《毕业设计论文基于单片机三相电路保护装置的设计》.docx
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《毕业设计论文基于单片机三相电路保护装置的设计》
毕业设计
题目
基于单片机的三相电路保护装置设计
系别
专业
班级
姓名
学号
指导教师
日期
目录
1概述1
1.1三相保护电路装置的背景1
1.2三相保护电路装置的意义1
1.3方案的选择1
2硬件设计2
2.1系统介绍2
2.2设计的硬件结构框图3
3软件设计11
3.1软件设计的总体思路11
3.2主程序的介绍结构及其功能11
3.3按键调整12
3.4液晶显示16
3.5定时器中断程序19
4调试结果及数据分析22
4.1已完成的功能22
4.2调试过程23
4.3调试结果25
4.4更新方向26
致谢27
参考文献28
附录29
附录A29
附录B30
1概述
1.1三相保护电路装置的背景
三相电机在工业生产中是很多机械设备的重要动力来源。
在工业生产为保证三相电动机的正常工作,我们必须对电动机电路进行保护。
三相电动机的传统保护电路是以断路器、交流接触器、热继电器、自动空气开关等件器组成的电路保护系统。
这些经典的三相电动机保凝结着很多人的心血,也为我们的工业生产提供了安全保证,但是随着工业自动化的深入发展,传统的三相电动机保护电路已经不能满足工业自动化生产的要求。
1.2三相保护电路装置的意义
目前,工业自动化正向着计算机化,网络化,智能化,保护、控制、测量和数据通信一体化方向发展。
而这次设计的一个目的就是为实现自动化生产打下基础。
另外,在设计中使用的是ST7920液晶显示器,这种显示器画面显示质量比较高、不会闪烁、显示面积较大降低了眼睛的疲劳程度,且ST7920液晶显示器带有中文字库能够更好的、更方便的显示中文,给操作人员监测带来了很大方便。
1.3方案的选择
STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟,机器周期(1T)的单片机,是高速,低功耗,超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速,10位A/D转换,针对电机控制,强干扰场合,并且价格便宜。
2硬件设计
2.1系统介绍
本次设计是围绕着保护三相电动机的安全运行而设计的。
STC12C5A60S2单片机三相电路电流测试仪的原理是,自动检测三相电源的电流,并根据电流的大小进行显示和控制。
用单片机对三相电源的电流进行采集、处理、显示和控制。
首先是电流采集对电源的模拟信号进行采集和处理,传到单片机进行判断,从而控制电源继电器。
其次是显示电路(包括二极管显示和LCD液晶显示),它可以根据单片机和按键的控制来显示,它可以显示电流电压的大小、电路是否异常及时间等。
复位是计算机的一个重要工作状态。
在单片机工作时,接电时要复位,断电后要复位,发生故障后要复位。
单片机在开关时都需要复位,以便中央处理器CPU及其他功能部件都处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。
单片机复位的条件是:
必须使RST/Vpd或RST引脚加上持续两个机器周期(即24个振荡周期)的高电平。
若单片机时钟频率为12MHz,则复位脉冲宽度至少应为2us。
复位方式有上电复位、手动复位、自动复位三个方式。
按键电路本设计采用了3个独立式按键,在整个程序设计中采用了一键多功能的作用,在软件中实现一个按键依据按下次数的不同实现不同的功能。
还有采用了循环动态扫描方法在使用时必须反复调用循环显示,在调整时间的按键程序中也应当常调显示子程序。
晶振电路:
CPU功能总的来说是以不同的方式执行各种命令,不同的指令器功能各异。
有的指令涉及CPU各寄存器之间的关系;有的指令涉及单片机核心电路内部各功能部件之间的关系;有的则与外部器件如外部程序存储器发生联系。
事实上,CPU是通过复杂的时序电路完成不同指令功能的。
所谓时序是指控制器按照指令功能发出一系列在时间上有一定次序的信号,控制和启动一部分电路,完成某种操作。
本设计采用外部振荡脉冲输入。
本设计是通过电流采集到单片机,通过单片机显示电流的大小来控制继电器的动作,来保护三相电源正常的工作。
又通过软件程序和按键来控制显示的内容及调整。
图2.1系统总体框图
在整个系统中各部分采用的处理方法如下:
三相电动机主电路中的电动机采用降压方式启动;三相电路的电流采集使用三个电流互感器对各相电流进行采集;采集到的电流信号经过处理电路被转换成为单片机可以采样的电压信号;单片机处理部分是对采集到的信号进行分析和处理,并根据处理结果输出控制信号;继电器控制部分接收到单片机的输出控制信号后对主电路进行控制。
整个系统构成一个闭环的检测控制系统。
2.2设计的硬件结构框图
本设计以宏晶的单片机STC12C5A60S2为核心部件,同时还有模拟信号采集系统、按键调整电路、复位电路、晶振电路、程序下载模块、输出控制和ST7920LCD图文显示模块等外围电路组成,其框图如图2.2:
图2.2基于STC12C5A60S2单片机的硬件处理结构图
2.2.1按键介绍
设计中所用的按键为轻触机械开关,正常情况下按键的接点是断开的,当我们按压按钮时,由于机械触点的弹性作用,一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通,在断开时也不会一下子断开。
因而机械触点在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动,按键的时序如下图2.3所示,抖动时间的长短由按键的机械特性及操作人员按键动作决定,一般为5ms~20ms;按键稳定闭合时间的长短是由操作人员的按键按压时间长短决定的,一般为零点几秒至数秒不等。
图2.3按键过程示意图
从上面图中我们可以看到,一次完整的击键过程,包含以下5个阶段:
1、等待阶段:
此时按键尚未按下,处于空闲阶段。
前沿(闭合)抖动阶段:
此时按键刚刚按下,但按键信号还处于抖动状态,这个时间一般为5~20ms。
为了确保按键操作不会误动作,此时必须有个前沿消抖动延时。
2、键稳定阶段:
此时抖动已经结束,一个有效的按键动作已经产生。
系统应该在此时执行按键功能;或将按键所对应的键值记录下来,待按键释放时再执行。
3、后沿(释放)抖动阶段:
一般来说,考究一点的程序应该在这里再做一次消抖延时,以防误动作。
但是,如果前面“前沿抖动阶段”的消抖延时时间取值合适的话,可以忽略此阶段。
4、按键释放阶段:
此时后沿抖动已经结束,按键已经处于完全释放状态。
2.2.2复位电路介绍
复位是计算机的一个重要工作状态。
在单片机工作时,接电时要复位,断电后要复位,发生故障后要复位。
单片机复位后单片机内的中央处理器CPU及其他功能部件都处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。
单片机的复位电路有:
上电复位电路、手动复位电路和自动复位电路。
本次设计所用的复位电路是手动复位,手动复位的电图如图2.4所示:
图2.4手动复位电路
2.2.3晶振电路
1、晶体振荡器的作用石英晶体振荡器也称石英晶体谐振器,它用来稳定频率和选择频率,是一种可以取代LC谐振回路的晶体谐振元件。
2、本设计所用的晶体振荡电路如图2.5所示:
图2.5晶体振荡电路
此晶体电路所选用的石英晶振频率为6MHZ。
时钟周期就是单片机外接晶振的倒数,例如6M的晶振,它的时间周期是1/6us,是计算机中最基本的、最小的时间单位。
在一个时钟周期内,CPU仅完成一个最基本的动作。
对于某种单片机,若采用了1MHZ的时钟频率,则时钟周期为1us;若采用4MHZ的时钟频率,则时钟周期为0.25us。
由于时钟脉冲是单片机的基本工作脉冲,它控制着单片机的工作节奏(使单片机的每一步都统一到它的步调上来)。
显然,对同一种机型的单片机,时钟频率越高,单片机的工作速度就越快。
但是,由于不同的单片机的硬件电路和器件不完全相同,所以其需要的时钟频率范围也不相同。
设计中用的STC12C5A60S2单片机的时钟范围是1.2MHz-12MHz。
2.2.4LCD液晶显示
1、LCD液晶显示的型号及功能
1)HS12864—15的硬件特性如下:
①提供8位,4位并行接口及串行接口可选;
②并行接口适配M6800时序;
③自动电源启动复位功能;
④64×16位字符显示RAM(DDRAM最多16字符×4行,LCD显示范围16×2行);
⑤2M位中文字型ROM(CGROM),总共提供8192个中文字型(16×16点阵);
⑥16K位半宽字型ROM(HCGROM),总共提供126个西文字型(16×8点阵)。
2)HS12864—15T软件特性如下
①文字与图形混合显示功能;
②画面清除功能;
③显示开/关功能;
④光标显示/隐藏功能;
⑤显示字体闪烁功能;
⑥光标移位功能;
⑦垂直画面旋转功能;
⑧反白显示功能;
⑨休眠模式。
3)中文字库选择
①ST7920-0A内建BIG-5码繁体中文文字型库;
