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1、课程设计报告( 2010 - 2011年度第1学期)名 称： 微机原理及应用课程设计 题 目： 基于8501的过负荷控制系统 院 系： 电力工程系 班 级： 农电0701 学生姓名： 指导教师： 设计周数： 两周 成 绩： 日期： 2010年12月24日目录目录2基于8051的过负荷控制系统3设计任务31硬件电路设计31.2 电压形成31.2.1互感器31.2.2电流变换器31.2.3低通滤波31.3.A/D转换31.3.1模拟多路开关31.3.2采样保持电路31.3.3逐次比较式模数转换器件AD574A31.4.单片机8501的最小系统31.4.1单片机8051简介31.4.2振荡和复位电路
2、31.5出口和报警电路31.6显示和键盘31.6.1芯片MC144931.6.2键盘31.6.3键盘和显示电路31.7 EEPROM扩展32软件设计32.1 A/D转换子程序32.2显示子程序32.3 报警和出口子程序33总结3参考文献3基于8051的过负荷控制系统设计任务用一个MCS-51系列单片机8051实现对负荷电流的实时监示。当电流超过一定值时，系统自动的发告警信号，即通知管理人员发生了过载。如果电流值在10秒内还没有返回，就自动出口切断负荷，以保护设备不受电流热效应的危害。 基于8051的过负荷控制系统是一个微型计算机系统，所以应该包含软件系统和硬件系统。1硬件电路设计 硬件系统中又
3、分为：电压形成，模数转换，微机最小系统，键盘与显示，告警及出口，和EEPROM扩充。如图（1）所示。下面就分别予以说明。图（1）功能流程图1.2 电压形成由于单片机不能处理电流信号，所以要把大的电流量先通过互感器转化为小电流信号，然后再把电流量转化成适合单片机处理的电压信号。电压形成回路包括互感器，电流变换器和低通滤波。 1.2.1互感器选LMK1-0.5低压电流互感器。 1.2.2电流变换器电流互感器二次电流数值对微机电路不适用，需要电流变换器将电流值变为幅值在5V以内的电压值，电流变换器的优点是只要铁芯不饱和，则其二次电流及并联电阻上的二次电压的波形可基本保持与一次侧电流波形相同且同相，即
4、它的传变可使原信息不失真。电流变换器的缺点是，在非周期分量的作用下容易饱和，线性度差，动态范围也较小。如图（2）所示，Z是低通滤波及A/D输入端等回路构成的综合阻抗，为电流变换器二次侧并联电阻，其值远小于Z。因此，可得，设计时使图（2）电流变换器1.2.3低通滤波在实际电力系统中运行时，电流中可能会产生高次谐波分量。由乃奎斯特采样定理知道，（为采样频率，f为信号频率）才不会发生频谱混叠。信号频率越高，对硬件的要求越高。再者过高的谐波含量会多CPU的工作造成干扰，影响测量结果的准确性，而且会造成装置的误动作。所以要采取模拟低通滤波，把高次谐波从信号中滤除，只保留多我们有用的工频分量。实际上电流互
5、感器对高频分量已经有了相当大的抑制作用，因此不必对抗频谱混叠的模拟低通滤波器提出很严格的要求，如不一定要求有很陡的过渡带，也不一定要求阻带要有很理想的衰耗特性。最简单的模拟低通滤波器如图（3）所示：其中一种设计为：R=1k，C=0.1uF。图（3）低通滤波器1.3.A/D转换将模拟量转化为数字量，该部分包括模拟多路开关，采样保持和模数转化。1.3.1模拟多路开关A/D器件的转换速率是很快的，往往一个A/D芯片可以承担若干路的模数转化工作。但在同一时刻，一个A/D却只能转换一路模拟量。所以就要用一个模拟多路开关，分不同的时刻将模拟量送到A/D中，供模数转化，实现分时转化各路模拟量的目的。图（4）
6、AD5701管脚图AD7501是8路选通一路的模拟多路开关集成器件，如图（4）所示。三路电压量分别输入到AD7501的,的三个端口。有三根地址线（,）选择将信号输送到OUT，给采样保持器。由于AD7501是八路选通一路,但所用到的信号只有3路，所以把接地。让单片机的,输出信号来控制芯片工作。工作过程如下表所示：EN导通000100110101表（1）AD7501工作真值表1.3.2采样保持电路采样保持电路又称S/H电路，其作用是在一个极短的时间内测量模拟输入量在该时刻的瞬时值，并在模拟-数字转换器进行转换的期间内保持其输出不变。对采样保持电路的要求高质量的采样保持电路应满足以下几点：（1） C
