫都為有效。將8051的P21-P22換成P26-P27來分別控制R/C、A0，CS由譯碼器Y4控制。142.4開關量輸出通道設計2.4.1開關量輸出通道開關量輸出主要包括保護的跳閘出口以及本地和中央信號等。一般都采用并行接口的輸出口來控制有接點繼電器（干簧或密封小中間繼電器）的方法，16 但為提高抗干擾能力，最好也經過一級光電隔離如圖9所示。只要由軟件使并行口的PA0輸出“0”，PA1輸出“1”,便可命名與非門H1輸出低電平，光敏三極管導通，繼電器J被吸合。 在初始化和需要繼電器J返還時，應使PA0輸出“1”，PA1輸出“0”。設置反相器及與非門，而不是將發光二極管直接同并行口相連。一方面是因為并行口帶負載能力有限，不足以驅動發光二極管；另一方面因為采用與非門后，要滿足兩個條件才能使J動作，增加了抗干擾能力。9圖9 裝置開關輸出回路接線圖Fig.9 Device Switch Output Loop Connecting Diagram最后應當注意：圖9中的PA0經一反相器，而卻不經反相器，這樣接可防止拉合直流電源的過程中繼電器J的短時誤動。因為在拉合直流電源過程中，當5V電源處在某一臨界電壓值時，可能由于邏輯電路的工作紊亂而造成保護誤動作，特別是保護裝置的電源往往接有大量的電容器，所以拉合直流電源時，無論是5V電源還是驅動繼電器用的電源，都可能相當緩慢地上升或下降，從而完全可能來得及使繼電器的接點短時閉合。采用圖9的接法后，由于兩項相反的條件的互相制約，可以可靠地防止誤動作。其中繼電器型號選用CJ20-16,勵磁線圈直流額定電壓為24V,直流額定電流為1.5A.則ZJ=24/1.5，R=(3024)/1.5=4。2.5 單片機主系統設計2.5.1單片機的選型51單片機選型：在51單片機中89C51內含4KB內存，外接可最大擴展到64KB而且89C51不但可將程序“加載”到芯片內的程序儲存器中而且只要以5V或12V電壓即可輕松、快速清除程序儲存器里的數據，這種芯片可重復寫入與清除達1000次以上，而本設計需要整定值可調整，重復寫入與清除較多，故選用89C51單片機。101 AT89C51的內部資源（1）一個8位的微處理器（CPU）。（2）片內數據存儲器RAM（128B/256B），用于存放可以讀/寫的數據，如運算的中間結果、最終結果以及欲顯示的數據等。（3）片內程序存儲器ROM/EPROM（4KB/8KB），用以存放程序、一些原始數據和表格。（4）四個8位并行I/O接口P0P3，每個口既可以用做輸入，也可以用作為輸出。（5）兩個定時器/計數器，每個定時器/計數器都可以設置成計數方式，用于對外部事件進行計數，也可設置為定時方式，并可以根據計數或定時的結果實現計算機控制。（6）五個中斷源的中斷控制系統。（7）一個全雙工UART（通用異步接收發送器）的串行I/O口，用于實現單片機之間或單片機與微機之間的串行通信。（8）片內振蕩器和時鐘產生電路，但石英晶體和微調電容需要外接。最高允許振蕩頻為12MHZ。以上各個部分通過內部數據總線相連接。2 AT89C51單片機引腳圖及其功能108051采用40腳雙列直插封裝方式，其引腳功能如下：(1) 電源引腳Vcc和VssVcc（40腳）：電源端，為+5V。Vss（20腳）：接地端。(2) 時鐘電路引腳XTAL1和XTAL2XTAL2（18腳）：接外部晶體和微調電容的一端； 在AT89C51片內它是振蕩電路反相放大器的輸出端，振蕩電路的頻率就是晶體固有頻率。若需要采用外部時鐘電路時，該引腳輸入外部時鐘脈沖。XTAL1（19腳）：接外部晶體和微調電容的另一端；在AT89C51片內它是振蕩電路反相放大器的輸入端。在采用外部時鐘信號時，該引腳必須接地圖10 AT89C51引腳圖Fig10 AT89C51 Pin Figure(3) 控制引腳RST，ALE，PESN和EARST/VPD：RST是復位信號輸入端，高電平有效。