【導讀】時、有效的保護與控制。本次設(shè)計介紹了微機保護的發(fā)展歷史、技術(shù)特點和發(fā)展方向。電壓信號為故障判據(jù)，設(shè)計了以C8051F360單片機為核心的微機保護裝置。C8051F360單片機主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和保護、以及人機對話功能。

　　

【正文】 ?? ??????? Nk kX NkuNu112s in2 ? () 由此可得到： 2121 XRm uuU ?? () 212mI XRn ii ?? () 傅 氏算法優(yōu)點是能夠有效地抑制各次諧波，有數(shù)據(jù)濾波作用。但由于用離散值累加代替連續(xù)積分，所以結(jié)果受頻率的影響，此外，由于此種算法得出結(jié)果時間長，所以響應速度較慢?，F(xiàn)在己有快速 傅 氏算法等用以克山東科技大學學士學位論文 微機保護算法 27 服這些缺點。 全周波傅氏算法 ， 計算精確 ， 并能抑制各種諧波 。 在本文保護裝置中 ，選取全周波傅氏算法作為系統(tǒng)的采樣算法。山東科技大學學士學位論文 電動機微機保護的硬件研究與設(shè)計 28 4 電動機微機保護的硬件研究與設(shè)計 保護裝置原理框架圖 由單片微機與其它外圍器件和裝置連接起來的硬件，在軟 件的操作下運行以執(zhí)行預定的保護或控制任務(wù)。硬件是微機保護系統(tǒng)的基礎(chǔ)，軟件設(shè)計必須與硬件協(xié)調(diào)，從而完成微機保護功能。本文裝置由 C8051F360 單片機為核心的主控單元，前向數(shù)據(jù)采集單元，保護執(zhí)行驅(qū)動單元。如下圖為系統(tǒng)硬件框圖： 電 壓A D 轉(zhuǎn) 換電 流電 流電 流電 流電 流A D 轉(zhuǎn) 換A D 轉(zhuǎn) 換A D 轉(zhuǎn) 換A D 轉(zhuǎn) 換A D 轉(zhuǎn) 換C8051F360人機接口按鍵顯示通 訊接 口 圖 保護裝置原理框架圖 如上圖所示，為系統(tǒng)的電氣原理圖，系統(tǒng)的控制核心采用單片機C8051F360。 山東科技大學學士學位論文 電動機微機保護的硬件研究與設(shè)計 29 硬件工作原理 信號輸入電路系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集所使用的傳感器是電壓互感器和電流互感器。電壓互感器二次側(cè)電壓、電流 互感器二次側(cè)電流的模擬量首先進入電流電壓變換模件進行交流變換，然后進入濾波元件濾波后進入 ad 轉(zhuǎn)換器，接著通過光電耦合去除干擾，進入單片機 C8051F360，由單片機微處理器讀取轉(zhuǎn)換的結(jié)果通過一定的算法進行信號處理和故障判斷。 看門狗 MAX813L 芯片可以實現(xiàn)對 CPU 的實時監(jiān)控，當 CPU 運行異常時，看門狗將對整套系統(tǒng)強行復位。 在人機接口模塊，用戶通過鍵盤可以查詢各個保護情況；單片機發(fā)出的事件報告和采樣信息也通過顯示器顯示。 通訊接口總線，通過與上位機通信，使系統(tǒng)調(diào)度人員能在遠方了解系統(tǒng)的運行情況，并能遠方修 改定值、執(zhí)行操作命令等，從而實現(xiàn)變電站綜合自動化的遠方監(jiān)控功能。 采樣濾波電路設(shè)計 本系統(tǒng)故障檢測信號取自于電動機 UAC相線電壓、三相線電流、負序電流和零序電流，共六路模擬輸入信號，實時的電壓和電流信號經(jīng)過 PT 和 CT的轉(zhuǎn)換，成為可處理的低電平信號，經(jīng)過預處理電路。 