【正文】 廣西大學(xué)本科畢業(yè)論文 基于單片機的智能開關(guān)研制摘 要電力開關(guān)作為連接元件在電力電子系統(tǒng)中使用十分廣泛，傳統(tǒng)開關(guān)一般采用機械元件實現(xiàn)電路的分合，在操作過程中易產(chǎn)生電弧和沖擊電流。而智能開關(guān)是結(jié)合電力電子技術(shù)和微機技術(shù)的一種新型開關(guān)，能夠通過自動檢測，實現(xiàn)電源監(jiān)控和系統(tǒng)保護的功能。本文將介紹以AVR高性能8位單片機Atmega8為控制核心，傳感器和電力電子元件相結(jié)合的智能開關(guān)的硬件組成及工作原理。并且詳細介紹如何實現(xiàn)交流吸合直流維持，如何通過交流電壓和電流信號采集，計算出交流電壓和電流的有效值、電網(wǎng)頻率、周期、相位角、功率因數(shù)、視在功率、有功功率和無功功率等全部的電力參數(shù)。通過軟件編程實現(xiàn)了對開關(guān)的智能控制，能夠采取相應(yīng)的過流、欠壓、過熱、漏電等保護措施。在本設(shè)計中，除了在子機上也設(shè)置了由鍵盤組合和液晶顯示模塊組成的人機交互接口以便在現(xiàn)場進行調(diào)試和參數(shù)的設(shè)定，還配有RS485通信接口，可與上位計算機機通信，實現(xiàn)電源的集中監(jiān)控、集中管理。最后還提出應(yīng)用智能開關(guān)技術(shù)還有待進一步研究的問題。關(guān)鍵詞：智能開關(guān) 單片機 傳感器 Inventing Intelligence SwitchBase on Singlechip MicroputerAbstractSwitching power as connectivity ponents in power electronic systems used very widely, Switches generally use the traditional mechanical ponents to achieve the division circuit, in the course of operating easily arc and hit Current. Intelligent Switch bines the power electronics and puter technology as a new type of switch, through automatic detection, Implementation Supervisory and system protection functions. This article introduces a highperformance 8 AVR microcontroller Atmega8 to control the core, sensors and power electronics ponents bining the intelligent switch hardware and operating principle. And how detailed pullAC DC maintained through the AC voltage and current signals collection, calculated AC voltage and current RMS, power frequency, periodicity, phase angle, power factor, apparent power, active and reactive power of the electricity and all other parameters. Through software programming of the smart switch control to take corresponding flow, undervoltage, overheating, leakage protection measures.In this design, the submachine is provided by a bination which consisting of keyboard and LCD module for debugging and setting parameter at the scene. In addition, there is a RS485 munication interface ,so we can use the puter to centralized management and monitoring the power by this system . At last ,this text list some problem which the intelligent application switching technology still requires further study.Keywords : intelligent switches, singlechip microputer, sensors 目 錄第一章 緒論 1 智能開關(guān)研制的目的和意義 1 智能開關(guān)研制的發(fā)展?fàn)顩r 1第二章 智能開關(guān)硬件設(shè)計 3 智能開關(guān)硬件結(jié)構(gòu) 3 