DZ243电力负荷的遥控系统
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摘要本文借助工频通信技术,设计了一种对电力负荷的遥控系统,这是一种有效且很有发展的控制方法。该技术以电网人为短路造成电网波形畸变为原理,按照约定的编码规律,采用三项轮发制,应用MCS-51单片机控制晶闸管的导通,造成电力线的短路, 然后将此畸变信号传遍整个电网,实现了电力负荷的遥控功能。关键词: 电力负荷 工频控制 微机遥控Title:The Electric Power Load Microcomputer Telecontrol SystemAbstractThe main purpose in this paper is to design the electric power load microcomputer telecontrol system with the aid of power-frequency communication technology. It is a kind of newly arisen and potential electronic power controlling technology.This technology base on the theory of the short circuit resulting from the wave of electrified wire netting deformity,according to the encoded mode in advance, adopt three terms sends in turn, using MCS-51 single-chip microcomputer control the transistor regularly and then send the controlling signal from electric wire to far away. And accomplish the function of telecontrol.Keywords: electronic power load power-frequency control telecontrol目录第1章 概述 21.1 负荷控制的概念21.2 负荷控制技术的发展21.3 电力负荷管理系统的功能41.4 电力负荷管理系统应用领域51.5 建立电力负荷管理系统的意义6第2章 设计方案的选择 82.1 通信技术82.2 检测技术11第3章 系统功能介绍133.1系统功能介绍133.2 系统原理介绍13第4章 发射机设计154.1 8031/8051/8751对比154.2 8751最小系统154.3 8751 I/O接口164.4主电路设计164.5控制线路设计174.6电源电路234.7 键盘、显示器接口电路234.8 单片机与打印机的接口设计264.9 时钟电路27第5章 接收机设计30第6章 编码方式31第7章 软件设计327.1发射机流程图327.2接收机流程图45结束语49致谢50参考文献51附录1 发射机打印子程序5253第1章概述1.1 负荷控制的概念负荷控制,又可以称为负荷管理,其主要使用来碾平负荷曲线,从而达到均衡地使用电力负荷,提高电网运行的经济性,安全性,以及提高电力企业的投资效益的目的.电力负荷控制有间接,直接,分散和集中各种控制方法.所谓间接控制方法就是按客户用电最大需量,或峰谷段的用电量,以不同的电价收费,借此来刺激客户削峰填谷,事实上,这是一种技术手段.所谓分散控制方法是对各客户的负荷,按改善负荷曲线的要求,由分散装设在客户处的定时开关,定量器等装置进行控制.而集中控制方法是由负荷控制主控站按改善负荷曲线的需求,通过各种与客户联系的控制信号和装设在客户出的终端装置,对客户的可间断负荷进行集中控制.在我国,目前还广泛地以行政命令方法来限制某些用电设备在高峰时用电,并规定各客户的用电限额,将其称之为按计划用电,其实也是一种间接控制方法. 1.2 负荷控制技术的发展(一) 国外发展情况全力负荷控制起源与19世纪末和20世纪初,于1897年,约瑟夫若丁曾用不同电价鼓励均衡用电.1913年,都德尔等在IEE上发表了一篇论文,该论文论述了把一个200Hz/10V的信号电压叠加在供电网路上,以此来控制路灯和热水器,这是最早的音频控制方案.到20世纪50年代,英国曾最早提出用音频对负荷进行集中控制,而后其又采用分散定时控制,而且集中音频控制方法很快传播到欧洲各国.到了20世纪70年代初信号发生器,接收器开始电子化,并且逐步使用了计算机技术,使负荷控制装置的性能和可靠性有了很大的提高,因而音频控制技术获得了迅速的发展。在欧洲应用最广泛的是法国、德国、瑞士、荷兰、比利时等国,与此同时,澳大利亚、新西兰等国也开始大量的应用。日本自20世纪60年代即开始注意研究符合控制技术,其曾组织了对欧洲的考察,并引进制造技术。到20世纪70年代,各电力公司均安装使用了音频控制装置,有的制造厂还开发了反向数据传输系统。美国的电力资源丰富,发电装机备用容量大,在石油危机的冲击下,开始认识到充分利用能源资源的重要性,并大力研究符合控制技术。到20世纪70年代中期,引进了瑞士的饮品控制装置,以后又开发了无线电符合控制、配电现载波控制和供品电压波形畸变控制等多种控制方式。