【正文】 監(jiān)控單元設(shè)計(jì)單片微型計(jì)算機(jī)是一種集 CPU、RAM 、ROM、I/O 接口和中斷系統(tǒng)等部件于一體的 VLSI 型器件，只需要外加電源和晶振就可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信息的處理和控制，因而，單片機(jī)以其獨(dú)特優(yōu)越的性能在智能儀表、工業(yè)測(cè)控、數(shù)據(jù)采集、張威：變電站終端電氣設(shè)備電器智能化設(shè)計(jì)27計(jì)算機(jī)通信等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用 [30]。從應(yīng)用規(guī)模來(lái)看，本設(shè)計(jì)屬于單片機(jī)的高級(jí)應(yīng)用系統(tǒng)。即在本系統(tǒng)中有人機(jī)對(duì)話(huà)功能，程序和運(yùn)行參數(shù)均可固化在ROM 中；并配有一個(gè)鍵盤(pán)和若干 I/O 端口，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行監(jiān)視和控制；還能應(yīng)用在分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中。在此應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)用作前置（下位）機(jī)，后臺(tái)（上位）機(jī)是一臺(tái)系統(tǒng)機(jī)或工作站機(jī)。通過(guò)通信電路工作人員能夠?qū)ρb置進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，在需要時(shí)可直接改變控制器的工作參數(shù)，而無(wú)需到現(xiàn)場(chǎng)，這將大大降低使用者到現(xiàn)場(chǎng)的費(fèi)用和工作者、控制器與中心監(jiān)測(cè)控制部分通過(guò)某種方式的聯(lián)接 [31]。同時(shí)監(jiān)控電路也能夠記錄電壓的異常情況，還能存儲(chǔ)相關(guān)參數(shù)。單片機(jī)后向通道是指單片機(jī)把處理后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳送、輸出、控制和調(diào)節(jié)的通道。如果說(shuō)單片機(jī)前向通道反映了對(duì)監(jiān)控對(duì)象的檢測(cè)過(guò)程，那么后向通道反映的是對(duì)監(jiān)控對(duì)象的控制和調(diào)節(jié)過(guò)程。此外由于單片機(jī)的輸出信號(hào)電平很低，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)外圍設(shè)備工作，因此單片機(jī)后向通道的設(shè)計(jì)還考慮了總線(xiàn)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)、外圍設(shè)備的驅(qū)動(dòng)、串行通信信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換以及開(kāi)關(guān)信號(hào)的隔離放大技術(shù)等。(1)監(jiān)控單元的微處理器簡(jiǎn)介1971 年微處理器研制成功后不久，就出現(xiàn)了單芯片的微型計(jì)算機(jī)，即單片機(jī)。最早的單片機(jī)是一位的。1976 年 Intel 公司推出了第一代 8 位單片機(jī)的代表產(chǎn)品——MCS48 系列單片機(jī) 8048,它將 CPU、串并行口、定時(shí)器和 128BRAM集成在一塊芯片內(nèi)，使用的是 HMOS 工藝。在 MCS48 成功的刺激下，相繼出現(xiàn)了第二代單片機(jī)產(chǎn)品。第二代單片機(jī)中，Intel MCS51 進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)最早，過(guò)渡到 CMOS 工藝的 80C51 要遲一些。1982 年以后，高速低功耗 CHMOS 工藝的出現(xiàn)，使許多公司生產(chǎn)與 80C51 兼容的單片機(jī)，并擴(kuò)展了其功能 [32]。單片機(jī)雖然品種繁多，但就其應(yīng)用情況看，8 位機(jī)要數(shù) Intel 公司的 MCS51 系列。