《斷路器動作時間測試系統(tǒng)設計》13000字（論文）

斷路器動作時間測試系統(tǒng)設計目錄TOC\o"1-2"\h\u10203摘要 130283第1章緒論 2251531.1斷路器的背景及研究意義 210271.2測試方法的發(fā)展 2275211.3斷路器動作時間的重要性 355421.4課題設計的功能指標 424709第2章測試方法及系統(tǒng)總體設計 588192.1斷路器的特性 5147802.2總體方案設計 5201182.3斷路器動作時間測試方法 727160第3章硬件電路系統(tǒng)的設計 827673.1總體電路設計與元器件的選擇 827283.2A/D轉換模塊設計 16292013.3繼電器模塊設計 1782333.4顯示屏模塊設計 18238983.5單片機電路模塊設計 1812811第4章軟件系統(tǒng)的設計 21100094.1主程序設計的流程圖 21263034.2顯示程序設計的流程圖 228912第5章系統(tǒng)調試 23141475.1調試方法 23130265.2測試方法 2372445.3測試結果 23301195.4結論 2327005參考文獻 24摘要由于我國經濟的高速發(fā)展和社會的不斷進步，生活，工業(yè)等用電需求急劇增長，在這樣的社會需求背景下，國家電網不斷擴大建設規(guī)模，電網系統(tǒng)由高壓斷路器等核心部分構成，高壓斷路器的運作狀態(tài)對于整個電網系統(tǒng)的安全運行和供電質量影響頗大，所以根據(jù)上述情況，我們要加大力度對高壓斷路器進行管理，并且我們要隨時對高壓斷路器的使用情況以及發(fā)展狀況采取細致的分析，進而讓高壓斷路器的安全運行有質的提高。高壓斷路器也被叫做高壓開關，其本身的兩種主要功能是有效的滅弧功能與開斷不正常情況電路的能力，高壓斷路器能夠開斷或者閉合電路中的負載電流和空載電流，當在電力系統(tǒng)運行過程中電網系統(tǒng)突然出現(xiàn)故障，高壓電路器能夠最大程度防止事故的擴大，縮小故障造成的停電范圍，其通過自動裝置、保護裝置的配合高效安全的將故障電流截流，因此高壓斷路器對電網系統(tǒng)的安全運行有相當重要的作用。

關鍵詞：高壓斷路器；高壓開關；運行安全；減少故障第1章緒論1.1斷路器的背景及研究意義進入二十一世紀以來，我國各行各業(yè)發(fā)展十分迅速，工業(yè)產值成倍增長，人口增長并且生活質量顯著提高，與此同時，人民對電力的安全和質量也提高了。因此，為了防止電力供應的短缺，我國加大了對電網的投資擴大了電網的建設規(guī)模。在增加電網密度和供電量的同時安全輸電也是相當重要的，在任何時候都是安全第一，高壓斷路器在電力系統(tǒng)的保衛(wèi)安全中起著至關重要的作用[1]，因此整個電網系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和供電質量與高壓電路器有很緊密的聯(lián)系關系。在高低壓電力系統(tǒng)中斷路器都是一個不可或缺的重要角色，它的實用性對我們用戶來說有很大的幫助。在低壓配電系統(tǒng)規(guī)劃中，斷路器能夠及時躲掉故障能夠使危害降到最小。在低壓配電系統(tǒng)中使用的斷路器通常為低壓斷路器[2]，低壓斷路器與高壓斷路器類似，兩者之間所能承受的電壓等級、各自的滅弧能力、絕緣要求不一樣。低壓斷路器也能開合正?；蛘哌^負荷電流，以及開合短路電流，在電力系統(tǒng)中通常起控制和保護的作用[3]。檢驗斷路器的好壞其中一項就是斷路器的動作時間，斷路器動作時間過長將會導致電弧燃燒時間過長，甚至引起斷路器動作失效，不能及時止損，擴大范圍。因此斷路器的動作時間直接影響到了電力系統(tǒng)的安全，以及其降低危害的能力。本課題畢業(yè)設計就是找到準確方便測試斷路器動作時間的方法，防止老化的、不合格的以及故障的斷路器對電力系統(tǒng)的安全造成威脅[4]。斷路器的作用是保護供配電系統(tǒng)，當電網系統(tǒng)運行出現(xiàn)故障時，斷路器就開始工作，它會自動切除故障點最近的故障，但是電網中的其他斷路器不工作，所以斷路器能最大限度的降低電網故障帶來的損失，因為斷路器只會切除最近的故障，所以其他的電路運行不會受其影響[5]，所以斷路器對于安全供電有極大的作用。1.2測試方法的發(fā)展據(jù)網上搜索和資料查閱，了解到國外在對斷路器的監(jiān)測以及生產中積累了豐富的經驗和方法，促使國外的斷路器的監(jiān)測技術越來越成熟。相對于我國，由于我國目前在某些領域還沒有發(fā)展到世界前列，在自主研發(fā)生產的斷路器以及監(jiān)測裝置在很多方面都存在一定的問題，導致我國斷路器的在線監(jiān)測技術發(fā)展較為緩慢[6]。雖然最近幾年國內外先后研發(fā)出的斷路器機械特性檢測儀，但仍然有許多問題不能解決。