摘要隨著電力系統(tǒng)自動化的迅速發(fā)展和供電可靠性的要求日益提高，特別是目前電力部門正大力推行的變電站綜合自動化，對高壓斷路器的可靠性提出了更高的要求。為了適應這種要求，需要構建高壓斷路器在線監(jiān)測系統(tǒng)機制。實時的在線監(jiān)測和故障診斷可以及時發(fā)現(xiàn)故障，從而提高其運行可靠性，延長設備的維修保養(yǎng)周期，提高設備的利用率，提高供電可靠性，減少維修保養(yǎng)費用，因而具有重要的經(jīng)濟意義。所謂的在線監(jiān)測，也可以稱為狀態(tài)監(jiān)測：就是通過傳感器裝置來監(jiān)視正在運行中的設備的工作狀態(tài)，對其健康水平作出評估或診斷，并根據(jù)不同的狀態(tài)識別設備的優(yōu)劣和故障的原因、性質及部位等信息，并且根據(jù)反饋回來的信息，決定維修計劃。狀態(tài)監(jiān)測在一些先進國家，已經(jīng)得到了很好的發(fā)展。近年來，我國也開始了對狀態(tài)監(jiān)測技術進行了研究，并取得了一些成果，這對發(fā)展我國的電力系統(tǒng)智能化提供了基礎。根據(jù)電力系統(tǒng)設備的檢修體制分析，狀態(tài)檢修體制占據(jù)越來越重要的地位，本文對高壓斷路器觸頭電磨損在線監(jiān)測系統(tǒng)進行了研究，并設計了試驗樣機論證。該樣機裝置采用廉價的AVR單片機作為中心處理器，其特點是速度高、功耗低和較高的保密性。整個裝置的工作流程為：在高壓斷路器附近（一米之內(nèi)）安裝一近場天線，利用在斷路器觸頭分離的擊穿過程中周圍的空間產(chǎn)生較強的電磁輻射信號去響應處理器的中斷，進行相應數(shù)據(jù)的采集與處理，最終計算出斷路器一次開斷過程的磨損量，在此基礎上進行累計并與總磨損量進行比較，最后給出相應的顯示信息或報警信號。試驗結果表明該系統(tǒng)裝置具有較好的工作穩(wěn)定性和可靠性，基本完成了畢業(yè)設計任務要求和技術指標。關鍵詞：高壓斷路器；電磨損；在線檢測；Atmega16AbstractWiththerapiddevelopmentofautomationofelectricpowersystemsandPowersupplyreliabilityrequirementsisincreasingdaybyday,especiallywiththecurrentpowerdepartmentisvigorouslycarryoutofsubstationintegratedautomation,thereliabilityofhighvoltagecircuitbreakerputforwardhigherrequest.Inordertoadapttherequest,theneedtobuildahighvoltagecircuitbreakeron-linemonitoringsystemmechanism.Real-timeon-linemonitoringandfaultdiagnosiscanfindthefaulttimely,thusimprovetheiroperationreliability,prolongtheequipmentmaintenancecycle,increasetheutilizationratioofequipment,improvethepowersupplyreliability,reducemaintenancecost,soithasimportanteconomicsignificance.andaccordingtothedifferentstatusidentificationequipmentqualityandthecauseoffailure,natureandPartsandsooninformation,Accordingtothepowersystemequipmentmaintenancesystemanalysis,thestateoverhaulsystemoccupiesmoreandmoreimportantposition,thispaperisstudiedforelectricwearon-linemonitoringsystemofhighvoltagecircuitbreakercontacts,Anddesignthetestprototypetoargument.ThisprototypedeviceadoptscheapAVRmicrocontrollerasthecentralprocessor,itscharacteristicishighspeed,lowpowerconsumptionandhighconfidentiality.Thewholedeviceintheworkflowto:Innearbythehighvoltagecircuitbreaker(withinonemetre)installanear-fieldantenna,usethebreakdownprocessoftheseparationofthebreakercontactsinthespacearoundproducedstrongelectromagneticradiationsignalstoresponsetheprocessorinterruption,thecorrespondingdatainterruptsignalprocessingandfinallycalculatecircuitbreakeraopencircuitprocesswearquantity,basedonwhichandthetotalamountofwearaccumulativeandcomparisonwiththetotalamountofwear,finallygivescorrespondingdisplayinformationoralarmsignal.Thetestresultsshowthatthesystemdevicehasbetterjobstabilityandreliability,basiccompletedthegraduationdesigntaskrequirementsandtechnicalindexes.Keywords：Highvoltagecircuitbreaker;Electricitywear;On-linedetection;Atmega16目錄引言 11緒論 21.1課題背景 21.2課題研究的目的和意義 31.3設計的主要任務 42系統(tǒng)方案與主要器件介紹 42.1系統(tǒng)方案選擇 42.2控制方案設計 52.3高壓斷路器介紹 52.3.1真空斷路器的分類與用途 52.3.2真空斷路器的基本結構 62.3.3真空斷路器的性能指標 72.3.4真空斷路器的發(fā)展 82.4電流互感器介紹 92.4.1電流互感器的原理與用途 92.4.2電流互感器的性能指標 102.4.3電流互感器的選擇 112.4.4電流互感器使用注意事項 122.5單片機ATMEGA16介紹 132.5.1主要性能 132.5.2功能特性描述 142.5.3Atmega16引腳排列及說明 153硬件部分設計 163.1控制器及顯示報警部分硬件設計 163.1.1M16控制器硬件電路設計 163.1.2顯示部分硬件設計 173.1.3報警部分硬件設計 183.2數(shù)據(jù)采集部分硬件設計 183.2.1I/V變換電路設計 183.2.2電壓跟隨電路設計 183.2.3整流濾波部分電路設計 193.3天線信號部分硬件設計 203.3.1穩(wěn)壓部分電路設計 203.3.2電壓跟隨電路設計 213.3.3中斷觸發(fā)電路設計 214軟件部分設計 214.1數(shù)據(jù)采集程序設計 214.1.1中斷及ADC程序初始化 224.1.2ADC程序設計 264.1.3中斷程序設計 274.2顯示模塊程序設計 284.2.1LCD12864初始化 284.2.2LCD12864顯示程序設計 314.2.3連接接口說明 324.34X4鍵盤程序設計 334.3.14X4鍵盤程序設計 334.3.2連接接口說明 345硬件制作及系統(tǒng)調試 345.1硬件的制作 345.2硬件的調試 355.3軟件的調試 366結論 36謝辭 37參考文獻 38附錄1 39附錄2 41引言高壓斷路器是電力系統(tǒng)中最重要的控制和保護設備，它的功能是接通和斷開正常工作電流、過負荷電流和故障電流，它是開關設備中最為完善的一種。電力系統(tǒng)自動化的迅速發(fā)展和供電可靠性的日益提高，特別是目前電力部門正大力推行的變電站綜合自動化，對高壓斷路器的可靠性提出了更高的要求。為了適應這種要求，需要構建高壓斷路器綜合監(jiān)控系統(tǒng)。該綜合監(jiān)控系統(tǒng)的根本任務是了解和掌握斷路器的運行狀態(tài)，為斷路器的故障診斷、性能評估、合理使用和安全工作提供信息和準備基礎數(shù)據(jù)。因此，高壓斷路器綜合監(jiān)控系統(tǒng)應實現(xiàn)以下基本目標：1、對反映高壓斷路器運行狀態(tài)的有關參量進行連續(xù)長期的監(jiān)測；2、對高壓斷路器的相關運行參量進行顯示和記錄；3、建立起高壓斷路器的狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，對斷路器實施質量統(tǒng)計和管理；4、具備一定通訊功能，能適應綜合自動化或無人值守變電站的要求；5、具備自檢和報警功能；6、具有較好的抗干擾能力和必要的監(jiān)測靈敏度；7、監(jiān)測結果有較好的可靠性和重復性；8、監(jiān)控系統(tǒng)的投入和使用應不改變和影響斷路器的正常運行；9、具有較好的技術經(jīng)濟指標；10、應用各種數(shù)據(jù)處理和信號分析的方法，綜合考慮各種因素，如運行歷史、環(huán)境因素等，對高壓斷路器的運行狀態(tài)作出準確的評估。1緒論1.1課題背景

