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1、成绩 南京工程学院课程设计说明书(论文)题 目 基于MCS-51单片机的微机保护装置模拟设计 课 程 名 称 单片机与接口技术 院 系 电力工程学院 专 业 电气工程及其自动化（电网监控）班 级 监控081 学 生 姓 名 学 号 设 计 地 点 工程实践中心8-216 指 导 教 师 设计起止时间：2011年6月13日至2011年6月17日 南京工程学院课程设计任务书 课 程 名 称 单片机与接口技术 院（系、部、中心） 电力工程学院 专 业 电气工程及其自动化(电网监控) 班 级 监控081 起 止 日 期 2011年6月13日 6月17日 指 导 教 师 1课程设计应达到的目的1）掌握M
2、CS-51单片机应用系统的设计方法，掌握ADC0809、8255、8253等芯片的应用和编程方法，做到理论联系实际。2）进一步掌握MCS-51汇编语言程序设计方法。2课程设计题目及要求题目：基于MCS-51单片机的微机保护装置模拟设计具体要求：实现单侧电源辐射型网络三段式或两段式电流保护装置的模拟设计。当被保护线路上发生短路故障时，其主要特征为电流剧增和电压锐减。可装设反映电流升高而动作的电流保护装置以切除短路故障。电流保护主要包括：瞬时电流速断保护（电流I段）、限时电流速断保护（电流II段）和定时限过电流保护（电流III段）。它们之间的区别主要在于按照不同的原则来选择动作电流值，瞬时电流速断
3、保护IdzI是按照躲开下一级线路出口处的最大短路电流来整定，限时电流速断保护IdzII是按照躲开相邻下一级线路瞬时电流速断保护的动作电流整定（动作时限一般为0.5s），而定时限过电流保护IdzIII则是按照躲开线路最大负荷电流来整定（动作时限比下一级线路过电流保护的动作时限高0.5s），一般有IdzIIdzIIIdzIII。瞬时电流速断保护只能保护本级线路的首端部分而不能保护线路全长（有时甚至无保护区）；限时电流速断保护可保护本级线路全长但不能作为相邻下一级线路的后备保护；而定时限过电流保护可保护本级线路和相邻下一级线路的全长，可作为本级线路的近后备保护及相邻下一级线路的远后备保护，但动作时限
4、较长。为保证迅速而有选择地切除故障，常将瞬时电流速断、限时电流速断和定时限过电流保护组合在一起，构成三段式电流保护。具体应用时，可以只采用两段式电流保护：电流I段（作主保护）+电流III段（作后备保护），或电流II段（作主保护）+电流III段（作后备保护）；也可以采用三段式电流保护：电流I段+电流II段作主保护，电流III段作后备保护。一般对于电网末端线路，可以只装带0.5s延时的过电流保护；而对靠近电源处的线路，通常安装三段式电流保护。当线路中的电流I大于某一段电流保护的动作值时，该段保护将启动，并经过相应的动作时限后动作于跳闸。各段电流保护可通过动作时限来获得选择性。本设计为开放型设计，学
5、生首先要确定在辐射型网络中所设计的保护装置的安装地点，再具体配置两段式或三段式电流保护。设计参考：（1）由于星研微机实验装置条件所限，被保护线路电流信号可采用05V电压源代替（1V对应1A）。电流速断保护动作电流可采用2.5V模拟，限时电流速断动作电流可采用2V模拟，过电流保护动作电流可采用1V模拟。模拟电压信号应经过ADC0809进行A/D转换后送入单片机。（2）保护动作于跳闸。保护动作时可跳开继电器，并有相应信号灯亮（用LED模拟），各段保护应各自有相应的信号显示。（3）保护动作时限可采用8253定时器产生。（4）各段保护动作电流和动作时限可同数码管或LCD显示；也可通过键盘输入修改整定值
