【導(dǎo)讀】電動(dòng)機(jī)作為主要的動(dòng)力設(shè)備在工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展中扮演著重要的角色。使用不當(dāng)或其他原因造成電動(dòng)機(jī)故障的幾率也是很大的。這不但造成電氣設(shè)備的浪費(fèi)，還。會(huì)因此而帶來(lái)不等的間接經(jīng)濟(jì)損失，因此，對(duì)電動(dòng)機(jī)采取有效的保護(hù)措施是非常必要的。隨著對(duì)電動(dòng)機(jī)性能要求的不斷提高，其保護(hù)系統(tǒng)也應(yīng)隨之改進(jìn)。研制系統(tǒng)完善、可靠性高。的電動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)已是必然的趨勢(shì)。其次，分析了電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)故障原因及對(duì)稱(chēng)分量法在故障判斷中的應(yīng)用。根據(jù)理論算法設(shè)計(jì)了裝置的軟件系統(tǒng)，兩者相結(jié)合最終實(shí)現(xiàn)了保護(hù)裝置的功能。中斷等模塊電路。將裝置模塊化不僅便于設(shè)計(jì)、調(diào)試，而且對(duì)軟件編程也有幫助，簡(jiǎn)化了。程序編寫(xiě)，出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)易于分析、查找。本裝置是在傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)保護(hù)裝置的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)而成的。結(jié)果證明，靈敏度和精確度均。為使其性能更加可靠，需要從軟件和硬件兩方面作進(jìn)一步的研究，以提高系統(tǒng)

　　

【正文】 電動(dòng) 機(jī)正常運(yùn)行的允許電流。經(jīng)過(guò)與設(shè)定值比較，一旦外來(lái)信號(hào)超過(guò)允許值 ， 單片機(jī)發(fā)出故障控制信號(hào)，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的中斷保護(hù)功能 ，發(fā)出報(bào)警切斷電路，而顯示電路將實(shí)時(shí)反應(yīng)電流的變化情況。 總體的硬件設(shè)計(jì)主要包括：電流整流濾波單元、采集變換單 元、單片機(jī)系統(tǒng)單元、時(shí)鐘和鍵盤(pán)顯示單元以及故障報(bào)警單元等 [35,36]。智能過(guò)載保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。 圖 智能過(guò)載保護(hù)裝置的硬件結(jié)構(gòu)圖 Hardware configuration diagram of intelligent overload protection device 基于單片機(jī)的電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)技術(shù)的研究 16 167。 32 單片機(jī)系統(tǒng)單元的設(shè)計(jì) 321 單片機(jī) 的 選型 作為智能保護(hù)裝置的核心部分，單片機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了 很長(zhǎng)一段時(shí)間。 70 年代末 ， INTEL 公司 推出最早 的 MCS48 系 列 8 位單片微型計(jì)算機(jī)。它以體積小，價(jià)格低，功能全 等特點(diǎn) 贏得了廣泛的應(yīng)用 。 到了 80 年代初 ， INTEL 公司 研發(fā)的，也是目前應(yīng)用范圍最廣的 MCS51 系列 單片機(jī)問(wèn)世 ， 。 單片機(jī) 經(jīng)過(guò)幾十年的不斷改善， 已發(fā)展到了高性能階段 。品種多，約有幾十個(gè)系列， 300 多個(gè)品種；功能強(qiáng)，此時(shí)的單片機(jī)已均屬于真正的單片化，大多集成了 CPU、 RAM、 ROM、數(shù)目繁多的 I/O 口、多種終端系統(tǒng)，甚至還有一些帶 A/D 轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)，功能越來(lái)越強(qiáng)大， RAM 和 ROM 的容量也越來(lái)越大，尋址空間甚至可達(dá) 64KB?？梢哉f(shuō)，單片機(jī)發(fā)展到了一個(gè)新的平臺(tái)。 3211 80C31 單片機(jī) 80C31 是 INTEL 公司 MCS51 系列單片機(jī)中最基本的產(chǎn)品。它是采用 INTEL 公司可靠的 CHMOS 工藝技術(shù)制造的高性能 8 位單片機(jī)，屬于標(biāo)準(zhǔn)的 51 系列 CHMOS 產(chǎn)品。但 是 80C31 片內(nèi)并無(wú)程序存儲(chǔ)器，需要外接 ROM。 