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基于单片机的可通信双电源自动转换开关的分析.pdf

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河北工业大学硕士学位论文 I 基于单片机的可通信双电源自动转换开关的研究 摘 要 随着工业的发展和人民生活质量的提高,人们对电源可靠性的要求也越来越高。为了保证供电的可靠性,对于许多重要场合都配备了两路电源。自动转换开关能够检测接入的两路电源的电压和频率是否异常,并通过自身的逻辑判断,保证两路电源之间的可靠切换。现代科学技术的发展极大地促进了低压电器产品总体水平的不断进步。双电源自动转换开关是一类重要的低压电器产品,广泛地应用于各种重要负荷的场合,重要性不断提高,其功能也在不断提高,向着智能化、网络化的方向发展。 本文在对双电源自动转换开关的工作原理进行了详细的研究后,设计了其硬件电路并编写了软件程序。同时为双电源自动转换开关添加Modbus现场总线可通信模块,使其能够与上位机进行通信,并且完成了上位机对现场双电源自动转换开关的远程控制界面。此外,还对双电源自动转换开关的抗干扰措施进行了研究。 本文设计的双电源自动转换开关能够准确检测两路电源的电压和频率,具有人机交互功能,具有通信功能,能够实际应用于工业现场。 关键词自动转换开关,单片机,串行通信,Modbus,VB 基于单片机的可通信双电源自动转换开关的研究 ii STUDY ON THE AUTO TRANSFER SWITCH EQUIPMENT WITH COMMUNICATIAN ABILITY BASED ON SINGLECHIP ABSTRACT With industrial development and improvement of people s life, people s requirements toward power reliability are getting higher and higher. In order to ensure reliability of supply, many important occasions are equipped with two power supplies. Automatic Transfer Switch is able to detect the voltage and frequency of the two power supply is abnormal or not and ensure a reliable transation between the commonly used power supply and the emergency power supply by its own logic judgment. The development of science and technology has greatly promoted the overall level of low-voltage apparatus constantly. Automatic transfer switch which has been widely used in various important occasions is an important low-voltage apparatus and becoming more and more important in our life. Its function is improving toward intelligent and network. The principle of automatic transfer switch has been discussed in the paper. The design of the hardware and the software were completed. At the same time, the Modbus field bus communication module has been added, in order to enable them can communicate with the host computer and completed the interface which the host computer controlling the automatic transfer switch. In addition, the anti-interference technology of ATSE is studied in the paper. This design of automatic transfer switch is able to accurately detect the two sources of voltage and frequency and has interface circuit between people and device hardware and communication function and can be applied in industrial field actually. KEY WORDS Auto Transfer Switch Equipment, Singlechip, Serial Communication, Modbus, VB 河北工业大学硕士学位论文 iii 目录 第一章 绪论................................................................... 1 §1-1可通信智能电器发展概况及趋势 ................................................. 1 §1-2双电源自动转换开关发展概况 ................................................... 2 1-2-1双电源自动转换开关的发展过程及现状.......................................... 2 1-2-2双电源自动转换开关的发展趋势................................................ 2 §1-3双电源自动转换开关的分类 ..................................................... 