英国多年采用分散性定时开关控制方案,在应用一个阶段后,深深感到分散型装置在运行上的不灵活性,以及跟踪季节变化改变控制时段将耗费巨大的人力,于是在1985年开始采用无线电台发射集中控制信号的方案,仅两年的时间就安装了10万台无线电遥控开关,英国全国只需三个电台发射控制命令就可覆盖全国各个用电地区。法国电力公司大量应用了音频控制,新变电所在建设时即同步装设音频注入设备。1986年统计,在1500个变电所中已有1300个装设了音频控制系统。美国的电力负荷控制受到决层人员的高度重视,因此获得了快速的发展,在煤气、电力公司等大型国营和私营电力企业中其应用规模相当之大。很多电力公司对符合控制的看法已有观念型的转变。如得克萨斯共用电气公司在其十年发展规划中,把符合控制看成一种可以挖掘的资源,预计将其高峰负荷增长值得17%,由符合控制来决定。根据CRS对美国1043家电力公司的调查,这些公司共进行了338项符合控制工程,总投资达2.9亿多美元。(二)国内发展情况我国于20世纪70年代末开始研制分散型负荷控制装置、集中控制装置。1977年末,在原水电部领导下,考察了欧洲的音频控制系统,后开始了音频集中型控制装置的研制工作,1981年前后,由电科院、北京供电局、华北电力试验研究所及北京自动化设备厂等单位,先后研制了我国第一代音频和工频电力负荷控制系统装置。以后,为了对各种控制方式进行比较研究,选择适合我国国情的电力负荷控制系统装置,江苏南通启东供电局、河南郑州供电局分别与上海无线电24厂、上海微波技术研究所共同研制出我国第一代无线电电力负荷控制装置,并投入使用,山西太原供电局和785厂协作,研制了我国第一代电力线载波零序注入电力负荷监控系统,初步获得成功。与此同时,为吸取国外经验,北京、上海、沈阳、济南、哈尔滨等城市及北京低压电器厂,先后从BBC公司和瑞士ZELL Wagers User公司,引进了音频负荷控制系统设备及其制造技术。1986年以来,国务院指示要推广电力负荷控制技术,并要求在“七五”期间基本实现“控制到户”。1987年在国务院的组织协调下,由能源部和机械电子工业部负责,在南通、郑州、济南和石家庄,进一步进行国产电力负荷控制应用的试点工程。前两个城市采用无线电,后两个城市采用音频。经过两年的努力,四个试点工程先后通过了现场运行考核,鉴定验收,为具有中国特色的、集中型的电力负荷控制装置取得了成功的经验。在1989年底,在全国计划用电暨电力负荷控制技术推广应用工作会议上,确定到1992年,主要城市要基本实现电力供应控制到户;到1995年,其他地、市级城市基本实现控制到户。I目前,全国已有60多个市和县,规模不等地装用了各种型式的电力负荷控制装置。但是,由于无线电收、发频率的改变和提高负荷控制设备产品需要时间,原定规划将推迟约两年。我们的负荷控制技术近几年来又获得飞速的发展,取得明显的经济效益和社会效益,目前我们不但有用于符合控制的系列产品,而且也有相关的电力负荷控制装置的管理办法。1.3 电力负荷管理系统的功能既然电力负荷管理系统是一个集现代化管理、计算机应用、自动控制、信息等多学科技术的综合系统,那么,通过电力负荷管理系统,可以实现如下功能:1. 多功能的用电监控(1) 参数设置、参数和数据查询。(2) 远方遥控客户端开关的分、合闸。(3) 地区与客户的功率、电量的监控。(4) 对有关的电力参数的采集和计算。(5) 有关图、表、曲线及系统接线图、地理信息图的绘制和打印。(6) 为领导决策、配电调度提供现代化的管理手段。(7) 对客户端的遥测、遥信、遥控。(8) 生成各类数据库。(9) 编制执行削峰填谷的方案。(10) 建立客户的档案。2. 实现远方抄表、预售点、防窃电于用电分析预测、用电监测(1) 对于具备条件的客户,可实现远方抄表,其数据准确,且节省人力、物力。(2) 对于安装了负控装置的客户,可实现预售电。(3) 利用负控装置可以对客户的用电情况进行实时监测。(4) 利用负荷控制良好的数据采集效果及网络特性,可进行本地区的用电分析预测及管理功能。3. 良好的外延联网功能除具有局域网的一般功能外,还能与系统的上下级用电管理子系统进行远程通信,实现资源共享。4. 灵活可靠的通信手段电力负荷管理系统都具有灵活可靠的通信手段。5. 设备的升级换代简单易行电力负荷管理系统的升级换代简单易行。1.4 电力负荷管理系统应用领域我国用电分类从1986年起按“国民经济行业用电分类”,把全部用电量按以下三个原则进行划分:一是参考国际行业分类的标准和经验,从我国实际情况出发划分各行业的界限,并在具体分类中兼顾国际资料对比的需要;二是区分物质生产领域和非物质生产领域;三是主要按照企业、事业单位、机关团体和个体从业人员所从事的生产或其他社会活动性质的同一性分类,即按其所属行业分类,而不按其所属行政主管系统分类,但也应适当照顾行政主管部门业务管理范围的需要。国营经济行业用电分类国民经济行业按用电分类,连同城乡居民用电可分为八大类,各类用电包括范围如下。1. 农、林、牧、渔、水利业该行业用电指乡、村用于农业、林业、畜牧业、渔业、水利业等方面的生产用电。(1) 农业包括种植业、其他农业;(2) 林业包括林业经营种植等;(3) 畜牧业包括牲畜饲养方牧业、家禽饲养业、其他畜牧业;(4) 渔业包括海水渔业和淡水渔业;(5) 水利业;(6) 农、林、牧、渔、水利服务业。2. 工业工业用电指工业企业用于工业生产的用电。如果企业生产跨行业产品时,应按企业主要产品进行归类。工业包括采掘业和制造业。I. 采掘业。采掘业主要包括矿业、木材及竹材采运业以及自来水生产和供应业。其中矿业包括国体矿藏、液体矿车气体矿藏的开采和洗选。主要有煤炭、石油和天然气、黑色金属、有色金属、建材及其他非金属矿的采选业、采盐业和气体矿采选业。