基于AT80C2051单片机数字式继电器的设计
摘要：近几年来，数字式继电器的技术已经在电力系统继电器保护中得到了很广泛的应用，利用标准化的硬件，能够很好的鉴别多重功能以及混合特性等其他增强性能。当这种技术可以应用到电机保护的时候，许多保护功能可以综合入一个继电器中。这种方法使保护方案的物理尺度及加于电流和电压互感器上的总量减少。如果把这些综合性能扩展至布阵逻辑，则继电器之间的布线和复制部件的也将减少，从而可进一步降低设计和安装的成本，并简化维护和调试的测试过程，这真有很高的经济效益，并使电力设备更有用途。
在电力及工业自动化控制系统中，常用各种类型的继电器应用于需要进行状态监控的场合，作为保护的闭锁动作元件或启动元件。目前，大部分用于此类场合的单功能继电器都为静态继电器，完全采用模拟电路设计，参数设置、整定值设定都采用旋钮调节，采用此方式设置精度低、误差大、保护功能单一，不带有显示装置，用户无法从继电器上得知当前错误信息。
采用32位高性能CPU，实时采样交流电流、电压信号，采用真有效值的计算方法，在较宽的频率范围内实现了较高精度的测量。集成有多种保护功能，仅需简单选择即可实现保护的投入或退出、报警或跳闸；精度高、功耗小、动作快、返回系数高、无抖动。
数字式继电器是传统的电磁、静态继电器理想的替代产品。兼具了方便灵活和智能的特点，具有保护功能较多，灵敏度高，动作时间整定灵活，过欠模式同机整定，实时测量并显示当前电参量的值，相当于在智能电测仪表的基础上增加了保护继电器的功能。当用户只需要单个保护功能、又要实现网络化、智能化时，此产品便能较好地满足要求。
继电器是我们生活中常用的一种控制设备，通俗的意义上来说就是开关，在条件满足的情况下关闭或者开启。由于为某一个用途设计使用的电子电路，最终或多或少都需要和某些机械设备相交互，所以继电器也起到电子设备和机械设备的接口作用。
本次研究的课题是一种基于AT89C2051单片机的数字式继电器，通过对89C2051单片机的连接与控制，以及数码管的显示和按键的输入，完成转速仪转速的显示以及计数值的显示等，具体应用到工厂纺纱器的转速记录和纱长记录。
关键词：计数；定时；继电器
Digital relay
Abstract：In recent years, digital relay technology has been in the relay protection of power system in a wide range of applications, the use of standardized hardware, can identify multiple functionswell and the mixing characteristics of other performance enhancing and so on. When thistechnology can be used in motor protection, many protection functions can be integrated intoa relay. This method reduces the total physical protection scheme and scale on the current and voltage transformer. If these properties extend to array logic, wiring between the relay andis part of the copy will also be reduced, which can further reduce the design and installationcost, and simplify the maintenance and debugging of the test process, it has high economicbenefit, and make more use of electric power equipment.
In the electric power and industrial automation control system, relay used various types tomonitor the situation, as the protection of the blocking action element or starting element. At present, most of the single function for such occasions as static relay relay, complete withanalog circuit design, parameter setting, setting value set by knob adjustment, by this way islow precision, big error, the protection function is single, not with a display device, the user can not know the current error information from the relay.
A 32 bit high performance CPU, real-time sampling current and voltage signals, the calculation method of effective value, in a wide frequency range to achieve high precision measurement.The integration of a variety of protection features, just a simple choice to realize protection input or exit, alarm or trip; high precision, low power consumption, quick action, high return coefficient, no jitter.
Digital relay is a traditional, static electromagnetic relay ideal substitute. Both thecharacteristics of flexible and intelligent protection, has more functions, high sensitivity, action time setting mode with less flexible, machine setting, real-time measurement and display the current value of the equivalent electrical parameters, based on intelligent electric measuring instrument on the relay function. When the user needs only a single protection function, but also the realization of the intelligent network, this product, it can better meet the requirements.
The relay is a kind of control equipment commonly used in our lives, common sense is the switch, open or closed to meet the conditions. The use of electronic circuit design for a certain purpose, and eventually more or less some interaction with mechanical equipment, relays also play interface of electronic equipment and mechanical equipment.
This paper is a kind of digital relay based on AT89C2051 microcontroller, through the connection and control of the 89C2051 microcontroller, and digital tube display and keyboardinput, display tachometer speed and numerical display, applied to the yarn spinning factoryspeed record and yarn length record.
