基于单片机的智能开关研制本科毕业论文

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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
, ?# z6 o1 x5 D; v) K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
  f- v" m4 s; K+ v/ q测，实现电源监控和系统保护的功能。
: ]" b% |' H1 @. W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
1 w4 ?0 V5 j4 s& y  a  d9 f- p& r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
; f  Q  F3 K( @2 }' \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
) Q" M  j" |; F9 E) v# K1 D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。

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
# F! s4 O- g2 s) R( F1 e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
: g* p8 O1 L5 f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
2 X( F8 E/ q5 d& b' @- L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
0 _# ]% }5 f# j; {8 h. G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
7 Q4 i$ h2 M' K* A  J$ V% L8 g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
3 U: i5 f: p( W5 r9 d+ L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
& q( i& U5 v$ S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
& ~* r+ ~+ O8 P1 g. F: L$ L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。
) v# `1 q; q7 Y: U* d) o+ |' T+ T( B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；
$ r) z* U" x" b3 E' F& k6 F7 N' ~* v（3）实现开关的各种故障判断和保护，提高设备自动化水平；
6 h  C- E; S2 Z8 k. Z$ T' x（4）具有节能作用。
1.2 智能开关研制的发展状况
8 p. {2 h% L$ q3 n0 x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
1 N( L4 n3 O& H9 F9 c) h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
% q: t& |2 I5 V8 s- N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
6 [( W2 \$ z' R, T$ B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、
9 C# I, t% l7 ~5 x4 E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
$ P  n5 [8 U4 g/ L! M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
9 N) X7 o* ~5 I6 G' F% t3 c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
; ?+ `$ }- Y/ q$ B8 J7 C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
2 B4 N2 t4 N6 S1 A有十分光明的前景。
" @0 Y; r/ @1 ~# w/ \4 B& u第二章智能开关硬件设计
( T0 V) ~2 X9 O& t$ Z! r  ~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
' k8 }! K# ]+ ?; R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
5 o4 o$ i- P7 }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
! I1 ]/ @$ f7 ~3 m: v# Z; ~+ l. p* Z合与关断。
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