毕业设计（论文）-基于MSP430的漏电触电保护硬件设计.doc

本科毕业设计(论文) 题目：基于msp430的漏电触电保护硬件设计系 别： 专 业： 班 级： 学 生： 学 号： 指导教师： 2011年06月毕业设计（论文）任务书系（部）电子信息系 专业 电气工程及其自动化 班级姓名 学号 1.毕业设计（论文）题目：基于msp430的漏电触电保护硬件设计 2.题目背景和意义：随着我国经济建设规模的不断扩大,用电量迅速增长,安全用电这一问题显得更为重要。低压电网的漏电保护已经引起我国各用电部门及劳动保护部门的高度重视,建立科学的完善的漏电保护体系已迫在眉睫。漏电保护器主要用来防止漏电火灾造成的经济损失及人身触电造成的伤亡,因此得到广泛应用。 3.设计(论文)的主要内容：本毕业设计在了解电网漏电触电产生的原因以及漏电触电的检测原理之下，针对区分漏电电流中的缓变电流和突变电流以及对二者做不同的处理，设计基于mps430f149单片机的检测、处理和动作电路，从而减少保护器的误动作发生，提高漏电触电保护器的安全性和可靠性。 设计指标：缓变电流额定动作值in：100ma，突变电流额定动作值in：8ma。 4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）： 1）了解触漏电的概念和和漏电触电检测的工作原理；2）完成系统各功能模块电路原理图设计；3）利用protel99se绘制电路原理图，制作pcb；4）完成元器件的焊接和电路板的调试，并进行软硬联调。 毕业设计工作自2010 年11 月20 日起至 2011 年 5 月20 日止进度安排：第一学期 11-14周；完成设计资料的收集、整理等前期工作和开题报告15-18周：设计电路功能模块，并计算元器件参数进行器件选型；第二学期 1-2周: 准备中期答辩；3-5周：通过protel 99se绘制原理图，制作pcb；6-8周：焊接元器件并调试硬件电路；8-12周：进行软硬件联调；13-14周：完善设计，并撰写毕业论文，准备终期答辩。 毕业设计进行地点： 学校 5.毕业设计（论文）的工作量要求 实验（时数）*或实习（天数）： 不少于150学时 图纸（幅面和张数）*： a4不少于一张 其他要求： 外文翻译字数不少于3000字;参考文献篇数15篇 指导教师签名： 年 月 日 学生签名： 年 月 日 系主任审批： 年 月 日说明：1本表一式二份，一份由各系集中归档保存，一份学生留存。2 带*项可根据学科特点选填。西安工业大学北方信息工程学院本科毕业设计(论文) 题目：基于msp430的漏电触电保护硬件设计系 别： 专 业： 班 级： 学 生： 学 号： 指导教师： 2011年06月1基于msp430的漏电触电保护硬件设计摘 要现有剩余电流保护装置是基于低压电网的剩余电流值而动作，在原理上未能真正区别正常泄漏电流与人触电电流，当触电电流矢量与系统漏电电流矢量夹角大于九十度时，人身触电或设备出现故障，剩余电流不一定增加反而会减少，保护装置失效。为保证人身和电气设备的安全以及低压电网的正常运行，有必要研究新型的触电保护技术，使剩电流保护装置能基于人体触电电流而动作，这就需要研究触电电流信号的检测即基于单片机的漏电触电保护系统的设计来完成漏电流和触电流的准确检测方法。本设计主要在了解电网漏电触电产生的原因以及漏电触电检测原理的前提下，设计漏电触电保护电路，研究一种检测的方法，对漏电流进行检测，从而区分其中的缓变电流和突变电流并做不同处理。本文采用msp430单片机来设计系统的硬件电路，设计的硬件电路主要包括数据的采集电路，过零检测电路，放大电路和驱动电路，从而减少保护器误动作的发生，提高漏电触电保护器的安全性和可靠性。关键词：msp430；漏电触电保护；剩余电流；检测方法msp430-based hardware design leakage protection of electric shockabstractresidual current protection device is the existing low-voltage power grid based on the value of residual current and the action, not a real distinction in principle the normal leakage current of electric shock with people, when the electric shock current vector and the system leakage current vector angle greater than ninety degrees, the personal electric shock or equipment failure, residual current does not increase but will decrease