油井电动机无定时自动控制器的设计

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1、 毕 业 设 计 论 文题 目：油井电动机无定时自动控制器的设计 学 院： 电气与信息工程学院 专 业： 自 动 化 姓 名： 学 号： 指导老师： 李 慧 完成时间： 2013年05月28日 河南城建学院本科毕业设计（论文） 摘要摘要针对油井在地下无油或少油状态下油井电机工作状态的控制问题,利用单片机控制技术,以MCS-51系列80C552单片机作为控制核心,以电流互感器作为直接检测器件,充分考虑野外抗干扰措施,开发了油井电机无定时自动控制器。现场反馈信息表明,该控制器在现场中能够稳定运行,系统总体节能率可达到30%。本设计利用单片机控制技术研制开发的油井电动机无定时自动控制器，能够实现对油

2、井电动机的过载、轻载、重载工况的检测和间歇自动优化切换控制，从而实现对油井的自动优化开采和节省电能的目的，以满足现代化生产方式的要求。本文首先介绍了油井电动机无定时自动控制器产生的原因和本课题的研究方向。紧接着说明了设计总体方案的实施以及单片机的选型。并对如何检测油井电动机的工作状况的问题，进行了电流互感器的选择。对控制器的硬件设计、软件设计做了详细的说明。利用节能分析，充分论证了次控制器能满足现代化的生产方式。并对本次设计做出了归纳总结。关键词：油井电动机 单片机（80C552） 自动控制器I河南城建学院本科毕业设计（论文） AbstractAbstractIt is a waste of

3、energy for the oil-w ell motor to work in full load while the oil storage under the ground was empty or insufficient. To solve this problem, the paper presents a kind of no timing optimizing auto-controller of oil-well motor, to which the SCM control technology has been applied. The auto-controller

4、takes MCS - 51 series SCM( 80C552) as its key component, the electric- current sensor as its direct checking part. Furthermore, the designers have taken into full consideration field anti-jamming measures during the designing process. Feedback from the fieldwork indicates that the controller is reli

5、able and energy-saving. The consumption of electricity can be reduced by 30%.The oil motor MCU development of control technology without timing automatic controller, can realize the overload, the oil motor of light load, detection and intermittent heavy-duty automatic optimization of switching contr

6、ol, so as to realize the automatic optimization of mining and electricity saving of oil energy, in order to meet the needs of modern production requirements.This paper first introduces the oil motor causes no automatic timing controller generates and the research direction. Then explains the impleme

7、ntation of the overall scheme design and selection of scm. And working conditions of how to detect the oil motor problems, the selection of current transformers. The hardware design of the controller, the software design in detail. Analysis of energy saving, fully demonstrated the time controller ca

8、n meet the requirements of modern production methods. And make a summary of the design.Key words: oil-well motor SCM( 80C552) auto-controllerII河南城建学院本科毕业设计（论文） 目录目录摘要IAbstractI第1章 绪论11.1 前言11.2 对无定时自动控制器的要求11.2.1 安全性11.2.2 可靠性21.2.3 经济性2第2章 自动控制器的总体设计方案42.1 任务分析与实现42.1.1 设计的任务42.1.2 设计总体思路42.2 控制器的硬

9、件方案设计42.2.1 检测电路42.2.2 初始状态设定电路52.2.3 执行单元52.3 系统的组成5第3章 单片机80C552简介63.1 单片机的基本组成63.2 80C552单片机的特点和引脚图73.2.1 80C552的主要性能73.2.2 80C552复位引脚73.2.3 80C552的引脚功能介绍83.3 80C552各引脚的第二功能103.4 基于80C552单片机的多芯片复位电路113.4.1 MCS-51系列的一般复位电路设计113.4.2 80C552内部特殊的复位电路133.4.3 单独采用80C552芯片的复位电路143.4.4 多芯片简单复位电路143.4.5 基

10、于80C552的多芯片同步复位电路15第4章 电流互感器的选型174.1 TA1420与普通电流互感器的区别174.2 电流互感器的使用原则184.3 LM324184.3.1 LM324简介184.3.2 LM324参数与描述194.3.3 LM324的特点20第5章 系统整体硬件电路组成215.1 单片机的最小应用系统215.1.1 复位电路225.1.2 时钟晶振电路225.2 检测电路235.3 电源电路245.4 初始参数设定电路255.5 显示电路255.5.1 EDM1190A的特点265.5.2 EDM1190A主要技术参数265.6 外扩存储电路265.6.1 存储器CAT2

11、4WC32概述265.6.2 CAT24WC32引脚功能275.6.3 IC总线协议介绍285.7 单片机与D/A、A/D转换器的接口295.7.1 D/A转换器简介295.7.2 DAC0832芯片介绍305.7.3 A/D转换器简介315.7.4 ADC0809芯片介绍325.8 抗干扰问题33第6章 软件设计356.1 软件设计概述356.2 设计思路与设计方案356.2.1 检测量与控制量的关系356.2.2 软件设计考虑的问题35第7章 系统性能分析377.1 系统精度分析377.2 系统节能分析37第8章 结论40参考文献42致谢43附录A44附录B45II河南城建学院本科毕业设计

