基于单片机的智能开关研制本科毕业论文

摘 要

电力开关作为连接元件在电力电子系统中使用十分广泛，传统开关一般采用机械元件实现电路的分合，在操作过程中易产生电弧和冲击电流。而智能开关是结合电力电子技术和微机技术的一种新型开关，能够通过自动检测，实现电源监控和系统保护的功能。

本文将介绍以AVR高性能8位单片机Atmega8为控制核心，传感器和电力电子元件相结合的智能开关的硬件组成及工作原理。并且详细介绍如何实现交流吸合直流维持，如何通过交流电压和电流信号采集，计算出交流电压和电流的有效值、电网频率、周期、相位角、功率因数、视在功率、有功功率和无功功率等全部的电力参数。通过软件编程实现了对开关的智能控制，能够采取相应的过流、欠压、过热、漏电等保护措施。

在本设计中，除了在子机上也设置了由键盘组合和液晶显示模块组成的人机交互接口以便在现场进行调试和参数的设定，还配有RS-485通信接口，可与上位计算机机通信，实现电源的集中监控、集中管理。

最后还提出应用智能开关技术还有待进一步研究的问题。

关键词：智能开关 单片机 传感器

Inventing Intelligence Switch Base on Single-chip Microcomputer

Abstract

Switching power as connectivity components in power electronic systems used very widely, Switches generally use the traditional mechanical components to achieve the division circuit, in the course of operating easily arc and hit Current. Intelligent Switch combines the power electronics and computer technology as a new type of switch, through automatic detection, Implementation Supervisory and system protection functions.

This article introduces a high-performance 8 AVR

microcontroller Atmega8 to control the core, sensors and power electronics components combining the intelligent switch hardware and operating principle. And how detailed pull-AC DC maintained through the AC voltage and current signals collection, calculated AC voltage and current RMS, power frequency, periodicity, phase angle, power factor, apparent power, active and reactive power of the electricity and all other parameters. Through software programming of the smart switch control to take corresponding flow, undervoltage, overheating, leakage protection measures.

In this design, the sub-machine is provided by a combination which consisting of keyboard and LCD module for debugging and setting parameter at the scene. In addition, there is a RS-485 communication interface ,so we can use the computer to centralized management and monitoring the power by this system .

At last ,this text list some problem which the intelligent application switching technology still requires further study. Keywords : intelligent switches, single-chip microcomputer, sensors

目 录

第一章 绪论 .................................................... 1

1.1 智能开关研制的目的和意义 ................................ 1 1.2 智能开关研制的发展状况 .................................. 1 第二章 智能开关硬件设计 ........................................ 3

2.1 智能开关硬件结构 ........................................ 3 2.2 5V电源设计 ............................................. 3 2.3 交流吸合直流维持 ........................................ 4 2.4 电压、电流的采集 ........................................ 5 2.5 采样信号保持 ............................................ 8 2.6 三相电压不平衡判断 ..................................... 10 2.7 电网参数的测量 ......................................... 10 2.8 温度测量 ............................................... 13 2.9 过电压保护 ............................................. 14 2.10 漏电保护 .............................................. 15 第三章 人机交互接口设计 ....................................... 16

3.1 键盘的设计 ............................................. 16 3.2 LCD显示 ............................................... 17 第四章 数据通信设计 ........................................... 19

4.1 数据通信系统的硬件设计 ................................. 19 4.2 数据通信系统的软件设计 ................................. 21 4.3 数据通信中的差错控制技术 ............................... 27 4.4 RS-485数据通信系统的维护 .............................. 28 第五章 软件设计 ............................................... 30

5.1 软件程序的组成 ......................................... 30 5.2 软件程序设计 ........................................... 31 5.3 抗干扰 ................................................. 33 第六章 常用器件介绍 ........................................... 37

6.1 ATmega8的体系结构与主要性能特点........................ 37 6.2 DVDI-001型卧式穿芯小型精密交流电压电流互感器 ........... 38

6.3 数字温度传感器DS18B20介绍 ............................. 40 第七章 结论 ................................................... 43 参考文献 ...................................................... 44 致 谢 ........................................................ 46

