【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 在收到信號(hào)后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新新亮點(diǎn)。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高且不會(huì)閃爍。簡(jiǎn)單、方便:液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機(jī)系統(tǒng)的接口更加簡(jiǎn)單可靠，操作更加方便。體積小、重量輕:液晶顯示器通過(guò)顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來(lái)達(dá)到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。功耗低:相對(duì)而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動(dòng)IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。2）線段的顯示點(diǎn)陣圖形式液晶由MN個(gè)顯示單元組成，假設(shè)LCD顯示屏有64行，每行有128列，每8列對(duì)應(yīng)1字節(jié)的8位，即每行由16字節(jié)，共168=128個(gè)點(diǎn)組成，屏上6416個(gè)顯示單元與顯示RAM區(qū)1024字節(jié)相對(duì)應(yīng)，每一字節(jié)的內(nèi)容和顯示屏上相應(yīng)位置的亮暗對(duì)應(yīng)。例如:屏的第一行的亮暗由RAM區(qū)的000H00FH的16字節(jié)的內(nèi)容決定，當(dāng)(000H)=FFH時(shí)，則屏幕的左上角顯示一條短亮線，長(zhǎng)度為8個(gè)點(diǎn)；當(dāng)(3FFH)=FFH時(shí)，則屏幕的右下角顯示一條短亮線；當(dāng)(000H)=FFH，(001H)=00H，(002H)=00H，……(00EH)=00H，(00FH)=00H時(shí)，則在屏幕的頂部顯示一條由8段亮線和8條暗線組成的虛線，這就是LCD顯示的基本原理。3）字符的顯示用LCD顯示一個(gè)字符時(shí)比較復(fù)雜，因?yàn)橐粋€(gè)字符由68或88點(diǎn)陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個(gè)位置對(duì)應(yīng)的顯示RAM區(qū)的8字節(jié)，還要使每字節(jié)的不同位為“1”，其它的為“0”，為“1”的點(diǎn)亮，為“0”的不亮。這樣一來(lái)就組成某個(gè)字符。但由于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來(lái)說(shuō)，顯示字符就比較簡(jiǎn)單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在LCD上開(kāi)始顯示的行列號(hào)及每行的列數(shù)找出顯示RAM對(duì)應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，在此送上該字符對(duì)應(yīng)的代碼即可。圖316 LCD1602實(shí)物圖Figure 316 LCD1602physicalmap在此首先要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，預(yù)處理部分一般應(yīng)安排在數(shù)據(jù)采集之前，甚至有時(shí)它與傳感器安排在一起，即采用就地處理的方式，這樣可大大削弱信號(hào)傳輸過(guò)程中受到的干擾影響。在本設(shè)計(jì)中，考慮到鐵心電流是電阻性電流，數(shù)量級(jí)在幾十毫安到幾安培甚至更大，由于它們的變化范圍都很寬，如果用一個(gè)長(zhǎng)線傳送器傳送這樣寬范圍的電流信號(hào)，會(huì)造成較大的測(cè)量誤差，因此，將鐵心電流分為100mA， 1A，10A三個(gè)檔，分別用三個(gè)長(zhǎng)線傳送器進(jìn)行傳送，這樣便可大大提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。鐵心電流的測(cè)量準(zhǔn)確性，取決于長(zhǎng)線傳送器在測(cè)量范圍內(nèi)的線性度和穩(wěn)定性，線性度已由分檔來(lái)保證，經(jīng)調(diào)試它的非線性誤差2%。因?yàn)樽儔浩麒F心的電磁轉(zhuǎn)換對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)產(chǎn)生電磁干擾，所以鐵心電流的取樣探頭應(yīng)具有良好的電磁屏蔽，為此，采用雙層1mm厚的鐵板做成屏蔽箱，并用高性能的同軸屏蔽電纜傳送取樣信號(hào)。 