7、h上的电压按一定的精度（如误差小于0.1%）跟踪上usr所需要的最小采样宽度Tc(或称为截获时间)，对快速变化的信号采样时，要求Tc尽量短，以便可以用很窄的采样脉冲，这样才能更准确的反映某一时刻的usr值。（2） 保持时间要长。通常用下降率来表示保持能力。（3） 模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的漏电流要小。上述（1）和（2）两个指标一方面决定所用阻抗变换器的质量，另一方面也和电容器Ch的容量有关。就截获时间来说，希望Ch越小越好，但必须远大于杂散电容；就保持时间来说，Ch大一些更有利。因此设计者应根据使用场合的特点，在二者之间权衡后，选择合适的Ch值，同时，要求选择漏电流小的电容器Ch。
8、不宜用太小的值，因为保持能力随下降而下降。选择方案是取=0.01完全可以忽略，而达到0.1%的采样跟踪精度所需的最小截获时间约为20，仅相当于工频电气角度的度，这是完全允许的。如图（5）为LF398采样保持电路。图（5）采样保持电路LF398采样脉冲由单片机的P1.3口提供。=1时采样，=0时保持。RP用于调节零漂。1.3.3逐次比较式模数转换器件AD574A1.3.3.1逐次逼近法模数转换器的基本原理和过程原理：逐位比较式A/D转换是把待转换的直流模拟电压与一组呈二进制关系的标准电压一位一位由高至低逐位进行比较，决定每位是去码（为0）还是留码（为1），从而实现模拟电压到二进制数码的转换。一般
9、由逻辑控制与定时电路、电压比较器、逐次逼近逻辑寄存器SAR、D/A转换电路和三态输出数据锁存器等组成。过程：1）首先启动转换器开始工作，寄存器全部清零，Uo输出为0。2）定时电路控制逐位比较的节拍，由高到低逐位比较。第一位的比较：置d1=“1”，这时D/A转换电路输出，电压比较器比较输入电压Ui与Uo的大小。若UiUo，则作留码处理，保留d1=“1”，否则作去码处理，使d1=“0”；第二位比较：置d2=“1”，这时D/A转换电路输出，电压比较器比较输入电压Ui与Uo的大小，根据比较结果决定d2是去码还是留码。以此类推直到第n位比较结束。3）输出转换结束信号STS，输出有效的n位二进制数据。1.
10、3.3.2 逐次比较式A/DAD574A是12位逐次逼近型AD转换器。它具有三态缓冲器输出电路，可直接与单片机接口；片内集成有时钟电路，无需外接时钟；典型的转换时间可达25；有10V和20V两档模拟量电压输入端，既可以单极性输入，也可以双极性输入。表（2）是AD574A与8051的接口电路。CE工作状态0XXXX禁止X1XXX禁止100X0启动12位转换100X1启动8位转换101接1脚（+5V）X12位并行输出有效101接15脚（0V）0高8位输出有效101接15脚（0V）1低4位输出有效表（2）AD574逻辑控制真值表分析上表可以得出：当CE=1，=0同时满足时，AD574A才处于工作状态
11、。当其处于工作状态时，=0启动转换，=1进行数据的读写输出。和用来控制转换字长和数据格式，=0启动完整的12位转换，=1启动完整的8位转换。当AD574A处于读数据状态时(=1),与控制数据输出的格式=1，对应12位并行输出。=0则对应8位双字节输出。=0.，高八位输出，=1对应低四位输出。：内部解码网络所需要的参考输入电压；：内部参考电压输出线；：补偿调整线。在和加一个100的电位器，用来调整各量程的增益。用于在模拟量输入为0的时候，把ADC输出的数字量调整到0，即单极性输入时电平应在0附近。在双极性附近时，应在10V附近。如图（6）所示为AD574A与单片机8501的接口电路。CE为使能端
12、，且必须为高电平才能启动AD574A，所以讲它通过与非门与8051的读写控制端子接在一起，只有8051允许读写时，才启动AD574A。STS是AD574A的工作状态指示端。STS=1表示转换器处于转换状态，STS返回低电平时，表示A/D转换完毕。在设计中，我们让8051查询该端的状态来了解AD574A的工作状态。AD574A的工作过程如下：当CE为高电平，为低电平时，AD574A启动转换，此时相应的STS=1。此时8051通过读P3.2的状态得知AD574A处于转换状态，就等待其转换结束。当AD574A转换结束后，AD574A使STS=0，8051查询到这一信息后开始从输入P0口读入数据。由于