隨著真空斷路器在電力系統(tǒng)中應用越來越廣泛，對真空斷路器的檢修成為了電力系統(tǒng)檢修體系的重要環(huán)節(jié)。當今世界的電力設備檢修制度基本上有兩種：即定期檢修制度和狀態(tài)檢修制度。前者以時間周期為標準，其主要缺點是檢修具有一定的盲目性，而后者以設備的實際運行狀態(tài)為標準，其主要的優(yōu)點是可以克服檢修的過剩與不足，減少浪費，提高效率。隨著電力生產(chǎn)體制的改革以及故障診斷等相關技術的進步和普及，在我國電力系統(tǒng)推行狀態(tài)檢修勢在必行。而在線監(jiān)測作為狀態(tài)檢修的一種形式，在電力系統(tǒng)中也越來越受歡迎。所謂在線監(jiān)測，是指對運行設備的狀態(tài)量進行不間斷的監(jiān)測，將采集到的信號量進行加工處理，使之成為有用的信息，通過對信號識別來判斷出設備故障和異常部位、原因和程度，預測設備故障或異?？赡馨l(fā)展的速度和后果，定出維修計劃和項目。在線監(jiān)測可以減少高壓開關維護的勞動量和成本。1.2課題研究的目的和意義高壓斷路器，是開關電器中最為關鍵的一種電氣設備，是作為絕緣和滅魂的裝置，是發(fā)電廠和變電所配電裝置中必不可少的設備。正常運行時，用來進行倒換運行方式，把設備或線路接入電路或退出運行，起著控制作用。當設備和線路發(fā)生故障時能快速切除，保證無故障部分正常運行，起保護作用，高壓斷路器在電力系統(tǒng)中肩負著控制和保護雙重任務，其狀態(tài)的好壞直接影響著電力系統(tǒng)的安全運行。電力系統(tǒng)中，高壓斷路器數(shù)量多、檢修量大、費用高。有關統(tǒng)計表明，變電站維護費用的一半是用在高壓斷路器上，而其中60℅又是用于斷路器的小修和例行檢修上。據(jù)統(tǒng)計，10℅的斷路器故障時由于不正確的檢修所致，斷路器的大修完全解體，既費時間，費用也高，而且解體和重裝會引起很多新的缺陷。在目前相對保守的計劃檢修中，檢修缺乏一定的針對性。因此，及時了解斷路器的工作狀態(tài)、缺陷的部位，減少過早或不必要的停電試驗和檢修，減少維護工作量，降低維修費用，提高檢修的針對性，可顯著提高電力系統(tǒng)可靠性和經(jīng)濟性。高壓斷路器在線監(jiān)測為實現(xiàn)由計劃檢修到狀態(tài)檢修的轉變創(chuàng)造了條件。長期以來的計劃檢修，盲目解體拆卸，浪費了大量的人力物力和財力，同時也造成了停電損失和設備壽命的降低。目前，電力系統(tǒng)專業(yè)技術人才正致力于高壓斷路器由計劃檢修到狀態(tài)檢修的轉變，不再以投入年限和動作次數(shù)為衡量標準，而是以設備的實際狀態(tài)為維修依據(jù)。電力設備的檢修要實現(xiàn)這種轉變，在線監(jiān)測勢在必行。高壓斷路器的電氣性能是通過其機械特性來保證的，對高壓斷路器的運行狀態(tài)實施在線測量，主要包括合、分閘操作機械特性的測量，能及時了解其工作情況，實現(xiàn)從預防維修到狀態(tài)檢修的轉變，對提高其運行可靠性，保障電力系統(tǒng)安全十分重要。高壓斷路器作為電力輸配電系統(tǒng)中應用最為普遍的電器設備，對其進行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，是對斷路器狀態(tài)預知的基礎，也是提高供、配電可靠性的必由之路。此外，高壓斷路器機械特性在線監(jiān)測技術的發(fā)展，將推動智能化斷路器的進程，將來，智能化斷路器將是一個發(fā)展趨勢。高壓斷路器機械特性在線監(jiān)測也是故障診斷技術發(fā)展的前提，所以真空斷路器機械特性在線監(jiān)測技術的意義重大。綜上所述，課題的目的和意義在于：提高電力系統(tǒng)供電配電的可靠性；減少檢修次數(shù)以及檢修過程中人為事故的發(fā)生；為高壓斷路器由計劃檢修到狀態(tài)檢修創(chuàng)造條件；最大化地節(jié)省不必要的檢修開支；延長高壓電器的工作壽命；為智能化高壓斷路器的研制做前導工作；⑺、推進電器的智能化發(fā)展。1.3設計的主要任務本文通過科技論文、技術資料的檢索，與對電氣設備在線監(jiān)測與維修體制的應用和發(fā)展現(xiàn)狀的調研，深入了解在線監(jiān)測的基本原理和意義。了解和掌握真空斷路器工作和運行條件，掌握影響真空斷路器工作性能的特征參數(shù)。分析和綜述真空斷路器觸頭系統(tǒng)電壽命監(jiān)測的常用方法，包括離線和在線監(jiān)測。通過分析確定一種電壽命（電磨損）在線監(jiān)測的方案，并制定技術路線。通過仿真或試驗驗證方案的可行性，最終制作高壓斷路器電磨損在線監(jiān)測裝置樣機。2系統(tǒng)方案與主要器件介紹2.1系統(tǒng)方案選擇2.2控制方案設計通過查閱相關資料以及根據(jù)國內(nèi)高壓斷路器在線監(jiān)控技術的發(fā)展情況，本次設計采用改進的開斷電流加權累計法進行真空斷路器觸頭電磨損的在線監(jiān)控，并采用市場上價位較低的AVR單片機ATmega16作為系統(tǒng)的核心處理器，ATmega16是基于增強的AVRRISC結構的低功耗8位COMS微控制器。該樣機控制方案的基本結構框圖如圖2-1。圖2-1控制方案結構圖該結構圖主要包括四個部分：⑴、控制器。包括中心處理器和樣機裝置的控制輸入端。⑵、顯示報警部分。包括相關信息的顯示裝置與報警器，作為信息的輸出端。⑶、天線裝置及天線信號處理器。該部分通過天線裝置觸發(fā)一個信號，該信號經(jīng)過調理后作為處理器的外部中斷信號。⑷、數(shù)據(jù)采集部分。通過AVR單片機內(nèi)部的ADC采集相關數(shù)據(jù)（包括起弧時刻與開斷電流）。將幾個部分通過相關的聯(lián)系有機的結合起來，就可以組成一套相對比較合理和完善的控制方案。為了驗證該方案的可行性，我們將設計一臺試驗樣機來進行驗證，該控制方案各部分的具體設計將在硬件設計部分作更詳細的說明。2.3高壓斷路器介紹高壓斷路器主要用于在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，能夠自動地切斷電力系統(tǒng)中的故障電流，防止故障電流波及到整個電力系統(tǒng)中造成巨大的損失。高壓斷路器的各個機構的工作可靠性，直接影響著整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。而真空斷路器將在以后相關設備中占據(jù)主要位置，因此，在這一章中主要介紹真空斷路器的相關技術資料。2.3.1真空斷路器的分類與用途2.3.2真空斷路器的基本結構真空斷路器主要包含三大部分：真空滅弧室、電磁或彈簧操動機構、支架及其他部件。⑴、真空滅弧室。真空滅弧室的結構示意圖如圖2-2所示。它由外殼、觸頭和屏蔽罩三大部分組成。外殼的作用是構成一個真空密封容器，同時容納和支持真空滅弧室內(nèi)的各種零件。觸頭是真空滅弧室內(nèi)最為重要的元件，真空滅弧室的開斷能力和電氣壽命主要由觸頭狀況來決定。屏蔽罩的主要作用是：防止燃弧過程中電弧生成物噴濺到絕緣外殼的內(nèi)壁上，引起其絕緣強度降低；冷凝電弧生成物，吸收部分電弧能量，以利于弧隙介質強度的快速恢復；改善滅弧室內(nèi)部電場分布的均勻性，降低局部場強，促進真空滅弧室小型化。圖2-2真空滅弧室結構示意圖⑵、電磁或彈簧操動機構。所有斷路器都必須能夠進行機械運動，可以分離或接通觸頭，同時還需要為控制電弧而操縱滅弧介質等的運動。斷路器所具有的這些控制機械運動的部件，即操動機構。斷路器觸頭的分、合閘動作就是通過操動機構實現(xiàn)的。一般，斷路器的常用的操動機構包括電磁操動機構和彈簧操動機構。利用電磁力合閘的操動機構，成為電磁操動機構。電磁操動機構結構圖如圖2-3所示。電磁操動機構的優(yōu)點是結構簡單、工作可靠、維護簡便、制造成本低；缺點主要是合閘電流很大（可達幾十安至幾百安），需要足夠大的直流電源，合閘時間較長。電磁操動機構普遍用來操作3～35kV的斷路器。圖2-3電磁操動機構結構圖利用已儲能的彈簧動力使斷路器動作的操動機構，成為彈簧操動機構。彈簧操動機構主要由儲能機構、鎖定機構、合閘彈簧、分閘彈簧、主傳動軸、緩沖器和控制裝置等部分組成。⑶、支架及其他部件。根據(jù)真空斷路器的總體結構可分為“懸臂式”和“落地式”兩種最基本的形式。除去真空滅弧室和操動機構之外，真空斷路器還有支架及其它部件。FN5-12真空斷路器總結構示意圖如圖2-4所示：圖2-4真空斷路器結構示意圖2.3.3真空斷路器的性能指標真空斷路器的主要性能指標包括額定電壓、額定電流和開斷關合時間等幾項指標。⑴、額定電壓（Uｎ，KV），斷路器的額定電壓是正常工作的線電壓，同時斷路器工作時還應耐受高于額定電壓的各種電壓，具體數(shù)值與斷路器額定電壓有關。⑵、額定電流（Iｎ，A），斷路器的額定電流是指在規(guī)定的正常使用和性能條件下，主回路能夠長期連續(xù)承受的電流有效值。