【導讀】動機保護裝置己經(jīng)成為必要。本文圍繞基于微控制器的電動機綜合保護裝置的研究這一任。本文的主要研究內容概括如下。1．分析了電動機運行的基本原理、電動機故障特征以及保護原理。2．給出了電動機保護裝置的實現(xiàn)方案。壓保護、漏電保護以及過熱保護等功能。配以液晶顯示器等外圍設備構成電動機保護系統(tǒng)。動機保護器的測量精度，靈敏度以及保護性能均達到了設計要求。

　　

【正文】 電壓檢測。由于STC90C58AD單片機內置 A／ D轉換器的模擬輸入通道要求輸入信號為 O～ 5V的單極性電壓信號，因此經(jīng)電壓／電流傳感器采樣的交流信號必需轉換為O～ 5V的單極性電壓信號。圖 ，其余兩路相同。 圖 圖 R1為采樣電阻，其主要作用是將電流互感器 CT2的感應交流電流轉換為交 流電壓。利用運放 1的高輸入阻抗，來抑制負載對采樣精度的2020 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 28 影響。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 。 VMF為 STC90C58AD內置 A／ D轉換器的模擬輸入?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。 根據(jù)運算放大器相關原理，可列出如下方程： ffO VRRVRRV 41211 ??? OOO RVRV 271 ?? 令 2R = fR = 4R = aR , 7R = oR = bR ,則可得 feO VVV ??2 。 若取 fV =,當 eV 在區(qū)間 ～＋ 取值時，則 2OV 為 0～ 5V 的單極性電壓信號，滿足 STC90C58AD 單片機內置 A/D 轉換器對模擬輸入信號的要求。當單片機模擬輸入通道輸入電壓 2OV 為 0～ 5V 時， A/D 轉換器的輸出結果為： A NG NDV A NG NDVAD REFOO ???? 21024 電壓采樣是通過電壓互感器來實現(xiàn)的，其調理原理同電流信號調理原理，電路圖如圖 。 圖 報警和保護動作執(zhí)行模塊 本裝置為電動機故障提供蜂嗚器發(fā)聲報警，報警電路如圖 。 其工作原理是：電動機處于正常運行狀態(tài)時，置 ，三極管 Q2基2020 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 29 極無電流處于截止狀態(tài)，蜂鳴器也處于截止狀態(tài)，報警失效；當電動機出現(xiàn)故障時，置 ，由于三極管 Q2的導通而導致蜂鳴器導通發(fā)聲，從而實現(xiàn)保護裝置的故障自動報警功能。 當電動機發(fā)生故障時需要一個急停的保護動作， 圖 作執(zhí)行保護電路。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，從而實現(xiàn)電動機故障自動掉電保護。 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。RS232 被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標準。典型的 RS232 信號在正負電平之間擺動，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端驅動器輸出正電平在 +5~+15V，負電平在 5~15V 電平。當無數(shù)據(jù)傳輸時，線上為TTL，從開始傳送數(shù)據(jù)到結束，線上電平從 TTL 電平到 RS232 電平再返回TTL 電平。接收器典型的工作電平在 +3~+12V 與 3~12V。 RS232 是為點對點（即只用一對收、發(fā)設備）通訊而設計的，其驅動器負載為 3kΩ ~7kΩ。所以 RS232 適合本地設備之間的通信。 其電路圖如圖 所示 ： 2020 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 30 圖 本章小結 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內核的 STC單片機為設計核心。 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、編程結構，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構、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 。 2020 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 31 第 4 章 電動機保護器系統(tǒng) 軟件設計 軟件的功能是以硬件為基礎完成各種保護算法及方案，并提供豐富靈活的手段對裝置進行整定、監(jiān)視和維護，是整套裝置的靈魂。