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖317單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖Figure 317 Schematic diagram of SCM system上圖317是單片機(jī)最小系統(tǒng)部分的原理圖,主要包括晶振電路,本系統(tǒng)單片機(jī)晶振工作在12MHz的頻率下，還有一個(gè)上電復(fù)位電路，單片機(jī)啟運(yùn)運(yùn)行時(shí)，都需要先復(fù)位，其作用是使CPU和系統(tǒng)中其他部件處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。因而，復(fù)位是一個(gè)很重要的操作方式。但單片機(jī)本身是不能自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的外部電路才能實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)是使用上電復(fù)位。單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，對(duì)系統(tǒng)起監(jiān)督、管理、控制作用，并進(jìn)行復(fù)雜的信號(hào)處理，產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)及控制整個(gè)檢測(cè)過(guò)程。所以在選擇單片機(jī)時(shí)，參考了以下標(biāo)準(zhǔn)。1) 運(yùn)行速度。單片機(jī)運(yùn)行速度一般和系統(tǒng)匹配即可。2) 存儲(chǔ)空間。單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器容量，外部可以擴(kuò)展的存儲(chǔ)器(包括I/O口)空間3) 單片機(jī)內(nèi)部資源。單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)資源越多，系統(tǒng)外接的部件就越少，這可提高系統(tǒng)的許多技術(shù)指標(biāo)。4) 可用性。指單片機(jī)是否能很容易地開(kāi)發(fā)和利用，具體包括是否有合適的開(kāi)發(fā)工具，是否適合于大批量生產(chǎn)、性能價(jià)格比，是否有充足的資源，是否有現(xiàn)成的技術(shù)資源等。5) 特殊功能。一般指可靠性、功耗、掉電保護(hù)、故障監(jiān)視等。從硬件角度來(lái)看，與MCS51指令完全兼容的新一代STC89C52系列機(jī)，比在片外加EPROM才能相當(dāng)?shù)?031單片機(jī)抗干擾性能強(qiáng)，與87C51系列單片機(jī)的性能相當(dāng)，但功耗小。程序修改直接用+5伏或+12伏電源擦除，更顯方便、因而受電壓波動(dòng)的影響更小，而且4K的程序存儲(chǔ)器完全能滿足單片機(jī)系統(tǒng)的軟件要求，故STC89C52單片機(jī)是構(gòu)造本檢測(cè)系統(tǒng)的更理想的選擇。本系統(tǒng)選用STC公司生產(chǎn)的STC89C52單片機(jī)，其特性如下:1) 4K字節(jié)可編程閃速程序存儲(chǔ)器，1000次循環(huán)寫/擦2) 全靜態(tài)工作:0Hz24MHz3) 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定4) 128 X8位內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，32條可編程I/O口5) 兩個(gè)六位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，六個(gè)中斷源6) 可編程串行通道，低功耗閑置和掉電模式該單片機(jī)的功能強(qiáng)大，性能穩(wěn)定可靠，功耗很低。特別是用于本系統(tǒng)這樣一個(gè)控制相對(duì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，具有高的性價(jià)比。單片機(jī)主要完成了系統(tǒng)的控制功能和信息處理功能與結(jié)構(gòu)。為了理解這些功能是如何實(shí)現(xiàn)的，以下介紹AT89C51單片機(jī)的功能。單片機(jī)其DIP封裝40腳芯片引腳，引腳簡(jiǎn)要說(shuō)明見(jiàn)表32表32 單片機(jī)引腳簡(jiǎn)單說(shuō)明Table32Single Chip MicroputerpinsimpledescriptionVss接地端Vcc電源端，接＋5VXTAL1接外部晶振的一個(gè)引腳XTAL2接外部晶振的另一個(gè)引腳RST/Vpd1）復(fù)位信號(hào)的輸入 2）Vcc掉電后，此引腳可以接備用電源ALE/PROG地址鎖存器允許PSEN程序存儲(chǔ)器允許。