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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date高压无功补偿控制器的设计_x0001_2013届本科毕业设计（一号黑体居中）高压无功补偿控制器的设计院 （系） 名 称物理与电子信息学院（小三号黑体）专 业 名 称电子信息科学与技术（小三号黑体）学 生 姓 名张三丰（小三号黑体）学 号090524111（小三号Times New Roman）指 导 教 师何大壮教授（小三号黑体）完 成 时 间2013年5月8日（小三
2、号黑体）摘 要本高压无功补偿控制器是适用于变电站用的并联电容器组的自动投切控制系统，该设计基于AVR系列中的高档单片机mega64微处理器为核心，采用交流取样技术，可以对变电站的并联电容器组进行实时无功补偿投切控制。该控制器可实现：实时数据显示、设置功能、保护功能、无功补偿投切控制等基本功能，由于采用单片机控制12864图形点阵液晶显示模块，所以具有较好的图形用户界面，并且界面容易扩展改进，由于本设计采用了交流采样技术，所以实现交流实时采样。关键词： 无功补偿；交流采样；单片机AbstractThis high pressure have no repair controller that i
3、s applicable to the transformer substation to use of merge the capacitor set of automatic hurl slice to control the system, this design is based on a machine mega 64 microprocessor within series of AVR for core ,and adopt the exchanges sampling technique, it can merge to the transformer substation t
4、he capacitor set carry on the solid hour have no repair the hurl slice the control .This controller can carry out: Solid hour data manifestation, constitution function, protection function, have no repair hurl to slice to control the basic of function, etc. Because of adopting a machine to control 1
5、2864 sketches to order a LCD manifestation mold piece, so it has to very good of the sketch customer interface, and it is easy to expand and improvement the interface, because of this design adopted the exchanges the sample technique, so carry out the exchanges the solid hour sample.Key Words： Have
6、no repair；Communicate to sample；Signal chip microcomputer-绪 论随着国民经济快速增长，城市、农村电网改造的完成。用电负荷快速增长，电力缺口增大，经济用电、节约用电越来越被供、用电部门重视。节约用电、经济用电的重要手段就是提高电压的质量。加强电力系统无功管理，做到无功就地平衡，减少无功电力传输，减少供、用电系统发热损耗（线损）。特别是如轧钢机、电弧炉等冲击、非线性负荷的不断增加，加上电力电子技术的普遍应用，使得电力网发生了电压波形畸变、电压波动闪变和三相不平衡等，产生了电能质量降低、网络损耗增加等不良影响。因此解决好电网的无功功率因数补偿
7、问题，对于提高电能质量、安全运行、降低损耗、节能、充分利用电气设备的能力等具有重要的意义。什么是无功补偿?有何作用？无功补偿是无功补偿电源的简称，指为满足电力网和负荷端电压水平及经济运行的要求，必须在电力网内和负荷端设置无功电源，如电容器、调相机等。无功补偿的配置应采取基本上就地平衡、分级补偿和便于调整电压的原则。在接近负荷端分散补偿，可减少无功功率的输送，从而降低损耗，减少压降，有较好的经济效果；集中安装在变电站内，则便于控制操作，有利调整电压。变电站安装的无功补偿设备容量，一般是以在高峰负荷时，其主变压器的功率因数达到一定数值 (如 35 110kV变电站达到 0.90.95)来考虑的，其
