电机保护器说明总结版.doc

第IV页辽宁科技大学本科毕业生设计 经济型数控机床电动机保护器设计摘 要电动机在国民经济中起着举足轻重的作用，电动机能否正常运行直接影响着生产，甚至可使生产中断，故对电动机的保护就非常重要了。本文介绍了一种以微芯公司的单片机dsPIC30F6014为核心的智能电动机综合保护器。本系统主要由电源模块、三相电流取样模块、键盘控制模块、LED显示块、及单片机控制模块组成。通过对三相线电流的实时线性取样,实现对电动机过流、过载、欠流、缺相、三相不平衡、接地/漏电、外部故障等进行保护。同时，本系统还具有强大的控制功能和检测功能。其最大特点是利用微型控制器的存储记忆、逻辑判断和数值运算等强大信息处理功能,克服模拟式继电保护的不足,实现性能稳定、动作速度快、灵敏度高、可靠性好的保护要求和更高的技术指标,提高电动机的工作效率，使其更顺利的工作，更好地服务于生产。关键词:单片机;三相电动机;保护器CNC Machine Tool Design Motor ProtectionAbstractMotor in the national economy play a decisive role, the motor can directly affect the normal operation of the production, and even allows the production interruption, the protection of the motor is very important. This paper introduces a Microchip dsPIC30F6014 microcontroller company at the core of the intelligent motor protector. This system mainly by the power modules, three-phase current sampling module, keyboard control module, LED display pieces, and SCM control module. Through the three-phase line current in real-time sampling of linear, and the electrical flow, overload, less flow, missing phase, three-phase imbalance, grounding / leakage, such as external fault protection. At the same time, this system also has a great control and detection. Its greatest feature is the use of micro-controller of memory, logic and judgement, such as numerical computing power of information processing functions, analog relay to overcome the deficiencies and achieve stable performance, fast action, high sensitivity, reliability and good protection requirements Higher technical indicators, improve the efficiency of motors, the work to make it more successful, better serve the production. Key words: SCM; Three-phase Motors; Protection 目 录1 绪 论11.1数控机床 11.2电动机保护器的概述11.3国内电动机保护器的状况21.4电动机保护器的特点32 工作原理及方案确定42.1基本工作原理42.2系统功能特点52.3方案确定52.3.1单片机的确定52.3.2 三相电流采样回路的确定72.3.3 键盘及显示管的确定83 