protection device failure. to ensure the safety of personal and electrical equipment as well as the normal operation of low-voltage power grid, the need to study a new type of electric shock protection technology, so that residual current protection device can shock current and the action based on the human body, which requires the detection of electric shock current signal that is based on single chip leakage electric shock protection system designed to perform leakage current and accurate detection method for electric shock flow. this paper mainly in understanding grid leakage shock the causes and leakage under the premise of electric shock detection principle, design a circuit, studying a kind of examination method, testing of leakage current and distinguish between the dispersion-decreasing current and mutation current. this design mainly adopts msp430 microcontroller to design system hardware circuit and principle diagram, hardware design including the data acquisition circuit, the zero detection circuit, amplification circuit and drive circuit, thus reducing protector misoperation, improve the occurrence of leakage the safety and reliability of the electric shock protector.key words: msp430; leakage electric shock protection; residual current; detection2目录1 绪论11.1 概述11.2 漏电保护技术研究的现状21.2.1 国内漏电保护技术的研究现状21.2.2 国外漏电触电保护技术研究的现状32 本论文主要研究内容及方案52.1 主要内容52.2 研究方案52.3 漏电流检测分析法63 漏电触电保护系统的硬件设计83.1 硬件设计的总体设计思想83.2 微处理芯片的选型83.3 系统功能模块电路设计103.3.1 msp430f149的主控电路103.3.2 基于msp430f149芯片的电源电路设计103.3.3 动作执行单元123.3.4 过零点检测电路133.3.5 复位电路153.3.6 信号检测电路设计153.3.7 系统调试接口电路设计164 原理图及pcb板的制作174.1 protel99原理图的设计（schematic）174.2 pcb板的制作184.2.1 电路板的印制184.2.2 布线194.3 系统调试及实验结果205 总结23参考文献24致 谢25毕业设计（论文）知识产权声明26毕业设计（论文）独创性声明27附录1281 绪论1 绪论1.1 概述随着时代的发展，电已经成为现代经济的命脉，它与工农业生产以及人们日常生活密切相关，是一种便于传输、使用方便、最为洁净的能源。随着我国经济建设规模的不断扩大和人民生活水平的提高，各经济、政治、文化部门重要用电设备不断增加，尤其是工矿企业、航空航天等。这些重要用电设备和人畜的保护已成为一项至关重要的任务，其因素包括三个方面：过电压、过电流和漏电触电。根据不完全统计，我国每年有数千人死于触电事故，因漏电引起的火灾和重要电气设备损坏造成的经济损失达数亿元，防止因漏电而引起人身触电以及因接地故障而导致的设备损坏甚至发生火灾已成为当务之急，建立科学完善的触电、漏电保护体系已迫在眉睫。所以在检测低压设备的三个电气参数中，电压电流的谐波检测和漏电触电是研究的重点和难点。