3212 80C51 單片機(jī) 80C51 是 INTEL 公司 MCS51 系列單片機(jī)中的代表產(chǎn)品，它內(nèi)部集成了功能強(qiáng)大的中央處理器，包含了： ◇ 硬件乘除法器、 ◇ 21 個(gè)專(zhuān)用控制寄存器、 ◇ 4KB 的程序存儲(chǔ)器、 ◇ 128 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、 ◇ 4 組 8 位的并 行口、 ◇ 兩個(gè) 16 位的可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器、 ◇ 全雙工串行 通信 口 ◇ 布爾處理器。 80C51 中集成了完善的各種中斷源，用戶可以十分方便的控制和使用這些功能。 另外，由于該芯片內(nèi)部具有上電、掉電自動(dòng)保護(hù)功能，能夠確保存入的數(shù)據(jù)不丟失，所以，該芯片在智能保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)中應(yīng)用較廣泛。 80C51 所具有的以上 這些特點(diǎn)使得它的應(yīng)用范圍加大，可以說(shuō)它能夠滿足絕大部分的應(yīng)用場(chǎng)合。 MCS51 系列產(chǎn)品 除上述介紹的兩款常用型號(hào)之外 ，還 有 89C5 87C51 等型號(hào)。它們的結(jié)構(gòu)基本相同，其主要差別反映在寄存器的配置上 會(huì) 有所不 同。 如： 8051 內(nèi)部沒(méi)有 4K 字節(jié)的掩膜 ROM 程序存儲(chǔ)器，河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 17 80C31 片內(nèi)沒(méi)有程序存儲(chǔ)器，而 87C51 是將 80C51 片內(nèi)的 ROM 換成 EPROM。 3213 AT89S52 單片機(jī) ATMEL89系列單片機(jī)是 ATMEL公司 推出的 以 8051為內(nèi) 核 ， 構(gòu)成的 8位 Flash系列 單片機(jī)。這個(gè)系列單片機(jī)的最大特點(diǎn)就是在片內(nèi)含有 Flash存儲(chǔ)器。 AT89S52單片機(jī) 采用 ATMEL公司的高密度非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，其指令 和引腳 與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 80C51完全 兼容 ， 是一種低功耗 、 高性能的 CMOS8位微控 制器 。 該器件片內(nèi) Flash程序 存儲(chǔ)器允許重復(fù)在線編程，允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)內(nèi)通過(guò) SPI串行口改 寫(xiě)或用通 用的非易失性存儲(chǔ)器改寫(xiě)。通過(guò)把通用的 8位 CPU與可在線下載的 Flash集成在一個(gè)芯片上， 使得 AT89S52成為一個(gè)高效的微型計(jì)算機(jī) ， 特別是在抗干擾性能，電磁兼容和通信控制總線功能上獨(dú)樹(shù)一幟，其產(chǎn)品常用于工作環(huán)境惡劣的場(chǎng)合，亦適用于通信和家用電器控制領(lǐng)域， 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案 。 MCS51系列與 ATMEL89系列 單片機(jī)主要分類(lèi)及功能特性如下表 。 表 MCS51系列和 ATMEL89系列單片 機(jī)分類(lèi)與功能特性 Table Classification and function characteristics of MCS51 and ATMEL89 系列 典型芯片 I/O口 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 中斷源 串行通信口 片內(nèi) RAM 片內(nèi) ROM 51系列 80C31 4 8位 2 16位 5 1 128字節(jié) 無(wú) 80C51 4 8位 2 16位 5 1 128字節(jié) 4kB掩膜 ROM 87C51 4 8位 2 16位 5 1 128字節(jié) 4kBEPROM 89C51 4 8位 2 16位 5 1 128字節(jié) 4kBEEPROM 52系列 80C32 4 8位 2 16位 6 1 256字節(jié) 無(wú) 80C51 4 8位 2 16位 6 1 256字節(jié) 8kB掩膜 ROM 87C52 4 8位 2 16位 6 1 256字節(jié) 4kBEPROM 89C52 4 8位 2 16位 6 1 256字節(jié) 4kBEEPROM 另外， AT89S52還具有如下一些功能： ◇ 內(nèi)置 8KB可在線 反復(fù)擦寫(xiě)超過(guò) 1000次的 ISP Flash ROM ◇ 256字節(jié) 內(nèi)部 RAM ◇ 32個(gè)雙向 I/O口線 ◇ ◇ 時(shí)鐘頻率 033MHz ◇ 看門(mén)狗定時(shí)器 ◇ 2個(gè)數(shù)據(jù) 寄存器 指針 基于單片機(jī)的電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)技術(shù)的研究 18 ◇ 3個(gè) 16位 可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器 ◇ 一個(gè) 6向量 2級(jí)中斷結(jié)構(gòu) ◇ 全雙工串行 中斷 口 ◇ 軟件設(shè)置閑置和省電功能 ◇ 片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路 掉電保護(hù)方式下， RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止 。 