【正文】 操作以及位處理功能。 4） 低功耗，低電壓，方便攜帶 5） 單片機系統(tǒng)擴展系統(tǒng)配置比較規(guī)范，典型，容易構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng) 2 電力監(jiān)控保護系統(tǒng)的設(shè)計 電力線路監(jiān)控保護系統(tǒng)總體方案 目前典型的微機保護系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，微機系統(tǒng)，開關(guān)量輸入 /輸出系統(tǒng)三部分組成。為了實現(xiàn)電力線路監(jiān)控以達到保護的目的，這個系統(tǒng)可以分為兩個項目進行設(shè)計，強電電路設(shè)計；單片機控制電路設(shè)計。 方案一：采用雙 cpu的電力監(jiān)控設(shè)計以 DSP作為從機 [4]，實現(xiàn)對采集進來的電壓、電流信號，數(shù)字濾波、諧波分析和其它相關(guān)參數(shù)的計算。 方案二：基于 51單片機的電力線路監(jiān)控。 由于方案一設(shè)計復(fù)雜造價較高需要耗費的時間比較長但是達到的電力監(jiān)控的效果和方案二一 樣，所以優(yōu)先選擇方案一。接口規(guī)定如下： a，電力線路監(jiān)控保護可以實現(xiàn) 10KV 兩線路保護。 b，線路監(jiān)控正常時，輸入信號約為 。 c，系統(tǒng)提供了兩線路 6通道數(shù)據(jù)采集 ,A,C相左保護電流檢測相， B相為工作電流檢測相。 d，開關(guān)量輸入在正常情況工作時候為高電平信號約 +5V e，控制信號輸出在電路正常情況工作時候為低電平信號 0V 電力監(jiān)控構(gòu)成硬件模塊介紹及 A/D 轉(zhuǎn)換電路 7 鍵盤開關(guān) 編程選擇 電路復(fù)位 減 1 按鍵 加 1 按鍵 微機復(fù)位 電路監(jiān)控由顯示模塊，控制模塊，光耦隔離模塊，保護裝置，鍵盤控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊組成。數(shù)據(jù)采集通過 max471芯片是 電流信號變成電壓信號，控制模塊由 51單片機實現(xiàn)，采樣數(shù)據(jù)通過 max197芯片實現(xiàn) A/D轉(zhuǎn)換傳輸?shù)?51單片機，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片使用的 max7219芯片來實現(xiàn)顯示功能，鍵盤模塊光耦隔離都采用典型的電路模式。以下是電力線路監(jiān)控示意圖 圖 1 電力線路監(jiān)控保護系統(tǒng)示意圖 Figure1 Power line monitoring protection system schematic diagram line1 line2 正常指示燈 跳閘指示燈 圖 2 系統(tǒng)控制面板 Figure2 System control panel 因為先要將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號然后才能進行 A/D轉(zhuǎn)換。常用的方法就是在電路里面加入一個精密電阻，由此將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號 [5]。 利用這種方法可以使得測量簡單方便的進行，但是在電流很小的時候，電阻上的電 8 壓值會比較小，從而影響測量的準(zhǔn)確度，所以選擇合適的阻值是一件很關(guān)鍵的事情不能忽視，另外，所得的電流檢測信號只有通過放大以后才能進入電 路中的比較器。 MAX471 芯片 max471 引腳功能 圖 3Max471引腳 Figure3 Max471 pinout 基本功能： 1） SHDN:為關(guān)閉信號。正常操作時接地 2） RS+：信號輸入端。 3） RS— ：信號輸出端 4） GND:為接地端或電源負極端。 5） SIGN:集電極開路的邏輯輸出。 6） OUT：為電流輸出端，該電流的大小正比于流過線路的電流。 MAX471 工作原 理 Max471 的工作原理如圖 2 所示。方框內(nèi)的芯片是該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu) [6]。 9 圖 4max471工作原理圖 Figure4 Max471 working principle diagram 簡介： A1， A2 是兩個差動運算放大器，構(gòu)成差動輸入，這樣可以增強抗干擾能力，提高電流線號的準(zhǔn)確度； Q1， Q2 是兩個三極管； COMP 是比較器； Resense 是電流采樣電阻， RG1 和 RG2 為增益電阻。 max471 電路連接 圖 5 電路連接圖 Figure5 The circuit connection diagram 假定電流是從左向右流過采樣電阻 Resense，通過一電阻接地。 