【導(dǎo)讀】為了驗(yàn)證裝置設(shè)計(jì)的故障判據(jù)的正確性，本文以小電流系統(tǒng)中的最常見的。分析與仿真表明：小電流系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路時(shí)，線電壓仍然對(duì)。本文設(shè)計(jì)了一套35KV線路微機(jī)保護(hù)裝置，裝置的硬件結(jié)構(gòu)由雙CPU構(gòu)成，包。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了裝置的算法和保護(hù)功能。系統(tǒng)的精度滿足系統(tǒng)的要求，裝置能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。電力是整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，也是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的主要能源。

　　

【正文】 89C52 的主 要性能參數(shù)如下： ①與 MCS51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容 ② 8K 字節(jié)可重擦寫 flash 閃存 ③ 1000 次擦寫周期 ④全靜態(tài)操作， 0～ 24MHZ ⑤三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 ⑥ 256*8 字節(jié)內(nèi)部 RAM ⑦ 32 個(gè)可編程的的 I/O 口 ⑧ 3 個(gè) 16 位的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器 ⑨ 8 個(gè)中斷源 ⑩可編程串行 UART 通道 ○11低功耗空閑和掉電模式 (2)AD 轉(zhuǎn)換器 MAXl97 介紹 MAXl97是 MAXIM公司推出的 12Bit逐次漸進(jìn)式 AD轉(zhuǎn)換器。與常用的 12BitAD轉(zhuǎn)換器 AD574 相比， MAXl97 具有許多優(yōu)點(diǎn)； ①單 +5V 電源供電， AD574 需要 +5V 及土 15V 供電。 ② 8 通道模擬量輸入，而 AD574 為單通道輸入。 ③轉(zhuǎn)換時(shí)間為 6 s? ， AD574 為 25 s? 。 ④可供軟件選擇的多量程輸入177。 1OV，士 5V， 0～ 10V， 0～ 5V 等。 基于上述優(yōu)點(diǎn)，在進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，選用 MAXl97 進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換比用AD574 更靈活、更有效。 31 MAXl97 具有以下性能特點(diǎn)： ① 12 位分辨率，誤差為177。 1/2 (LSB)。 ②單 +5v 供電。 ③可用軟件選擇的輸入量程，177。 1OV，士 5V， 0～ 10V， 0～ 5V。 ④轉(zhuǎn)換器的輸入過壓容限為 。 ⑤ 8 路模擬輸入通道。 ⑥ 6 s? 轉(zhuǎn)換時(shí)間， 100kbs 采樣率。 ⑦內(nèi)部或外部采樣控制。 ⑧可通過軟件選擇內(nèi)部 或外部基準(zhǔn)。 ⑨可通過軟件選擇內(nèi)部或外部時(shí)鐘。 ⑩可通過軟件選擇內(nèi)部或者外部的采集模式。 MAXl97 的引腳圖如圖 所示 ，從圖 可以看出， MAXl97 為 28 管腳的DIP(窄形 )封裝，其中 CH0～ CH7為模擬量輸入通道， D0～ Dll 為輸出數(shù)據(jù)線； CS為片選端，低電平有效； WR為寫控制端，在 CS 低電平有效時(shí)，在內(nèi)部采集模式，由 WR 的上升沿鎖存數(shù)據(jù)，并發(fā)出一個(gè)采集脈沖；在外部采集模式，由 WR 的第一個(gè)上升沿啟動(dòng)一次采集，由 WR 的第二個(gè)上升沿結(jié)束第一次采集并開始進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換； RD 為讀控制端，在 CS 為低電平的情況下，由 RD 的下降沿對(duì)數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)一次讀操作； CLK 為時(shí)鐘輸入，在外部時(shí)鐘模式下，輸入與 TTL／ CMOS相匹配的時(shí)鐘 脈沖，在內(nèi)部時(shí)鐘模式下，從 CLK 管腳接一個(gè)電容至地，設(shè)置內(nèi)部 32 時(shí)鐘頻率，當(dāng) C=100pF 時(shí)，時(shí)鐘頻率的典型值為 ； INT 為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，當(dāng)一次轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)， INT 