【文章內(nèi)容簡介】 。 23 附錄 2 44 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 1 1 緒 論 研究目的 電動機保護器（電機保護器）是發(fā)電、供電、用電系統(tǒng)的重要器件。是跨行業(yè)、量大面廣、節(jié)能效果顯著的節(jié)能機電產(chǎn)品。幾乎滲透到所有用電領(lǐng)域；是工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國防建設(shè)及人民生活正常生產(chǎn)和安全工作的重要保證，在國民經(jīng)濟和節(jié)能事業(yè)中有著不可替代的重要地位和作用。 電氣、機械、冶金、建筑、煤炭、石油、化工、汽車、飛機以及造船工業(yè)等都離不開電機。據(jù)不完全統(tǒng)計，全國使用的中型電機大約有 20xx 萬臺，每年燒毀的電機約占16%，約 320 萬臺，平均每臺的維修費用 1000 元，總費用為 32 億元左右。另外，由于電機的故障、損壞所造成的其它事故以及導(dǎo)致工廠停產(chǎn)所造成的間接經(jīng)濟損失則更為巨大。 造成這種現(xiàn)象的原因是多方面的，除了管理措施不完善等因素外，關(guān)鍵 的問題是 在目前各種電機保護裝置中，普遍存在著要么智能化程度高而價格過高、體積較大不便在有限制的控制裝置中安裝，推廣難度大；要么價格低而智能化程度低，對故障的判斷由于缺少智能分析而影響使用效果，目前廣泛使用不帶 CPU 的集成電路制作的電機故障檢測儀，雖然可判斷電流超限、缺相等故障，但無智能判斷，只能簡單地以電流超限為判據(jù)，而 實際使電機發(fā)生故障是電流的時間和環(huán)境溫度的函數(shù)，同時也不能對故障情況存儲記錄和數(shù)據(jù)顯示，另外，儀器沒有適時運行參數(shù)顯示功能，設(shè)定的參數(shù)與實際運行的參數(shù)無法對照，不能根據(jù)實際負(fù)荷情況設(shè)定電流，因此 使用時既不準(zhǔn)確可靠、又不直觀方便，很不利于故障的排除，導(dǎo)致現(xiàn)場經(jīng)常放棄使用這類保護。 為避免影響生產(chǎn)，開發(fā)一種性能穩(wěn)定、保護種類齊全、動作速度快、靈敏度高、可靠性好的智能監(jiān)測電機保護儀 顯然 十分必要。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 世界上第一臺電子式電機保護器誕生在韓國的三和公司， EOCRSS 的 電子式電動機保護器 對我國的保 護器行業(yè)發(fā)展起到了巨大的推動作用。 已由晶體管發(fā)展到集成電路至今已發(fā)展到微處理芯片厚模電路，從功能上一般分為斷相保護、綜合保護（多功能保護）、溫度保護和智能保護。此類保護器具有節(jié)能、動作靈敏、精確度高、耐沖擊振動，重復(fù)性好、保護功能齊全、功耗小等優(yōu)點。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 2 隨著我國用戶對保護器的了解逐步加深，目前我們國內(nèi)也有很多廠家生產(chǎn)出了與世界先進水平接近的產(chǎn)品，我們這些廠家還需要在產(chǎn)品的性能穩(wěn)定、抗干擾等方面盡快縮短與世界先進水平的距離，我們有信心相信在中國的市場上會涌現(xiàn)出越來越多的性能優(yōu)異的電機保護器產(chǎn)品。 本 文主要研究內(nèi)容 本論文針對低壓電動機容易出現(xiàn)的故障， 以 交流采樣的方法進行數(shù)據(jù)采集為 依據(jù)，采用 檢測三相電壓 、 三相 電流、零序電流的方法，得出了電動機故障的準(zhǔn)確判據(jù)，確定了各種故障的保護措施，對電動機實現(xiàn)了短路、 欠壓 、 斷相 、 漏電 、 過載 等保護功 能。 本文以 8 位單片機 AT89C52 做微處理器， AT89C52 單片機內(nèi)置 256 字的 RAM 和8K 字的 ROM，可以進行外部擴展數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器，具有性能較好的 I/O、運算等功能，有合適的指令系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)電機智能保護，電路簡單，功能齊全。 在實現(xiàn)自動化的過程中，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié) 是數(shù)據(jù)采集 。 交流采樣是將二次測得的電壓、電流經(jīng)高精度的 CT、 PT 變成計算機可測量的交流小信號，然后再送入計算機進行處理。由于這種方法能夠?qū)Ρ粶y量的瞬時值進行采樣，因而實時性好，相位失真小。它用軟件代替硬件的功能又使硬件的投資大大減小。