毕业设计（论文）-备分励保持功能的DW450分励脱扣器设计.docx

摘要SJ005-1CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY毕 业 设 计 说 明 书题目： 具备分励保持功能的DW450分励脱扣器设计 二级学院： 电气与光电工程学院 专业：电气工程及其自动化 班级： 13电二 学生姓名： 学号： 13021207 指导教师： 职称： 教授 评阅教师： 职称： 2017年6月摘要电力产业快速发展，人们的生活越来越离不开电了，电力安全也变得十分重要。每天都有大量电器需要用电。这个时候必要的保护安全装置就显得格外重要，常用的保护装置有断路器，断路器最重要的元件之一就是欠压脱扣器，其作用关系着断路器是否可以有有效、精确的行动，来完成对线路的有效控制以及保护。DW45断路器作为一种新型的智能型的全能式断路器的产生，其智能化、通信能力强大、体积也不大，对电路短路故障的高识别能力以及全面的保护作用，使得其慢慢变成现代智能电网中配电的重要部分对线路的操控和保护，高可靠性，耗能低是当代脱扣器发展的方向。此次设计中选用PIC12F683微型单片机，也考虑到了此单片机的多种特性及功能符合设计要求。本次主要分励保持功能的脱扣器设计，针对高电压输入与长时间运行的特点，研究电路结构、成本低廉、可靠性高，且能实现欠压脱扣器的瞬时与延时脱扣的解决方案。在此方案，对主电路、微机电路和主控流程等主要的观点进行了探讨。侧重对硬件的设计，尽量对硬件电路进行模块化，接着对硬件电路的各块进行调试以及仿真。再就选用的单片机，设计与调试软件程序部分。最后结合以上两部分的设计，在系统开发软件上调试。关键词：分励欠压脱扣器；电路设计；单片机；仿真和调试 AbstractAbstract The rapid development of power industry, power security has become very important. Trip device in the role of low-voltage circuit breaker is very important, the relationship between the quality of the circuit breaker can be accurate and effective action to achieve the line control and protection. One of the most important components of a circuit breaker is an undervoltage release which has a bearing on whether the circuit breaker can perform effective and precise actions to achieve effective control and protection of the line. DW45 circuit breaker as the universal type breaker is a new type of intelligent production, its intelligent, strong communication capability, the volume is not large, high recognition ability of short circuit fault and the protective effect of comprehensive, which gradually became the main part of the modern distribution in smart grid.High reliability, low energy consumption is the development of the current release direction. The design of the use of PIC12F683 ,but also taking into account the various characteristics of single-chip microcomputer and functions, in line with the design requirements. According to the current electromagnetic tripping mode of DW45, a new scheme based on capacitor buck, capacitor