信號(hào)由高電平轉(zhuǎn)換為低電平； HBEN 為 12 位轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出選擇端，當(dāng) HBEN=1 時(shí)，高 4位輸出； HBEN=0 時(shí)，低 8 位輸出； SHDN 為省電控制端， SHDN=0 時(shí)， MAXl97 進(jìn)入省電模式； REFADJ 為帶隙電壓基準(zhǔn)輸出外部調(diào)整端，可連接一個(gè) 的電容旁路至地，當(dāng)采用外部基準(zhǔn)電壓時(shí)， REFADJ 管腳連到 VDD 上； REF 為基準(zhǔn)緩沖輸出， ADC 的基準(zhǔn)輸入，在內(nèi)部基準(zhǔn)電壓模式下，基準(zhǔn)緩沖器提供 的標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓，可在 REFADJ 管腳微調(diào)，在外部基準(zhǔn)電壓模式下，通過把 REFADJ 接到 VDD 使內(nèi)部緩沖器無效； VDD 接 +5V,通過 的旁路電容接地 。DGND 為數(shù)字地； AGND 為模擬地。 MAXl97 的工作方式等是通過它的控制字決定的， MAXl97 的控制字格式如表 所示： 其中 PDl、 PD0 用于選擇時(shí)鐘和工作模式， =00：正常工作，外部時(shí)鐘模式 =0l：正常工作，內(nèi)部時(shí)鐘模式 =lO：省電模式，時(shí)鐘模式無影響 =11：全省電模式，時(shí) 鐘模式無影響 在設(shè)計(jì)中，我們選擇了正常工作的外部時(shí)鐘模式。 BIP、 RNG 為輸入電壓極性和量程的選擇。 =00： O～ 5V =01： 0～ 10v =10： 5V～ +5V =11： 10V～ +10V 在設(shè)計(jì)中，我們選擇了 10V～ +10V 的量程； ACQMOD 用于選擇采集方式，ACQMOD=0 表示內(nèi)部采集方式， ACQMOD=1表示外部采集方式； A2,A1,A0 為模擬量 33 通道的選擇，一共有 8 通道輸入，從 000～ 111，當(dāng) A A A0為 000 時(shí)選擇通道 0，當(dāng) A A A0為 111 時(shí)選擇通道 7。 (3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完 成的功能 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，模擬量輸入 MAXl97 由它的控制字選擇對(duì)某一通道的模擬量進(jìn)行采樣，在設(shè)計(jì)中采取循環(huán)采樣，即首先進(jìn)行通道 0 的采樣轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢再進(jìn)行通道 1 的采樣，依次類推，直到 8路模擬信號(hào)都采樣完畢，然后再重新進(jìn)行通道 0 的采樣轉(zhuǎn)換。 MAX197 的 HBEN 管腳與單片機(jī)的地址管腳 相連，由此可以確定采樣結(jié)果高四位和低八位的存放地址分別為 2020H和 2020H。轉(zhuǎn)換結(jié)束的管腳 INT 與單片機(jī)的 P3． 2(INT0)腳相連，一旦轉(zhuǎn)換結(jié)束， INT 管腳置低電平， 管腳也相應(yīng)置低，如果外部中斷 O 允許中斷，就可以通過外部中斷 0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 開關(guān)量輸入輸出電路設(shè)計(jì) 裝置的輸入包括模擬量輸入和開關(guān)量輸入，因?yàn)楸Ｗo(hù)裝置是弱電控制部分，而開關(guān)量的輸入是強(qiáng)電控制部分，因此，開關(guān)量要經(jīng)過光電隔離電路，目的是從電路上把干擾源和容易干擾的部分隔離開來，使微機(jī)保護(hù)裝置和現(xiàn)場(chǎng)僅僅保持光信號(hào)的聯(lián)系，而不產(chǎn)生電信號(hào)的聯(lián)系。開關(guān)量輸入電路接入光電耦合器之后，由于光電耦合器的隔離作用，使夾雜在輸入開關(guān)量中的各種干擾脈沖都被擋在輸入回路的一側(cè)，除此之外，它還能起到很好的安全保障作用，因?yàn)樵诠怆婑詈掀鞯妮斎牖芈泛洼敵龌芈?之間有很高的耐壓值，可以達(dá)到上千伏，正是由于光電耦合器是以光為媒介進(jìn)行間接耦合，才使它具有很高的電氣隔離和抗干擾能力。光電隔離電路圖如圖 4． 5所示。 在圖 4． 5 中可以看出，在光耦器件的輸入端并聯(lián)了一個(gè)二極管，目的是為了防止光耦中發(fā)光二極管的反向擊穿，將發(fā)光二極管的兩端電壓鉗位在 0． 7V左右。 