6、（加强版，选做）。（5）可设计保护拒动情况。若I段保护动作，则其他段应及时返回；若此时I段保护拒动，则其他段（如III段）动作于跳闸。为此应编写开关量输入程序。3课程设计任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等要求预习要求：1） 预习微机原理及接口技术实验指导书中实验仪硬件环境及星研集成环境软件的操作方法。2）预习本任务书，根据设计任务，预先画出电路原理图、程序流程图，编写程序。设计报告要求：1）画出线路保护配置原理图和保护装置电路原理框图（Visio绘制），并阐述系统工作原理。2）绘制程序流程图（Visio绘制）、给出源程序清单。3）调试过程描述和结果说明（可拍摄数码照片）
7、。4）要求用WORD撰写报告，上交打印报告和电子稿（全班刻盘）。4主要参考文献1、 李干林，李升. 微机原理及接口技术实验指导书.北京：北京大学出版社，2010.2、 李升，等.单片机原理与接口技术讲义.南京工程学院，2011.5课程设计进度安排起 止 日 期工 作 内 容6月13日前6月1314日6月15日6月16日6月17日任务布置和基本知识储备，设计原理电路、绘制程序流程图，编写源程序在星研实验装置上调试验收撰写报告带报告答辩6成绩考核办法实验表现占30%，验收答辩占30%，设计报告占40%。教研室审查意见： 同意。教研室主任签字： 鞠阳 2011年6月8日院（系、部、中心）意见：同意。
8、主管领导签字： 李先允 2011年6月8日目录一、方案说明1(1)设计分析1(2)详细设计1(3)功能说明1二、硬件设计2(1)硬件接线图2(2)硬件说明2(3)接线说明3三、软件设计4(1)流程图4(2)程序清单4四、调试现象12五、心得体会15六、参考文献15一、方案说明(1)设计分析被保护线路电流信号可采用05V电压源代替（1V对应1A）。电流速断保护动作电流可采用2.5V模拟，限时电流速断动作电流可采用2V模拟，过电流保护动作电流可采用1V模拟。模拟电压信号应经过ADC0809进行A/D转换后送入单片机。（2）保护动作于跳闸。保护动作时可跳开继电器，并有相应信号灯亮（用LED模拟），各
9、段保护应各自有相应的信号显示。（3）保护动作时限可采用8253定时器产生，用方式3通过2倍延时动作时间来利用下降沿中断。（4）各段保护动作电流和动作时限可同数码管显示；（5）可设计保护拒动情况。若I段保护动作，则其他段应及时返回；若此时I段保护拒动，则其他段（如III段）动作于跳闸。为此应编写开关量输入程序。(2)详细设计本设计确定辐射型网络中所设计的保护装置的安装地点在靠近电源侧，有I、II、III段组成。将05V电压经A/D转换后送入单片机，经过对输入量大小的判断进行对应操作。由P1.0口判断A/D转换器是否转换完成，通过对数字量#7FH、#65H、#33H(2.5V转换后对应#07FH，
10、2V转换后对应#65H，1V转换后对应#33H)的判断进行对应I段，II段，III的操作。P1.1口控制I段动作指示灯，P1.2控制II段动作指示灯，P1.3控制III段动作指示灯，P1.4检测I段是否正常动作，P1.5检测II段是否正常动作，P1.6控制继电器的断开与闭合，P1.7检测当前继电器状态。数码管显示由8255的PA和PB口控制显示，II段和III段的延时由8253的T0和T1计时，通过方式3的下降沿对单片机进行中断，用于跳开继电器。(3)功能说明系统正常运行时，数码管不显示，继电器闭合，无指示灯亮。当满足I段条件时，则立即跳开继电器，有数码管显示故障并有相应指示灯提示。当满足II
11、段条件时，则立即有数码管显示，经过0.5s之后跳开继电器，并有相应指示灯提示。当满足III段条件时，则立即有数码管显示，经过1s之后跳开继电器，并有相应指示灯提示。继电器跳开后经过按键进行手动合闸，并且合闸成功后，通过按键在将二次侧的指示灯熄灭。二、硬件设计(1)硬件接线图(2)硬件说明在正常工作时，由于F1处的LIGHT接CLOSE2为常闭，COM2接GND灯正常亮，当出现故障时，继电器跳开，COM2与CLOSE2 断开灯灭。在满足I段电流时，经检测到电流过大则立即跳开继电器，并且显示数码管和二次侧指示灯；在II段和III段跳开继电器需要延时，因此单片机采用外部中断，单片机需要下降沿或者低电