charging and discharging is put forward. Then, the main viewpoints of main circuit, microcomputer circuit and master control flow are discussed. Focus on the design of the hardware, as the hardware circuit into pieces, then the hardware circuit debugging and Simulation of each block. Then select the micro controller, design and debug software program part. Finally, combining the hardware and software design of the two parts, debugging and debugging in the system development software.Key words: permanent-magnet under voltage release; circuit design; single chip目录目录第1章 绪论11.1本课题研究的意义11.2低压断路器1 1.2.1低压断路器实物图11.2.2低压断路器的概述11.2.3低压断路器的分类21.2.4低压断路器的主要构成41.2.5低压断路器的选择以及参数选取41.3欠压脱扣器原理41.4分励欠压脱扣器发展形势4第2章 分励脱扣器的现状与改进62.1脱扣器国家标准浅析62.1.1 主要的型式62.1.2特征62.1.3.过电流脱扣器的电流整定值62.2分励脱扣器72.2.1工作原理72.2.2设计问题72.3机械要求82.4本章小结8第3章 欠压脱扣器执行元件计算93.1电磁铁的计算要求93.2具体计算93.2.1初值93.2.2参数计算与设计93.2.3验算123.3本章小结13第4章 DW450分励脱扣器硬件电路设计144.1 技术指标和参数144.2 分励脱扣器设计方案144.3 单片机选型比较与选择154.3.1单片机应用154.3.1 AVR 单片机概述164.3.2 STM单片机介绍164.3.3 PIC 单片机归纳174.3.4单片机选择174.4普通电源的分析比较194.4.1电源电路设计204.4.2采样电路设计204.4.3 稳压电路设计214.5 驱动电路设计及仿真224.5.1 常见电路通断控制方法对比224.5.2 驱动电路仿真244.6 PWM 频率与控制264.7 PCB 设计264.8 本章小结27第 5 章 DW450 欠压脱扣器软件设计285.1 主流程图设计285.2 单片机在电路中控制流程设计295.3 主要程序设计305.3.1 中断程序305.3.2 PWM 初始化程序305.3.3 释放电压处理程序315.3.4采样程序设计325.3.4 主程序设计345.4实物图375.5 本章小结38第 6 章 分励脱扣器联合调试396.1 IDE 建立项目396.2 调试过程设计与验证406.3 本章小结41致谢42参考文献43附录一44附录二45III 第1章 绪论第1章 绪论1.1本课题研究的意义跟随者着智能电网在集成、高速快速发展以及双向通信网络基础上的电网的智能化、小型化发展，越来越受到广大用户的认可和信赖，其中选择合适有效的组成元器件也越来越重要，这其中重要保护电路器件断路器显得尤为重要，随着科技的发展一种新型保护电路器件发挥越来越重要作用，这就是DW450脱扣器以它独特优势占有很大的一席之地，它与DW50 断路器相比，DW450 断路器的体积小，安装比较灵活，小型化断路器在整体质量方面所面临的关键问题就是在很小的范围内，如何研制出良好欠电压脱扣器，我国低压电器从起步到现在已经 50 年的历史了，建立一个全面的一个制度，使得在种类、性能上，与我国经济相适显得极为重要，由于DW450 体积较小 ，这就大大提高了它的的竞争力，以及大力推广也很重要，这样才可以让我国在断路器手艺得到很大的进步，这方面相对地，与分励型脱扣电磁铁比拟，电磁型脱扣电磁铁本钱廉价，制造工序也更简洁。1.2低压断路器1.2.1低压断路器实物图 图1-1低压断路器 1.2.2低压断路器的概述低压断路器，又可以称之为自动空气开关。它是一种既能被手动开关，当电器设备发生了失压、欠压、过载在没有低压断路器的时候，人们用熔断器来保护电路，但熔断器特点只能使用依次熔体烧坏了之后就不能再复原，需要不间断的更换，为了发明一种可以长时间使用的断开电路的开关，于是低压断路器应运而生。