基于AT89C52单片机的古建筑避雷装置仿真系统设计.pdf

电工材料 2023 No.4袁博洋等：基于AT89C52单片机的古建筑避雷装置仿真系统设计基于AT89C52单片机的古建筑避雷装置仿真系统设计袁博洋1，殷浩萱2，陈萱1，钟建伟1（1.湖北民族大学 智能科学与工程学院，湖北恩施 445000；2.河南大学 历史文化学院，河南开封 475001）摘要：基于AT89C52为控制内核，设计了一套面向不可移动文物建筑的改进避雷装置仿真系统，并详细阐述了系统的硬、软件。系统通过DHT11温湿度传感器对不可移动文物建筑周围的温湿度实时采集，并跟据环境变化设计由步进电机驱动的可升降、多档位避雷装置，同时系统还兼有雷击告警功能和LCD实时显示功能。经测试，系统可较好地实现预期的各项功能，具有较好的实用性。关键词：AT89C52单片机；避雷装置；古建筑中图分类号：TM863 DOI：10.16786/ki.1671-8887.eem.2023.04.012Design of Ancient Building Lightning Arrester Simulation System Based on AT89C52 Single-chip ComputerYUAN Boyang1,YIN Haoxuan2,CHEN Xuan1,ZHONG Jianwei1(1.College of Intelligent Systems Science and Engineering,Hubei Minzu University,Hubei Enshi 445000,China;2.Henan University,Henan Kaifeng 475001,China)Abstract:Based on AT89C52 as the control core,this paper designs an improved lightning protection simulation system for immovable cultural relics buildings,and elaborates the hardware and software of the system in detail.The system uses DHT11 temperature and humidity sensor to collect temperature and humidity around immovable cultural relics buildings in real time,and designs a step motor-driven,multi-step lightning protection device in accordance with environmental changes.The system also has lightning warning function and LCD real-time display function.Tested,the system can better achieve the expected functions,and has good practicability.Key words:AT89C52 single-chip computer;lightning protection devices;ancient architectural buildings0引言避雷装置主要由三部分组成：接闪装置、引下线和接地装置，主要应用于城市内现代化的高层建筑、各种需要做避雷保护的重要设施和不可移动文物保护单位。在建筑顶端装设导电性能良好的镀锌铜、镀锌钢作为接闪装置1，并设置多根专设引下线，通过多个接闪装置和引下线相互贯通，形成一张“接地网”，将雷电流导入大地中的接地装置并散流，避免建筑物因雷击而被破坏。民用避雷装置常用的接闪装置中的接闪杆俗称“避雷针”，主要是为了接引直击雷，防止雷电直接击中建筑物或设备造成财产损失和人身伤害。根据被保护建筑的高度和需要保护的范围，接闪杆的高度不同。目前不可移动文物保护单位中的古建筑常采用接闪杆作为防雷保护装置。接闪杆应用于不可移动文物保护单位，要贯彻与环境保护相协调的原则，尽可能做到防雷装置与不可移动文物保护单位本身的风貌相适应，但目前市场上的民用避雷接闪基金项目：湖北民族大学 2023 年研究生科研创新项目（编号：MYK2023073）；甘肃省优秀研究生创新之星项目“基于实地调研的不可移动文物保护单位的避雷装置改进方案”（课题批准号：2022CXZX02009）作者简介：袁博洋（1997-），男（汉族），河南开封人，硕士生，研究方向为电力系统及其自动化。