第一章 绪论

1.1 智能开关研制的目的和意义

电力系统关系到国计民生，电力工业是重要的产业部门之一，在国民经济中具有举足轻重的作用，它为现代工业、现代农业、现代科学技术和现代国防提供必不可少的动力，它和我们的日常生活息息相关。电力工业的发展必须优先于其他工业部门的发展，整个国民经济才能不断前进。开关作为人机接口和信号检测的重要元件，在电子和电气各领域得到越来越广泛的应用，品种也发展的越来越多。

目前使用的开关大多数采用拔插式结构，在大电流工作的场合，接触电阻是不容忽视的，一旦接触不良，将造成插头处压降增大，发热量增大，加速接插件表面的氧化，进而使接触效果更差，这种恶性循环最终导致插头处烧损。国外的开关使用寿命要长一些，主要是机械加工精度高，接触电阻较小。但是它也还是不能避免接插件表面的氧化。开关的发展除了提高自身的各种性能，还要能够满足电力系统自动化水平发展的要求。因此，从某种程度上说，微机芯片的利用程度体现一个国家工业控制的自动化水平，所以开关也要实现微机控制。

智能开关的应用有如下作用和意义：

（1）减小对传动元件的机械冲击，消除开关动作过程中的不良影响，提高开关和其他设备的使用寿命；

（2）在开关中，采用标准的、开放式的现场总线，将具有通讯能力的开关器件与之相连接（或通过接口单元），能够与上位机（主站）进行数据通讯，实现开关的集中监控、集中管理；

（3）实现开关的各种故障判断和保护，提高设备自动化水平； （4）具有节能作用。

1.2 智能开关研制的发展状况

在我国，对微机技术和电力电子技术在电力系统中的应用是在70年代末期开始的，由于继电保护和励磁的要求，这两项技术一直发展十分迅速，应用范围也越来越广。随着微机技术和电力电子技术的发展，对开关智能化

的研究也越来越多。在开关中使用微机芯片控制技术和电力电子元器件，一方面可以减少其选择开关数量，简化硬件电路，很多功能依靠程序实现。另一方面，一些先进的保护，分断技术以及设备的软启动控制技术等也要依靠微机芯片来完成，同时，采用微机技术可对开关设备故障前的状态进行记忆。

近年来计算机技术及微电子器件在各方面中应用十分广泛，在此基础上发展起来的智能仪器无论是在测量的准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度、运用功能方面或在解决测量技术问题的深度及广度方面都有了巨大的发展，在高准确度、高性能、多功能的仪器中已经很少不采用微计算机的了。这类仪器中含有微处理器、单片计算机或体积很小的微型机，它的功能丰富又很灵巧。开关作为连接和信号检测的重要元件在电力系统中使用十分广泛，对电力系统的稳定性和电能质量都有很大的影响。

智能开关正是单片机、传感器和电力电子开关的结合，在电力系统中应用智能开关技术，不仅可以提高电力系统设备的使用寿命，而且能够减少各种设备动作对电网的冲击，提高电力系统的稳定性，同时能够一定程度的节约电能。而且采用微机控制实现智能化管理，可提高电力系统的自动化水平。

由此可见，智能开关有着明显的优越性，在智能电器元件的基础上，研制和开发智能开关具有显而易见的意义，在电力系统中应用智能开关技术具有十分光明的前景。

第二章 智能开关硬件设计

2.1 智能开关硬件结构

本智能开关是以Atmega8单片机作为中央控制单元，Atmega8单片机在预先编制好的指令（即软件程序）的驱动下，控制整个硬件电路工作，完成系统各项功能。具有当地无线通讯口，能对下位机进行控制；同时也具备远程数据接口。键盘用于修改和设定定值，电压上下限、电流上限值等；LCD用于显示定值及各种运行状态。单片机获得电压、电流、相位角值后进行分析计算出功率因数、三相不平衡参数等，判断是否正常，进而控制开关的闭合与关断。智能开关的硬件结构框图如图2－1所示。