因为有这样的优点，使得他得到了广泛的应用，已经不仅可以用来保护电路，例如PLC中220V电压的入口处，还可以用于异步电动机启动电路中，对电源线路及电动机等进行必要的安全防护，它相当于熔断器和热继电器相结合，当有大电流通过时，不需要对其进行更改，同时它可还用于过载，欠压，漏电等电路中，因此它是一类常用的器件。1.2.3低压断路器的分类低压断路器我们一般把它分成很多种类，以下就是主要的几种主要的分类：如果按照结构来分的话，我们可以把它分成框架式以及塑料外壳式这两种。对于塑料外壳式的断路器它的所有主要结构原件我们都是把它装在一个塑料外壳里面，这样就会是的它的结构占用的面积变小，通常小容量的断路器大都使用这种方式，而对于框架式的断路器它的所有的结构器件都是把它组装在一个框架里或者把它安装在底板上面，这样就可以得到结构变化方式各种各样和总类繁多类型各异的脱扣器，大多数情形下对于大容量的断路器使用的就是这种范例的断路器。如果我们按照性能来对它进行划分，我们就可以把它分成普通式和限流式两种类型，对于限流式断路器他主要具有特殊的结构触头这是它与其它种类的断路器有着巨大差异的地方，当电路在工作的时候，如果流入它的是短路电流时候，这个时候触头在电动力的作用之下会分开并且同时会产生电弧，我们在这个时候可以利用电弧产生的电阻来使得断路电流的快速增长，限流式断路器和普通的断路器相比较最大的特点是它具有强大的开通断开的能力，并且能够使得使得短路电流对需要保护的线路有着电动力热效应的作用。如果按照使用用途我们一般把区分开来按照以下三种方式来区分:1、导线保护用断路器,它主要用在家用电器以及照明线路当中；2、配电用断路器，主要用在电路过载、短路、欠电压保护但主要还是用在低压配电系统中；3、电动机保护用断路器中，主要是用来保护操作电动机；4、漏电保护断路器，主要是用来防漏电，保护人在操作过程中安全。图 1-2低压断路器工作原理图1主触点头；2锁键头；3搭钩（代表自由脱扣机构）；4转轴；5杠杆；6复位弹簧；7过电流脱扣器；8欠压脱扣器；9,10衔铁；11弹簧；12热脱扣器双金属片；13热脱扣器热元件；14分励脱扣器；15按钮低压断路器种类有多种多样，大多数都有主触点和辅助触点、灭弧装置、以及各种脱扣装置，以及过电流、分励和热脱扣器、动作机构以及松开脱扣构件等各个部件构成。其构造原理如图1-2所示。在途中低压断路器的电源是和欠压脱扣器的线圈并联在一起的，这样就会使得当电路出现欠电压或者零电压的时候任一情形的时候，能够对电路起保护作用。断路器中常开的的触头在当电源电压正常工作的时候可以紧闭，而当电磁铁的线圈部分因此而得到通电，就会产生一定的吸力，这样就能把衔铁部分带动，主触头可以保持在闭合的状态上，断路器也可以处在工作状态中。断路器大部分都具有短路时自动锁定的功能，这样就可以防止发生断路器处在事故的时候但是并没有革除的情势下合闸。而当电路出现短路的时，又可以让断路器能够被脱扣器隔断，在断路器达到复位之前，不能进行合闸断路器，以免发生事故。 低压断路器的种类有着多种多样的形式，如果我们就使用的类别上面，以及它的构造形式上、和操作的使用方法上面等进行分类，以下我们就对常见的类型展开描诉。 （1）按构造的形式来分，我们把它分为万能式、塑料外壳式、以及小型模数式。（2）万能式低压断路器，又可以称之为敞开式低压断路器，由于它有着绝缘衬底的框架结构的独特底座，能够把各个的构建组装在一个模块当中，同时他也是可用在配电网络中的保护。一般主要的代表类型有DW10、DW15这两种系列。（3）限流断路器。利用它对短路电流能够产生很大的的吸力，可以使得触点快速断开和闭合，这就能够在在交流短路电流达到峰值就提早把把故障电路切断，因此限流断路器广泛用在短路电流相当大的电路中。这种断路器主要型号有DZX10、DWX15两种系列。 （4）装置式低压断路器。它是用绝缘材料制成的一种封闭型外壳将所有的组件组装在一起，主要用在配电网络的保护以及电动机、照明电路器件中。 现当今断路器整体发展越来越趋向于程序化、简单化、并且这些断路器的适用范围广、可以做到通信化、智能化和网络的发展趋势，它所设置的标准与现场总线是在技术上是用着相同的标准的，因此相互之间可以互为参考。1.2.4低压断路器的主要构成低压断路器通常由各种各样的触头、以及各式各样样的脱扣器、电动操作机构、以及能够运用释能电磁铁转动手柄和加上手柄闭锁装置等构成。1.2.5低压断路器的选择以及参数选取 当我们在电路中使用断路器的时候同时应该注意一下断路器的选择问题：（1） 断路器的额定电流和额定电压应该大于或者即是线路、以及器件之间的正常工作电压和电流问题。（2）过电流脱扣器的额定电流大于或者即是线路的最大负载电流。（3）断路器工作时的极限分断能力应该大于或者等于电路最大短路电流。