通常，低压配电网中广泛用的漏电流动作保护装置为剩余电流动作保护器（简称rcd-residual current devices）用于防止人身触电事故以及防止由漏电引起的电能损耗、电气火灾和电气设备损坏事故。在应用上，通过零序电流互感器建立动作判据，对于防止人身电击事故和保护用电设备，是最有效的方法之一。漏电电流保护器事关人身财产安全，其可靠性是一个重要的技术指标，我国1986年颁布（1995年修改）了第一个关于剩余电流动作保护器各项性能指标的强制性国家标准。随着单片机技术的发展，单片机在电气装置领域也得到广泛应用，使各种电气设备朝着数字化、智能化的方向发展。漏电保护器是低压电器的一个重要系列产品，目前对漏电保护的智能化在理论上和技术上还需要进行深入研究与探讨，以提高其安全性、可靠性。目前国内外普遍采用剩余电流动作的保护方法，但其设定动作值较大，误动作较多，影响了设备的连续工作。且在有些情况下仍然存在死区问题，导致漏电保护系统发生拒动作，因此无法实现正确的漏电保护，还存在极大的安全隐患。究其原因，主要在于漏电死区的存在和电网谐波造成的干扰，这些问题在国内外尚未有效地解决，需要研究新的漏电保护原理，本文就以这两个方面为切入点，提高漏电保护器工作的可靠性和安全性。随着单片机技术的发展，单片机在电气装置领域也得到广泛应用，使各种电气设备朝着数字化、智能化的方向发展。漏电保护器是低压电器的一个重要系列产品，目前对漏电保护的智能化在理论上和技术上还需要进行深入研究与探讨，以提高其安全性、可靠性。本次研究利用基于高性msp430f149单片机的数字式漏电电流保护器。该装置能够实时监测并显示当前漏电流值的大小，可以根据电网运行状况，自动切换漏电流档位。本次设计将在上述基础上，就漏电、触电问题做以研究和解决。同时随着我国经济建设的发展和任命生活的逐步提高，各经济、政治、文化部门的重西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）要用电设备不断增加，对于这些重要用电设备以及人畜的保护已经成为一项至关重要的任务，而漏电触电更是重中之重。虽然目前对漏电触点的相关研究工作已经为数很多，但是漏电所引起的重要电气设备损坏，人畜伤亡和火灾等事故仍然是层出不穷，究其原因，主要是在于漏电死区的存在和电网谐波造成的干扰。而低压配电网中广泛采用的漏电流动作保护装置，即剩余电流动作保护器（简称rcd-residual current devices）是用于防止人身触电事故以及防止由漏电引起的电能损耗、电气火灾和电气设备损坏事故。在应用上，通过零序电流互感器建立动作判据，对于防止人身电击事故和保护用电设备，是最有效的方法之一。当下，电子技术的发展和单片机应用领域的拓展，在国内外低压电器领域，单片机技术已经取得了长足的应用和发展，单片机在电气装置领域也得到广泛应用，使各种电气设备朝着数字化、智能化的方向发展。漏电保护器是低压电器的一个重要系列产品，目前对漏电保护的智能化在理论上和技术上还需要进行深入研究与探讨，以提高其安全性、可靠性。本次研究利用基于高性msp430f149单片机的数字式漏电电流保护器。该装置能够实时监测并显示当前漏电流值的大小，可以根据电网运行状况，自动切换漏电流档位。本次设计将在上述基础上，就漏电、触电问题做以研究和解决，将单片机技术应用到剩余电流保护器使得其保护特性更准确、更可靠，取得了较大的社会效益和经济效益。因此，采用单片机技术的漏电保护系统在功能的实现方面具有较强的优势，解决了以往不能或不易解决的问题。1.2 漏电保护技术研究的现状1.2.1 国内漏电保护技术的研究现状我国研究漏电保护器起步迟于国外。进入二十世纪七十年代，我国用电量逐年增加，触电事故也逐年增加，因此引起了各部门的高度重视。在各部门的努力下，开始研制漏电保护器。1986年制定了国家标准gb6829漏电电流动作保护器(剩余电流动作保护器)，1995年进行了重新修订，明确规定了漏电保护器产品的质量要求、工作条件和实验方法，从此我国漏电保护器产品的设计和生产进入科学化、规范化阶段，产品系列逐步齐全，产品质量稳步提高，并逐步强制规定用户安装漏电保护器。我国漏电保护器的生产和应用起步较晚，从70年代中期开始发展，并首先在农村低压电网中推广应用。经过80年代和90年代的自行研制、开发，引进国外先进技术，取得了较大的进展，已形成一个品种完善，规格齐全，符合iec国际标准的漏电电流保护器的产品系列7。在低压电网的安全保护中，尤其是农村低压电网的安全保护中发挥了重要的作用。我国生产的剩余电流保护器绝大部分为电子式的，约占剩余电流保护器总产量的90%左右。电磁式剩余电流保护器因制造成本高、价格贵，使用量较少，目前仅占10%左右。主要种类有：家用及类似用途剩余电流断路器、剩余电流断路器(主要由低压塑壳断路器派生而成)、移动式剩余电流保护器和剩余电流继电器等。a. 家用及类似用途剩余电流断路器家用及类似用途剩余电流断路器可分为带过电流保护和不带过电流保护两种，适合于非专业人员使用。主要使用在商店、办公楼、饭店及城乡居民住宅等建筑物中，对低压线路和用电设备进行保护。