目前各廠家都在盡力研發(fā)軟件功能齊全、適用范圍廣、抗干擾能力強、精度高、造價低的設備。在之前比較普遍的斷路器測試方法是利用電磁感應原理進行測試，首先要測量出斷路器兩端點接地的動作時間，當場測試接線。測試前要將斷路器，電纜，電網還有開關連接起來并是他們導通，是否導通的依據(jù)是由斷路器的分合閘來決定的[7]。試驗中，信號發(fā)生器用于發(fā)出交流信號，當其中的通流體閉合時，將會在線圈中產生與之呼應的感應電流；若其通流體斷開的時候，其電流采樣器中就采集不到相應的感應電流，帶鐵心的電磁感應模型其中的通電線圈是電流采樣器[8]。斷路器分合閘時刻相對于感應電流出現(xiàn)和消失時刻，可從其測量得出。在試驗中，鉗形電流傳感器比較普遍，實驗采樣線圈中的感應電流只在斷路器閉合狀態(tài)時才能檢測到，然而當分閘時候，實驗是檢測不到電流的。下一步為了得到實驗想要測量出的波形，實驗中必須對感應電流進行高速采樣濾波。一旦當電流波形成，就代表觸頭導通，但是當波形突然消失時，就代表觸頭斷開[9]。目前常用的測試方法有電秒表或周波計數(shù)器測量，通過開關的分合閘帶來的電氣的信號變化，來測量動作時間。雖然電秒表測試動作時間過程簡單，但電秒表本身具有啟動時間以及電源開關不同步，測量結果分散性大，誤差較大[10]。傳統(tǒng)測試方法較為繁瑣，所用的儀器較多，每一步的操作不能出現(xiàn)錯誤，給測量帶來不便。1.3斷路器動作時間的重要性就傳統(tǒng)和目前的測試方法來說，其方法有的測試不夠準確，有的需要儀器太多，步驟太為繁瑣，現(xiàn)在需要更為準確和簡便的方法，能夠及時簡便的測試出斷路器動作時間，及早檢測出斷路器性能的優(yōu)劣，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定做出貢獻。斷路器在電力系統(tǒng)中充當著保衛(wèi)者的身份，當電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，需要斷路器能夠安全、可靠、迅速、靈敏的切除故障，其中斷路器的速動性也是至關重要的[11]。在本課題畢業(yè)設計中我們測試其出動作時間，從而可以判斷出其性能的優(yōu)劣以及該斷路器是否還能繼續(xù)使用。如果斷路器本身動作時間過長甚至不動作，不對其進行檢修，仍讓其工作，當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，很可能會引起不能及時切除故障而造成人員的傷亡，甚至引起重要地區(qū)（一級負荷）電力系統(tǒng)崩潰，會對國民生產經濟、國防軍事造成威脅，造成社會的恐慌。因此，測試斷路器的動作時間不僅僅對于電力系統(tǒng)會有影響，可能還會產生更嚴重的影響，測試斷路器的動作時間是非常有必要的[12]。1.4課題設計的功能指標本課題研究內容是對斷路器現(xiàn)狀和測量斷路器分合閘時間方法的闡述和研究。其系統(tǒng)包括繼電器，單片機，A/D轉換芯片，顯示屏，晶振開關，PNP三極管，信號發(fā)生器等器件。此次設計完善了斷路器動作時間測試系統(tǒng)，并讓系統(tǒng)時間測量更為精確地在顯示屏上顯示出來。本設計的斷路器動作時間測試系統(tǒng)是利用單片機來實現(xiàn)C語言的編程從而來實現(xiàn)動作時間的精確計時。利用繼電器模擬斷路器的動作。其中A/D模塊通過通信線和供電線接到單片機上，顯示屏通過供電線和數(shù)據(jù)總線接到單片機上，通過信號發(fā)生器發(fā)出脈沖模擬分閘命令，控制斷路器分閘，實現(xiàn)對斷路器進行分閘時間的測試，并讓其分閘的時間在顯示屏上顯示出來。

第2章測試方法及系統(tǒng)總體設計2.1斷路器的特性斷路器就是能夠用來關閉合閘，輸送和開斷正常導通的的電流并且能夠開斷在某段時間內承載不正常導通電路內電流的開斷裝置。行業(yè)內一般根據(jù)電網的高低將斷路器區(qū)分為高壓和低壓斷路器兩種，高壓低壓的劃分界限并不精確，但是業(yè)內一般將大于3kV的電器的叫作高壓電器[13]。斷路器可以分配電能，當個異步電機正常工作的時候，斷路器的保護作用很全面，其不僅能保護供電的電源還包括對線路還有電動機也起到保護作用，但是當發(fā)生意外情況時候，例如電路處于過負荷狀態(tài)或者短路狀態(tài)，以及當電路處于欠壓狀態(tài)時，斷路器就會自動斷開也就是分閘，換句話說，斷路器的工作特性綜合了熔斷式開關、過欠熱繼電器[14]。斷路器的另一個好處是，當它工作分斷非正常電流后我們不需要變更零件。斷路器作為當今電氣電子領域相當重要的一個元器件在業(yè)內得到了廣泛的應用。2.2總體方案設計考慮到220V電壓過高會損害元器件，做實物相對來說比較困難，并且不安全，甚至會引起小范圍正常供電，為周邊以及人身安全考慮，所以我打算用0到5V的低電壓來模擬測試，通過Proteus里面的繼電器代替斷路器進行仿真。