（4）欠压脱扣器的额定电压等于线路的额定电压。1. 断路器额定电流额定电流In，指能在脱扣器中可以在足够长的时间内流过断路器的最大的电流Im。2. 过电流脱扣器额定电流过电流脱扣器的动作电流整定值一般是恒定的，但也可以人为进行调整变化的，通常我们使用旋钮或调节杠杆进行调节。1.3欠压脱扣器原理欠压脱扣器是断路器上的主要的保护性元器件，它能够在电源电压发生变化时候断开电路从而对电路起到保护作用，避免因为欠电压对负载电器或电气设备产生不必要的损害。定理是当电源电压高于欠压脱扣器额定电压的70% 时，能确认使得断路器正常工作；当电源电压下降到欠压脱扣器额定电压的30%70%时，能使断路器脱扣；当电源电压低于欠压脱扣器额定电压的30%时，能保证断路器不合闸。从而能够保护电路中实现电源电压在出现电压下降过大的时候，能自动断开断路器切断电源。1.4分励欠压脱扣器发展形势 在目前市场上的欠压脱扣器所占有的空间相对而言还是相当的大，脱扣器我们可以把它认为是断路器的控制器，它是属于断路器的一个分支，在早期的的时候脱扣器主要用的机械式，但是随着社会的发展，人们对高性能的脱扣器要求也越来越高，从而激发了现在现在的脱扣器上功能越来越多，种类也是越来越多，甚至有些脱扣其都可以和单片机连在一起了，然后单片机来控制，这样同时也增强其精确度，通过编程的方法来控制脱扣器显得非常智能。而且各个元件越来越小，现在很多的新型单片机做得也越来越小。总而言之，脱扣器越来越智能同时体积也越来越朝着小型化发展，由于执行部件发生故障的概率比较小，那么欠压脱扣器的性能，大多数情况下都是由测控电路来决定的，因为电磁元件自身具有自复位脱扣的功能，而且它仍然被广泛的应用在断路器上面，并且它的可靠性的大大提高、但是体积却大大缩小、并且价格的低廉是未来总的趋势。58第2章 分励脱扣器的现状与改进第2章 分励脱扣器的现状与改进2.1脱扣器国家标准浅析欠压脱扣器作为低压断路器中一个主要的关键元件，在我国 14048.2-2008 文件中对脱扣器标准有如下规定。2.1.1 主要的型式 （1）分励脱扣器； （2）过电流脱扣器； a瞬时脱扣； b定时限脱扣； c反时限脱扣：与先前的负载无关；与先前的负载有关（热式）。 （3）欠压脱扣器（切断）； （4）其他脱扣器。2.1.2特征(1）分励、欠压脱扣器（切断）：额定控制电路电压（Uc）；电流种类；额定功率（AC）。(2）过电流脱扣器：额定电流（In）；额定频率（AC）；电流值的整定（包括整定区间）；时间值的整定（包括整定区间）。过电流式的额定电流，指的是我们在实验状态下能够接受的最大电流整定值的电流在此条件下，温升规定值。2.1.3.过电流脱扣器的电流整定值断路器自身有着调脱扣装置，其电压的设定值（满足电流的设定值）应在表盘上的刻度上进行必要的指示。此标志能够用安培数或者电流倍数的值在脱扣器上进行明确的标示清楚，当过载脱扣器的动作特性满足我们所需的设计要求的时候，此时在标上其额定电流。如果在电流互感器的脱扣器是上存在间接运动的时候，此时就需要我们标明出所提供的电流互感器的起始电流以及写清楚过载脱扣器本身的电流整定值，但我们需要注意问题是此互感器的变比是需要去掉标识。2.2分励脱扣器2.2.1工作原理 根据和的规定，分励脱扣器是一种远距离手动控制的脱扣器，就是人可以站在远处就可以通过按住按钮来使电网断开。类似于遥控器，只要把按钮放在远处据可以实现远程控制，当分励脱扣器的电源电压（其实就是电网电压）大于额定电压的时，分励脱扣器立即动作，使主电路断开。当分励脱扣器的电源电压低于额定电压的时，复位第一开关电路，重置脱扣器。综上所述，当电源电压为额定电压以上时，电路是处在保持高分励状态。而当我们提供的的电源电压在低于额定电压的时，分励脱扣器绝对不能动作，若分励脱扣器已经动作过，那么在电网电压小于后，复位第一开关电路，如果没有，那么小于与一样，如图2-1所示。图2-1工作原理2.2.2设计问题现在在市场上使用的大量的脱扣器主要部分还是电磁型的，虽然这种电磁型脱扣器在断电的时候就会自己复位，但是它的线圈并没有断开而是一直处在通电的状态下，这就会使得一直伴有功率输出，而且同时复位弹簧一直也处在受力之中，最终会导致线圈发热严重、使得电子器件老化，器件的使用寿命大大减小，同时弹簧由于长时间处在这种状态下早就已经疲软失效，这些都是电磁型脱扣设计过程中会出现常见的问题。2.3机械要求螺线管式的电磁铁在直交流电路上，都得到了比较广泛的运用。此类电磁铁的吸力比较大，此类构造类型在很多须要大的吸引力的磁铁中都有一定的取用。脱扣器与开关设备组合在一起的欠电压继电器的脱扣器应响应，有延时和非延时的区别，使开关断开，从而保护电路。 本次论文规划中要求电磁铁吸合力 F20N，距离为7mm。