b. 剩余电流断路器由低压塑壳断路器派生的剩余电流断路器，适合于专业人员使用，基本上都是电子式的剩余电流断路器。这类产品额定电流较大，除了漏电保护外，还具有过载和短路保护，可作为工厂车间、农村等配电装置主干线、分支线的漏电和过载短路保护装置。c. 剩余电流继电器剩余电流继电器一般分为四种，即一般型剩余电流继电器、脉冲型剩余电流继电器、鉴相鉴幅型剩余电流继电器和基于单片机的剩余电流保护继电器。脉冲型保护器的诞生曾经在我国漏电保护开关行业产生了巨大的影响，其原理的先进性及现场的方便性、适应性确立了它在我国现阶段农村电网中广泛使用的地位，为我国保护器行业的发展发挥了积极的作用。继脉冲型剩余电流继电器后出现的鉴相、鉴幅型保护器在解决动作死区方面从原理上又前进了一步。之后又出现了了基于单片机的剩余电流保护继电器，这种继电器以单片机为平台，在检测判断的速度和精度上更胜于前几种类型的继电器。综上所述，我国目前剩余电流继电器主要是在农村低压电网中使用，剩余电流继电器与交流接触器组合成剩余电流保护器作为主干线或分支线路的漏电保护装置。脉冲型、鉴相鉴幅型剩余电流继电器专门适应于我国农村低压电网泄漏电流比较大的情况，把缓变的动作电流值设定在200300ma之间，避开电网正常泄漏电流的误动作；把突变的动作电流值设定在40ma左右，这在一定程度上提高了农村低压电网剩余电流保护器的投运率。既保证在较大漏电流情况下正常运行，大漏电故障时动作，又能对突发的触电信号实行可靠动作，满足了现场的要求。目前在农村电网中有一定的市场，但相应地带来误动作增多，影响了供电的连续性，降低了供电质量，因而在城市电网中至今未见使用。工业生产中剩余电流继电器的使用主要是在石油化工、钢铁企业等需要连续供电的场所，作为漏电报警或绝缘监视用。1.2.2 国外漏电触电保护技术研究的现状漏电保护技术是从二十世纪初在西欧国家发展起来的。漏电保护器的发展大约经历了三个阶段，即初始阶段、发展阶段和成熟阶段。1921年德国正式发明了电压动作型漏电保护器，主要保护设备外壳漏电，自此，德国的vde规程及英国的bs规程均制定了有关电压动作型漏电保护器的标准。1930年欧洲国家开始采用电压型保护器。电压型保护器有不可克服的缺点，只能保护单台用电设备，且过电压容易损坏漏电保护器，现在已经被淘汰使用了。电力系统的谐波问题在20世纪20年代和30年代才引起了人们的注意，所以人们对谐波影响漏电检测的这一意识还比较模糊。根据1928年提出的专利，法国人在1940年制成了世界上第一台灵敏度为10ma，切断时间为0.1s的电流型漏电保护器。但由于当时磁性材料的发展尚未达到一定的水平，并且制造灵敏的脱扣机构的技术也不完善。因此在第二次世界大战之前，漏电保护器未能大批量生产并用于工程实际中去。第二次世界大战以后，随着电气化进程的加快，电气设备用量日趋增加，触电及电气火灾的可能性也与日俱增。因此，人们对漏电保护器寄予很大的希望。西德在50年代就开始批量生产漏电开关，但是将漏电保护器真正作为触电保护手段用于实际工程，则是在60年代以后的事情。1956年德国开始批量生产电流型保护器，1962年美国研制成功了灵敏度为5ma的电流型保护器，英国生产了额定漏电动作电流为30ma，额定动作时间为30ms高灵敏度快速型漏电保护器。60年代后期，西欧各国漏电保护器的发展已趋于完善。到二十世纪七十年代各国开始制定规程强制在一些场所安装漏电保护器。系统保护中，根据我国井下低压电网的运行情况，一般认为对低压配电网实行两级保护，级数再增加将没有使用意义。实行分级保护的目的是从人身、设备安全和正常用电的角度出发，既要保证能可靠动作，切断电源，又要把这种动作跳闸造成的停电限制在最小范围内。常用的漏电保护装置多为附加直流电源式保护和零序电流保护装置。总保护处安装附加直流电源保护，无论系统发生对称性漏电还是非对称性漏电，保护均能可靠性动作。分支出口处安装零序电流保护作为横向选择性保护的主保护。漏电系统一般建立两级后备保护，附加直流电源保护和漏电闭锁分别作为分支漏电保护单元的一级和二级后备。在实行分级保护的低压电网中，决定分级的条件是下一级保护器的额定动作时间（包括主开关断开电路的跳闸时间）必须小于上一级保护器的极限不动作时间。对于下级保护，要求其额定动作时间达到最快，从而快速切除故障。对于上一级保护，为保证选择性就需一定的时间延时，以躲过下级保护在动作跳闸时所需时间。42 本论文主要研究内容及方案2 本论文主要研究内容及方案2.1 主要内容本次毕业设计研究的主要内容是设计一个基于msp430单片机的漏电触电保护系统。该保护系统能够实现漏电电流的实时检测,根据检测值大小来控制相应的继电器动作，从而实现对电器设备和人员的保护。也可以对漏电流保护动作的时间进行设置，能够保证用电安全与供电可靠性。2.2 研究方案本文设计采用了硬件和软件相互配合的方案。用比较器对漏电流进行实时监视，一旦发现漏电流过大，则按照预先设定的不同的漏电流值大小在msp430相应的io口触发中断。