电动机的常见故障及其保护103.1过载保护103.2过流、欠流保护原理133.3短路保护133.4缺相和相不平衡保护133.5接地保护143.6欠电压保护144 系统的硬件设计144.1三相电流采样部分设计144.2显示部分设计174.2.1移位寄存器74HC595芯片的设计174.2.2 LED数码管设计184.2.3显示电路设计194.3控制输出设计204.4控制主板单片机dsPIC30F6014的设计214.4.1 dsPIC30F6014单片机内容概述214.4.2 dsPIC30F6014的硬件组成224.4.3 dsPIC30F6014的内部EEPROM264.5电源电路设计274.6键盘电路设计274.7 其它主要元件284.7.1 光耦合器PC817284.7.2薄膜电容294.7.3肖特基二极管304.7.4集成运算放大器304.7.5晶体管315 系统软件设计34总 结37致 谢38参考文献39第40页辽宁科技大学本科毕业生设计1 绪 论1.1 数控机床 数控机床又称数字控制（Numbercal control，简称NC）机床。它是基于数字控制的，采用了数控技术，是一个装有程序控制系统的机床。本设计中所涉及到的数控机床是经济型数控机床，这种机床具有经济实用，结构简单，操作方便，价格低廉的特点，它的特控制系统通常采用单片机（8位、16位、32位）作控制器，驱动电机采用步进电动机，多数采用开环控制，由于经济型数控系统具有较高的性能价格比，因而广泛地应用于机床产品的升级换代和普通普通机床的技术改造上。近年来，我国在经济系统的研究开发和生产上投入了大量人力和物力，在经济型数控机床领域里经历了几个五年计划之后已经取得了可喜成果，经济型数控机床在我国机床市场上占有较大比重，成为我国制造业不可或缺的一部分。经济型数控机床是一种利用数控技术，准确地按照事先安排的工艺流程，实现规定加工动作的金属切削机床，它主要由控制介质、数控装置、伺服机构、机床、测量装置。由于该机床的精度比较高，因此其驱动部分的作用显得非常重要，而本机床的驱动电机采用步进电机，所以电机的保护也同样非常重要。1.2 电动机保护器的概述电动机在我们生活的任何领域的应用都非常广泛。在家电行业，我们的洗衣机、空调等都是用电机驱动的；在农业领域，棉花机、粉碎机等，他们都是靠电动机来提供动力的；在工业方面的应用最为广泛，钢厂里炼钢炉的转动，送料机的推动，煤矿里煤的运输，码头集装箱的搬运，电力机车的行走等等都是电动机让他们运行的。如果没有电动机那整个工业都无法运行，电动机直接影响着工农业的生产，所以电动机能否正常的运行关系着生产效率，甚至影响整个生产线的运行。但现实中，由于电机过载、堵转、断相、短相、欠压、过电流等故障造成对电机的损坏，故对电机的保护是十分必要传统的电动机保护采用继电器,虽结构简单,但由于元件本身特性的差异,精度差、反应慢。随着电子技术的发展,用微处理器来计算负荷不仅能迅速反映电动机各种故障,且很容易加入其他控制条件,如电动机热容量、散热条件等,使它能更准确、及时地反映电动机状况,实施有效保护。本文以DSPIC30F6014单片机为核心,对电动机进行全方位的一种智能综合保护器。1.3 国内电动机保护器的状况我国的电动机保护装置大约经历了全面仿苏、自行设计、更新换代、智能化发展等几个阶段。(1)热继电器、熔断器和电磁式电流继电器。热继电器在电子业尚不发达的时代曾是电机过载保护的首选产品,它是利用双金属片热效应工作的。但热继电器存在致命的缺陷,包括整定粗糙、受环境影响大、重复性差、误差大及功能单一等,已无法满足越来越高的要求,因而也就无法避免被淘汰的命运。电磁式电流继电器具有过载、堵转保护功能,有的还有缺相保护,其过载保护具有反时限特性,但其结构复杂,机械制造精度高,价格高且体积庞大,因而目前已被基本淘汰。(2)模拟电子式电动机保护器(电机保护器)。在上个世纪七八十年代,随着半导体模拟器件的兴起及普及,涌现出了一批性能比较可靠、功能多样化的电子式电动机保护器(电机保护器),为电机的可靠运行提供了较可靠的保障,但这类产品仍存在一些无法克服的缺陷:整定精度不高;采样精度不高;无法实现具有多种保护功能于一体的全保护。鉴于以上原因,纯粹模拟线路的电动机保护器(电机保护器)正逐渐被其它一些更先进的技术产品所代替。随着近年来微处理器技术的发展,给电动机保护器向智能化、多功能化方向发展提供了硬件平台,使得电机保护进入了一个飞速发展的阶段。