⑶、額定短時耐受電流（Isw，KA）又稱額定熱穩(wěn)定電流，是指在規(guī)定的使用和性能條件下，在確定的短時間內(nèi)，斷路器在合閘位置所能承受的電流有效值。⑷、額定短路持續(xù)時間（tsw，S）又稱額定熱穩(wěn)定時間，是指斷路器在合閘位置所能承受其額定短時耐受電流的時間間隔。通常為1～4S。⑸、額定峰值耐受電流（IPW，KA）又稱額定動穩(wěn)定電流，是指在規(guī)定的使用和性能條件下，斷路器在合閘位置所能耐受的額定短時耐受電流第一個大半波的峰值電流。⑹、開斷時間（tｂ，S），是指斷路器接到分閘指令瞬間起到所有各相中電弧最終熄滅的時間間隔。⑺、關合時間（tｅ，S），是指斷路器接到合閘指令瞬間起到所有相觸頭都接觸瞬間的時間間隔。上述性能指標中，真空斷路器的各項電流幅值大小于斷路器的電磨損有關，各時間參數(shù)則反映斷路器機械操動機構的狀況。80年代以前，真空斷路器處于發(fā)展的起步階段，技術上在不斷摸索，還不能制定技術標準，直到1985年后才制定相關的產(chǎn)品標準。目前國內(nèi)主要依據(jù)標準為：JP3855-96《3.6～40.5kV交流高壓真空斷路器通用技術條件》；DL403-91《10～35kV戶內(nèi)高壓斷路器訂貨技術條件》。IEC標準中并無與我國JB3855相對應的專用標準，只是套用了《IEC56交流高壓斷路器》。因此，我國真空斷路器的標準至少在下列幾個方面高于或嚴于IEC標準：(1)絕緣水平：試驗電壓IEC中國。1min工頻耐壓(kV)2842(極間、極對地)48(斷口間)。1.2/50沖擊耐壓(kV)7575(極間、極對地)84(斷口間)。(2)電壽命試驗結束后真空滅弧室斷口的耐壓水平：IEC56中無規(guī)定。我國JB3855一96規(guī)定為：完成電壽命次數(shù)試驗后的真空斷路器，其斷口間絕緣能力應不低于初始絕緣水平的80%，即工頻1min33.6kV和沖擊60kV。(3)觸頭合閘彈跳時間：IEC無規(guī)定，而我國規(guī)定要求不大于2ms。(4)溫升試驗的試驗電流：IEC標準中，試驗電流就等于產(chǎn)品的額定電流。我國DL403-91中規(guī)定試驗電流為產(chǎn)品額定電流的110%。2.3.4真空斷路器的發(fā)展隨著計算機技術、電子技術、通訊技術和傳感器技術的迅速發(fā)展，真空斷路器在電力行業(yè)已被廣泛應用，高壓開關設備的智能化水平日益提高，真空斷路器在產(chǎn)品制造過程中，應不斷完善產(chǎn)品結構設計、提高制造工藝水平、保證裝配質量、提高設備運行的可靠性。高壓真空斷路器在智能化選型、優(yōu)化設備狀態(tài)檢修、降低運行維護費用、加速電力系統(tǒng)自動化控制、建立科學合理的狀態(tài)評估系統(tǒng)中產(chǎn)生積極的促進作用，應用的前景是比較樂觀的。2.4電流互感器介紹2.4.1電流互感器的原理與用途電流互感器(CurrentTransformer)簡稱CT，利用電磁感應，能將一次回路的大電流成正比的變換為二次小電流以供給測量儀器儀表。電流互感器起到變流和電氣隔離的作用。其工作原理、結構和接線方式都與變壓器相同，只是容量較小，通常僅有幾十或幾百伏安。它的用途是把高電壓按一定的比例縮小，使低壓線圈能夠準確地反映高電壓量值的變化，以解決高電壓測量的困難。同時，由于它可靠地隔離了高電壓，從而保證了測量人員和儀表保護裝置的安全。電流互感器的構造是由鐵芯、一次繞組、二次繞組、接線端子及絕緣支撐物等組成。電流互感器的一次繞組的匝數(shù)較少，串接在需要測量電流的線路中，流過較大的被測電流，二次繞組的匝數(shù)較多，串接在測量儀表或繼電保護回路里。電流互感器分為測量用電流互感器和保護用電流互感器。測量用電流互感器在測量交變電流的大電流時，為便于二次儀表測量需要轉換為比較統(tǒng)一的電流（我國規(guī)定電流互感器的二次額定為5A或1A），另外線路上的電壓都比較高如直接測量是非常危險的。測量用電流互感器原理圖如圖2-5所示。電流互感器就起到交流和電氣隔離作用，他是電力系統(tǒng)中測量儀表、繼電保護等二次設備獲取電氣一次回路電流信息的傳感器，電流互感器將高電流按比例轉換成低電流，電流互感器一次側接在一次系統(tǒng)，二次側接測量儀表。圖2－5測量用電流互感器原理圖保護用電流互感器主要與繼電裝置配合，在線路發(fā)生短路過載等故障時，向繼電裝置提供信號切斷故障電路，以保護供電系統(tǒng)的安全。保護用微型電流互感器的工作條件與測量用互感器完全不同，保護用互感器只是在比正常電流大幾倍或幾十倍的電流時才開始有效的工作。保護用電流互感器主要要求：(1)、絕緣可靠；(2)、足夠大的準確限值系數(shù)；(3)、足夠的熱穩(wěn)定性合動穩(wěn)定性。圖2-6是電流互感器的實物圖。圖2-6電流互感器實物圖2.4.2電流互感器的性能指標電流互感器的性能指標主要包括準確級、額定容量和額定電流比。電流互感器根據(jù)測量誤差的大小而劃分為不同的準確級。所謂準確級是指在一定的二次負荷和額定電流值時的最大容許誤差。我國電流互感器準確級誤差限值如表2－1所示。表2－1電流互感器準確級和誤差限值準確級次一次電流為額定電流的百分數(shù)（﹪）誤差限值二次負荷變化范圍電流誤差（﹪）相位差（′）0.21020100～1200.50.350.2201510（0.25～1）ＳＮ２①0.51020100～12010.750.560453011020100～12021.511209060350～1203不規(guī)定（0.25～1）ＳＮ２①SＮ２為電流互感器的額定容量電流互感器的額定容量SＮ２為電流互感器在額定二次電流IＮ２和額定二次阻抗ZＮ２下運行時，二次繞組輸出的容量，即SＮ２＝IＮ２ZＮ２。由于電流互感器的誤差與二次負荷有關，故同一臺電流互感器使用在不同準確級時，對應有不同的額定容量。我國規(guī)定的額定輸出容量等級有：5,10,15,25,30,40,50,60,80,100VA等10級。由于SＮ２，IＮ２已知，即可算出ZＮ２，只要實際的二次負荷阻抗值不大于ZＮ２，電流互感器的誤差就不會超限。所謂額定電流比是指額定一次電流和額定二次電流的比值，即KＮ＝I１Ｎ/I２Ｎ。額定一次電流即電流互感器額定的輸入一次回路電流。額定二次電流即電流互感器的額定輸出二次回路電流。2.4.3電流互感器的選擇電流互感器是電力系統(tǒng)中不可缺少的設備。雖然電流互感器在電力系統(tǒng)中不切斷短路電流，但因為它是串聯(lián)在短路電流所經(jīng)過的回路中，巨大的短路電流對其帶來極大的威脅，因此電流互感器的選擇也是非常重要的一個環(huán)節(jié)。額定電壓的選擇。電流互感器的額定電壓是指其一次繞組對地或對二次繞組長期能承受的最大有效電壓值，而不是指一次繞組兩端所加的電壓。電流互感器的額定電壓應不低于其安裝處的線路額定電壓或電氣設備額定電壓。額定變比的選擇。額定變比為一、二次額定電流之比，且二次電流已標準化定為1A或5A，故選擇額定變比，實際上是選擇一次額定電流。跟據(jù)GB1202－97《電流互感器》中規(guī)定的一次電流標準值：1A～25000A等不同規(guī)格的電流互感器選擇。額定二次負荷的選擇。一般要求電流互感器的實際二次負荷必須在25﹪～100﹪額定二次負荷范圍。額定功率因數(shù)的選擇。計量用電流互感器額定二次負荷的功率因數(shù)應為0.8～1.0。準確度等級的選擇。根據(jù)DL/T448－2000《電能計量裝置技術管理規(guī)程》規(guī)定，各類電能計量裝置應配置的互感器的準確度等級不應低于表2－2中所規(guī)定的值：表2－2電流互感器的配置電能計量裝置類別電流互感器準確度等級Ⅰ0.2Ｓ或0.2Ⅱ0.2Ｓ或0.2Ⅲ0.5ＳⅣ0.5ＳⅤ0.5Ｓ接線方式的選擇。電流互感器的接線方式的選擇與電網(wǎng)中性點的接地方式有關，當為非有效接地系統(tǒng)時，應采用兩相電流互感器，當為有效接地系統(tǒng)時，應采用三相電流互感器。2.4.4電流互感器使用注意事項電流互感器作為電力系統(tǒng)中重要的設備，對其的使用應注意以下事項，以確保工作人員與設備的安全。⑴、運行中的電流互感器二次側決不允許開路，在二次側不能安裝熔斷器、刀開關。這是因為電流互感器二次側繞組匝數(shù)遠遠大于一次側匝數(shù)，在開路的狀態(tài)下，電流互感器相當于一臺升壓變壓器。根據(jù)有關資料顯示，其電壓值可達1000V左右，將危及工作人員的安全，故在一次側有電流的情況下，二次側除了采用相應的短接措施外（電流互感器在工作時近似處于短路的狀態(tài)，故可將K１、K２直接短接并接地），不得施工。⑵、電流互感器安裝時，應將電流互感器的二次側的一端（一般是K２）、鐵芯、外殼做可靠接地，以預防一、二次側繞組因絕緣損壞，一次側電壓串至二次側，危及工作人員的安全。⑶、電流互感器安裝時，應考慮精度等級，精度高的接測量儀表，精度低的用于保護，選擇時應注意。