5V電源設(shè)計 3 交流吸合直流維持 4 電壓、電流的采集 5 采樣信號保持 9 三相電壓不平衡判斷 10 電網(wǎng)參數(shù)的測量 11 溫度測量 14 過電壓保護 15 漏電保護 16第三章 人機交互接口設(shè)計 17 鍵盤的設(shè)計 17 LCD顯示 18第四章 數(shù)據(jù)通信設(shè)計 20 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計 20 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計 22 數(shù)據(jù)通信中的差錯控制技術(shù) 28 RS485數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的維護 29第五章 軟件設(shè)計 31 軟件程序的組成 31 軟件程序設(shè)計 32 抗干擾 34第六章 常用器件介紹 38 ATmega8的體系結(jié)構(gòu)與主要性能特點 38 DVDI001型臥式穿芯小型精密交流電壓電流互感器 39 數(shù)字溫度傳感器DS18B20介紹 41第七章 結(jié)論 44參考文獻 45致 謝 47V第一章 緒論 智能開關(guān)研制的目的和意義電力系統(tǒng)關(guān)系到國計民生，電力工業(yè)是重要的產(chǎn)業(yè)部門之一，在國民經(jīng)濟中具有舉足輕重的作用，它為現(xiàn)代工業(yè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代國防提供必不可少的動力，它和我們的日常生活息息相關(guān)。電力工業(yè)的發(fā)展必須優(yōu)先于其他工業(yè)部門的發(fā)展，整個國民經(jīng)濟才能不斷前進。開關(guān)作為人機接口和信號檢測的重要元件，在電子和電氣各領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，品種也發(fā)展的越來越多。目前使用的開關(guān)大多數(shù)采用拔插式結(jié)構(gòu)，在大電流工作的場合，接觸電阻是不容忽視的，一旦接觸不良，將造成插頭處壓降增大，發(fā)熱量增大，加速接插件表面的氧化，進而使接觸效果更差，這種惡性循環(huán)最終導(dǎo)致插頭處燒損。國外的開關(guān)使用壽命要長一些，主要是機械加工精度高，接觸電阻較小。但是它也還是不能避免接插件表面的氧化。開關(guān)的發(fā)展除了提高自身的各種性能，還要能夠滿足電力系統(tǒng)自動化水平發(fā)展的要求。因此，從某種程度上說，微機芯片的利用程度體現(xiàn)一個國家工業(yè)控制的自動化水平，所以開關(guān)也要實現(xiàn)微機控制。智能開關(guān)的應(yīng)用有如下作用和意義：（1）減小對傳動元件的機械沖擊，消除開關(guān)動作過程中的不良影響，提高開關(guān)和其他設(shè)備的使用壽命；（2）在開關(guān)中，采用標(biāo)準(zhǔn)的、開放式的現(xiàn)場總線，將具有通訊能力的開關(guān)器件與之相連接（或通過接口單元），能夠與上位機（主站）進行數(shù)據(jù)通訊，實現(xiàn)開關(guān)的集中監(jiān)控、集中管理；（3）實現(xiàn)開關(guān)的各種故障判斷和保護，提高設(shè)備自動化水平；（4）具有節(jié)能作用。 智能開關(guān)研制的發(fā)展?fàn)顩r在我國，對微機技術(shù)和電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用是在70年代末期開始的，由于繼電保護和勵磁的要求，這兩項技術(shù)一直發(fā)展十分迅速，應(yīng)用范圍也越來越廣。隨著微機技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，對開關(guān)智能化的研究也越來越多。在開關(guān)中使用微機芯片控制技術(shù)和電力電子元器件，一方面可以減少其選擇開關(guān)數(shù)量，簡化硬件電路，很多功能依靠程序?qū)崿F(xiàn)。另一方面，一些先進的保護，分?jǐn)嗉夹g(shù)以及設(shè)備的軟啟動控制技術(shù)等也要依靠微機芯片來完成，同時，采用微機技術(shù)可對開關(guān)設(shè)備故障前的狀態(tài)進行記憶。近年來計算機技術(shù)及微電子器件在各方面中應(yīng)用十分廣泛，在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的智能儀器無論是在測量的準(zhǔn)確度、靈敏度、可靠性、自動化程度、運用功能方面或在解決測量技術(shù)問題的深度及廣度方面都有了巨大的發(fā)展，在高準(zhǔn)確度、高性能、多功能的儀器中已經(jīng)很少不采用微計算機的了。這類儀器中含有微處理器、單片計算機或體積很小的微型機，它的功能豐富又很靈巧。開關(guān)作為連接和信號檢測的重要元件在電力系統(tǒng)中使用十分廣泛，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量都有很大的影響。