3常规电子式保护器,检测元件一般采用速饱和电流互感器,不存在发热问题,其动作稳定性与热继电器相比有了质的飞跃。但是常规电子式保护器均采用人工可调定时限保护特性,无法实现与电机热过载保护特性曲线相匹配的反时限特性保护,只能实现“单点式”保护,并且该保护装置一般采用定时避开启动电流的措施,以防止正常启动的保护误动作。但是如果启动过程中出现异常故障,则电机就得不到保护。另外,由于电网电压波动、干扰、自身发热等因素,其故障率也很高。随着电子技术的发展,继电保护技术的数字化、计算机化成为了必然的发展趋势。 热继电器的淘汰为电子式电机保护技术的推广与使用提供了广阔的前景,况且国内的电机保护控制装置由于价格高或产品质量低劣而未能普及,技术水平及在品种和数量上远远满足不了国民经济发展的需要。因此尽快开发新型三相电动机智能保护器,使我国低压电器产品追踪国际最新技术成为当务之急。在这种背景下,以单片机为核心,对电机过压、欠压、过载等故障具有综合检测保护功能的智能保护器应运而生。1.4 电动机保护器的特点这个电动机保护器具有以下特点： (1)数字化技术，保证保护性能的准确可靠。智能型数字化系列电机保护器采用新型单片机为保护系统的硬件核心，集成化程度高，具有高精度、宽温度范围的高稳定性，强抗干扰能力，耗电少，连续工作性可靠，寿命长等优点此外，系统还具有串行通讯功能，便于实现远程显示，易于扩展功能(2)全过程保护方式一启动保护+运行保护。启动保护包括断相、过流、过载、启动时间长、连续频繁启动造成的热积累，过电压、欠电压等多重热保护措施。智能型数字化系列电机保护装置，采用独创的过电流倍率启动时间混合的AT人工智能反时限保护方式，既能准确避开正常启动电流，又能保证启动过程发生异常时(如断相、过流、过载、启动时间过长、连续频繁启动造成的热积累等)，使电机得到有效的过热保护。同时，根据电机的过载特性曲线和热惰性，采用独创的AT人工智能双向反时限保护特性对电机运行中出现的断相、过流、过载、连续频繁短时过载造成的热积累等过热故障，实施准确有效的保护。(3)多重保护措施=断相保护+过流保护+过栽保护+过电压、欠电压保护。断相保护：包括电机内部和外部供电引起的各种断相故障，保护特性为定时限。过流保护：包括采样传感器到电机及电机内部的局部短路保护，保护特性为定时限。过载保护：根据电机额定电流确定保护整定值基于过电流倍率的自动双向反时限特性保护。连续频繁短时过载造成的热积累保护。连续频繁启动造成的热积累保护。过电压、欠电压保护：电网供电过压及欠压引起的故障保护、保护特性为定时限。（4）该产品具有热记忆功能。控制器因过载.堵转过流等故障动作后，在可恢复时间内具有热记忆功能；控制瞬停再启动则在复位时间内具有热记忆功能。2 工作原理及方案确定2.1基本工作原理电机保护器是最近10多年才发展起来的一种新型电子式多功能电动机综合保护装置。它集于过(轻)载保护、缺相、过(欠)压、堵转、漏电、接地及三相不平衡保护等低压保护于一身,具有设定精度高、节电、动作灵敏、工作可靠等优点,是传统热继电器的理想替代产品。它通常是由电流传感器、比较电路、单片机或出口继电器等几个部分组成。其基本原理及工作过程如图2.1所示。CT检测故障判断整流滤波信号调理信号显示CP UA/D转换继电器输出通 讯参数设置故障记忆图2.1 电动机保护器原理传感器将电动机的电流变化线性地反映至保护器的采样端口,经过整流、滤波等环节后,转换成与电动机电流成正比的直流电压信号,送到相应部分与给定的保护参数进行比较处理,再经单片机回路处理,推动功率回路,使继电器动作。当电机由于驱动部分过载导致电流增大时,从电流传感器取得的电压信号将增大,此电压值大于保护器的整定值时,过载回路工作,RC延时电路经过一定的(可调)延时,驱动出口继电器动作,使接触器切断主回路。欠压及缺相保护等功能部分,工作原理基本相同。62.2 系统功能特点 该保护器具有人机交互功能、故障指示和热量记忆功能;具有串行通信接口,可与PC机组成网络监控系统;支持在线调试、在线仿真。具有以下功能特点:（1）电流传感器卡式结构具有使用方便、与主回路完全隔离及可靠性高的特点,同时又彻底解决了接线端子发热的问题,且互换性好。安装不需拆卸主回路,提高现场安装效率。（2）整机模块化结构,传感器与主体可组成一体,也可分离安装。