图2－1 智能开关硬件结构框图

本智能开关可用于单相（220V）和三相（380V）交流电源，适用于额定电流为18A以上的电路，因此，把该智能开关与接触器相联合起使用，使接触器在应用系统中具有带检测和保护的功能，使接触器运行更加可靠、更加稳定和节能。

2.2 5V电源设计

该系统单片机和数字温度传感器需+5V直流稳压电源，产生该电压的电路原理图如图2-2所示，先利用变压器对220V的交流电降压，然后把变压器次级输出9V的交流电压由整流桥作全波整流，经电容滤波以及稳压芯片7805即可得到所需的电压。

图2-2 电源设计原理图

2.3 交流吸合直流维持

交流接触器能够节电运行的基本原理是采用交流吸合、直流维持的运行方式。交流接触器工作时，电磁系统消耗的有功功率中，铁芯损耗和短路环损耗占绝大部分，而线圈铜损仅占3-5%，改用交流吸合、直流维持的运行方式后，铁芯损耗和短路环损耗几乎为零，只需很小维持电流，就足以使接触器稳定地处于闭合状态，从而大大节约了电能，做到无声运行，提高了可靠性。对交流接触器进行实验测试所得的数据如表2-1所示，由该表也可明显看出对交流接触器采用交流吸合直流维持具有显著的节能效果。

表2-1 交流接触器的各种动作电压

吸合 维持 电路如图2-3所示：

交流电 220V 160V 直流电 —— 90V 要实现接触器交流吸合直流维持就必须有一个电压的切换电路，该切换

图2-3电压切换电路

当单片机PA1引脚输出高电平，PA2引脚输出低电平时，常开触点KM1和常闭触点KM2都闭合，电源电压直接加到接触器绕组上，常开触点KM闭合，3秒钟后PA1引脚和PA2引脚都输出低电平，常开触点KM1断开，常闭触点KM2和常开触点KM继续闭合，电源经二极管整流继续加到接触器绕组上。此后，在交流电的正半周期时二极管VD道通，实现整流作用，接触器KM始终保持在吸合状态，从而实现了交流接触器交流启动直流运行的节电工作状态。图中电容C0可以起到滤波的作用，可避免继电器在直流电压较低时发生抖动，当PA2引脚输出高电平时，常闭触点KM2和常开触点KM断开，接触器停止工作，该电路简单实用、运行可靠，适合所有采用交流接触器的电力线路，节电效果明显，同时还能延长交流接触器的寿命。

2.4 电压、电流的采集

三相交流电压和电流的测量均采用三个DVDI-001型卧式穿芯小型精密交流电压电流通用互感器，输出交流信号，经过整流电路，再送给A/D转换器采集，最后送给单片机进行计算。

在本设计中，采用AVR单片机的片内逐次逼进模数转换器。ATmega8L有一个10位的逐次逼近型ADC。ADC与一个6通道的模拟多路复用器连接，通过分时复用的方式，能对来自端口A 的6 路单端输入电压逐个进行采样。其转换结果为：

（2-1）

式中，VIN表示被选中的引脚输入电压；

VREF为参考电压。

使用AVR的ADC需要注意：ADC的分辨范围在以GND为基准的0 V到参考电压的范围内。以使用片内的2.56 V参考电压为例，ADC的分辨范围在0 V与2.56 V之间。因此在进行模数转换前，必须要对电网交流信号加以处理。

要获得精确的测量结果，采样频率的选择很重要。如果采样频率选择得过高，即采样间隔小，则每个周期里采样点数过多，造成数据存储量过大和计算时间太长；但如果采样频率过低，会给有效值的近似计算带来误差。综合对电力参数的采集的精度及单片机的处理速度，对工频为50Hz的信号每周期等间隔采集32个采样点。