12、平才能触发中断，而装置只能通过138译码器产生一个反相，故不能使用方式0，因此采用方式3 ，由于需要产生0.5s和1s的延时，因此需要8253工作在方式3时的计时为1s和2s。此外由于方式3具有GATE为低电平时停止计数，而再次恢复为高电平时从计数初值开始计数，因此可以是每次故障都能计时准确。在测量到电流满足II段和III段时，先通过8255的PA和PB口控制数码管显示故障提示，在通过控制8253的GATE0或者GATE1使计时开始，因此将8255的PC口低四位设为输出，并将PC1和PC0接到GATE1和GATE0用于控制8253计时。在故障跳开继电器后，通过按键重合闸，而P1口已经全部使用，
13、因此将8255PC口高4位设为输入方式，用以检测按键输入。(3)接线说明A3:CS1,A2,A1,A0-G4:CS,ADDC,ADDB,ADDAA3:CS2,A1,A0,INT0,INT1-C5:CS,A1,A0,OUT0,OUT1A3:CS3,A1,A0-B4:CS,A1,A0A3:P1.0-G4:EOCA3:P1.1,P1.2,P1,3,P1.4,P1.5-G6:LED1,LED2,LED3,LED2,LED3A3:P1.6-E3:CTRL,B4:PC5A3:P1.7-G6:K8A3:INT0-C5:OUT0E3:COM2-C1:GNDE3:CLOSE2-F1:LIGHTG4:IN0-D2
14、G4:CLK-B2:500KC5:CLK0,CLK1-B2:31250C5:GATE0,GATE1-B4:PC0,PC1B4:PA,PB-G5:C,BB4: PC5-G6:K6三、软件设计(1)流程图(2)程序清单IN0_ADEQU0FFF8HT0_8253EQU0EFFCHT1_8253 EQU0EFFDHCON_8253 EQU0EFFFHPA_8255EQU0DFFCHPB_8255EQU0DFFDHPC_8255EQU0DFFEHCON_8255EQU0DFFFHORG 0000HLJMP MAINORG 0003HLJMP INT_0ORG0013HLJMP INT_1ORG0100
15、H;*;初始化8255,8253，开中断;*MAIN:MOV SP,#30HMOVDPTR,#CON_8253;T0采用方式3，先写低8位再写高8位，二进制写入MOV A,#00110110BMOVXDPTR,AMOVDPTR,#T0_8253MOV A,#24H;7A24H化为十进制为31250，表示计时1sMOVXDPTR,AMOVA,#7AHMOVXDPTR,AMOVDPTR,#CON_8253 ;T1采用方式3，先写低8位再写高8位，二进制写入MOVA,#01110110BMOVXDPTR,AMOVDPTR,#T1_8253MOVA,#24HMOVXDPTR,A;F424H化为十进制为
16、62500，表示计时2sMOVA,#0F4HMOVXDPTR,A MOVDPTR,#CON_8255;8255方式0，PA,PB,PC低4位为输出,PC高四位为输入MOVA,#10001000BMOVXDPTR,AMOVDPTR,#PC_8255MOVA,#11111100BMOVXDPTR,ASETBEA;开外部中断，SETBEX0SETBEX1SETBIT0SETBIT1MOVB,#00HMOVR3,#00H;R3为0表示I段正常，为0表示I段未动作,II段，III段正在延时动作CHECK:JBP1.7,CHECK2;P1.7按键，按键为1表示未按下，无手动合闸MOVDPTR,#PC_82
17、55;PC6接P1.6，先判断当前继电器是否跳开MOVXA,DPTR ;PC6为0表示继电器跳开，可以重合闸ANLA,#01000000B;PC6为1表示继电器闭合，无需重合闸JNZCHECKSETBP1.6;闭合继电器AJMPCHECKCHECK2:MOVDPTR,#PC_8255MOVXA,DPTRANLA,#01000000BJNZCHECK5;判断当前继电器状态，A为1表示闭合，A为0表示断开;*;继电器跳开数码管显示;其中B为04H表示I段，为02H表示II段;为01H表示III段;*MOVA,#04HANLA,BJZPRT2LCALLPRINT1AJMPCHECKPRT2:MOVA