主机具有高清晰度LCD显示,通电时显示STOP;检测状态时循环显示A、B、C三相电流;保护状态时可记忆显示过流过压、欠压值;设置状态时显示各故障字符及设定值。（3）采样精度高。众所周知,用于电动机保护器采样的电流互感器需考虑的最大使用范围至少为被保护电机额定电流的7倍(因为电动机在堵转情况下会达到57倍的额定电流),但要想使矽钢片做成的电流互感器在很宽的范围内保持线性是非常困难的。而这种电机保护器应用微机和数字处理技术,克服了以上问题,因此测量精度高、线性好、故障分辨准确可靠及整机抗干扰能力强,并具有诊断功能。（4）采用EEPROM存储技术,可方便设定各种保护参数。如电动机起动时间、额定电流、过流反时限保护动作值、堵转电流对额定电流的倍数、通讯地址号、三相电流不平衡百分比、过压值、欠压值、漏电电流值、短路故障参数等。断电后参数仍保存下来,不需再设定。另外还有追忆功能,可存储近期电机所发生的3次故障原因。（5）一机多用,可取代电流表、电压表、热继电器、电流互感器和时间继电器等。2.3 方案确定根据系统功能特点，确定本电动机保护器主要由CPU、三相采样回路、键盘和数码管显示等部分组成。2.3.1单片机的确定当前单片机种类繁多,且性能各异,因此,作为系统枢纽的CPU的确是系统方案确定的核心问题。美国微芯公司推出的dsPIC30F 16位系列数字信号控制器，采用精简指令集（RISC）、哈佛总线结构和2级流水线取指令方式，具有实用、低价、指令集小、简单易学、功耗低、速度高、体积小、功能强等特点，体现了数字信号控制器发展的一种新趋势，深受广大用户的欢迎11。dsPIC30F6014数字信号控制器（DSC）是单片嵌入式控制器，它集成单片机（MCU）的控制功能以及数字信号处理器（DSP）的计算能力和数据吞吐能力便于数据处理，输入输出端口可以设置，便于应用。因此，我确定选用由美国微芯公司产的DSPIC30F6014芯片，如图2.2所示，该单片机有80个管脚。图2.2 DSPIC30F6014单片机2.3.2 三相电流采样回路的确定电动机保护器按额定工作电流范围来划分,可分为16.3A、6.325A、25100A、100250A等若干等级,使用时按照电机的控制回路工作电压及负载的额定电流选用相应的量程范围即可。在一些比较高档的仪器仪表中,人们普遍采用交流采样。采样方式是按一定周期(称为采样周期)连续实时采样被测信号一个完整的波形(对于正弦波只需采样半个周期即可),然后将采样得到的离散信号进行真有效值运算,从而得到电流信号的真有效值,这样就避免了被测信号波形畸变对采样值的影响。本保护器采用电流互感器，利用二次电流间接测试一次电流，一次电流变化大，通调理信号使其大的衰减，小的放大，二次电流经过电阻转化成电压信号，以适应A/D转换器的电压要求。电流的有效值有两种方法确定，一种是在一个电流周期内对其采样，取其平均值。一种也是工程上常用的一种，在一个电流周期内寻找其电流的次大值，然后除以就是电流的有效值。 图2.3 三相采样电路图（数据采集系统）该设计中采用从电流互感器取出三相电流，还有从零序互感器中取一相电，通过运算放大器，将电流变为电压提供给单片机。2.3.3 键盘及显示管的确定按键电路采用并入串出芯片74LS164驱动,由16个管脚组成.它可节省单片机的I/O口数,通过按键可控制电动机启动A状态、选择、复位、停车、启动B状态。此按键控制图的作用是将并行信号转成串行信号。具体的过程如下：端口P0-P2接固定电平，作用是抵抗干扰；端口P3-P7分别与控制键连接。当按下按键“启动A”时，P3是低电平0，而此时P0-P2是固定电平分别为1、1、0，P4-P7分别为1、1、1、1。波形图如图2.4所示。如图2.4 波形图首先判断P0-P2固定电平是否正确，若有错误则停止执行一下的任务，若正确继续执行。在上例中，此时动作就执行与P3对应的指令“启动A”。通过这样并行信号就改成串行信号了。具体如图2.5所示。图2.5 按键控制图显示部分采用74HC595芯片和5位一体数码显示管组成，此单片机为串入并出芯片。其中PNP（由基极B，发射极E，集电极C组成）起到开关作用，控制LED的位显示。第一个74HC595芯片的作用是控制具体每一个数码显示管LED的a、b、c、d、e、f、g和dp的亮与不亮，第二个74HC595芯片的作用是控制位的，即控制PNP的通断。