輸出讀外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)EA/VppEA＝0，單片機(jī)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器，EA=1,訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)/低8位地址復(fù)用總線端口靜態(tài)通用端口(I/O口)高8位地址總線動(dòng)態(tài)端口雙功能靜態(tài)端口 晶振電路圖318晶振電路原理圖Figure 318 Crystaloscillatorcircuitschematics晶振是晶體振蕩器的簡(jiǎn)稱，在電氣上它可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。本設(shè)計(jì)的晶振電路是為單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)，如圖318晶振電路原理圖。STC89C52單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對(duì)外接電容的值雖然沒(méi)有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會(huì)影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為12MHz，電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值約為30μF。在焊接刷電路板時(shí)，晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。晶振有一個(gè)重要的參數(shù)，那就是負(fù)載電容值，選擇與負(fù)載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率。 STC89C52的并行I/O口詳細(xì)說(shuō)明由于STC89C52的并口功能強(qiáng)大，可用作地址/數(shù)據(jù)線，也作為通用I/O用于系統(tǒng)的控制工作中。因此，可以用并口來(lái)傳輸顯示電路中LED的段選碼和位選碼，也可以用并口中的某一位完成DS18B20的數(shù)據(jù)讀取。STC89C52共集成四個(gè)功能極強(qiáng)的8位雙向并行接口，每位均設(shè)有輸出鎖存器，輸出驅(qū)動(dòng)器和輸出緩沖器，四個(gè)口分別用P0， PI，P2，P3表示，由于接口所針對(duì)的主要用途不同所以有一定的差異，下面分別說(shuō)明。P0口的每一位均由一個(gè)輸出鎖存器、兩個(gè)三態(tài)緩沖器、一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)輸出控制電路組成，其工作狀態(tài)受輸出控制電路的控制。P0口既可作為地址/數(shù)據(jù)線，又可以作為通用I/O口。在外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，P0口必須做地址/數(shù)據(jù)總線用，先輸出低8位地址到外部地址鎖存器，后輸出/輸入數(shù)據(jù)或指令代碼，分時(shí)復(fù)用。在不擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器時(shí)可以做通用I/O用。P1口是一個(gè)8位準(zhǔn)雙向并行I/O接口，做通用1/0用。其輸出驅(qū)動(dòng)器有內(nèi)部上拉電阻，能加速‘0’到‘1’的轉(zhuǎn)變過(guò)程。特別在位操作方式下，P1口可以進(jìn)行每位單獨(dú)輸出/輸入操作。P2口同樣是一個(gè)8位的準(zhǔn)雙向并行I/O口，在結(jié)構(gòu)上它比P1口多出了一個(gè)輸出轉(zhuǎn)換控制部分。P2口由內(nèi)部硬件控制，當(dāng)作為通用I/O口時(shí)是一個(gè)準(zhǔn)雙向1/0口。當(dāng)有外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器或接口時(shí)，可用于輸出高8位地址。在擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器或接口時(shí)，由于訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器的操作是連續(xù)不斷的，所以不能再擴(kuò)展為通用I/O口。