2 §1-4本课题研究的主要内容 ......................................................... 3 第二章 PIC单片机及其开发工具简介....................................... 4 §2-1 PIC单片机介绍................................................................ 4 2-1-1 PIC单片机的主要特点........................................................ 4 2-1-2 PIC16F877单片机的基本功能模块 .............................................. 6 §2-2开发工具简介................................................................. 7 第三章 双电源自动转换开关的硬件设计.................................... 9 §3-1系统结构与组成原理........................................................... 9 §3-2单片机系统的单元电路设计 .................................................... 10 3-2-1复位电路的设计............................................................. 10 3-2-2时钟电路的设计............................................................. 11 3-2-3电源电路的设计............................................................. 12 §3-3电压和频率检测电路的设计 .................................................... 12 §3-4人机交互电路的设计.......................................................... 13 3-4-1数码管和指示灯显示电路的设计............................................... 13 3-4-2按键处理单元电路的设计..................................................... 15 §3-5硬件抗干扰设计.............................................................. 15 第四章 双电源自动转换开关的软件设计................................... 17 §4-1 PIC单片机的C语言编程简介................................................... 17 §4-2软件程序流程的设计.......................................................... 18 4-2-1主程序设计................................................................. 18 4-2-2自动状态程序设计........................................................... 19 4-2-3手动状态程序设计........................................................... 19 §4-3信号采样与处理程序设计 ...................................................... 21 §4-4人机交互程序的设计.......................................................... 22 4-4-1按键检测程序设计........................................................... 22 基于单片机的可通信双电源自动转换开关的研究 iv 4-4-2数码管显示程序设计......................................................... 23 §4-5软件抗干扰设计.............................................................. 25 第五章 双电源自动转换开关通信技术研究................................ 26 §5-1通信协议介绍................................................................ 26 5-1-1 Modbus主-从协议原理..........................................................26 5-1-2 Modbus协议的两种串行传输模式.................................................27 5-1-3 RTU模式帧格式................................................................28 5-1-4 Modbus公共功能码定义.........................................................28 5-1-5 CRC16校验....................................................................29 §5-2通信硬件电路设计............................................................ 29 §5-3通信软件设计................................................................ 