13、=0，所以数据要分两次读进8051，由于P0口没有数据=0，首先高八位读入8051。此时P0口的数据状态被74LS273保持住，=1，再从P0口读入低四位数据。完成以后，使74LS373输出口复归，重新使=0，以便启动下一次转换。图（6）AD574A与8051的接口电路。1.4.单片机8501的最小系统1.4.1单片机8051简介一个8位中央处理器；片内震荡器和时钟电路；4K的ROM；256字节的数据存储器；32条I/O线；2个或者3个定时器/计数器；5个中断源，2个中断优先级；全双工串行口。1.4.2振荡和复位电路振荡晶体选6MHz(可在1.2MHz12MHz之间选选)，电容值可在20pF1
14、00pF之间选择，电容值对振荡电路的输出频率的大小，稳定性和起振速度有少许影响，但在60pF70pF时具有较高的稳定性。复位电路中电容C的作用是去耦，消除串入复位端的干扰。该电路为手动复位电路，当，8051出现死机后按复位键8051复位。接高电平+5V表示8051从内部读取程序和数据。如果地址超出了片内的存储器地址时，单片机自动转到外部程序存储器。图（7）8501的最小系统电路1.5出口和报警电路当系统判定电流超过了允许值时就要启动报警，如果电流在规定的时间内还没有返回，系统就要出口跳闸。当系统中判定电流超过定值时，就使P1.3置低电平，那么+5V的电源通过510的上拉电阻使报警回路接通，发光
15、二极管和扬声器得电后发出告警信号，以通知管人员。当电流超过定值一个规定的时间后电流仍未复归，这时使P1.2置低电平，那么此时+5V的电源通过510的下拉电阻使发光二极管导通发光，驱动光敏三极管导通线圈K1得电，辅助触点K1闭合，断路器的跳闸线圈接通，驱动短路器驱动跳闸。加一段延时的作用是：(1)过电流分为瞬时性过电流和永久性过电流，如果是永久性过电流，则需要切除负荷。如果是瞬间的过电流，对电器的危害很小可以不用理睬。（2）如果现场有管理人员，当他得知过电流后赶紧手动停掉了一部分电器，电流复归了，系统能转入正常检测状态。1.6显示和键盘1.6.1芯片MC1449由于MC14499片内具有BCD译
16、码器和串行接口，所以它几乎可以与任何单片机相连。MC14499每次可以接受20位串行数据，20位串行数据提供了4位BCD码和4位小数点选择。这20位数据将保存在MC14499中，可靠的驱动4位LED显示锁存器中的数据字符。MC14499显示接口芯片管脚配置如图（1）所示。片内主要包括一个20位移位寄存器、一个锁存器、一个多路输出器，有多路输出器输出的BCD码经段译码器译码后换成点七段送至段驱动器输出（a、b、c、d、e、f、g）和小数点DP。另外，由片内振荡器经过四分频的信号，经位译码后提供4个位控制信号，经位驱动器条至四位控制线（I、II、III、IV）。芯片的主要控制信号有：D：串行数据输
17、入端。a、b、c、d、e、f、g：七段显示输出。DP：小数点输出：I、II、III、IV：字位选择端。OCS：振荡器外接电容器，外接电容使片内振荡器产生200800Hz扫描信号以防LED显示器闪烁。CLK：时钟输入端，用以提供串行接受的控制时钟。标准时钟频率为250kHz。 ：使能端，为0时MC14499允许接收串行数据输入：为1时，片内的移位寄存器将数据送入到锁存器中锁存。图（8）MC1449 1.6.2键盘当键盘上有键按下，要逐行或逐列的扫描，以断定是那个键按下了。该设计中采用扫描法，在判定有键按下后逐列的置低电平，同时读入列的状态，如果出现该列全1的状态，那么这时0状态的行列交点的键就是
18、所按下的键。目前无论是按键或键盘都是利用机械触点闭合的合断作用。一个电压信号经过触点的闭合和断开状态时会产生抖动现象，抖动的时间长短与机械特性有关。按键的稳定闭合期，由操作人员的动作所确定，一般为十几分之一到几秒的时间。为了保证CPU对键的一次闭合，仅作一次键输入处理，必须去除抖动的影响。该设计中采用软件去抖得方法。在检测到有键按下后加一个10ms的延时程序后再确认键电平是否保持在闭合状态电平，如果保持在闭合电平，则确认为该键为真正的按下状态，从而消除了抖动的影响。图（9）74LS164管脚图管脚功能说明：如图（9）为74LS164管脚图当清除端为低电平时，输出端（Q0Q7）均为低电平。 串行