II. 制造业。制造业范围较为广泛,包括17类:(1) 食品、饮料和烟草制造业;(2) 纺织业;(3) 造纸业;(4) 电力、蒸汽、热水生产和供应;(5) 石油加工业;(6) 煤焦、煤气及煤制品业;(7) 化学工业中的轻工业;(8) 医药工业;(9) 化纤工业;(10) 橡胶及塑料制品业中的轻工业;(11) 建筑材料及其团非金属矿制品业;(12) 黑色金属冶炼及压延加工业;(13) 有色金属冶炼业;(14) 金属制品业;(15) 机械工业;(16) 交通运输、电气、电子设备制造业;(17) 其他工业。3. 其他事业(1) 房地产管理、公用事业、居民服务和咨询服务业。(2) 卫生、体育和社会福利事业。(3) 教育、文化艺术和广播电视事业。(4) 科学研究和综合技术服务事业。(5) 国家党政机关和社会团体。4. 城乡居民用电(1) 乡村居民生活照明用电,包括照明、家用电器等用电。(2) 城镇居民生活照明用电,包括照明、家用电器等用电。此外,国民经济用电还包括地质普查和勘探业,建筑业,交通运输邮电通信业,商业、公共饮食业,物质供销和仓储业。1.5 建立电力负荷管理系统的意义负荷管理系统的广泛应用是电力企业自动化技术发展的趋势,对当前电力企业的生产经营具有十分重要的意义1. 对电力经营的意义电力负荷管理系统对电力客户可进行实时监控,如监视客户用电的变化,对欠费客户报警及进行有效的停、限电控制,对客户的各时段用电情况进行计量等。同时也可以自动监控和记录客户窃电情况,实现预售电的运营方式,可从根本上解决收费难的欠费问题,实现远方抄表,进行用电预测分析。系统可为电力营销环节实现最大化、网络化管理、奠定了基础。2. 对电力生产的意义可从电力需求侧管理的角度进行削峰填谷,限电不拉闸,减少基建投资,减少机组启停调峰造成的损失。可进行配电线路负荷率调整,可对敌方电厂和上网的企业自备电厂发电进行必要的监控。3. 对供用电秩序的意义:利用电力负荷集中控制的手段配合法律和经济的措施,把用电管理深入到户,建立正常的供用电秩序。电力负荷工频控制技术是70年代发展起来的一种电力负荷控制技术,采用这种控制方法可以实现对电网的科学管理;通过装入用户端的电度表实现电量分析计量计价;以及进一步遥测各用户的功率因数、用电量等项控制,为实现电网的全面控制提供了有效手段。第2章 设计方案的选择2.1 通信技术2.1.1 微波通信 1. 微波通信系统的特点(1)微波通信的频率和波长:电力载波是靠电力线路传输信息的有线通信,而微波是靠无线电波传送信息的无限通信方式。(2) 模拟微波通信和数字微波通信:模拟微波通信。模拟微波通信传送的是模拟信号,即语音信号。语音信号与所占用的频带为3003400Hz,为了使各客户间不产生重叠和窜扰,相邻客户间的基本频带间应有一定的间隙,故每个客户占有频带定为4kHz。1) 数字微波通信。数字通信传递是二进制代码,即把模拟信号,经A/D变换装置转换成数字信号在信道中传输。信号到达接收端后,再经D/A变换,还原成话音信号。2.1.2 无线通信无线电台承担控制中心对系统内所有用户终端的通信任务,必须要有连续工作的能力和较高的性能指标。无线电力负荷控制系统中,有时由于通信距离太远,或者由于地理条件比较恶劣,使得这些地方的接收场强都比较弱。因此需中继站。而且,电台接收需要接收机鉴频器和调制电路。2.1.3 光纤通信光纤通信是20世纪70年代发展起来的通信方式,于20世纪80年代初投入工程使用。光纤通信使用的主要材料是光纤和电缆。1. 光纤光纤是用预制玻璃棒拉成纤维丝,它包含纤芯和包层,成圆柱形。光纤有良好的单向传播性,双向通信需要两个光纤。2. 光缆光纤在使用时皆组装成含二芯、三芯、四芯,甚至百余根光缆,其结构与普通电缆相似。3. 光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成,主要包括光端机和光中继机以及脉冲编码调制PCM数字通信设备。光纤通信系统的特点是传输特性好、传输速率高、误码率低,但其价格是比较昂贵的,约为30000-5000元/km。2.1.4 扩频载波扩频载波技术是近些年比较常用的电力线载波方法。所谓扩频技术就是将信息频带展宽,而在接收端通过相关接收来恢复原始信息带宽的一种技术。系统牺牲带宽以降低对信噪比的要求,使信号传输更为可靠。由于采用了自适应均衡技术、前向纠错技术等,扩频载波技术可以克服常规载波通信技术的多种不足。扩频技术的基本理论根据是信息论中的香农公式: 式中c信道容量(极限传输速率); w 信道带宽; n噪声功率; s信号功率。从上式可以看出,在信道容量固定的前提下,增加信道带宽 W 可降低对信噪比s/n的要求。柯捷尔科夫在其潜在抗干扰理论中得到如下的关于信息传输差错概率公式 式中信息带宽。 由上式可知,差错概率 ( 是输入信噪比和信道带宽与信息带宽比二者乘积的函数,也就是说,对于传输一定带宽的信息来讲信噪比与带宽是可以互换的,即用增加带宽的方式可以换取信噪比的增强。 目前,性能较好的电力扩频载波抄表芯片有的及的电力载波收发器件。采用扩频载波比常规载波提高了通信的抗干扰能力,但是该项技术仍然不能根本上解决在强电力噪声下信号的提取问题。特别指出的是,采用载波调制的信号不能直接跨过配电变压器台区。2.1.5 电力线载波 目前,利用载波法在配电线路上进行信息传输的范围不够广泛。以国内利用载法进行用户自动抄表系统为例,如图1所示,配电线载波仅能应用在变压器二次测,需要在配电线路中加集中器,然后由集中器将数据通过其它信道(如电话线)返回到控制中心。