（电机与电器专业论文）pic单片机在低压永磁真空断路器监控中的应用.pdf

p i c 单片机在低压永磁真空断路器监控中的应用 a p p l i c a t i o no f p i cm o n o l i t h i cc o m p m e ri ns u p e r 、，i s o d ro fp e r n l a n e m m a g n e t i ca c t u a t o rf o rl o w v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r a b s r a c t t h el o w - v o l t a g ec i r c u nb r e a k e ri so n eo ft h em a i ne l e c 伍c 邵嘲t i l ss 、i t c h e si l lt h e l o w v o l t a g ep o w e rd i s 仃i b u t i o nn c t w o r k ，nc a np u tt h r o u 曲趴dd i s c o 衄e c tn o to i l l yn o 珊a l l o a dc u r r c n ta i l do v e d o a dc u n _ e mb u ta l s os h o nc u r r e n t ni sm a i l l l y 璐e di nt 1 1 e 丘e q u e m l y o p e r a t e dl o w v o l t a g ep o w e rd i s t 抽u t i o nl i n e0 rc u b i c l es 、v i t c h b o 盯da 1 1 d r v e d 私p o w e r s 、v i t c h ，锄dp r o t e c tc i r c u i t ， e l e c 伍ce q u i p m e n t ，e t c ，w h e nt h e yt a l 【e p l a c eo v e r c l 埘e n t ， 0 v e d o a d ，s h o n i n go 吨l o s so fp h 鹤e ，l e a k j n ge l e c t r i c i 眈e t c ，“c 锄c mo f ft h cc i r c u i t a u t o m a t i c a l l y ，s oi ti sl l s e d 谢d e l y t h ei m e l l e c t i l a lc o n t l o l l e fi sap r o t e c t o ro f t h eb r e a k e r 觚d i sak e yc o n t r o id e v i c eo f t h ec i r c u i tb r e a k e rt o o i nm c1 9 9 0 s ，、i t l lt h ed e v e l o p m e ma tf i l l ls p e e do fe l e 嘶ca n de l e c 订0 i l i ct e c l l n o l o 阱 m i c r o c l e c t r i ct e c l l n i q l l c ，c o m p u t e ft e c l l i l o l o g ya n dc o m l n 疵c a t i o nt e c l l i l o l o g y t l l ep r o t e c t o ro f t h ec i r c u i tb r e a k e rh a sa l r e a d yb e e nl e a db yt r a d i t i o n a le l e c 们m a g n e t i s mr e l e 勰et od e v e l o p i n t oae l e c t r 0 1 l i cr e l e a s ew i l i c ha d o p t st t 缸e 伊a t e dc i r c u i t ，吼t i lp r e s e n t i i l gt h ci n t e l l e c t i l a l c o n n d l i e r 谢ml l i g hp e r f o 加a n c em i c r o p r o c e s s o ra tp r e s e m t h ei m e l l e c t u a lc o n t r o l l