8、值根据计算确定。不同变电站，视需要和可能，可安装调相机、并联电抗器、自动分组投切的电容器组或静止无功补偿器等无功补偿设备。有的送电线路也采用中间 (串联 )电容补偿。基于以上的说明，所以在这次设计中就介绍一下无功补偿控制器的设计，设计要求如下：控制器具有实时数据测量，自动无功补偿投切控制功能。实时数据显示：显示系统中高压侧线电压（如AC相）、高压侧相电流（如B相）、功率因数、电容器投切状态、系统异常闭锁、控制器及控制对象异常显示。设置功能：电容容量、无功投入及切除门限系数、功率因数限制上下限、投切延时、电压过压保护上限、中压电压与高压电压夹角。保护功能：系统电压高于电压过压保护上限时,闭锁,自
9、动解锁；当状态开关输入为不闭合时，依次分闸，闭锁（失电也记住闭锁状态）,手动解锁。无功补偿投切控制：控制并联电容器组；投切控制取样物理量为无功电流；具有自动补偿和手动补偿两种工作方式；根据设置及前一日的负荷状态，对电容器组实行投切控制，控制输出电容3路。控制方案如表0.1：基本功能：闭锁自动解锁闭锁自动解锁COS上限COS下限闭锁自动解锁按无功切除功率因数合格，不投不切。在投入区间内，按无功投入过压电压正常表 0.1 自动无功补偿控制器控制方案在控制器内部预置三个时段： 7:30 11:30 13:30 17:30 18:30 22:30以功率因数下限为标准，以半个小时为记录单位，记录一天中符
10、合要求的时段，每个时段最小为一个小时，一天最多三个时段。电容每天可以投入的次数最大10次。如果该日某路电容投入次数已经等于设定次数时，即使在应该投入的条件下，控制器对该路电容也不再投入。技术参数：基本参数电源电压：AC 100V 20% 电源频率：50Hz 5%取样电压：AC 100V 20% 取样电流：0 5A本机功耗：15W控制参数路数：3 路输出接点：4路（4*2个无源接点）容量为AC 220V*5A，输出脉宽1 S 。输入接点：4路（4个无源接点）输入开关状态。 3路为电容开关状态输入，1路为系统状态输入。测量精度：电压：0.5 % 电流：0.5 % 功率因数: 1.0 % 第1章 概
11、 述1.1 无功补偿的含义无功补偿是无功补偿电源的简称，指为满足电力网和负荷端电压水平及经济运行的要求，必须在电力网内和负荷端设置无功电源，如电容器、调相机等。无功补偿的配置应采取基本上就地平衡、分级补偿和便于调整电压的原则。在接近负荷端分散补偿，可减少无功功率的输送，从而降低损耗，减少压降，有较好的经济效果。集中安装在变电站内，则便于控制操作，有利调整电压。变电站安装的无功补偿设备容量，一般是以在高峰负荷时，其主变压器的功率因数达到一定数值 (如 35 110kV变电站达到 0.90.95)来考虑的，其值根据计算确定。不同变电站，视需要和可能，可安装调相机、并联电抗器、自动分组投切的电容器组
12、或静止无功补偿器等无功补偿设备。有的送电线路也采用中间 (串联 )电容补偿。电网中的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属于感性电抗，在运行过程中需要向这些设备提供相应的无功功率。在电网中安装并联电容器、同步调相机等容性设备以后，可以供给感性电抗消耗的部分无功功率，也即减少无功功率在电网中的流动，因此可以降低输电线路因输送无功功率造成的电能损耗，改善电网的运行条件。这种做法称为无功补偿。无功补偿可以改善电压质量，提高功率因数，是电网采用的节能措施之一。配电网中常用的无功补偿方式为：在系统的部分变、配电所中，在各个用户中安装无功补偿装置；在高低压配电线路中分散安装并联电容机组；在配电变压器低压侧和
13、车间配电屏间安装并联电容器以及在单台电动机附近安装并联电容器，进行集中或分散的就地补偿。在合理确定无功补偿容量时，应该注意以下两点：（1）不允许过补偿，否则由于无功补偿容量过大，会使功率因数超前，向电网倒送无功，是不经济的。（2）在不同功率因数的条件下，每千乏补偿容量取得的补偿效益是不相同的。功率因数愈高时，每千乏补偿容量对减少无功功率在输送过程中造成的损耗的作用，将相应变小。如提高后的功率因数接近1，则补偿设备的投资将增加，投资的效益将减小。因此通常情况下，将功率因数提高到0.95左右为好。这样亦体现了合理补偿，以取得最佳技术经济效益的原则。电力设备运行时，一般消耗电网中的电能，由于根据电气