A1 工作時候，產(chǎn)生電流 Iout 從 Q1 的發(fā)射極流出，而此時運放 A2 上截止的沒有電流從 Q2 流出 [7]。 A1 的負輸入端信號為 Vpower=Iload*Rsense，經(jīng)過計算，電壓電流的比例由以下給出：P=Vout/Iload=Rsense*Rout/RG1 根據(jù)上面的公式 Rsense 較小時，通過 Rout 把比例設(shè)置一個合適的值。 MAX197 芯片初步了解 MAX197 芯片 簡介 是美國 MAXIM 公司的新產(chǎn)品，是多量程 (177。10V， 177。5V， 0～ 10V， 0～ 5V)8 通道 12位高精度 A/D 轉(zhuǎn)換器。它采用逐次逼近 的 工作方式，有標(biāo)準(zhǔn)微機接口。三態(tài)數(shù)據(jù) I/O用做 8 位數(shù)據(jù)總線，數(shù)據(jù)總線的時序與大多數(shù)通用的微處理器兼容。全部 的 邏輯輸入和輸出與 TTL／ CMOS 電平兼容。新型 的 A／ D 轉(zhuǎn)換器芯片 MAX197 與一般 A/D 轉(zhuǎn)換器芯片相比 來看 具有極好的性能價格比，僅需單一 的 ＋ 5V供電， 而且 外圍電路簡單，可 大大的 簡化電路設(shè)計。 max197 用 在數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng) 中， A/D 轉(zhuǎn)換的速度和精度又決定了 其 采集系統(tǒng)的速度 以及 精度。 MAX197 是 Maxim公司推出的具有 十二 位測量精度的 10 高速 A/D 轉(zhuǎn)換芯片， 只需要 單一 的 電源供電，且轉(zhuǎn)換時間很 非常短 (6us)，具有 八 路輸入 通道，還提供了標(biāo)準(zhǔn)的并行接口 即 8 位三態(tài)數(shù)據(jù) I/O 口， 它還 可以和大部分單片 機 直接接口，使用十分 的 方便 。 特性和引腳功能及控制字簡介 1） 特性 位分辨率， 1/2LSB 線形度； +5V供電； ： 10V， 5V， 0~+5V， 0~+10V； ： 路模擬輸入通道； 轉(zhuǎn)換時間， 100kSPS 采樣速度； /外部采集控制； ； ； 。 2)引腳功能介紹 MAX197 具有四種不同封裝： DIP28 和 寬 SO， SSOP 和陶瓷 SB 封裝 [8]。 a 腳（ CLK）：時鐘輸入。外部時鐘輸入時，由此引腳輸入電平與 TTL 或 CMOS 兼容的時鐘。內(nèi)部時鐘模式時，該腳與地之間接一電容，以確定內(nèi)部時鐘頻率，當(dāng) f=時，外接電容的典型值 CCLK=100PF。 b 腳片選線，低電平有效。 c腳當(dāng) 為低電平時，在內(nèi)部 采集模式下， 的上升沿將鎖存數(shù)據(jù)，并啟動一次采集和一次轉(zhuǎn)換周期；在外部采集模式下， 的第一個上升沿啟動采集，第二個上升沿結(jié)束采集，并啟動轉(zhuǎn)換周期。 d腳當(dāng) 為低電平時， 得下降沿將允許讀取數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)。 e腳（ HBEN）用于切換 12位轉(zhuǎn)換結(jié)果。此腳為高電平時數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)為高 4 位，此腳為低電平時數(shù)據(jù)總上的數(shù)據(jù)為低 8位。 下圖為引腳。 11 圖 6Max197 引腳 Figure6 Max197 pinout 1 CLK：是時鐘輸入。在內(nèi)部時鐘模式下 ,該引腳接一 100pF 的電容可獲得 1. 56MHz 內(nèi)部時鐘。 2 CS：是片選信號 ,低電平有效的。 3 WR：當(dāng) CS 為低電平時刻 ,在內(nèi)部時鐘模式下 ,WR 的上升沿將鎖存設(shè)置并開始一個自動采集和轉(zhuǎn)換周期 ,在外部時鐘模式下 ,WR 處第一個上升沿開始采集 ,第二個上升沿結(jié)束采集并進入轉(zhuǎn)換周期經(jīng)過就是這樣。 4 RD：當(dāng) CS 為低電平時 ,RD 上的下降沿使數(shù)據(jù)處于數(shù)據(jù)總線上就可以被讀取。 5 HBEN 用于 12 位轉(zhuǎn)換結(jié)果的多路復(fù)用。當(dāng) HBEN 為低電平時可讀取結(jié)果的高 4 位 ,當(dāng)為高電平時 ,可讀取結(jié)果的低 8 位 [9]。 6 SHDN 設(shè)置電源關(guān)閉模式。 7 14 D0 D11 三態(tài)數(shù)字 I/ O 端口 15 AGND 模擬信號地。 16 23 CH0 CH7 模擬信號輸入通道。 24 INT 當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束且數(shù)據(jù)可被訪問時為低電平。 