在有的电力载波系统中,也有通过在配电变压器上加入转接设备,使载波信号通过变压器传输至子站中央控制单元,但这种方式对接入两个电压等级间的跨接设备的安全性有待考虑。图1 配电线载波抄表示意图2.1.6 脉动控制技术脉动控制技术的工作原理类似于配电线载波控制技术,也是将高频信号注入到电力传输线上,只是脉动控制技术对信息的调制方式是通过让脉动有或无来实现的。脉动控制技术使用的载波频率低于2kHz,由于这个频率较配电线载波使用的频率更接近50Hz工频,因此脉动信号比电力载波信号传输距离远,并且该信号能够跨过配电变压器。但是由于使用的频率低,脉动控制技术的数据传输速率低于配电线载波通信。在电力系统中,低于1kHz的谐波是很普遍的,由于这个频段正是脉动控制技术的工作区间,因此脉动控制技术的工作频率必须避开电力系统的谐波点,否则将会受到谐波的强烈干扰.应该说脉动控制技术与后面的工频通信技术有些相近之处,都能在不加中间设备的前提下实现数据的跨变压器台区交换,但该技术抗干扰能力差、信号调制功率大、对电网的干扰大,影响了它的使用。2.1.7 工频通信技术 如图2所示,工频通信技术也是利用电力配电线路作为信号的传输媒介。它利用电压过零点进行信号的调制。由变电所向外传送的命令信息,是在50Hz工频电压过零点附近的很窄的区间内调制号使电压产生一个很微弱的畸变,位于远方接收端能检测到这个电压波形的畸变,并且还原出其所代表的码元。向变电所传送信息是建立在电流调制的基础上的,在电压过零点附近很窄的区间内根据需要产生一个电流脉冲,在变电所由位于母线上的电流互感器检测出该电流并还原出码元。 工频通信控制技术与电力载波技术相比,设备更为简单,投资更为节省,信号能直接跨变压器台区,也不存在驻波而带来的盲点问题。与脉动控制技术相比,工频控制通信技术具有信号调制容易,对电网干扰小,抗干扰能力强的特点。工频通信控制技术是利用工频电压和电流本身的形变来携带信息以减少电网设备和参数对号的影响,也就是说通过降低调制频率来适应电网环境。图 2 工频电力通信系统示意图 工频通信技术的主要技术特点有: (1)完全利用现存的电力网络作为传输载体,无需增加额外的系统设备,对现有系统没有特殊要求,节约了大量的开支。 (2)信号在传输过程中,无泄漏和旁路现象,衰减小,不需要滤波器和阻波器。 (3)可以实现跨台区通信,不需转接设备,减少了地域性的限制。 (4)实现完全的双向通信,上下行通道互不干扰。可以进行多通道通信。对远端设备或仪表的访问是直接的,无需中继环节。 (5)对电网本身没有干扰,完全处于容许范围以内。 (6)对电网本身的频率和幅值变化不敏感,抗干扰能力强。 (7)信号在过零点附近调制,所需的调制功率小,易于实现。 工频通信技术具有成本低、传输可靠性高、无附加设备和无需改造配电网等特点。因此,本文选择工频通信技术。2.2 检测技术电力配电网是将电能从变电所传输到各用户的电力线网络。工频通讯系统是以电力线路为媒体, 采用50 Hz 电力正弦信号为载体, 信号叠加在基波过零附近, 由子站向用户终端传输。该信号是电压信号, 由于受到电网本身容性负载及电感负载作用,实际上是一个逐渐衰减的振荡信号。在用户终端对下行电压信号的检测是在强噪声干扰下的弱信号的检测,在检测信号时,目的就是要去除干扰与噪声而提取有用的信号,采用的检测方法是时间测量比较法与幅度测量比较法。基波过零调制电力系统由子站发往用户的命令信息是电压信息,有时称之为下行电压信号。下行电压信号的调制是通过在电压过零点附近叠加一个信号使220 V 电压基波在此处发生一个非常微小的电压畸变(符合电压谐波要求) , 利用所叠加信号的周期位置的不同来分别表示下行电压调制信号的“1”和“0”。对这种电压信号的检测目前基本上可以采用两种方法进行。第一种方法是在调制下行电压信号所在位置处进行时域采样, 检测波形幅值的变化来反映信号的有无, 这种信号处理时需要较高速度的采样芯片及较大容量的RAM, 对CPU 的运算速度也要有较高的要求。第二种检测方法主要是对时间间隔的检测, 对CPU 中定时器有较高的要求, 但是这种方法不需要昂贵的A/ D 转换器及外部RAM, 从而可以减少用户终端的成本及缩小用户终端的体积。第二种方法也有它的缺点, 那就是信号处理的手段有限, 信号特征的提取方法受到限制。这两种下行电压调制信号检测方法对比如表1 所示。表1 时间测量与幅度测量比较系统要求幅值检测时间间隔检测采样芯片需要不需要外扩RAM需要不需要定时器要求不高较高CPU 速度要求较高不高成本较高较低所需存储空间较大较小信号处理的方法较多, 可以在时域也可以在频域对信号进行处理较少, 仅能在时域对时间间隔变化进行分析第3章 系统功能介绍3.1系统功能介绍发射装置逻辑框图图3接收装置逻辑框图图4工频控制系统由发射机及若干接收机组成。发射机可分为控制线路及主电路两部分,主电路由注入变压器(不需专门设置)、大功率可控硅及其他保护元件组成。控制线路由MCS-51单片机最小系统,定时时钟及译码线路、零点检测线路及可控硅触发线路组成。其中LM339为过零检测的核心元件,单片机在测得了过零点后由片内定时器定时到短路点,发出触发脉冲信号使可控硅导通,即发出控制信号。 接收机采用8751单片机作为核心,由电压比较器及其他电子器件构成信号检测电路,在电压由负过正过零时,单片机开始计时,为了提高灵敏度,采用软硬件结合的方法。检测出正负半波的宽度,将二者之差作为基准信号。当正负半波宽度大于这个基准信号时,认为有信号,且分析命令地址码、性质码,及时发出动作。