Keywords:Count; Timing; relay
1.引言
目前转速测量的方法大致可以分为两大种，一种是直接测量法，就是直接观测机械或者电机的机械运转，测量特定时间内机械旋转的圈数，从而测出机械运动的转速；另一种是间接测量法，即测量由于机械转动导致其他物理量的变化，从这些物理量的变化与转速的关系从而得到转速。同时从测速仪是否与转轴接触又可分为接触式，非接触式。目前国内外常用的测速方法有光电码盘测速法、霍尔元件测速法、离心式转速表测速法、测速发电机测速法、漏磁测速法、闪光测速法和振动测速法。传统的电机转速的检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，也有采用电磁式（利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件）、电容式（对高频振荡进行幅值调制或频率调制）等，还有一些的特殊测速器是利用置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号。其中被广泛应用的是光电式，光电式测系统具有低惯性、低噪声、高分辨和高精度的优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功使用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛应用。而采用光电传感器的电机转速测量准确度高、采样速度快、测量范围宽和测量精度高，具有非常广阔的前景。本次设计需要完成的技术指标有定长控制定长数可根据需要在四位数范围内随意设定，当计数到达定长数时，自动停车，同时计数器发出讯响提示。累计计数计数器在定长控制的同时自动累计计数，计数范围为0—999999。转速显示计数信号输入时，计数器在下排三位数码管上准确显示与信号对应的机器转速（转/分）；转速低于10（转/分）时，转速显示为0；转速显示为0时，调整速度后，需转2圈后方显示新的转速；转速显示不为0时，调整速度后，转过1圈即显示新的转速。自动计时计数器在定长控制的同时对输入信号自动计时，信号个数到达后自动停车，并在转速显示数码管处显示从定长启动到定长到达所需要的时间（时间单位：时、拾、分）。断电记忆计数器自动保存累计数据、定长数据、当前计数、工作时间等四项参数。其它指标电源：AC24V，50Hz，0.2A；转速范围：0—25.5转/分；输出触点：常开、常闭各一对，容量AC250V，3A/DC30V，1A。他主要采用单片机89C2051进行控制，具有很多优点：
具有体积小，重量轻，耗电少，功能强，控制灵活方便，价格低廉等优点。本次设计就是以单片机89C2051为核心，附以外围电路，采用光电传感器产生脉冲信号，运用单片机的运算和处理能力来实现对转速仪的转速测试以及完成计数值的显示并自动累加直至达到设定的定长值，在三位数码管上显示转速，在六位数码管上显示计数值，当计数时间到时，喇叭发出警报，并自动停止运行；此次设计还运用芯片24C01，来完成断电保护的功能，通过控制系统启动继电器，来完成小电流控制大电流的功能。
目录
数字式继电器 3
1.引言 4
2、总体方案设计与论证 5
2.1方案一:基于单片机AT89C51单片机进行的设计 5
2.2方案二:基于单片机AT89C2051单片机进行的设计 7
3、 电脑计数定长转速仪电路设计和论证 9
3.1最小系统电路设计和论证 9
3.1.1 AT89C2051的简介 9
3.1.2．AT89C2051管脚说明 9
3.1.3 AT89C2051的实物图 9
3.1.4 晶振电路 10
3.2 信号发生源电路设计和论证 11
3.2.1 TLP521-1的特点和结构 11
3.2.2电路的连接 11
3.2.3工作原理 12
3.3信号输入电路的设计和论证 13
3.3.1LM393的特点和结构 13
3.3.2与AT80C2051单片机的连接 14
3.3.3 信号输入电路硬件流程图 15
3.3.4工作原理 15
3.4 存储电路的设计和论证 16
3.4.1 24C01的特点和结构 16
3.4.2与AT80C2051单片机的连接 17
3.4.3工作原理 17
3.5 显示与按键电路的设计和论证 18
3.5.1 74LS164与74LS138的特点和结构 18
3.5.2 74LS164与AT80C2051单片机的连接 21
3.5.3工作原理 23
3.5.4按键电路的流程图 23
3.5.5按键电路的子程序 24
3.6 数码管显示电路的设计和论证 26
3.6.1 LED数码管的特点和结构 26
3.6.2与电路的连接 27
3.6.3工作原理 27
3.7控制电路的设计与论证 28
3.7.1继电器的特点和结构 28
3.7.2电路的连接 29
3.7.3工作原理 29
3.7.4控制电路的流程图 30
3.7.5子程序 31
4.软件设计 31
4.1程序流程 31
4.1.2主程序 31
4.2系统子程序流程图 33
4.2.1外部中断0的流程图 33
4.2.2外部中断0的子程序 33
4.2.3外部中断1的流程图 34
4.2.4外部中断1的子程序 34
4.2.5定时器中断0的流程图 35
4.2.6定时器中断0的子程序 35
5.软硬件系统的调试 36
5.1硬件系统结构总框图 36
5.2硬件调试过程 36
5.3 软硬件调试过程 38
6、 小结与致谢 38
7、附录 39
7.1原理图 40
7.2 PCB版图 40
7.3 元器件清单 41
7.4 主程序 41
8、参考文献 57
参考文献
⑴杜伟略. 单片机及接口技术. 化学工业出版社2008.2
⑵杜伟略. 单片机接口技术. 西安电子科技大学出版社2010.9
⑶张毅刚. 单片机原理及应用. 高等教育出版社 2004.1
⑷金发庆. 传感器技术与应用. 北京航空大学出版社 2000
⑸Microchip 24c01B/02B 8位PIC单片机产品手册
⑹缪晓中. 电子CAD-protel 99se. 化学工业出版社 2009.1
⑺郭文川.《单片机原理与接口技术》中国农业出版社. 2007.8
⑻王永军，李景华.《数字逻辑与数字系统》.北京: 电子工业出版社, 2006.1
⑼华成英，童诗白.清华大学电子学教研组编《模拟电子技术基础》. 北京：高等教育出版社 2006.5
⑽陶红艳，于成波.《传感器与现代检测技术》. 北京：清华大学出版社，2009.3