2.4本章小结 本章对欠压做了一次深入的分析，对它的目前的现状有了一定的了解，在本章中通过对比分析两种不同的分励脱扣器发现它们之间优缺点，总结分励脱扣器现在存在不足的地方，以便得到更好的改变，设计出具备分励保持功能的DW450分励脱扣器设计理念，具备分励保持功能的分励脱扣器尽管在结构上看起来相对比较简单，从而我们可以将硬件电路部分做进一步的改善，这一改变我们可以对我们研究分励脱扣器在我国低压设备发展起了极大的推动作用，并就两类有着差异控制方式的脱扣器我们进行了对比以及剖析，得知现在的欠压脱扣器仍然有着设计上的不足之处，所以我们研究具备分励保持功能DW450欠压脱扣器显得至关重要。 第3章 欠压脱扣器执行元件计算第3章 欠压脱扣器执行元件计算3.1电磁铁的计算要求根据对电磁铁各方面进行计算我们要获得的数据如下。 1电磁铁的结构系数 2衔铁半径 3线圈绕组磁动势 4线圈绕组长度与高度 6线圈绕组匝数W 7线圈绕组电阻3.2具体计算3.2.1初值 1.初始吸力即； 2.衔铁行程； 3.允许的许最大温升； 4.短时工作制； 5.工作额定电压。3.2.2参数计算与设计1电磁铁的结构系数设计 （3-1）螺线管式电磁铁的最优磁通密度与线圈尺寸的曲线得高，。2衔铁半径设计电磁吸力公式： （3-2）根据公式（3-2）可以求得衔铁半径为：3线圈绕组磁动势设计 （3-3）其中：取。导磁体内磁动势占总磁动势的，非工作气隙中的磁动势占总磁动势的时，所选择的材料最合适最经济。本设计取导磁体内磁动势，非工作气隙磁动势。公式（3-3）中所以（安匝）4线圈绕组长度与高度设计 （3-4）漆包线在时的电阻率。其他温度时的电阻率所以在时散热系数在时填充系数 外圈半径：高度： 外部半径： 5漆包线直径设计 （3-5）有两个绕组，现在以其中一个绕组为例。平均直径： （3-6）为正向绕组线圈的内直径，为正向绕组线圈的外直径。所以加上绝缘皮的直径。6线圈绕组匝数W设计 （3-7）电流密度： （3-8）所以 （匝）7线圈绕组电阻设计匝长：电阻： （3-9）3.2.3验算 1吸力吸力 完全符合我们的要求。填充系数 （3-10）漆包线截面面积： 2磁动势 （安匝） （3-11）所得数据按如图3-1所示：图3-1 电磁铁结构3.3本章小结第三章我对欠压脱扣器在前面研究的基础之上在做了一次更为深入的分析，通过比较发现两种不同控制形式欠压脱扣器之间的差异，并根据差异做出相关的分析，从而总结出了分励欠压脱扣器在目前来说依旧存在的不足以及许多地方是需要更加优化的地方，同时也提出了新型分励欠压脱扣器的设计思路。它的很大部分参数我们大多数情况下都只能按照以往经验或经典值来进行对比进行选择，然后根据公式定理得出设计的参数是否合理，并及时进行修改，目的是为了得到性能的最优。第4章 DW450分励脱扣器硬件电路设计第4章 DW450分励脱扣器硬件电路设计4.1 技术指标和参数通过研究和设计，参数达到以下要求。（1）额定电压 Ue：220V20%；（2）动作点点电压：0.7Ue，动作精确度：2V；（3）复位点电压： 0.3Ue，动作精确度：2V；（4）额定电压脱扣力的大小：16N；（5）处在最新奥转改下动作间隔的时间：0.3s。DW450 分励脱扣器动作电压参数曲线如图 4-1 所示。图4-1 DW450工作状态示意图依据国家的标准，如果当采样电压大于 70%Ue 的时候，电磁铁就会产生吸合，吸合是一个脉冲，之后是通过脉宽调制使得电磁铁两端电压下降到工作电压的百分之左右，并且要同时保持电磁铁不产生脱扣现象。当电磁铁两端电压下降到 30%Ue 的时候，我们根据国家的要求电磁铁脱扣。脱扣一般出现两种情形，一种是瞬时脱扣，还有一种是延时脱扣。4.2 分励脱扣器设计方案依据论文设计要求， 从而设计出DW450 分励脱扣器总体方案，如下图 4-2 所示。当我们通上220V交流电压以后后，电磁铁在通电之后就会强力吸合，为了能够让电磁线圈中电压变小这一要求，我们引入PWM 脉宽调制的方式来使得两端电压输出合适直流电压。为了实现这一要求这就要求我们使用合适的电子管，但是我们使用这一方法达到精度并不是很高，此时我们通过使用单片机这一智能器件来达到我们设计要求，本次我们论文设计选则PIC单片机进行精确控制以保证输出PWM波 ，这样我们就可以大大减小误差最终满足设计要求。同时电路在工作中时由于共振导致在器件工作的时候会产生各种各样噪音，为了降低噪声，以及为了能够得到让PWM 波的频率保持在一定的数值之上，我们通过使用场效应管作为主要的开关器件，并且我们同时设计了串联稳压电路、以及全波整流电路模块、和PIC单片机电路、EMC(滤波电路) 电路和MOS驱动电路、过零电路 等电路。如下图4-2所示。图 4-2 PWM 控制技术方案输入线路交流电压L,N在经过EMC电路进行滤波之后，就可以形成两次电源电压。