圖 電壓采樣電路圖 山東科技大學學士學位論文 電動機微機保護的硬件研究與設(shè)計 30 預處理電路主要完成對信號的濾波，濾除測量要求之外的高次諧波。然后在信號采集電路中對信號進行多路同步采樣，其中電壓采樣電路如圖。電壓信號經(jīng)穩(wěn)壓電路并轉(zhuǎn)化成電壓有效值，經(jīng)運算放大后 ad 轉(zhuǎn)換機。再通過光電耦合濾除干擾進入單片機。電流采樣電路為： 圖 電流采樣電路圖 在單片機中經(jīng)內(nèi)部程序的判定后確定保護狀態(tài)，從而完成保護。 單片機介紹 Intel 公司生產(chǎn)的 C8051F 系列單片機是一種高度集成的 SOC 型芯片，除兼容 8051 的微控制器內(nèi)核、指令系統(tǒng)、數(shù)字外設(shè)部件外、還具有數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的模擬部件及其他數(shù)字外設(shè)部件，包括 MUX、程控放大器、 ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準、溫度傳感器、 SMBus/I2C、 SPI、 USB、雙 UART、PCA、內(nèi)時鐘、 PLL、內(nèi)置大容量 FLASH 以及片內(nèi) XRAM 等大量的資源，使單片機既能處理數(shù)字信號，又能處理模擬信號，成為真正的混合信號系統(tǒng)級芯片或片上單片機系統(tǒng)。 C8051F360 具有指令運行速度高， I/O 端口功能可采用軟件配置，使始終系統(tǒng)更加完善；多種復位方式可實現(xiàn) C2 接口的在系統(tǒng)調(diào)試以及進一步降低功耗的特點。 山東科技大學學士學位論文 電動機微機保護的硬件研究與設(shè)計 31 8255 芯片及應用 8255 及端口 8255 是可編程外圍并行接口芯片，有三個 8位的并行口，端口既可編程為普通的 I/0 口，也可編程為選通 I/0 和雙向 傳輸口， 8255 為總線兼容型的，可與 C8051F360 的總線直接接口。 8255 并行 I/0 端口 A口、 B口和 C口都是 8位的，可以編程為輸入或輸出端口，其中 C口可以編程為兩個 4 位端口， A 口和 B 口八位 (字節(jié) )尋址，C 口可分高四位和低四位來尋址。同時，三個端口的特點有所不同，口 A輸入和輸出都帶鎖存，口 B和口 C 輸出有鎖存，但輸入無鎖存。 8255 的命令字和工作方式 8255 的 A1, AO 口為端口地址線，選擇如表 A1 A0 選通的端口 0 0 口 A 0 1 口 B 1 0 口 C 1 1 命令 字口 表 工作方式命令字的具體格式如下： D7=1 D6 D5 D4 D3 D2 Dl DO DO：口 C 下半部 (PC3PCO), 1=輸入， 0=輸出； D1：口 B, 1=輸入， 0=輸出； D2：口 B 方式選擇， 1=方式 1, 0=方式 0； D3：口 C 上半部 (PC7PC4), 1=輸入， 0=輸出； 山東科技大學學士學位論文 電動機微機保護的硬件研究與設(shè)計 32 D4：口 A， 1=輸入， 0=輸出； D6, D5：口 A方式選擇， 00=方式 0, O1=方式 1, 10=方式 2； 8255 的工作方式，共有方式 0、方式 方式 2三種： 方式 0 是基本輸入 /輸出方式，這種方式 下，端口按方式選擇命令字指定的方式輸入或輸出，輸出時具有端口鎖存功能。