但是P2口作為地址輸出時(shí)是由內(nèi)部控制開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的，并不會(huì)改變其輸出寄存器的內(nèi)容，故訪問(wèn)外部地址結(jié)束后，P2口的輸出鎖存器的內(nèi)容會(huì)恢復(fù)到輸出引腳。因此，可以根據(jù)訪問(wèn)外部地址的頻繁程度，P2口在其間仍可作為通I/O，P3口做通用I/O使用時(shí)，和P1, P2口類似。在作為多功能端口的時(shí)候，它作為讀/寫信號(hào)(擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器的時(shí)候)和標(biāo)準(zhǔn)串行I/O口。 鍵盤操作部分該模塊是一個(gè)人機(jī)接口，其作用為方便用戶根據(jù)自身需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。在本設(shè)計(jì)方案中，鍵盤部分選用HD7279，顯示部分選用LED數(shù)碼管(雖簡(jiǎn)易，但能滿足需求)。該模塊能實(shí)現(xiàn)鐵心電流、量程(0100mA, 11A, 210A)電流預(yù)警值的顯示，還能夠通過(guò)按鍵切換顯示。同時(shí)通過(guò)軟件編程，還可以擴(kuò)展其它功能，比如通過(guò)按鍵設(shè)定短信中心號(hào)等。 鍵盤 通過(guò)該部分，可以使用戶根據(jù)需要設(shè)置短信中心號(hào)碼和電流報(bào)警范圍。本設(shè)計(jì)采用可編程數(shù)碼管/鍵盤串行接口芯片HD7279A，在下文中，將對(duì)該芯片的工作原理、工作時(shí)序等做出相關(guān)介紹。1）HD7279A芯片的特點(diǎn)及工作原理 HD7279A是一片具有串行接口的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8bit共陰式數(shù)碼管和連接64鍵的鍵盤矩陣，無(wú)需外圍元件可直接驅(qū)動(dòng)LED，單片即可完成LED顯示和鍵盤接口的全部功能。引腳功能介紹如下:1,2腳(VDD): 正電源。3,6腳(NC ): 無(wú)連接，懸空。4腳(vss ): 接地。6腳(CS): 片選輸入端，低電平有效。7腳(CLK): 同步時(shí)鐘輸入端，上升沿?cái)?shù)據(jù)有效。8腳(D ATA ): 串行數(shù)據(jù)輸入/輸出端。9腳(KEY): 按鍵有效輸出端。10一16腳(SG—SA): 段g一段a驅(qū)動(dòng)輸出。17腳(DP ): 小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)輸出。18—25腳(DIG0—DIG7): LED0—LED7驅(qū)動(dòng)輸出。26腳(CLKO )：震蕩輸出端。27腳(RC): RC振蕩器連接端。28腳(RESET): 復(fù)位端。在應(yīng)用中，未用的鍵盤或LED數(shù)碼管均可省去，而且互不影響。如果不用鍵盤，典型電路中8只100可Ω下拉電阻均可省去，如果僅接一個(gè)按鍵，則8只100KΩ下拉電阻必須全部連接。除非不接LED，否則8只200Ω限流電阻均不能省去。外接RC震蕩電路的典型值為:R=，C=15pF。下拉電阻與位選電阻的阻值應(yīng)遵循一定的比例關(guān)系。在不影響顯示的情況下，下拉電阻應(yīng)盡可能小，大大提高鍵盤抗干擾能力。驅(qū)動(dòng)大功率的LED時(shí)需增加驅(qū)動(dòng)電路，或盡量采用高亮度LED以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。復(fù)位端RESET也可由單片機(jī)直接控制以增加可靠性，但需要占用單片機(jī)資源。HD7279A與單片機(jī)采用SPI串行接口方式連接，共有3種類型16條命令格式，即不帶數(shù)據(jù)的純指令，帶數(shù)據(jù)的指令和讀鍵盤鍵值代碼指令。 2）電路設(shè)計(jì)鍵盤顯示部分由LED數(shù)碼管、按鍵、HD7279A智能芯片組成。其中，LED數(shù)碼管總共8位數(shù)字顯示，可以顯示當(dāng)前的電流值，以及顯示用戶預(yù)設(shè)報(bào)警范圍值、量程等。 信號(hào)傳輸部分該部分主要由GSM模塊組成。GSM網(wǎng)絡(luò)已在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)和漫游，網(wǎng)絡(luò)性強(qiáng)，用戶無(wú)需另外組網(wǎng)而花費(fèi)大量資金。由于它對(duì)用戶數(shù)量沒(méi)有限制，在電力系統(tǒng)中已廣泛應(yīng)用于變電所高壓斷路器開(kāi)斷、遠(yuǎn)程高壓線路監(jiān)測(cè)、自動(dòng)抄表、加熱系統(tǒng)等方面。結(jié)構(gòu)中應(yīng)用GSM系統(tǒng)中的SMS(短信服務(wù))來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)量不大時(shí)，SMS是一種很合適的傳送方式。 