具体的说，第二个74HC595芯片U13通过高低电平的变化,控制PNP的通断，进而控制每个显示器是否显示；第一个74HC595芯片U12控制每一个具体的显示位，控制具体需要显示的内容。由这两个芯片组合而成的显示部分就可以显示所要输出的内容。具体如图2.6所示： 图2.6 显示管图3 电动机的常见故障及其保护电动机故障分为内部故障与外部故障两种。电动机的常规外部保护理论上和诊断与保护的实现手段上都相对完善，因此电动机内部故障的诊断与检测是电动机保护的主要研究方向。6引起电动机绕组损坏的内部故障可分为对称故障和不对称故障两大类。对称故障主要有三相短路、转子堵转、对称过载等；不对称故障主要有断相、逆相、三相不平衡、单相接地、相间短路等。若不及时处理会导致事故扩大,进而引起电动机机端过热、转子及启动力矩降低等一系列问题，严重损坏电动机。要可靠地保护电动机，单一的过流保护是不够的，必须配置全面的保护方案。3.1 过载保护电动机过载时,电流超过额定值,但允许在一定时间内过载运行,过载电流与允许运行时间呈反时限特性。当电机过载时,下式近似成立式中： 电动机最终温升； 电动机过载倍数； 电动机额定运行时温升。根据电机实际运行测得的数据,可以得出过载倍数与允许过载时间t的关系。式中：电动机允许过载时间； 电动机过载倍数； 电动机绕组温升，一般取，考虑到电动机实际运行使用情况，设计时留有一定余量，故取，则：电动机过载将可能导致其定子温升超过绕组绝缘的热容限。根据经验，在额定温度以上，温度每升高10，绝缘的寿命将减半。因此，持续过载也会使绝缘过早老化或损坏。此保护装置根据电动机的时间电流热特性，在其内部复制生成一个电动机的热模型。装置的热过负荷保护功能可以由用户启用或闭锁。保护装置对流过电动机的正序和负序负载电流进行单独测量，然后将这些测量值综合，得到一个等效电流Ieq供热复制回路使用。热复制产生的热效应由Ieq2来生成，这样在计算时也就同时考虑了电动机的正序和负序电流所产生的影响。过负荷保护功能生成的等效电流按下式计算得出 式中： 正序电流； 负序电流； 与电动机热容量成比例的一个常数，可自行设定。如上所述，电动机的温度将按平方关系随着电流的增大而升高。为了更好地实现过负荷保护，此装置中对时间常数提供了很大的整定范围，以保证在电动机升温和降温的过程中，装置中的热模型与实际受保护的电动机更为接近。此外，电动机的热承受能力还要受到故障前电动机绕组的热状态的影响。所以在设计热复制功能时，还对极端的情况进行了考虑：一种为故障前电流为零，也即是常说的“冷状态”；另一种为故障前电流为额定电流，也即是常说的“热状态”。若故障前电流为0，装置将根据“冷状态曲线”计算；若故障前电动机在或曾经在额定电流下运行，那么装置将采用“热状态曲线”计算。在正常运行方式下，此装置将运行在这两种极限状态之间，除非通过编程使其不以这种方式运行。为了对电动机的所有运行状况，都能实现对电动机的保护，过负荷曲线中引入了3个独立可调的时间常数： 热电流整定； 当电流处于和2之间时的过负荷时间常数； 当电流大于2是的过负荷常数； 当电动机停止时的冷却时间常数。装置中需整定的升温、冷却时间常数应根据电动机定子的升温、冷却时间常数确定。装置的升温时间常数(T1)应整定为与电动机定子的升温时间常数相等或尽可能地接近，该参数由电动机制造厂家提供。整定时，应使T1等于T2，这样就能获得一条连续的热特性曲线。在时间电流图上绘制出选定的热特性曲线很重要，因为这样可以确保冷特性曲线与起动特性曲线不会相交。在某些应用场合下，无法得到电动机的热时间常数。但有可能得到关于这些值的曲线图。这种情况下，在选择电动机定子升温时间常数时，应使绘制出的时间电流曲线近似地与电动机的冷态曲线相匹配。而在那些既不能得到电动机的热时间常数，也不能得到热曲线图形的情况下，选择的T1和T2应使热特性曲线位于起动特性曲线的上方，但小于电动机堵转的持续时间。此时，热过负荷保护同时也具有了一定的堵转保护的能力。Tr为冷却时间常数。该整定值对于周期性运行的电动机极为重要，因为在电动机升温和冷却的过程中装置需要获得电动机热状态的准确信息。一般情况下其整定值为T1的倍数，并略微大于电动机自身的冷却时间常数。3.2 过流、欠流保护原理考虑到有些特殊行业在使用三相电机时, 是把几十千伏的高压直接引至电机附近然后经三相降压变压器降压后驱电机, 这些行业往往因高压缺相导致电机烧毁, 这种情况仅仅用低压缺相检测是不能解决问题的, 因此我们采用了过流、欠流保护方案。