14、设备的阻抗特性分为电热、电感及电容型之分，其运行时的总电能为有功和无功这两部分组成，而有功部分是我们平时设备由电能转化为其他形式能量的这部分，而无功部分则是用电设备消耗电网中的电能转化为热能的这部分，由于一般电气使用电动机为主，其主要反映为电感设备，如与其配备的机械设备较匹配时，其输入近似为输出，如匹配差异较大时，则反应无功较大，根据 ：功率因数=有功功率/无功功率。一般电业规定功率因数为低压-0.85以上 ，高压-0.9以上 。为了克服无功损耗，就要采用无功补偿装置来解决，工业上常采用同步电机和同步调相机和移相电容器进行无功补偿。目前大多数采用移相电容器为主。1.2 无功补偿的介绍1.2.1
15、 无功补偿与节电无功电源同有功电源一样，是保证电能质量不可缺少的部分。在电力系统中应保持无功平衡，否则，将会使系统电压降低、设备损坏、功率因数下降，严重时，会引起电压崩溃、系统解裂、造成大面积停电事故等。因此，解决电网的无功容量不足，增装无功补偿设备，提高网络的功率因数，对电网的降损节电，安全可靠运行有着极为重要的意义。当电网需要增设的确定后，即应按照“全面规划，合理布局，分级补偿，就地平衡”的总原则，进行合理的配置，以便取得最大的综合补偿效益。具体要求是：既要满足全区（地区或县）的无功功率平衡，还要满足分区（供电区）、分站（变电站）的无功平衡，尽可能地使长距离输送的无功量小，最大限度地减少功
16、率及电能损耗。 集中补偿与分散补偿相结合，以分散补偿为主。既要在变电站进行集中补偿，又要在配电线路及部分用户进行分散补偿，但大部分补偿设备应配置在配电网络中，以实现就地就近补偿。电力部门补偿与用户补偿相结合。据统计分析，无功功率大约有50消耗在用户方面，剩下的约50左右消耗在电力网的损耗上。因此，电力部门与用户共同进行补偿是适宜的。1.2.2 并联电容器无功补偿并联电容器（又称移相电容器）是一种无功电源，它的主要用途是补偿电力网中感性负荷需要的无功，提高网络的功率因数，并兼有调压的辅助作用。并联电容器补偿的联结方式分为单相、三相星形、三相三角形三种。在实际接电中，为了满足补偿容量的需要，往往采
17、用多台电容器并联或串联组成电容器组，若每台电容器的容量均为C0，则由m组并联，由n台串联组成的电容器组总容量为：C（m/n）* C0 ，并联电容器发出的无功功率与电压平方成正比，当电网传输的无功较大，补偿点的电压偏低，需要大量无功使电压恢复时，电容器发出的无功反而随电压的下降成平方关系减小，促使电压更趋于下降。相反，当补偿点电压偏高，需要减少无功时，电容器随电压升高而增发无功，又促使电压升高。电容器这种无功特性满足不了电网调压要求，为此，常用带负荷调压变压器与并联电容补偿配合使用的运行方式。如果没有带负荷调压装置，一般是将电容器组分成若干组，实行分组投切。当电网电压降低或负荷功率因数减少时，投
18、入相应部分电容器组；反之，则切除部分电容器组。并联电容器由于具有设备简单、安装和维护方便、本身损耗低、节电效果显著等优点，在电力网的无功补偿中得到广泛的应用。1.2.3 电容器容量的选择电容器安装容量的选择，可根据使用目的的不同，按改善功率因数，提高运行电压和降低线路损失等因素来确定。按改善功率因数确定补偿容量的方法简便、明确，为国内外所通用。根据功率补偿图(如图1.2)中功率之间的向量关系，可以求出无功补偿容量Qc （式1.1）式中P最大负荷的月平均有功功率tg1、tg2补偿前后功率因数角的正切值可利用查表法，查出每1KW有功功率、功率因数，改善前后所需补偿的容量，再乘以最大负荷的月平均有功
19、功率，即可计算出所需要的无功补偿容量。1.2.4 无功补偿的意义电网中的许多用电设备是根据电磁感应原理工作的。它们在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率叫无功功率。电力系统中，不但有功功率平衡，无功功率也要平衡。有功功率、无功功率、视在功率之间的关系如图1.1所示 （式1.2） 式中 S视在功率，kVA P有功功率，kW Q无功功率，kvar图 1.1有功、无功、视在功率之间的关系角为功率因数角，它的余弦(cos)是有功功率与视在功率之比即cosP/S称作功率因数。由功率三角形可以看出，在一定的有功功率下，用电企业功率因数cos越小，则所需的无功功率越大
20、。如果无功功率不是由电容器提供，则必须由输电系统供给，为满足用电的要求，供电线路和变压器的容量需增大。这样，不仅增加供电投资、降低设备利用率，也将增加线路损耗。为此，国家供用电规则规定：无功电力应就地平衡，用户应在提高用电自然功率因数的基础上，设计和装置无功补偿设备，并做到随其负荷和电压变动及时投入或切除，防止无功倒送。还规定用户的功率因数应达到相应的标准，否则供电部门可以拒绝供电。因此，无论对供电部门还是用电部门，对无功功率进行自动补偿以提高功率因数，防止无功倒送，从而节约电能，提高运行质量都具有非常重要的意义。无功补偿的基本原理是：把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，能