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 3 2 總體方案設(shè)計 基本原理 通過電流互感器，電壓互感器和零序電流互感器得到得到每相電路的的電流電壓信號，再通過電壓變換器和電流變換器將所得信號轉(zhuǎn)換成 5V的電壓信號。經(jīng)過二階 RC濾波電路后，模擬信號通過采樣保持器，多路轉(zhuǎn)換開關(guān)， A/D 轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號被單片機所接收。 單片機通過參數(shù)判斷，若有故障則發(fā)出信號使繼電器動作，斷開電路保護電機，同時顯示故障的類型和發(fā)生時間；若沒有故障電機繼續(xù)工作。 原理框圖 圖 21 硬件原理框圖 電源 電流互感器 零序電流互感器 電機 A/D轉(zhuǎn)換器 電流變換器 電壓互感器 電壓變換器 電流變換器 采樣保持器 單片機 多路轉(zhuǎn)換器 故障顯示 繼電器 光電隔離 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 4 3 AT89C52單片機介紹 芯片簡介 AT89C52 是一個低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 256 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性 存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲單元，功能強大的 AT89C52 單片機可提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場合。 AT89C52 有 40 個引腳， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時內(nèi)含 2 個外中斷口， 3 個 16 位可編程定時計數(shù)器 ,2 個全雙工串行通信口， 2 個讀寫口線， AT89C52 可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和 Flash 存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash 存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 引腳介紹 89C52 引腳圖如下 ： ⑴ P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動 8 個 TTL 邏輯門電路，對斷口 P0 寫“ 1”時，可作圖 31 AT89C52引腳圖 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 5 為高阻抗輸入端使用 。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組端口線分時轉(zhuǎn)換地址 和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。 ⑵ P1 口： P1 口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動 4 個 TTL邏輯門電路。對端口寫“ 1”，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi) 部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。 ⑶ P2 口： P2 口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動 4 個 TTL邏輯門電路。對端口寫“ 1”，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電 阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流 。 ⑷ P3 口： P3 口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P3 的輸出緩沖級可驅(qū)動 4 個 TTL邏輯門電路。對端口寫“ 1”，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流 。此 外， P3 口還接收一些用于 Flash 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。 ⑸ RST： 復(fù)位輸 入， 當(dāng)振蕩器工作時， RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。 ⑹ ALE/PROG： 當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時， ALE（地址鎖存允許）輸入脈沖或用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。