然后当电流在经过二极管 VD1VD4组成的全波整流电路整流，经过整流之后就可以得到直流脉冲电压 VH，这然后分成两路流动：一路经过采样电路经过分压就得到了采样信号 SA，并送给单片机；第二路直流脉宽电压送入到电磁铁，这样就可以使得电磁铁得电进行工作；电路中电容器 CD0 为 PWM 斩波提供高频抑制电路，同时它能对外部起着二次滤波作用,经过串联稳压电路之后可以提供 3V电压来供单片机工作。4.3 单片机选型比较与选择4.3.1单片机应用图4-1单片机应用4.3.1 AVR 单片机概述 AVR 单片机是ATMEL 公司利用 Flash 这一技术研究的一种新型单片机，它是一个 8 位的单片机，而且他的运行速度很快。广泛被用于智能仪表以及机器人制作等且在可靠性高，和成本低等条件下，有着诸多方面也提高了不少，并且电路也简单容易使人理解，这就可以做到降低的故障发生的概率。同时AVR 系列单片机有着十分多的内部资源，同时其价格也一般，这样就使得许多情况下，51 系列的单片机可以被他代替使用。与51单片机系列单片机比拟AVR 系列单片机的有着以下的独有优势：（1）简单易懂，价格便宜。（2）低耗、高速、保密。（3）I/O 端功能强大。这使得很多使用硬件电路都难以实现的功能都可以用这个软件轻易做到，这给设计电路带来极大的方便。4.3.2 STM单片机介绍在ST的 8位高效控制器基础上面，在使用先进的外部设备。 并在平台采用的嵌入式非易性存储器独特专用技术。以及高效计算能力和快速寻址方式使得能够快速、开拓。在它的平台上面支撑着的三种子产品：（通用微控制器）；（超低功耗微控制器）；（汽车级别的微控制器）。其次在型号上，这类单片机的最高得工作频率可以到达24MHz，比AVR单片机工作频率更高，同时在功能上上可以做到到20MIPS。定时器等外设资源的框架都能用和现在比较火热机型十分相似近似的方法来进行相关控制，它的中断功能的方法也又和AVR不太接近，它有着多个中断源，但是却只对应其中的一个中断向量，但是我们从总体上来看性价比上远远高于AVR单片机.4.3.3 PIC 单片机归纳PIC单片机给人们用来建设和控制外围装置的集成电路。它是一种可以同时用来完成多个任务功能的CPU因为它的执行单元有着极强的分散作用。它就像人类身体组织中的大脑环节，PIC 共享类似于人的神经系统，同时PIC 单片机也有着强大的计算能力以及记忆内存的作用，一般存储器容量有 1K-4K 字节可以用来专门编写相关软件。尽管PIC 单片机是一个小小的微型机以及它的最大工作频率一般在20MHz，并且能够受到软件操作来运行，PIC单片机中的计算功能以及记忆内存由软件运行控制，但是它的处理能力普通，存储器容量也很小，当然这很大程度上由选用PIC的类型来决定的，PIC 系列单片机性能与价格极为受到重视，一般性价比比较高的，并且型号种类丰富可以应用于各种类型的设计，如果一种设计，不会发生功能交叉，并且它的研发周期比较短，上市周期也比较短时，并同时指令内容精练，引脚具有超强的防止发生瞬态功能，而且能够保证高质高量高速运行，只需要加上限流电阻就能够直接和220V交流电压直接相连接，这样就可以节省使用空间，然后由继电器控制电路直接相连，使用非常便利。4.3.4单片机选择通过上述三种单片机介绍，我们发现 PIC 系列的型号为 12F683 的单片机适合本设计，主要它有着以下特点：（1）指令简单，但是执行效率很高。性价比高，功能强大，不存在单纯的功能堆积。（2）处在睡眠和低功耗状态时，软件本身自带看门狗，可以大大增强运行的可靠性 （3）引脚具有防瞬态性能的能力，只要接上一个限流电阻就可以接到 220V 交流电源电压上，并且通过继电器与控制电路相连以及高精度的内部振荡器。（4）体积小，这个单片机只有 8 个引脚，可以说是世界上最小的单片机。而且它是一个 由8 引脚 的8 位 CMOS 单片机，具有 10 位 PWM 模块，10位A/D 转换器、分辨率是也是 10 位的；最大工作频率可以高达20kHz；功耗相对消耗比较少，性价比高。单片机引脚图如下图 4-3所示。图 4-3 单片机引脚图 PIC12F683 单片机的引脚功能陈列的形式说明如下表 4-1 所示。该器件有 PDIP、SOIC 和DFN-S 三类封装形式。表4-1 PIC12F683引脚的功能介绍表中： AN=模拟输入或输出TTL=TTL 兼容输入 HV=高电压 CMOS=CMOS 兼容输入或输出 ST=带 CMOS 电平的施密特触发器输入 XTAL=晶振4.4普通电源的分析比较在所有的硬件电路的设计中，选取合适的电源电压尤为重要，以下我们根据不同稳压电源的等级进行比较分析. 这其中一类是线性稳压电源，线性稳压电源原理改变晶体管的通断速度从而达到改变以及控制输出电压和电流的效果的目的，这个时候在线性稳压电源中晶体管中可以看作是一个可变电阻，以及通过调节管之间的电压压降来获得合适的输出。