3.2 系统原理介绍我们假设某电力网系统布置如下图5图5工频通信技术是将要发射的命令信号编码,有规律地在某一串周波的特定相位上,使电力网人为短路,再将短路信号传遍整个电网;在被控点(即接受点)由接收机检测译码复原,并按着预先规定的编码方式进行译码,再根据译得的命令对负荷实施控制。工频控制系统的实现关键是对短路扰动信号波形的检测,因而有必要对信号的波形进行分析。选定变电所附近的某一负荷变压器作为注入变压器,这样做并不会影响负荷变压器的正常工作。注入变压器容量越大,发射点距注入变压器越近,电网质量越好,可控硅导通角越大,那么,信号就越大,传输距离就越远。发射点及接收点均在电网的低压侧(即0.4kV)。短路点相位如图6所示。其中即为可控硅导通角,在同等条件下,该角越大则信号量越大,此角一般小于,本系统选定为。图7给出了接收点实测得到的短路信号波形。该波形与理论分析波形略有差异,这主要是由于电网变压器的磁饱和及高、低压侧补偿电容造成的。但在过零点的特点是一致的,即都导致正半波变窄而负半波变宽。这一信号的特点使接收机易于检测,从而完成了远距离控制负荷的目的。图6 图7第4章 发射机设计4.1 8031/8051/8751对比MCS-51系列单片机的三个基本产品为8031、8051、8751、它们的引脚与指令系统完全兼容,但在内部结构及应用特性方面存在一些差异。8031内部包括一个8位的CPU,128个字节的RAM,21个特殊功能寄存器(SFR)、4个8位并行IO口、1个全双工的串行口,2个16位的定时器/计数器,但程序存储器,需外扩EPROM芯片。805l是在8031的基础上,片内又集成有4K ROM,作为程序存储器,是一个程序不超过4K字节的小系统。ROM内的程序是公司制作芯片时,代为用户烧制的,出厂的8051都是含有特殊用途的单片机。所以805l应用在程序已定,且批量大的单片机产品中,由于以上限制目前国内很少采用。8751是在803l基础上,增加了4K字节的EPROM,它构成了一个程序小于4K的小系统。用户可以将程序固化在RPROM中,可以反复修改程序。由于这类单片机的性能价格比高所以被广泛应用,是目前应用数量较多的单片机。4.2 8751最小系统图8图8中采用内部时钟方式,外接晶体(在频率稳定性要求不高,而尽可能要求廉价时,可选用陶瓷谐振器)以及电容CXl和CX2构成并联谐振电路,接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求,但电容大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。晶体可在1.2MHZ-12MHZ之间任选,电容CX1和CX2的典型值在20pF-100pF之间选择,但在60pF-70pF时振荡器有较高的频率稳定性。典型值通常选择为30PF左右(这时对应的时钟频率为12MHZ)。外接陶瓷谐振器时,CX1和CX2的典型值约为47PF。 4.3 8751 I/O接口MCS-51单片机有4个双向的8位并行I/O口:P0-P3,每个口都有一个8位的锁存器,复位后它们的初态为全“1”。 P0口是三态双间口,称为数据总线口,因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写数据操作。P0口还用以输出外部存储器的低8位地址。由于是分时使用,先输出外部存储器的低8位地址,故应在外部加锁存器将此地址数据锁存,地址锁存信号用ALE。然后,P0口才作为数据口使用。Pl口是专门供用户使用的I/O口,是准双向口。P2口也是准双向口。它是供系统扩展时输出高8位地址。如果没有系统扩展,例如使用805l/875l单片机不扩展外部存储器时,P2口也可以作为用户I/O口线使用。P3口是双功能口,也是准双向口。该口的每一位均可独立地定义为第一I/O口功能或第二I/O口功能。作为第一功能使用时,口的结构与操作与P1口相同。表2中表示了P3口为第二功能时各位的定义。表2引脚第二功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2INTO(外部中断0)P3.3INT1(外部中断1)P3.4T0(定时器0外部中断)P3.5T1(定时器1外部中断)P3.6WR(外部数据存储器写选通)P3.7RD(外部数据存储器读选通)4.4主电路设计(一)可控硅的选择此设计系统应用了可控硅可以随意控制导通的特性,采用相对触发造成电力网的人为短路以形成控制信号来进行远程控制。该设计系统的可控硅可选为1000V/500A的大容量可控硅。虽然短路电流较大,但时间甚短,故散热不是主要问题。信号发射时空气开关及SCR发出断续敲击声均为正常现象,发射时间小于15秒。(二)注入变压器此设计系统发射点和接收点均在电力网低压侧0.4KV段,高压侧为10KV,通过注入变压器连接两端可以对整个系统形成保护。注入变压器容量由100560KVA,可选顶变电所附近的某一负荷变压器作为注入变压器,这并不影响负荷变压器的正常工作。注入变压器的容量愈大,发射点距注入变压器愈近,电网质量愈好,可控硅导通角愈大,则信号愈大,传输距离愈远。图9 主电路(三)主电路保护电路主电路在与外界接触的注入变压器下端进行二次变压,并使用隔离开关,使整个电路与电力线完全隔离,当在需要发射机工作时,关闭电闸,从而使发射机与电力线构成连接。主电路还采用大电阻并联常开触点的方法,用于对主电路与外部电力线的隔离,在平时不发射信号时,常开触点断开线路,当需要发射信号时,触发器工作,带动主电路的常开触点闭合,使主电路线路接通,当发射完毕时,按下断开按钮,使触发器停止工作,常开触点恢复正常,使电路重新断开。