輸入時只有口 A 有鎖存功能。 方式 1 是選通輸入 /輸出方式，在這種方式下， 8255 的三個端口被分成 A 組和 B 組 (端口 A和端口 C的高四位為 A組，端口 B 和端口 C 的低四位為 B組 )， A組中口 A為 I/0 口，口 C的三位為其提供聯(lián)絡(luò)信號。 B 組中，口 B 為 I/0 口，口 C的三位為其提供聯(lián)絡(luò)信號。 方式 2 為雙向傳輸方式，只適用口 A?？?A 上作在方式 2時，口 C 提供 5 個聯(lián)絡(luò)信號。 人機界面設(shè)計 液晶顯示電路設(shè)計 DMF50174NT3FW 型液晶顯示 器是由日本 OPTRFX 公司生產(chǎn)的產(chǎn)品 .它由320240? 點陣構(gòu)成 .具有分辨率高、接口方便、設(shè)計簡便 (內(nèi)嵌控制器 )、功耗低、價格便宜等優(yōu)點。常常用于各種便攜式設(shè)備顯示前端儀器中?；?20240? 點陣的顯示屏具有多種擴展功能供用戶選擇，大大方便了用戶，提高了系統(tǒng)的集成度與實用性。其內(nèi)嵌控制器為 SED 1335 控制器，它具有豐富的指令系統(tǒng)，較強的 I/0 緩沖區(qū)。 C8051F360 的 P0 連接到 8255A， 8255A 的 PC 口與液晶顯示模 塊的數(shù)據(jù)口連接， C8051F360 的 RD,WR 直接用作液晶顯示模塊的讀、寫控制信號。液晶顯示模塊的引腳 RESET 掛在 +5V 上。通過調(diào)節(jié)電位器 W1 的大小能夠改變山東科技大學學士學位論文 電動機微機保護的硬件研究與設(shè)計 33 液晶顯示器的對比度。液晶顯示器在本保護裝置中用來顯示裝置的告警信息、故障報告、測量值及其他命令菜單等。 圖 顯示設(shè)計電路圖 SED1335 控制器是日本 SEIKO EPSON 公司出品的液晶顯示控制器，是一種寬工作電壓型 ～ 控制器，它在同類液晶顯示控制器產(chǎn)生中是功能較強的一個。其主要特點有： （ 1）帶有較強功能的 I/O 緩沖器； （ 2）指令功能豐富，四位數(shù)據(jù)可并行發(fā)送，最大驅(qū)動能力為 640 256點陣； SED1335 的硬件部分由 MPU 接口單元、內(nèi)部控制單元、驅(qū)動單元等組成。接口單元具有功能較強的 I/O 緩沖器。 SED1335 控制板外形尺寸為 9050mm，板上有兩個接口：分別為 J1 和 J2，其中 J1 為單片機控制板接口（ 16針）， J2 為液晶顯示器（ LCD）接口。下表所列是與單片機系統(tǒng)進行接口的引腳功能說明。 山東科技大學學士學位論文 電動機微機保護的硬件研究與設(shè)計 34 鍵盤電路設(shè)計 鍵盤是典型的輸入設(shè)備，其功能是為了查詢系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實現(xiàn)簡單的人機通信。鍵盤由三個鍵組成，分別為：向上、向下、確認組成。向上、向下用于選擇菜單，查詢各個保護的狀態(tài)等。鍵盤設(shè)計如圖 所示： 圖 鍵盤設(shè)計電路圖 管腳 名稱 有效電平 功能 1 GND 0V 電源地 2 Vcc +5V 正電源 3 Vadj 負 顯示對比度調(diào)整 4 WR 低 寫信號 5 RD 低 讀信號 6 CE 低 片選信號 7 A0 高 /低 高：寫命令字或讀數(shù)據(jù) 低：寫數(shù)據(jù)參數(shù)或讀數(shù)據(jù) 8 RST 低 復位信號 9～ 16 DB0～ DB7 高 /低 數(shù)據(jù)線 表 芯片 MPU 引腳功能 山東科技大學學士學位論文 電動機微機保護的硬件研究與設(shè)計 35 通訊接口設(shè)計 在實際應用中，常會出現(xiàn)控制與工作現(xiàn)場不在同地點的情況。