e ro f n e w g e n e r a t i o na d o p t st l l em o d u l es m j c t i i r a ld e s i g i l ，i n c o r p o r a t ef h n c t i o m ，s u c h 髂m e 鹤u f c m e m ， m o l l i t o r i n g ，c o n 仃o l l i n g ，c o m m l l l l i c a t i o n ，p l 叼l t e c t i n g ，e t c i m oa no r g a n i c 、v h o l e ，w i d e l yu s e di n t h el o w v o l t a g es y s t e m a m o n gt l l i ss u b j e c t ，也i si n t e l l e c t u a lc o n 仃o l l c rr c g a r d sp i cc l l i pw h i c hm i c r o c h i p c o m p a n yp m d u c e s 硒t t 嵋k e yp r o c e s s o ro nt l l eh a r d w a r e ，“i sm a i l l l yd e a lw i t l l 协) u b l e p r o t c c t i o ni nc i r c u “b r e a k e r 柚dga _ m e 血g 讹i i lr c a lt i m e ，t h er e a l t i m ec u 玎e n ta 1 1 d i n f o m a t i o no ff a u l t sc 觚b cs h o w n 1 1 1 ch i g h - c 印a b i l 畸p i c l 8 f 4 4 8s c mw i mc a ni i l t e r f a c e i sm e df o rd e s i 砷gt h ec a nb u si f l t e 嘞c e i i lt l l i sp 獬m eh a r d w 撤c i r c u “a n dm e s o f a r en o wa r eg i v e n t l l el l a r d w a r cd e s i 驴o ft h i sc i r c l l i ti se a s y ，t h er c l i a b i l i 哆i sh i 曲a n d r e a it i m ei s g o o d i t h a sr e a l i z c d 吐地铆o - w a yc o m m u i l i c a t i o nf h c t i o n b e 铆e e nt t l e i n t c l l e c t i l a lc o n 仃o l l 盯a n dp c ，a c l l i e v e st 量l ep l l r p o 辩o fr e m o t cc o n t r o la n dr e m o t ca d j l l s t 1 l l r o u g hf i e l db l 晒s y s t e m ，m a k e sp e r f b n n a n c es t r e n g t i l e no ft h ei n t e l i e c t i l a lc o m m i l e r a c c o r d 沈阳工业大学硕士学位论文 、啊t ht h ed e m a n d sf o rd i s m b u t i o ns y s t e m k e y w o r d s ： c i r c u i tb 心a k e r ，p i c ，c a nb u s 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 关于论文使用授权的说明 刎4 弓冈l 因 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 躲拯戤新躲聋翌嗍型垒独日 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 低压永磁真空断路器简介 1 1 1 基本结构及优点 电工术语低压电器( g b t 2 9 0 0 。1 8 ) 中对低压断路器定义为“能够接通、 承载及分断正常电路条件下的电流，也能在规定的非正常电路条件( 过载、短路) 下接通、承载一定时间和分断电流的开关电器”。 