收稿日期：2022-09-1643电工材料 2023 No.4袁博洋等：基于AT89C52单片机的古建筑避雷装置仿真系统设计装置并不能很好响应这个要求；且不同高度的接闪杆适用于不同高度、形制不同的不可移动文物保护单位，而目前市面上民用固定不可伸缩式接闪杆应对不同情况的不可移动文物保护单位并不具有较好的普适性。根据古建筑现有避雷装置存在的不足，本研究基于AT89C52单片机控制的具有多档位、可伸缩功能，提出古建筑避雷装置的改进方案。以AT89C52单片机作为核心控制单元，设计具有雷击监测告警功能、温湿度监测功能、根据温湿度环境变化控制步进电机自动调节接闪杆高度的功能的仿真系统，并可切换工作模式，实现手动控制和自动控制接闪杆不同档位的升降，将温湿度、雷击告警信息、所处档位通过LCD显示屏实时显示，为提高管理人员工作效率、促进不可移动文物保护单位的古建筑防雷保护规范化提出一种改进方案。基于上述功能目标设计硬件、软件，并给出仿真结果。1总体方案设计在本系统的设计中包括 AT89C52单片机主控模块、按键功能选择电路、声光告警电路、晶振和复位电路、LCD1602 液晶显示模块、ULN2003A 步进电机驱动电路、DHT11温湿度传感器模块。系统结构如图1所示。按键功能选择电路通过触发电平将信号传输给AT89C52，实现仿真系统的手动/自动升降控制，以及手动控制下手动升降的上升控制和手动升降的下降控制；DHT11温湿度传感器实时采集周围环境的温度和湿度信息，传送给 AT89C52；雷击信号采集电路通过触发电平向 AT89C52 传递信号，AT89C52在接收到有雷击发生时，驱动声光报警电路；AT89C52 与 LCD1602 的通信使 LCD1602 可显示当前所处环境的温湿度信息和是否有雷击的发生；设定了不同温湿度阈值范围的接闪杆可调档位，以AT89C52控制的ULN2007A步进电机驱动电路为升降系统的核心，实现接闪杆高度的升降。2硬件设计2.1AT89C52最小系统和按键功能选择电路AT89C52 单片机是美国 Atmel 公司生产的 51系列单片机的一个型号，它是一款低电压、高性能CMOS的8位单片机。片内含有8 KB可反复擦写的 Flash ROM 和 2568 位的 RAM，时钟频率为 024 MHz，可兼容MCS-51指令系统。AT89C52是同系列 AT89C51 各个方面的升级版，具有更大的ROM和RAM容量，增加了1个T2定时器/计数器，且具有低功耗空闲和掉电模式、睡眠和唤醒功能2，非常适合于古建筑的多档位可升降避雷装置低成本、能耗少、使用方便的需求。AT89C52 单片机最小系统指使单片机可以正常工作所需的最少元器件构成的电路，由AT89C52芯片、晶振、复位电路和电源组成3。AT89C52的第40引脚VCC和第20引脚VSS在单片机工作时分别接电源正极和负极，为系统的供电引脚；AT89C52单片机和其外部器件都是以时钟信号作为基准，按照时序逻辑运行，所以在单片机最小系统中需加入时钟电路保证系统正常工作，第18、19引脚XTAL1和XTAL2为时钟引脚，本系统的时钟电路选择内部时钟方式，在XTAL1和XTAL2之间跨接晶振和微调电容，构成稳定的自激振荡器，晶振的频率选择11.0592 MHz，该频率用于AT89C52与DHT11温湿度传感器串行通信时可得到准确的串行通信波特率，微调电容C1和C2是为了滤除晶振部分的高频信号，让晶振工作更加稳定，C1和C2设定为22 pF；第9引脚RST为系统复位引脚（高电平复位），本设计系统的复位电路主要由C3、R4和按键组成，功能包括上电复位和按键手动复位，电容C3正极接+5 V电源，通过C3和R4回路给电容C3充电，在RST引脚产生一个短暂的高电平信号，实现系统的上电复位，当按键按下时，RST引脚直接接收电源的高电平信号，引脚置1，实现按键手动复位；第31引脚EA为内外程序存储器选择控制端，本系统单片机的EA引脚外接+5 V电源，EA恒置1，通过访问片内程序存储器，实现系统的运行。模拟雷击按键、手动升降的上升控制按键和手动升降的下降控制按键分别连接AT89C52的P1.0、P1.1和P1.2口；系统的手动/自动升降控制开关连接图1仿真系统硬件结构44电工材料 2023 No.4袁博洋等：基于AT89C52单片机的古建筑避雷装置仿真系统设计AT89C52的P1.3口。通过控制I/O口的高低电平来实现控制和功能选择。单片机最小系统、按键功能选择电路的仿真电路如图2和图3所示。