漏电保护器(剩余电流动作保护器)是指能同时完成检测剩余电流，将剩余电流与基准值相比较，以及当剩余电流超过基准值时断开被保护电路的装置。漏电保护器主要包括检测元件(零序电流互感器)、中间环节(包括放大器、比较器、脱扣器等)、执行元件(主开关)三个基本环节。图2.1是三相四线制供电系统的漏电保护器工作原理示意图。ta为漏电电流互感器，gf为主开关，tl为主开关的分励脱扣器线圈。图2.1 漏电保护原理图在被保护电路工作正常，没有发生漏电或触电故障的情况下，由克希荷夫定律可知，通过漏电电流互感器ta一次侧的电流相量和等于零，即。 (2.1)这使得ta铁中心的磁通的相量和也为0，即。9西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） (2.2)这样电流互感器的二次侧没有感应电动势产生，漏电保护器不动作，系统保持正常。当被保护电路发生漏电故障或有人触电时，由于漏电电流的存在，使得通过电流互感器一次侧各相电流的相量和不再等于零，产生了漏电电流。 (2.3)这使得ta铁中心的磁通的相量和也不等于0，即。 (2.4)在铁心中出现了交变磁通。电流互感器的二次侧在交变磁通作用下，就有感应电动势产生，此漏电信号经中间环节进行处理和比较，当达到预定值时，使主开关分励脱扣器线圈tl 通电，驱动主开关gf自动跳闸，切断故障电路，从而实现保护。用于单相回路的漏电保护的工作原理与此相同，不再赘述。2.3 漏电流检测分析法我国的低压电网主要采用中性点直接接地的三相四线制电网。当a、b、c 三相电压相等，且三相漏电阻抗完全对称时，三相对地漏电电流的矢量和为零。通常漏电阻抗是不平衡的，故漏电流总是存在的。漏电流随气候变化、设备老化或其他条件变化而发生的变化是比较缓慢的，漏电流从一个值过渡到另一个值需要较长的时间，即缓变电流，其额定动作值in一般整定为100220ma。而突变电流总是突然变化，在人畜触电或设备突然损坏时产生，它在瞬间达到其额定动作值in，in一般设定在30ma。由于缓变电流和突变电流的额定动作值不同(inin)，在漏电保护.处理，保证漏电保护的可靠性和安全性。本文所采取的方法是逐值电流检测法，这种方法是基于单片机进行漏电流检测的，是针对上述峰值检测方法存在的问题提出来的。逐值检测法是指整流后的信号在一个周期(10ms)内逐点采样信号值，利用各点幅值和相角的变化来判定缓变电流和突变电流的情况，从而正确动作，解决上述问题。详细分析如下。具体来讲，找准信号过零点的时刻而且解决电网周期不稳定等问题后，在每个周期内确定的时刻采样得到有效的信号值，然后进行处理。这里已第二个采样点为例作以阐述：如图2.2的(a)图当前采样时刻t21值与前一周期相应采样值相减，然后与设定值作比较，大于设定的差值in(突变电流额定动作值)，若此时再采样后续两个周期相对应时刻t22和t23的信号值，均大于突变电流设定动作值，则确定是突变电流，发出执行信号，使继电器动作；若再采样后续两个周期相对应时刻t22和t23的信号值，如图2.1的(b)图，均小于突变电流设定动作值，则确定为缓变电流，更新原来缓变电流的记录a为(a+h2)，而差值h1是干扰信号。一直这样进行下去，记录的缓变电流值达到设定额定值in时，应发出执行信号，继电器动作，否则危及被保护的设备。此检测方案是每三个周期进行一次比较和处理的，事实上，比较的周期数越多，判断的准确性越高，但是这会使触电动作时间更长，人体经受电击的时间加长，对人身保护起到反作用，所以三个周期共30ms的时间是比较合理的。这种方案的缺点在于占用空间较大，在一些要求设备重量不能太大的场合，会有一点不便。最终可以得到一条漏电流曲线，如图2.2所示：是测得的缓变电流，是触电发生时的合成电流曲线，其每一时刻的电流值都是缓变电流和突变电流的矢量和，由于在较短的一段时间内，缓变电流是相对不变的，大小可以等于前一时刻的缓变电流，即图2.3虚线所示，所以在t1到t3的每时刻电流突增值即突变电流就可以计算出来，等于- ，从而绘制出一条电流突增的曲线。重要的一点就是要设计过零点测电路，准确检测相位差。一般触电体是纯阻性体时，漏电流和工作电压之间的相位差为零，即同时出现信号过零点；一旦触电体为非纯阻性体时，漏电流和电压之间的相位差非零，漏电流的过零点可能是突变电流和缓变电流在这个时刻的矢量和恰好为零形成的，那么必须检测到这两者先后过零点的时间差，然后计算出相位差，应用公式得到此刻的突变电流值，进行判断。这种检测方法提高了安全运行保护装置的可靠性和安全性，并解决了死区问题。出于安全可靠和应用场合的考虑，此法是比较可取的，可以预先检测到重大设备和人身处于危险状态，使设备免于受损，减少经济损失。(a) 漏电情况一 (b) 漏电情况二图2.2 连续三周期漏电检测示意图2.3 漏电流分析示意图3 漏电触电保护系统的硬件设计3 漏电触电保护系统的硬件设计系统所有功能的实现和可靠运行，都依赖于完整的软件设计，但硬件电路是实现这些预定功能的基础，是检测系统的“肢体”，也是整个设计任务的重点，必须认真设计。