一般情況下， ALE 仍以時鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時或用 于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中的 8EH單元的 D0 位 置位，可禁止 ALE 操作。該位置位后，只有一條 MOVX 和 MOVC 指令才能將 ALE 激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置 ALE 禁止位無效 ⑺ PSEN： 程序存儲允許 PSEN 輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng) AT89C52 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次 PSEN 信號。 ⑻ EA/VPP： 外部訪問允許， 欲使 CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為 0000HFFFFH）， EA 端必須保持低電平（接地）。需注意 的是：如果加密位 LB1 被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存 EA端狀態(tài)。如 EA 端為高電平（接 Vcc 端）， CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 6 ⑼ XTAL1: 振蕩器反相放大器的內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 ⑽ XTAL2: 振蕩器反相放大器的輸出端。 存儲區(qū)結(jié)構(gòu) ⑴ 程序存儲器 一個微機系統(tǒng)之所以能夠按照 — 定的次序進行工作，主要在于內(nèi)部存在著程序，程序?qū)嶋H上是由用戶程序形成的一串二進制碼，該二進制碼存放在程序存儲器之中， 8952 有 8K 內(nèi)部 ROM 用來存放程序 ⑵ 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器 8952 內(nèi)部有 256 個字節(jié)的隨機存取存儲器 RAM，作為用戶的數(shù)據(jù)寄存器，它能滿足大多數(shù)控制型應(yīng)用場合的需要，用作處理問題的數(shù)據(jù)緩沖器。 ⑶ 特殊功能寄存器 (SFR—— Special Function Register) 特殊功能寄存器反映了 8952 的狀態(tài)，實際上是 8952 的狀態(tài)字及控制字寄存器。SFR 綜合的、實際的反映了整個單片機基本系統(tǒng)內(nèi)部的工作狀態(tài)及工作方式。 ⑷ 位地址空間 8952 的一個很大優(yōu)點在于它具有一個功能很強的位處理機。在 8952（兼容 MCS— 51）的指令系統(tǒng)中，有一個位處理指令的子集，使用這些指令，所處理的數(shù)據(jù)僅為一位二進制數(shù) (0 或 1)。 在 8952 單片機內(nèi)共有 211 個可尋址位，它們存在于內(nèi)部RAM(128 個 )和特殊功能寄存器區(qū) (83 個 )中。 ⑸ 外部數(shù)據(jù)寄存器 8952 應(yīng)用系統(tǒng)往往是一個擴展系統(tǒng)。當(dāng)片內(nèi) RAM 不夠用時，可在片外部擴充數(shù)據(jù)存儲器。 8952 給用戶提供了可尋址 2*64K 字節(jié)的外部擴充 RAM 的能力，至于擴多少 RAM，則根據(jù)實際需要來定。 ⑹ 中斷寄存器 AT89C52 有 6 個中斷源， 2 個中斷優(yōu)先級， IE 寄存器控制各中斷位， IP 寄存器中 6 個中斷源的每一個可定為 2 個優(yōu)先級。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 7 4 模塊電路設(shè)計 數(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)采集所用器 件 ⑴ 電壓互感器 本設(shè)計選用 380/100 電壓互感器。額定輸入電壓為 500V，可輸入 380V電壓輸出 100V。 ⑵ 電流互感器 1500/5 電流互感器 本設(shè)計選用 電流互感器。工作額定電壓為 500V，額定電流比為 20Ａ /5Ａ。 電流互感器二次側(cè)是不允許開路的 ⑶ 零序電流互感器 零序電流互感器型號為 CT(Z)FL150 本設(shè)計選用一次側(cè)電流為 10MA~100A，二次 TH44 交流電壓信號隔離變換器 /變送器 TH44 交流電壓信號隔離變換器 /變送器，用來測量 工頻交流電壓量，輸出隔離的標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號。