线性稳压电源的特点：（1）工作时速度很快，但是得到的输出波纹较小；（2）输出电压与输入电压之比较低；（3）价格低廉，容易购买；（4）易发热（尤其是大功率电源）。 4.4.1电源电路设计电源电路是保证维护电路正常运转的一个重要环节，无论是在微型处理系统的设计中，还是在电源电路的设计当中都是不可或缺的一部分，在这次的毕业论文设计，由于需要的电压等级不同，需要给两个不同的电源供电，一个是给 PIC 单片机提供+3V 的电压、另一个是给线圈驱动电路提供 12V 的电压，在本次设计中当电源接通后，经压敏电阻器RV0后，又由电磁兼容性（EMC）电路抗干扰抑制，获得二次电源。通过展开EMC电路的设计，不仅抑制了来自外部电网的干扰，还抑制了内部系统产生的干扰。差模滤波电感器的采用，使得脉冲电流的峰值能够有效地降低，从而减小了电流谐波的干扰，但是不会导致功率因数的变大。EMC电路如图4-10。 图4-10 EMC电路图（1）CL1、CL2 是差模滤波电容，它的主要的功能就是滤除差模干扰得影响，在电路中取电容的区间是0.1F2.0F，选取典型值10n/2KV；（2）选用了压敏电阻RV0并联在L与N 线之间，是为了起放雷防护的作用；压敏电阻的特点是当两端的电压低于它的设定值时，流过它的电流会很小，此时电路可以看作为断路；而当电压如果超过设定值时，它的阻值又会变小，流过电路的电流增大但不影响其它电路工作，EMC电路中的各元件也都参照其经典值来选取的。4.4.2采样电路设计采样电路主要是用来对电路电压进行监测的，对电路来说是必不可少的，当监测到电压低于 30%Ue时脱扣器就会脱扣。单片机采用 3V工作电压。电压采样电路如图 4-6 所示，电源电压信号全波整流后，由 VH 输入，经采样电阻 R1、R2、R3 分压后得到电压采样信号 SA。图4-6 采样电路4.4.3 稳压电路设计单片机供电大多数情况下会选择LM78 系列三端稳压器来构成线性稳压电源。因为这种稳压管的外围元件少，价格便宜，并且容易购买，但同时这个系列的稳压器在工作时候也会有着很明显的缺点，例如在工作的时候会产生的漏电流，同时也会使得在工作时稳压管自身的损耗也很大，而且易发热，并且在本次设计主要是在给单片机提供稳定供压的情况下，同时还要减少自身的消耗。最终我们选用 HT7130的三端稳压器，它属于 CMOS 类型的稳压器，工作时静态消耗小，由于采用 CMOS 技术的三端低功耗高电压的调节器，使得在工作时可以工作在高电压在24V上。但是输出范围在 3.0V 5.0V 之间。HT7130 的主要特点有下面几个：（1） 高输入电压（可达 24V），输出电压35%V（2） 压降低，功耗低，温度系数低。（3）使用方便，耗电极低。本设计的电源电路图如图 4-5 所示，上面串联型的稳压电源经过交流电整流之后得到 12V的稳压电压作为 HT7130-2的输入电压，CD3 滤波电容，能够抗电磁干扰。CD3 取经典值 4.7uF/6.3V，这其中电路中将电阻分开串联在电路中目的就是为了散热。图 4-5 电源电路参数计算如下：（1）采用单片机，预计 12V 电源供电电流约为 1.1mA 左右。（2）考虑最低电网电压供电时，仍然能保证 12V 稳定，最低电网电压 220V30%=66V（3）电压调整三极管 WT 最小调整电压为 3V（4）UA=12+3=15V流过 RW1 上的电压 RW11.1mA=6615=51V RW1=51/1.1=46.4K，近似取 47K（5）Z1 提供调整三极管的基极电压，最大电流 10mA，最小电流 1mA。 20V30%=66V 时 66V/1mA=66K，22*120%=264V， 264/66=4mA， 即 RW2=66K 满足设计预期。这里 R1 和 R2 均取 510K 用两个电阻串联代替一个电阻的作用是分压，防止电阻击穿。VH 的最高电压为 220120%=264V，给单片机提供 3V 的电压，264*0.9/（R1+R2+R3）R3=3V,即：R3=9.1K，取 10K。4.5 驱动电路设计及仿真4.5.1 常见电路通断控制方法对比驱动电路通过串联稳压电路提供的电压来驱动和控制电磁铁上电流是接通还是处在断开，驱动电路直接影响脱扣器执行通断的速度快慢，一般我们用继电器来对驱动电路进行驱动的，但是因为继电器本身这一模块的体积过大，对于我们设计不符合要求，同时如果采用SCR来作为驱动，由于它的速度太慢达不到我们所需的要求，故而SCR也不符合我们的设计要求经过对比最终我们选择使用MOS管来对电路进行驱动 1.MOS 管概述MOS 管是场效应晶体管，就是将输入电压的变化转化成输出电流的发生变化，它的输出特性曲线分成3个去，一个称之为可变电阻区、其它两个区分别是夹断区以及恒流区，当同时工作在可变电阻区、以及夹断区时，类似于一个电子开关。