電動機智能保護裝置的軟件設計主要任務是： (1)提供準確、實時的保護算法。 (2)為用戶提供簡潔、方便、清晰的人機對話界面。 (3)提供簡便快速的整定值設定方法，時間校準方法。 (4)及時、可靠地完成對各種故 障的保護。 由于保護裝置擔負著保證電動機安全穩(wěn)定運行的重大使命，它時刻處于工作狀態(tài)，且必須能夠準確地完成保護動作，所以微機保護的軟件可靠性是對軟件開發(fā)的最主要的要求。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轉換不受干擾，保證外部數(shù)據(jù)能夠實時且準確地輸入到處理器。 (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。 (3)注重程序的模塊化設計，提高整個程序的可靠性和可讀性。 (4)正 確 處理慢速外設的數(shù)據(jù)傳輸問題。 (5)本保護裝置的軟件設計采用模塊化程序設計方法，將整個應用程序以硬件模塊為基礎劃分為若干個獨立的程序模塊，各個模塊單獨設計、編寫代碼和調試，然后將所有模塊裝配連接成一個整體進行綜合調試，最終成為一個完成全部功能，具有實用價值的程序。 程序設計語言選擇 電動機智能保護器的軟件是一種實時功能處理軟件。軟件是微機應用的關鍵，是數(shù)據(jù)處理、運算、邏輯判斷的具體實現(xiàn)。電動機智能保護裝置與傳統(tǒng)的保護方式的主要區(qū)別是可通過軟件編程去控制硬件執(zhí)行來實現(xiàn)保2020 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 32 護功能。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。 使用 C語言進行軟件設計具有編程速度快、可靠性高、程序結構清晰、可讀性和可移植性好、調試與維護方便、開發(fā)周期短等優(yōu)點。 C語言主要特點如下：語言簡潔、緊湊、使用方便、靈活；運算符、數(shù)據(jù)結構豐富；具有結構化的控制語句；允許直接訪問物理地址，能進行位操作，可以直接對硬件進行操作。采用高級語言 C語言編程可使編程人員有更多的時間考慮功能的實現(xiàn)、軟件結構的設計，而減少編程本身花費的時間。但是，采用 C語言編寫的程序生成的指令代碼會較長，因此 C語言編寫的程序執(zhí)行起來 會較匯編程序花費的時間長。 匯編語言具有程序代碼短小精悍，程序效率高等優(yōu)點。但是，匯編語言與高級語言相比存在諸多不利因素：工作量大、變量組織困難、地址安排復雜、容易出錯、調試困難、開發(fā)周期長、通用性差、可讀性差，不利于軟件的升級和保護功能的改進。 為達到設計要求并充分利用單片機的資源和性能，課題的軟件設計采用 C語言與匯編語言混合編程。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；軟件整體結構采用 C語言編寫，這樣 就兼顧了程序的效率和可讀性。 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。主程序循環(huán)完成鍵盤掃描和顯示刷新任務，響應用戶輸入的鍵盤命令并實時顯示故障處理程序輸出信息；中斷處理程序主要有定時器定時時間到中斷、 A／ D轉換完成中斷、串行口接收發(fā)送完成中斷等。在主循環(huán)執(zhí)行過程中一旦出現(xiàn)中斷申請，系統(tǒng)在運行完臨界代碼后立即暫停執(zhí)行主循環(huán)程序，轉而執(zhí)行中斷服務程序。中斷執(zhí)行完成后，回到主循環(huán)程序的斷點處繼續(xù)執(zhí)行主循環(huán)程序。系統(tǒng)程序根據(jù)中斷處理任務的重要性，給中斷處理程序賦予不同的優(yōu)先級，高優(yōu)2020 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 33 先級的中斷可以暫停低優(yōu)先級的中斷處理程序，使 CPU轉而執(zhí)行高優(yōu)先級的中斷處理程序 。 根據(jù)模塊化的思想，軟件系統(tǒng)按照功能可以劃分為如下幾個模塊： (1)人機接口模塊：包括液晶顯示子模塊和鍵盤檢測子模塊。液晶顯示模塊負責電量顯示、裝置信息顯示、整定值和控制值顯示；鍵盤檢測子程序主要檢測按鍵狀態(tài)與鍵值處理子程序相配合完成系統(tǒng)運行參數(shù)的設置。 (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。 (3)數(shù)據(jù)采集程序模塊：通過數(shù)據(jù)采集通道將外界的模擬量、開關量全部轉換成數(shù)字量送 入單片機，然后利用軟件濾波程序對采集到的數(shù)據(jù)進行軟件濾波。 (4)數(shù)據(jù)處理、保護決策程序模塊：對采集到的數(shù)據(jù)進行一定的運算，并根據(jù)數(shù)據(jù)進行保護決策。 (5)系統(tǒng)抗干擾程序設計：包括數(shù)據(jù)濾波以及看門狗程序等。 保護器 主程序設計 主程序的主要功能是對系統(tǒng)各個外設模塊進行初始化、調用各個子程序完成各項功能和開中斷等。上電復位后，單片機將復位向量裝載到程序地址寄存器，然后 CPU就從復位向量處開始執(zhí)行程序。主程序先進行初始化，為各個子程序的調用和系統(tǒng)各個模塊的使用做好準備，然后查詢按鍵，判斷是否需要進行各種控 制參數(shù)的調整。如果需要調整參數(shù)則進入?yún)?shù)調整子程序，進行各種參數(shù)的設置；最后程序進入主循環(huán)。 主程序的主體結構為一個無限循環(huán)，單片機不斷重復調用電壓、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。同時進行按鍵的掃描和顯示刷新。 主程序并不參與具體的工作，而是去管理各子程序，各種工作均由不同的子程序分別完成。這種方式可以實現(xiàn)程序的模塊化設計。使主程序和子程序的修改及調試工作都變得十分方便。 2020 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 34 主程序流程圖如圖 ： 主程序 系統(tǒng)初始化 參數(shù)調整？ 調用參數(shù)調整子程序 調用電壓、電流以及溫度保護 判斷子程序 輸出保護動作？ 調用保護動作子程序 掃描鍵盤、刷新顯示 N Y N Y 2020 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 35 圖 主流程圖 鍵盤子程序設計 鍵盤中斷服務程序由外部中斷輸入引腳 EXINT觸發(fā)，當有按鍵按下時，CPU響應 EXINT外部中斷，轉入鍵盤中斷服務程序。 鍵盤中斷服務程序 關閉鍵盤中斷 延時 10ms 去抖 讀 P2口，確定是否有鍵按下 有鍵按下？ 逐行掃描進行按鍵識別，計算鍵值 根據(jù)鍵值和程序運行狀態(tài)，調用相應鍵值處理程序 開鍵盤中斷 中斷返回 N Y 2020 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 36 圖 鍵盤中斷服務程序流程圖 顯示子程序設計 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。因此，需要在主循環(huán)內不斷刷新顯示。 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。 因此，需要在主循環(huán)內不斷刷新顯示。 設置字符顯示區(qū)首地址 設置顯示緩沖區(qū)首地址 取顯示內容 輸出控制信號 輸出顯示內容 完成顯示？ 返回 Y N 2020 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 37 定時器及數(shù)據(jù)采集 子程序設計 STC90C58AD單片機有 兩 個與 8051相兼容的定時器：定時器 0、定時器 l。在本裝置中定時器 0作為普通定時器，產生周期性定時中斷以啟動 AD轉換；定時器 1作為串行通信的波特率發(fā)生器使用。 模擬量的數(shù)據(jù)采集由 AD模塊完成， AD轉換在定時器 0的中斷處理程序中啟動，采用中斷方式，在 AD轉換完成后讀取轉換結果，然后對轉換結果進行軟件濾波。 開關量的數(shù)據(jù)采集直接從 FO口讀取邏輯電平值即可。 程序流程圖如圖 所示。 圖 開始 清除中斷標志 讀取轉換結果 軟件濾波處理 讀取開關量輸入信號 結束 2020 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 38 參數(shù)調整子程序設計 本電動機智能保護器的保護功能面向的是交流電機，對于不同型號的交流電機，各自的工作電壓、電流、額定功率、額定溫升都有不同，為使保護器能夠適用于各種不同的情況在程序設計時添加了參數(shù)調整子程序，在保護器投入使用之前根據(jù)不同的電動機型號及類型進行必要的參數(shù)設置，這樣就可以使保護器的使用更加靈活，擴大了適用范圍。 參數(shù)調整模塊的子程序流程圖如 圖 。 圖 參數(shù)調整子程序流程圖 開始 參數(shù)切換 顯示當前參數(shù)值 修改 確認 顯示當前參數(shù) 修改下一個？ 結束 Y N 2020 屆 測控技術與儀器專業(yè) 畢業(yè)設計（論文） 39 圖 故障處理子程序 開始 從預訂 RAM中取最近