②ST7920-0A内建GB码简体中文字型库。
2、液晶显示模块HS12864—15与单片机的串行接线电路图。
图2.6液晶显示模块与单片机的串行接线图
2.2.5光耦输入电路
光耦合器的结构相当于把发光二极管和光敏(三极)管封装在一起。
发光二极管把输入的电信号转换为光信号传给光敏管转换为电信号输出,由于没有直接的电气连接,这样既耦合传输了信号,又有隔离作用。
只要光耦合器质量好,电路参数设计合理,一般故障少见。
如果系统中出现异常,使输入、输出两侧的电位差超过光耦合器所能承受的电压,就会使之被击穿损坏。
光耦合器一般由三部分组成:
光的发射、光的接收及信号放大。
输入的电信号驱动发光二极管(LED),使之发出一定波长的光,被光探测器接收而产生光电流,再经过进一步放大后输出。
这就完成了电—光—电的转换,从而起到输入、输出、隔离的作用。
由于光耦合器输入输出间互相隔离,电信号传输具有单向性等特点,因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。
本设计用到的光耦输入如图2.7所示:
图2.7光耦输入
本设计用到的输出入下图2.8所示:
图2.8输出
2.2.6STC12C5A60S2单片机的介绍
单片机的介绍
STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟,机器周期(1T)的单片机,是高速,低功耗,超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速,10位A/D转换,针对电机控制,强干扰场合。
1)增强型8051CPU,1T,单时钟/机器周期,指令代码完全兼容传统8051;
2)工作电压:
STC12C5A60S2工作电压范围为5.5V-3.3V;
3)工作频率范围:
0-35MHz,相当于普通8051的0~420MHz;
4)用户应用程序空间60K;
5)片上集成1280字节RAM;
6)ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程),无需专用编程器,无需专用仿真器可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序,数秒即可完成;
7)时钟源:
外部高精度晶体/时钟,内部R/C振荡器(温漂为+/-5%到+/-10%以内),用户在下载用户程序时,可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟,常温下内部R/C振荡器频率为:
5.0V单片机为:
11MHz~15.5MHz;
8)共4个16位定时器:
两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1,没有定时器2,但有独立波特率发生器,做串行通讯的波特率发生器,再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器;
9)2个时钟输出口,可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟,可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟;
10)外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断模块,PowerDown模式可由外部中断唤醒;
11)A/D转换,10位精度ADC,共8路,转换速度可达250K/S(每秒钟25万次);
12)通用全双工异步串行口(UART),由于STC12系列是高速的8051,可再用定时器或PCA软件实现多串口。
3软件设计
3.1软件设计的总体思路
整个程序包括主程序、A/D中断和定时器中断三部分。
程序初始化后,就开始对按键进行扫描,并在按键扫描程序中调用按键处理程序。
在扫描过程中如果A/D转换申请中断,则转入A/D转换处理程序,并在处理完成后将处理结果送给LCD进行显示。
如果,A/D转换的结果出现异常情况则开启定时器T0,当定时结束后,检测结果仍处在异常情况,则调用故障处理程序。
3.2主程序的介绍结构及其功能
图3.1主程序流程图
主程序的结构如图3.1(主程序流程图)所示,其各部分的功能如下:
按键初始化的作用是给按键处理程序中的变量赋初值;定时器初始化的作用是选择定时器并根据按键修改过的变量对定时器赋初值;A/D中断的作用是打开A/D中断、开A/D中断电源、设置模拟功能口和设置转换通道;LCD初始化程序的作用是对显示屏进行初始化;按键扫描程序的作用是对按键进行扫描和处理输入的按键命令。