本章将简要介绍低压设备运行参数检测和保护系统的设计需求及各功能实现电路，并对该系统的总体结构和关键技术进行详细阐述。3.1 硬件设计的总体设计思想 低压设备检测系统的硬件设计可以分为漏电流检测电路、过零点检测电路、单片机控制单元、动作执行单元几大部分，原理框图如图3.1所示。图3.1 系统电路原理框图漏电电流检测电路由漏电流互感器和信号放大单元组成，工作电流检测电路由电流互感器和分压网络组成，这几部分电路分别将检测到的漏电电流、工作电流信号送到单片机的a/d输入通道，转换成单片机可以处理的数字信号，其过零点检测电路用于准时启动a/d采样并将设备的漏电电流信号的过零时间点进行差值运算，为软件算法-逐值检测算法服务；动作执行单元是在检测到的信号经过判断处后大于额定值时，由单片机直接控制继电器动作的执行。3.2 微处理芯片的选型msp430是德州公司新开发的一类具有16位总线的带flash的单片机，由于其性价西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）比和集成度高,受到广大技术开发人员的青睐。它采用16位的总线，外设和内存统一编址，寻址范围可达64k，还可以外扩展存储器。具有统一的中断管理，具有丰富的片上外围模块，片内有精密硬件乘法器、两个16位定时器、一个14路的12位的模数转换器、一个看门狗、6路p口、两路usart通信端口、一个比较器、一个dco内部振荡器和两个外部时钟，支持8m的时钟.由于为flash型，则可以在线对单片机进行调试和下载，且jtag口直接和fet(flash emulation tool)的相连，不须另外的仿真工具，方便实用，而且，可以在超低功耗模式下工作，对环境和人体的辐射小，测量结果为100mw左右的功耗(电流为14ma左右)，可靠性能好，加强电干扰运行不受影响，适应工业级的运行环境，适合与做手柄之类的自动控制的设备。我们相信msp430单片机将会在工程技术应用中得以广泛应用，而且，它是通向dsp系列的桥梁,随着自动控制的高速化和低功耗化。该16位混合信号处理msp430单片机采用了一般只有dsp中才有的16位硬件乘法器等一系列先进体系结构，大大增强了它的数据处理能力和运算能力，可以有效地实现数字信号处理的算法，如fft，dtmf等，具有其他单片机所不具备的优势。所以，本装置将采用msp430f149作为主控芯片，虽然数字信号处理专用芯片(dsp)同样可以实现快速傅立叶变换，但是对于处理点数比较少的fft，msp430依旧在开发成本等因素的权衡中占据了优势，而且它在输入输出(i/o)管脚数量、数据存储器和程序存储器的大小、片上外围资源、电源、开发环境要求、使用周期成本等因素的对比中从单片机市场脱颖而出，深受广大客户的普遍欢迎。其主要特点有：功耗和口线输入漏电流在业界都是最低的；io口和片上外围资源丰富，开发工具支持先进的jtag调试，软件开发环境由著名的iar公司提供，实际使用效果显著。msp430f149芯片的引脚图如图3.2所示。图3.2 msp430f149芯片的引脚图3.3 系统功能模块电路设计根据系统硬件原理框图所述，下面将分别对msp430f149主控电路、系统电源电路、信号检测电路、动作执行单元电路、过零点检测电路、复位电路几大部分的电路原理作以介绍并给出具体的电路原理图。3.3.1 msp430f149的主控电路图3.3所示电路是系统的主控电路，包括电源、晶振和参考电压等的连接，与其他单片机常规接法相似，所以这里不做详细介绍。图3.3系统主控电路3.3.2 基于msp430f149芯片的电源电路设计a. 需求分析电路中所需电源包括：msp430f149微处理器芯片，要求标准工作电压为3.3v；动作执行电路中继电器的工作电压为12v；过零点检测电路中运算放大器lf353需要的供电电压为5v，信号检测电路电压为2.5v。b. 设计思路在三相负载不对称时，三相电源中点o和三相负载的中点o的连线即中线绝对不能去掉，否则负载上的相电压将会出现不对称现象，有的高于额定电压，有的低于额定电压，负载不能正常工作。三相负载对称如图3.4所示，但是当零线oo由于某些原因断掉时三相负载的零点在最严重的情况下会到达某一相(a，b或c相)，如图3.5所示，图中以负载中点和b相重合为例来说明，负载相电压ua和uc分别与线电压uab和ucb相等，均为380v，在380v的高压下，设备可能会被烧坏。所以为了保护被保护设备，本课题所设计安全运行保护装置必须能在高压下正常工作，同时也要在欠压状态下正常工作，所以本系统的电源电压范围设定在180380v。电气参数检测与保护装置自身的安全工作是被保护设备受到可靠保护的大前提。图3.4 三相负载对称示意图 图3.5 三相负载非对称示意图既然确定了本课题研究对象低压设备的电压范围为180380v，那么系统电源的设计就是使用一个变压器将180380v交流电压依次变换成稳定的12v、5v、3.3v和2.5v直流电压。