智能開關(guān)正是單片機、傳感器和電力電子開關(guān)的結(jié)合，在電力系統(tǒng)中應(yīng)用智能開關(guān)技術(shù)，不僅可以提高電力系統(tǒng)設(shè)備的使用壽命，而且能夠減少各種設(shè)備動作對電網(wǎng)的沖擊，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時能夠一定程度的節(jié)約電能。而且采用微機控制實現(xiàn)智能化管理，可提高電力系統(tǒng)的自動化水平。由此可見，智能開關(guān)有著明顯的優(yōu)越性，在智能電器元件的基礎(chǔ)上，研制和開發(fā)智能開關(guān)具有顯而易見的意義，在電力系統(tǒng)中應(yīng)用智能開關(guān)技術(shù)具有十分光明的前景。第二章 智能開關(guān)硬件設(shè)計 智能開關(guān)硬件結(jié)構(gòu)本智能開關(guān)是以Atmega8單片機作為中央控制單元，Atmega8單片機在預(yù)先編制好的指令（即軟件程序）的驅(qū)動下，控制整個硬件電路工作，完成系統(tǒng)各項功能。具有當(dāng)?shù)責(zé)o線通訊口，能對下位機進行控制；同時也具備遠程數(shù)據(jù)接口。鍵盤用于修改和設(shè)定定值，電壓上下限、電流上限值等；LCD用于顯示定值及各種運行狀態(tài)。單片機獲得電壓、電流、相位角值后進行分析計算出功率因數(shù)、三相不平衡參數(shù)等，判斷是否正常，進而控制開關(guān)的閉合與關(guān)斷。智能開關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2－1所示。圖2－1 智能開關(guān)硬件結(jié)構(gòu)框圖本智能開關(guān)可用于單相（220V）和三相（380V）交流電源，適用于額定電流為18A以上的電路，因此，把該智能開關(guān)與接觸器相聯(lián)合起使用，使接觸器在應(yīng)用系統(tǒng)中具有帶檢測和保護的功能，使接觸器運行更加可靠、更加穩(wěn)定和節(jié)能。 5V電源設(shè)計該系統(tǒng)單片機和數(shù)字溫度傳感器需+5V直流穩(wěn)壓電源，產(chǎn)生該電壓的電路原理圖如圖22所示，先利用變壓器對220V的交流電降壓，然后把變壓器次級輸出9V的交流電壓由整流橋作全波整流，經(jīng)電容濾波以及穩(wěn)壓芯片7805即可得到所需的電壓。圖22 電源設(shè)計原理圖 交流吸合直流維持交流接觸器能夠節(jié)電運行的基本原理是采用交流吸合、直流維持的運行方式。交流接觸器工作時，電磁系統(tǒng)消耗的有功功率中，鐵芯損耗和短路環(huán)損耗占絕大部分，而線圈銅損僅占35%，改用交流吸合、直流維持的運行方式后，鐵芯損耗和短路環(huán)損耗幾乎為零，只需很小維持電流，就足以使接觸器穩(wěn)定地處于閉合狀態(tài)，從而大大節(jié)約了電能，做到無聲運行，提高了可靠性。對交流接觸器進行實驗測試所得的數(shù)據(jù)如表21所示，由該表也可明顯看出對交流接觸器采用交流吸合直流維持具有顯著的節(jié)能效果。表21 交流接觸器的各種動作電壓交流電直流電吸合220V——維持160V90V要實現(xiàn)接觸器交流吸合直流維持就必須有一個電壓的切換電路，該切換電路如圖23所示：圖23電壓切換電路當(dāng)單片機PA1引腳輸出高電平，PA2引腳輸出低電平時，常開觸點KM1和常閉觸點KM2都閉合，電源電壓直接加到接觸器繞組上，常開觸點KM閉合，3秒鐘后PA1引腳和PA2引腳都輸出低電平，常開觸點KM1斷開，常閉觸點KM2和常開觸點KM繼續(xù)閉合，電源經(jīng)二極管整流繼續(xù)加到接觸器繞組上。此后，在交流電的正半周期時二極管VD道通，實現(xiàn)整流作用，接觸器KM始終保持在吸合狀態(tài)，從而實現(xiàn)了交流接觸器交流啟動直流運行的節(jié)電工作狀態(tài)。圖中電容C0可以起到濾波的作用，可避免繼電器在直流電壓較低時發(fā)生抖動，當(dāng)PA2引腳輸出高電平時，常閉觸點KM2和常開觸點KM斷開，接觸器停止工作，該電路簡單實用、運行可靠，適合所有采用交流接觸器的電力線路，節(jié)電效果明顯，同時還能延長交流接觸器的壽命。 電壓、電流的采集三相交流電壓和電流的測量均采用三個DVDI001型臥式穿芯小型精密交流電壓電流通用互感器，輸出交流信號，經(jīng)過整流電路，再送給A/D轉(zhuǎn)換器采集，最后送給單片機進行計算。在本設(shè)計中，采用AVR單片機的片內(nèi)逐次逼進模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ATmega8L有一個10位的逐次逼近型ADC。ADC與一個6通道的模擬多路復(fù)用器連接，通過分時復(fù)用的方式，能對來自端口A 的6 路單端輸入電壓逐個進行采樣。其轉(zhuǎn)換結(jié)果為： （21）式中，VIN表示被選中的引腳輸入電壓；VREF為參考電壓。使用AVR的ADC需要注意：ADC的分辨范圍在以GND為基準(zhǔn)的0 V到參考電壓的范圍內(nèi)。 V參考電壓為例，ADC的分辨范圍在0 V之間。因此在進行模數(shù)轉(zhuǎn)換前，必須要對電網(wǎng)交流信號加以處理。要獲得精確的測量結(jié)果，采樣頻率的選擇很重要。如果采樣頻率選擇得過高，即采樣間隔小，則每個周期里采樣點數(shù)過多，造成