12、（论文） 绪论第1章 绪论1.1 前言目前，我国多数油田都已开采多年，部分油田的原油储量处于一种相对贫瘠的状态，这就造成每口油井的日产量都不是很稳定。而且我国的大多数油田都是分布在人烟稀少的野处，处于一种无人监管的状态，多数油井的开采还是按照初期建井时设定的参数，进行24h不间断的运转。随着油井由浅入深的抽取，井中液面逐渐下降。泵的充满度越来越不足，直到最后发生空抽现象。如果不加以控制，将会浪费大量的电能。现阶段的做法是采用人工定期巡井的办法, 只有在每次巡井时，发现某一口油井处于空转，才进行人工停机。人工停机的工作方式效率低，不能彻底解决油井低效或无效的空抽问题，使抽油机仍然长期处于相对轻载

13、的状态。这不仅造成电动机功率因数降低，抽油无效行程增加，浪费大量的电能。而且势必会造成抽油设备损耗加大，维护费用增高，所以很难满足现代化生产方式的要求。为了解决这一问题，需要一种能够根据地下原油储油量和油井运转的情况来控制油井电机启停的装置。利用单片机控制技术研制开发的油井电机无定时自动控制器，可以有效的弥补以上不足，能够实现对油井电动机的过载、轻载、重载工况的检测盒间歇自动优化切换控制，从而实现对油井的自动优化开采和节省电能的目的，也解决了人工看管效率低下的问题。1.2 对无定时自动控制器的要求根据以单片机为基础设计的油井电动机无定时自动控制器的工作环境及其设计要求，控制器应满足一下要求：1

14、.2.1 安全性油井电动机无定时自动控制器的安全运行，不仅直接影响整个油井的抽油产量和电能以及人力资源的节约情况，而且会涉及现场巡视人员的人身安全。随着工业的迅速发展以及人们对现代化生产方式要求的不断提高，油井电动机无定时自动控制器的高度可靠性，已经成为自动控制器设计思想的重要内容。增强油井电动机无定时自动控制器的安全性的另一个重要原因是，我国大多数油井的运行参数还是按照初期建井时设定的参数，致使油井事故高发，其中有些事故甚至涉及到国家财产的安全。因此，提高无定时自动控制的安全性能，增加监控设备以及自动优化装置等防护措施，是具有很大现实意义的。对油井电动机无定时自动控制器的高安全性要求还体现在

15、工作环境和系统的设计除应符合一般的设计规程及规范外，还要满足中国新技术新产品的具体要求。随着原有抽取量日益增多和抽油规模的日渐扩大,企业在进行抽取原油的工作运行之中也蕴含着越来越大的风险。安全化抽取原油是其自身持续、稳定发展的客观需要,相关企业因其生产作业面广,所需要注意的安全防范对象多,因而必须有相应的安全事故应急预案,从而更加合理的处理一些因生产设备的隐患、制度的缺陷、工作程序的纰漏、个人作业的疏忽或个人的违章乱纪行为导致的事故。为进一步增强原油抽取过程中应对抽油事故风险和事故灾难的能力,最大限度的减少事故灾难造成的人员伤亡和财产损失,必须提高油井电动机无定时自动控制器的安全性能。1.2.

16、2 可靠性可靠性是指无定时自动控制器等相关设备在规定的条件下，在规定的服务期限内完成规定的任务而不发生故障或失效。油井电动机无定时自动控制器是原油抽取过程中非常重要的环节，控制器出现的任何故障，都有可能引起在抽油过程中的安全性问题，甚至会造成一些不必要的损失。因此，在控制器设计中引入可靠性分析，在结构设计、强度分析和寿命估算中应用可靠性理论，采用零部件早期故障诊断和检测技术等，会及其有效的提高无定时自动控制器的可靠度，即可靠性的概率度量。抽取原油的相关企业复杂的生产工艺条件对设备的要求往往很高，因此控制器的可靠运行是相关企业生产运行的基础，控制器的可靠性直接影响企业连续经济的生产过程。正因为如

17、此，提高控制器的可靠性具有实际的意义。相关部门也提出了通过对设备运行状态监测来搞好设备的预防性维修，从而保证设备的可靠性，并建立了设备状态监测预警系统，目的都是为了提高设备运行的可靠性。1.2.3 经济性油井电动机无定时自动控制器数量很大，也消耗了很多电能，所以，减少设备的投资、运营费用，提高效率对油井抽油生产的技术经济指标的影响是不言而喻的。油井电动机无定时自动控制器的经济性包括：功能设计的经济性、结构设计的经济性、造型设计的经济性、材料选择设计的经济性、控制器设计的制造成本分析等。总之，一方面从企业角度出发，应具有一定的市场竞争力，又尽可能的降低生产、经营以及维修的成本，切实从企业利益的角

18、度出发，解决好设计中影响企业利益的各种问题，使企业能够在产品的设计、生产、经营、销售过程中获得利润，能够在日趋激烈的市场竞争中长期的生存、经营和发展，也从产品的全生命周期的角度考虑企业的各种成本，尽可能的为企业提供“有利可图”的现代化产品；另一方面，从消费者的角度出发，在进行产品设计时，应尽可能采用简洁性的设计原则，避免采用一些不必要的附加物和装饰。但是，有时为了提高产品的实用性和审美性而增加的成本，在使用者能承受的范围内是可以考虑的，但是，在市场调查中必须经过充分的论证，即在市场调查过程中，必须了解什么样的装饰和附加物会提高产品的适用性和审美性，它的成本是多少，消费者对这些成本的接受程度有多

