【正文】 監(jiān)控單元設(shè)計單片微型計算機是一種集 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現(xiàn)對數(shù)字信息的處理和控制，因而，單片機以其獨特優(yōu)越的性能在智能儀表、工業(yè)測控、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27計算機通信等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用 [30]。從應(yīng)用規(guī)模來看，本設(shè)計屬于單片機的高級應(yīng)用系統(tǒng)。即在本系統(tǒng)中有人機對話功能，程序和運行參數(shù)均可固化在ROM 中；并配有一個鍵盤和若干 I/O 端口，用以實現(xiàn)對被控對象進(jìn)行監(jiān)視和控制；還能應(yīng)用在分布式計算機系統(tǒng)或計算機網(wǎng)絡(luò)中。在此應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機用作前置（下位）機，后臺（上位）機是一臺系統(tǒng)機或工作站機。通過通信電路工作人員能夠?qū)ρb置進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，在需要時可直接改變控制器的工作參數(shù)，而無需到現(xiàn)場，這將大大降低使用者到現(xiàn)場的費用和工作者、控制器與中心監(jiān)測控制部分通過某種方式的聯(lián)接 [31]。同時監(jiān)控電路也能夠記錄電壓的異常情況，還能存儲相關(guān)參數(shù)。單片機后向通道是指單片機把處理后的數(shù)字信號進(jìn)行傳送、輸出、控制和調(diào)節(jié)的通道。如果說單片機前向通道反映了對監(jiān)控對象的檢測過程，那么后向通道反映的是對監(jiān)控對象的控制和調(diào)節(jié)過程。此外由于單片機的輸出信號電平很低，無法直接驅(qū)動外圍設(shè)備工作，因此單片機后向通道的設(shè)計還考慮了總線信號的驅(qū)動、外圍設(shè)備的驅(qū)動、串行通信信號電平的轉(zhuǎn)換以及開關(guān)信號的隔離放大技術(shù)等。(1)監(jiān)控單元的微處理器簡介1971 年微處理器研制成功后不久，就出現(xiàn)了單芯片的微型計算機，即單片機。最早的單片機是一位的。1976 年 Intel 公司推出了第一代 8 位單片機的代表產(chǎn)品——MCS48 系列單片機 8048,它將 CPU、串并行口、定時器和 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)了第二代單片機產(chǎn)品。第二代單片機中，Intel MCS51 進(jìn)入中國市場最早，過渡到 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，并擴(kuò)展了其功能 [32]。單片機雖然品種繁多，但就其應(yīng)用情況看，8 位機要數(shù) Intel 公司的 MCS51 系列。MCS51 系列單片機市場占有率最高，世界上很多知名的 IC 生產(chǎn)廠家都生產(chǎn)與之兼容的芯片。在制造上，MCS51 系列單片機按兩種工藝生產(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，又具有 CMOS 的低功耗的特點。在產(chǎn)品型號中凡是帶有字母“C”的芯片即為 CHMOS 芯片，如 89C51 等。微處理器是裝置的核心部分，它是實現(xiàn)自動控制的關(guān)鍵所在。主要處理測量電路的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種操作，如存儲、電流、電壓檢測、功率因數(shù)計算、無功功率計算和保護(hù)投切計算及數(shù)據(jù)顯示等功能。還可根據(jù)上位機（PC 機）傳送過來的信息做出及時的響應(yīng)，如將開關(guān)狀態(tài)傳給上位機，以供管理人員管理、調(diào)度。為了簡化設(shè)計和湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書28降低系統(tǒng)成本，根據(jù)系統(tǒng)功能要求，本設(shè)計中 MCU (Microcontroller Unit)選用89C51。(2)板內(nèi)總線驅(qū)動器在單片機控制系統(tǒng)中，CPU 本身的驅(qū)動能力是有限的，通常只能驅(qū)動幾個TTL（或十幾個 MOS）門電路。因此，常常需要根據(jù)不同情況在 CPU 的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線上加進(jìn)不同數(shù)量和類型的驅(qū)動電路，以增強 CPU 對板內(nèi)元器件或各類總線的驅(qū)動能力 [33]。