30 5-3-1 Modbus总线通信协议...........................................................30 5-3-2下位机通信程序的设计..........................................................33 5-3-3上位机通讯界面的设计..........................................................34 第六章 结论.................................................................. 38 参考文献....................................................................... 39 致 谢....................................................................... 42 攻读学位期间所取得的相关科研成果.........................................43 河北工业大学硕士学位论文 1第一章 绪论 随着国民经济的飞速发展,各行各业对电力系统的供电质量和供电可靠性的要求越来越高。要实现持续供电,即使在出现故障时,也能够尽可能在短时间内恢复供电。自动转换开关电器就应运而生了。自动转换开关电器简称为ATSE,是 Automatic-transfer switching equipment的缩写,就是直接检测接入常用电源的电压、频率等相应参数的变化并进行逻辑判断,从而实现电源的自动转换在供电系统出现问题时,将负载电路从一个电源自动转换至另一个正常的电源,以确保重要负荷连续、可靠运行[1]。 随着配电控制系统的信息化、自动化程度的提高,对智能电器产品的可通信技术提出了新的要求。 §1-1可通信智能电器发展概况及趋势 以微控制器技术、计算机技术、微电子技术和通讯技术为基础,具有逻辑判断功能且能满足系统保护和控制需要的新型电器称为智能电器[23]。智能电器以程序命令的方式实现人的意愿,具有控制功能、判断和分析故障功能、可以进行远程调节、控制以及测试远程通信功能,保证了配电系统以及用电设备的安全性,可以实现对电网进行监控。目前,外国低压电器专家以及低压电器生产企业正在积极研究和探索智能电器产品,取得了很多成就,且国外的智能电器产品主要以高性能、微型化、多功能化以及通讯化为主要特征,这是目前国内还没有跟上的新技术。特别是现场总线技术出现以来,为智能电器的发展提供了更为广阔前景,同时为现代工业通信技术提供新的方式。以现场总线技术为基础的新型通信技术,是现代工业自动化的一场新的变革。现场总线技术和传统通信技术相比较有其特殊的优点成本低且可靠性好。现场总线通信时只需要一根两芯的电缆,这就使得布线非常简单并且减少了安装工作和维修费用,而传统通信方式却需要多芯的电缆,使得通信非常复杂且不易维护。拥有开放性和相互测试性能对设备自动化起到非常大的推动作用。以ABB、施耐德、西门子等公司为首的许多公司都在进行智能电器的研究和生产,目前有很多型号的智能电器已经上市F系列和M系列等产品。总的来说,外国无论是专家还是生产厂家都特别重视智能电器的研究和新产品开发,我国在低压电器方面要想跟上国际的脚步,就必须在新技术和新领域进行研究和探索。 国外低压电器发展日新月异,其给过国内低压电器行业带来冲击的同时,也为我国低压电器行业的发展以及调节产品结构带来机遇。国内低压电器专家和企业在发展自己传统行业同时,跟进国外先进技术和新型理念。我国在传统低压产品基础上,采用高新技术、新工艺,并且综合运用微控制器技术、微电子技术、计算机技术和现场总线技术;研制以小型化、智能化的第四代低压电器产品,也被称为可通信电器。 基于单片机的可通信双电源自动转换开关的研究 2 §1-2双电源自动转换开关发展概况 1-2-1双电源自动转换开关的发展过程及现状 双电源自动转换开关历史悠久,在将电作为主要能源后,因为对一些重要负荷供电时,存在着不同电源间的转换问题,双电源自动转换开关就会得到应用。但因为需求量有限,以往并未把其作为一种独立大类产品进行看待。以往的双电源自动转换开关一般都是由设计院设计、电气成套企业或用户直接用接触器、继电器、刀开关或由断路器、机械联锁、控制器构成双电源转换系统[4]。 随着用电系统和用户对提高自动化程度的需求不断提高以及新技术的应用,双电源自动转换开关得到了发展和应用。在20世纪80年代以后,国外各公司推出的不同型式的ATSE进入了市场。到了90 年代中期,针对国内市场的需求,我国多家研发单位和企业开始专门研发和生产 ATSE,使 ATSE得到了快速的发展。 国内早期的双电源自动转换开关是利用接触器作为转换开关,用继电器搭接成简易的控制电路,机械连锁结构的可靠性较差。到了20世纪90年代,随着国外技术的引进和国内新产品的推出,我国双电源自动转换开关的制造技术不断提高。目前,国内许多家电器厂都拥有了自己的双电源产品。一些厂商的产品也实现了通信功能,如常熟开关厂的ZTR型双电源自动转换开关,台湾飞腾的双电源自动转换开关都已有通讯功能。 1-2-2双电源自动转换开关的发展趋势 随着我国经济的发展,工业化自动化程度的不断提高,双电源自动转换开关技术也有了突飞猛进的发展,与此同时许多场所对双电源自动转换开关电器的需求越来越多,性能也要求越来越高,这使得双电源自动转换开关向分断能力更强,容量更大的方向发展。此外随着网络信息化技术的不断发展,尤其是现场总线技术的近些年的发展[56]。现场总线可以使现场设备相互连接,组成现场通信网络,具有很强的互操作性和开放性[7]。它的存在大大提高了工业自定化的程度,这也就对双电源自动转换开关的可通讯技术提出了新的要求,双电源自动转换开关应允许连接开放式结构的局域网络,应用Modbus总线或其他现场总线(DeviceNet、Profibus等),借助于上位机运行的控制软件,提供了一个简单实用的用于工厂、电信、工业和民用建筑物的双电源切换管理方案,实现双电源监控的“遥控、遥调、遥测、遥信”四遥通讯功能。更新一代的网络智能型双电源自动转换开关成为了今后研发和制造双电源自动转换开关的新趋势。 §1-3双电源自动转换开关的分类 双电源自动转换开关的开关本体可根据其是否具有短路电流分断能力可分为两个级别PC 级和CB级[811]。 PC 级双电源自动转换开关的执行器是由两个相同的隔离开关或负荷开关和机械连锁机构组成的。这些电器开关能够接通、承载线路负载,其优点是自身连锁,转换速度快,可以频繁操作,切换河北工业大学硕士学位论文 3装置价格低廉;其缺点是耗电量大、噪声明显、工作可靠性较差、且投切容量受到限制。此外,PC级双电源自动转换开关不具有分断短路电流的能力,这成为了其主要的缺点。