本設(shè)計充分考慮后在系統(tǒng)設(shè)計時添加了通訊部分，以實現(xiàn)遠方通訊和控制。該部分為預留的通訊接口，信息傳輸采用串行方式。如圖 圖 通訊模塊電路圖 通訊部分電路圖如上圖所示，下側(cè)接口為通訊預留口，可直接以插口的形式與上位機連接。上側(cè)通過 MAX232 與單片機分別實現(xiàn)與數(shù)據(jù)的輸出與輸入。 本文選用 RS232通訊協(xié)議進行通訊。 RS232 通訊協(xié)議作為現(xiàn)在最常用的串行通訊協(xié)議，通訊距離長，可靠性更高，擴展性能好，具有非常廣的使用范圍。 本章主要介紹了電動機保護裝置的硬件設(shè)計。分析了設(shè)計中的幾個重點模塊：模擬量采樣、人機接口界面等。硬件部分是是保護裝置的物質(zhì)基山東科技大學學士學位論文 電動機微機保護的硬件研究與設(shè)計 36 礎(chǔ)，是后面軟件開發(fā)的前提條件。 看門狗電路 工業(yè)環(huán)境中的干擾大多是以窄脈沖的形式出現(xiàn)，而最終造成微機系統(tǒng)故障的多數(shù)現(xiàn)象為“死機”。究其原因是 CPU 在執(zhí)行某條指令時，受干擾的沖擊，使它的操作碼或地址碼發(fā)生改變，致使該條指令出錯。這時， CPU執(zhí)行隨機拼寫的指令，甚至將操作數(shù)作為操作碼 執(zhí)行，導致程序“跑飛”或進入“死循環(huán)”。為使這種“跑飛”或進入“死循環(huán)”的程序自動恢復，重新正常工作，一種有效的辦法是采用硬件“看門狗”技術(shù)。用看門狗程序的運行。若程序發(fā)生“死機”，則看門狗產(chǎn)生復位信號，引導單片機程序重新進入正常運行。 此外，工業(yè)現(xiàn)場由于諸多大型用電設(shè)備的投入或撤出電網(wǎng)運行，往往造成系統(tǒng)的電源電壓不穩(wěn)，當電源電壓降低或掉電時，會造成重要的數(shù)據(jù)丟失，系統(tǒng)不能正常運行。若設(shè)法在電源電壓降至一定的限值之前，單片機快速地保存重要數(shù)據(jù)，將會最大限度地減少損失。本設(shè)計采用 MAX813L制作看門狗電路有 效地保護了系統(tǒng)的正常運行。其引腳功能及工作原理說明： (1)手動復位輸入端 當該端輸入低電平保持 140 ms 以上， MAX813L 就輸出復位信號 .該輸入端的最小輸入脈寬要求可以有效地消除開關(guān)的抖動。與 TTL/CMOS 兼容。 (2)工作電源端（ VCC）：接 +5V 電源。 (3)電源接地端（ GND）：接 0 V 參考電平。 (4)電源故障輸入端（ PFI） 當該端輸入電壓低于 1． 25 V 時， 5號引腳輸出端的信號由高電平變?yōu)榈碗娖健? 山東科技大學學士學位論文 電動機微機保護的硬件研究與設(shè)計 37 (5)電源故障輸出端（ PFO） 電源正常時，保持高電平，電源電壓變低或掉電時，輸出由高電 平變?yōu)榈碗娖健? (6)看門狗信號輸入端（ WDI） 程序正常運行時，必須在小于 s 的時間間隔內(nèi)向該輸入端發(fā)送一個脈沖信號，以清除芯片內(nèi)部的看門狗定時器。若超過 s 該輸入端收不到脈沖信號，則內(nèi)部定時器溢出， 8號引腳由高電