主程序如下:
voidmain()
{move=no=yes=0;//按键初始化
time();//调用定时器初始化子程序
ad_init();//调用A/D转换初始化程序子程序
st_init_lcd();//液晶初始化
st_command_wr(0x30);
st_command_wr(0x80);
st_code_wr(64,tab1);//显示初始化屏
delay_ms(200);
pinghao=1;
while
(1)
{
key();//按键扫描子程序}
}
3.3按键调整
键盘是单片机系统中最常用的人机联系的一种输入设备,它由若干个按键组成,用户通过键盘向CPU输入数据或命令以实现简单的人机通信。
对键盘的识别可分为两类:
一类是由专用的硬件电路来识别(2376、74C922),它产生相应的编码,并送往CPU,这种方式称为编码键盘,它使用起来方便,但需要价格昂贵的专用芯片,在单片机系统中一般不采用;另一类靠软件来识别,称为非编码键盘,它结构简单,价格便宜,应用灵活,但需要编制相应的键盘管理程序。
单片机系统普遍采用这种方式。
因此,对于单片机系统所使用的非编码键盘,主要解决的识别与消除抖动的问题。
3.3.1按键的扫描和按键处理
因为设计中使用的按键是非编码式按键,所以,设计的单片机程序要能够识别按键和对按键结果进行相应的处理。
其按键扫描和按键处理程序流程图如图3.2所示:
图3.2按键的扫描和处理程序
3.3.2按键与液晶显示的关系
因为在按键扫描和按键处理程序中对一些处理程序的变量进行了修改,所以在按键扫描和按键处理程序结束后调用的处理程序会依据被修改过的变量进行对应的处理。
在调用的处理程序中不同变量组合对液晶显示的影响如表3.1所示:
表3.1液晶显示变量表
变量
Pinghao
move
yes
no
处理结果
1
无效
1
无效
送第二屏数据、pinghao修改为2、move、yes和no修改为0
无效
0
无效
move、yes和no修改为0
0
0
0
显示屏80H位反白
1
显示屏90H位反白
2
显示屏88H位反白
3
显示屏98H位反白,move修改为0
0
1
送第四屏数据、pinghao修改为4、move、yes和no修改为0
1
送第五屏数据、pinghao修改为5、move、yes和no修改为0
2
送第六屏数据、pinghao修改为6、move、yes和no修改为0
3
送第七屏数据、pinghao修改为7、yes和no修改为0
1--3
0
1
送第一屏数据、pinghao修改为1、move、yes和no修改为0
0
0
0
显示屏90H位反白
1
显示屏88H位反白
2
显示屏98H位反白,move修改为0
0
1
0
显示屏90H位送选择标志
1
显示屏88H位送选择标志
2
修改A/D处理数据中的变量
0
0/1
1
送第2屏数据、pinghao修改为2、move、yes和no修改为0
Pinghao
move
yes
no
处理结果
4
1
0/1
1
送第2屏数据、pinghao修改为2、move、yes和no修改为0
2
5
0
0
0
显示屏90H位反白
1
显示屏88H位反白
2
显示屏98H位反白,move修改为0
0
1
显示屏90H位送选择标志
1
显示屏88H位送选择标志
2
修改A/D处理数据中的变量
0
0/1
1
送第2屏数据、pinghao修改为2、move、yes和no修改为0
1
2
0
1
2
6
0
0
0
显示屏90H位反白
1
显示屏88H位反白
2
显示屏98H位反白,move修改为0
0
1
显示屏90H位送选择标志
1
显示屏88H位送选择标志
2
修改A/D处理数据中的变量
0
0/1
1
送第2屏数据、pinghao修改为2、move、yes和no修改为0
1
2
0
1
2
变量
Pinghao
move
yes
no
处理结果
7
0
0
0
显示屏90H位反白
1
显示屏88H位反白
2
显示屏98H位反白,move修改为0
0
1
显示屏90H位送选择标志
1
显示屏88H位送选择标志
2
修改A/D处理数据中的变量
0
0/1
1
送第2屏数据、pinghao修改为2、move、yes和no修改为0
1
2
0
1
2
3
无效
无效
1
送第2屏数据、pinghao修改为2、move、yes和no修改为0
8
无效
无效
无效
move、yes和no修改为0