21、量在两种负荷之间相互交换。这样，感性负荷所需要的无功功率可由容性负荷输出的无功功率补偿。当前，国内外广泛采用并联电容器作为无功补偿装置。这种方法安装方便、建设周期短、造价低、运行维护简便、自身损耗小。采用并联电容器进行无功补偿的主要作用：（1）功率因数补偿图如图1.2所示，图中P有功功率S1补偿前的视在功率S2补偿后的视在功率Q1补偿前的无功功率Q2补偿后的无功功率1补偿前的功率因数角 2补偿后的功率因数角 图 1.2功率因数补偿S1Q1Q2S2P12由图示可以看出，在有功功率P一定的前提下，无功功率补偿以后(补偿量QcQ1-Q2)，功率因数角由1减小到2，则cos2cos1提高了功率因数。（
22、2）降低输电线路及变压器的损耗三相电路中，功率损耗P的计算公式为 （式1.3）式中:P有功功率，kW； U额定电压，kV；R线路总电阻，。由此可见，当功率因数cos提高以后，视在功率S一定时,线路中功率损耗大大下降。（3）电压质量线路中电压损失U的计算公式 （式1.4）式中P有功功率，KW；Q无功功率，Kvar；U额定电压，KV；R线路总电阻，；XL线路感抗，。由上式可见，当线路中，无功功率Q减小以后，电压损失U也就减小了。（4）提高设备的出力如图1.3所示，由于有功功率PScos，当供电设备的视在功率S一定时，如果功率因数cos提高，即功率因数角由1到2，则设备可以提供的有功功率P也随之增大
23、到P+P，可见，设备的有功出力提高了。图1.3 有功功率计算示意图第2章 元器件介绍2.1 单片机简介2.1.1 单片机的发展历史单片微机（Single-Chip Microcomputer）简称单片机也有的叫做微处理（ Micro-Processor简写MP）或微控制器（Micro-Controller 简写MC），通常统称微型处理部件（Micro Controller Unit 简写MCU）。一般的说，单片机就是在一块硅片上集成CPU、RAM、ROM、定时器/计数器、和多种I/O的完整的数字处理系统。二十世纪，微电子、IC集成电路行业发展迅速，其中单片机行业的发展最引人注目。单片机功能强、
24、价格便宜、使用灵活，在计算机应用领域中发挥着极其重要的作用。从INTEL公司于1971年生产的第一块单片机Intel-4004开始，开创了电子应用的智能化新时代。单片机以其高性价比和灵活性，牢固树立了其在嵌入式微控制系统中的霸主地位，在PC机以286、386、Pentium、PIII高速更新换代的。同时，单片机却始终如一保持旺盛的生命力。例如，MCS-51系列单片机已有十多年的生命期，如今仍保持着上升的态势就充分证明了这一点。2.1.2 单片机的结构与组成目前，单片机的系统结构有两种类型：一种是将程序和数据存储器分开使用， 即哈佛（Harvard）结构，当前的单片机大都是这种结构。另一种是采用
25、和PC机的 冯.诺依曼（Von Neumann）类似的原理，对程序和数据存储器不作逻辑上的区分，用来存放用户程序，可分为EPROM、OTP、ROM和FLASH等类。EPROM型存 储器编程后其内容可用紫外线擦除，用户可反复使用，故特别适用于开发过程，但 EPROM型单片机价格很高。具有ROM型（掩膜型）存储器的单片机价格最低，它适用 于大批量生产。由于ROM型单片机的代码只能由生产厂商在制造芯片时写入，故用 户要更改程序代码就十分不便，在产品未成熟时选用ROM型单片机风险较高。OTP型 （一次可编程）单片机介于EPROM和ROM型单片机之间，它允许用户自己对其编程， 但只能写入一次。Flash
26、型（闪速型）单片机允许用户使用编程工具或在线快速 修改程序代码，且可反复使用，故一推出就受到广大用户的欢迎。Flash型单片机即可用于开发过程，也可用于批量生产，随着制造工艺的改进，Flash型单片机价格不断下降，使用越来越普遍，它已是现代单片机的发展趋势。 随机存储器（RAM）：用来存放程序运行时的工作变量和数据，由于RAM的制作工艺复杂，价格比ROM高得多，所以单片机的内部RAM非常宝贵，通常仅有几十到几百个字节。RAM的内容是易失性（也有的称易挥发性）的，掉电后会丢失。最近出现了EEPROM或FLASH型的数据存储器，方便用户存放不经常改变的数据及其它重要信息 。单片机通常还有特殊寄存器
27、和通用寄存器，它们是单片机中存取速度最快的存储 器，但通常存储空间很小。中央处理器（CPU）:是单片机的核心单元，通常由算术逻辑运算部件ALU和控制部 件构成。CPU就象人的大脑一样，决定了单片机的运算能力和处理速度。并行输入/输出（I/O）端口:通常为独立的双向口，任何口既可以用作输入方式，又可以作输出方式，通过软件编程来设定。现代的单片机的I/O口也有不同的功能，有的内部具有上拉或下拉电阻，有的是漏极开路输出，有的能提供足够的电流可以直接驱动外部设备。I/O是单片机的重要资源，也是衡量单片机功能的重要指标之一。串口输入/输出口：用于单片机和串行设备或其他单片机的通信。串行通信有同步和异步之