⑷、電流互感器安裝時，應注意極性（同名端），一次側的端子為L1、L2（或P１、P２），一次側電流由L１流入，由L2流出。而二次側的端子為K１、K２（或S１、S２），即二次側的端子由K１流出，由K2流入。L１與K１，L２與K２為同極性（同名端），不得弄錯，否則若接電度表的話，電度表將反轉。⑸、電流互感器一次側繞組有單匝和多匝之分，LQG型為單匝，而使用LMZ型（穿心式）時則要注意銘牌上是否有穿心數(shù)據(jù)，若有則應該按要求穿出所需的匝數(shù)。⑹、電流互感器的二次繞組有一個繞組和二個之分，若有二個繞組的，其中一個繞組為高精度（誤差值較小）的一般作為計量使用，另一個則為低精度（誤差值較大）一般用于保護。⑺、電流互感器的聯(lián)接線必須采用2.5mm2的銅芯絕緣線聯(lián)接，有的電業(yè)部門規(guī)定必須采用4mm2的銅芯絕緣線。2.5單片機ATMEGA16介紹Atmega16是基于增強的AVRRISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，Atmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHz，從而可以緩解系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。2.5.1主要性能⑴高性能、低功耗的8位AVR微處理器；⑵先進的RISC結構:131條指令，大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期；32個8位通用工作寄存器；全靜態(tài)工作；工作于16MHz時性能高達16MIPS；只需兩個時鐘周期的硬件乘法器。⑶非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器:16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，擦寫壽命達到10000次；具有獨立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)，通過片上Boot程序實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程，具有真正的同時讀寫操作。512字節(jié)的EEPROM,擦寫壽命達到100000次；1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM；可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密。⑷JTAG接口（與IEEE1149.1標準兼容）：符合JTAG標準的邊界掃描功能；支持擴展的片內(nèi)調試功能；通過JTAG接口實現(xiàn)對Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程。⑸外設特點：兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的8位定時器/計數(shù)器；一個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數(shù)器；具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC；四通道PWM；8路10位ADC。8個單端通道，TQFP封裝的7個差分通道，2個具有可編程增益（1x，10x，200x）的差分通道；面向字節(jié)的兩線接口；兩個可編程的串行USART；可工作于主機/從機模式的SPI串行接口；具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器；片內(nèi)模擬比較器。⑹特殊的處理器特點：上電復位以及可編程的掉電檢測；片內(nèi)經(jīng)過標定的RC振蕩器；片內(nèi)/片外中斷源；6種睡眠模式：空閑模式，ADC噪聲抑制模式，省電模式，掉電模式，Standby模式和擴展的Standby模式。⑺I/O和封裝：32個可編程的I/O口；40個引腳PDIP封裝，44引腳TQFP封裝，和44引腳MLF封裝。⑻工作電壓：Atmega16L：2.7-5.5V；Atmega16:4.5-5.5V。⑼速度等級：0-8MHzAtmega16L；0–16MHzAtmega16.⑽Atmega16L在1MHz，3V，25℃時的功耗：正常模式：1.1mA；空閑模式：0.35mA；掉電模式：<1。2.5.2功能特性描述ATmega16AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結構大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。本芯片是以Atmel高密度非易失性存儲器技術生產(chǎn)的。片內(nèi)ISPFlash允許程序存儲器通過ISP串行接口，或者通用編程器進行編程，也可以通過運行于AVR內(nèi)核之中的引導程序進行編程。引導程序可以使用任意接口將應用程序下載到應用Flash存儲區(qū)(ApplicationFlashMemory)。在更新應用Flash存儲區(qū)時引導Flash區(qū)(BootFlashMemory)的程序繼續(xù)運行，實現(xiàn)了RWW操作。通過將8位RISCCPU與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash集成在一個芯片內(nèi)，ATmega16成為一個功能強大的單片機，為許多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的解決方案。ATmega16具有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括：C語言編譯器、宏匯編、程序調試器/軟件仿真器、仿真器及評估板。2.5.3Atmega16引腳排列及說明Atmega16的引腳排列如圖2-7所示：圖2-7Atmega16的引腳排列VCC為數(shù)字電路電源；GND為地；端口A(PA7-PA0)端口A可做為A/D轉換器的模擬輸入端和8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口A處于高阻狀態(tài)。3硬件部分設計此部分的設計主要包括三大部分，第一部分是控制器及顯示報警部分，包含了單片機最小系統(tǒng)的設計、輸入鍵盤電路的設計、顯示及報警電路設計。第二部分是數(shù)據(jù)采集部分，其功能主要是采集開斷電流以及燃弧時間。第三部分是天線信號部分，其功能是將天線信號經(jīng)過處理后作為處理器的中斷信號，以觸發(fā)單片機的中斷。3.1控制器及顯示報警部分硬件設計3.1.1M16控制器硬件電路設計如圖3-1所示為AVR單片機最小系統(tǒng)電路圖。AVR單片機最小系統(tǒng)電路包括電源濾波電路、復位電路、晶振電路和AD濾波電路。圖3-1AVR單片機最小系統(tǒng)為給系統(tǒng)更穩(wěn)定的電源，在給AVR單片機供電時，在電源接一組濾波電容，使系統(tǒng)工作更穩(wěn)定。在本樣機中，AVR單片機采用5V電源供電，因此在電源兩端分別接一個103的瓷片電容進行濾波，使樣機的工作電壓更穩(wěn)定。Mega16已經(jīng)內(nèi)置了上電復位設計，并且在熔絲位里，可以控制復位時的額外時間，故AVR單片機外部的復位電路在上電時，只需一個限流電阻和一個消除干擾和雜波的電容即可。在本樣機的設計中，采用單片機常用的外部上電復位電路，本電路除了包括限流電阻和濾波電容之外，還設置了一個按鍵，也即是系統(tǒng)的復位按鍵。當該按鍵按下時，電路接通工作，系統(tǒng)復位。Mega16已經(jīng)內(nèi)置了RC振蕩電路，可以產(chǎn)生1M、2M、4M、8M的振蕩頻率。不過內(nèi)置的畢竟是RC振蕩，在一些要求較高的場合不夠精確，故通常采用外部晶振電路。本樣機設計時也是采用外部晶振電路，采用外接8M頻率的晶振，包括兩個22P的瓷片電容。通常AVR單片機在不使用內(nèi)部ADC時，AVCC引腳可直接接VCC，但由于本樣機設計運用到AVR單片機內(nèi)部的ADC，故其AVCC引腳要求接一低通濾波器再與VCC連接,其作用是防干擾，使AD采集數(shù)據(jù)更穩(wěn)定更準確。鍵盤分編碼鍵盤和非編碼鍵盤。鍵盤上閉合鍵的識別由專用的硬件編碼器實現(xiàn)，并產(chǎn)生按鍵編碼號或鍵值的稱為編碼鍵盤，如計算機鍵盤。而靠軟件編程來識別的稱為非編碼鍵盤。本樣機系統(tǒng)的控制部分采用4X4鍵盤實現(xiàn)，該鍵盤包括0到9是十個數(shù)字輸入以及一些選擇控制按鍵和系統(tǒng)工作控制按鍵。電路圖如圖3-2所示。