因此,还要在接触器、电磁开关的电源端上加装熔断器或断路器,从而提高了整个双电源自动转换开关系统的成本。 CB级双电源自动转换开关的执行器主要由两个相同的塑料外壳式断路器或万能式断路器和机械连锁机构组成。塑壳式断路器具有过载、短路保护等功能,它既能接通、承载线路负载,又能够用来分断短路电流,从而从根本上解决 PC 级双电源自动转换开关存在的问题。但其主要缺点是体积较大、动作速度较慢。 §1-4本课题研究的主要内容 本文的主要研究工作是结合单片机技术对可通信双电源自动转换开关的理论和技术进行研究和分析,在此基础上研究可通信双电源自动转换开关的硬件结构及软件程序,实现智能化和网络化的设计要求。 本文主要在以下方面开展研究工作 1.以PIC单片机为核心,设计可通信双电源自动转换开关的硬件电路。 2.采用C语言进行单片机编程,实现电压有效值和频率值的计算,并根据国家标准中对电源发生故障时的规定做出相应的动作。 3.为双电源自动转换开关添加 Modbus 现场总线可通信模块,实现上位机与现场双电源自动转换开关的远程控制,使其具备通信功能。 基于单片机的可通信双电源自动转换开关的研究 4 第二章 PIC单片机及其开发工具简介 §2-1 PIC单片机介绍 2-1-1 PIC单片机的主要特点 (1)哈佛总线结构[12] PIC 单片机采用哈佛总线结构,其程序存储器和数据存储区在物理空间上完全独立,读取指令的总线和存取数据的总线也完全分开。这样的结构让指令总线和数据总线的宽度不一样成为可能数据总线宽度一样还是8位,但针对程序空间读取指令的总线宽度可以是任意合适的位数。PIC系列8位单片机可分为低/中/高三挡,对应的内部指令宽度分别是12/14/16位,如图2.1所示。与此同时,由于总线独立,读取指令和存取操作数就可以同时进行,即引入指令的流水线机制,以提高单片机内的数据流量,提高代码运行效率。 图2.1 哈佛总线结构示意图 Fig.2.1 Harvard bus Configuration Diagram (2)RISC技术 由于PIC单片机采用了RISC技术,使得其指令较少,PIC中档系列单片机全部的指令只有35条单字,依靠此35条指令,可以实现任何其他单片机所能实现的任务,差别只是具体实现的方式和效率不同而已。35条指令汇总成三大类面向寄存器的字节操作指令、位操作指令、立即数和控制操作指令,如表2.1所示。 表2.1 PIC单片机指令总汇 Table 2.1 The command of PIC microcontroller 字节操作指令 NOP - 空操作 MOVWF f 把w内容送f CLRW - 把w清0 CLRF f f清0 SUBWF f, d f减去W CPU 12、14、16位 程序存储器 数据存储器 8位 河北工业大学硕士学位论文 5DECF f, d f递减1 IORWF f, d W和f逻辑或 ANDWF f, d W和f逻辑与 XORWF f, d W和f逻辑异或 ADDWF f, d W和f相加 MOVF f, d 传送f COMF f, d f取反 INCF f, d f递增1 DECFSZ f, d f递减1,结果为0则跳 RRF f, d 带进位循环右移 RLF f, d 带进位循环左移 SWAPF f, d f高位4位内容交换 INCFSZ f, d f递增1,结果为0则跳 位操作指令 BCF f, b f的b位清0 BSF f, b f的b位置1 BTFSC f, b 测试f的b位,为0则跳 BTFSS f, b 测试f的b位,为1则跳 立即数与控制操作指令 SLEEP - 进入低功耗休眠模式 CLRWDT - 清看门狗 RETURN k W带立即数返回 RETFIE - 中断返回 RETURN - 子程序返回 CALL m 调用子程序 GOTO m 程序强行跳转 MOVLW k w置立即数 IORLW k w和立即数逻辑或 ADDLW k w和立即数相加 基于单片机的可通信双电源自动转换开关的研究 6 SUBLW k 立即数减去w ANDLW k w和立即数逻辑与 XORLW k w和立即数逻辑异或 (3)功耗低 PIC系列单片机具有CMOS结构,这大大降低了其功率消耗。因此,PIC系列单片机的低功耗性能使得其在控制仪表及汽车电子中得到广泛的应用,尤其适用于野外移动仪表的控制以及户外免维护的控制系统。 (4)强大的驱动能力 一般单片机每个引脚可以源出/灌入 10mA 的电流,而 PIC 系列单片机每个输出引脚可以驱动20-25 mA的负载。有利于简化一些控制电路。 2-1-2 PIC16F877单片机的基本功能模块 (1)输入/输出端口模块[13] PIC16F877 单片机具有丰富的接口资源,共设置有5 个输入/输出端口,合计33 个引脚。大多数引脚除了基本的输入/输出功能外,还配有其他特殊功能,例如模拟量输入通道、串/并行通信线和MPLAB-ICD专用控制线等。 (2)EEPROM数据存储器模块 PIC16F877单片机嵌入了一个2568位的EEPROM数据存储器模块,可在线擦/写,储存的内容掉电时不会丢失。 (3)多功能定时器模块 PIC16F877单片机配置有3个功能较强的多功能定时器模块TMR0、TMR1和TMR2。他们都具有不同位宽的可编程定时器。另外,还有2个重要的专门用途当设置在同步计数方式下,TMR1可与捕捉/比较/脉宽调制模块配合实现捕捉和比较的功能;TMR2 可与捕捉/比较/ 脉宽调制模块配合实现脉宽调制输出的功能。 (4)看门狗定时器模块 PIC16F877单片机嵌入了一个具有较强功能的看门狗定时器WDT,能够有效防止因环境干扰而引起系统程序“飞溢”。 (5)串行通信和并行数据传送模块 在 RC 端口有多种串行数据传送方式,主要包括同步串行端口 SSP 和通用同步/异步收发器USART。SPI接口是以主从方式工作的,这种模式通常有一个主器件和一个或多个从器件,其接口包括以下四种信号1)MOSI-主器件数据输出,从器件数据输入;2)MISO-主器件数据输入,从器件数据输出;3)SCLK-由主器件产生的时钟信号; 4)/SS-由主器件控制从器件产生的使能信号。I2C 总线是一种串行数据总线,只有二根信号线,一根是双向的数据线 SDA,另一根是时钟线 SCL。USART 是一种二线式串行通信模式,它可以配置成全双工的异步通信模式,又可以配置成半双工的同步通信模式。另外,RD 端口可当作并行从动端口来使用,是一条工作于被动方式下的高速的数据传送通道,并行数据总线由与其进行数据交换的另一方控制其权限。
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