板內(nèi)總線驅(qū)動器是一種以驅(qū)動板內(nèi)元器件為主的元件級總線。這種驅(qū)動器只消耗單片機的一個同類門負(fù)載，但驅(qū)動能力是很強大的。例如：74LS245 驅(qū)動器?？沈?qū)動 100 多個 74LS系列門電路，若把驅(qū)動負(fù)載的種種因素也考慮在內(nèi)，起碼也能可靠驅(qū)動 50 個同類門。但為了保險起見，74LS245 輸出線上一般也能掛接 30 個左右同類門。因此，驅(qū)動器不僅可以減輕主機負(fù)擔(dān)，增強CPU 驅(qū)動負(fù)載的能力，為負(fù)載電阻和分布電容提供較大的驅(qū)動電流，而且也能夠消除驅(qū)動器后面負(fù)載電路對主機芯片的干擾和影響，較好地保證總線上信號波形的完整性。(3)隨機存取存儲器 RAM 的擴(kuò)展隨機存取存儲器 RAM 是一種正常工作時既能讀又能寫的存儲器，故又稱為讀寫存儲器。RAM 存儲器通常用來存放數(shù)據(jù)、中間結(jié)果和最終結(jié)果等，是現(xiàn)代計算機不可缺少的一種半導(dǎo)體存儲器 [34]。RAM 存儲器通?？梢苑譃殪o態(tài) RAM（SRAM）和動態(tài) RAM（DRAM）兩大類，其差別主要在于基本存儲電路存儲信息的方式不同。前者依靠觸發(fā)器存儲二進(jìn)制信息，后者依靠存儲電容存儲二進(jìn)制信息。靜態(tài) RAM 的存儲容量較小，動態(tài) RAM 的存儲容量較大。在單片機控制系統(tǒng)中，由于所用 RAM 存儲器容量較小，故采用 SRAM，以簡化硬件電路和減小系統(tǒng)體積。但在實際應(yīng)用中，單片機本身集成的 RAM 很難滿足存儲資源的分配要求，因此通常根據(jù)需要作適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展。(4)監(jiān)控單元鍵盤及顯示電路在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，掃描鍵盤只是 CPU 的工作任務(wù)之一。在實際應(yīng)用中要想做到既能及時響應(yīng)鍵操作，又不過多地占用 CPU 的工作時間，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盤工作方式。鍵盤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29圖 219 P1 口控制的 44 鍵盤的接口電路圖 219 為中斷掃描方式的鍵盤接口電路，該電路中，只要將 .~P全 0，開放所有行的鍵后，CPU 可以轉(zhuǎn)去執(zhí)行其它的任務(wù)，而不用重復(fù)調(diào)用鍵盤掃描程序。當(dāng)鍵盤上有任一鍵按下時，均可向 CPU 申請中斷，CPU 響應(yīng)中斷請求后，在中斷服務(wù)程序中掃描鍵盤判按鍵的行、列值以形成鍵號。該電路直接由 89C51 的 口高、低 4 位構(gòu)成 44 行列矩陣式鍵盤接口。鍵盤的列線與1P口的低 4 位相連，而行線通過二極管與 口的高 4 位相連。因此 ~ .為鍵盤掃描輸出線； ~ 為鍵盤的輸入線。鍵盤的 4 .入端，與門的輸出作為外部中斷 0( )的中斷請求輸入。初始化時，使鍵盤0INT行線 ~ 全部為 0，當(dāng)任一列有鍵按下時，行列線接通，使該列線為低，.過與門產(chǎn)生 中斷請求信號，向 CPU 發(fā)出中斷請求，CPU 響應(yīng)中斷時進(jìn)入INT中斷服務(wù)程序。在中斷服務(wù)程序中執(zhí)行鍵盤的掃描程序，判斷被按鍵的行、列號及查表獲得按鍵的鍵值。在行輸出電路中,每行都串聯(lián)一個二極管是為了防止多鍵同時壓下時,輸出口可能會短路。在單片機的應(yīng)用系統(tǒng)中,為了便于觀察和監(jiān)視單片機的運行情況,需要用顯示器顯示運行的中間結(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)碼顯示器簡稱 LED 顯示器。LED 顯示器具有耗電省、成本低廉、配置簡單靈活、安裝方便、耐振動、壽命長等優(yōu)點。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)顯示與單片機接口時，共陰極或共陽極點連接在一起接地或高電平。每個顯示器的段選線與一個 8 位并行口線對應(yīng)相連，只要在顯示位上的段選線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)計說明書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)開關(guān)量輸入輸出電路設(shè)備在系統(tǒng)中運行時，不僅要檢測現(xiàn)場的各種模擬參量，還應(yīng)檢測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等，以保證監(jiān)控系統(tǒng)正確地發(fā)出操作命令。