断路器的结构比较复杂，一般由触头系统、灭弧装置、脱扣装置和操动机构 等四部分组成。智能断路器中的智能控制器，是断路器中技术含量最高的部分， 对断路器性能的影响也最大。断路器的结构原理如图1 1 所示。 图1 1 断路器的基本结构 f i g 1 1 b 勰i cs 仇l c n 鹏o f c i r c u i tb 他a k e r 1 ) 主接点2 ) 弹簧3 ) 接点拉钩4 ) 动作拉钩5 ) 电磁脱扣器 6 ) 失压脱扣器7 ) 双金属片8 ) 热元件9 ) 杠杆1 0 ) 衔铁1 1 ) 弹簧 断路器的触头系统包括主触头和辅助触头。主触头接在主电路中，辅助触头 接在控制电路中。主触头中通过的电流很大，它应能通断负载电流和分断短路电 流。电路发生短路时，短路电流比额定电流大得多，此时断路器要能分断电路， 必须有很强的灭弧能力。触头断开时产生的电弧，受电弧电流产生的磁场作用， 被吸入灭弧罩中，分割成一段一段的短弧。由于短弧电压低、热量小，所以能很 快散热灭弧，切断电路。断路器有一套较为复杂的自动脱扣装置和传动杠杆，所 以能在发生短路等故障时自动跳闸，切断电源，起到保护作用。 真空断路器是以真空作为灭弧和绝缘介质，在真空容器中进行电流开断与闭 合的断路器。真空断路器由载流灭弧装置和操动机构两部分组成。操动机构提供 p i c 单片机在低压永磁真空断路器监控中的应用 断路器在分、合闸时所需要的操作功。真空灭弧室的绝缘性能好，触头开距小， 要求操动机构提供的能量也小，与开断参数相同的其它断路器相比，操作功所需 量远小于s f 6 断路器及油断路器；加上电弧电压低，电弧能量小，开断时触头表 面烧损轻微，所以真空断路器的机械寿命和电气寿命都很高。通常机械寿命和开 合负载电流的寿命都可达到一万次以上。特别适宜用于要求操作频繁的场所。这 是其它类型的断路器无法与之比拟的。因此真空断路器的结构特色，主要是真空 灭弧室。 真空灭弧室的基本构造，不论德国、英国、美国与日本的各家制造厂都大致 相似，但材料和触头结构方面却大不相同，且各有专利，互相保密【l 】。 真空断路器的优点： ( 1 ) 在密封的真空容器中熄弧，电弧和炽热气体不外露，没有火灾和爆炸 的危险，非常安全，不会污染周围环境；灭弧室作为独立的元件，安装简单、方 便。 ( 2 ) 触头间距很小，一般在l o 嘞左右，合闸功小，机构可以简单，可延长 使用寿命。 ( 3 ) 熄弧时间短，弧压低，电弧能量小，触头损耗小，开断次数多。因而 分断次数多，使用寿命长，且适合于频繁操作。 ( 4 ) 操动机构的操动功率要求较小，整机体积小，重量轻。 ( 5 ) 开关操作时动作噪声小，可靠性高，适用于城区高层建筑的设备。 ( 6 ) 灭弧介质或绝缘介质不用油，所以与海拔高度无关。真空的绝缘强度 高，熄弧能力强，触头行程很小。 ( 7 ) 触头部分为完全密封结构，不会因潮气、灰尘、有害气体等影响而降 低其性能。工作可靠，通断性能稳定。 ( 8 ) 真空断路器开断后断口间介质恢复快，介质不需要更换。 ( 9 ) 可靠性高，使用寿命长，一般可达2 0 年左右。 ( 1 0 ) 开断能力强，目前开断短路电流已达到6 3 k a ，主回路接触电阻小， 触头电损耗小。 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 1 1 ) 结构简单，维护工作量少，维护成本低，仅为少油断路器的1 2 0 左 右。 ( 1 2 ) 适用中低电压等级电网中。 1 1 2 操动机构 永磁体很早就在开关的脱扣器中得到应用。2 0 世纪6 0 年代，国外就有人试 图发展永磁机构，但由于当时没有合适的永磁材料而不得不放弃。2 0 世纪8 0 年 代出现了钕铁硼稀土永磁材料，它具有极高的磁能积、很高的矫顽力和剩磁，为 永磁机构的发展奠定了物质基础。1 9 8 9 年英国曼彻斯特大学设计了世界上第一 台永磁机构模型。1 9 9 7 年，a b b 公司推出了世界上第一台配永磁机构的真空断路 器。主要由外壳、动触头和静触头、波纹管、屏蔽罩构成2 1 。 目前，真空断路器的操动机构有液压式、电磁式、弹簧式及永磁式等几种。 和传统的断路器操动机构相比，永磁操动机构最突出优点是具有较高的可靠性以 及具有电参数可控的特性。 断路器的操作机构执行分闸、合闸、重合闸的操作命令，并保持在合闸、分 闸状态，都是由控制回路进行控制，发出操作命令，由操动机构执行具体操作。 操动机构的功能作用为： ( 1 ) 接收指令使之关合触头( 合闸) ； ( 2 ) 使触头保持在关合( 合闸) 位置，通过相应的电流，在电动力的作用 下，不能产生触头位移； ( 3 ) 在接受指令后应能在规定的时间内分闸，分闸中不能有停滞现象； ( 4 ) 使触头保持有分闸位置，随时准备下一次指令，执行分闸。 