【導讀】電力系統(tǒng)運行的安全性是形成系統(tǒng)威脅的主要問題，然而電力系統(tǒng)中的故障卻。為確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，增強供電的可靠性和連續(xù)性，就需要一個優(yōu)質(zhì)。輸電線路，它連接著電源和各種用電設(shè)備，實現(xiàn)電能的傳輸任務(wù)。這不僅危及線路的本身的運行，而且給整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來了隱患。軟件設(shè)計進行了研究，設(shè)計了一種基于AT89S52單片機的輸電線路電流保護裝置。重要包括二大部分的內(nèi)容。第一部分介紹了微機保護的相關(guān)知識；第二部分為單片機實現(xiàn)。和顯示電路，并介紹了了LM324、AD0809、LF398等芯片。

　　

【正文】 ）單片機功能多，引腳數(shù)少，因而許多引腳都具有第 2 功能； （ 2）單片機對外呈 3 總線形式，由 P P0 口組成 16 位地址總線；由 P0 口分時復用作為數(shù)據(jù)總線；由 ALE、 RST、與 P3 口中的 T0、 T共 10 個引腳組成控制總線。由于是16 位地址線，因此，可使 外部存儲器的尋址范圍達到 64KB。 17 4 硬件設(shè)計各部分詳解 單片機主系統(tǒng)設(shè)計 單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計 片內(nèi)帶程序存儲器的 8051 本身即可構(gòu)成一片最小系統(tǒng)，只要將單片機接上 時鐘電路和 復位電路 即可，同時用 EA 接高電平， ALE、 PSEN 信號不用，系統(tǒng)就可以工作 。如圖41 所示 ： 8888P 0P 1P 2P 3X T A L 1X T A L 2R E S T EV c c G N D8 0 5 12MHz2 0 P5 V 圖 41 8051 最小化系統(tǒng) 該系統(tǒng)的特點如下： I/O 線可供用戶使用 ： P0、 P P P3 四個口都可以作為 I/O 口使用 。 儲器的容量有限，只有 128B 的 RAM 和 4KB 的程序存儲器。 ，由于應(yīng)用系用的 P0 口、 P2 口在開發(fā)時需要作為數(shù)據(jù)、 地址總線，故這兩個口上的硬件調(diào)試只能用模擬的方法進行。 8051 的應(yīng)用軟件須依靠廠家的掩膜技術(shù)置入，故一般只適用于可做大批量生產(chǎn)的應(yīng)用系統(tǒng)。 復位電路 通過某種方式，使單片機各寄存器的值變?yōu)槌跏紶顟B(tài)的操作稱為復位。 8051 單片機在時鐘電路工作以后，在 RST/VPD 端持續(xù)給出 2 個機器周期的高電平就可以完成復位操作（一般復位脈沖寬度大于 10ms）。復位分為上電復 位和外部復位兩種方式。在本次設(shè)計中我采用的是上電 /部復位電路如圖 42 所示 ： 18 單 片 機R T S / V P DV S SV C CCR 1R 圖 42 8051 單片機上電 /復位電路 上電 /復位電路即可進行上電自動復位，也可以外部手動復位的電路 ，在本次設(shè)中計R1 以取 200Ω 左右 。當需要外部復位時，按下復位鍵即可達到目的。 晶振電路 晶體振蕩器，簡稱晶振。在電氣上它可以等效成一個電容和一個電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學上這個網(wǎng)絡(luò)有兩個諧振點，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是 并聯(lián)諧振。 如圖 43 所示 ： 3 0 p FX T A L 1X T A L 2C 1C 23 0 p F1 2 M H z 圖 43 單片機晶振電路 由于晶體自身的特性致使這兩個頻率的距離相當?shù)慕咏?，在這個極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會組成并聯(lián)諧振電路。這個并聯(lián)諧振電路加到一個負反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄，所以即使其他元件的參數(shù)變化很大，這個振蕩器的頻率也不會有很大的變化。 晶振有一個重要的參數(shù)，那就是負載電容值，選擇與負載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以 得到晶振標稱的諧振頻率。 在這次設(shè)計中我選擇 30pF 的電容和 12MHz 的晶振。 單片機的時鐘產(chǎn)生方法有內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式兩種，本次設(shè)計中單片機運用系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式。 內(nèi)部時鐘方式： 最常用的內(nèi)部時鐘方式是采用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。連接方法如 圖 4419 所示 ， 8052 單片機允許的諧振晶體可在 ~24MHZ 之間選擇，一般取 。