【正文】 塊：通過數(shù)據(jù)采集通道將外界的模擬量、開關量全部轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入單片機，然后利用軟件濾波程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進行軟件濾波。 保護器 軟件系統(tǒng)整體設計 軟件系統(tǒng)采用主循環(huán)加中斷處理程序的模式。 使用 C語言進行軟件設計具有編程速度快、可靠性高、程序結(jié)構(gòu)清晰、可讀性和可移植性好、調(diào)試與維護方便、開發(fā)周期短等優(yōu)點。 (2)確保處理各個中斷處理程序的優(yōu)先級，確保實時性要求高的中斷能夠得到最快的處理；對臨界代碼段進行必要的保護，確保數(shù)據(jù)的 J下確性。 論文首先從總體上介紹了保護裝置的硬件設計，然后從系統(tǒng)的六大模塊出發(fā)，首先介紹了系統(tǒng)的核 心 MCU芯片 STC90C58AD單片機，詳細描述了該處理器的的基本性能、編程結(jié)構(gòu)，給出了該單片機系統(tǒng)的硬件原理圖以及單片機程序下載電路；然后介紹了人機接口模塊，其中重點詳細描述了液晶顯示模塊的結(jié)構(gòu)、顯示方法以及顯示命令等；介紹了保護裝置的電源模塊、通信模塊的硬件設計；專門設計了與片上 AD模塊相配合的信號處理電路來采集外部模擬信號量，設計了系統(tǒng)的 報警和保護動作電路 。 圖 圖 通信模塊 目前 RS232 是 PC 機與通信工業(yè)中應用最廣泛的一種串行接口。 VMF為 STC90C58AD內(nèi)置 A／ D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入?yún)⒖茧妷?，二級?D1和 D2主要起嵌位作用，可保證 2OV 在 2DV ～ (VMF+ 1DV )( 1DV 、 2DV 分別為 Dl、 D2的正向壓降 )之間波動。 2021 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 26 主要技術參數(shù)和顯示特性 : （ 1）電源： VDD ~+5V(內(nèi)置升壓電路，無需負壓 )； （ 2）顯示內(nèi)容： 128 列 64行 （ 3）顯示顏色：黃綠 （ 4）顯示角度： 6： 00 鐘直視 （ 5） LCD 類型： STN （ 6）與 MCU 接口： 8位或 4位并行 /3位串行 （ 7）配置 LED 背光 （ 8） 工作溫度 (Ta)： 0～ 60℃ (常溫 ) / 20～ 75℃（寬溫） （ 9）多種軟件功能：光標顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式。 (5)顯示信息量大且易于彩色化： LCD和 CRT相比，由于 LCD沒有蔭罩限制，像素可以做的很小，這對于高清晰電視是一種理想的解決方案。 液晶顯示器的特點 LCD作為電子信息產(chǎn)品的主要顯示器件，相對于其它類型的顯示部件來說，有其自身的特點： （ 1） 低電壓微功耗： LCD的工作電壓一般是 3～ 5V，每平方厘米的液晶顯示屏的工作電流為微安級，所以 液晶顯示器件是要求低功耗設備的首選顯示器件。 判斷閉合鍵所在的位置：在確認有鍵按下后，即可進入確定具體閉合鍵的 過程。 鍵盤設計 鍵盤是典型的輸入設備，其功能是為了輸入數(shù)據(jù)、命令以及查詢系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實現(xiàn)簡單的人機通信。電動機智能保護器 故障報警和 保護動作的執(zhí)行通道，可以將微處理器的保護決策送至繼電器、斷路器等電氣設備完成低電壓控制高電壓的工作。 (2)鍵盤、顯示模塊。 (3) 處理器運算速度快。所以硬件電路的設計不僅要考慮裝置系統(tǒng)功能的要求，還要考慮到使系統(tǒng)軟件設計實現(xiàn)時更簡單方便。 