最小測量范圍工頻 0~20mV，最大測量范圍為側(cè)電流為 ~30MA ⑷ 電壓變換器工頻 0~450V。 本設(shè)計選用輸入電壓為 0~270V，輸出為 0~5V ⑸ 電流變換器 本設(shè)計選用武漢格藍若光電互感器有限公司的電流變換器。 ⑹ RC 二階濾波電路 ⑺ 采樣保持器 LF398 信號采樣保持電路 采用保持器 LF398 對電壓信號進行采樣 /保持。在單片機 口的控制下，高電平，采樣；低電平，保持。 芯片特點 ： LF398 是一種高性能單片采樣 /保持器。它具有很高的直流 精度、很快的采樣時間和低的下降速度。器件的動態(tài)性能和保持性能可通過合適的外接保持電容達到最佳。例如選擇 1000PF 的保持電容，具有 6us 的采樣時間，可達到 12bit 的精度。 LF398 的價格低河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 8 廉。電源電壓可從177。 5～177。 18V任意選擇，其性能幾乎無影響。采樣 /保持的邏輯控制可與 TTL 或 CMOS 電平接口。它可廣泛地應(yīng)用于高速 A/D 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和要求同步采樣的領(lǐng)域。該器件外形采用 8 腳 DIP 封裝結(jié)構(gòu)。 采樣模塊原理 通過電壓互感器，電流互感器，變換器，濾波電路得到的電壓信號由采樣保持器LF398 的引腳 3 輸入。引腳 8 是邏輯輸入端，它與單片機的 腳連接。由單片機輸出高低電平控制采樣保持器采樣或保持（高電平采樣，低電平保持）。通過調(diào)節(jié)保持電容CH 來改變采樣頻率， CH 減小可以提高采樣頻率，相反，適當(dāng)增大也可以降低采樣頻率。 多路轉(zhuǎn)換模塊 在切換速度要求高、路數(shù)多的情況下 ,宜選用多路模擬開關(guān)?？紤]到其后 級 A／ D 轉(zhuǎn)換 的速度 ，又由于本設(shè)計共有 7 個采樣信號，所以選用 8 路的轉(zhuǎn)換器 AD7501.,它的速度略大于 AD AD7501 原理 介紹 AD7501 型多路模擬開關(guān)集成芯片 ，這是具有 8 路輸入通道、 1 路公共輸出的多路開關(guān) CMOS 集成芯片。由三個地址線（ A0、 A A2）的狀態(tài)及 EN 端來選擇 8 個通道之中的一路，片上所有的邏輯輸入端與 TTL/DTL 及 CMOS 電路兼容。 轉(zhuǎn)換模塊工作原理 由 7 路采樣保持器 LF398 的引腳 5 輸出的采樣值分別與多路轉(zhuǎn)換開關(guān) AD7501的 S1~S7 引腳相接。 AD7501 的 EN 腳與單片機的 相接，當(dāng) EN 被置 1 時，多路轉(zhuǎn)換開關(guān)開始工作。它的 A0， A1， A2 引腳分別與單片機的 ， ， 引腳相接，有單片機發(fā)出信號指示多路轉(zhuǎn)換開 關(guān)選通哪個通道。 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 采樣得到的信號都是模擬信號，不能被單片機識別，所以采用 AD 轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號?？紤]到分辨率和轉(zhuǎn)換精度此次設(shè)計采用 12 位的轉(zhuǎn)換器 AD574. A/D574 芯片介紹 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 9 AD574 是一個完整的 12 位逐次逼近式帶三態(tài)緩沖器的 A/D 轉(zhuǎn)換器，它可以直接與8 位或 16 位微型機總線進行接口。 AD574 有 6 個等級，其中 AD574AJ、 AD574AK 和AD574AL 適合在 0~+70℃ 溫度范圍內(nèi)工作 ,AD574AS、 AD574AT 和 AD574AV適合在55～ +125℃ 溫度范圍內(nèi)工作。 AD574 DB0～ DB11—— 12 ULOGIC —— 邏輯電源 +5V（ +~+ UCC—— 正電源 +15V（ +～ +）。 UEE—— 負(fù)電源 15V（ ～ AGND、 DGND—— 模擬和數(shù)字地。 STS—— 轉(zhuǎn)換狀態(tài)信號。轉(zhuǎn)換開始 STS＝ 1,轉(zhuǎn)換結(jié)束 STS＝ 0。 10VIN—— 模擬信號輸入。單極性 0～ 10V，雙極性177。 5V 20VIN—— 模擬信號輸 入。單極性 0～ 20V，雙極性177。 10V。 REFIN—— 參考電壓輸入。 REFOUT—— BIPOFF—— 雙極性偏置。 CS：片選信號，低電平有效。 CE CS CE 同時有效， AD574A 才能工 作。 R／ C：讀出或轉(zhuǎn)換控制信號，用于控制 ADC574A 是轉(zhuǎn)換還是讀出。當(dāng)為低電 平時，啟動 A／ D 轉(zhuǎn)換