MCS51 系列單片機(jī)市場(chǎng)占有率最高，世界上很多知名的 IC 生產(chǎn)廠(chǎng)家都生產(chǎn)與之兼容的芯片。在制造上，MCS51 系列單片機(jī)按兩種工藝生產(chǎn)。一種是 HMOS 工藝，即高密度短溝道 MOS 工藝；另一種是 CHMOS 工藝，即互補(bǔ)金屬氧化物的 HMOS 工藝。CHMOS 是 CMOS 和 HMOS 的結(jié)合，既保持了HMOS 高速度和高密度的特點(diǎn)，又具有 CMOS 的低功耗的特點(diǎn)。在產(chǎn)品型號(hào)中凡是帶有字母“C”的芯片即為 CHMOS 芯片，如 89C51 等。微處理器是裝置的核心部分，它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的關(guān)鍵所在。主要處理測(cè)量電路的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種操作，如存儲(chǔ)、電流、電壓檢測(cè)、功率因數(shù)計(jì)算、無(wú)功功率計(jì)算和保護(hù)投切計(jì)算及數(shù)據(jù)顯示等功能。還可根據(jù)上位機(jī)（PC 機(jī)）傳送過(guò)來(lái)的信息做出及時(shí)的響應(yīng)，如將開(kāi)關(guān)狀態(tài)傳給上位機(jī)，以供管理人員管理、調(diào)度。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)28降低系統(tǒng)成本，根據(jù)系統(tǒng)功能要求，本設(shè)計(jì)中 MCU (Microcontroller Unit)選用89C51。(2)板內(nèi)總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，CPU 本身的驅(qū)動(dòng)能力是有限的，通常只能驅(qū)動(dòng)幾個(gè)TTL（或十幾個(gè) MOS）門(mén)電路。因此，常常需要根據(jù)不同情況在 CPU 的地址總線(xiàn)、數(shù)據(jù)總線(xiàn)和控制總線(xiàn)上加進(jìn)不同數(shù)量和類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)電路，以增強(qiáng) CPU 對(duì)板內(nèi)元器件或各類(lèi)總線(xiàn)的驅(qū)動(dòng)能力 [33]。板內(nèi)總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器是一種以驅(qū)動(dòng)板內(nèi)元器件為主的元件級(jí)總線(xiàn)。這種驅(qū)動(dòng)器只消耗單片機(jī)的一個(gè)同類(lèi)門(mén)負(fù)載，但驅(qū)動(dòng)能力是很強(qiáng)大的。例如：74LS245 驅(qū)動(dòng)器?？沈?qū)動(dòng) 100 多個(gè) 74LS系列門(mén)電路，若把驅(qū)動(dòng)負(fù)載的種種因素也考慮在內(nèi)，起碼也能可靠驅(qū)動(dòng) 50 個(gè)同類(lèi)門(mén)。但為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，74LS245 輸出線(xiàn)上一般也能掛接 30 個(gè)左右同類(lèi)門(mén)。因此，驅(qū)動(dòng)器不僅可以減輕主機(jī)負(fù)擔(dān)，增強(qiáng)CPU 驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力，為負(fù)載電阻和分布電容提供較大的驅(qū)動(dòng)電流，而且也能夠消除驅(qū)動(dòng)器后面負(fù)載電路對(duì)主機(jī)芯片的干擾和影響，較好地保證總線(xiàn)上信號(hào)波形的完整性。(3)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 RAM 的擴(kuò)展隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 RAM 是一種正常工作時(shí)既能讀又能寫(xiě)的存儲(chǔ)器，故又稱(chēng)為讀寫(xiě)存儲(chǔ)器。