19、高。产品经济性设计的原则应包括：安全舒适性设计、适用性设计、简洁性设计、成本最小化设计、传达性设计、美观性设计等方面。4河南城建学院本科毕业设计（论文） 自动控制器的总体设计方案第2章 自动控制器的总体设计方案2.1 任务分析与实现2.1.1 设计的任务采用以单片机为控制核心的器件，组成油井电动机无定时自动控制器；无定时控制器能够实现对油井电动机的过载、轻载、重载工况的检测；也能够实现对油井电动机的间歇自动优化切换控制；实现对油井的自动优化开采和节省电能的目的。并绘出该设计的总体框图、流程图, 写出需要的控制程序，并采用相关软件对有关程序进行仿真测试，再绘制出电原理图，最后完成论文的编写。2.

20、1.2 设计总体思路1)选择Philips公司的MCS-51系列的80C552单片机作为控制核心器件。2)在控制器安装初期，由人工设定一个初始电流值最为系统的输入信号（既系统的“标准值”）。3)系统正常工作时，选择电流互感器作为直接检测器件，每10min采样一次，采集到油井电动机电流信号作为系统的实测信号。4）检测到负载电流下降30%或更大时（与“标准值”比较），则停机1h。5）对停机时间进行累计，便于计算节能。6) 将设计分成几个模块，了解各个模块所选器件的特性和技术参数，在相关软件上对各模块连接，并仿真。7) 对各个模块进一步组合和完善，使其成为完整的、满足要求的设计，对各模块器件的辅助进

21、行合理的设计，使各模块构成完整的模块。2.2 控制器的硬件方案设计单片机系统硬件的电路设计多采用单片机常用的标准化、模块化典型电路的设计方法。该系统采用了Philips公司的80C552芯片，因为该芯片具有强大的片内I/O功能。其内部含有一个8路10为逐次比较型的A/D转换器，和以往的MCS-51系列单片机相比，有更多的中断优先级和特殊功能寄存器（SFR）。在实现同样功能的情况下，它具有硬件电路更为简单的优势，使得系统在现场运行中，能够发挥出更加稳定的性能，更适应野外的工作环境。2.2.1 检测电路采用TA1420立式穿芯小型精密交流电流互感器经二级LM324与P5.0引脚连接，组成检测电路。

22、检测电路中的TA1420互感器是依据电流互感器的原理制成的一种新型的检测电流的器件，采用TA1420立式穿芯小型精密交流电流互感器采集电动机主回路的电流，并转换成输入检测信号，这个电流信号的数值直接反映了油井的工作状况。2.2.2 初始状态设定电路采用8位拨码开关S2与 P4口连接，组成初始状态设定电路。用于设定初始状态的不同参数，这种设计方式，便于实验室设计调试和现场安装调试。更重要的是可以实现在不修改主程序的情况下，根据现场的实际情况，能够很方便的实现现场新参数的设定。2.2.3 执行单元执行单元采用现代工业中流行的固态继电器，实现小信号控制大功率输出，弱电信号控制强电器件的功效。油井电动

23、机无定时自动控制器硬件电路的工作原理是，在控制器安装初期，先人工设定一个初始电流值作为系统的输入信号（即系统的“标准值”）；在系统正常工作时，有电流互感器采集到的油井电动机电流信号作为系统的反馈信号。这两个信号经主控中心处理后，输出一个有不同时间间隔的开关信号，该信号作为控制信号控制油井电动机的启停，实现了对油井的优化开采。2.3 系统的组成根据设计要求与设计思路，系统总体结构框图如图2.1所示。系统有5个主要部分组成，即初始参数设定电路、单片机系统、检测电路、执行单元和油井电动机。图2.1 系统总体结构框图5河南城建学院本科毕业设计（论文） 单片机80C552简介第3章 单片机80C552简

24、介单片机就是在一片半导体硅片上集成了中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、中断系统、系统时钟电路及系统总线的微型计算机。这样一块集成电路芯片具有一台微型计算机的属性，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。单片机自20世纪70年代问世以来，已对人类社会产生了巨大影响，尤其是美国Intel公司的MCS-51系列单片机，由于其具有集成度高、处理功能强、可靠性高、系统结构简单、价格低廉、易于使用等优点，在工业控制、智能仪器仪表、办公室自动化、家用电器等诸多领域得到广泛的应用。目前Intel公司已把精力集中在高档CPU的开发、研制上，但是以MCS-

25、51内核技术为主导的单片机已成为许多厂家及公司竞相选用的对象。因此，Intel公司已专利转让或技术交换的形式把MCS-51的内核技术转让给许多国际上著名的半导体芯片生产厂家。尽管新型的16位和32位点偏激不断推出，但在目前的单片机应用中，8位单片机尤其是各种与MCS-51兼容的单片机仍占主导地位。美国的ATMEL公司推出的AT89S5x系列在世界的8位单片机市场中占有较大的份额，是替代MCS-51系列单片机的主导机型。该系列中的AT89S51单片机是目前与MCS-51单片机兼容的最具典型性、代表性的机种，同时也是各种增强型、扩展型等衍生品种的基础。3.1 单片机的基本组成单片机的基本结构如图3