它的應(yīng)用范圍廣，可用于解決復(fù)雜的控制問(wèn)題，且成本較低。其 內(nèi)部 結(jié)構(gòu)框圖如圖 。 圖 AT89S52 單片機(jī) 內(nèi)部 結(jié)構(gòu)圖 AT89S52 internal structure 單片機(jī)各 主要 引腳功能： （ 1） AT89S52 共有四個(gè) 8 位的并行 I/O 口： P0、 P P P3 端口，對(duì)應(yīng)的引腳 都 是 從 ～ 共32 根 I/O 線。每根線可以單獨(dú)用作輸入或輸出。 ① P0 端口 該口是一個(gè) 8 位漏極開(kāi)路的雙向 I/O 口。在作為輸出口時(shí)，每根引腳可以帶動(dòng) 8 個(gè) TTL輸入負(fù)載。當(dāng)把“ 1”寫(xiě)入 P0 時(shí)，則它的引腳可用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問(wèn)外部程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 時(shí)， P0可用作多路復(fù)用的低 8 位 字節(jié)地址 /數(shù)據(jù)總線，在該模式， P0 口擁有內(nèi)部上拉電阻。在對(duì) Flash 存儲(chǔ)器進(jìn)行編程時(shí)， P0 端口也用于接收指令字節(jié)； 在 程序校驗(yàn)時(shí)，則輸出指令字節(jié)， 此時(shí)需要外加上拉電阻。 ② P1 端口 該口是帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口， P1 口的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng) 4個(gè) TTL 邏輯電平 。對(duì) P1 端口寫(xiě)“ 1”時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時(shí)可用作輸入口。 P1 口作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。在對(duì) Flash 編程河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 19 和程序校驗(yàn)時(shí)， P1 口接收低 8 位地址 字節(jié) 。 ③ P2 端口 除具有與上 述 P1 端口相近的功能外， 在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或 用 16 位 地址讀取 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 時(shí)， P2 口送出高 8 位地址，在訪問(wèn) 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 時(shí)， P2 口引腳上的內(nèi)容在整個(gè)訪問(wèn)期間不會(huì)改變。在對(duì) Flash 編程和程序校驗(yàn)期間， P2 口也接收高位地址 字節(jié) 或一些控制信號(hào)。 ④ P3 端口 功能同 P1 端口 ，同樣 P3 端口 引腳還具有一些復(fù)用功能 。 如表 所示。 表 89S52 的 P3 口引腳復(fù)用功能 Table 89S52 multiplex function of P3 端口引腳 復(fù)用功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） INT0（外部中斷 0） INT1（外部中斷 1） T0（定時(shí)器 0 的外部輸入） T1（定時(shí)器 1 的外部輸入） WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） （ 2） RST 復(fù)位輸入端 在振蕩器運(yùn)行時(shí)， 此腳上 會(huì)持續(xù)出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平而 使單片機(jī)復(fù)位。 （ 3） PSEN 外部程序存儲(chǔ)器選通 信號(hào) 它用于讀外部程序存儲(chǔ)器。當(dāng) AT89S52 在執(zhí)行來(lái) 自外部存儲(chǔ)器的指令時(shí)，每一個(gè)機(jī)器周期 PSEN 被激活 2 次。在對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的每次存取中， PSEN的 2 次激活會(huì)被跳過(guò)。 （ 4） XTAL1 振蕩器的反相放大器輸入，內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生 電路的輸入端。 （ 5） XTAL2 振蕩器的反相放大器輸出端。 圖 為 AT89S52 封裝引腳圖。 圖 AT89S52 引腳圖 AT89S52 package 基于單片機(jī)的電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)技術(shù)的研究 20 322 主控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中 Vcc 為主電源，接 +5V 電壓， GND 接 地線 。