過壓保護的整定原則是：若在一定時限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均高于保護整定值，則認為有故障產(chǎn)生，應進行斷電保護。和變壓器的原理一樣，轉(zhuǎn)子電流增大，定子電流必然相應增大乜”，溫升增高。其實在實際生產(chǎn)中，電動機負載往往會有 一定的波動，這也要求電動機具有一定短時過載能力，不會因短時過載而 停機，影響正常生產(chǎn) 。式 ()為一階線性微分方程，其通解為 ： tCGSASQ ??? ??? e （ ） 式中 A—— 待定常數(shù)，由初始條件 00 ??t? 確定，即認為負荷不變化時，定子繞組溫度與周圍介質(zhì)的溫度相等，初始溫升為零。 電動機是由多種材料組 成的非均質(zhì)發(fā)熱體，其發(fā)熱情況比較復雜。 ?? （ ） 即 2/ ??? AA II 。 , — 電動機定予繞組相電流。 斷相故障特征分析及保護判據(jù) 電動機斷相故障是最常見、最嚴重的一種不對稱故障。在進行短路保護時，通過檢測電動機 A， B， C三相線電流來實現(xiàn)，超過整定值后，直接進行斷電保護． 設 maxI 為檢測到電動機三相電流 cba III ， 的最大值，即 （ ） 短路保護的原則是，當在很短的時限內(nèi)檢測到 eZD kIII ??max （ k 為短路過流倍數(shù)，一般取 8～ 10， eI 為電動機額定線電流）時，就認為電動機有短路故障，應進行速斷保護。 由式 （ ） 可知，只有當三相電流之和不等于零時才有零序電流分量。詳細情況如表 1所示。 (5)某些大型電機冷卻系統(tǒng)故障或是長時間工作在高溫高濕環(huán)境下造成電機故障。 根據(jù)電路等效的原理，將電動機的轉(zhuǎn)子側(cè)折算到定子側(cè)，并保持在折算前后磁勢保持不變， 電磁功率及損耗保持不變。以微控制器模塊為核心，分別介紹了保護裝置的各硬件模塊電路設計。針對電動機保護裝置的發(fā)展方向，結(jié)合課題的具體任務， 主要做了以下幾個方面的工作： (1) 參閱大量文獻資料，剖析原有電動機保護裝置平臺，深入理解電動機運行的基本原理，掌握電動機運行的特點以及容易出現(xiàn)的問題，明確電動機智能保護器的設計任務。智能型電動機保護器正以其優(yōu)異的性能取得各大原始設備生產(chǎn)商 的青睞，它將是電動機保護器的主要發(fā)展方向。智能電機保護器作為一種實時控制裝置，要求系統(tǒng)必須在明確的有界時間范圍內(nèi)，對故障信號做出響應，及時準確地實施保護。我國電子式保護器是由晶體管型發(fā)展至集成電路型，裝置功能基本滿 足電動機保護的要求。熱繼電器在電子技術尚不發(fā)達的時代曾是電機過載保護的首選產(chǎn)品，利用的是雙金屬片熱效應原理：雙金屬片是由兩片不同膨脹系數(shù)的金屬鉚合而成，通過的電流使它們產(chǎn)生熱量，并向膨脹系數(shù)小的一邊彎曲，彎曲的程度和電流的大小成正比，當電流超過熱繼電器整定電流的一定時間 就會啟動其中的脫扣裝置，從而起到切斷主回路達到保護基十單片機控制的電動機保護器設計的目的。電動機的故障或不正常運行輕則影響設備功能重則造成設備損壞和其它安全事故，引起重大的經(jīng)濟損失，電動機保護器的研究就顯得十分必要。 4．在軟件系統(tǒng)的設計上，根據(jù) STC90C58AD單片機的編程結(jié)構(gòu)特點，采用模塊化編程思想，將系統(tǒng)功能分解成較小的功能模塊，然后用子函 數(shù)和中斷處理函數(shù)等實現(xiàn)了電動機保護功能。2021 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 交流電動機綜合保護器設計 摘要 交流電 動 機是一種應用最廣泛的動力設備，在國民經(jīng)濟中起著舉足輕重的作用 ， 但是其高故障率對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大的經(jīng)濟損失，因此在分析傳統(tǒng)電動機保護裝置不盡完善的基礎上，研制功能完善、可靠性高的電動機保護裝置己經(jīng)成為必要。 