圖3-24X4鍵盤電路圖3.1.2顯示部分硬件設計本樣機設計采用帶中文字庫的12864液晶作為顯示工具。帶中文字庫的12864液晶是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64。內(nèi)置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示8×4行16×16點陣的漢字，也可完成圖形顯示。低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。本樣機設計采用12864液晶的串行接線方式，其電路圖如圖3-3所示。圖3-312864液晶串行通信電路圖3.1.3報警部分硬件設計本樣機設計采用蜂鳴器作為系統(tǒng)的報警器。蜂鳴器作為常用的發(fā)聲元件，只需在其兩端施加直流電壓（有源蜂鳴器）或方波信號（無源蜂鳴器）就可以發(fā)聲。其主要參數(shù)是外形尺寸、發(fā)聲方向、工作電壓、工作頻率、工作電流、驅動方式（直流/方波）等。本樣機采用無源蜂鳴器，其驅動電路如圖3-4所示。圖3-4報警電路3.2數(shù)據(jù)采集部分硬件設計3.2.1I/V變換電路設計將一個0-5A的電流信號轉換為0-5V的電壓信號，最簡單的方法是加一個1的電阻，但這樣發(fā)熱功率過大，所以需要采用電流互感器將原先的電流變小。按照一般互感器指標是輸入0-10A信號，變比為200:1，即0-5A的信號變?yōu)?-25mA。本樣機設計采用運放直接搭線的方法實現(xiàn)轉換，考慮到相位的問題，對電路作了改進。利用50電阻在正端產(chǎn)生的電壓與負端相等的條件，并利用運放的放大功能，實現(xiàn)最終的要求。本設計如圖3-5所示。圖3-5I/V變換電路3.2.2電壓跟隨電路設計電壓跟隨器，顧名思義，就是輸出電壓與輸入電壓是相同的，就是說，電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)接近于1。電壓跟隨器的顯著特點就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來說，輸入阻抗要達到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通?？梢缘綆讱W姆，甚至更低。在電路中，電壓跟隨器一般做緩沖級及隔離級。因為，電壓放大器的輸出阻抗一般比較高，通常在幾千歐到幾十千歐，如果后級的輸入阻抗比較小，那么信號就會有相當?shù)牟糠謸p耗在前級的輸出電阻中。在這個時候，就需要電壓跟隨器來從中進行緩沖。起到承上啟下的作用。應用電壓跟隨器的另外一個好處就是，提高了輸入阻抗，這樣，輸入電容的容量可以大幅度減小，為應用高品質的電容提供了前提保證。電壓跟隨器的另外一個作用就是隔離，在HI-FI電路中，關于負反饋的爭議已經(jīng)很久了，其實，如果真的沒有負反饋的作用，相信絕大多數(shù)的放大電路是不能很好的工作的。但是由于引入了大環(huán)路負反饋電路，揚聲器的反電動勢就會通過反饋電路，與輸入信號疊加。造成音質模糊，清晰度下降，所以，有一部分功放的末級采用了無大環(huán)路負反饋的電路，試圖通過斷開負反饋回路來消除大環(huán)路負反饋的帶來的弊端。但是，由于放大器的末級的工作電流變化很大，其失真度很難保證。電壓跟隨電路如圖3-6所示。圖3-6電壓跟隨電路3.2.3整流濾波部分電路設計如圖3-7所示，該電路是一種獨特的精密全波整流電路，它具有線路簡單，調試方便等優(yōu)點。該電路與普通的反相比例放大器的區(qū)別在于運放的輸出Uo與反饋電阻Rf之間加進了一只二極管D1，而二極管D1的導通與否決定了運放是否工作在閉環(huán)（負反饋）狀態(tài)。當輸入信號電壓Vi為負值時，運放的輸出電壓Uo為正，二極管D2導通，因此電路相當于反相比例放大器，其輸出電壓Uo=-（Rf/Ri）*Vi，取Rf=Ri，則Uo=-Vi；當Vi為正時，Uo為負，D2截止，此時運放及二極管D1對Vi不起作用，Vi通過電阻Ri及Rf送到Uo，故有Uo=Vi。圖3-7整流電路綜上所述，圖3-7給出的精密全波整流電路的傳輸特性為：Uo=-Vi，Vi<0時，Uo=Vi，Vi>0時。為使ADC輸入信號更精確，在整流電路之后加入了一級RC低通濾波器，其設計截止頻率為1kHz左右，即該濾波器能夠將高于1kHz的信號過濾掉，得到我們所需的較低頻率信號。如圖3-8所示。圖3-8濾波電路3.3天線信號部分硬件設計3.3.1穩(wěn)壓部分電路設計穩(wěn)壓電路的技術指標分為兩種：一種是特性指標，包括允許的輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調節(jié)范圍等；另一種是質量指標，用來衡量輸出電壓的穩(wěn)定程度，包括穩(wěn)壓系數(shù)、電壓調整率、電流調整率、輸出電阻、溫度系數(shù)及紋波電壓等。穩(wěn)壓電路的設計可以采用穩(wěn)壓芯片實現(xiàn)，該方法電路設計既實用有方便。在本樣機中，所需要穩(wěn)定的電壓信號來自天線，而天線輸出的電壓信號變化比較大，所以在本樣機設計中，采用運放構成的串聯(lián)式穩(wěn)壓電路。該電路中，運放作比較放大用，通過采樣電壓與基準電壓比較可進行自動調整。采用高增益的集成運算放大器構成的運算放大器穩(wěn)壓電路，如圖3-9所示。運算放大器的同相端接入一參考電平Uz，由輸出電壓分壓取樣電路的輸出與Uz進行比較后的誤差信號經(jīng)運算放大器輸出一放大的誤差信號，然后利用調整管Q使輸輸出電壓Uo保持穩(wěn)定。這種穩(wěn)壓電路也能輸出較大的電流，而且輸出電阻低，穩(wěn)壓性能好，電路也易于制作。該電路經(jīng)適當改變后可接入反饋電阻Rf以改變輸出電壓U0,據(jù)此可構成手動控制或程序控制的電壓可變的穩(wěn)壓電源，此時，運放的作用是比較放大。圖3-9穩(wěn)壓電路3.3.2電壓跟隨電路設計該部分電路的設計跟3.2.2節(jié)的電壓跟隨器的設計一致，其電路如圖3-10所示。圖3-10電壓跟隨電路3.3.3中斷觸發(fā)電路設計在各種復雜的數(shù)字電路中不但需要對二值信號進行數(shù)值運算和邏輯運算，還經(jīng)常需要將運算結果保存下來。為此，需要使用具有記憶功能的基本邏輯單元。能夠存儲1位二值信號的基本單元電路統(tǒng)稱為觸發(fā)器。本樣機設計的中斷觸發(fā)電路采用一個運放作為比較器，將輸入信號與設定的信號值比較后送到AVR單片機的中斷接口作為單片機的外部中斷源。中斷觸發(fā)電路如圖3-11所示。圖3-11中斷觸發(fā)電路4軟件部分設計本樣機的軟件部分設計采用C語言編程，并使用模塊化編程方式，這樣寫出來的程序比較直觀，也便于調試修改。本樣機的軟件編程分為三大部分：第一部分是數(shù)據(jù)采集程序設計；第二部分是顯示報警程序設計；第三部分是4X4鍵盤程序設計。雖然使用了模塊化編程方式編程，當作為一個系統(tǒng)而言，各個部分的程序都是有關聯(lián)的，比如程序的執(zhí)行是按一定的順序執(zhí)行的。4.1數(shù)據(jù)采集程序設計本樣機設計中，數(shù)據(jù)采集主要包括了ADC采樣和中斷程序的設計。其過程是響應中斷后，啟動ADC采樣，采樣到的信息經(jīng)過函數(shù)處理后，得到觸頭磨損量就可以送去顯示了。本節(jié)將介紹中斷及ADC各部分程序的設計。4.1.1中斷及ADC程序初始化Atmega16單片機有不同的中斷源。每個中斷和復位在程序空間都有獨立的中斷向量。所有的中斷事件都有自己的使能位。當使能位置位，且狀態(tài)寄存器的全局中斷使能位也置位時，中斷就可以發(fā)生了。本樣機設計中采用的是單片機的的外部中斷INT0觸發(fā)，只要使能了中斷，當電平發(fā)生合適的變化，中斷就會觸發(fā)。通過設置MCU控制寄存器的MCUCR與MCU控制與狀態(tài)寄存器MCUCSR，中斷可以由下降沿、上升沿或者是低電平觸發(fā)。而本樣機設計采用的是外部中斷INT0，只要引腳電平為低，中斷就會產(chǎn)生。通過電平方式觸發(fā)中斷，要保證電平保持一定的時間，以降低MCU對噪聲的敏感程度。MCU控制寄存器-MCUCR：MCU控制寄存器包含中斷觸發(fā)控制位與通用MCU功能。