28、分，这可以用硬件或通用串行收发器件来实现。不同的单片机可能提供不同标准的串行通信接口，如USART、SPI、I2C、MicroWire等。定时器/计数器（T/C）:单片机内部用于精确定时或对外部事件（输入信号如脉冲）进行计数，有的单片机内部有多个定时/计数器。系统时钟:通常需要外接石英晶体或其他振荡源来提供时钟信号输入，也有的使用内部RC振荡器。以上是单片机的基本构成，现代的单片机又加入了许多新的功能部件，如模拟/数字转换器（A/D）、数字/模拟转换器（D/A）、温度传感器、液晶（LCD）驱动 电路、电压监控、看门狗（WDT）电路、低压检测（LVD）电路等等。我们在此根据设计的需要和单片机的性
29、能选用了Atmel公司设计生产的AVR系列的单片机，它的主要特点是：速度快、片内资源丰富、保密性好、可重复擦写及在系统编程ISP、工作电压范围宽、功耗低、支持JTAG仿真、与C语言的完美配合等特点。2.1.3 ATmega64器件介绍 高性能、低功耗的 8 位AVR 微处理器 先进的RISC 结构 130 条指令 大多数指令执行时间为单个时钟周期 32个8 位通用工作寄存器 全静态工作 工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS 只需两个时钟周期的硬件乘法器 非易失性程序和数据存储器 64K 字节的系统内可编程 Flash擦写寿命: 10,000 次 具有独立锁定位的可选Boot 代码区通过
30、片上Boot 程序实现系统内编程真正的同时读写操作 2K字节的EEPROM擦写寿命: 100,000 次 4K字节片内SRAM 64K 字节可选外部存储空间 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密 通过SPI 接口进行系统内编程 JTAG 接口( 与IEEE 1149.1 标准兼容) 符合JTAG 标准的边界扫描功能 支持扩展的片内调试功能 通过JTAG 接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程 外设特点 两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器 两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的扩展16 位定时器/ 计数器 具有独立振荡器的实时计数器RTC 两路8 位P
31、WM 通道 6路编程分辨率从1 到 16 位可变的PWM 通道 8路10 位ADC8 个单端通道7 个差分通道2 个具有可编程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道 面向字节的两线接口 可编程的串行USART 可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 片内模拟比较器 特殊的处理器特点 上电复位以及可编程的掉电检测 片内经过标定的RC 振荡器 片内/ 片外中断源 6种睡眠模式: 空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby 模式以及扩展的Standby 模式 软件选择时钟频率 熔丝位选择的ATmega103 兼容模式 全局上
32、拉禁止 I/O 和封装 53个可编程的I/O 口 64引脚TQFP 封装, 与 64 引脚MLF 封装 mega64的引脚排列如图2.1图 2.1 M64引脚排列图 工作电压 ATmega64L：2.7 - 5.5V ATmega64：4.5 - 5.5V 速度等级 ATmega64L：0 - 8 MHz ATmega64：0 - 16 MHz2.2 时实时钟芯片基础知识DS1302是美国DALLAS公司推出的具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟电路，DS1302一般在实时显示时间中的应用。它可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。2.2.1 实时时钟电路DS13