RST引腳的第二功能是，即備用電源的輸入端。ALE/（30腳）：地址鎖存允許信號端。當8051上電正常工作后，ALE引腳不斷向外輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。CPU訪問片外存儲器時，ALE輸出信號作為鎖存低8位地址的控制信號。此引腳的第二功能在對片內帶有4KB EPROM的8751編程寫入時，作為編程脈沖輸入端。（29腳）：程序存儲允許輸出信號端。在訪問片外程序存儲器時，此端定時輸出負脈沖作為片外存儲器的選通信號。/VPP（31腳）：外部程序存儲器地址允許輸入端/固化編程電壓輸入端。當EA接高電平時，CPU只訪問片內的EPROM/ROM并執行內部程序存儲器的指令，但當PC（程序計數器）的值超過0FFFFH（對8051為4KB）時，將自動轉去執行外部程序存儲器的程序。當EA接低電平時，CPU只訪問外部EPROM/ROM并執行外部程序存儲器的指令，而不管是否有片內程序存儲器。（4）輸入/輸出端口P0，P1，P2和P3P0口：P0口是一個漏極開路的8位準雙向I/O端口。作輸出端口時，每位可驅動8個LS型的TTL負載。作輸入時，應先向口鎖存器（80H）寫入全1。P1口、P2口、P3口均可作為輸出/輸入口，每位可驅動4個LS型的TTL負載。P3口除此之外，每個引腳還具有第二功能。3 時鐘電路單片機的時鐘產生方法有內部時鐘方式和外部時鐘方式兩種，大多數單片機運用系統采用內部時鐘方式。（1） 內部時鐘方式 最常用的內部時鐘方式是采用外接晶體 圖11 內部時鐘方式的時鐘電路Fig.11 Internal Clock Way Clock Circuit （陶瓷諧振器的頻率穩定性不高）和電容組最常用的內部時鐘方式是采用外接晶體（陶瓷諧振器的頻率穩定性不高）和電容組成的并聯諧振回路。連接方法如圖11所示,AT89C51單片機允許的諧振晶體可在1.2MHZ24MHZ之間選擇，一般取11.0592MHZ。電容C1、C2可在20PF100PF之間選擇，一般當外接晶體時典型取值為30 PF，外接陶瓷諧振器時典型取值為47 PF，取60 PF70 PF時震蕩器有較高的頻率穩定性。成的并聯諧振回路。連接方法如圖所示8051單片機允許的諧振晶體可在1.2MHZ24MHZ之間選擇，一般取11.0592MHZ。電容C1、C2可在20PF100PF之間選擇，一般當外接晶體時典型取值為30 PF，外接陶瓷諧振器時典型取值為47 PF，取60 PF70 PF時震蕩器有較高的頻率穩定性。（2）外部時鐘方式 VCCAT89C51XTAL2XTAL1VSS外部時鐘TTL門圖11 HMOS型單片機的外部信號源接入方法Fig.11 HMOS Type of Aingle Chip External Source Access Method浮空 AT89C51XTAL2XTAL1VSS外部時鐘帶上拉電阻的TTL或CMOSM門電路圖13 CHMOS型單片機的外部信號源接入方法Fig.13 CHMOS Type of Aingle Chip External Aource Access Method 外部時鐘方式是利用外部震蕩信號源直接接入XTAL1或XTAL2。圖11，AT89C51單片機的外部信號源接入方法，圖13為，AT89C51單片機的外部信號源接入方法。本次控制系統采用內部時鐘方式。 4 復位電路 復位是單片機的初始化操作。其主要功能是把PC值初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執行程序。除了進入系統的正常初始化之外，當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統處于死鎖狀態時，為擺脫困境，也需按復位鍵重新啟動。