34 鍵盤和液晶顯示電路設(shè)計(jì) 鍵盤和液晶顯示電路采用了 TOSHIBA 公司以 T6963C 為控制器的 128 64 點(diǎn)陣的 LCD 和 ATMEL 公司的 AT89C52 及外圍擴(kuò)展電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，鍵盤和液晶顯示器的電路圖如圖 4． 6 和 圖 4． 7所示。 從圖 中可以看出，鍵盤電路采用的是 6 個(gè)獨(dú)立式的按鍵，分別接到單片機(jī)的 ～ 口，當(dāng)按鍵按下時(shí)，相應(yīng)的 Pl 口被拉為低電平，當(dāng)按鍵松開時(shí)，Pl 口被拉為高電平。另外，按鍵也通過 的上拉電阻接到 +5V 電源上，即在按鍵不被按下的時(shí)候提供高電平。因?yàn)榭紤]到普通的按鍵去抖動(dòng)效果不理想，按鍵選擇的是歐姆龍公司的按鍵開關(guān)，實(shí)踐證明，這種按鍵去抖動(dòng)效果很好，不會(huì)引起誤操作。 6個(gè)按鍵的功能分別為： 1．光標(biāo)橫向移動(dòng)：按一次橫向右移動(dòng)光標(biāo)一位，至最右端時(shí)返回至本行的最左端。 2．光標(biāo)縱向移動(dòng)：按 一次縱向下移動(dòng)光標(biāo)一位，至最下端時(shí)返回至本列的最上端。 3．循環(huán)翻屏鍵：按一次翻屏一次，至最后一屏返回至第一屏。 4．整定值數(shù)字調(diào)整鍵：整定值的輸入鍵，每按一次，光標(biāo)對(duì)應(yīng)的數(shù)字位數(shù)字加 l，至 9時(shí)再變?yōu)?0. ：定值輸入完后，按確定鍵，一方面吧定值送入 EEPROM 的相應(yīng)位置中保存下來，另一方面調(diào)串口發(fā)送程序把此定值送入主保護(hù)板 CPU 中。 35 液晶顯示的硬件電路圖如圖 ，在液晶顯示器的設(shè)計(jì)中，同樣采用了AT89C52 和以 T6963C 為控制器的 128 64 點(diǎn)陣的 LCD(I 內(nèi)部不帶字庫(kù) )，圖 和 圖 采用的 AT89C52 是同一片 CPU，為了顯示方便，在兩個(gè)圖上表示出來，從圖 可以看出，由于 LCD 內(nèi)部沒有自帶地址鎖存器，需要加上一個(gè) 74LS373用于地址鎖存，由于設(shè)計(jì)中按鍵和液晶顯示的程序超出 AT89C52 內(nèi)部 8K 的 ROM范圍，所以擴(kuò)展了一片 AT公司的 32K的 EEPROM AT28C256用于存儲(chǔ)程序， AT28C256和 LCD 的地址分別為 9000H 和 8000H。 在鍵盤和液晶顯示電路設(shè)計(jì)中，使用了 X5043 作為看門狗和外擴(kuò) EEPROM，X5043 的功能包括上電復(fù)位、低電壓復(fù)位控制、可編程看門狗 定時(shí)器和 4K 的EEPROM，它僅有 8 個(gè)引腳的封裝。 X5043 與 AT89C52 的接口電路如圖 4． 8所示： 36 從圖 4． 8 可以看出， X5043 的 CS 腳為片選信號(hào)，低電平有效，與單片機(jī)的 引腳相連； SI 為串口數(shù)據(jù)輸入引腳，所有的代碼、字節(jié)地 址和寫入 EEPROM的數(shù)據(jù)都是從這個(gè)管腳輸入，數(shù)據(jù)在串口時(shí)鐘信號(hào)的上升沿被鎖存； SO 引腳為串口數(shù)據(jù)輸出管腳，在一個(gè)讀循環(huán)中，數(shù)據(jù)被上拉到 SO 管腳，在串口時(shí)鐘的下 37 降沿?cái)?shù)據(jù)輸出；串口時(shí)鐘信號(hào) SCK 與單片機(jī)的 P3． 4 引腳相連，控制著輸入和輸出的串口總線時(shí)序，所有的出現(xiàn)在 SI 管腳上的代碼、數(shù)據(jù)和地址都是在 SCK 信號(hào)的上升沿被鎖存，在 SCK信號(hào)的下降沿以后 SO管腳上的數(shù)據(jù)才會(huì)改變； WP 為寫保護(hù)管腳，低電平有效，就是當(dāng) WP 信號(hào)為低電平時(shí)，任何寫指令都是無效的，但是其它的功能沒有改變，在設(shè)計(jì)中把 WP信號(hào)直接接高電平，即一 直有效； X5043的復(fù)位引腳 RESET 與單片機(jī)的 RST 引腳相連。 LCD 的功能及引腳介紹 RTl286410 是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，它主要采用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)原理由行驅(qū)動(dòng)器、控制器和列驅(qū)動(dòng)器三部分組成了 128(列 ) 64(行 )的全點(diǎn)陣液晶顯示。此顯示器采用了 SMD 的硬封裝方式，通過導(dǎo)電橡膠和壓框連接 LCD，使其壽命長(zhǎng)，連接可靠。 RTl286410 的引腳名稱及功能描述如表 4． 2 所示。 