26、.1方框图所示。其中包括：中央处理器、程序存储器、数据存储器、并行输入/输出端口、串行输入/输出端口、定时器/计数器、系统等。图3.1 单片机的基本结构以上只是单片机的基本结构，现代的单片机又加入了许多新的功能部件，如模拟/数字转换器(ADC)、数字/模拟转换器（DAC）、温度传感器、液晶驱动器、电压监控、“看门狗”电路、抵押检测电路等。到目前为止，世界各地厂商研制出大约50个系列、300多个品种的单片机产品。其中有Motorola公司的6801、6802，Zilog公司的Z-8系列，Rockwell公司的6501、6502等，NEC公司、日立公司及EPSON公司等也相继推出了各具特色的单片机

27、产品。尽管目前单片机的品种繁多，但其中最具典型性的仍当属Intel公司的MCS-51系列单片机，MCS-51系列单片机应用非常广泛，是单片机的主流机型。国内尤以MCS-51系列单片机应用最为广泛。3.2 80C552单片机的特点和引脚图80C552单片机，是Philips公司生产的，它具有很强大的功能。除了具有8051单片机的全部功能外，又增加了新的大量的硬件:如高速I/0、脉冲宽度调制（PWM）、A/D转换装置、看门狗定时器（WDT）、计数器的捕捉比较逻辑、串行总线IZCBUS等，这些都集中在80C552的片内。3.2.1 80C552的主要性能(1)片内无ROM；(2)2个标准的16位定时

28、/计数器和1个附加的16位定时/计数器，并配有4个捕捉寄存器和比较寄存器；(3)1个8路10位逐次比较型的片内A/D转换器；(4)2路8位分辨率的脉冲宽度调制解调器输出PWM；(5)5个8位并行I/O口和1个与A/D转换器合用的输入口；(6)1个全双工异步串行口UART；(7)I2C串行总线口；(8)内部监视定时器WDT；（9）2个中断优先级，15个中断源；(10)有56个特殊功能寄存器SFR。3.2.2 80C552复位引脚芯片内部的复位引脚通过一个电阻接地。在时钟正常运行的情况下，在每个机器周期内都要检测施密触发器的输出，如果发现在至少两个机器周期内RST引脚都保持高电平，那么CPU将启动

29、复位时序,对芯片进行复位。在此期间ALE和PSEN引脚都保持高电平，为了使复位正确，这两个引脚的电平状态都要避免外界影响。具体做法是，只须在电源与RST引脚之间接一个2.2uF的电容器就能自动完成上电复位的功能了。由于RST引脚在片内还接在一只由看门狗定时器T3驱动的上拉晶体管上,T3溢出后,将驱动上拉晶体管,最终在RST引脚上将会出现3个机器周期宽度的正脉冲,这个正脉冲复位80C552自身的同时,也可输出去复位系统中的其他芯片。所以RST引脚既是输入引脚,也是输出引脚。因为看门狗溢出时,T3的输入脉冲宽度只有极短的3个机器周期，那么如果外电路RST引脚与电源之间接有2.2uF的电容器,则电容

30、就不能完全的放电,最终不能输出复位信号。3.2.3 80C552的引脚功能介绍Philips公司的80C552芯片是具有68引脚，其引脚排列和逻辑符号如图3.2所示。图 3.2 80C552的引脚图各引脚的功能简单介绍如下：VDD、VSS：+5V电源、数字地EA：存储器访问选择输入端PSEN：外部ROM的读选通信号ALE：地址锁存允许信号STADC：片内A/D转换器的启动输入(上升沿启动)PWM0：脉宽调制器PWM通道0输出PWM1：脉宽调制器PWM通道1输出EW：监视定时器WDT的时钟使能端RST：复位电路输入端，当监视定时器WDT计数溢出时，输出复位信号 XTAL1、XTAL2：振荡器输入

31、端AVDD、AVSS：模拟电源、模拟地AVREF+、AVREF-：A/D转换器基准电压正、负输入端PO.O-PO.7：8位双向I/O口P1.O-P1.7：8位准双向I/O口P2.O-P2.7：8位准双向I/O口P3.O-P3.7：8位准双向I/O口P4.O-P4.7：8位准双向I/O口P5.0-P5.7：8位输入口/ADCO-ADC7模拟入口80C552具有的6个8位I/O口P0-P5，每个口有1个寄存器、1个输入缓冲器和输出缓冲器组成。除了P1口新增加了功能,P0-P3与8051完全一样。P4口的功能与P1-P3相同，P5口只能作为输入口。表3.1为其使用分配情况。表3.1 单片机I/O引脚

32、资源配置表引脚实现功能P0.0-P0.7数据低八位地址总线P2.0-P2.7高八位地址线P3.0RXD（串行口输入线）P3.1TXD（串行口输出线）P3.2故障信号输入（外部中断）P3.4外特性选择输入P3.5外特性选择输入P3.6外围设备写选通信号P3.7外围设备读选通信号P4.0开关量输出（过流故障指示灯）P4.1开关量输出（欠/过压故障指示灯）P5.0电压采样输入A/D转换P5.1电流采样输入A/D转换P5.2电压给定值输入A/D转换P5.1电流给定值输入A/D转换4信号输出驱动逆变电路5信号输出驱动斩波电路3.3 80C552各引脚的第二功能单片机80C552的P1、P3、P4口还可以