由于AVR的ADC对采集信号的要求，进行交流采集前需要对电压及电流

信号加以整形。将具有正负半波的交流信号整形为全部信号均大于“0”。

电压电流检测电路设计，电路中的电流和电压值的采集均用DVDI-001型卧式穿芯小型精密交流电压电流通用互感器，为保证精度，不能用电阻法直接获得采集电压，而是用运算放大器等来完成电流、电压信号的获取，并将其转换成0-6V的直流电压。由于直接使用单片机内部的A/D转换器，因此，必须在运放的输出口再接两个电阻，将其变为0-5V的输出，再将其分别送至单片机的A/D转换通道。

（1）DVDI-001型互感器作电压互感器使用时，实际上是一种电流型电压互感器，典型应用电路如图2-4所示。按图2-4所示电路应用是性能参数如下表2-2所示。

图2-4 电压互感器典型应用电路

表2-2 DVDI-001作电压互感器使用时性能参数表

线输入电压 输出电压 相移 非线 性度 性 范围 2倍 1000Vac 1/2倍IC电源电压 0.1% 额定 在本设计中，电压采样电路如图2-5所示：

6mA/6mA 3kV 额定电流 耐压

图2-5 电压采集电路

图2-5中仅画出对相电压进行采样，对相电压和的电路原理也是一样的，图中就此省略。对相电压进行采样时，DVDI-001的输入端直接到三相交流电源的220V相电压上。因为DVDI-001匝数比为1:1，额定电流为6mA/6mA，所以使用时必须在互感器的原边初级回路串接电阻和，所接电阻的计算值为：

R1?R2?1Vin1220V(?170?)?(?170?)?36.497k?26mA26mA，

取其标准值39，公式中为初级线圈电阻。IC为通用运算放大器OP470，运放正负输入端电阻R3、R4为配对的一般电阻，最好取值一致，一般取值为5到10之间，则电阻值。的作用是通过调节其阻值大小得到所需的输出电压。的作用是对输出信号的相移作补偿，在工频下，的经验值为0.01-0.03311，如满足于的相移，则可在经验值范围内，取适当的固定电容值。由于取的标准值与计算值之间有一定的差异，因此会引起输出电压的改变，因此在元件选定后，可先通过调节得到所要的输出电压值，再调使相移满足要求。

（2）用DVDI-001用做电流互感器使用时，用户只要在预留的孔内穿一匝母线。将两个线圈按同名端串联起来使用（即：2、3相接，1、4作输出），变化比为3000：1。典型应用电路如图2-6所示，性能参数如下表2-3所示。

表2-3 DVDI-001作电流互感器使用时性能参数表

额定输入电流

额定输出电流 额定采样电压 相移 非线 性度 线性范围 耐压

18A 6mA 1/2倍Ic电源电压 0.1% 2倍额定 6kV

图2-6 电流互感器典型应用电路

图2-7电路仅对线电流采样，对线电流和采样也是同一原理。图中，的取值方法与在电压采集电路所介绍一样。

图2-7 电流采集电路

2.5 采样信号保持

A/D转换器在转换期间要求输入的模拟量应保持不变，以保证A/D转换的准确进行。因此，采集信号应送至采样保持电路(亦称采样保持器)进行保持。采样保持器对系统精度有很大的影响，特别是对一些瞬变模拟信号更为明显。

采样保持电路是数据采集系统的重要部件，对数据采集系统的精度起决定性的作用。采样保持电路作为A/D转换的前级，主要完成信息隔离缓冲作用，如果要对变化速度快的模拟信号进行A/D转换，转换精度要求比较高，这时为了防止A/D转换过程中信号发生变化，就必须用采样保持电路。虽然在AVR单片机的模数转换器中有自带的采样保持电路，但是难以在同一时间内同时进行多路信号的采样保持。在本测量系统中要采集每一相的电流、电压等电网参数，为此在这里选用了多路开关和采样保持器集成芯片LF398配合工作；利用多路开关将各路模拟信号轮流与A/D转换器接通，使一个A/D转换器能完成多个模拟信号的转换，节省硬件开销；使用采样保持器LF398 将同一时刻的电压、电流值锁定， 再分时输入A/D进行转换。本系统采用集成采样保持器LF398，其价格低廉，在国内应用非常广泛。LF398采用了双结型场效应管技术，具有许多优良的特性，如： （1）工作电源范围宽；

