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1、南京航空航天大学 硕士学位论文 基于MSP430F149单片机的电源监控系统的研究 姓名：徐璜 申请学位级别：硕士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：肖岚 20090201 南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 本文讨论应用于“DC-AC、DC-DC、AC-DC、AC-AC”电源设备上的监控系统。分析了四 类变换器的具体要求，设计了一台电源监控系统。该系统能够对以上电源设备进行数据采集和 实时监控。当设备出现故障时，监控系统能够及时报警，使得操作人员能够在第一时间准确地 处理故障。所以本系统对电源的运行和维护具有重要意义。 硬件设计在满足监控基本要求的基础上，充分考虑了系统的可靠性、准确
2、性、实时性、成 本等因素。本文阐述了主控芯片的选择方法，对供电电压转换电路、按键显示、存储器、通信 模块、控制和保护电路进行了具体介绍。详细分析和设计了数据采集模块及其电路参数。针对 蓄电池循环检测的要求设计了电池巡检模块。 在软件上，首先本文给出了软件设计的目标和任务。然后按照模块化思想，把目标分为各 个子模块，用语言分别实现了对电压、频率、功率、谐波等电参量的测量，并且对检测的具 体的方法进行了分析比较，选用较合适的方案作为子模块程序。另外，本文还对电源监控系统 人机界面、数据存储、故障告警算法等模块进行了详细地设计。 本文分析了电源监控系统的误差来源以及误差解决方案。制作了实验装置进行验
3、证：系统 功能能满足要求，电源监控能够配合电源有效地运行。实验结果验证了分析设计的有效性和合 理性。 关键词：关键词：电源监控系统，MSP430F149，数据采集，电池巡检，FFT，人机界面 基于 MSP430F149 单片机的电源监控系统的研究 ii Abstract This paper discusses the Power Supervising and Control System applied in the the Power Electronics equipments as DC-AC, DC-DC, AC-DC and AC-AC. Some concrete requir
4、ements of four kinds of the converters are analyzed and a Power Supervising and Control System is designed in this paper.The system can implement data acquisition and real time monitoring and control on the power equipments. When malfunction is appeared, the monitoring system can find the fault, ale
5、rt and process the fault in first time, therefore the Power Supervising and Control System has very important sense to run and maintain power equipments. On the foundation of meeting the basic demands, more attention of hardware design is pay on reliability, accuracy, real-time character, costs and
6、so on. This paper described the selection methods of the main control chip of the system. Make a concrete introduction of the power switch module, the keystroke and display module, the memory module, the communication module and control and protection circuit. Data acquisition module and the paramet
7、ers are analyzed and designed detailedly. In order to detecting the battery roundly, the paper designs the battery cycle detecting module. In the aspect of software, the paper proposes the goal and task of the software. According to the modularization thinking, the goals are divided into different s
8、ubroutines. The system achieves the measurement of the voltage, the frequency, the power, the harmonics and other electric parameters based on C language. An analysis is provided base on comparison of several detecting methods, and select the adaptive methods. In addition, Algorithms of the man-mach
9、ine interface, data Storage and malfunction alarm are designed detailly. Finally, source and solution of the error of the Power Supervising and Control System are analyzed. Make an experimental device and verified the function of the system can fulfill the requirements and the Power Supervising and
10、Control System can work efficiently with the power equipments. Experimental results show that the design of the experiment is valid and rational. Key Words：Power Supervising and Control System, MSP430F149, Data Acquisition, Battery Cycle Detecting, FFT, Man-Machine Interface 基于 MSP430F149 单片机的电源监控系统
11、的研究 vi 图清单 图 1.1 电力操作电源监控系统的主监控工作原理图2 图 1.2 通信电源监控系统的总体结构框图3 图 2.1 系统硬件组成结构图9 图 2.2 MSP430F149 单片机工作模式图 10 图 2.3 MSP430F149 的引脚图 11 图 2.4 MSP430 系列单片机的结构框图.12 图 2.5 TPS7333 电平转换电路图12 图 2.6 薄膜按键 .14 图 2.7 行列式按键工作原理电路图14 图 2.8 AXG19264 液晶显示器内部结构15 图 2.9 液晶显示器与单片机的接口电路图16 图 2.10 AT25640 与单片机的硬件连接电路图17
12、图 2.11 MSP430F149 与 PC 机的通讯原理图19 图 2.12 MAX232 的硬件连接图.20 图 2.13 MSP430F149 的 JTAG 接口.20 图 2.14 A/D 转换流程图21 图 2.15 信号调理电路原理图22 图 2.16 过载/短路保护电路原理图24 图 2.17 电池巡检硬件电路图.25 图 2.18 AQV214 原理图26 图 3.1 主程序设计示意图29 图 3.2 按键逻辑设计流程图30 图 3.3 按键的几个主要工作画面31 图 3.4 KS0108B 读写时序图.33 图 3.5 写指令代码和写显示数据程序流程图33 图 3.6 161
13、6 的汉字显示流程图 34 图 3.7 16N =按时间抽取基2的FFT.38 图3.8 FFT主程序流程图39 图3.9 频率检测40 南京航空航天大学硕士学位论文 vii 图3.10 直流检测流程图.40 图3.11 过欠压告警算法流程图.44 图4.1 同步采样与非同步采样频谱图.49 图4.2信号条理电路实验波形52 图4.3逆变器输出电压波形52 图4.4逆变器谐波分析53 图4.5对应的测量值.53 基于MSP430F149单片机的电源监控系统的研究 viii 表清单 表2.1液晶模块引脚表15 表2.2 74LVTH16245A数据传输模式.16 表2.3 AT25640引脚表.
14、17 表2.4单片机与PC机逻辑电平比较.19 表2.5 74LS138功能表26 表2.6 MAX397功能表.26 表3.1 AT25640的指令系统.42 表3.2状态寄存器的解释42 表4.1修正前交流电压有效值的测量48 表4.2修正后交流电压有效值的测量48 表4.3修正前FFT谐波测量数据.49 表4.4修正后FFT谐波检测数据.50 表4.5 频率实际值与测量值的比较.51 南京航空航天大学硕士学位论文 ix 注释表 AC Alternating Current 交流 DC Direct Current 直流 THD Total Harmonic Distortion 总谐波失
15、真度 MCU Micro Control Unit 微控制器 DSP Digital Signal Processor 数字信号处理 A/D Analog/Digital 模/数 SM Supervision Module 前置监控单元 SU Supervision Unit 局站监控中心 SC Supervision Center 区域监控中心 RAM Random-Access Memory 随机存取存储器 ROM Read-Only Memory 只读存储器 EEPROM Electrically Erassable Programmable Read-Only Memory 电可擦除可
16、编程只读存储器 JTAG Joint Test Action Group 仿真测试接口 RISC Reduced Instruction Set Computing 精简指令运算集 USART Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter 通用串行同步异步通信接口 PMOS Pachnolite Metal-Oxide-Semiconductor 金属氧化物半导体 DFT Discrete Fourier Transformation 离散傅里叶变换 FFT Fast Fourier Transformation 快速傅立叶分解 LCD Liquid Crystal Display 液晶显示器 CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor 互补金属氧化物半导体 SPI Serial Peripheral Interface 同步串行接口 LSB Least Significant Bit 最低有效位 ppm parts permillion 百万分之一 tC E Cyc