19、数据输入端（A，B）可控制数据。当 A、B任意一个为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（CP）脉冲上升沿作用下Q0 为低电平。当A、B 有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在CP 上升沿作用下决定Q0 的状态。 引脚功能：CP ：时钟输入端；： 同步清除输入端（低电平有效）；A，B ：串行数据输入端；Q0Q7： 输出端；真值表输入输出CPABQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7LXXXXXLLLLLLHLXXQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7H上升HHHQ1Q2Q3Q4Q5Q6Q7H上升LXLQ2Q3Q4Q5Q6Q7H上升XLLQ2Q3Q4Q5Q6Q7表（3）74LS164真值表1.6.3键盘
20、和显示电路下面来说明该电路的工作状态，如图（10）为显示和键盘接口电路。键盘部分：正常状态P3.4与P3.5应该检测到高电平，当出现低电平后就说明键盘上有键按下了，此时调延时子程序，消除抖动的影响。然后置首列扫描字，一列一列的去检查，看在那一列出现了全1状态，此时便说明该列有键按下。在扫描的过程中没扫描一列就给相应R4数据加1，到扫描结束，读取R4中的数据就是键盘数字。当P3.4检测到低电平时R4从0开始计数，若P3.5检测到低电平则R4从88开始计数。为了确保单片机扫描有限次，所以就进行键号初始化。显示部分：该电路中由8051的串行数据发送端TXD提供时钟信号，串行数据的接收端RXD输出串行
21、数据，P1.4，P1.5，P1.6提供使能信号输出端单片机的串行口工作在移位寄存器输出方式（方式0）。图（10）显示和键盘接口电路1.7 EEPROM扩展为了描述方便我们仅就P1.4口上MC14499来说明。当P1.4为低电平时，MC14499允许数据输入，此时TXD将信号的BCD码送到MC14499中。MC14499经过译码后将数据符号进行显示。当P1.4上的信号变为高电平时MC14499将显示锁存。用P1.4，P1.5,P1.6来选择A,B，C三相的显示。为了消除显示的闪烁现象，加入延时程序，即过2秒钟画面刷新一次。数据存储器EEPROM的扩展，选用2817A，它有3种工作方式，如表（4）
22、：R/输入/输出状态工作方式LLH高阻输出数据读HXX高阻高阻未选中LHLL输入数据字节写入表(4)2817真值表 是片选信号，与8051的P2.7相连，=0时选中该片，=1时，2817A处于低功耗维持方式，此时，数据总线和R/处于高阻状态。R/为2817A的准备好与忙状态输出引脚，与8051的P3.3相连，R/=1，表示2817A处于空闲状态；R/=0,表示 2817A正在进行写入操作。在进行字节写入时，当CPU发出写入命令后，2817A便所存地址、数据和控制信号，从而启动一次写操作。在写入操作期间，R/输出低电平，此时，2817A的数据总线呈高阻状态，因此，允许CPU在此期间执行其他任务。
23、一旦一次字节写入操作完毕，2817A便将R/置为高电平，以此通知CPU可以进行新的读写操作。 与8051的相连，=0时，控制地址线A0-A10指定单元的内容从数据线D7-D0输出。2817A在写入一个字节的数据之前，自动地对将要写入的单元进行擦除，因此，无须进行专门的单元内容擦除的操作。2软件设计2.1 A/D转换子程序START: MOV R1,#20H ;A相A/D结果的高四位存放地址 MOV R0,#7CH ;A/D的口地址，A0=0,=0 MOV R6,#03H ;通道计数器置初值（3个通道）QD: MOVX R0,A ;启动A/DLP: JB P3.3,LP ;等待A/D转换结束 M
24、OV R0,#7DH ;A/D高八位数据口地址，A0=0,=0 MOVX A,R0 ;读取高8位数据 MOV R2，A ;暂存于R2 ANL A,0F0H ;屏蔽低四位 SWAP A ;交换 MOV R1,A ;高四位放在20H MOV R0，#7FH ;低四位地址 MOVX A,R0 ;读取低四位 ANL A,#0FH ;屏蔽高四位 MOV R3，A ;低四位暂存于R3 MOV A,R2 ;取高八位 ANL A,#0FH ;屏蔽高四位 SWAP A ;中四位数据交换到D7D4 INC R1 MOV R1，A ;中4位数据放21H MOV A,R3 ;取低4位数据 XCHD A,R1 ;A和2