18、,#02HANLA,BJZPRT3LCALLPRINT2AJMPCHECKPRT3:LCALLPRINT3AJMPCHECKCHECK5:MOVR2,#04HCHECK3:MOVA,#00HMOVDPTR,#IN0_ADMOVXDPTR,A ;AD转换启动;*;等待AD转换完成，读入非电压变化量;*CHECK0:JBP1.0,STARTLJMPCHECK0START:MOVDPTR,#IN0_ADMOVXA,DPTRPUSHACCLCALLDELAYDJNZR2,CHECK3POPACCMOVR2,#03HCHECK4:MOVR4,APOPACCXRLA,R4 ;表示读入若连续两个不同则重新读
19、入JNZCHECK5MOVA,R4DJNZR2,CHECK4CJNEA,#7FH,FIRST ;判断此时电流值FIRST:JCSECOND;*;I段故障;*CLRP1.1 ;指示灯亮MOVDPTR,#PC_8255MOVXA,DPTRANLA,#01000000B;判断当前继电器状态JZFIRST1CLRP1.6MOVB,#04HFIRST1:MOVA,R3 ;R3为1表示此时II段和III段保护已经在延时中JNZFIRSTT ;为0表示，II段和III段保护未启动MOVDPTR,#PC_8255 ;启动II段和III段MOVA,#11111111BMOVXDPTR,AMOVR3,#01HFI
20、RSTT:JBP1.4,EXIT1 ;P1.4为I段动作结果，为1表示未动作,不停止延时动作SETBP1.2SETBP1.3MOVA,#0FCH;使GATE0，GATE1为低电平，停止延时MOVXDPTR,AMOVR3,#00H;*;显示I段故障;*EXIT1:MOVR1,#0FFHFIR:ACALLPRINT1DJNZR1,FIRLJMPEXITSECOND:CJNEA,#65H,SECOND1SECOND1:JC THIRD;*;II段故障;*MOVDPTR,#PC_8255 ;启动II段和III段延时MOVA,#11111111BMOVXDPTR,ASETBP1.1MOVB,#02HJB
21、P1.5,SECOND2 ;P1.5接II段动作指示灯，为1表示继电器未动作SETBP1.3 ;P1.5为0表示继电器动作，停止III段计时;*; 显示II段故障;*SECOND2:MOVR1,#0FFHSEC:LCALLPRINT2DJNZR1,SECLJMPEXITTHIRD:CJNEA,#33H,THIRD1THIRD1:JC EXIT3;*; III段故障;*MOVDPTR,#PC_8255 ;启动计时器MOVA,#11111110BMOVXDPTR,AMOVB,#01HSETBP1.1SETBP1.2;*; 显示III段故障;*MOVR1,#0FFHTH:LCALLPRINT3DJN
22、ZR1,THAJMPEXITEXIT3:MOVDPTR,#PC_8255MOVXA,DPTRANLA,#00100000BJNZEXIT ;PC5接指示灯按键为0手动合闸后恢复故障指示灯SETBP1.1 SETBP1.2SETBP1.3EXIT:LJMPCHECK;*; II段跳开继电器中断;*INT_0:PUSH ACCPUSHDPLPUSHDPHCLRP1.2MOVDPTR,#PC_8255 ;判断继电器状态MOVXA,DPTRANLA,#01000000BJZINT_01CLRP1.6INT_01:JBP1.5,INTT0 ;P1.5为1表示II段保护未正常启动MOVDPTR,#PC_8