25 REFADJ 帶寬基準(zhǔn)電壓調(diào)整引腳。當(dāng) REF 引腳使用外部基準(zhǔn)電壓時直接接 VDD , 否則旁路一 0. 01 μ F 的電容。 26 REF 基準(zhǔn)緩存輸出和緩存輸入引腳。在用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓時 ,基準(zhǔn)緩存輸出一 4. 096V的名義電壓 ,并可通過 REFADJ 引腳調(diào)整。在用外部基準(zhǔn)電壓時 ,則通過 REFADJ 直接接 VDD 使 基準(zhǔn)緩存無效 27 VDD + 5V的電源。 28 DGND 數(shù)字信號地端。 3）控制字簡介 MAX197 芯片 與其它 A/D 芯片不同 的 之處在于它的很多硬件 的 功能都是利用內(nèi)部控制字來 完成 的， 比如 通道選擇、模擬信號量程、極性等 ， 它可分為內(nèi)部采樣模式和外部采樣模式，采樣模式由控制寄存器的 D5 位決定 [9]。在內(nèi)部采樣控制模式 (控制位置 0)中，由寫脈沖啟動采樣間隔，經(jīng)過瞬間的采樣間隔 (芯片時鐘為 2MHz 時，為 3ms)，即開始A/D 轉(zhuǎn)換。在外部采樣模式 (D5=1)中，由兩個寫脈沖分別控制采樣和 A/D 轉(zhuǎn)換。在 第一個寫脈沖出現(xiàn)時，寫入 ACQMOD 為 1，開始采樣間隔。在第二個寫脈沖出現(xiàn)時，寫入控制字 ACQMOD 為 0， MAX197 停止采樣，開始 A/D 轉(zhuǎn)換。這兩個寫脈沖之間的時間間隔為 12 一次采樣時間。當(dāng)一次轉(zhuǎn)換結(jié)束后， MAX197 相應(yīng)的 INT引腳置低電平，通知處理器可以讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果 [10]。 表 1 Max197的控制字 Table1 ControlbyteFormat D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 DO(LSB) PD1 PD0 ACQMOD RNG BIP A2 A1 A0 表 2時鐘和功耗的模式設(shè)置 Table2 The clock and power mode settings PD1 PD0 說明 0 0 正常模式，外部時鐘模式 0 1 正常模式，內(nèi)部時鐘模式 1 0 后備低功耗模式，不影響時鐘模式 0 1 低功耗模式，不影響時鐘模式 說明： ACQMOD:0 是內(nèi)部控制采集， 1 是外部控制采 集。 RNG 位是選擇輸入端的滿量程電壓范圍， BIP 位選擇單極性和雙極性式 表 3 RNG,BIP設(shè)置 Table3 RNG,BIP setting up BIP RNG INPUT RANGE 0 0 0 to 5 0 1 0 to 10 1 0 5， +5 1 1 5， +5 A2， A1， A0:用于選擇多路輸入輸出地址，所以 A1， A0， A2 表 4 通道設(shè)置 Table4 Channel settings A2 A1 A0 CH0 CH1 CH2 CH3 CH4 CH5 CH6 CH7 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 13 1 0 0 1 0 1 1 1 1 表 5數(shù)據(jù)的輸出格式 Table5 Data output PIN HBEN=LOW HBEN=HIGH D0 B0(LSB) B8 D1 B1 B9 D2 B2 B10 D3 B3 B11(MSB) D4 B4 B11(bip=1)/0(bip=0) D5 B5 B11(bip=1) /0(bip=0) D6 B6 B11(bip=1) /0(bip=0) D7 B7 B11(bip=1) /0(bip=0) 圖 7Max197連接電路圖 Figure7 Max197 connection diagram 14 電力線路監(jiān)控保護數(shù)據(jù)顯示電路 MAX7219 芯片簡介 MAX7219 芯片 是一種集成化的串行輸入輸出共陰 極顯示驅(qū)動器 ,它 用來 連接微處理器與 8 位數(shù)字的 7 段數(shù)字 LED 顯示， 同樣 也可以連接條線圖顯示器或者 64 個獨立的 LED[11]。包括一個片上的 B 型 BCD 編碼器、多路掃描回路，段字驅(qū)動器， 此外 還有一個 8*8 的靜態(tài) RAM 用來存儲每一個數(shù)據(jù)。 但是 只有一個外部寄存器用來設(shè)置各個LED 的段電流。 它有 一個方便的四線串行接口可以聯(lián)接所有通用的微處理器。 其中 每個數(shù)據(jù)可以尋址在更新時不需要改寫所有的顯示。 MAX7219 允許用戶對每一個數(shù)據(jù)選擇編碼或者不編碼 ，這 個設(shè)備包含一個 150μA的低功耗