【正文】 引起疲勞。這在信息量大、顯示密度高、觀看時間長 的場合更顯得重要。 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。同時，由于液晶易于彩色化，因此方法也很多，特別是液晶電視的色彩可以做的十分逼真。 ⑥ 無電磁輻射： CRT 工作時，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 顯示器內部集成光源，可以在較差的光線條件下實現(xiàn)顯示?？紤]到本電動機保護器需要 24 小時工作，而且可能被安裝到各種無光源條件的工作環(huán)境中，所以本保護器選用帶背光型 LCD。 綜合考慮顯示效果、顯示信息量以及價格等因素，并參考了其它設計案例，最終決定選用 LCD12864 液晶顯示器。 12864 漢字圖形點陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內置 8192 個中文漢字（ 16X16 點陣）、 128 個字符（ 8X16 點陣）及 64X256 點陣顯示 RAM（ GDRAM） 。 主要技術參數(shù)和顯示特性 : ① 電源： VDD ~+5V(內置升壓電路，無需負壓 )； 北京化工大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文） 24 ② 顯示內容： 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。 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 的單片機主電源和模擬參考電壓以及相關芯片的電源電壓、運算放大器 +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： 北京化工大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文） 25 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 為其中一路電流采樣及其調理電路圖，其余兩路相同。 圖 電流采樣及調理電路 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影響。電組 RR 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北京化工大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文） 26 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 R E FOO ???? 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 所示。 圖 電壓采樣及其調理電路 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 所示。其工作原理是：電動機處于正常運行狀態(tài)時，置 為低電平，三極管 Q2 基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 為高電平，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 為保護裝置的動作執(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。 北京化工大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文） 27 圖 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： 圖 通信模塊電路 北京化工大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文） 28 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 。 北京化工大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文） 29 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；允許直接北京化工大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文） 30 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)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。 北京化工大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文） 31 (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。 主程序流程圖如圖 所示 ： 北京化工大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文） 32 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 北京化工大學繼續(xù)教育