其原理是:由L4作为电机工作电流传感器, 该传感器取出电机三相的电流信号经运算放大器转换成单片机所能接受的、与对应电流呈线性关系的电压信号送至单片机RB0RB15输入端, 这些端是单片机dsPIC30F6014的A/D转换器的16个输入端, 当电机合闸后,单片机中的A/D转换器就把电机正常工作时的电流值转换为相应的数字信号存储起来, 并在电机以后的运行期间, 单片机通过A/D转换器转换不间断地监视电机的工作电流,只要电机的工作电流高于或低于正常值的规定范围(这个范围在程序中设定), 单片机就立即发出指令, 停止电机运行, 从而达到过流或欠流保护的目的。3.3 短路保护由于电动机相绕组间的绝缘相对较多，因此发生相间短路故障的现象较少。而由于电动机定子绕组安装在接地金属外壳内，所以电动机内部发生的绝大部分故障都与接地有关，使得接地保护装置动作。尽管如此，一般来说，仍然需要设计了一个快速动作的过流保护元件，用于保护电动机端子间发生的相间短路故障为了避免在起动过程中，因电流互感饱和时的不对称性导致的跳闸，当电流在I1.21I之间时，该元件的最小动作时间为200 ms。发生短路时, 可以采用速断保护法, 短路判别计算公式为 式中：电动机最大电流； 电动机额定电流。3.4缺相和相不平衡保护由于缺相能引起电动机三相电流严重不平衡,故在设计时将缺相和相不平衡故障综合考虑。根据电动机使用规范,相间不平衡及缺相的计算公式如下 式中：三相最大电流； 三相最小电流； 三相平均电流。电动机的相间不平衡采用反时限动作原理,即数越大,动作时间越短,考虑到电动机本身因素和测量值误差,为10%时开始累加,大于150%时,保护器立即动作。3.5 接地保护电动机内部最常发生的故障是定子绕组故障。究其原因，一般是因为电动机长时间或周期性过热，导致绝缘状况恶化。由于电动机定子绕组安装在接地金属外壳内，所以电动机内部发生的绝大部分故障都表现为接地故障。采用的接地保护类型及TA(电流互感器)的连接方式与发生接地故障时接地故障电流的大小相关。而接地故障电流的大小则与系统接地方式有关。3.6 欠电压保护在电力系统中，由于负载的增大、系统故障或调整不当，就有可能会出现欠电压现象。如果电压降落的时间较短，电动机可以实现成功的重升速。但持续的欠电压则会使所有电动机停转。因此一般在系统中都广泛地采用了基于时间延迟的欠电压保护。这个保护器内的欠电压保护由两段独立的相间测量量组成。如果需要的话，两段保护都可以同时提供报警和跳闸信号。另外根据电压降落的严重程度，我们可能需要采用不同的时间整定值，换句话说就是，电动机可承受小电压降落的时间较长，而可承受大电压降的时间则较短。这就是继电器设计两个保护段的原因，其中一段的整定电压较高而延迟时间较长，另一段则与之相反。4 系统的硬件设计4.1三相电流采样部分设计这部分设计直接关系到电流的采样精度。因此，必须通过理论分析、反复实验方能确定。这部分线路可采用整流线路，也可采用直接交流比例变换电路，采用哪种线路则直接决定了程序用并行方式，将占用单片机大量的资源，因而不宜使用。在编制驱动程序时，在性能许可的情况下应注意尽量减小数据线和时钟线的信号频率，这样可减小电磁F扰。 图4.1 三相电流采样如图4-1所示，以A相为例，本设计为数控机床的电动机保护器的设计，该机床的电动机额定功率=4kw。 根据工程经验，可推算出： 有效值 ； 峰值 电动机在启动是电流特别大，通常，启动电流可以高达额定电流的68倍，这就要算启动是的电流：本设计中选用的电流互感器的电流比为,那么可计算出： 要将电流转换为电压,需一个转换电阻,此设计中的转换电阻,则可算出采样最大电压 即 采样电压的变化范围是：07.24V电动机在正常工作时的电压为：采样电压要经过薄膜电容C15（470n/36v）和肖特基二极管D3(MMBD5817)的整流, 还要经过两个运算放大器U8C和U7D的放大，经过放大后，通过单片机的判断后选择接收。U8C的放大倍数：，这里设，。正常工作时单片机的输入电压为： U7D为电压跟随器，放大倍数为1，分压电阻,这里设,当电压为最大是单片机的输入电压为；其它的三个采样信号计算过程与A相类似，这里就不再重复计算了。是采用直流采样还是交流采样，程序设计将完全不同。若采用直流采样则线路需采用整流线路，整流线路包括半波整流、桥式全波整流、精密半波整流、精密全波整流等几种形式，二极管半波整流和桥式全波整流都存在二极管的导通压降影响整流线路线性的问题，特别是在信号电压较低的时候，影响更大。