【正文】 十分逼真。 ⑥ 無電磁輻射： CRT 工作時(shí)，不僅會產(chǎn)生電磁輻射，還會產(chǎn)生有害的 X 射線，影響環(huán)境，而 LCD 不會有這類問題。 （ 3） LCD 12864 液晶顯示器 LCD 器件按照其采光方式分類，分為帶背光源與不帶背光源兩大類。不帶背光源的 LCD 顯示是靠背面的反射膜將射入的自然光從下面反射出來完成；帶背光源的LCD 顯示器內(nèi)部集成光源，可以在較差的光線條件下實(shí)現(xiàn)顯示?？紤]到本電動機(jī)保護(hù)器需要 24 小時(shí)工作，而且可能被安裝到各種無光源條 件的工作環(huán)境中，所以本保護(hù)器選用帶背光型 LCD。 綜合考慮顯示效果、顯示信息量以及價(jià)格等因素，并參考了其它設(shè)計(jì)案例，最終決定選用 LCD12864 液晶顯示器。 12864 漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置 8192 個(gè)中文漢字（ 16X16 點(diǎn)陣）、 128 個(gè)字符（ 8X16 點(diǎn)陣）及 64X256 點(diǎn)陣顯示 RAM（ GDRAM） 。 主要技術(shù)參數(shù)和顯示特性 : ① 電源： VDD ~+5V(內(nèi)置升壓電路，無需負(fù)壓 )； 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 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(biāo)顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式。 液晶顯示模塊接口電路如圖 所示： 圖 液晶顯示模塊接口電路 電源模塊 本系統(tǒng)需四路供電電源，即 +5V 的單片機(jī)主電源和模擬參考電壓以及相關(guān)芯片的電源電壓、運(yùn)算放大器 +15V 和 15V 直流電源 。 本裝置都是通過三端集成穩(wěn)壓器獲得各路直流電源，如圖 所示： 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 圖 數(shù)據(jù)采集模塊 本系統(tǒng)故障檢測信號取自于電動機(jī)三相線電壓和線電流，共六路模擬輸入信號，其中三路用于線電流檢測，三路用于線電壓檢測。由于 STC90C58AD 單片機(jī)內(nèi)置 A／ D 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為 O～ 5V的單極性電壓信號。圖 為其中一路電流采樣及其調(diào)理電路圖，其余兩路相同。 圖 電流采樣及調(diào)理電路 圖 中 R1 為采樣電阻，其主要作用是將電流互感器 CT2 的感應(yīng)交流電流轉(zhuǎn)換為交流電壓。利用運(yùn)放 1 的高輸入阻抗，來抑制負(fù)載對采樣精度的影 響。電組 RR Rf 和運(yùn)放 ARl 組成加法器，電阻 R Ro 和運(yùn)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(nèi)置 A／ D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入?yún)⒖茧妷海壒?D1 和 D2 主要起嵌位作用，可保證 2OV 在 2DV ～ (VMF+ 1DV )( 1DV 、 2DV北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 分別為 Dl、 D2 的正向壓降 )之間波 動。 根據(jù)運(yùn)算放大器相關(guān)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(dāng) eV 在區(qū)間～＋ 取值時(shí)，則 2OV 為 0～ 5V的單極性電壓信號，滿足 STC90C58AD 單片機(jī)內(nèi)置 A/D 轉(zhuǎn)換器對模擬輸入信號的要求。當(dāng)單片機(jī)模擬輸入通道輸入電壓 2OV 為 0～5V 時(shí)， A/D 轉(zhuǎn)換器的輸出結(jié)果為： A NG NDV A NG NDVAD R E FOO ???? 21024 電壓采樣是 通過電壓互感器來實(shí)現(xiàn)的，其調(diào)理原理同電流信號調(diào)理原理，電路圖如圖 所示。 圖 電壓采樣及其調(diào)理電路 報(bào)警和保護(hù)動作執(zhí)行模塊 本裝置為電動機(jī)故障提供蜂嗚器發(fā)聲報(bào)警，報(bào)警電路如圖 所示。其工作原理是：電動機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，置 為低電平，三極管 Q2 基極無電流處于截止?fàn)顟B(tài)，蜂鳴器也處于截止?fàn)顟B(tài)，報(bào)警失效；當(dāng)電動機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，置 為高電平，由于三極管 Q2 的導(dǎo)通而導(dǎo)致蜂鳴器導(dǎo)通發(fā)聲，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置的故障自動報(bào)警功能。 當(dāng)電動機(jī)發(fā)生故障時(shí)需要一個(gè)急停的保護(hù)動作， 圖 為保護(hù)裝置的動作執(zhí)行保護(hù)電路。當(dāng)電動機(jī)發(fā)生故障時(shí)，置 P2． 5 為高電平，三極管 Q1 導(dǎo)通，繼電器 K5 斷開，進(jìn)而交流接觸器 K7 斷開，電動機(jī)失電停轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)電動機(jī)故障自動掉電保護(hù)。 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 圖 圖 圖 通信模塊 目前 RS232 是 PC 機(jī)與通信工業(yè)中應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。典型的 RS232 信號在正負(fù)電平之間擺動，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送端驅(qū)動器輸出正電平在 +5~+15V，負(fù)電平在 5~15V電平。