以下是對于此次課題畢業(yè)設計的想法。方案一：當測量值大于某個值時候表示短路產生，需要斷路器動作，當測量值恢復時，測量斷路器從開始動作至此的時間則為斷路器動作時間。所以設計只需測試時間就行。方案二：信號發(fā)生器發(fā)出脈沖當做斷路器的分閘命令，當接收到分閘命令開始計時，直到與之相關的電壓信號消失，計時結束，為斷路器動作時間。如今電氣檢測技術越來越先進了，在許多的電氣檢測與控制中單片機應用越來越廣泛，可對傳統(tǒng)測試斷路器動作時間進行改進。利用單片機接收并傳達信號發(fā)生器下達的脈沖信號，該脈沖信號相當于分閘命令。利用A/D轉換器一直采集繼電器未動作前的接地電阻電壓。當命令下達，就會開始計時，單片機的一個特定控制引腳會出現(xiàn)電平變化，該引腳連接到PNP三極管的基極，發(fā)射極接電源，從而控制發(fā)射極與集電極的通斷。當基極為低電平時，三極管的發(fā)射極與集電極就會導通，集電極接地，繼電器開始吸合處于另一側的繼電器刀閘。繼電器的吸合動作，相當于斷路器的分閘動作。當繼電器發(fā)生動作，A/D轉換器一直采集的接地電阻上的電壓信號就會發(fā)生變化，該電壓信號由A/D轉換器轉換成數(shù)據(jù)信號傳輸給單片機的接收引腳，單片機根據(jù)該引腳的狀態(tài)從而停止計時。所測試的時間將Proteus中顯示屏顯示出來。相比于傳統(tǒng)的示波器檢測，其觸頭接地電阻電壓信號記錄簡便又準確，減小了人工處理波形數(shù)據(jù)而產生的誤差。該試驗方案簡單可行，該裝置性價比比較高，對于本課題設計容易實現(xiàn)?？傮w方案設計框圖如圖1所示。圖1整體方案框圖因此選擇方案二，根據(jù)觸點電平變化情況判斷觸點動作狀態(tài)。信號發(fā)生器發(fā)出脈沖當做斷路器的分閘命令，當接收到分閘命令開始計時，當電平由高變?yōu)榈蜁r立即停止計時，此時可以讀出計時器的計時，此時間即為相應的分閘時間，同理可以得到繼電器的釋放時間。2.3斷路器動作時間測試方法在本課題中使用的測試方法是利用單片機的中斷功能測試其動作時間。在仿真軟件Proteus中利用繼電器模擬斷路器，利用信號發(fā)生器發(fā)出的方波模擬分閘命令，用單片機接收下達分閘命令，從而控制繼電器的動作。通過測試與繼電器動作與否有直接關系的電壓信號，可通過繼電器不動作之前的一側接一個大小為1K的接地電阻，測試其接地電阻的電壓信號用以判斷觸頭是否動作。測試其分閘時間，就是指從信號發(fā)生器發(fā)出分閘命令到觸頭動作的時間間隔。正常時，刀閘向左閉合，接地電阻電壓信號為高電平；當信號發(fā)生器發(fā)出的分閘命令下達，利用單片機的定時器開始計時。當PNP三極管發(fā)射極與集電極導通，刀閘向右閉合，接地電阻上的電壓信號消失，就代表觸頭斷開代表斷路器分閘，這時再利用單片機的中斷功能停止計時。測試時間間隔使用單片機定時器中斷功能計時，使該課題設計測試結果更為準確。第3章硬件電路系統(tǒng)的設計3.1總體電路設計與元器件的選擇本課題設計的測試方法已經確定，整體電路設計圖如圖2所示。圖2整體電路設計圖主要元器件選擇：STC89C52RC單片機，A/D轉換器，顯示屏，繼電器3.1.1單片機的選擇單片機的材料由半導體硅片組成，由基本組成有CPU和存儲器，其基本組成相當于微型計算機，目前普遍應用于測控領域。同時還有其他功能，在本課題設計中應用到了其定時器和中斷系統(tǒng)功能[15]。（1）目前市面上能買到的最通用的單片機由以下部件構成，其中“心臟”是中央處理器他是單片機最重要的部件之一、另外有存儲量為4KB的只讀存儲器ROM、還有存儲量為128B的主存RAM、還包括兩個十六位定時或計數(shù)器、除此之外還有四個八位并行口、全雙工串口行口、ADC/DAC數(shù)字模擬轉換器、SPI串行外設接口、I2C串行總線、ISP圖像信號處理器、IAP。（2）單片機有許多優(yōu)點，第一單片機的系統(tǒng)構造簡單，第二當人使用起來時非常的便捷，第三使用者可以很輕松的實現(xiàn)模塊化操作；（3）單片機有很強的穩(wěn)定性和持續(xù)性，經過實驗檢驗單片機可以連續(xù)運行10^6~10^7小時；（4）單片機的執(zhí)行速度較快同時對數(shù)據(jù)處理能力較強。（5）單片機的適配電壓低，所用能耗也低，所以很容易生產出小巧易搬運的產品（6）單片機有很強的控制功能（7）單片機可以適應多種極端的實驗環(huán)境單片機是美國和日本人1971年發(fā)明的，總體上可將其分為三個發(fā)展階段，即SCM、MCU、SoC，在單片機剛誕生時候SCM單片機只有四位或者八位。但是在初期階段INTEL的8031因為性能優(yōu)越成為當時最成功的單片機但是隨著需求質量和性能的提升人們將8031經過提升發(fā)明了MCS51系列MCU系統(tǒng)。