2.2DHT11温湿度传感器DHT11温湿度传感器是一款有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器4，具有体积小（长约1.25 cm，宽约0.6 cm，高约2.3 cm）、供电电压低（3.3 V5.5 V）、功耗低（待机时的最小供电电流约 60 A，测量时最大供电电流约1 mA）、性价比高（单价约为23元）的优点，满足于古建筑的多档位可升降避雷装置低功耗、低成本的要求，且在51系列单片机的温湿度数据采集中应用较为广泛，故本系统采用DHT11作为温湿度采集装置。DHT11的引脚有4个，3号引脚置空，1号VDD引脚接供电电压+5 V；2 号 DATA 引脚与 AT89C52单片机P2.1口连接，与单片机进行单总线双向的串口通信；4号GND引脚接地。DHT11仿真电路如图4所示。2.3声光报警电路考虑到雷击发生时可能造成的人身安全事故，本仿真系统中加入声光报警电路模块。声光报警电路主要由阻值为1 k的电阻R1和R3，LED发光二极管 D1，NPN 型晶体管 Q1 和压电式蜂鸣器BUZ1组成。AT89C52的 P2.0口连接晶体管 Q1基极输入端，发光二极管 D1 的阳极接高电平+5 V。当雷击按键被按下时表示此时有雷电击中避雷装置，P2.0口输出高电平，晶体管导通，发光二极管D1正向导通发光，同时蜂鸣器两端获得约+5 V的电压发出鸣叫；当雷击按键松开时表示避雷装置不再遭受雷击，AT89C52的 P1.0口恢复高电平，P2.0输出低电平，晶体管截止，发光二极管和蜂鸣器不再发出声光报警信号。声光报警电路的仿真电路如图5所示。图2AT89C52最小系统和手动/自动升降控制开关图3雷击信号输入和手动控制按键图4DHT11温湿度传感器图5声光报警电路45电工材料 2023 No.4袁博洋等：基于AT89C52单片机的古建筑避雷装置仿真系统设计2.4LCD1602液晶显示模块LCD1602液晶显示模块也被称为1602字符型液晶显示模块，是一种专门用来显示字母、数字、符号的点阵型液晶模块，具有省电（工作电压4.5 V5.5 V、工作电流约2 mA）、体积小、抗干扰能力强的优点。设计的仿真系统对现有古建筑避雷装置做出多档位可升降改进的同时加入了LCD1602增强人机交互的能力，方便工作人员及时了解避雷装置的运行状况。系统采用标准14引脚无背光的LCD1602，第4引脚RS数据命令选择引脚、第5引脚RW读写选择引脚和第6引脚E使能端分别接AT89C52的P2.5、P2.6、P2.7端口；AT89C52的 P0口内部没有上拉电阻，无 法 输 出 高 电 平，排 阻 RESPACK-8 接 到AT89C52 的 P0.0P0.7 起 到 上 拉 电 阻 的 作 用，LCD1602 的 D0D7 数据口分别接 P0.0P0.7，实现8位数据的传输和显示。LCD1602液晶显示模块的仿真电路如图6所示。2.5ULN2007A步进电机驱动电路考虑到多档位可伸缩的避雷装置需要满足对控制指令的快速响应和伸缩时对档位的精确定位，本系统拟采用4相5线步进电机作为升降系统的核心驱动单元。步进电机每一路的驱动电流约 30 mA，但AT89C52的驱动能力比较弱，如果直接采用单片机驱动，存在烧毁引脚的可能性，所以采用多通道达林顿管 ULN2007A 增强 AT89C52对步进电机的驱动能力5。达林顿管是由两个三极管复合而成，相当于一个三极管，但比一个三极管的电流放大倍数大很多，提高了电流驱动能力。ULN2007A是7个通道的达林顿管，每一路能提供的驱动电流为500 mA，具有很好的对步进电机的驱动能力。4相5线步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移和线位移的电动机，特别适用于需要精确定位、可重复性以及对启动、停止、反转、速度控制的古建筑避雷装置升降和档位定位的快速响应的应用。系统中ULN2007A的控制信号输入端1B4B与 AT89C52 单片机的 P3.0P3.3 端口连接，其中P3.2和 P3.3端口除控制步进电机正反转以外还需复用外中断引脚INT0和INT1，通过外部中中断引脚的电平和运行控制位TR0控制16位定时器，对波特率进行定时。ULN2007A步进电机驱动电路仿真电路如图7所示。3软件设计系统软件部分采用模块化程序设计方案，由主程序、DHT11温湿度检测子程序、LCD1602显示模块子程序、雷击信号及功能选择按键扫描子程序、步进电机正反转子程序、升降档位量控制子程序组成。软件程序在 Keil uVision5 上编译，定义名为Header.h 的头文件，其中包含#include、#include头文件预处理命令。AT89C52的I/O口定义以及对仿真系统各个子程序的函数声图6LCD液晶显示模块图7ULN2007A步进电机驱动电路46电工材料 2023 No.4袁博洋等：基于AT89C52单片机的古建筑避雷装置仿真系统设计明；分别定义 C 文件 DHT11.c、LCD1602.c 和 motor_control.c，在各个模块化子程序中对系统各个功能的函数编写定义，在主程序中调用各子程序，并生成HEX文件。