當(dāng)無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，線上為 TTL，從開始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)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(diǎn)對點(diǎn)（即只用一對收、發(fā)設(shè)備）通訊而設(shè)計(jì)的，其驅(qū)動器負(fù)載為 3kΩ~7kΩ。所以 RS232 適合本地設(shè)備之間的通信。 其電路圖如圖 所示： 圖 通信模塊電路 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 本章小結(jié) 本章主要介紹了使用 STC90C58AD 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電動機(jī)智能保護(hù)器的硬件電路設(shè)計(jì)方法，整個(gè)設(shè)計(jì)以宏晶科技推出的高性能基于 8051 內(nèi)核的 STC 單片機(jī)為設(shè)計(jì)核心。 論文首先從總體上介紹了保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì)，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(jī)，詳細(xì)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(jī)系統(tǒng)的硬件原理圖以及單片機(jī)程序下載電路 ；然后介紹了人機(jī)接口模塊，其中重點(diǎn)詳細(xì)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(hù)裝置的電源模塊、通信模塊的硬件設(shè)計(jì)；專門設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)了系統(tǒng)的 報(bào)警和保護(hù)動作電路 。 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 第 4 章 電動機(jī)保護(hù)器系統(tǒng) 軟件設(shè)計(jì) 軟件的功能是以硬件為基礎(chǔ)完成各種保護(hù)算法及方案，并提供豐富靈活的手段對裝置進(jìn)行整定、監(jiān)視和維護(hù)，是整套裝置的靈魂。電動機(jī)智能保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)主要任務(wù)是： (1)提供準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的保護(hù)算法。 (2)為用戶提供簡潔、方便、清晰的人 機(jī)對話界面。 (3)提供簡便快速的整定值設(shè)定方法，時(shí)間校準(zhǔn)方法。 (4)及時(shí)、可靠地完成對各種故障的保護(hù)。 由于保護(hù)裝置擔(dān)負(fù)著保證電動機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重大使命，它時(shí)刻處于工作狀態(tài)，且必須能夠準(zhǔn)確地完成保護(hù)動作，所以微機(jī)保護(hù)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(gè)系統(tǒng)的可靠性，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)始終以以下幾個(gè)原則為基礎(chǔ)： (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(shí)且準(zhǔn)確地輸入到處理器。 (2)確保處理各個(gè)中斷處理程序的優(yōu)先級，確保實(shí)時(shí)性要求高的中斷能夠得到最快的處理；對臨界代碼段進(jìn)行必要的保 護(hù)，確保數(shù)據(jù)的 J 下確性。 (3)注重程序的模塊化設(shè)計(jì)，提高整個(gè)程序的可靠性和可讀性。 (4)正確處理慢速外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸問題。 (5)本保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，將整個(gè)應(yīng)用程序以硬件模塊為基礎(chǔ)劃分為若干個(gè)獨(dú)立的程序模塊，各個(gè)模塊單獨(dú)設(shè)計(jì)、編寫代碼和調(diào)試，然后將所有模塊裝配連接成一個(gè)整體進(jìn)行綜合調(diào)試，最終成為一個(gè)完成全部功能，具有實(shí)用價(jià)值的程序。 程序設(shè)計(jì)語言選擇 電動機(jī)智能保護(hù)器的軟件是一種實(shí)時(shí)功能處理軟件。軟件是微機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵，是數(shù)據(jù)處理、運(yùn)算、邏輯判斷的具體實(shí)現(xiàn)。電動機(jī)智能保護(hù)裝置 與傳統(tǒng)的保護(hù)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(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。電動機(jī)的保護(hù)軟件實(shí)現(xiàn)的功能較多、任務(wù)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(jìn)行軟件設(shè)計(jì)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(hù)方便、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。 C 語言主要特點(diǎn)如下：語言簡潔、緊湊、使用方便、靈活；運(yùn)算符、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)豐富；具有結(jié)構(gòu)化的控制語句；允許直接北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 訪問物理地址，能進(jìn)行位操作，可以直接對硬件進(jìn)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(shí)間考慮功能的實(shí)現(xiàn)、軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，而減少 編程本身花費(fèi)的時(shí)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(fèi)的時(shí)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(diǎn)。