通过这种保护电路,使得主电路在未发射信号时,始终保持与外界电路的隔离,起到隔离保护的作用。4.5控制线路设计4.5.1 过零检测线路 图10其中D1、D2是可限制集成运放的差模输入电压,保护输出级。 LM339电压比较器为低功耗、低失调电压比较器,具有全温度范围内的失调电压漂移低,输出差动电压范围等于电源电压,能为TTL、DTL、ECL|、MOS等逻辑系统兼容等特点,在测量和控制领域中用途广泛。图10中A和B为进行比较的输入电压,C为逻辑电平输出。当BA是C为1,当BA时,C为0。输入电压接到比较器A、B端,且A端接0。当B端高于A端时,也即正半波时,C点为1电平。当B端低于A端时,也即负半波时,C点为0电平。如图,电源电压的正弦波转化成了逻辑量C。为了提高LM339过零比较器精度,将输入接入LM339的副输入端,为使输入输出同相,引进如下电路图10(a),LM339 的输出输入及三极管的波形见图10(b)。图11(a) 图11(b)4.5.2可控硅触发线路图12(一)光电耦合器 如图9所示,4N25为光电耦合器中的一种. 光电耦合器4N25起的是隔离作用,光电耦合器是一种电信号的耦合器件,它一般是将发光二极管和光敏三极管的光路耦合在一起,输入和输出之间不可共地,输入电信号加于发光二极管上,输出信号由光敏三极管取出。光电耦合器以光电转换原理传输信息,它不仅使信息发出端(一次侧)与信息接收并输出端(二次侧)是绝缘的,从而对地电位差干扰有很强的抑制能力,而且有很强的抑制电磁干扰能力。速度高、价格低、接口简单。图13 4N25的实物图以及管脚图(二) 脉冲变压器 自动控制技术中常用的变压器都是小容量的单相变压器,一种是叫电源变压器,它将电网供给的380V或220V交流电压变成一种或数种数值不等的交流电压,经过整流后供电子线路插件用,另一种则在电子线路中传递信号,称信号变压器或脉冲变压器,两者的基本工作原理相同,均基于法拉第电磁感应定律,即当线圈交链的磁链发生变化时,则该线圈就有感应电动势产生。两者区别在于,电源变压器绕组中流过交变的电流, 铁芯中的磁通也是交变的,都是连续变化的,而脉冲变压器绕组中的电流与铁芯中的磁通不是交变的,而是断续的脉冲,脉冲变压器可传递、升高或降低脉冲电压,且使电路间互相隔离。1 脉冲变压器铁芯截面计算为便于比较,先给出电源变压器铁芯截面的计算 (1)式中 铁芯中最大磁密铁芯硅钢片叠压系数 电源频率50Hz初级线圈匝数小型单相变压器铁芯多采用壳式 在中间芯柱放置绕组,其中柱截面积的大小与变压器输出绕组,即次级总视在功率有关,即 (2)式中变压器输出总视在功率 经验系数上述两式计算结果是相近的,区别在于前者先假定匝数W1 ,再求铁芯截面,后者是先求, 再计算匝数。对于脉冲变压器铁芯截面的计算用公式(1),(2)计算是不妥的,因为,由变压器运行原理知即公式(1) 是在、都是按正弦交变,连续变化下推导出来的,故为有效值。公式(2)也不适用,因中,、 也是正弦交变的有效值。在可控硅触发电路中,脉冲变压器一次线圈两端是通过晶体管施加一直流电势E,靠晶体管的开关作用瞬时通断获得一个方波或尖形波的直流电流脉冲,从而在变压器铁芯中产生一个。初、次级有1 、2 产生,则有E1 , E2 呈方波或尖形波感应电动势产生。当给定脉冲变压器初级产生的脉冲电压的幅度,宽度和形状时若E1为方波时,则 (3)式中1变压器初级磁链变化最大值(Wb)T脉冲宽度(S)当脉冲为尖形波时,系由电容器的瞬时放电获得按e 的指数规律衰减的尖形波脉冲电流所产生。由 (4)为尖脉冲的衰减常数, 此式表示尖脉冲与纵横坐标包围的面积,等于脉冲宽度为的方波面积即,且 (5)则 (6) (输出单向脉冲) (7)由式(3) 、(4) 、(6) 、(7) 可得 (8)铁芯截面求出后,可参照硅钢片标准尺寸来选择,并确定铁芯叠片厚度t= a t (9)式中a 壳型铁心中柱宽度(cm)t 叠片厚度(cm) = 2 c + 2 h + 2 a (10)式中磁路平均长度(cm)c 铁芯窗口宽度(cm)h 铁芯窗口高度(cm)a 铁芯中柱宽度(cm)可算出励磁电流 (11)对应于值,查相应硅钢片的BH曲线,得出铁芯磁场强度最大值(A/cm)初级负载电流 (12)式中U 输出脉冲电压幅值( V )E1 初级供电电源电压( V )RL 负载电阻,即可控硅控制极电阻()系数112 是考虑脉冲变压器绕组回路中的电压损失晶体管除需提供负载电流i1L外,尚能提供足够的励磁电流,即i1 = i1L + (13)这样,选择W1 匝数才能通过2 脉冲变压器绕组匝数的选择脉冲变压器绕组通过的电流仅为几十mA 至一、二百mA ,且为脉冲,故发热甚微,一般可选012 mm的高强度漆包线,考虑电阻压降及绕制时的机械强度,自行制作时,初级与次级间、次级各线圈间要处理好绝缘。由于可控硅触发电路中,须使触发脉冲与电源电压“同步”, 采用同步方式的振荡电路,用变压器获得同步是最常用的,由于电源变压器的原绕组是接到主电路的同一电源上,故主电路电压过零时,触发电路的电压也过零,即保证稳压管上梯形波电压与电源电压的同步,梯形波电压可通过电源变压器付边经桥式整流加到稳压二级管上获得,根据可控硅控制极对触发脉冲电压幅度的要求, 脉冲变压器初级线圈所在电路所加的梯形波直流电压通常取220V左右,一般可取W1=200-300匝,当脉冲宽度较宽时,如大于100S或更大,可适当增加W1匝数 (14) (15)4 结论1) 脉冲变压器工作原理与小型电源变压器并无不同, 但设计中铁芯截面的计算与绕组匝数的选择有所不同。