MOS 管一边可以作为开关电路另一边还可以做模拟放大。由于栅极电压在一定范围内的变化会引起漏极电流的变化，所以当我们在使用 MOS 管的时候它的好处就是能够使得驱动电路并不需要很高的驱动功率。还有一个好处就是开关动作准确而且灵敏，并且他的工作频率相对的来说也很高。另外，电力 MOSFET 的热稳定性要远远的比 GTR 更好。但是电力 MOSFET 也是有它本身的缺点，因为它只能够允许通过的管子电流非常的小，所以只能承受极小的电压，并且往往他还受到功率对它的限制作用，所以只能一般用在10kw的电力设备当中MOS 管驱动电路。绝缘栅场效晶体管全称金属-氧化物-半导体场效晶体管，一般把它分成两种沟道，分别是N沟道与P沟道。就像二极管也有两种沟道，接下来我们首先以N沟道为例，绝缘栅场效晶体管的结构如图4-9所示，它是用一种P型半导体作为它的基础，P区表面上偶两个挨得距离距离很近的N型半导体块，在它的表面覆盖了一层二氧化硅绝缘层但N型半导体块是能够和外界用导体进行导通的，我们把其中的一个叫作称之为源极S，一个叫作漏极D，在二氧化硅绝缘层上面两个N区之间还有一个栅极G，栅极与其他部位是绝缘的，如果只接通源极S和漏极D那是肯定不能导通的，它的组成结构机理与爽警惕二极管差不多，但是原理却截然不同。从原理图上我们可以看出，在源极S与栅极G之间加一个电压，栅极G一般连接电源正极，源极S连接电源的负极。由于二氧化硅绝缘层很薄，而P区的电子因为在电场力的作用下被吸到二氧化硅绝缘层周围，这些电子正好处在两个N区之间，于是便形成了一个N通道。我们把它叫作N沟道，它像一条沟一样连接着两个N区，这样，MOS管就可以通过这条沟导电了，当给的电位为负，就不能导通MOS管，此时MOS管处于截止状态。这样我们就可以用电压来控制电路的通断了。与双极型晶体管不同的是，MOS管不需要电流而是使用电压来通断。本次论文设计使用这种驱动电路开关响应十分的快，驱动效果也非常的好，并且该电路被更多的使用在中等功率的场合，而另一种情况则更多使用在小功率的场合，操作方便并且安全性能好，成本也低，适用于不要求隔离的小功率开关装置。图4-9 绝缘栅场效晶体管2.驱动电路分析当 PWM 信号处在低电平状态下时，此时发射极电阻 RX1 处在正向偏置晶体管导通，导通管 TX1，而对于电阻 RX3 进行分压使得晶体管 TX2 导通的基极处在偏置电压，由串联稳压电路12V 电压经过限流电阻RX4 的作用加在到功率 NMOS 管 TX3 的栅极，TX3 开通，电磁铁线圈得电。当 PWM 信号为高电平时，此时发射电阻RX1处在反向偏置，晶体管将处在截至状态下，这个时候TX1 截止，而对于TX2 本省又没有基极电流而截止。电阻 RX2 正向偏置， TX4 导通，TX3 栅极电荷则会被迅速释放。CX1 与 CX2 分别是加速电容器，目的是为了加快 TX3 的导通与关断的频率快慢。图中快恢复二极管 DX1 对 TX3关断是起着绪流的作用对于该驱动电路中的电流来说，电路中的ic1 ib2 iRF 3由于TX1 在集电极的电流小于 1mA,这样电阻上的电流也会比1mA来的小，假设给 RX3的电阻就取 30K。对于电路中的电容 CX1 正确性则需要使用仿真软件仿真之后才可以知道结果，在仿真调试 过程中使得CX1=330PF。经过分析驱动电路设计如图 4-8 所示。图4-8 驱动电路设计4.5.2 驱动电路仿真 为了验证图 4-8 驱动电路设计是否合理，我们运用仿真软件。一般常见的电路仿真软件有 Protues、Simulink、Multisim 等。 1. Multisim 仿真软件Multisim 软件在所有电路仿真之中对模拟电路和数字电路的仿真是最为方便，而且入门简单。这样使得该软件在国内使用相当普遍、关于这一款软件的介绍资料也比较繁多。2. Simulink 仿真软件Simulink 软件是主要就是用来对电路中的动态系统进行建模、仿真和分析。仿真结果可可以实时的体现出来，比如示波器模块，采用这个方法就可以大大简便了了系统仿真工作。但是需要由 Matlab 软件一起配合才好使用3. Protues 仿真软件Protues 软件与前面介绍的两款软件相比它的最显著的优点是他能够做到软件和硬件同时进行开发以及调试，使用这一款软件也是相当的便利，这就可以大大减少在该软件上研制所需要花费的时间和精力，反过来想就是节约成本，减少经费的不必要支出，同时也可以构建单片机在它的外围所设置的电路，这样做就可以使得功能很丰富，比如PCB 自动或人工布线、电路仿真等功能。但是呢该软件也存在一些问题，这就会导致仿真得到的结果和真实电路本身所呈现出来的结果有出入