電容 C C2 可在 20PF~100PF 之間選擇，一般當外接晶體時典型取值為 30PF，外接陶瓷諧振器時典型值為 47PF，取 60PF~70PF 時振 蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。在本次設(shè)計中，我選取的的是諧振晶體為 12MHZ，電容為 30PF。 圖 44 內(nèi)部時鐘接線圖 8501 電路連接圖 單片機的連接 線 如 圖 45 所示 ： 圖 45 單片機的電路連 線 圖 在 圖 43， P00P07 是與 ADC0809 的 DOD7 連接， 對應(yīng)連接到數(shù)碼管的a,b,c,d,e,f,g,h 上。在圖中接入了 3 個按鍵及一個二極管，便于在調(diào)試過程中操作。 直流電源電路設(shè)計 直流電源的設(shè)計主要用于給 本次設(shè)計電路 中部分元器件供電。例如給 LED 數(shù) 碼顯示器 、 ADC080單片機供電 都為 5V， 給 LM324 供電 為 12V。試驗中還用到 +15V。該多用途電源設(shè)計方法為：通過變壓器將電網(wǎng)電壓變?yōu)樾‰妷?，再由穩(wěn)壓管 LM781 LM781LM7805 依次將電壓變化為 +15V、 +12V、 +5V。電容器用以去除電路 紋 波。電源電路接線20 圖如圖 44 所示 ： 圖 44 直流電源電路接線圖 在此電路中涉及到了整流橋，整流橋的作用就是能夠通過二極管的單向?qū)ǖ奶匦詫㈦娖皆诹泓c上下浮動的交流電轉(zhuǎn)換為單向的直流電，例如設(shè)計中需要把交流電變成直流電是就需此電路。 電 流 形成電路 設(shè)計 交流電流的變換一般采用電流變換器，并在其二次側(cè)并聯(lián)電阻以取得所需的電壓，其優(yōu)點是：只要鐵心不飽和，其二次電流及并聯(lián)電阻上電壓的波形就可基本保持與一次電流波形相同且同相，可以做到不失真變換，但是，電流互感器在非周期分量的作用下容易飽和。 電流形成回路除了起電量變換作用外，還起到隔離作用，它使單片機與強電系統(tǒng)隔離，從而在較大強度上減弱了來自高壓系統(tǒng)的電磁干擾。 i1TAR u2 u1TVu2 (a)電流變換器 （ b） 電壓變換器 圖 45 交流變換器 圖 45 所示為交流變換器，這種方式要求后面的 A/D 采樣速率較高。當不要求高采樣速率時，可以采用直流變換器。直流變換器的二次輸出電壓為直流，其大小反映一次交流21 量的有效值。 信號調(diào)理的流程 設(shè)計 信號調(diào)理電路流程按照先將我們的日常用電降低為本次設(shè)計中所需的大小，然后分壓、限流，接著阻止信號的高頻成分，只讓低頻成分通過， 然后 對電信號進行運算 ，最后為了防止信號調(diào)理電路與后續(xù)電路間的相互干擾，設(shè)置一級的電壓 跟隨的順序來進行。如圖 46 所示 ： 降 壓 偏 置 濾 波 放 大 跟 隨 圖 46 信號調(diào)理電路的流程圖 在本次設(shè)計中，我們 選取了 2mA:2mA 的電流互感器，目的是為了保證電路安全的運行，起保護作用，它與繼電器配合。在線路發(fā)生故障時，向繼電器 提供信號切斷電路，以保護供電系統(tǒng)的安全。 由于當時材料所限， 為了使最終獲取的電流與設(shè)計中所需要的誤差更小， 我們采取了將 4 個阻止近似與 110KΩ 的先兩兩串聯(lián)，然后并聯(lián)的等效電阻 。因為220V/2mA=110KΩ。所以選用 110KΩ 的電阻。 偏置電路設(shè)計 ： 本 設(shè)計 采用 10kΩ 電位器設(shè)計偏置電壓可調(diào)的偏置電路，如圖 47。其偏置電壓范圍為0~5V。 圖 47 偏置電路 低通濾波電路設(shè)計： 理論分析：低通濾波電路是阻止信號的高頻成分，只讓低頻成分通過的電路，其電路如圖 48。 參數(shù)選?。? 22 RCjC????1j1 （ 41） f2π?? （ 42） Hz53f ? （ 43） 通過計算得出 C 與 R 的比例關(guān)系確定 R=30Ω， C=100uF。 圖 48 濾波電路 放大電路設(shè)計： 本 設(shè)計 采用 10kΩ 電位器設(shè)計放大倍數(shù)可調(diào)的放大電路 ， 如圖 49。 放大倍數(shù)范圍為 0~2倍。 放大倍數(shù)計算： V i nk10 k10RxV ou t ?? （ 44） Rx 為滑動觸頭與輸出點間電阻。 圖 49 放 大電路 U 2AL M 324N321141R230k166。184。C1100n F40R610k166。184。8023 在本次設(shè)計中 我們選用的運算放大器為常見的 LM324。該運放為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器，其管腳連接圖如圖 410 所示 圖 410LM324 管腳連接圖 跟隨電路設(shè)計： 為防止信號調(diào)理電路與后續(xù)電路間相互干擾，所以設(shè)置一級電壓跟隨電路，如圖 411。100Ω 電阻為限流電阻。 U 4ALM 324N321141R7100166。184。10 圖 411 跟隨電路 電壓跟隨的作用：共集電路是輸入高阻抗，輸出低阻抗，這就使得電壓跟隨在電路中可以起到阻抗匹配作用，能夠使得后一級的放大電路更好地工作 。 