這些信號通常要由一次元件或系統(tǒng)中其他開關(guān)電器電氣接點的接通、分?jǐn)酄顟B(tài)給出。因此，必須要用相應(yīng)的變換電路把接點狀態(tài)變成與中央控制模塊輸入電平兼容的邏輯信號，才能被接受和處理。此外，由于給出開關(guān)信號的電氣接點一般都處在高壓環(huán)境中，電磁干擾也較強，為了隔離現(xiàn)場高壓，同時避免干擾，在接點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)來傳遞電信號，實現(xiàn)輸入與輸出間的電氣隔離。實現(xiàn)光電隔離所用的器件就是光電耦合器，又稱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性型和開關(guān)型兩種，線性型是……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31指輸出電流與輸入電流的大小成正比；開關(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其閾值。開關(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，發(fā)光二極管因?qū)ǘl(fā)光，通過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，發(fā)光二極管熄滅，光敏三極OUTVINV管截止， 輸出低電平。圖 221 開關(guān)量輸入輸出電路結(jié)構(gòu)示意圖光電耦合器在單片機后向通道中主要用作控制開關(guān)量輸出電路。由于單片機輸出電路和繼電器啟閉電路之間采用光電耦合器，使它們之間無電氣上的聯(lián)系，因此強電的沖擊干擾不會影響到單片機輸出電路。不過，為了徹底隔斷單片機輸出電路和強電回路間的任何電氣聯(lián)系，單片機和繼電器線圈還使用獨立的電源供電。通常，光電隔離器也可用來隔離輸入開關(guān)量和輸入模擬量，以消除輸入回路對單片機的共地干擾。光電隔離器用來隔離輸出開關(guān)量的情況和上述輸出回路的隔離相同，只是把圖 221 中的 輸出端直接和開關(guān)的某輸入端OUTV相接即可。圖 221 是最常用的開關(guān)量輸入電路。該電路不僅完成了接點狀態(tài)到邏輯信號的變換，而且通過光電耦合器 LEC（Light Electric Coupler）實現(xiàn)了電氣隔離。通常，單片微機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)計確定，但必須正確選擇串聯(lián)電阻 的值，以免電流過大而1R湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書32燒毀 LEC 中的發(fā)光二極管；或電流過小，使二次側(cè)的開關(guān)（邏輯）元件不能導(dǎo)通。 的電阻值應(yīng)保證在一次側(cè)二極管中流過規(guī)定電流時，晶體管電流不超過2RLEC 允許的最大二次電流，且能飽和導(dǎo)通。還需要說明的是，經(jīng)過圖 221 處理后的開關(guān)量可以直接與中央處理器輸入接口。至于當(dāng)監(jiān)控單元輸入的開關(guān)量數(shù)目較多，且中央處理器輸入端口數(shù)量不夠時，可在中央控制模塊設(shè)計中為開關(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，由于它所需傳輸線條數(shù)極少，特別適用于分級、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 單片機點對點異步通信的模型，實現(xiàn)兩臺單片機間的點對點異步通信。此時，MCS51 應(yīng)工作在方式 方式 2 或方式 3，兩臺 MCS51 的 TXD、RXD 和 GND 的同名端可直接通過電纜或雙絞線連接起來進(jìn)行的通信，必要時也可外加驅(qū)動器。本方式通常用于兩臺 MCS51 相距小于 米時的情況。②MCS51 和 PC 機之間的通信在控制領(lǐng)域中，單片機常常作為前置機用來對被控對象進(jìn)行參數(shù)檢測和控制，PC 機作為后置機來對單片機進(jìn)行某種管理和控制，因此，PC 機和單片機之間也存在一個數(shù)據(jù)通信問題，這種通信常常是利用 PC 機的 RS232C 串行口和單片機的 UART 串行口實現(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 機和單片機之間的連接還可分為多種形式。