以MCU系統(tǒng)為基礎的單片機系統(tǒng)沿用至今。但是隨著科技的發(fā)展，當前單片機的性能已經不能滿足工業(yè)控制領域的需求了，所以科研人員只能研發(fā)更加先進的16位單片機，但是缺點是這種單片機價格高昂，性能并沒有線性的提高所以到目前為止還沒有普及應用。時間轉向90年代，九十年代是電子產品高速發(fā)展創(chuàng)新的十年，所以在巨大需求量的背景下，單片機在那十年得到了飛速的發(fā)展。INTELi960系列就是那時候的產物后來又有了ARM系列但是由于后者的性能更加優(yōu)越所以得到了市場的認可，由此，32位單片機因為其強大的性價比一舉擊破16位單片機并鞏固了其的的高端地位，并且在控制領域得到廣泛使用。但是傳統(tǒng)的8位單片機仍然在市面上流通，但是通過調教和改良它的處理能力已經比八十年代第一代的八位單片機提高百倍以上，現(xiàn)在市面上普通的型號的單片機出廠價已經不足一美金，而最高端的單片機也降到了十美金左右。初始階段在單片機發(fā)展的最早階段即SCM“單片微型計算機”階段，那個時期我們的主要目的是能夠實現(xiàn)單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)完成最理想的結構體系?？蒲腥藛T創(chuàng)新式的搭建了這一結構并獲得成功，這為SCM單片機與電腦完全不同的發(fā)展道路奠定了基礎。Intel公司為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展做出了開創(chuàng)式的貢獻，早期的芯片如圖3所示。圖3PIC13F8720芯片中期階段在SCM階段嵌入式系統(tǒng)的成功搭建后，為了滿足人們嵌入式應用的需求，MCU即“微控制器”誕生了，它通過與外部的電路和接口的無縫對接，實現(xiàn)了智能化的控制能力。由于MCU單片機的功能領域都和系統(tǒng)對象相關，因此只有電氣電子公司才有能力和職責去開發(fā)MCU。在這樣的技術背景下，Intel公司退出了歷史舞臺。Philips公司接過INTEL公司的重棒對MCU的發(fā)展上做出了巨大的貢獻。可以說單片機嵌入式應用方面的推廣者是Philips公司，其將MCS單片機發(fā)展到SCM微控制器系統(tǒng)。因此，在單片機嵌入式應用的發(fā)展歷史中，Intel公司和Philips公司是具有里程碑式的貢獻的。當前趨勢隨著控制領域的發(fā)展以及社會需求的變化，SCM單片機已經不能滿足時代的發(fā)展，SoC嵌入式登上了歷史舞臺，由MCU階段和SCM階段過渡發(fā)展，旨在通過芯片幫助系統(tǒng)解決最大的問題，因此，控制化專用單片機向SOC單片機方向發(fā)展。隨著微型電子計算機技術、集成電路設計、電子設計自動化工具的發(fā)展，SoC單片機的開發(fā)系統(tǒng)由此迅速發(fā)展。本次課題中的畢業(yè)設計使用的是STC89C52RC單片機，STC89C52RC由\t"/item/STC89C52/_blank"STC公司開發(fā)，它具有低功耗、高性能的優(yōu)勢，并且是CMOS八位微控制器，STC89C52RC的存儲量很大，最大存儲量達到了8K字節(jié)。STC89C52的內核很經典是MCS-51型芯片，但是開發(fā)人員對STC89C52RC進行了重新的設計和改造，通過新的設計和改造STC89C52RC芯片增加了許多新的功能。STC89C52RC的芯片升級最為明顯，它可以通過直接編程存儲程序，而且它還擁有八位的中央處理器，硬件上比上一代提升不少，由于升級改造后的STC89C52單片機有了更大的優(yōu)勢，所以極大的方便了嵌入式控制系統(tǒng)的運行。STC89C52RC的參數(shù)如下所示：其可以存儲大約8k字節(jié)的Flash，RAM的存儲量有512字節(jié)，I/O口線32位，STC89C52RC包含的EEPROM，MAX810復位電路為4KB，另外包括三個十六位位\t"/item/STC89C52/_blank"定時器/計數(shù)器，四個外部中斷，一個七向量四級中斷結構，全雙工\t"/item/STC89C52/_blank"串行口。STC89C52有很多的優(yōu)勢其中一個優(yōu)勢是可以將靜態(tài)邏輯降至0Hz操作，第二個優(yōu)勢是使用者可以選擇兩種軟件來切換到省電模式。在STC89C52RC處于空閑模式時候，中央處理器工作停止，但是RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷等保持不斷的運行。當斷電時候，開啟保護模式所有的數(shù)據(jù)被保存在磁盤上，RAM中存儲的內容被保存，振蕩器被凍結，單片機停止當下的運行，當下一個中斷或硬件復位開始時結束。