9
无效
0
0
move、yes和no修改为0
1
送命令继电器K1工件
0/1
1
送第2屏数据、pinghao修改为2、move、yes和no修改为0
3.4液晶显示
3.4.1显示模块串口模式介绍
在PSB接低时,串口模式被选择的情况下,只用两根(SID与SCLK)来完成数据传输。
当同时使用ST7920时,CS线被配合使用,CS是高有效。
ST7920的他不时钟SCLK有独立的操作时序,当多个连续的指令需要被送入时,指令执行时间需要被考虑。
必须等待上一个执行完毕才送入下一个指令,因为ST7920内部没有传送/接收缓冲区。
一个完整的串行传输周期由一下部分组成:
首先送入启动字节,送入5个连续的“1”用来启动一个周期,此时传输计数被重置,并且串行传输被同步。
紧接的两个位指定传输方向(RW,确定读还是写)和传输性质(RS,确定是命令寄存器还是数据寄存器),最后的第八位是一个“0”。
串行通讯时序图如图3.3:
图3.3串行通讯时序图
3.4.2显示模式指令
模块控制芯片提供两套控制命令,基本指令和扩充指令如表3.2和3.3:
表3.2指令表(RE=0:
基本指令集)
指令名称
控制信号
控制代码
执行时间
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
清除显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1.6μs
地址归0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
SR
72μs
进入设定点
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
72μs
显示开关设置
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
72μs
移位控制
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
X
X
72μs
功能设定
0
0
0
0
1
DL
X
0/RE
X
X
72μs
设定CGRAM地址
0
0
0
1
A5
A4
A3
A2
A1
A0
72μs
设定DDRAM地址
0
0
1
0
A5
A4
A3
A2
A1
A0
72μs
读忙标志和地址
0
1
BF
A6
A5
A4
A3
A2
A1
A0
72μs
写显示数据
1
0
显示数据
72μs
读显示数据
1
1
显示数据
72μs
表3.3指令表(RE=1:
扩充指令集)
指令名称
控制信号
控制代码
执行时间
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
待命模式
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
72μs
卷动地址或RAM地址选择
0
0
0
0
0
0
0
0
1
SR
72μs
反白显示
0
0
0
0
0
0
0
1
R1
R0
72μs
睡眠模式
0
0
0
0
0
0
1
SL
X
X
72μs
扩充功能设定
0
0
0
0
1
DL
X
1/RE
G
0
72μs
设定绘图RAM地址
0
0
1
0
0
0
A3
A2
A1
A0
72μs
A6
A5
A4
A3
A2
A1
A0
3.4.3显示模块初化
在使用显示模块时,程序需要对显示模块初始化。
显示模块的初始化包括功能设定、显示开关、清除屏幕和进入设定点,其流程图如图3.4:
图3.4显示模块初始化流程图
3.5定时器中断程序
3.5.1中断的介绍
在CPU与外部设备交换信息时,存在着高速的CPU和低速的外设之间的矛盾。
若采用软件查询方式,则CPU会浪费较多的时间去等待外设。
中断技术是计算机在实时处理和实时控制中不可缺少的一个重要的技术,它既和硬件有关,也和软件有关。
所谓中断,是指当计算机正在执行的程序时,系统中出现了某些急需处理的异常情况和特殊请求。
中断之后所执行的处理程序通常称为中断服务子程序,原来执行的程序称为主程序,主程序被中断的位置(地址)称为断点,引起中断的原因或能够发出中断申请的来源称为中断源。
中断源要求服务的请求称为中断请求。
中断请求通常是一种电信号,CPU一旦对这个信号进行检测和响应便可自动转入该中断源的中断服务程序中去并执行该程序。
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