（2）可在供电电压±5V～±18V下工作； （3）电压跟随时间短(<10)，下降率低；

（4）输出电压零点可调，高精度的直流误差(<0.01%)，低功耗等。 如图2-8所示，为了同步锁存两路模拟信号，两个采样保持器共用一个逻辑控制信号。

图2-8 采样保持电路

A/D转换器是整个系统的重要组成部分，它将模拟量转换为数字量，为计算机进行数字处理提供数据，A/D转换的精度直接关系整个测量系统的测量准确度。只有具有合适的转换精度和转换速率才能保证A/D转换数据的真实可靠，为后面进行准确的分析和处理作好准备。因此，选择A/D转换器要

首先确定好采样频率和采样位数。

2.6 三相电压不平衡判断

在三相电路中，影响功率因数的因素除了电压和电流的相位差、波形畸变外，还有一个因素就是三相不对称，而引起三相电压不平衡的原因有多种，如：单相接地、断线、谐振等。

三相负载平衡时，交流三相电压、、在电压幅值相等，相位角相差，；一旦三相负载不平衡时，通常、、的幅值就不再相等，或相位角之差不再是，。根据此原理，对、、之和进行采集，将采集值与工程实践中得到的阀值进行比较，以判断是否采取保护动作，当采集值达到阀值，单片机发出控制信号指令使主电路中的接触器执行相应的保出动作，实现对电路设备的保护，其原理框图如2-9所示。

图2-9 三相不平衡交流检测电路

由公式和，得

当设定值，即不平衡；当很小或者很大时缺相。 同理可以求得、。

2.7 电网参数的测量

2.7.1 功率因数的计算

在三相对称电路中，各相电压、电流均为对称，功率因数也相同。三相电路总的功率因数就等于各相功率因数。所以输电线路的功率因数，实际上就任一相电压与该相电流之间夹角的余弦值。图2-10给出了三相输电线路的相电压、相电流的矢量图，相位角为，则可计算出功率因数。

图2-10 相电压、相电流矢量图

测量相位角可采用的方法是首先将正弦信号整形为方波，再利用方波的边沿作为中断源触发中断来实现。如图2－11所示，为将两路正弦波整型为方波的原理图：

R1Signal_U10kD1D232LM358R4Signal_I10kD3D456LM358LED-12VU1BD67NOTI4VCC+12VR24.7kD51LEDR34.7kTP521-2U4NOTU5U8U1A 图2-11 正弦波整型为方波电路

具体实现过程为：交流电压和电流信号经过运放分别整形为方波，经过光电隔离加以整理并去掉负半波，再经过施密特触发器整形为TTL电平的波形。获得了电压和电流信号转换来的TTL信号，来求得相位角。

在采集过程中，关键是利用AVR单片机的输入捕获引脚：ICP。该引脚的功能为捕捉边沿信号。其特点为能记录当前定时器/计数器1的值。当该引脚边沿触发时，可以将当时的定时器/计数器1的值放入寄存器。

整形后的电压信号输入AVR的外部中断引脚，上升沿触发中断。单片机接收到上升沿触发中断后，将定时器/计数器1清零并开始计数，直到下一个上升沿中断的到来，该时间间隔即为一个周期，其倒数即为频率，如图2-12所示：

图2-12 正弦波转方波求采样信号周期T

整形后的电流信号输入AVR的输入捕获引脚ICP，通过单片机内部的ICP寄存器读取。由其值与周期值的比值，可计算出相位角，并推断出电压和电流之间的时间关系。其过程可由图2－13所示：

