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