SIM300C模塊SIM300C是由SIMCOM公司推出的，價(jià)格便宜、功能齊全的GPRS模塊。SIM300C是一個(gè)三頻段GSM/GPRS解決方案，它使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)界面，支持GSM/GPRS900/1800/1900MHz，可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的高速傳輸。同時(shí)具有功耗低、尺寸小的特點(diǎn)。內(nèi)置強(qiáng)大的TCP/IP協(xié)議棧，屏蔽了復(fù)雜的接口協(xié)議棧，取而代之的是通過(guò)簡(jiǎn)單的AT命令交互，使開(kāi)發(fā)更加簡(jiǎn)單方便。 SIM卡接口無(wú)線通信模塊需要連接SIM卡接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，此處SIM卡的作用是身份驗(yàn)證，數(shù)據(jù)傳輸流量計(jì)費(fèi)。由于SIM300C電源采用+，故另作+5V/+。4 10kV電力變壓器狀態(tài)參量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件控制部分流程圖 圖41 系統(tǒng)整體流程圖Figure 41 Flow Chartof thesystemas awhole通過(guò)前面介紹的硬件電路，軟件電路通過(guò)ADC0832來(lái)讀取電壓，電流和電阻信號(hào)的數(shù)字信息，經(jīng)過(guò)分析和換算，將輸出顯示在LCD1602當(dāng)中。軟件具體的運(yùn)行方式是：ADC0832進(jìn)行初始化操作，同時(shí)LCD1602進(jìn)行初始化操作，然后ADC0832對(duì)經(jīng)過(guò)前級(jí)處理的待測(cè)電壓，待測(cè)電流等信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將測(cè)得的電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過(guò)換算后，驅(qū)動(dòng)LCD顯示出相應(yīng)的電壓，電流還有電阻值。 ADC0832子程序流程圖圖42 ADC0832子程序軟件流程圖Figure 42 ADC0832subroutinesoftwareflowchart前文已經(jīng)詳細(xì)介紹了ADC0832的工作原理，ADC0832是一款8bit的串行AD轉(zhuǎn)換芯片，子程序的處理是按照數(shù)據(jù)手冊(cè)上要求的方式來(lái)編寫的。具體操作是首先對(duì)ADC采樣芯片進(jìn)行初始化，然后對(duì)輸出和片選還有時(shí)鐘信號(hào)分別按照數(shù)據(jù)手冊(cè)的時(shí)序進(jìn)行操作，如圖42所示，經(jīng)過(guò)延時(shí)后將時(shí)鐘信號(hào)置位，然后依次讀取8個(gè)bit的數(shù)據(jù)，將8bit的數(shù)據(jù)拼接起來(lái)就得到了依次AD轉(zhuǎn)換的8bit的數(shù)據(jù)了。 圖43 延時(shí)子程序流程圖Figure 43 Delay ChildProgramflowchart延時(shí)子程序的工作過(guò)程就是，設(shè)定一個(gè)計(jì)數(shù)器所需要的循環(huán)次數(shù)的數(shù)值，開(kāi)始執(zhí)行子程序之后，程序反復(fù)進(jìn)行空操作，當(dāng)完成設(shè)定次數(shù)的循環(huán)之后，實(shí)現(xiàn)了延時(shí)的步驟，程序結(jié)束。 5 總結(jié)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于GSM通信的電力變壓器鐵心接地電流、電壓、溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該裝置是在STC89C52高性能單片機(jī)處理器基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，它主要由電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)、鍵盤顯示，無(wú)線通信模塊等幾部分組成。從功能和技術(shù)上，本系統(tǒng)主要做了以下幾方面的工作:1) 選用高性能電流、電壓、溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲??； 2) 防止電磁干擾，選用屏蔽箱和屏蔽電纜；3) 鍵盤顯示部分設(shè)計(jì)人性化，方便用戶根據(jù)自身需要定義；