Bit76543210SM2SESM1SM0ISC11ISC10ISC01ISC0讀/寫R/WR/WR/WR/WR/WR/WR/WR/W初始值00000000Bit3,2-ISC11，ISC10：外部中斷INT1中斷觸發(fā)方式控制；Bit1,0-ISC01，ISC00：外部中斷INT0中斷觸發(fā)方式控制，如表4-1所示：表4-1外部中斷INT0觸發(fā)方式控制ISC01ISC00說明00INT0為低電平時產(chǎn)生中斷請求01INT0引腳任意的邏輯電平變化都將引發(fā)中斷10INT0的下降沿產(chǎn)生異步中斷請求11INT0的上升沿產(chǎn)生異步中斷請求MCU控制與狀態(tài)寄存器-MCUCSR:Bit76543210JTDISC2-JTRFWDRFBORFEXTRFPORF讀/寫R/WR/WRR/WR/WR/WR/WR/W初始值000SeeBitDescriptionBit6-ISC2：外部中斷觸發(fā)方式控制；通用中斷控制寄存器-GICR:Bit76543210INT1INT0INT2IVSELIVCE讀/寫R/WR/WR/WRRRR/WR/W初始值00000000Bit7-INT1:外部中斷INT1中斷請求；Bit6-INT0:外部中斷INT0中斷請求；Bit5-INT2:外部中斷INT2中斷請求。通用中斷標志寄存器-GIFR:Bit76543210INTF1INTF0INTF2讀/寫R/WR/WR/WRRRRR初始值00000000Bit7-INTF1:外部中斷INT1標志；Bit6-INTF0:外部中斷INT0標志；Bit5-INTF2:外部中斷INT2標志。根據(jù)以上關于AVR單片機外部中斷INT0的描述，本樣機設計的中斷程序初始化如下：voidint0_init(void)//外部中斷0初始化{MCUCR|=0x03;MCUCSR|=0x00;GICR|=0x40;}Atmega16有一個10位的逐次逼近型ADC。ADC與一個8通道的模擬多路復用器連接，能對來自端口A的8路單端輸入電壓進行采樣。單端電壓輸入以0V（GND）為基準。ADC通過逐次逼近的方法將輸入的模擬電壓轉換成一個10位的數(shù)字量。最小值代表GND，最大值代表AREF引腳上的電壓再減去1LSB。通過寫ADMUX寄存器的REFSn位可以把AVCC或內(nèi)部2.56V的參考電壓連接到AREF引腳。在AREF上外加電容可以對片內(nèi)參考電壓進行解耦以提高噪聲抑制性能。一個n位的單端ADC將GND于Vref之間的線性電壓轉換成2n個（LSBs）不同的數(shù)字量。最小的轉換碼為0，最大的轉換碼為2n-1。轉換結束后（ADIF為高），轉換結果被存入ADC結果寄存器（ADCL,ADCH）。單次轉換的結果如下：ADC多工選擇寄存器-ADMUX:Bit76543210REFS1REFS0ADLARMUX4MUX3MUX2MUX1MUX0讀/寫R/WR/WR/WRRRRR初始值00000000Bit7:6-REFS1:0：參考電壓選擇，如表4-2所示：表4-2ADC參考電壓選擇REFS1REFS0參考電壓選擇00AREF,內(nèi)部Vref關閉01AVCC,AREF引腳外加濾波電容10保留112.56V的片內(nèi)基準電壓源Bit5-ADLAR：ADC轉換結果對齊方式；Bit4:0-MUX4:0：模擬通道與增益選擇位。ADC控制和狀態(tài)寄存器ADCSRA:Bit76543210ADENADSCADARTEADIFADIEADPS2ADPS1ADPS0讀/寫R/WR/WR/WRRRRR初始值00000000Bit7-ADEN：ADC使能；Bit6-ADSC：ADC開始轉換；Bit5-ADATE：ADC自動觸發(fā)使能；Bit4-ADIF：ADC中斷標志；Bit3-ADIE：ADC中斷使能；Bit2:0-ADPS2:0：ADC預分頻器選擇位，如表4-3所示：表4-3ADC預分頻選擇位設置ADPS2ADPS1ADPS0分頻因子0002001201040118100161013211064111128ADC數(shù)據(jù)寄存器-ADCL及ADCH:ADLAR=0：Bit15141312111098ADC9ADC8ADC7ADC6ADC5ADC4ADC3ADC2ADC1ADC076543210讀/寫RRRRRRRRRRRRRRRR初始值0000000000000000ADLAR=1：Bit15141312111098ADC9ADC8ADC7ADC6ADC5ADC4ADC3ADC2ADC1ADC076543210讀/寫RRRRRRRRRRRRRRRR初始值0000000000000000ADC轉換結束后，轉換結果存于這兩個寄存器之中。特殊功能IO寄存器-SFIOR:Bit76543210ADTS2ADTS1ADTS0-ACMEPUDPSR2PSR10讀/寫R/WR/WR/WRR/WR/WR/WR/W初始值00000000Bit7:5-ADTS2:0：自動觸發(fā)源，如表4-4所示：表4-4ADC觸發(fā)方式位ADTS2ADTS1ADTS0觸發(fā)源000連續(xù)轉換模式001模擬比較器010外部中斷請求0011定時器/計數(shù)器0比較匹配100定時器/計數(shù)器0溢出101定時器/計數(shù)器比較匹配B110定時器/計數(shù)器1溢出111定時器/計數(shù)器1捕捉事件ADC初始化程序如下：voidAdcInit(void)//ADC初始化{ADCSRA =0x00; //禁止AD轉換ADMUX =0xC0;SFIOR|=0x00;ACSR =0x80;//禁止模擬比較器ADCSRA =0x06;}4.1.2ADC程序設計本樣機中AD采集的是斷路器的開斷電流和起弧時刻，該開斷電流和起弧時刻將用于斷路器觸頭電磨損的計算。本部分程序設計中，主要包括：ADC程序初始化，AD轉換，采樣值計算等。根據(jù)總體設計的思路，ADC部分程序的具體思路是，當外部中斷響應（即天線觸發(fā)信號）的時候，啟動AD，而在啟動AD之前，首先要D對ADC進行初始化。啟動AD之后，AD將對相關數(shù)據(jù)進行采樣，再經(jīng)過處理器對AD的采樣結果進行相關處理就可以得到斷路器觸頭的電磨損量。ADC程序流程圖如圖4-1所示。轉換結果處理AD轉換中斷響應啟動AD開中斷結束ADC初始化外部中斷初始化開始轉換結果處理AD轉換中斷響應啟動AD開中斷結束ADC初始化外部中斷初始化開始圖4-1ADC程序流程圖其中，部分程序如下：uintADC_Convert(void)//ADC轉換{uinttemp1,temp2;temp1=(uint)ADCL;temp2=(uint)ADCH;temp2=(temp2<<8)+temp1;returntemp2;}voidProcess(uintj,uintk)//ADC轉換結果計算{uintt;ADdate2=j*j;ADdate2=ADdate2*t;ADdata2++;ADdata2=ADdata2*142;}4.1.3中斷程序設計本樣機采取外部中斷觸發(fā)方式啟動ADC，在中斷程序中將進行一系列的數(shù)據(jù)處理，可以說外部中斷的觸發(fā)是該樣機的數(shù)據(jù)處理啟動的開關。中斷程序流程圖如圖4-2所示。中斷返回中斷處理開中斷外部中斷初始化結束開始中斷返回中斷處理開中斷外部中斷初始化結束開始圖4-2中斷程序流程圖其中，部分程序如下：#pragmainterrupt_handlerint0_isr:2voidint0_isr(void)//外中斷0服務程序{ADCSRA|=(1<<ADSC);ADdata1=ADC_Convert();Process(ADdata1);Display();while(!ADIF);CLI();}voidinit_devices(void){CLI();//禁止所有中斷MCUCR=0x00;MCUCSR=0x80;//禁止JTAGGICR=0x00;port_init();int_init();SEI();//開全局中斷}4.2顯示模塊程序設計本樣機設計的顯示模塊是采用帶中文字庫的12864液晶，該液晶是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面。在樣機設計中液晶顯示采用串行連接方式。采用串行連接方式，接線簡單，為硬件的制作提供了更大的方便。所謂的串行連接方式就是使用一根連線作為數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)的傳送是串行傳送的，也即是所謂的串行通信。不管是串行連接還是并行連接，在液晶程序設計時，都首先要對液晶進行初始化，只有初始化了液晶才能正常顯示。液晶顯示程序設計包括：初始化程序，寫命令程序，寫數(shù)據(jù)程序和顯示位置設定程序等。4.2.1LCD12864初始化控制器接口信號說明：1、RS，R/W的配合選擇決定控制界面的4種模式：RSR/W功能說明LLMPU寫指令到指令暫存器（IR）LH讀出忙標志（BF）及地址記數(shù)器（AC）的狀態(tài)HLMPU寫入數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)暫存器（DR）HHMPU從數(shù)據(jù)暫存器（DR）中讀出數(shù)據(jù)2、E信號：E狀態(tài)執(zhí)行動作結果高—>低I/O緩沖——>DR配合/W進行寫數(shù)據(jù)或指令高DR——>I/O緩沖配合R進行讀數(shù)據(jù)或指令低/低—>高無動作指令描述：1、顯示開/關設置CODE：R/W