33、提供第二功能，各个口的第二功能如下表所示。P1口的第二功能定义见表3.2。表3.2 P1口的第二功能定义P1口的位第二功能说明P1.0CT0IT2捕捉0输入线P1.1CT1IT2捕捉1输入线P1.2CT2IT2捕捉2输入线P1.3CT3IT2捕捉3输入线P1.4T2T2计数输入线P1.5RT2T2复位输入，上升沿有效P1.6SCLI2C总线时钟线P1.7SDAI2C总线数据线P3口的第二功能定义见表3.3。表3.3 P3口的第二功能定义P3口的位第二功能说明P3.0RXD串行数据接收口P3.1TXD串行数据发送口P3.2INT0外部中断0输入P3.3INT1外部中断1输入P3.4T0计数器0计

34、数输入端P3.5T1计数器1计数输入端P3.6WR外部RAM写选通信号输出P3.7RD外部RAM读选通信号输出P4口的第二功能定义见表3.4。表3.4 P4口的第二功能定义P4口的位第二功能说明P4.0CMSR0在CM0/CM1和T2匹配时置位/复位输出线P4.1CMSR1P4.2CMSR2P4.3CMSR3P4.4CMSR4P4.5CMSR5P4.6CMT0在CM2和T2匹配时触发输出线P4.7CMT13.4 基于80C552单片机的多芯片复位电路复位是单片机的重要的初始化操作内容，复位功能是系统正常运行的先决条件。在简单的复位电路中，只需要在微处理芯片的RESET引脚加上能够大与2个机器周

35、期（即24个时钟振荡周期）的高电平，即可完成一次复位的操作。考虑到电源的稳定时间，参数漂移，晶振稳定时间以及复位的可靠性等因素，一般只要在RESET引脚出现10ms以上的高电平，就能使单片机有效复位。但是在单片机应用系统中除单片机外，往往还有若干个其他外围器件，如果外围器件有复位要求，便形成了多个芯片的综合复位系统，这时，一般的复位电路就不能满足使用要求，因此需要一种多芯片同步复位电路设计方法。3.4.1 MCS-51系列的一般复位电路设计AT89S51片内的复位电路如图3.3所示。图3.3 AT89S51的片内复位电路结构复位引脚RST通过一个施密特触发器与复位电路相连，施密特触发器用来抑制

36、噪声，在每个机器周期的S5P2，施密特触发器的输出电平有复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。当单片机复位时，PC初始化为0000H，使单片机从程序存储器的0000H单元开始执行程序，除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行出错（如程序“跑飞”）或操作错误时系统处于“死锁”状态时，也需要复位键即RST脚为高电平，这样就能使单片机摆脱“跑飞”或“死锁”状态而重新启动程序，使单片机能够继续正常运行。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的是上电自动复位电路如图3.4所示。对于CMOS型单片机，由于在RST引脚内部有一个下拉电阻，故可将电阻R去掉，而将电容C选为10

37、uF。图3.4 上电复位电路上电自动复位时通过外部复位电路给电容C充电加RST引脚一个短的高电平信号,此信号随着Vcc对电容C的充电过程而逐渐回落，即RST引脚上的高电平持续时间取决于电容C的充电时间，因此为保证系统能可靠得复位，RST引脚上的高电平必须维持足够长的时间。除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。按键手动复位有电平和脉冲两种方式。按键手动电平复位时通过RST端经电阻与电源Vcc接通来实现，具体电路如图3.5所示。当时钟频率选用6MHz时，C的典型取值为10uF，R的取值为2K。图3.5 按键电平复位电路脉冲复位是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，脉冲复位电路如图3.6所示。图

38、中的阻容参数适于6MHz时钟。图3.6 按键脉冲复位电路3.4.2 80C552内部特殊的复位电路80C552芯片的内部复位电路和MSC-51系列的其他芯片有所不同，它已经将抑制噪声干扰的史密特电路集成到芯片内部，这样就减少了外部连接的不可靠因素的影响。而且将上电复位用的充电电阻也集成到芯片内部，简化了外部复位电路的硬件设计，因此提高了上电复位的可靠性。另外，80C552内部还有一个定时监视器T3，可以产生内部复位。如图3.7所示。80C552的内部复位过程是：将定时监视器T3置为有效，当程序运行出现异常时，定时器T3溢出，并输出宽度为3个机器周期的窄脉冲到复位电路，这样的脉冲足以完成一次复位

39、操作，使系统尽快地从故障中恢复正常。80C552的外部复位与内部复位是相互独立的，当允许内部复位时，不管RST引脚是否为高电平，都能产生一次复位操作。图3.7 80C552内部复位电路3.4.3 单独采用80C552芯片的复位电路如果80C552的复位端不再连接到其它的芯片上，可以采取图3.8（a）的设计方案，这种设计方案，不仅外部元件少，而且外部复位、内部复位均可实现，系统设计简单，可靠性也高。图3.8 80C552外部复位电路3.4.4 多芯片简单复位电路当系统中有多个复位端连在一起时，就不能采用如图3.8(a)所示的方案了。因为电容的放电作用，使得T3输出的窄脉冲无法在RST引脚出现，这