33、02的原理现在流行的串行时钟电路很多，如DS1302、DS1307、PCF8485等。这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用。这里介绍的实时时钟电路DS1302是DALLAS公司的一种具有涓细电流充电能力的电路，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通32.768kHz晶振。DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或
34、RAM数据。DS1302内部有一个318的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。引脚功能及结构图2.2示出DS1302的引脚排列,其中VCC1为后备电源，VCC2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由VCC1或VCC2两者中的较大者供电。当VCC2大于VCC10.2V时，VCC2给DS1302供电。当VCC2小于VCC1时，DS1302由VCC1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RS
35、T输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc2.5V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)，后面有详细说明。SCLK始终是输入端。图2.2 DS1302的引脚排列图DS1302的控制字如表2.1所示。控制字节的最高有效位(位7)
36、必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入DS1302中，位6如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据;位5至位1指示操作单元的地址;最低有效位(位0)如为0表示要进行写操作，为1表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始输出。7 6 5432101RAM/CKA4A3A2 A1A0RD/W表2.1 DS1302控制字2.2.2 数据输入输出(I/O)在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从低位即位0开始。同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0位到高位7。2.2.3 DS13
37、02的寄存器DS1302有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD码形式,其日历、时间寄存器及其控制字。此外，DS1302还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器内容。DS1302与RAM相关的寄存器分为两类：一类是单个RAM单元，共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为C0HFDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；另一类为突发方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性读写所有的RAM的31个字节，命令控制字为FEH(写)、FFH(读)。2.2.4 DS1302
38、实时显示时间的硬件DS1302与CPU的连接需要三条线，即SCLK(7)、I/O(6)、RST(5)。图2.3示出DS1302与MCU的连接图。图2.3 DS1302与CPU的连接需要三条线DS1302与微处理器进行数据交换时，首先由微处理器向电路发送命令字节，命令字节最高位MSB(D7)必须为逻辑1，如果D7=0，则禁止写DS1302，即写保护；D6=0，指定时钟数据，D6=1，指定RAM数据；D5D1指定输入或输出的特定寄存器；最低位LSB(D0)为逻辑0，指定写操作(输入)，D0=1，指定读操作(输出)。在DS1302的时钟日历或RAM进行数据传送时，DS1302必须首先发送命令字节。若
39、进行单字节传送，8位命令字节传送结束之后，在下2个SCLK周期的上升沿输入数据字节，或在下8个SCLK周期的下降沿输出数据字节。DS1302与RAM相关的寄存器分为两类:一类是单个RAM单元，共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为C0HFDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；再一类为突发方式下的RAM寄存器，在此方式下可一次性读、写所有的RAM的31个字节。2.2.5 DS1302应用说明要特别说明的是DS1302备用电源B1，可以用电池或者超级电容器(0.1F以上)。虽然DS1302在主电源掉电后的耗电很小，但是，如果要长时间保证时钟正常，最好选用小型充电电池。可以用老式电脑