STC89C52RC的最高運作頻率為35MHz。STC89C52引腳圖、原理圖，如圖4所示：圖4STC89C52單片機引腳圖STC89C52單片機引腳具體介紹如下：（1）STC89C52的主電源有兩根引腳VCC是40號引腳也可以用字符Pin40表示，VCC可以連接電源為單片機供電我們一般接+5V電源來實現(xiàn)供電GND是20號引腳也可以用字符Pin20表示，GND其實是接地線（2）STC89C52單片機有兩根外接晶振引腳他們分別為：XTAL1是19號引腳也可以用字符Pin19來表示，XTAL1是片內振蕩電路的輸入端XTAL2是20號引腳也可以用字符Pin20來表示，XTAL2是片內振蕩電路的輸出端（3）STC89C52單片機有4根控制引腳RST/VPP是9號引腳也可以用字符Pin9來表示，RST/VPP是復位引腳，復位原理是利用2個機器周期的高電平來使單片機復位。ALE/PROG是30號引腳也可以用字符Pin30來表示，ALE/PROG是地址鎖存允許信號的意思PSEN是29號引腳也可以用字符Pin29來表示，PSEN是外部存儲器讀選通信號的意思EA/VPP是31號引腳也可以用字符Pin31來表示：程序存儲器的內外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令，如果接高電平則從內部程序存儲器讀指令。（4）STC89C52單片機有三十二根可編程的輸入或者輸出的引腳STC89C52單片機的構造包含四個八位的可以用來編程的I/O口，這四個I/O口我們用P0、P1、P2、P3來表示，這四個I/每個又各自有八根引腳共，所以STC89C52單片機一共有32根引腳。3.1.2A/D轉換器的選擇該課題畢業(yè)設計中除了單片機，最重要的就是模數(shù)轉換器，模數(shù)轉換器的作用是將模擬量轉換成二進制數(shù)值，模擬量定義為將標準量經過比較處理后得到的量，然后下一步需要把模擬量轉換成以二進制數(shù)值表示的離散信號，所以有時把模數(shù)轉換器又稱為ADC或者A/D轉換器。從標準量轉換成數(shù)據(jù)量很容易形成誤差，所以精度是模數(shù)轉換器需要解決的最大問題，人們在試驗中一般根據(jù)模數(shù)轉換器輸出的數(shù)字信號的位數(shù)來計數(shù)。判斷模數(shù)轉換器優(yōu)劣的另一個指標就是顯示數(shù)字信號位數(shù)的多少，數(shù)字信號的數(shù)量越多就代表該模數(shù)轉換器有越強的能力分辨信號[16]，換言之就表明該ADC性能越強。模數(shù)轉換由四個分過程聯(lián)合完成第一步是采樣第二步是保持第三步是量化第四步是編碼。但是實際上這四個過程并不是獨立按順序完成的，比如采樣和保持被合并實現(xiàn)，量化和編碼也在同時是現(xiàn)的。模數(shù)轉換其實就是將模擬量轉換成數(shù)字量的過程，這種轉換在自控領域又被稱為A/D轉換，理所當然實現(xiàn)模數(shù)轉換的電子元器件也被稱為A/D轉換器，或者在業(yè)內稱它為ADC[17]。在實現(xiàn)模數(shù)轉換的時候，理論上先是由模擬信號通過傳感器轉換成電信號，第二步則需要通過被放大然后被接入AD轉換器最終轉換為數(shù)字量，這一步驟的處理由數(shù)字電路完成，緊接著ＤＡ轉換器需要還原成模擬量，最終來驅動執(zhí)行部件。由于對試驗對于結果的準確性有較高的要求，使用的時候必須保證AD轉換器和DA轉換器有足夠的轉換精度。另外，實際實驗中控制和檢測的速度可能很快，所以轉換速度對AD轉換器和DA轉換器來說也是至關重要的。因此，可以總結出轉換精度和轉換速度這兩點是衡量AD轉換器和DA轉換器性能優(yōu)劣最重要的兩個標志[18]。當實驗中，A/D轉換器在把模擬量轉換成數(shù)字量的時候會經過兩個過程，叫做量化和編碼。量化是模數(shù)轉換的第一步驟，它的原理是先把模擬信號量程拆分成一些離散的量級，當模擬信號拆分完成后，就能精確定位試驗所輸入的信號符合哪個量級的要求。編碼是模數(shù)轉換的第二步驟，它的原理是先在量化的基礎上把模擬信號所分割成的離散量級對應分配屬于他們特定的數(shù)字碼，當數(shù)字碼被精確分配到每一個離散量級上后，使用者接下來要做的就是將與輸入信號所屬的代碼對照無誤。在模數(shù)轉換過程中，我們常用到的是二進制碼，因為二進制只有０和１兩個數(shù)，所以理所當然就有2的n次方個量級,我們將得到的量級按順序依次排列。在試驗中技術人員發(fā)現(xiàn)了很多方法來實現(xiàn)模擬量和數(shù)字量的轉換，我們普遍使用的第一種方法是直接法，這種方法不需要經過任何轉換就能實現(xiàn)，直接完成電壓和數(shù)字量之間的轉換。完成電壓和模擬量直接轉換的電壓其實是一套基準電壓，A/D轉換器將電壓從高到低依次排列然后將其與被測電壓多次進行對較，比較使得電壓和被測電壓的數(shù)值幾乎一樣才停止。