40、样，当产生内部复位条件时，虽然80C552可以得到复位，但其它外围芯片无法得到复位。这时应采用如图3.8（b）所示的方案，电容不直接与RST引脚相连，在RST引脚就可以取到T3输出的窄脉冲了。这样，当产生内部复位条件时，整个系统都可以实现复位了。但由于不同厂家生产的芯片结构不同，所以对复位的要求也不同，况且多芯片的复位连接必然使复位线加长，这极易引起较大的分布电容，从而使外围电路的复位过程滞后于单片机，如果单片机复位结束后立即对外围电路进行初始化操作，往往会导致失败。解决问题的方法就是在程序的初始化处加一些延时软件，然后再对外围芯片进行初始化设置，就可实现多个芯片的可靠同步的目的了。3.4.5

41、 基于80C552的多芯片同步复位电路基于80C552的多芯片同步复位电路设计图举例如下图3.9所示。图3.9 多芯片综合复位电路在这个系统中，除了80C552需要复位外，还有两个芯片也需要复位操作。一个是CAN控制器SJA1000,一个是单片机89C2051。其复位要求是：既要有上电自动复位功能，又要能通过定时监视器T3实现“看门狗”复位功能；当80C552复位时，89C2051和SJA1000也能同时复位；当89C2051或SJA1000出现问题时，通过80C552能够分别对其进行复位，而不影响80C552程序的正常运行。而且，89C2051和SJA1000这两个芯片的复位电平信号不同，前

42、者为高电平复位，后者为低电平复位。按照上述功能要求，简单的采用前面介绍的两种复位电路均不可行。于是我们采取了一种软件与硬件结合的方法，这种方法是，在硬件结构上，芯片80C552的外部复位电路仍采用图3.8(a)的结构，芯片89C2051和SJA1000的复位不直接与80C552的复位端相连，而是连到了80C552的两根I/O口线P1.1和P1.3上；在软件设计方面，通过在初始化程序中软件模拟上电复位过程，就可以满足系统的要求，其程序流程图如图3.10所示。系统综合复位过程是：系统上电后，80C552首先复位，开始运行软件程序，在执行初始化部分时，首先是通过P1.1和P1.3实现对89C2051

43、和SJA1000的复位操作，然后再运行其他程序。当程序运行出现异常时，“看门狗”起作用，T3溢出产生内部复位操作，程序重新开始，初始化部分也重新运行，89C2051和SJA1000随之再复位一次。在程序正常运行过程中，如果与89C2051或SJA1000相关的模块出现错误时，可以通过软件判定是否出现异常，之后再通过P1.1、P1.3端口分别对89C2051或SJA1000单独进行复位操作，此时80C552并不需要复位，程序仍然能正常运行。这种方法有利于提高系统设计的灵活性和可靠性。经过长期使用的结果表明，这种采用软件、硬件相结合的复位方法，具有硬件器件少、灵活、可靠性高的特点，完全能够保证多个

44、芯片的可靠同步。图3.10 软件复位流程图17河南城建学院本科毕业设计（论文） 电流互感器的选型第4章 电流互感器的选型油井电动机无定时自动控制器的检测电路，是采用TA1420立式穿芯小型精密交流电流互感器经二级LM324与P5.0引脚连接，组成检测电路。检测电路中的TA1420互感器是依据电流互感器的原理制成的一种新型的检测电流的器件，采用TA1420立式穿芯小型精密交流电流互感器，采集电动机主回路的电流，然后转换成输入检测电流信号，这个电流信号的数值直接反映了油井的工作状况。电流互感器原理是依据电磁感应原理的。电流互感器是由闭合的铁心和绕组两部分组成。它的一次绕组匝数通常很少，需要串接在需

45、要测量的电流的线路中，因此它经常有线路的全部电流流过，二次绕组匝数比较多，串接在测量仪表和保护回路中，电流互感器在工作时，它的2次回路始终是闭合的，因此测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小，电流互感器的工作状态接近短路。电流互感器（Current transformer 简称CT）的作用是可以把数值较大的一次电流通过一定的变换比例转换为数值较小的二次电流，用来进行保护、测量等用途。如变比为400/5的电流互感器，可以把实际为400A的电流转变为5A的电流。4.1 TA1420与普通电流互感器的区别普通电流互感器的结构原理：电流互感器的结构较为简单，由相互绝缘的一次绕组、二次绕组、铁心以及构架、

46、壳体、接线端子等部分组成。其工作原理与变压器基本相同，一次绕组的匝数(N1)较少，直接串联于电源线路中，一次负荷电流(I1)通过一次绕组时,有交变磁通感应而产生的按比例减小的二次电流(I2)；二次绕组的匝数(N2)较多，与仪表、继电器、变送器等电流线圈的二次负荷(Z)串联形成闭合回路，由于一次绕组与二次绕组有相等的安培匝数，即I1*N1=I2*N2，电流互感器额定电流与电流互感器实际运行中负荷阻抗很小，二次绕组接近于短路状态，相当于一个短路运行的变压器。立式穿芯小型精密交流电流互感器其本身结构不设一次绕组，载流(负荷电流)导线由L1至L2穿过由硅钢片擀卷制成的圆形(或其他形状),铁心起到一次绕