图2-13 采集求相位角的信号

使用本方法可以求得一个采集周期内电网的频率、周期、相位角，并求出电压和电流在时间上的关系。

2.7.2 功率计算

通过前面采集到的交流电压、电流的采样值和功率因数值，由以下方法可以获得系统的视在功率、有功功率和无功功率。

经过电流与电压的采样，可获得电压与电流的有效值：

（） (2-3) （） （2-4）

由公式（2-3）和（2-4）可求得到系统的视在功率：

（2-5） 有功功率和视在功率、功率因数之间的关系：

（2-6）

由公式（2-6）可以求得有功功率：

（2-7）

系统的无功功率Q：

（2-8）

至此，通过单片机获得了交流电压和电流的有效值、电网频率、周期、相位角、功率因数、视在功率、有功功率和无功功率等全部的电力参数。

2.8 温度测量

该系统采用温度传感器为DS18B20，把温度直接转换为数字信号传给单片机，测温范围－55℃～＋125℃，工作电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。DS18B20测温系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用接线端口少等优点，单点测温电路如2-14所示。

图2-14 外部供电方式的单点测温电路

要想使DS18B20进行精确的温度转换，I/O线必须保证在温度转换期间提供足够的能量，由于每个DS18B20在温度转换期间工作电流达到1mA，当几个温度传感器挂在同一根I/O线上进行多点测温时，只靠4.7k上拉电阻就无法提供足够的能量，会造成无法转换温度或温度误差极大。为了测温系统稳定可靠，抗干扰能力强，DS18B20采用外部电源供电方式，在外接电源方式下，可以充分发挥DS18B20宽电源电压范围的优点，即使电源电压VCC降到3V时，依然能够保证温度量精度。

在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统，如图2-15所示。在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是85℃。

图2-15 外部供电方式的多点测温电路

DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：

（1）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果；

（2）当单总线上所挂DS18B20超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题；

（3）连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长；

（4）在DS18B20测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号，一旦某个DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20时，将没有返回信号，程序将会进入死循环。

2.9 过电压保护

过电压对于电源来说是一个非常有害的信号，雷电等引起的瞬时高电压如果不加遏制，直接由电源引入RTU（远程终端设备）则会影响其电源模块的正常工作，使各功能模块的工作电压升高而工作不正常，严重时会损坏模块，烧坏元器件（IC）。

过电压保护的基本原理是在瞬态过程电压发生时（微秒或纳秒级），通过过电压检测电路对这个信号进行检测。过电压检测电路中主要的元件是压敏电阻。压敏电阻相当于很多串并联在一起的双向抑制二极管。电压超过箝位电压时，压敏电阻导通，从输出端输出脉冲信号，通过脉冲信号来驱动保护电路；电压低于箝位电压时，压敏电阻截止，LM393的输出端为零，不执

行保护电路。压敏电阻工作极为迅速，响应时间在纳秒级。过电压检测工作原理图如图2-16所示。

图2-16 过电压检测电路原理图

2.10 漏电保护

图2-17是漏电保护原理图，其中S1是手动开关。在电路正常使用时，零序电流互感器LH二次绕组无输出信号，保护装置不执行动作。当电路发生漏电或人身触电事故时，只要漏电或触电电流达到漏电保护装置的动作电流值时，零序电流互感器二次绕组输出一个信号，使线路中的晶闸管VT1被触发导通，整流桥被短接，使得漏电脱扣器TQ中流过一个较大的电流，脱扣器动作，自动断开电路，切断电源的火线，起到保护作用。

图2-17 漏电保护电路原理图

第三章 人机交互接口设计

在本设计中，除了将信息通过无线电收/发模块传回上位机，在子机上也设置了由键盘组和显示模块组成的人机交互接口以便在现场进行调试和参数的设定，其软件设计及软件流程图如3-1所示。

图3-1 软件流程图

3.1 键盘的设计

系统预留了3×1的按键组进行人机交互。三个按键分别为确认/翻页键和增大、减小待调整参数值键。在应用于智能开关系统可通过键盘实现显示菜单的翻页及电压、电流的上下限值、三相不平衡度等值的设定。

A/D转换的参考电压存在一定温漂，可能出现数据采集系统调校准确，

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