控制邏輯的作用是能夠控制對分的搜索，這種比較方法類似于用天平去稱重量。第一步先讓二進制的最高位的Dn-1=1，第二步再進行模數(shù)轉換，轉換后會得到整個通路一半數(shù)值大小的電壓VS，接下來需要將VS與電路的輸入電壓Vin比較大小，然后會得到兩種情況，第一種是Vin>VS,那么我們要保留這一位，第二種情況是Vin<Vs，那么得到等式Dn-1=0。接下來令Dn-2=1,我們把這個結果和上一次得到的結果放一起再通過一次數(shù)模轉換，得到新的結果后，拿它再與Vin相比較,需要不斷的循環(huán)這一操作，除非當D0=1才停止，下一步再將這個結果和Vin比大小,和上面的方法一樣，依舊是用過Vin是否大于VS來決定是否保留一位。在通過了無數(shù)次的轉換和比較之后，這無數(shù)位寄存器的狀態(tài)即為轉換后的數(shù)據(jù)。這種直接法有利有弊，優(yōu)點是轉換的精確性很強，但是缺點是容易被干擾，其實也有方法來抑制這個缺點，那就是換用高性能的數(shù)據(jù)放大器。目前普遍使用的第二種方法叫做間接法，與直接法不同的是，這不是直接通過電壓和數(shù)字的直接轉換來得到數(shù)據(jù)的，而是多了一個步驟，就是用一個中間量作為電壓和數(shù)字連接的橋梁，一般通過電壓和中間量的轉換得到一值，然后再把這個數(shù)字轉換成我們最終要得到的數(shù)據(jù)。如果選擇模數(shù)轉換器會參考許多的參數(shù)，第一需要考慮輸入電平，第二還要再考慮輸出的形式，第三控制性質和其所需要的速度也是很重要的考慮依據(jù)，最后，為了得到的數(shù)據(jù)較為理想，分辨率還有精度也尤為重要。老式的模數(shù)轉換器一般用分立式的元器件制，但是現(xiàn)如今自控領域發(fā)展很快，集成電路已經成為新的發(fā)展趨勢，ADC被越做越小，越做越精致，現(xiàn)在直接被集成為一個很小的電子元器件。本次課題畢業(yè)設計中選擇的是PCF8591型號的數(shù)據(jù)采集器，其具有的優(yōu)點是功率低能耗小，而且只需要一個電源就能實現(xiàn)供電，它是一個八位的CMOS數(shù)據(jù)采集器件，實驗中可以通過四個端口模擬輸入信號，另外PCF8591有1個模擬輸出端，而PCF8591能夠實現(xiàn)通信依靠的是串行I2C總線接口。如圖5所示是PCF8591數(shù)據(jù)采集器的原理圖。圖5數(shù)據(jù)采集器PCF8591原理圖 在圖上能看到原理圖上的1234四個引腳，這4個引腳其實是采集器的四路模擬輸入端，右邊的567三個引腳是采集器的引腳是總線的硬件地址，引腳八代表數(shù)字接地用字符GND表示，九號引腳是I2C總線的SDA十號引腳是總線的SCL。十二號引腳代表時鐘的選擇引腳，時鐘可以接入任意高低電壓，但是高電平只能接入外部時鐘，低電平只能接入內部時鐘，本次課題畢業(yè)設計選擇的是內部時鐘，因為選擇了低電平接入內部時鐘，所以需要用十二號引腳接地，但是要保證十一號引腳懸空。當在電路設計時，由于可能會有較為繁瑣的電路，所以需要注意布局，尤其是AGND部分，而且對于與GND的連接上其實還有很多的選擇可以參考。由于課題畢業(yè)設計較為簡單，因此可以直接把AGND和GND同時接在一起。在圖中使用的十四號引腳代表的是基準源，十五號引腳代表的是DAC的模擬輸出量，十六號引腳就是平常最為熟悉的電源VCC。PCF8591的ADC是逐次逼近型的，轉換速率算是中速，但是它的速度瓶頸在I2C通信上。由于I2C通信速度較慢，所以最終的PCF8591的轉換速度，直接取決于I2C的通信速率。由于I2C速度的限制，所以PCF8591得算是個低速的AD和DA的集成，主要應用在一些轉換速度要求不高，希望成本較低的場合，比如電池供電設備，測量電池的供電電壓，電壓低于某一個值，報警提示更換電池等類似場合。一般情況下Vref基準電壓有兩種供壓方式。第一種方法原理很簡單，只需要直接連接VCC，但是由于VCC會受到整個線路的用電功耗情況影響，一來不是準確的5V，實測大多在4.8V左右，二來隨著整個系統(tǒng)負載情況的變化會產生波動，所以只能用在簡易的、對精度要求不高的場合。由于在課題中是使用Proteus仿真進行的設計，所使用的的電源就是準確的電源。第二種方法較為復雜，需要使用專門的基準電壓器件來測量，比如TL431，它可以提供一個精度很高的2.5V的電壓基準，這是目前通常采用的方法。3.1.3繼電器繼電器(relay)