RAM 存儲(chǔ)器通常用來(lái)存放數(shù)據(jù)、中間結(jié)果和最終結(jié)果等，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)不可缺少的一種半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 [34]。RAM 存儲(chǔ)器通?？梢苑譃殪o態(tài) RAM（SRAM）和動(dòng)態(tài) RAM（DRAM）兩大類(lèi)，其差別主要在于基本存儲(chǔ)電路存儲(chǔ)信息的方式不同。前者依靠觸發(fā)器存儲(chǔ)二進(jìn)制信息，后者依靠存儲(chǔ)電容存儲(chǔ)二進(jìn)制信息。靜態(tài) RAM 的存儲(chǔ)容量較小，動(dòng)態(tài) RAM 的存儲(chǔ)容量較大。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，由于所用 RAM 存儲(chǔ)器容量較小，故采用 SRAM，以簡(jiǎn)化硬件電路和減小系統(tǒng)體積。但在實(shí)際應(yīng)用中，單片機(jī)本身集成的 RAM 很難滿(mǎn)足存儲(chǔ)資源的分配要求，因此通常根據(jù)需要作適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展。(4)監(jiān)控單元鍵盤(pán)及顯示電路在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，掃描鍵盤(pán)只是 CPU 的工作任務(wù)之一。在實(shí)際應(yīng)用中要想做到既能及時(shí)響應(yīng)鍵操作，又不過(guò)多地占用 CPU 的工作時(shí)間，就要根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)中 CPU 忙閑情況，選擇適當(dāng)?shù)逆I盤(pán)工作方式。鍵盤(pán)的工作方式一般有編程掃描方式和中斷掃描方式兩種 [35]。 10KΩ4+5V0INT89C51amp。張威：變電站終端電氣設(shè)備電器智能化設(shè)計(jì)29圖 219 P1 口控制的 44 鍵盤(pán)的接口電路圖 219 為中斷掃描方式的鍵盤(pán)接口電路，該電路中，只要將 .~P全 0，開(kāi)放所有行的鍵后，CPU 可以轉(zhuǎn)去執(zhí)行其它的任務(wù)，而不用重復(fù)調(diào)用鍵盤(pán)掃描程序。當(dāng)鍵盤(pán)上有任一鍵按下時(shí)，均可向 CPU 申請(qǐng)中斷，CPU 響應(yīng)中斷請(qǐng)求后，在中斷服務(wù)程序中掃描鍵盤(pán)判按鍵的行、列值以形成鍵號(hào)。該電路直接由 89C51 的 口高、低 4 位構(gòu)成 44 行列矩陣式鍵盤(pán)接口。鍵盤(pán)的列線(xiàn)與1P口的低 4 位相連，而行線(xiàn)通過(guò)二極管與 口的高 4 位相連。因此 ~ .為鍵盤(pán)掃描輸出線(xiàn)； ~ 為鍵盤(pán)的輸入線(xiàn)。鍵盤(pán)的 4 .入端，與門(mén)的輸出作為外部中斷 0( )的中斷請(qǐng)求輸入。初始化時(shí)，使鍵盤(pán)0INT行線(xiàn) ~ 全部為 0，當(dāng)任一列有鍵按下時(shí)，行列線(xiàn)接通，使該列線(xiàn)為低，.過(guò)與門(mén)產(chǎn)生 中斷請(qǐng)求信號(hào)，向 CPU 發(fā)出中斷請(qǐng)求，CPU 響應(yīng)中斷時(shí)進(jìn)入INT中斷服務(wù)程序。在中斷服務(wù)程序中執(zhí)行鍵盤(pán)的掃描程序，判斷被按鍵的行、列號(hào)及查表獲得按鍵的鍵值。在行輸出電路中,每行都串聯(lián)一個(gè)二極管是為了防止多鍵同時(shí)壓下時(shí),輸出口可能會(huì)短路。在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中,為了便于觀察和監(jiān)視單片機(jī)的運(yùn)行情況,需要用顯示器顯示運(yùn)行的中間結(jié)果及狀態(tài)等信息。常用的顯示器主要有發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器簡(jiǎn)稱(chēng) LED 顯示器。LED 顯示器具有耗電省、成本低廉、配置簡(jiǎn)單靈活、安裝方便、耐振動(dòng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但顯示內(nèi)容有限，且不能顯示圖形，因而其應(yīng)用還有一定的局限性 [36]。