3．以 STC90C58AD單片機為核心控制器設計了電動機保護 硬件 單元，并配以液晶顯示器等外圍設備構(gòu)成電動機保護系統(tǒng)。 在實際的生產(chǎn)環(huán)境中，由于電網(wǎng)波動，負載沖擊以及外界環(huán)境高溫、高濕、粉塵等的影響，導致電動機的安全運行受到很大的威脅。熱繼電器是用于保護電動機因過載引起過電流的裝置。電壓取樣型電動機保護器主要針對電動機工作電壓進行相應的檢測來對電動機進行保護；電流取樣型電動機保護器通過對電動機的線電流的變化檢測來對電動機進行保護。 智能型電動機保護器 目前，微機化的智能電機保護器開始逐漸取代傳統(tǒng)的保護器，成為電機保護器的主流。它還擁有顯示、通信、故障記錄等功能。 電動機保護器設計 的主要工作和論文的各章節(jié)安排 本課題的主要目的是研制基于 STC90C58MCU的電動機智能保護器，包括裝置硬件系統(tǒng)的設計、軟件系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試。 第三章論述了電動機保護器的硬件系統(tǒng)設計。旋轉(zhuǎn)磁場在閉合的轉(zhuǎn)子繞組中 產(chǎn)生感應電流，轉(zhuǎn)子即在電磁力的作用下做旋轉(zhuǎn)運動，轉(zhuǎn)速小于同步速。 (4) 因機械故障或其它原因造成電動機轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)。對稱故障的保護可通過常規(guī)的過流保護手段來實現(xiàn)對于嚴重的三相短路的保 護應該采用快速跳閘；堵轉(zhuǎn)故障的保護應該采用短時限跳閘；而對于對稱過載應采用定時限跳閘或反時限跳閘，反時限特性與電動機的溫升指數(shù)特性相配合。 () 式中， 1AI ， 2AI ， 0AI 分別是 A相電流用對稱分量法分解所得的正序電流、負序電流、零序電流；算子 J120ea? 。短路保護的整定值應大于電動機最2021 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 10 大穩(wěn)定啟動電流，一般取電動機額定電流的 8～ lO倍。從而 可有效地躲過電動機的起動電流，以免誤動作，使電動機無法正常啟動。I — 電動機額定相電流； CBA III 。 ?? （ ） e2 33131 IIIII CBAA ????? ）（。 電動機在運行過程中能量損耗主要有銅損、鐵損和機械損耗，它們會轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃浚徊糠滞ㄟ^機體散失到周圍空氣中，一部分積存在機體中加2021 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 13 熱電動機，使其溫度上升，最終超過環(huán)境溫度。 右邊 CGd? 是電動機溫度升高 d? 度所吸收的熱量， ? S? dt是 dt時間內(nèi)散失在周圍介質(zhì)中的熱量。 圖 1—— 電動機容許過載特性； 2—— 定時限過載保護特性； 3—— 階段式定時限過載保護特性； 4—— 反時限過載保護特性； 2021 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 16 電動機在設計時往往留有一定余量，因此電動機可以容許有一定的短時過載能力。 a．欠壓保護 在電動機負載和轉(zhuǎn)子電阻一定的條件下，電網(wǎng)電壓降低時，電磁轉(zhuǎn)矩下降，電動機轉(zhuǎn)速下降，旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子的相對轉(zhuǎn)速增大，磁通切割轉(zhuǎn)子導條的速度增大，因此 轉(zhuǎn)子繞組中感應出的電動勢和產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電流都將增大。 