为了减小二极管导通压降的影响，应选择肖特基二极管作整流器件。精密半波或全波整流线路在许多资料中皆有介绍，在此无庸赘述。这种线路的优点是避免了整流二极管正向导通压降的影响，但同时增加了线路的复杂程度，而且还需要为放大器提供正负电源，增加了电源部分的成本。在实际使用中应权衡利弊，综合考虑才能作出选择。在一些比较高档的仪器仪表中，人们普遍采用交流采样。采样方式是按一定周期(称为采样周期)连续实时采样被测信号一个完整的波形(对于正弦波只需采样半个周期即可)，然后将采样得到的离散信号进行真有效值运算，从而得到电流信号的真有效值，这样就避免了被测信号波形畸变对采样值的影响。交流采样的关键技术有几个方面:（1）.采样周期应远小于被测信号周期，这对于工频电流信号是不成问题的，因为目前单片机的处理速度已经足够。（2）.要从硬件上避免采样信号畸变，这就需要从几个方面来努力:保证电流互感器在测量范围内输出的电压信号波形失真小。电流互感器的采样信号到单片机输人接口往往需要比例放大，这就要求信号变换电路失真要小。防止噪声干扰，一般的做法是在单片机输入口加一个高频旁路电容。交流采样线路中除去了阻容滤波电容，因而在响应速度方面比直流采样有极大改善，特别对于那些对响应特性要求较高的随动系统非常有益。尽管交流采样有很多直流采样无法比拟的优点，但因其会增加软件编程的难度并要占据较大的存储空间而在一些较简单的小型系统中较少使用。4.2 显示部分设计在工控仪表中常常使用LED数码管作为用户界面，其优点是亮度高、驱动电路简单。为了节约管脚，采用移位寄存器芯片来实现LED的静态显示。114.2.1 移位寄存器74HC595芯片的设计74HC595是一个8位的串入并出的移位寄存器，即可以把串行的输入数据并行输出。该芯片工作电压为2V6V，该芯片有16个管脚，如图4.2所示为芯片的管脚图。下面简要介绍74HC595芯片的各个管脚。图4.2 74HC595管脚图 Vcc：电源管脚。输入电压为2V6V。 GND：接地管脚。 DIN：串行数据输入管脚。 OUT：串行数据输出管脚。MR：复位管脚。低电平复位。OE：输出使能管脚。低电平有效。SHCLK：移位时钟信号。STCLK：锁存输入信号。Q0-Q7：并行输出信号。 它的真值表如表4.1 表4.1 74HC595的真值表 INPUT OUTPUTSHCLC STCLK DS X X L L X n.c X L L X L X X H L X Z X L H H n.c X L H X L H X 例如：当输入CHCLC为任意值、STCLK为上升沿、OE为高电平、MR为高电平、DS为任意值时，输出即为低电平。图4.3 74HC595的三态输出4.2.2 LED数码管设计 LED数码管有两种，即共阴数码管和共阳数码管。共阳数码管就是公共管脚接电源，其他管脚与单片机连接，如果单片机在这些管脚上输出低电平，则LED就显示相应的值。共阴数码管就是公共管脚接地，其他管脚与单片机连接，如果单片机在这些管脚上输出高电平，则LED就显示相应的值。如图4.3所示为数码管的管脚示意图。图4.4 数码管管脚图由图4.4可以看出，数码管主要由不同的段组成，即a、b、c、d、e、f、g和dp段组成，其中dp段用来显示小数点。数码管的每1个段都是1个发光二极管，对于共阴极二极管来说，a相当于该段二极管的阳极，而公共管脚为阴极，这样只要在阳极输入高电平，该段就被点亮。只要在不同的管脚输入不同的电平组合，就可以显示相应的数值，比如a、b、c、d、e、f、g全部输入高电平，则数码管就显示“8”。4.2.3 显示电路设计经过前面对移位寄存器芯片和数码管的介绍，对数码管显示有了基本的概念。下面介绍采用74HC595移位寄存器方式设计的数码管显示电路。如图44所示为数码管显示电路图。由图4.4看出，通过74HC595的串行输出管脚实现两个芯片的串行级联，即U1的输出作为U2的输入，这样可以控制2个数码段的显示。U1作为显示的第一级，它的输出管脚与LED相连，控制着a、b、c、d、e、f、g、dp的亮与不亮，U2控制从U10U14各位数码管。基于以上电路设计，数码管显示原理为：单片机通过P1.0口串行输出数据到74HC595，输出完一个字节后，如果给一个锁存信号，则74HC595就并行输出，在数码管上显示数据。