采樣保持 的設(shè)計 A／ D 轉(zhuǎn)換器在進行 A／ D 轉(zhuǎn)換期間 ，通常要求輸入的模擬量應(yīng)保持不變，以保證 A／ D 轉(zhuǎn)換的準確進行。因此，采樣信號應(yīng)送至采樣保持電路（亦稱采樣保持器）進行保持。采樣保持器對系統(tǒng)精度有很大影響，特別是對一些瞬變模擬信號更為明顯。 采樣保持器通常由保持電容、輸入輸出緩沖放大器、模擬開關(guān)等組成。 LF398 價格低廉，在國內(nèi)應(yīng)用非常廣泛。它有 8 個引腳， 典型連線圖如圖 412 所示。 2 腳接 1kΩ 電阻，用于調(diào)節(jié)漂移電壓， 7 腳和 8 腳是兩個控制端，控制開關(guān)的關(guān)斷。 7腳接參考電壓， 8 腳接控制信號。參考電壓應(yīng)根據(jù)控制信號的電平來選擇。如 7 腳接地，則 8 腳接控 制信號大于 時， LF398 處于采樣狀態(tài)；如 8 腳為低電平， 則 LF398 處于保持狀態(tài)。 6 腳外接保持電容，它的選取對采樣保持電路的技術(shù)性能指標至關(guān)重要，大電容可使系統(tǒng)得到較高精度，但采樣時間加長。小電容可提高采樣頻率，但精度較低。同時，電容的選擇應(yīng)綜合考慮精度要求和采樣頻率等因素。 LF398 的其它幾個參數(shù)為： Ri= 1010 Ω，24 R0=，漂移電壓 2mV，供電電壓值在 5V～ 18V 間選擇。 2 4 K1 K12345678V i n采 樣V +V 保 持L O G I C 圖 412 LF398 連 線圖 LF398 每個管腳對應(yīng)的功能如表 42 表 42 引腳 符號 功 能 1 V+ 正電源電壓輸入引腳 2 偏置調(diào)零引腳 3 IN 輸入引腳 4 V 負電源電壓輸入引腳 5 OUT 輸出引腳 6 Ch 保持電容引腳 7 REF 參考電壓輸入引腳 8 CON 控制邏輯 IN+ 模數(shù)轉(zhuǎn)換 的設(shè)計 ADC0809 是帶有 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器、 8 路多路開關(guān)以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS 組件。它是逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換 器，可以和單片機直接接口。 [13] 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計 由 圖 413 可知， ADC0809 由一個 8 路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個 A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通 8 個模擬通道，允許 8 路模擬量分時輸入，共用 A/D 轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存 A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當 OE 端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。 25 圖 413 ADC0809 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) ACD0809 的引腳和功能 1． ADC0809 的引腳圖 圖 413 ADC0809 的引腳圖 各引 腳功能 ADC0809 各 引 腳功能如下： D7D0： 8 位數(shù)字量輸出引腳。 IN0IN7： 8 位模擬量輸入引腳。 VCC： +5V 工作電壓。 GND：地。 REF（ +）：參考電壓正端。 REF（ ）：參考電壓負端。 START： A/D 轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端。 ALE：地址鎖存允許信號輸入端。 26 （以上兩種信號用于啟動 A/D 轉(zhuǎn)換） 。 EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時為低電平，當轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電平。 OE：輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。 CLK：時鐘信號輸入端（一 般為 500KHz）。 A、 B、 C：地址輸入線。 ADC0809 對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是 0V－ 5V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。 地址輸入和控制線： 4 條 ALE 為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當 ALE 線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將 A， B， C 三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。 A， B 和 C 為地址