47、组作用,而二次绕组直接均匀地缠绕在圆形铁心上，与仪表、继电器、变送器等电流线圈的二次负荷串联形成闭合回路。由于立式穿芯小型交流电流互感器不设一次绕组，其变比根据一次绕组穿过互感器铁心中的匝数确定，穿心匝数越多，变比越小；反之，穿心匝数越少，变比越大。额定电流比：式中I1穿心一匝时一次额定电流；n穿心匝数。4.2 电流互感器的使用原则1）一次绕阻应与被测电路串联，而二次绕阻应与所有仪表负载串联。2）按被测电流的大小，选择合适的变化比例，否则误差将会增大。同时，二次侧一端必须接地，以防绝缘一旦损坏时，一次侧高压窜入二次低压侧，造成人身和设备事故。3）二次侧绝对不允许开路，因为一旦开路，一次侧的电流

48、I1全部变成为磁化电流，将会引起m和E2骤增，造成铁心过度饱和磁化，引起严重发热直至烧毁线圈；同时，磁路过度饱和磁化后，也会使误差增大。电流互感器在正常工作时，二次侧近似于短路，若突然使其开路，则励磁电动势由数值很小的值骤变成很大的数值，铁芯中的磁通呈现出严重饱和的平顶波，因此二次侧绕组将在磁通过零时感应出很高的尖顶波，其值可达到数千甚至上万伏，危及工作人员的安全及仪表的绝缘性能。另外，二次侧开路使二次侧电压达几百伏，一旦触及将造成触电事故。因此，电流互感器二次侧都备有短路开关，防止二次侧开路。在使用过程中，二次侧一旦开路应马上撤掉电路负载，然后，再停电处理。一切处理好后方可再用。4）为了满足

49、测量仪表、继电保护、断路器失灵判断和故障滤波等问题的需要，在发电机、变压器、出线、母线分段断路器、母线断路器、旁路断路器等回路中均设28个二次绕阻的电流互感器。对于大电流接地系统，一般按三相配置；对于小电流接地系统，依具体要求按二相或三相配置。5）对于保护用电流互感器的装设地点应按尽量消除主保护装置的不保护区来设置。例如：若有两组电流互感器，且位置允许时，应设在断路器两侧，使断路器处于交叉保护范围之中。6）为了防止支柱式电流互感器套管闪络造成母线故障，电流互感器通常布置在断路器的出线或变压器侧。7）为了减轻发电机内部故障时的损伤，用于自动调节励磁装置的电流互感器应布置在发电机定子绕组的出线侧。

50、为了便于分析和在发电机并入系统前发现内部故障，用于测量仪表的电流互感器宜装在发电机中性点侧。4.3 LM3244.3.1 LM324简介LM324系列器件是带有差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四运算放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源电压下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图4.1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-

51、（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。图4.1 LM324引脚排列图LM324系列差动输入的四运算放大器有四个独立的、高增益的内部频率补偿运算放大器，其中专为从单电源供电的电压范围经营。从分裂电源的操作来看，也有可能和低电源电流消耗是相互独立的电源电压的幅度。LM324差动输入的四运算放大器应用领域包括传感器放大器，直流增益模块和所有传统的运算放大器现在可以更容易地在单电源系统中实现的电路。例如，可直接操作的LM324系列，这是用在数字系统中的，能轻松的提供所需的接口电压，而无需额外提供的15V电

52、源电压和标准的5V电源电压。4.3.2 LM324参数与描述运算放大器类型：低功率。放大器数目：4个。带宽：1.2MHz。针脚数：14个。正常工作的温度范围：0C-70C。封装类型：SOIC。3dB带宽增益乘积：1.2MHz。变化斜率：0.5V/s。器件标号：324。器件标记：LM324。增益带宽：1.2MHz。工作温度最低值：0C。工作温度最高值：70C。放大器类型：低功耗。电源电压的最大值：32V。电源电压的最小值：3V。芯片标号：324。表面安装器件：表面安装。输入偏移电压的最大值：7mV。运算放大器特点：高增益频率补偿运算。逻辑功能号：324。额定电源电压：+15V。4.3.3 LM3

53、24的特点1）具有短路保护输出。2）真差动输入级。3）可单电源工作：3V-32V。4）低偏置电流：最大为100mA。5）每封装都含有四个运算放大器。6）具有内部补偿的功能。7）共模范围扩展到负电源。8）行业标准的引脚排列。9）输入端具有静电保护功能。这个是最常用的运算放大器1、2、3脚是一组，5、6、7脚是一组，8、9、10脚是一组，12、13、14脚是一组，剩下的两个脚是电源，1、7、8、14是各组放大器的输出脚，其它的就是输入脚。至于使用地方，那就是需要使用比较器和运算放大器的所有地方都可以使用，只是当你所需要用到运算放大器的地方对运算放大器的性能要求很高的时候，那你就得看看LM324是不