25、1H的低4位交换 INC R1 ;为下一路待转化的数据分配存储地址 ACALL PDATA ;调用数据处理程序 DJNZ R6,QD ;检查三路信号是否转化完毕 LJMP START ;如果三路转化完毕，重新启动转化2.2显示子程序DIS： MOV SCON,#00H ；设串行口工作于方式0 MOV ,#DDTA ；A相待显示的字节地址 MOV ,#02H ；显示字节数 CLR ；启动MC14499，=0: MOV A, ；向串行口发送一个显示字节 MOV SBUF,A : JNB TI, ；检查是否将数据发送完毕 CLR TI INC ；指向下一个要显示的字节DJNZ ,SETB ；该字节显
26、示完成，使置1，芯片保持显示结果MOV ,#DDTA ；B相待显示的字节地址 MOV ,#02H ；显示字节数 CLR ；启动MC14499，=0: MOV A, ；向串行口发送一个显示字节 MOV SBUF,A ；: JNB TI, ；检查是否将数据发送完毕 CLR TI INC ；指向下一个要显示的字节DJNZ ,SETB ；该字节显示完成，使置1，芯片保持显示结果MOV ,#DDTA ；B相待显示的字节地址 MOV ,#02H ；待显示的字节数 CLR ；启动MC14499，=0: MOV A, ；向串行口发送一个显示字节 MOV SBUF,A ；: JNB TI, ；检查是否将数据发送
27、完毕 CLR TI INC ；指向下一个要显示的字节DJNZ ,SETB ；该字节显示完成，使置1，芯片保持显示结果ACALL DELAY ；调用延时程序LJMP DISDELAY：MOV R5, #10;MOV R7，#250 D1： MOVR6，#250D2： DJNZR6，D2 DJNZ R7，D1 ； DJNZ R5,D1RET 2.3 报警和出口子程序START：MOV A，71H ；把A相一个周波的有效值给寄存器ACJNE A，72H，BIG ；A相和B相的电流有效值作比较，取大的BIG1： JNC EXE1EXE1: MOV A,72H CJNE A,73H，BIG2 ；A，B两
28、相中较大的与C相比较,取大的BIG2：JNC EXE2EXE2: MOV A,73HMOV 75H,A ；把三相中的最大值存到RAM的75H中 MOVX A，0000H ；从外部中读取定值，并送到A中 CJNE A,75H ；三相中的最大值与定值比较 JC START ；如果比定值小则回到START执行 CLR P1.2 ACALL DELAY MOV A，71H ；启动延时CJNE A，72H，BIG3 BIG3： JNC EXE3EXE3: MOV A,72H CJNE A,73H，BIG2 BIG4：JNC EXE4EXE4: MOV A,73HMOV 75H,A MOVX A，0000
29、H CJNE A,75H JC START CLR P1.3 ；时间到了之后，电流仍大于定值，出口跳闸DELAY：MOV R5, #10MOV R7，#250 D1： MOVR6，#250D2： DJNZR6，D2 DJNZ R7，D1 ； DJNZ R5,D1RET 3总结本次课程设计在本小组的积极参与，通力配合下按期的完成了任务。克服了了许多难关，最终拿出来了设计结果。我们小组的同学一致认为在本次设计中收获不小，主要表现在以下几个方面：（1） 加强了对微机原理和汇编语言的认识。（2） 把课堂上学习的知识运用到了实际的设计中增强了理论联系实际的水平。（3） 在设计过程中检索了大量的文献资料，提升了获取信息的能力。（4） 同时在设计中分工合作，增强了协作能力。最后感谢老师的悉心指导！参考文献【1】 杨奇逊，黄少峰.微型机继电保护基础第三版.中国电力出版社.2007【2】 柳永智，刘晓川。电力系统远动第二版.中国电力出版社.2006【3】 何立民. 单片机应用系统设计.北京航空航天大学出版社.1990【4】 高卫东，辛友顺，韩彦征.51单片机原理与实践. 北京航空航天大学出版社2007【5】 李念强，魏长智，潘建军.数据采集技术与系统设.机械工业出版社.2009