2) 若触发脉冲宽度较窄时, 如几十几百S , 铁芯截面可适当减小。(三)继电器4123继电器是自动控制电路中常用的一种元件。实际上它是用较小电流控制较大电流的一种自动开关。因此,广泛应用于电子设备中。电磁继电器一般由一个线圈、铁心几组带触点的簧片组成。触点有动触点和静触点之分,在工作过程中能够动作的称为动触点,不能动作的称为静触点。继电器的工作原理是这样的:当线圈通电以后,铁心被磁化产生足够大的电磁力,吸动衔铁并带动簧片,使动触点和静触点闭合或分开;当线圈断电后,电磁吸力消失,衔铁返回原来的位置,动触点和静触点又恢复到原来闭合或分开的状态。应用时只要把需要控制的电路接到触点上,就可利用继电器达到控制的目的。4123属于电磁继电器的一种,是属于直流电压继电器的一种,又是超小型弱功率电磁继电器。其技术指标和参数如表3所示表3 继电器的参数技术要求一.使用环境条件 1.环境温度:-30+60 2.相对湿度:95(+40) 3.大气压力:86106kpa 4.振 动:双振幅为1.50mm;频率为1055HZ 5.冲 击:加强度100m/s2(10G)18次,脉冲持续时间11ms二.线圈 1.额定电压应符合表4中的规定 2.动作电压和释放电压应符合表4中的规定 3.线圈直流电阻应符合表4中的规定 4.线圈功耗0.45表4代号线圈电压VDC线圈直流电阻()额定值动作电压释放电压003375%10%2010%005575%10%5510%006675%10%8010%009975%10%18010%0121275%10%32010%0181875%10%72010%0242475%10%128010%4.6电源电路通过变压器,整流桥,稳压器7812,7805以及一些电容,二极管等来组成一个电源,其电路如图14所示图144.7 键盘、显示器接口电路图154.7.1显示器接口设计显示器是计算机系统开发时使用的主要设备之一,它可将计算机的运算结果、中间结果、存储器地址以及存储器、寄存器中的内容显示出来,从而实现人机对话。单片机应用系统中,使用的显示器主要有LED和LCD。这两种显示器成本低廉,配置灵活,与单片机接口方便。目前,由半导体发光二极管组成的数码显示器(简称LED)是最常用的输出显示设备。它以价廉、可靠、耐用,对电流、电压要求低等优点,在计算机应用系统中获得广泛的应用。LED在脉冲工作状态下亮度较强,一般每秒可导通100500次,每段发光二极管需要串接限流电阻,改变阻值可调亮度。共阴极LED显示块的发光二极管的阴极连接在一起,通常此公共阴极接地,当某个发光二极管的阳极为高电平时,发光二极管点亮,相应段被显示。同样,共阳极LED显示块的发光二极管的阳极连接在一起,通常此公共阳极接正电压。当某个发光二极管的阴极接低电平时,发光二极管被点亮,相应的段被显示。LED显示器有两种显示方式,静态显示方式和动态显示方式。所谓动态显示,就是单片机定时对显示器件扫描。在这种方式中,显示器分时工作,每次只能有一个器件显示。动态显示方式中的线路的接法是,通常将所有位的段选线相应度并联在一起,由一个(7段LED)或两个(“米”字段LED)8位I/O接口控制,形成段选线的多路复用,而各位的共阳极或共阴极分别由相应的I/O接口控制,实现了各位的分时选通。其工作过程是在某一个时刻,只让某一位的位选线处于选通状态,而其他的各位的位选线则处于关闭状态。同时,段选线上输出相应位要显示字符的字型码,这样同一时刻,N位LED中只有选通的那以为显示出字符,而其他为则是熄灭的。同样,在下一时刻,只让下一位的位选线处于选通状态,而其他各位的位选线处于关闭状态。同时,在段选线上输出相应位将要显示字符的字型码,则同时,只有选通位显示出相应的字符,而其他各位则是熄灭的。如此循环下去,就可以使各位显示出将要显示的字符。图16A、b、c、d、e、f、g各点和公共的电位、就可以控制各二极管的亮暗。二极管亮暗不同的组合便可以显示不同的数字。以共阴极显示器为例,若要显示数字“9” 时,只要e段不亮,a、b、c、d、f、g段亮,即e段的阳极上加低电平“0” ,七段显示器则显示“9”。七段显示器显示字符和段选码的关系如表5所示。表5显示字符gfedcba段选码共阴极共阳极0123456789ABCDEF00111110111101111000111011111011101000101011111110110110110111101101111111110100111110011110010010110111111010113F065B4F666D7D077F6F777C393E7971C0F9A4B0999282F880908883C6A1868E显示的内容由寄存器R4、R3、R2、R1控制,R4=0,无显示,R4=1,进入界面1R1=0,方式设定;R1=1,时钟1设定;R1=2,时钟2设定;R1=3,性质设定;R1=4,地址设定;R1=5,为确定。R4=2,进入界面2R1=0,R2=0,时钟1设定为单次发射;R1=0,R2=1,时钟1设定为多次发射;R1=0,R2=2,时钟2设定为单次发射;R1=0,R2=3,时钟2设定为多次发射;R1=1或R1=2,R2=0到24,表示相应的小时;R1=3,R2=0,命令合闸;R1=3,R2=1,命令分闸;R1=4,R2=0到99,命令相应地址;R1=5,R2=0或1,表示确定或取消。R4=3,进入界面3R1=1或2,R3=0到60,命令为对应的分钟设定。