40、主板上的3.6V充电电池。如果断电时间较短(几小时或几天)时，就可以用漏电较小的普通电解电容器代替。100F就可以保证1小时的正常走时。DS1302在第一次加电后，必须进行初始化操作。初始化后就可以按正常方法调整时间。 DS1302可以用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录，能实现数据与出现该数据的时间同时记录。这种记录对长时间的连续测控系统结果的分析及对异常数据出现的原因的查找具有重要意义。传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样，没有具体的时间记录，因此，只能记录数据而无法准确记录其出现的时间；若采用单片机计时，一方面需要采用计数器，占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，
41、同样耗费单片机的资源，而且，某些测控系统可能不允许。但是，如果在系统中采用时钟芯片DS1302，则能很好地解决这个问题。2.3 存储器基础知识2.3.1 I2C总线简介 I2C（InterIntegratedCircuit）总线是Philips公司开发的一种双向两线主机总线，它能方便地实现芯片间的数据传输与控制。通过两线缓冲接口和内部控制与状态寄存器，可方便地完成多机间的非主从通信或主从通信。基于I2C总线的多机通信电路结构简单、程序编写方便，易于实现系统软硬件的模块化和标准化。2.3.2 I2C总线的数据传送方式I2C总线器件之间通信串行数据线SDA和串行时钟线SCL传送数据，交换信息。每个
42、器件（微控制器、LCD驱动器、存储器或键盘接口）都要设置一个独特的地址码以示区别。根据通讯要求，器件可以工作于发送或接收方式，并允许有多个设备作为主站控制总线。总线上主和从、发送和接收的关系仅取决于每次数据传送的方向。2.3.3 AT24C512介绍AT24C512是Atmel公司生产的64KB串行电可擦的可编程存储器，内部有512页，每一页为128字节，任一单元的地址为16位，地址范围为00000FFFH。它采用8引脚封装，具有结构紧凑、存储容量大等特点，可以在2线总线上并接4片芯片，特别适用于具有大容量数据存储要求的数据采集系统，因此在测控系统中被大量采用。AT24C512的封装如图2.4
43、所示，各引脚的功能如下：图 2.4 AT24C512的封装图A0、A1地址选择输入端。在串行总线结构中，如需连接4个AT24C512芯片，则可用A0、A1来区分各芯片。A0、A1悬空时为0。SDA双向串行数据输入输出口。用于存储器与单片机之间的数据交换。 SCL串行时钟输入。通常在其上升沿将SDA上的数据写入存储器，而在下降沿从存储器读出数据并送往SDA。 WP写保护输入。此引脚与地相连时，允许写操作；与VCC相连时，所有的写存储器操作被禁止。如果不连，该脚将在芯片内部下拉到地。 VCC电源。 GND接地。NC悬空。（1）与单片机接口由于AT24C512沿袭了AT24C系列的接口特性，因此与单
44、片机的连接也可沿袭传统方法。一般A0、A1、WP接VCC或GND，SCL、SDA接地单片机的I/O口，即可实现单片机对AT24C512的操作。 （2）设备选址 在对AT24C512开始操作前，需要先发一个8位的地址字来选择芯片以进行读写。设备地址字格式如表2.2所示。其中“10100”为固定的5位二进制；A0、A1用于对多个AT24C512加以区分；R/W为读写操作位，为1时表示读操作，为0时表示写操作。10100A1A0RWMSBLSB表2.2设备地址字格式（3）写操作 AT24C512的写操作有写字节和写页两种方式。写字节时通常在向AT24C512发送设备地址字并接到应答信号后，还需要发送2个8位地址来选择要写数据的地址。AT24C512接收到这个地址后会应答一个零信号，然后接收8位数据进来，并再返回一个零应答信号。 在写页方式时，AT24C512可以一次性写入一页128字节。其初始化过程与写字节的方法基本相同。不同的是：当写入一个数据字节后，单片机不发停止状态，而是在应答信号后接着输入127个字节；每一个字节接收完毕后，AT24C512则照样输出一个零应答信号。（4）读操作 读操作有当前地址读、随机读、读串三种方式。其初始化过程基本与写操作相同，只是在设备选择字中的最低位要改成读而已。在当前地址读操作