38 在設(shè)計(jì)中，對(duì) LCD的字符顯示、光標(biāo)位置、文本寬度、文本首址等控制是通過對(duì) T6963C 控制器中一個(gè) 8 位的讀狀態(tài)字進(jìn) 行讀寫控制的，讀狀態(tài)字是一個(gè) 8位的控制字，其中有 7位都代表不同的狀態(tài)，讀狀態(tài)字的功能狀態(tài)如表 43所示： 從表 4． 3 中可以看出，讀狀態(tài)字有 7 個(gè)不同的標(biāo)志位，每個(gè)標(biāo)志位都有不同的應(yīng)用場(chǎng)合，而并非同時(shí)有效，在計(jì)算機(jī)寫指令或者一次讀、寫數(shù)據(jù)時(shí)， STA0和 STAl 要同時(shí)有效，即“準(zhǔn)備好”的狀態(tài)；當(dāng)計(jì)算機(jī)使用自動(dòng)讀／寫功能時(shí)，STA2 和 STA3 就要取代 STAO 和 STAl 作為判忙標(biāo)志位，此時(shí)計(jì)算機(jī)要判斷它是否有效； STA6 標(biāo)志是考察 T6963C 屏讀或屏拷貝指令情況的標(biāo)志位： STA5 和 STA7表示控制器內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)， 一般不使用；對(duì) T6963C 的讀、寫操作之前都要事先判斷是否處于“忙’，狀態(tài)，只有在不“忙”的狀態(tài)才能對(duì) T6963C 進(jìn)行操作。 在實(shí)際操作中，由 C／ D 引腳狀態(tài)可以確定數(shù)據(jù)口和命令口的地址， C／ D引腳與單片機(jī)的 引腳相連，通過命令口向 T6963C 寫參數(shù)，通過數(shù)據(jù)口向T6963C 寫數(shù)據(jù)，文本顯示區(qū)首地址、文本顯示區(qū)寬度、光標(biāo)形狀、光標(biāo)定位等都是通過向命令口寫入不同參數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。設(shè)計(jì)采用的 LCD 內(nèi)部不帶字庫(kù)，在設(shè)計(jì)中應(yīng)將需要顯示的字符和漢字添加到程序中以便調(diào)用。漢字的顯示是 16 16點(diǎn)陣，字母和數(shù)據(jù)的顯示是 8 16 點(diǎn)陣，在 LCD 上面最多可以顯示 4行 8 列漢字或者 4 行 16列字母。 鍵盤和液晶顯示電路工作原理 從圖 可以看出， LCD 的 WR、 RD 管腳分別與單片機(jī)的 WR、 RD 信號(hào)相連， 39 LCD 的數(shù)據(jù)／通道選擇管腳通過鎖存器 74LS373 與單片機(jī)的 管腳相連，數(shù)據(jù)口和命令口的地址分別為 8000H 和 8001H。 LCD 的數(shù)據(jù)總線 DB0～ DB7 直接與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線 ～ 相連； V0 管腳與 100K 的電位器相連，通過調(diào)節(jié)電位器接入電路中的電阻大小，可以改變加在 V0 上面的電壓大小，進(jìn)一步可以改變 LCD的對(duì)比度： LCD的背光電源和背光地分別接到 +5V 的電源和地。 在裝置中，對(duì) AT28C256 的寫操作是通過編程器進(jìn)行的，沒有進(jìn)行在線的燒寫程序過程，所以 AT28C256 的寫允許斷／ WR直接接高電平，即不允許在線寫操作；在設(shè)計(jì)中使用譯碼器是為了減少重疊的地址，提高單片機(jī)工作的效率，避免資源浪費(fèi)。 單片機(jī)出口控制電路和通訊電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)出口控制電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)出口控制電路圖如圖 由圖 可以看出，從單片機(jī) Pl 口的任意一個(gè)管腳都可以驅(qū)動(dòng)繼電器，當(dāng)輸出管腳為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通 ，這時(shí)發(fā)射極電平與繼電器管腳 l電平都為低，而繼電器管腳 8電平始終為高，這樣就使繼電器線圈吸合；如果輸出管腳為低電平，三極管截止，三極管的發(fā)射極懸空，相當(dāng)于高電平，這樣，繼電器的線圈斷開，繼電器并不動(dòng)作。 串口通訊電路設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中使用了一片 AT89C52，在按鍵和液晶顯示系統(tǒng)中使用了一片 40 AT89C52，因?yàn)閮蓚€(gè)系統(tǒng)離的很近，只有十幾厘米，所以兩個(gè) CPU 之間的通訊采取了串口通訊的方式，采用串口通訊方式對(duì)于兩片 CPU 距離很近的情況下，接口和程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，而且發(fā)送成功率很高。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與按鍵 和