在設計單片機應用系統時，必須了解單片機的復位狀態。因為單片機應用系統工作時，會經常進入復位的工作狀態。應用系統的復位狀態與單片機的復位狀態是密切相關。單片機的復位都是靠外部的電路實現的。MCS-51單片機通常采用上電自動復位和按鈕復位電路。當晶體震蕩頻率為12MHZ（6MHZ）時，R、C的典型值為C=10F（22F），R=8.2K（1K）。通常因為系統運行的需要，常常需要人工按鈕復位，如圖所示： 圖14 復位電路Fig.14 Eset Circuit除PC之外，復位操作還對其他一些寄存器有影響，它們的復位狀態如表2所示。表2 一些寄存器的復位狀態Table 2 Aome Register Reset Condition寄存器復位狀態寄存器復位狀態PCACCPSWSPDPTRP0P3IPIETMON0000H00H00H07H0000H0FFHXXX00000B0XX00000B00HTCONTL0TH0TL1TH1SCONSBUFPCON00H00H00H00H00H00H不定0XXXX000B2.5.2 可編程I/O口8255A 8255A是Intel公司設計的可編程并行接口芯片、具有功能強、與CPU接口方便、使用靈活等特點，廣泛微機單片機系統中，可作為打印機、磁盤驅動器、鍵盤、顯示器等各種外設的接口電路，而本設計需用到鍵盤輸入與顯示器，故擴展選用8255A。1 8255A的基本特性11 1）8255A具有二個8位、二個4位的并行I/O端口的芯片； 2）8255A能以多種形式，在I/O端口與CPU之間進行數據傳送。如：程序直接傳送、應答方式傳送和中斷方式傳送等。 3）有4個端口地址：A、B、C三個數據端口地址和控制口地址。一般情況下該芯片的A1、A0腳接系統總線的A1、A0，此時，A1A0=11時選擇的是控制口；A1A0=00時選擇的是A口；A1A0=01時選擇的是B口；A1A0=10時選擇的是C口； 4）8255A的工作方式選擇和C口按位操作控制字均利用控制口發布命令。傳送數據時用各數據口的地址。8255A有三種工作方式： 1）0方式：基本I/O方式。無須連接信號的直接I/O，三個8位口均可作此類I/O。無專用聯絡信號，不能采用中斷方式與CPU交換數據，輸出鎖存，輸入緩沖（有三態門）而無鎖存。 2）1方式：選通方式。只有A口、B口可作此方式使用，C口此時作為聯絡線或0方式使用； 3）2方式：雙向I/O。只有A口可以作為此方式使用，C口在此方式下有5條線作聯絡線，余下的做B口1方式的聯絡線。2 8255A芯片引腳圖158255A的引腳圖Fig.15 8255 A Pin Figure在與單片機接口的方向，8155A提供如下信號，引腳如圖14AD7 AD0 三態雙向數據線。讀選通信號。寫選通信號。片選信號。RESET復位信號。復位后A、B、C口均置為輸入方式。A1-A0地址線，用來選擇8255A內部端口。3 8255A與8051單片機的連接 圖16 AT89C51和8255A的連接圖 Fig.16 AT89C51 And 8255 A Connection Diagram根據需要對單片機8051芯片擴展了I/O口，擴展了一片8255A芯片，設計了8255A和8051的連接圖，如圖168051擴展8255A，兩片8255A都工作在0方式。將A片PA口設置為輸入口，PB口設置為輸出口，CS由譯碼電路的Y6控制；將B片PA、PB口都設置為輸出口，PC口低4位設置為輸入口，CS由譯碼電路的Y7控制。3顯示報警及電源電路設計3.1 LED顯示器1.LED數碼顯示器的結構和原理單片機中通常用4個7段LED構成字型“8”，經AD轉換之后的數據采集，經一定的邏輯運算轉換為實際的運行電流的大小值X，編程將X的千位數，百位數，十位數，個位數分別轉換為合適數碼管顯示的二進制碼，程序選擇第一個數碼管顯示千位數據。