23、255;停止III段保护MOVA,#11110000BMOVXDPTR,ASETBP1.3AJMPEXITINT0INTT0:MOVDPTR,#PC_8255;不停止III段保护MOVA,#11110010BMOVXDPTR,AEXITINT0:POPDPHPOP DPLPOP ACCRETI;*; III段跳开继电器中断;*INT_1:PUSHACCPUSHDPLPUSHDPHMOVA,R6PUSHACCMOVDPTR,#PC_8255 ;停止计时MOVA,#11110000BMOVXDPTR,ACLRP1.3MOVDPTR,#PC_8255 ;判断继电器状态MOVXA,DPTRANLA,#
24、01000000BJZEXITINT1CLRP1.6EXITINT1:POPACCMOVR6,ACCPOPDPHPOPDPLPOPACCRETI;*; 显示I段故障子程序;*PRINT1:MOVR6,#06HMOVA,#00HL1:PUSHACCMOVDPTR,#PRINTMOVCA,A+DPTRMOVDPTR,#PA_8255MOVX DPTR,APOPACCPUSHACCMOVDPTR,#IFAULTMOVCA,A+DPTRMOVDPTR,#PB_8255MOVXDPTR,AACALLDELAY10MSPOPACCINCADJNZR6,L1MOVDPTR,#PA_8255MOVA,#0FF
25、HMOVXDPTR,ARET;*; 显示II段故障子程序;*PRINT2:MOVR6,#06HMOVA,#00HL3:PUSHACCMOVDPTR,#PRINTMOVCA,A+DPTRMOVDPTR,#PA_8255MOVX DPTR,APOP ACCPUSHACCMOVDPTR,#IIFAULTMOVCA,A+DPTRMOVDPTR,#PB_8255MOVXDPTR,AACALLDELAY10MSPOP ACCINC ADJNZR6,L3MOVDPTR,#PA_8255MOVA,#0FFHMOVXDPTR,ARET;*; 显示III段故障子程序;*PRINT3:MOVR6,#06HMOVA,
26、#00HL5:PUSHACCMOVDPTR,#PRINTMOVCA,A+DPTRMOVDPTR,#PA_8255MOVX DPTR,APOP ACCPUSHACCMOVDPTR,#IIIFAULTMOVCA,A+DPTRMOVDPTR,#PB_8255MOVXDPTR,AACALLDELAY10MSPOP ACCINC ADJNZR6,L5MOVDPTR,#PA_8255MOVA,#0FFHMOVXDPTR,ARETDELAY10MS:PUSHACCMOVR0,#0FFHDL1:DJNZR0,DL1POP ACCRETDELAY:MOVR0,#0FFHLOOP1:NOPNOPNOPDJNZR0
27、,LOOP1RETIFAULT:DB06H,0DBH,6DH,0BFH,3FH,3FHIIFAULT: DB5BH,0DBH,3FH,0BFH,6DH,3FHIIIFAULT:DB4FH,86H,3FH,86H,3FH,3FHPRINT:DB 7FH,0DFH,0EFH,0FBH,0FDH,0FEHEND四、调试现象(1)正常工作(2)I段保护启动(3)II段保护启动(4)III段保护启动(5)继电器跳开后五、心得体会通过本次课程设计，使我以前在课本上学到的知识得到了巩固，并且注意了很多以前上课时的没有注意到的细节，例如在MOV A ,#PA_8255之前一直以为没有前面的#，在ROM中的内容经常使用MOVX等等，经过编写代码，调试程序发现了自己大量的错误，而且经过本次课程设计使我对单片机与8255A，8253等芯片的连接有了进一步的认识。此外，这次课程设计更是给了我一次全面复习课本的知识的机会让我更加牢固的掌握了单片机的知识。六、参考文献1、 李干林，李升. 微机原理及接口技术实验指导书.北京：北京大学出版社，2010.2、 李升，等.单片机原理与接口技术讲义.南京工程学院，2011.