54、是满足要求了！21河南城建学院本科毕业设计（论文） 系统整体硬件电路组成第5章 系统整体硬件电路组成在硬件电路设计中，采用了单片机常用的标准化、模块化典型电路的设计方法。本单片机系统硬件电路结构如图5.1所示。单片机系统主要是由80C552单片机和系统外围扩展电路组成。80C552和以往的MCS-51系列单片机相比，有更多的中断优先级和特殊功能寄存器，在实现同样功能的情况下，它具有硬件电路更为简单的优势。此系统包括复位电路、存储器扩展电路、时钟电路、电流采集电路与放大电路、初始参数设定电路、声光报警和固态继电器电路等。下面对硬件电路设计和抗干扰设计做简要介绍。图5.1 单片机系统硬件电路结构框

55、图5.1 单片机的最小应用系统单片机的最小系统是由组成单片机系统必需的一些元件构成的，除了单片机之外，还需要包括电源供电电路、时钟电路、复位电路等。单片机最小系统电路（单片机电源和地没有标出）如图5.2所示。图5.2 单片机最小应用系统5.1.1 复位电路单片机的复位输入引脚RET为单片机提供了初始化的手段。有了它可以使程序从指定处开始执行，即从程序存储器中的0000H地址单元开始执行程序。在单片机的时钟电路工作后，只要在RET引脚上出现两个机器周期以上的高电平时，单片机内部则初始复位。只要RET保持高电平，则单片机就会循环复位。只有当RET由高电平变成低电平以后，相应的单片机才从0000H地

56、址开始执行程序。本系统的复位电路是采用按键复位的电路，如图5.3所示，是常用复位电路之一。单片机复位通过按动按钮产生高电平复位称手动复位。上电时，刚接通电源，电容C1相当于瞬间短路，+5V立即加到RET端，该高电平会使单片机全机自动复位，这就是上电复位；若运行过程中需要程序从头执行，只需按动按钮即可。按下按钮之后，则会直接把+5V加到了RET端从而实现手动复位。复位后，P0到P5并行I/O口全为高电平，其它寄存器全部清零，只有SBUF寄存器状态不确定。图5.3 按键电平复位电路此电路的工作原理：通电瞬间，RC电路充电，RST引脚出现高电平，只要RST端保持10ms以上高电平，就能使单片机有效地

57、复位。5.1.2 时钟晶振电路时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的正常运行都是以时钟频率为基准，有条不紊、一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统工作的稳定性。单片机内部时钟方式，片内有一个构成振荡器的高增益反相放大器，可以由它产生时钟。常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式。单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。单片机内部时钟方式的振荡电路如图5

58、.4所示。图5.4 80C552内部时钟方式的电路电路中的电容C1和C2的推荐电容值为3010pF,如果是陶瓷谐振器，则电容值应为4010pf。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。而外接晶体的振荡频率的大小，主要取决于单片机的工作频率范围，每一种单片机都有自己的最大工作频率，外接的晶体振荡频率不大于单片机的最大工作频率即可。此外，如果单片机有串行通信，则应该选择振荡频率除以串行通信频率可以除尽的晶体。本设计晶振采用12MHz，则计数周期为S5.2 检测电路对于由单片机构成的自动控制系统，总要有被测信号输入通道，由单片机提

59、取必要的输入信息作为控制系统对被控对象提取必要的原始参量信息，是系统的核心任务。而提取外部原始参量一般就需要用传感器或敏感元件。用传感器或敏感元件把测得的非电量转换为可以被单片机直接处理的数字参量。由于输入通道的工作环境往往都比较恶劣，又由于传感器输出的大都是以模拟量输出微弱信号，输出再转换成计算机要求的数字信号时就必须要进行隔离放大整形加宽等处理步骤，因此输入通道常常是一个模拟数字电路的混杂电路，是传感器集成化和单片机功能集成的边界区域在单片机控制系统的输入输出通道。为减少干扰，普遍采用了通道隔离技术。常用于隔离的器件主要有隔离放大器、隔离变压器和光电耦合器等。此电动机无定时自动控制器采用了

60、TA1420是采用TA1420立式穿芯小型精密交流电流互感器经二级LM324与P5.0引脚连接，组成检测电路。检测电路中的TA1420互感器是依据电流互感器的原理制成的一种新型的检测电流的器件，采用TA1420立式穿芯小型精密交流电流互感器，采集电动机主回路的电流，然后转换成输入检测电流信号，这个电流信号的数值直接反映了油井的工作状况。该检测电路是依据电流互感原理制成的一种新型的电流检测器件，检测电路的实现有如图5.5所示的两种方法：一是串电阻直接获得采样电压法，如图（a）所示；二是IC法获得采样电压，如图（b）所示。图5.5 检测电路在本系统设计中，采用串电阻直接获得采样电压法(采样电阻RL=1k)来测量，采集来的RL两端电压经放大电路处理后,直接送到单片机内部A/D转换输入端P5.0口,通过内部A/D转换处理后,把常规电流信号转换成单片机能识别的数字信号,完成系统对油井电机电流信号的检测。5.3 电源电路由于80C552的工作电压要求是+5V，为了给单片机提供稳定的工作电压，我选用了能提供+12V直流电压的电压源，所以需要设计一个简单的电源电路，进行电平转换，将+12V电压降为+5V，电源的电路如图5.6所示。图5.6 电源电路电路中Power处的1，2是电压源的正负引脚，FUSE1是一个熔断器，当电路出现短路等情况，造成电路电流过大时，会自动熔断，起到保护电路