首先，要得到12v继电器工作电压：设变压器的二次侧输出电压u2为12.5v(负的12.5v电压是为了得到-5v电压)，经过整流、滤波后输出1.2倍的u2，即15v，接入稳压芯片即可分别输出直流12v，然后再接入相应的稳压芯片即可输出直流5v。对于电源系统要求输出的3.3v，我们可以在输出+5v的电路后再接入一级稳压芯片得到dc3.3v。至此，我们必须提出，系统输入电压范围高达380v低至180v，那么如何保证输入电压在这个较宽的范围内，输出均能得到稳定的固定电压呢，显然，以上阐述的整流、滤波和稳压电路是不能变动的，所以变压器的设计在整个电源系统中就显得尤为重要。变压器设计如下。首先，由输入下限电压180v和副边电压u2=12.5v，得到变压器变比k=14.4，(若由上限电压380v和u2计算变比，则下限电压180v所对应的副边输出电压将太小而满足不了后续整流、滤波、稳压电路的设计要求，得不到整个系统所需的电压)。然后，以输入为上限电压380v、变比为14.4，所得到的副边输出电压u2=26.39v和经过计算所得的各功能模块电路消耗电流的总和：117.6ma来计算变压器实际功耗为(226.39117.610-35)w，约等于32w(考虑到充足的冗余，将电源系统提供的电流值放大5倍，为588ma)，从而保证了输入380v时不会因为过压过流而烧坏变压器。这样设计的变压器，使电源电路的设计比较完整而且稳定。c. 电源电路的设计这里选用了最常用的lm78/79系列线性稳压芯片：lm7812，lm7805，lm7912，lm7905。它使用起来可靠、方便，而且价格低廉。依据上述设计思路，由5v输入得到3v输出，我们选用低压差线性稳压器(ldo)lm1117-3.3，输出固定电压3.3v，其性价比较高，完全满足设计要求。电源电路原理图如图3.6所示。图3.6 电源电路原理图3.3.3 动作执行单元根据系统要求，我选用松川小型高性能spdt(单刀双掷)继电器833h执行动作，它是一款比较实用的继电器。其技术数据为：线圈电压为dc12v，线圈电流为30ma。继电器与微控制器的接口电路如图3.7所示，由于继电器动作时，对电源有一定的干扰，为了提高单片机系统的可靠性，有效隔离强电和弱电，使微控制器和继电器两部分的电流相互独立，在msp430f149和继电器之间使用光电耦合隔离器4n25进行隔离，然后由npn管9013驱动放大。继电器动作由单片机p2.1端口控制。图3.7 执行电路原理图14西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）3.3.4 过零点检测电路为了得到一个完整周期的正弦交流信号的瞬时采样值，本系统通过硬件电路来判断信号的过零时刻，常用的过零检测方法其原理图如图3.8所示。当输入信号电压0v的时候，输出正脉冲；当输入电压0v时，输出负脉冲。通过检测输出脉冲的跳变，即可检测出输入信号的电压过零点，而输出脉冲的上升沿和下降沿则分别反映了信号电压的上升过零点和下降过零点。图3.8 常用过零检测原理图我们提出了一种改进的过零检测方法，其原理图如图3.9所示。交流信号经过互感器检测后，变换成毫伏级的交流小电压信号。此时如果直接进行过零检测，则会带来较大的误差，如图3.10的(a)图所示，在器件精度相同的条件下，即识别零点的最大偏差电压幅值相等的条件下，小于t1(t1为最大偏差电压对应的时间)的时间段均被检测为过零时刻，为了减小放大器精度对过零点检测的影响，我们先将交流小电压信号进行放大，根据理论近似计算，对信号进行10000倍放大，过零点的检测将精确10000倍，如图3.10(b)所示，t2比其(a)图的t1小10000倍，根据系统精度要求，我们对信号进行了10000倍放大，电路图如图3.9(a)所示，然后进行过零点检测，如图3.9(b)所示，经过整流如图3.9(c)，然后通过光电耦合隔离器4n25输出到微控制器的i/o口，如图3.9(d)所示。(a) 电放大路15西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）(b) 过零点检测(c) 整流电路(d) 信号输出到微控制器中图3.9 改进的过零点检测电路16西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） (a) 未改进的过零检测误差t1 (b) 改进后的过零点检测误差t2图3.10 过零点检测作用示意图3.3.5 复位电路为解决系统电源上电时状态不确定，造成微控制器不能正确工作这一问题，msp430f149需要有一个复位逻辑，它负责将msp430f149初始化为某个确定的状态。这个复位逻辑还需要外部输入一个复位信号才能工作，这个信号的稳定性以及可靠性对微控制器的正常工作有着重大的影响。本系统采用低了imp809复位芯片。