4.7.2 键盘设计单片机对非编码键盘的控制方式在单片机应用系统设计中,为了节省硬件通常采用非编码键盘,在这种键盘结构中单片机对它的控制不外乎有以下三种方式:1程序控制扫描方式这种方式就是只有当年片机空闲时才调用键盘扫描子程序,响应键盘的输入请求。2定时扫描方式单片机对键盘的扫描也可采用定时扫描方式,即每隔一定的时间对键盘扫描一次。 在这种扫描方式中通常利用单片机内的定时器,产生10MS的定时中断,CPU响应定时器溢出中断请求,对键盘进行扫描,以响应键盘输入请求。 3中断扫描方式 对键盘定时扫描控制方式的主要优点是能及时响应键人的命令或数据,便于用户对正在执行的程序进行干预。这种控制方式,不管键盘上有无键闭合,CPU总是定时的关心键盘状态,因为人工键入动作极慢,有时操作员对正在运行的系统很少甚至不会干预,所以在大多数情况下,CPU对键盘进行空扫描。为了进一步提高CPU的效率,可采用中断方式,当键盘上有键闭合时产生中断请求,CPU响应中断,执行中断服务程序,判别键盘上闭合键的键号,并作相应的处理。4.8 单片机与打印机的接口设计1. XLF是嵌入仪器面板上的汉字微型打印机,分16行和24行两种型号,打印头采用EPSON公司的M-160。字形为5*7点阵字符和11*14点阵汉字,速度1行/秒,采用单一5V电源。具有串行/并行打印接口,接口信号均为TTL电平;可以打印汉字、ASK码、曲线、图形、点阵等,汉字库可自行编制固化以适应具体应用需要。另外该打印机还有打印时通电,不打印时端点的功能,因为通常打印时间为整机运行时间的几十至几千分之一,增加此控制可以降低功耗和延长打印机使用寿命。(1)接口信号l 1至13线为并行接口信号线。l 12、13、15、16线为串行接口信号线。l 14线为控制线,控制打印机电源的开启与关闭,当14线置位1时,开启打印机电源,当14线为0时,关闭打印机电源。使用时可将14线接于应用系统的某一输出口线(如8031的P1.0),通过此口线的输出信号完成打印机电源的通断控制。控制14线时应注意,因为内部继电器动作较慢,当14线置为1之后,要延时10MS左右,以确保电源稳定的加到打印机上,从而确保打印机工作正确。如果不用此控制功能,可将14线与+5V短接。(2)开关l K1为自检键。将打印纸装好之后,可打印出所有的ASK码,所有的汉字及其对应的代码。l K2为走纸键。按下K2键,打印纸上移可将打印纸装入打印机中。l K3-1为串、并转换开关。开关处于OFF状态时,打印机并行接口有效,处于ON状态时串行接口有效。l K3-2、K3-3、K3-4为串行接口方式下波特率设置开关。2 并行接口将K3-开关设置于OFF位置,则打印机的并行接口有效,接口引出线为1-13线。其中1-8线为D0-D7数据线,9为BUSY线,10,11为片选CE、WR线。当来自于8031单片机的打印数据出现在打印机的数据线D0-D7上时,如CE、WR线均有效且持续时间大于2m ,则此打印数据便被送入打印机中,然后听从处理。打印机接到数据之后,将BUSY线置为忙即高电平状态,禁止8031单片机向打印机送数据,当打印机处理完接收数据后,将BUSY线置为闲即低电平状态,通知单片机,打印机已作好接收数据准备,可以发送新的数据了。3串行接口 开关K3-1置于ON,则打印机串行口工作有效。接口引出线为12、13、15、16共4条。串行数据格式要求为:具有一位起始位,8位数据位,一位停止位。停止位后打印机置BUSY线为忙即高电平状态,打印机取走数据并处理完之后,再将BUSY线置为闲即低电平状态。这非常类似于并行口的工作时序,只不过并行口以并行方式传送8位数据字节,而串行口则以串行方式传送8位数据字节。图17 8031与XLF微打串行连接原理图4.9 时钟电路MSM5832性能及引脚说明 一、性能1CMOS低功耗芯片,VDD3V时最大功耗为90W,正常工VDD=5V时,最大功耗为25mV;2.有秒、分、时、日、星期、月和年7种计时功能,一次设定参数后,可随时读出准确时间;3有闰年识别能力;4.可选择使用12小时制或24小时制两种计时方式;5有30秒修正引脚,便于人工修正时间;6.有加l操作引脚,可有选择地对秒、分、时、日、星期、年分别进行加l操作,以便调整或设定时间。图18二、引脚说明MSM5832采用DIP封装形式,各引脚含义如下:A3-A0地址线,用于选择片内的13个时间寄存器。D3-D0-数据线,双向。用以传递由地址信号所选中的13个时间寄存器的数据。数据形式为BCD码。电路为CMOS漏极开路输出,可驱动1个TTL负载。XT、XT非外接晶体及电容引脚。WR一写操作控制信号,高电平有效。RD读操作控制信号,高电平有效。CS片选信号,高电平有效。TEST-快速调整控制信号。输入脚,高电平有效。当CS1和 TEST1时,对披选中的时间寄存器进行加1操作。30ADJ-30秒调整信号输入脚,高电平有效。当对该引脚加高电平时,若此时秒寄存器为0-29,则将其调整为0秒,若秒寄存器为3059,也调整为0秒,但对分寄存器要加1。 HOLD-保持按制信号输入脚,高电平有效。 当 HOLD1时,各时间寄存器的数据保持不变。因它禁止1HZ时钟加到计数器上,从而保证了正确执行读写操作,因此 HOLD信号宽度不应大于1秒,否则将引起计时误差。 VDD、GND电源及地。图19 第5章 接收机设计接收机是本设计的执行部分,接收发射机所发出的每一个命令,来解决路灯及分时计量电价等这类与时间有
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