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(fù)雜、容易出錯(cuò)、調(diào)試?yán)щy、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(hù)功能的改進(jìn)。 為達(dá)到設(shè)計(jì)要求并充分利用單片機(jī)的資源和性能，課題的軟件設(shè)計(jì)采用 C 語言與匯編語言混合編程。對于大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算，例如數(shù)據(jù)采集、軟件濾波、程序邏輯判斷等的實(shí)現(xiàn)采用 C 語言：對于 設(shè)計(jì)硬件、端口操作以及其它實(shí)時(shí)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。 保護(hù)器 軟件系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 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(wù)，響應(yīng)用戶輸入的鍵盤命令并實(shí)時(shí)顯示故障處理程序輸出信息；中斷處理程序主要有定時(shí)器定時(shí)時(shí)間到中斷、 A／ D 轉(zhuǎn)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(yùn)行完臨界代碼后立即暫停執(zhí)行主循環(huán)程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷服務(wù)程序。中斷執(zhí)行完成后，回到主循環(huán)程序 的斷點(diǎn)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(wù)的重要性，給中斷處理程序賦予不同的優(yōu)先級，高優(yōu)先級的中斷可以暫停低優(yōu)先級的中斷處理程序，使 CPU 轉(zhuǎn)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(gè)模塊： (1)人機(jī)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(fù)責(zé)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(yùn)行參數(shù)的設(shè)置。 (2)通信子程序模塊：通過串行口將電動機(jī)以及電動機(jī)保護(hù)裝置本身的運(yùn)行參數(shù)傳輸 到上位機(jī) 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(guān)量全部轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入單片機(jī)，然后利用軟件濾波程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行軟件濾波。 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 (4)數(shù)據(jù)處理、保護(hù)決策程序模塊：對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的運(yùn)算，并根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)決策。 (5)系統(tǒng)抗干擾程序設(shè)計(jì)：包括數(shù)據(jù)濾波以及看門狗程序等。 保護(hù)器 主程序設(shè)計(jì) 主程序的主要功能是對系統(tǒng)各個(gè)外設(shè)模塊進(jìn)行初始化、調(diào)用各個(gè)子程序完成各項(xiàng)功能和開中斷等。上電復(fù)位后，單片機(jī)將復(fù)位向量裝載到程序地址寄存器，然后 CPU就從復(fù)位向量處開始執(zhí)行程序。主程 序先進(jìn)行初始化，為各個(gè)子程序的調(diào)用和系統(tǒng)各個(gè)模塊的使用做好準(zhǔn)備，然后查詢按鍵，判斷是否需要進(jìn)行各種控制參數(shù)的調(diào)整。如果需要調(diào)整參數(shù)則進(jìn)入?yún)?shù)調(diào)整子程序，進(jìn)行各種參數(shù)的設(shè)置；最后程序進(jìn)入主循環(huán)。 主程序的主體結(jié)構(gòu)為一個(gè)無限循環(huán)，單片機(jī)不斷重復(fù)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(hù)動作并報(bào)警。同時(shí)進(jìn)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(shí)現(xiàn)程序的模塊化設(shè)計(jì)。使主程序和子程序的修改及調(diào)試工作都變得十分方便。 主程序流程 圖如圖 所示 ： 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 圖 主流程圖 鍵盤子程序設(shè)計(jì) 鍵盤中斷服務(wù)程序由外部中斷輸入引腳 EXINT 觸發(fā)，當(dāng)有按鍵按下時(shí)， CPU 響主程序 系統(tǒng)初始化 參數(shù)調(diào)整？ 調(diào)用參數(shù)調(diào)整子程序 調(diào)用電壓、電流以及溫度保護(hù) 判斷子程序 輸出保護(hù)動作？ 調(diào)用保護(hù)動作子程序 掃描鍵盤、刷新顯示 N Y N Y 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 應(yīng) EXINT 外部中斷，轉(zhuǎn)入鍵盤中斷服務(wù)程序。 圖 鍵盤中斷服務(wù)程序流程圖 顯示子程序設(shè)計(jì) 電動機(jī)智能保護(hù)器所帶的液晶顯示模塊需要實(shí)時(shí)顯示電動機(jī)和保護(hù)器的運(yùn)行信息。因此，需要在主循環(huán)內(nèi)不斷刷新顯示。 顯示子程序流程圖