屬于電控制器件，通常應用于自動化的控制電路中，當受到的輸入量達到了規(guī)范的量，該器件就會發(fā)生一定的動作，從而輸出量發(fā)生變化。也可以說其相當于輸入回路與輸出回路的橋梁。繼電器有很多種類，不同的繼電器受到不同類型的輸入量的影響，可能受到電流、光、壓力、電壓、溫度、功率等不同類型輸入量的影響，繼電器有相應的感應機構。繼電器也算是一種自動開關，其可以用小電流電路控制大電流電路工作。其在電路中起著轉換電路、自動調節(jié)、安全保護等作用。在本課題中，所用的是仿真軟件Proteus中的繼電器，如圖所示，正常時開關刀片與左連接相當于閉合，有外界分閘命令信號時開關刀片向右連接相當于斷開。在本課題中利用該元件受外部信號控制開合的特性代替斷路器，測試其收到分閘命令到一側與其相連的接地電阻電壓信號消失（觸頭斷開）的時間。3.1.4顯示器本課題仿真系統(tǒng)中用到了單片機，點陣字符型液晶顯示器也經常與單片機搭配使用，因此用顯示屏顯示出分閘時間。由于LCD顯示屏面板較為脆弱，生產廠家將其各組成部分用PCB連接了起來，向單片機內寫出程序表達相應的命令和數(shù)據(jù)再傳輸?shù)絃CD顯示模塊就可以顯示指定的內容。LCD1602是最常見的字符型液晶顯示模塊。在仿真軟件Proteus選擇器件中搜索并選擇LM016L即可。兩者工作原理完全一樣。LCD1602內部具有字符庫ROM（CGROM），能顯示出192個字符（5×7點陣）。其顯示出的數(shù)字和字母的代碼，恰好是ASCII碼表中的編碼。單片機控制LCD1602顯示字符時，只需要將待顯示的字符 ASCII碼寫入內部的顯示數(shù)據(jù)RAM（DDRAM），所需的字符就會通過內部控制電路顯示出來。模塊內除有80字節(jié)的顯示數(shù)據(jù)RAM外，使用者還可以由64字節(jié)的自定義字符RAM（CGRAM）自行定義8個5×7點陣字符。LCD1602的工作電壓為4.5~5.5V，典型工作電壓為5V，工作電流為2mA，它分為標準的14引腳（無背光）與16引腳（有背光）兩種，Proteus中LM016L沒有這兩個引腳，仿真里面不需要有無背光的選擇。其主要引腳包括8條數(shù)據(jù)線、3條控制線和3條電源線，要使LCD1602顯示字符，首先要把控制器設置成初始化狀態(tài)，還必須對有無光標、光標的移動方向、光標是否閃爍及字符移動的方向等進行設置，才能獲得所需的顯示效果。關于LCD1600的狀態(tài)和功能設置、顯示數(shù)據(jù)的指針設置等都是通過單片機向模塊寫入命令和數(shù)據(jù)，就可以選擇其顯示的方式和內容。3.2A/D轉換模塊設計該設計中用到的元器件有PCF8591T芯片，此模塊實現(xiàn)了A/D轉換。該模塊在仿真中如圖6所示。圖6A/D轉換模塊VREF腳接電源；由于SCL、SDA這兩個引腳接的單片機的P2端口，單片機內部含有電阻，所以不用接上拉電阻，SCL、SDA與P20、P21引腳連接用于兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸；12、13號引腳接地；5、6、7

這3個引腳端地址接地；8號引腳接地；1、2、3、4引腳作為4個模擬量輸入引腳，讓AIN0引腳接電阻R1的AIN0端口，AIN0將電壓信號轉換為模擬信號輸入，由于本課題判斷繼電器是否斷開是接地電阻R1上的電壓信號的有無，用不到其他模擬量輸入，所以讓可其他三個模擬量輸入引腳保持懸空。15引腳是D/A輸出端，在本次課題畢業(yè)設計中沒有用到，也讓其保持懸空。3.3繼電器模塊設計在仿真設計中用到了繼電器代替斷路器動作，在設計中通過單片機來接收分閘命令，然后控制P22引腳的狀態(tài)，從而控制繼電器的動作。繼電器模塊設計如圖7所示。圖7繼電器模塊信號發(fā)生器輸出的方波信號連接到單片機上P2口上的P2.4引腳用于下達分閘命令信號，由于PNP型三極管的E端發(fā)射極接的高電平，一直保持的高電位，正常時，單片機的P22口也是高電平，E端與C端之間不導通；當單片機收到分閘命令，計時開始，我們使P22口變?yōu)榈碗娖?，當P22口變?yōu)榈碗娖胶?，E端和C端，也就是發(fā)射極和集電極之間導通，這樣繼電器開始工作，相當于分閘，開關從左邊打到右邊，R1電阻上的電壓信號也就由高電平信號變?yōu)榈碗娖叫盘枺嫊r結束。3.4顯示屏模塊設計仿真系統(tǒng)用到的元器件為LM016L，其工作原理與顯示屏LCD1602完全一樣，該器件起顯示出分閘時間的作用。1腳VSS接地；2腳接5V邏輯電源；3腳VEE通過滑動變阻器接地，用來調節(jié)顯示屏的亮度；4腳RS接單片機P35引腳，用于寄存器選擇，對于讀寫狀態(tài)/命令或者讀寫數(shù)據(jù)有不同的設置；5腳RW接單片機P36腳，用來控制讀寫的操作命令。7到14引腳是數(shù)據(jù)總線，與單片機數(shù)據(jù)總線P1口8個引腳連接，用于與單片機數(shù)據(jù)交換。通過控制單片機P34、P35、P36這三個引腳置“1”或清零，可實現(xiàn)LCD1602的讀寫操作控制。