3.1主程序3.1.1变量定义主程序中对变量的类型和含义规定如表 1所示。3.1.2执行主函数（1）数据初始化调 用 液 晶 屏 幕 初 始 化 函 数 lcd_start()，对LCD1602做初始化设置；调用液晶屏幕写数据函数lcd_write_data()对 LCD1602 写入档位信息Park-0和是否有雷击信号Thun-OFF和温湿度信息T:C，H:%；对P2.0端口置低电平，复位声光报警电路；调用16位定时器T0，开启定时器。定时时间到后开启中断，程序初始化结束。（2）执行While循环调用 DHT11 子程序中的 DHT11_receive()，首先判断单片机P2.1引脚是否为低电平，如果为低电平，延时80s后接收温湿度40位数据，执行温湿度信号的采集、数据传输与LCD温湿度的显示。（3）判断自动/手动控制按键状态如果按键被按下，即端口检测到低电平，执行自动升降子程序up_down()。自动升降子程序主要是针对不同湿度，控制接闪杆高度档位。设置当相对湿度为 30%RH 以下时，接闪杆档位为最低 0 档位；当相对湿度为30%40%RH时，接闪杆档位为1档位；当相对湿度为40%50%RH时，接闪杆档位为 2档位；当相对湿度为 50%60%RH时，接闪杆档位为 3档位；当相对湿度为 60%70%RH时，接闪杆档位为4档位；当相对湿度为70%RH以上时，接闪杆档位为最高档位5档位。如果自动/手动控制按键未被按下，则执行手动升降处理子程序key_scan()。手动升降处理子程序首先判断雷击信号按键是否被按下，如果雷击信号按下，则LCD显示屏Thun-OFF显示变为Thun-ON，同时声光报警电路动作，发出警告提示；而后程序扫描手动升降升按键和手动升降降按键是否被按下，如果被按下，则执行相应的步进电机上升正转和下降反转程序，同时将档位信息显示在LCD显示屏上。主函数的结构流程图如图8所示。表1主程序变量类型和含义变量定义DHT采集的温湿度接闪杆所处位置湿度测出需要升降的值LCD显示没有雷击LCD显示有雷击LCD显示所处档位和是否有雷击发生LCD显示温度和湿度雷击中断标志位步进电机正转代码步进电机反转代码变量名称cur_temp,cur_humiparkhumi_parkoff=OFFon=ON http1=Park-0 Thun-OFFhttp2=T:C H:%alarm_flagzmotorfmotor变量类型8位无符号字符型(u8)(外部变量)字符型(char)字符型(char)8位无符号字符型(u8)8位无符号字符型(u8)8位无符号字符型(u8)8位无符号字符型(u8)8位无符号字符型代码(u8)8位无符号字符型代码(u8)图8主程序流程47电工材料 2023 No.4袁博洋等：基于AT89C52单片机的古建筑避雷装置仿真系统设计3.2LCD1602子程序LCD1602子程序包含的是对LCD的读写命令函 数 定 义 和 LCD 初 始 化 函 数。首 先 需 要 对LCD1602进行忙状态检测，同时将8位数据的最高位状态返回给系统。如果LCD1602状态忙，则不能对 LCD1602 执行写命令操作；如果 LCD1602 状态不忙，可以对LCD1602执行读写命令。3.33DHT11子程序DHT11上电后在1 s的延时内不向单片机发送任何指令，防止误读，并测试和记录环境温湿度数据。DHT11驱动程序将 DATA端口电平置 1，此时DHT11 的 DATA 引脚处于输入状态，时刻检测AT89C52发送的外部信号命令；AT89C52的P2.1口被设置为输出的同时输出低电平，DATA=0，低电平持续时间设定为25 ms，随后AT89C52的P2.1设定为输入状态，等待DHT11做出应答；DHT11输出83 s的低电平作为应答信号，紧接着输出87 s的高电平通知AT89C52准备接收数据，AT89C52单片机的P2.1口此时处于输入状态，检测到DHT11的应答信号后，等待87 s的高电平后的温湿度数据接收；DHT11的DATA引脚输出40位数据，包括温度高八位、温度低八位、湿度高八位、湿度低八位和校正位；校正位判断数据无误后把接收到的温湿度数据实时显示在LCD显示屏上，DHT11输出40位数据后，继续输出低电平54 s，转为输入状态，DATA置1，重测环境温湿度，并记录数据，等待AT89C52的下一次外部信号到来。4仿真测试在 Keil uVision5编写软件程序，并与 Proteus 8 professional中的多档位可升降式古建筑避雷装置仿真系统进行联合仿真，系统仿真如图9所示。