電動機在過電壓狀態(tài)下運行 ，容易對電動機的絕緣造成破壞，進而縮短電動機使用壽命，因此電動機應裝設過電壓保護。 硬件電路的設計是整個系統(tǒng)設計的基礎硬件，設計的好壞不僅直接影響硬件系統(tǒng)本身功能的實現(xiàn)，而且對以后的軟件系統(tǒng)設計與實現(xiàn)有很大的影響。繼電器的閉合與斷開，電動機的運行等都會在空間激發(fā)高頻電磁場，產(chǎn)生大量的強電磁干擾，影響電子設備正常運行甚至導致設備失效，因此在進行硬件電路設計時應該盡可能地提高硬件的抗干擾性能。處理器模塊使用 STC90C58AD單片機，利用片上 AD模塊對三相電壓電流以及電動機溫度進行檢測，根據(jù)保護算法進行保護決策。 (5) 報警和保護動作執(zhí)行模塊 。 圖 2021 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 23 鍵盤、顯示模塊 人機接口是本電動機保護器的重要組成部分，通過它可以實現(xiàn)人機交互，進行電動機參數(shù)設定，顯示電動機運行狀態(tài)以及報警等功能。若所有列線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。按不同需要組合液晶電極通電方式或把液晶電極做成各種需要的形狀，就能實現(xiàn)功能多樣、形態(tài)各異的顯示。這在信息量大、顯示密度高、觀看時間長的場合更顯得重要。 12864 漢字圖形點陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置 8192個中文漢字（ 16X16 點陣）、 128 個字符（ 8X16 點陣）及 64X256 點陣顯示RAM（ GDRAM）。電組 R R Rf和運放 ARl組成加法器，電阻 R Ro和運放 AR2組成反向器，電阻 R9和電容 Cl組成簡單低通濾波器 。當電動機發(fā)生故障時，置 P2． 5為 高 電平， 三極管 Q1導通 ，繼電器 K5斷開，進而交流接觸器 K7斷開，電動機失電停轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)電動機故 障自動掉電保護。 其電路圖如圖 所示： 2021 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 30 圖 本章小結(jié) 本章主要介紹了使用 STC90C58AD單片機實現(xiàn)電動機智能保護器的硬件電路設計方法，整個設計以宏晶科技推出的高性能基于 8051內(nèi)核的 STC單片機為設計核心。為保證整個系統(tǒng)的可靠性，在進行軟件設計時應始終以以下幾個原則為基礎： (1)確保 A／ D轉(zhuǎn)換不受干擾，保證外部數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r且準確 地輸入到處理器。電動機的保護軟件實現(xiàn)的功能較多、任務繁重，所以必須采用合理、高效的語言和方式編寫。對于大量的數(shù)據(jù)運算，例如數(shù)據(jù)采集、軟件濾波、程序邏輯判斷等的實現(xiàn)采用 C語言：對于設計硬件、端口操作以及其它實時性要求較高的操作采用匯編語言編程；軟件整體結(jié)構(gòu)采用 C語言編寫，這樣就兼顧了程序的效率和可讀性。 (2)通信子程序模塊：通過串行口將電動機以及電動機保護裝置本身的運行參數(shù)傳輸?shù)缴衔粰C PC中。 主程序的主體結(jié)構(gòu)為一個無限循環(huán)，單片機不斷重復調(diào)用電壓、電流、溫度的判斷程序，一旦出現(xiàn)故障便輸出保護動作并報警。 顯示子程序流程圖如圖 ： 圖 顯示子程序流程圖 開始 選擇字符顯示方式電動機智能保護器所帶的液晶顯示模塊需要實時顯示電動機和保護器的運行信息。 參數(shù)調(diào)整模塊的子程序流程圖如 圖 。 模擬量的數(shù)據(jù)采集由 AD模塊完成， AD轉(zhuǎn)換在定