单片机可以继续输出显示数据，在输出第二个字节时，第一个74HC595将前一个字节的数据通过串行输出管脚输出到第二个74HC595的输入管脚，第二个74HC595就寄存第一个字节的数据；单片机的第二个数据输出完毕后，两个字节都分别存于两个74HC595。如果单片机给出锁存信号，则两个74HC595通过并行输出将数据分别显示在2个二极管上。单片机可以输出个数据就显示一个数据，也可以输出完所有的数据后，一次显示所有的数据。4.3 输出回路设计控制输出部分可采用机电式继电器或固体继电器。前者价格便宜,市场产品丰富,驱动线路也比较简单,但可靠性和使用寿命有限,且在触点动作时会产生“火花”,严重时可影响系统的正常工作。因此,在PCB板布局时应将继电器尽量远离单片机并靠近仪表的输出端口。另外,在继电器线圈两端应并联续流二极管,否则在继电器线圈断电瞬间会产生较高的感应电压,从而破坏电路。固态继电器具有寿命长、性能稳定、无火花等特点,随着其价格的逐渐降低和性能的完善已开始被广泛使用,但小功率的固态继电器价格仍比普通继电器高很多倍,因此,在电机保护器中绝大部分均采用普通继电器。在很多应用场合,人们希望有两个独立的控制输出,一个作为主回路控制输出,另一个为辅助输出,控制报警或其它功能。 图4.5 输出回路电路图4.4 控制主板单片机dsPIC30F6014的设计4.4.1 dsPIC30F6014单片机内容概述dsPIC30F系列数字信号控制器是微软公司数字信号控制中心的中高档产品.它采用24位的类RISC指令系统,在保持地价格的前提下,增加了QEI控制器电机控制PWM模块、DIC控制器、ICSP 控制器、12 位A / D 转换器、内部EEPROM 存储器、比较输出、捕捉输人、PC 总线和SPI 总线接口电路、异步串行通信（USART ）接口电路、CAN 通信模块、模拟电压比较器、LCD 驱动、Flash 程序存储器等。该系列器件可以轻松实现在线多次编程和调试，特别适用于初学者学习和在产品的开发阶段使用，当然，也可作为产品开发的终极产品。微芯公司还使Flash ROM 芯片的价格与OTP 芯片价格相近，以便可用Flash ROM 芯片代替OTP 芯片。 单片机dsPIC30F6014如图4.6所示。图4.6单片机dsPIC30F60144.4.2 dsPIC30F6014的硬件组成（1） 体总框图。数据存储器（RAM）32K16位DSP:双路存取MCU:单路存储YAGUDSP引擎WArray1616MCUALUYAGU存取控制表32位PC控制程序存储器4M24位线性指令预取和解码图4.7 dsPIC30F结构方框图 部分引脚说明： AN0AN15 : 模拟输入通道，AN0和AN1分别用于芯片烧写时的数据和时钟输入； AVDD ：模拟模块的正电源； AVSS ：模拟模块的参考地； CLKI ：外部时钟源输入，与OSC1引脚的功能一致； CLKO : 晶振输出，在晶振模式时连接晶振，在RC和EC模式时功能与OSC2引脚的功能一致； IC1IC8 ：输入捕捉引脚18； INT：外部中断； ：主复位输入或编程电压输入，该引脚为低时复位芯片； OC1OC8 : 比较输入引脚； RA6RA7、RA9RA10、RA12RA15 : PORTA 是双向I/O口； RA0RA15 ： PORTB 是双向I/O口； RC1RC4、RC13RC15 ： PORTC是双向I/O口； RD0RD15 ： PORTD 是双向I/O口； RF0RF8 ： PORTF 是双向I/O口； RG0RG3、RG6RG9、RG12RA15 : PORTG 是双向I/O口； VDD : 逻辑和I/O脚的正电源； VSS : 逻辑和I/O脚的参考地； VREF+ : 模拟参考电源正输入； VREF: 模拟参考电源负输入； SOSCO： 32kHz低功耗晶振输出； SOSCI： 32kHz低功耗晶振输入，在RC模式是ST缓冲，其他模式是CMOS缓冲；（2）dsPIC30F功能概述1 工作范围 最高频率：4.5 5.5V ，-4085时，为30 MIPs 。VDD范围：2.5 5.5V 。温度范围：工业级一40 85 ，扩展级一40 125 。2 高性能DSC CPU 改进的哈佛结构；C 编译器优化的指令集；16 位宽数据总线；24 位宽指令；84 个基本指令（大多数指令为l 个字1 个指令周期）;16 个1