系统上电后，单片机的电源指示灯D2常亮，表示此时AT89C52处于工作状态，设定初始时接闪杆高度档位为4档，无雷击发生，环境温度为33，相对湿度 74%RH。打开手动/自动按键，此时系统处于手动控制模式；按下模拟雷击按键，声光报警电图9多档位可升降式古建筑避雷装置仿真系统（下转第51页）48电工材料 2023 No.4马鹏程：电力系统线损管理中用Shapley势值的研究决定权的 1/2 Shapley 值，均高于其他局中人的 3倍5。通过上述分析可知，应用博弈论来研究每个利益集团收益是可行的，为此，想要提高配电网电能损耗管理工作，首要任务就是编制相应的游戏规则，选择合适的人员等。3仿真计算在Shapley值理论法支撑下解决电力市场中随意的电力网络中的相应交易输电网损分配问题，对三个或四个交易情况进行仿真计算，以此得到交易中最简单的电网仿真计算结果（见表1）。由表1中的数据可知，利用Shapley值理论法计算出来的结果和比例分配法结果差异较大，比如其中最明显的是交易3。以Shapley值理论法计算结果为标准，比例分配法计算出的交易3有功损耗相对误差占比21.2%，无功损耗误差占比63.43%，就交易量而言，交易3功率因数最低6。两个理论计算结果存在差异的主要原因是比例分配法没有对无功、有功进行考量，不知道两者交叉会带来什么问题。而基于Shapley值理论法计算的结果与支路功率分量理论相同，误差基本为零。由此可知，该方法结果是理想，能够为线损管理提供准确的参考价值。4结束语电力市场涉及到了数学、电力系统、经济学等领域，能够相互产生很多新型事物，发挥各学科理论价值，并将其应用到电力市场进而应对实际问题，是电力领域相关工作人员应该积极研究的内容。博弈论的Shapley值理论法在随意功率因数潮流网络中有着一定作用，可以有效应对电能交易情况，并且不受其他交易影响，不管市场交易顺序如何，其网损分配结果是公平公正透明的。本次基于Shapley势值研究电力系统中的线损管理工作，具备了良好的经济学意义，其唯一缺点是计算量较大，但也不影响在线使用，对于电力系统管理而言具有一定推动作用。参考文献：1 孙特生,高兴洲,赵梅,等.基于博弈论Shapley值法的集体经营性建设用地入市流转收益分配研究J.世界农业,2022(8):90-100.2 李志强,李文鸽,何秋锦,等.基于半张量积的双合作博弈Shapley值计算J.中国科学:信息科学,2022,52(7):1302-1316.3 邬明亮,王可卿.基于Shapley值的电气化铁路储能合同能源管理收益分配C/浙江省电力学会2021年度优秀论文集,2022:19-26.4 朱真辉.电力计量自动化在线损管理中的应用J.科技与创新,2021(9):175-176.5 苏朝阳.电力系统线损精益化管理应用研究D.天津:天津工业大学,2020.6 宋佳磊.电力系统线损管理中存在的问题及其优化措施分析J.中国设备工程,2020(23):18-19.表 1各种方法的损耗分摊结果交易1234比例分配法0.l97 5l+j0.320 l00.l08 63+j0.l98 480.0l9 57+j0.076 830.039 50+j 0.089 64功率分量理论法0.l90 80+j0.357 750.l07 94+j0.202 380.025 72+j0.047 0l0.04l 58+j0.077 97Shapley值理论法0.l90 80+j0.357 750.l07 94+j0.202 380.025 07+j0.047 0l0.04l 58+j0.077 97路中D1亮，BUZ1发出警报；分别按下手动升降按键升按键和手动升降按键降按键，步进电机会按照指令实现正转和反转，LCD显示屏幕的Park显示当前接闪杆的档位；按下手动/自动按键，调节DHT11的相对湿度数据，步进电机控制接闪杆档位可随着相对湿度范围的变化而变化。5结论设计的基于 AT89C52单片机的多档位可升降式古建筑避雷装置改进方案具有结构较简单、成本较低、实用性较好的优点，并通过仿真软件进行了模拟，验证了系统应用于古建筑防雷理论上的可行性和有效性。参考文献：1 中国机械工业勘察设计协会.建筑物防雷设计规范,GB 500572010S.北京:中国计划出版社,2011.2 李朝青.单片机原理及接口技术M.北京:北京航空航天出版社,2006.3 吴海红.基于51单片机的温度控制系统设计与实现J.通化师范学院学报,2021(12):1-6.4 王汉林,钟建伟,吴颖颖,等.基于STM32单片机的变电站辅助设备监控系统设计J.电子测试,2021(17):8-10.5 钟建伟,张钦惠,王智方,等.基于AT89C52单片机电梯控制仿真系统的设计J.电工材料,2020(3):50-54.（上接第48页）51