由于 裝置不用芯片自身的 A/D 轉(zhuǎn)換器，所以將Vref 和 Vcc 相連， P0 口用作電流信號(hào)的輸入端。 片內(nèi)震蕩電路與外部晶振和電容的連接 如 上圖 32所示， XTAL1 為內(nèi)部反相放大器的輸入端， XTAL2 為輸出端。它作為一個(gè)感抗與外部電容形成并聯(lián)諧振，使正反饋放大器維持震蕩。 P1 口為 8 位雙向 I/O 口，本裝置使用其中部分引腳作為控制輸出信號(hào)； P2和 P3 口作為訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器的地址 /數(shù)據(jù)總線； RD 、 WR 為外部 數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)控制信號(hào)， ALE為 地址允許鎖 存信號(hào) ， RXD/TXD 為串行接口的輸入 /輸出 引腳。 在執(zhí)行內(nèi)部 程序時(shí)， EA 應(yīng)接到 Vcc；另外，為了確保單片機(jī)從地址為 0000H～ FFFFH 的外部程序存儲(chǔ)器中讀取代碼，要把 EA 接到 GND 端 ，保證其為低電平 。 323 上電復(fù)位電路 單片機(jī)的上電復(fù)位實(shí)質(zhì)上就是上電延時(shí)復(fù)位，換句話說(shuō)就是在上電延時(shí)期間把單片機(jī)鎖定在復(fù)位狀態(tài)上。究其原因，是因?yàn)?電路每次通 電過(guò)程中， 電源回路中經(jīng)常存在一些容量大小不一的濾波電容，使得芯片接受的電壓是從低到高逐漸上升的。單片機(jī)每次上電復(fù)位所需延時(shí)時(shí)間應(yīng)不小于 一個(gè)延時(shí)（ RSTT ）。典型的復(fù)位電路如圖 所示 [37]，它是利用單片機(jī) RST 引腳外接一個(gè) RC 電路組成的，電阻和電容的值由手冊(cè)提供。在經(jīng)歷一段時(shí)間延時(shí)后，單片機(jī)進(jìn)入正常的運(yùn)行狀態(tài) [38]。由于 AT89 系列的單片機(jī)內(nèi)部就存在一個(gè)下拉電阻，所以簡(jiǎn)化了復(fù)位電路。 簡(jiǎn)化后的電路如圖 所示。 圖 典型復(fù)位電路 圖 簡(jiǎn)化復(fù)位電路 Typical reset circuit Simplified reset circuit 167。 33 信號(hào)采集單元的設(shè)計(jì) 通常，單片機(jī)在處理數(shù)據(jù)時(shí)需要將外界的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成自身可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，基本流程如圖河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 21 所示。 圖 單片機(jī)處理信息流程圖 MCU process information flow chart 331 采樣芯片的選型 從對(duì)系統(tǒng)實(shí) 現(xiàn)功能的角度考慮，需要對(duì)電動(dòng)機(jī)的漏電電流進(jìn)行采集。 因?yàn)?電機(jī) 電流 為三相 ，所以對(duì)芯片的要求至 少有三 個(gè)采集端口。從速度和精度來(lái)考慮，由于漏電電流有效值小，也不是瞬時(shí)的，所以對(duì) 速度 和精度 參數(shù)要求較高 。 基于以上要求，在 數(shù)據(jù) 采集芯片的選取上應(yīng)重點(diǎn)考慮這兩方面。典型的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809為 8通道、 8位中速 A/D轉(zhuǎn)換器，本身帶有多路通道 模擬 轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和與微處理器兼容的控制邏輯。從這個(gè)角度來(lái)看，選擇 ADC0809應(yīng)該符合 要求， 但是， 其 外圍電路一般選用總線方式， 雖然方便編程， 便于控制讀寫(xiě)信號(hào) ，可是程序簡(jiǎn)單勢(shì)必會(huì)使外圍電路復(fù)雜， 這樣占用的端口較多 [39,40]。所以 ADC0809并不是最佳選擇， 而且，通過(guò)分析 可知模 /數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 采用串行接口最佳 。 典型 的 串行模擬 /數(shù)字 轉(zhuǎn)換芯片 是 TLC2543。它 是一個(gè) 多通道 12位 開(kāi)關(guān)電容逐次逼近 A/D轉(zhuǎn)換器，需要用 2個(gè)存儲(chǔ)空間，一個(gè)用于存放低 8位數(shù)據(jù)，一個(gè)用于存放高 2位數(shù)據(jù) ，與單片機(jī)接口數(shù)為 5個(gè)，供電電壓為 5V。采樣 保持是自動(dòng)的。在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，“轉(zhuǎn)換結(jié)束”（ EOC）輸出端變高以指示轉(zhuǎn)換的完成。具有簡(jiǎn)化比率轉(zhuǎn)換、刻度以及模擬電路與邏輯電路和電源噪聲隔離的特點(diǎn)?？此?是較為理想的選擇。但是，考慮整個(gè)系統(tǒng)的擴(kuò)展， TLC2543也有其缺陷，即功能單一、不能實(shí)現(xiàn)內(nèi)部調(diào)節(jié)