imp809是imp公司新研制的一组cmos监控电路，能够为功耗微控制器mcu(或c)微处理器mpu(或p)或数字系统监视35v的电源电压提供复位信号。将复位功能集成到一片3脚封装的小芯片内，与采用分立元件或通用芯片构成的电路相比，大大减小了系统电路的复杂性和元器件的数量，显著提高了系统可靠性和精确度。imp809/810系列芯片主要应用于：微处理器和微控制器系统，嵌入式控制器系统，电池供电系统，智能仪器仪表，通信系统，寻呼机，蜂窝移动电话机，手持设备，个人数字助理(pda)等等。复位电路原理图如图3.10所示。图3.10 复位电路原理图3.3.6 信号检测电路设计由零序电流互感器及电阻网络构成，对信号进行采样，输入到单片机中，电路图如图3.11所示。图3.11 信号检测电路3.3.7 系统调试接口电路设计msp430f149单片机具有标准的jtag仿真接口，只需要pc机和jtag调试器即可实现程序的下载和调试，从而可以大大加快工程的进度。jtag调试接口电路原理图如图3.12所示。图3.12 msp430jtag调试接口电路原理图184 原理图及pcb板的制作4 原理图及pcb板的制作4.1 protel99原理图的设计（schematic）原理图编辑器实际上就是原理图的设计系统，用户可以在该平台下对电路图进行编辑与设计各修改。进入原理图设计窗口的步骤如下。（1）首先进入protel99系统，执行file(文件)/new(新建)命令建立一个新的原理图设计数据库，或者打开一个已经存在的数据库。（2）建立或者打开一个文件后，执行file(文件)/new(新建)命令。（3）新建文件将会打包在当前所创建的文件（原理图设计数据库文件）中，系统把系统默认文件名改为你所想生成文件名后，点击图标即可进入原理图设计平台，进行原理图的设计与编辑。（4）进入设计窗口后，可以在首先执行design(设计)/options(选项)菜单下设置图纸的风格和大小尺寸等，具体参数设置有关图纸方向的设置。在执行design/options后弹出的对话框中，选择sheet options选择进行设置。其中landscape是横向，而portrait则是纵向图纸设置。设置图纸颜色（图纸边框底色）。border选择项用来设置边框颜色，在选择了此项时，系统会弹出颜色对话框，你只需选择所需颜色后点击ok键后即可。sheet是设置图纸底纹颜色。在选择该选择页后同样会弹出颜色对话框，设置方法同上。系统字体的设置。在点击design/options后，选择change system font按钮，则可弹出字体对话框，您可以进行字体设置了。电气节点的设置。在document options对话框中，electrical grid单选项是对电气节点的设置，如果选择此项，则系统就会将光标自动移动到它的搜索半径内，并且在该点上显示一个圆点。在document options对话框中，选择organization则是进行文档属性，名称，设计单位等进行设置。（5）在设置好以上基本的内容后，则对原理图编辑平台半截元件库。（有些不同的元件可能半截不同的元件库，要根据自己所设计的原理图选择所要加载的元件库，具体参照本网站上有关具体说明。这里以基本元件库加以说明）执行design/add/remove library菜单，来打开对话框，在弹出的对话框中，选择design explorer 99librarysch文件夹下的文件类型为*.ddb的库元件文件，这里选择 miscellaneous devices。加入元件库后即可在编辑区内进行元件放置与元件属性的修改了。（6）对元件库进行装载以后，可通过place(放置)/part（元件）命令直接来对元件进行放置，同样的，我们也可以通过对所需要的元件进行搜索，再双击20西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）进行元件的放置，也可以爱过工具条上的按钮，打开所对应的对话框进行元件的放置。如果要修改元件的属性，可以直接双击所要修改的元件，在弹出的对话框中对所要修改有项进行修改。（7）元件放置完以后，下一步工作即是对元件的位置进行调整，元件的调整非常简单，只需要点击所需移动的元件，按住不放，然后拖放到所想要放置的位置放开即可了。（8）对元件位置调整好以后，即可以对元件进行连线，放线可以直接点击所想连接元件的管脚，然后按住不放，拖动到另下个元件的所需连接的管脚上，线自然就连接上了。（9）作完以上步骤以后，下一步则要对所设计的电路图进行检查。若要进行电路图错误检查，可以使用命令tools/erc打开对话框，进行错误检查设置。setup选项的设置，erc options操作框的设置。multiple net names on net是检查同一个网络上是否拥有多个不同名称的网络标识。unconnected net labels检查绘图页中是否有不连接到其它电气对象的网络标识。duplicate component designators检查图纸中是否有元件编号重号的错误。（若有重号可以通过