LED 靜態(tài)顯示器接口電路如圖 220 所示，LED 數(shù)碼管采用靜態(tài)顯示與單片機(jī)接口時(shí)，共陰極或共陽(yáng)極點(diǎn)連接在一起接地或高電平。每個(gè)顯示器的段選線(xiàn)與一個(gè) 8 位并行口線(xiàn)對(duì)應(yīng)相連，只要在顯示位上的段選線(xiàn)上保持段碼電平不變，則該位就能保持相應(yīng)的顯示字符。這里的 8 位并行口可以直接采用并行 I/O湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)30接口，也可以采用串入/并出的移位寄存器或其它具有三態(tài)功能的鎖存器等?？紤]到若采用并行 I/O 接口，占用 I/O 資源較多，因此靜態(tài)顯示器接口中采用串行口設(shè)置方式為 0 輸出方式，外接 74LS164 移位寄存器構(gòu)成顯示器接口電路。圖中的 LED 選用共陽(yáng)極的數(shù)碼管，故各數(shù)碼管的公共極接+5V ，要顯示的字符相應(yīng)段為低電平選中，字符段碼通過(guò)串行口送到相應(yīng)的移位寄存器 74LS164 中。 圖 220 采用 89C51 串行口擴(kuò)展的顯示器電路 (5)開(kāi)關(guān)量輸入輸出電路設(shè)備在系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)，不僅要檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的各種模擬參量，還應(yīng)檢測(cè)一次元件的工作狀態(tài)（接通或分?jǐn)啵?、系統(tǒng)為元件操作提供的各種閉鎖等信號(hào)等，以保證監(jiān)控系統(tǒng)正確地發(fā)出操作命令。這些信號(hào)通常要由一次元件或系統(tǒng)中其他開(kāi)關(guān)電器電氣接點(diǎn)的接通、分?jǐn)酄顟B(tài)給出。因此，必須要用相應(yīng)的變換電路把接點(diǎn)狀態(tài)變成與中央控制模塊輸入電平兼容的邏輯信號(hào)，才能被接受和處理。此外，由于給出開(kāi)關(guān)信號(hào)的電氣接點(diǎn)一般都處在高壓環(huán)境中，電磁干擾也較強(qiáng)，為了隔離現(xiàn)場(chǎng)高壓，同時(shí)避免干擾，在接點(diǎn)與中央處理模塊間還需要可靠的電氣隔離。光電隔離是以光為中間媒質(zhì)來(lái)傳遞電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)輸入與輸出間的電氣隔離。實(shí)現(xiàn)光電隔離所用的器件就是光電耦合器，又稱(chēng)光電隔離器或光電去耦器或光子耦合器等。這是 20 世紀(jì) 70 年代發(fā)展起來(lái)的一種新型電子器件，由光源（如發(fā)光二極管）和光傳感器（光敏三極管）組成，其輸入端（一次側(cè)）是發(fā)光元件，輸出端（二次側(cè)）是受光元件，一、二次側(cè)間以光為媒介耦合，具有較高的電氣隔離和抗干擾能力。根據(jù)要求不同，有不同種類(lèi)的發(fā)光元件和受光元件組合，形成多種系列的光電耦合器。目前應(yīng)用最廣的是發(fā)光二極管與光敏三極管組合的光電耦合器。常用的光電耦合器分為線(xiàn)性型和開(kāi)關(guān)型兩種，線(xiàn)性型是……74LS164+5V………89C51 RXD TXD PL0AB CLK CLRAB CLK CLRAB CLK CLR張威：變電站終端電氣設(shè)備電器智能化設(shè)計(jì)31指輸出電流與輸入電流的大小成正比；開(kāi)關(guān)型的輸出為受光元件的導(dǎo)通與關(guān)斷的狀態(tài)，只反映輸入電流是否超過(guò)其閾值。開(kāi)關(guān)型光電耦合器的應(yīng)用如圖 221 所示，圖中，當(dāng)+12V 脈沖加入到光電耦合器輸入端時(shí)，發(fā)光二極管因?qū)ǘl(fā)光，通過(guò)光耦合作用使光敏三極管導(dǎo)通，故可在 輸出高電平；當(dāng) 端輸入 0V 時(shí)，發(fā)光二極管熄滅，光敏三極OUTVINV管截止， 輸出低電平。圖 221 開(kāi)關(guān)量輸入輸出電路結(jié)構(gòu)示意圖光電耦合器在單片機(jī)后向通道中主要用作控制開(kāi)關(guān)量輸出電路。