D/I

DB7

DB6

DB5

DB4

DB3

DB2

DB1

DB0LLLLHHHHHH/L功能：設置屏幕顯示開/關。

DB0=H，開顯示；DB0=L，關顯示。不影響顯示RAM(DDRAM)中的內(nèi)容。2、設置顯示起始行CODE：R/WD/I

DB7

DB6

DB5

DB4

DB3

DB2

DB1

DB0LLHH行地址（0～63）功能：執(zhí)行該命令后，所設置的行將顯示在屏幕的第一行。顯示起始行是由Z地址計數(shù)器控制的，該命令自動將A0-A5位地址送入Z地址計數(shù)器，起始地址可以是0-63范圍內(nèi)任意一行。3、設置頁地址CODE：R/WD/I

DB7

DB6

DB5

DB4

DB3

DB2

DB1

DB0LLHLHHH頁地址（0～7）功能：執(zhí)行本指令后，下面的讀寫操作將在指定頁內(nèi)，直到重新設置。頁地址就是DDRAM的行地址，頁地址存儲在X地址計數(shù)器中，A2-A0可表示8頁，讀寫數(shù)據(jù)對頁地址沒有影響，除本指令可改變頁地址外，復位信號(RST)可把頁地址計數(shù)器內(nèi)容清零。4、設置列地址CODE：

R/WD/I

DB7

DB6

DB5

DB4

DB3

DB2

DB1

DB0LLLH列地址（0～63）功能：DDRAM的列地址存儲在Y地址計數(shù)器中，讀寫數(shù)據(jù)對列地址有影響，在對DDRAM進行讀寫操作后，Y地址自動加一。5、狀態(tài)檢測CODE：