顯示一個字符的操作過程為“讀狀態(tài)、寫命令、寫數(shù)據(jù)、自動顯示”。在仿真中連接狀態(tài)如圖8所示。圖8顯示模塊3.5單片機電路模塊設計如圖9中所示是STC89C52單片機的接線圖，其中用到的有STC89C52單片機，電容，電阻，晶振片，復位開關，RST引腳連接復位電路；18、19引腳連接晶振電路；31引腳保持高電平，可讓其懸空或者接高電平，當外部程序的存儲器訪問允許控制端；P10-P17口接顯示屏的數(shù)據(jù)總線，用于兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸。圖9STC89C52單片機接線圖在本次課題設計中，使用到了單片機，時鐘電路相當于單片機的“心臟”，要想使單片機能夠正常工作，就必須有正常工作的時鐘電路。時鐘電路模塊如圖10所示。圖10時鐘電路模塊此次設計使用了時鐘電路的內部時鐘方式，XTALl和XTAL2兩個時鐘引腳讓單片機與晶振電路相連接，當連接外部的晶振電路時，需要連接兩個22PF的電容和一個12MHz的晶振，這兩個負載電容的作用是把電能轉化為了其他樣式的能量，不能隨意互換。REST端口是單片機的復位端口，一般有兩種方式讓單片機系統(tǒng)復位，第一種是上電自動復位，第二種是手動按鍵復位。復位電路模塊如圖11所示。圖11復位電路模塊第一種上電復位的原理是：一旦在單片機通以電源后，復位端口會立即自動完成復位操作；第二種手動復位顧名思義不能自動完成復位，因此必須借助外部接入的電容和電阻來完成復位操作。本次課題設計采用手動按鍵復位方式來實現(xiàn)，但是與晶振電容相比，更需要采用電解電容，電解電容大小為10μf，電阻則選取了常用電阻，為圖中R4，大小為10K。電路就會實現(xiàn)復位，這就是復位電路。

第4章軟件系統(tǒng)的設計4.1主程序設計的流程圖本次課題設計的主程序流程圖如圖12所示。圖12主程序設計的流程圖在課題設計開始時要先給電路兩端加以某一數(shù)值的脈沖信號，電路中不斷采集脈沖信號，當單片機采集到高電平脈沖下發(fā)的分閘命令，計時開始，開啟定時器中斷，其中關鍵的一環(huán)是何時計時停止并顯示出來動作時間多少。A/D轉換器一直采集接地電阻上的電壓信號并傳給單片機，一旦檢測到A/D轉換器采集到低電平信號，會有返回值0，接下來停止計時，也就是關閉中斷，然后把測試到的時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)降斤@示屏，顯示屏再顯示出來。4.2顯示程序設計的流程圖在課題中使用到了顯示模塊，要通過單片機對顯示屏LCD1602進行控制需要一定的步驟，如圖13所示。圖13顯示程序流程圖首先要知道顯示屏的狀態(tài)是否允許對其進行寫命令，如果程序中設置的標志位為1，是不允許的狀態(tài)，則一直讀狀態(tài)等待；如果檢測到該標志位為0，是允許的狀態(tài)，則插入寫命令的函數(shù)。當進行了寫命令這一步驟后，將本課題中想要顯示出的字符通過ASCII碼寫入顯示屏中的顯示數(shù)據(jù)RAM里。最后當數(shù)據(jù)寫到顯示屏模塊后，其控制器將會自動識別出字符庫ROM中的字型點陣數(shù)據(jù)，送到液晶顯示屏上顯示出來。第5章系統(tǒng)調試5.1調試方法在本課題設計過程中，遇到了顯示屏會亮，但一直無法顯示出所計時的時間的問題。本課題設計中控制什么時間停止計時的是AIN0引腳，也就是繼電器未動作前一側接地電阻上的電壓信號，猜想是A/D轉換模塊引腳接收出現(xiàn)了問題。應該測試AIN0引腳的電平，觀察其電平信號是否發(fā)生變化。檢查PCF8591的通信線是否正確地與單片機相連接。最后再檢查A/D轉換模塊程序是否正確。5.2測試方法（1）測試環(huán)境：仿真軟件Proteus中（2）測試儀器：VOLTAGE探針（3）測試方案：在仿真軟件中先讓模擬分閘命令的信號發(fā)生器不參與仿真，即沒有分閘命令，再用仿真軟件里面的探針模式里面的VOLTAGE探針連接AIN0，然后進行仿真，查看該引腳的電壓為多少；再讓信號發(fā)生器參與信號發(fā)生器的仿真，利用VOLTAGE探針測試繼電器刀閘動作后該引腳的電壓為多少。再檢查A/D轉換器PCF8591的SDA與SCL兩個引腳是否與單片機相連接。5.3測試結果兩次電壓信號不一樣，即AINO引腳沒有問題。PCF8591的通信線也與單片機正確連接，電路連接沒有錯誤。檢查A/D轉換模塊程序，檢查到中斷停止計時發(fā)生了一個小錯誤，當繼電器動作后，AIN0腳返回的值應該為0,結束計時，在程序中寫成了動作后返回值為1，導致一直無法停止計時。5.4結論本課題畢業(yè)設計方案是基于單片機與A/D轉換器進行的，相比于傳統(tǒng)的示波器檢測，利用單片機接收到A/D轉換器傳輸?shù)降臄?shù)據(jù)，能夠檢測觸頭接地電阻電壓變化，由于該點電平要么