這種顯示器有共陰極和共陽極兩種，如圖15 所示。發光二極管的陽極連在一起的（公共端KO）稱為共陽極顯示器，陰極連在一起的（公共端KO）稱為共陰極顯示器。本系統中采用的是共陰極數碼管。 （1）共陰極數碼管 （2） 共陰極數碼管封裝圖圖17 共陰極數碼管Fig.17 Cathode Tube of Digital一位顯示器由7個發光二極管組成，其中，7個發光二極管構成字型“8”的各個筆劃（段）a-g。當在某段發光二極管上施加一定的正向電壓時，該段筆劃即亮；不加電壓則暗。為了保護各段LED不被損壞，需外加限流電阻。2. LED顯示方式靜態顯示： LED的亮度高，軟件編程也比較容易，但是它占用比較多的I/O口資源，常用于顯示位數不多的情況。11動態顯示：它利用了人眼的“視覺暫留”效應，占用資源少，動態控制節省了驅動芯片的成本，節省了電 ,但編程比較復雜，亮度不如靜態的好。11 本設計中用到了4位顯示，故選用動態顯示方式。原理簡介如下：在多位LED顯示時，為了簡化電路，降低成本，將所有位的段選線并聯在一起，有一個8為I/O口控制。而共陰（或共陽）極公共端分別由相應的I/O線控制，實現各位的分時選通。由于所有位選線皆由一個I/O口控制，因此，在每一瞬間，幾位LED就會顯示相同的字符。要每位顯示不同的字符，就必須采用掃描方法輪流點亮各位LED，即在每一瞬間只使某一位顯示字符。在此瞬間，段選控制I/O口輸出相應字符段選碼（字型碼），而位選則控制I/O口在該顯示位送入選通電平（設LED為共陰，則應送低電平），以保證該位顯示相應字符。如此輪流，是每位分時顯示應顯示字符。段選碼，位選碼每送入一次后延時1ms，因為人眼的視覺暫留時間為0.1s（100ms）,所以每為顯示的間隔不能超過20ms，并保持延時一段時間，以造成視覺暫時留效果，給人看上去每個數碼管總在亮。3.2 報警器電路中選用蜂鳴器作為報警器，功能實現簡便，只要在程序判定電流為過載或速度電流時，編程使得驅動IO口輸出高點平即可驅動蜂鳴器工作，由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以致于單片機的I/O接口是無法驅動的，所以要利用放大電路來驅動，一般使用三極管來放放大電流就可以了。如下圖所示：圖18 報警電路圖Fig.18 Alarm Circuit Diagram選擇型號為CX9655SC-SM的蜂鳴器，額定電壓為30V，性噪比可達85db。以L1和L2的排列來顯示那條線路故障。其中，線路1的報警型號經P20口輸出，線路2的報警信號P21口輸出其中，二極管起續流作用，保護三極管在斷開狀態時不被報警器的線圈電流擊穿，IN4148是一種小型的告訴開關二極管，開關比較迅速，且電流有50mA，能滿足對報警器的要求。3.3 鍵盤1. 矩陣式未編碼式鍵盤掃描原理如圖19 為44矩陣式未編碼式鍵盤結構圖 圖19 44的矩陣式未編碼式鍵盤結構圖Fig.19 4 x 4 Matrix Not Coding Pad Structure圖中鍵盤的行線（X0X1）與列線（Y0Y7）的交叉處不相連，而是通過一個按鍵來聯通，行線通過電阻接+5V。當鍵盤上沒有鍵閉時所有的行線和列線都斷開，則行線都呈高電平。當鍵盤上某一個鍵閉合時，則該鍵所對應的行線和列線被短路。例如：6號鍵被按下閉合時，行線X1和列線Y5被短路，此時X1的電平由Y5的電位所決定。如果把行線接到單片機的輸入口，列線接到單片機的輸出口，則在單片機的控制下，先使列線Y0為低電平，其余七根列線都為高電平，讀行線狀態。如果X0、X1都為高電平，則Y0這一列上沒有鍵閉合。如果讀出的行線狀態不全為高電平，則為低電平的行線和Y0相交的鍵處于閉和狀態。如果Y0這一列上沒有鍵