R/WD/I

DB7

DB6

DB5

DB4

DB3

DB2

DB1

DB0HLBFLON/OFFRSTLLLL功能：讀忙信號標志位(BF)、復位標志位(RST)以及顯示狀態(tài)位(ON/OFF)。

BF=H：內(nèi)部正在執(zhí)行操作；

BF=L：空閑狀態(tài)。

RST=H：正處于復位初始化狀態(tài)；

RST=L：正常狀態(tài)。

ON/OFF=H：表示顯示關閉；

ON/OFF=L：表示顯示開。6、寫顯示數(shù)據(jù)CODE：

R/W

D/I

DB7

DB6

DB5

DB4

DB3

DB2DB1

DB0LHD7D6D5D4D3D2D1D0功能：寫數(shù)據(jù)到DDRAM，DDRAM是存儲圖形顯示數(shù)據(jù)的，寫指令執(zhí)行后Y地址計數(shù)器自動加1。D7-D0位數(shù)據(jù)為1表示顯示，數(shù)據(jù)為0表示不顯示。寫數(shù)據(jù)到DDRAM前，要先執(zhí)行“設置頁地址”及“設置列地址”命令。7、讀顯示數(shù)據(jù)CODE：

RS

R/W

DB7

DB6

DB5

DB4

DB3

DB2

DB1

DB0HHD7D6D5D4D3D2D1D0功能：從DDRAM讀數(shù)據(jù)，讀指令執(zhí)行后Y地址計數(shù)器自動加1。從DDRAM讀數(shù)據(jù)前要先執(zhí)行“設置頁地址”及“設置列地址”命令。接口時序：(1)、寫操作時序圖4-3ADC寫操作時序(2)、讀操作時序圖4-4ADC讀操作時序12864液晶顯示初始化程序如下：voidlcdinit(void) {delayms(10)；//延時等待LCM進入工作狀態(tài)PORTA=PORTA&(~(1<<PSB))；PORTA=PORTA&(~(1<<RESET))；delayms(5)；PORTA=PORTA|(1<<RESET)；PORTA=PORTA|(1<<CS)；write(0,0x30)；//基本指令操作write(0,0x0c)；//顯示打開，光標關，反白關write(0,0x01)；//清屏，將DDRAM的地址計數(shù)器歸零write(0,0x06)；}4.2.2LCD12864顯示程序設計LCD12864液晶采取串行連接方式，其作用是用來顯示，斷路器觸頭的電磨損量，該部分程序主要包括：初始化，發(fā)送字節(jié)，寫命令或數(shù)據(jù)等。顯示程序流程圖如圖4-5所示。結束寫數(shù)據(jù)寫命令12864初始化開始結束寫數(shù)據(jù)寫命令12864初始化開始圖4-5顯示程序流程圖其中，部分程序如下：voidsendbyte(ucharbbyte)//發(fā)送一個字節(jié){uchari;for(i=0;i<8;i++){if(bbyte&0x80)PORTA=PORTA|(1<<SID);ElsePORTA=PORTA&(~(1<<SID));PORTA=PORTA|(1<<SCLK);_NOP();_NOP();PORTA=PORTA&(~(1<<SCLK));bbyte<<=1;}}voidwrite(ucharstart,ucharddata)//寫指令或數(shù)據(jù){ucharstart_data,Hdata,Ldata;if(start==0)start_data=0xf8;elsestart_data=0xfa;Hdata=ddata&0xf0;Ldata=(ddata<<4)&0xf0;sendbyte(start_data);delay(1);sendbyte(Hdata);delay(1);sendbyte(Ldata);delay(1);}4.2.2連接接口說明本樣機設計中，12864液晶采用串行連接方式。具體連接引腳及說明如表4-5所示：表4-512864液晶串行連接使用引腳及說明管腳號名稱電平功能1VSS0V電源地2VDD+5V電源正3V0-對比度（亮度）調整4CSH/L模式片選端，高電平有效5SIDH/L串行數(shù)據(jù)輸入端6CLKH/L串行同步時鐘15PSBL串口方式17/RESETH/L復位端19AVDD背光源電壓+5V20KVSS背光源負端0V4.34X4鍵盤程序設計鍵盤分編碼鍵盤和非編碼鍵盤。鍵盤上閉合鍵的識別由專用的硬件編碼器實現(xiàn)，并產(chǎn)生按鍵編碼號或鍵值的稱為編碼鍵盤，如計算機鍵盤。而靠軟件編程來識別的稱為非編碼鍵盤。本樣機設計的控制單元采用4X4鍵盤控制，該鍵盤依靠程序來識別編碼號，即所謂的非編碼鍵盤。5.3.14X4鍵盤程序設計4X4鍵盤在本樣機的作用有兩個方面：一是設置斷路器觸頭的總磨損量；一是控制樣機工作。4X4鍵盤的程序設計主要包括：按鍵掃描，判斷是否有鍵按下，判斷是何健等。所以本樣機設計中采用4X4鍵盤，它包括0-9十個數(shù)字和一些控制按鍵，例如啟動、確定、設置等。鍵盤程序流程圖如圖4-6所示。YN結束返回鍵值判斷何健被按下是否有鍵按下開始YN結束返回鍵值判斷何健被按下是否有鍵按下開始圖4-6鍵盤程序流程圖其中，部分程序如下：ucharkey_press(){uchari;DDRD=0XFF;PORTD=0XF0;DDRD=0X0F;i=PIND;if(i==0XF0){DDRD=0XFF;return0;}Else{DDRD=0XFF;return1;}}ucharkey_scan(){ucharkey,i=0X7F,j;delay(10);if(key_press())}4.3.2連接接口說明4X4鍵盤分高低各四位共8跟連接線，本樣機設計中將這8根線分別與單片機的PC口8個IO口連接，以方便程序的編寫。具體連接如圖4-7所示：圖4-7鍵盤連接5硬件制作及系統(tǒng)調試5.1硬件的制作在總體實施方案確定、整個系統(tǒng)設計條理清晰和各部分的電路原理都清楚以后，就要開始制作硬件部分的工作了，制作硬件是一個需要細心和耐心的活。首先要做的就是畫原理圖：圖原理圖時需要注意各個元件的電氣連接，以避免在生成PCB時有電氣接線不連接或連接錯誤。本部分最值得注意的是設置元件的封裝，元件的封裝要與使用的實際元件相一致，否則將無法完成焊板工作。所以在畫PCB之前一定要先買元件，以便核對其封裝。當畫好原理圖且其電氣連接無誤后，就是生成PCB，畫PCB可以說是一個經(jīng)驗工作，有經(jīng)驗的人畫起來會相對比較輕松，所以平時應多練習。在畫PCB時需要注意的是：PCB尺寸的大?。缓副P及過孔的大??；印制線的大小、走向和其間隔等。PCB尺寸過大，印制線條長，阻抗增加，成本也增加；過小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾，所以PCB的尺寸應合理。同樣，焊盤太大或太小，則焊接時就增加了工作難度。在確定PCB尺寸和焊盤大小后，再確定特殊元件的位置。最后，根據(jù)電路的功能單元，對電路的全部元器件進行布局。元件應圍繞核心元件布局，考慮好實際的元件連接，使連線簡單而且連線竟可能的短。而且按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并且使信號盡可能保持一致的方向。盡可能使元器件平行排列。這樣，不但美觀，而且裝焊容易。然后就是布線了，布線一般采用手工布線，根據(jù)個人的經(jīng)驗難易程度不同。PCB畫好之后的工作包括：打印PCB、印制PCB到銅板、腐蝕、打孔和焊接元件。應依次根據(jù)各步驟的要求和注意事項認真完成，同時在有些步驟時要注意安全。5.2硬件的調試在本次硬件調試過程中，我總結了以下經(jīng)驗：5.3軟件的調試本設計的軟件程序采用的是C語言編程，軟件部分的調試首先采