由于單片機(jī)輸出電路和繼電器啟閉電路之間采用光電耦合器，使它們之間無(wú)電氣上的聯(lián)系，因此強(qiáng)電的沖擊干擾不會(huì)影響到單片機(jī)輸出電路。不過(guò)，為了徹底隔斷單片機(jī)輸出電路和強(qiáng)電回路間的任何電氣聯(lián)系，單片機(jī)和繼電器線(xiàn)圈還使用獨(dú)立的電源供電。通常，光電隔離器也可用來(lái)隔離輸入開(kāi)關(guān)量和輸入模擬量，以消除輸入回路對(duì)單片機(jī)的共地干擾。光電隔離器用來(lái)隔離輸出開(kāi)關(guān)量的情況和上述輸出回路的隔離相同，只是把圖 221 中的 輸出端直接和開(kāi)關(guān)的某輸入端OUTV相接即可。圖 221 是最常用的開(kāi)關(guān)量輸入電路。該電路不僅完成了接點(diǎn)狀態(tài)到邏輯信號(hào)的變換，而且通過(guò)光電耦合器 LEC（Light Electric Coupler）實(shí)現(xiàn)了電氣隔離。通常，單片微機(jī)或微處理器輸入端都與 TTL 電平兼容。圖 221 中，LEC二次側(cè)（晶體管側(cè)）只需用+5V 電壓，配合合適的負(fù)載電阻 R2，輸出即可基本滿(mǎn)足監(jiān)控單元中央處理器輸入邏輯電平的要求。LEC 一次側(cè)電壓可根據(jù)監(jiān)控單元供電電源整體設(shè)計(jì)確定，但必須正確選擇串聯(lián)電阻 的值，以免電流過(guò)大而1R湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)32燒毀 LEC 中的發(fā)光二極管；或電流過(guò)小，使二次側(cè)的開(kāi)關(guān)（邏輯）元件不能導(dǎo)通。 的電阻值應(yīng)保證在一次側(cè)二極管中流過(guò)規(guī)定電流時(shí)，晶體管電流不超過(guò)2RLEC 允許的最大二次電流，且能飽和導(dǎo)通。還需要說(shuō)明的是，經(jīng)過(guò)圖 221 處理后的開(kāi)關(guān)量可以直接與中央處理器輸入接口。至于當(dāng)監(jiān)控單元輸入的開(kāi)關(guān)量數(shù)目較多，且中央處理器輸入端口數(shù)量不夠時(shí)，可在中央控制模塊設(shè)計(jì)中為開(kāi)關(guān)量擴(kuò)展輸入接口電路。(6)串行通信串行通信是一種能把二進(jìn)制數(shù)據(jù)按位傳送的通信，由于它所需傳輸線(xiàn)條數(shù)極少，特別適用于分級(jí)、分層和分布式控制系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程通信中。①采用 TTL 電平直接通信利用 89C51 串口可以建立兩片 MCS51 單片機(jī)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)異步通信的模型，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)單片機(jī)間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)異步通信。此時(shí)，MCS51 應(yīng)工作在方式 方式 2 或方式 3，兩臺(tái) MCS51 的 TXD、RXD 和 GND 的同名端可直接通過(guò)電纜或雙絞線(xiàn)連接起來(lái)進(jìn)行的通信，必要時(shí)也可外加驅(qū)動(dòng)器。本方式通常用于兩臺(tái) MCS51 相距小于 米時(shí)的情況。②MCS51 和 PC 機(jī)之間的通信在控制領(lǐng)域中，單片機(jī)常常作為前置機(jī)用來(lái)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行參數(shù)檢測(cè)和控制，PC 機(jī)作為后置機(jī)來(lái)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行某種管理和控制，因此，PC 機(jī)和單片機(jī)之間也存在一個(gè)數(shù)據(jù)通信問(wèn)題，這種通信常常是利用 PC 機(jī)的 RS232C 串行口和單片機(jī)的 UART 串行口實(shí)現(xiàn)的，故它們也是一種串行數(shù)據(jù)通信。按所用 RS232C 接口芯片之不同，PC 機(jī)和單片機(jī)之間的連接還可分為多種形式。