永磁机构就其实质而言，是用永磁体实现合、分闸位置保持( 有时只用作合 闸保持) 的一种新型电磁操动机构。 永磁机构相比其它机构的最大优势是可靠性高，且又可以与灭弧室直接连 接，零部件较弹簧机构减少，提高了产品的结构刚度，减少触头弹跳、提高刚分 速度。结构简单使其机械寿命特别长，容易达到1 0 万次或者更高。同时由于没 有容易出现故障的机械锁扣和其它高速部件，发生机械故障的概率几乎为零。 p i c 单片机在低压永磁真空断路器监控中的应用 1 2 国内外低压电器的发展状况及趋势 早在1 8 9 3 年，r i t t e n h a u s e 就发现了真空具有高绝缘性能，而且对交流电 弧有很强的灭弧能力，为此他获得一项发明专利。1 9 2 5 年加里福利亚工学院的 s o r e n s e n 教授发表了关于真空断路器的实验数据及分析结果，并预言应用真空 断路器的时代不久就会到来。由于当时的真空技术还比较落后，这使真空断路器 在工业中的实际应用被推迟了很久。到1 9 5 6 年，h c r o s s 对杰宁无线电制造 公司生产的用于高频回路的真空断路器管进行了改造，试制出用于电力系统的真 空断路器。在真空断路器研制过程中，美国通用电器公司一直走在前列，后来又 有许多制造厂商从事真空断路器产品的研制以及基础理论的研究，从而迎来了今 天真空断路器的新时代【3 】。自1 9 8 5 年出现第一台以微处理器为基础的智能型断 路器以来，法国梅兰日兰( m g ) 公司、日本寺崎公司和美国西屋公司等相继开发了 带微处理器的智能断路器。 我国低压电器经过5 0 多年的发展，大致经历三代产品，目前已形成比较完 善的体系。第一代是2 0 世纪5 0 年代末期至7 0 年代中期开发的产品，以d w l o 、 d z l o 、c j l 0 为代表，其性能水平相当于国外5 0 年代水平，技术特征是性能指标 低，体积大，耗材、耗能多；第二代产品开发是从2 0 世纪7 0 年代中期至8 0 年 代末，包括以d w l 5 、d z 2 0 、c j 2 0 为代表的自行开发产品和以m e 、b 、t o 、t g 、 l c d l 为代表的技术引进产品，其特征是技术指标明显提高，体积缩小，结构上 适应成套设备的要求；第三代产品是9 0 年代初至今，开发方针为抓住主要系列， 跟踪国外先进技术，特征是高性能、小型化、智能化、组合化、多功能化，以 d w 4 5 、s 、s a 、c m l 、c j 4 5 等产品为代表，产品性能达到国外2 0 世纪8 0 9 0 年 代中期水平【4 】。但此类产品市场占有率仅为5 1 0 。因此，促进我国低压电 器总体水平的提高已刻不容缓1 5 】。 常用的低压断路器分为框架式( 原称万能式) 低压断路器( d w 型) 和塑料 外壳式( 原称装置式) 低压断路器( d z 型) 。我国自行开发的框架式断路器系列 有d w l 5 、d w l 6 、c w 系列；引进技术的产品有德国a e g 公司的眦系列( d w l 7 ) ， 日本寺崎公司的a h 系列( d w l 9 ) ，西门子公司的3 w e 系列等，以及目前国内各生 一4 一 沈阳工业大学硕士学位论文 产厂以各自产品命名高新技术开关睁引。我国自行开发的塑壳式断路器系列有： d z 2 0 系列、d z 2 5 系列、d z l 5 系列，引进技术生产的有日本寺崎公司的t o ，t g 和t l 一5 系列、西门子公司的3 v e 系列、日本三菱公司的m 系列、a b b 公司的m 6 1 1 ( d a l 0 6 ) 和s 0 6 0 系列，施耐德公司的c 4 5 n ( d z 4 7 ) 系列等，以及生产厂以各 自产品命名的高新技术塑壳断路器【钆1 1 】。 进入新世纪，国外著名低压电器公司纷纷推出新一代低压断路器产品，在框 架断路器方面，如法国施耐德公司的m t 系列，西门子公司的w l 系列，a b b 公司 的e 系列等；在塑壳断路器方面，如a b b 的t m a ) ( 系列，美国g e 公司的r e c o r d 的p l u s 系列，日本三菱公司的w s 系列等。这些产品在高性能、小型化和多功能 方面较老产品有大幅度提耐1 2 。1 5 1 。 随着科学技术的进步，新技术、新材料、新工艺的不断出现和应用，计算机 技术、网络技术、现代通信技术、智能化技术、微电子技术、现代制造和现代测 试等技术为低压电器产品的开发提供了良好的条件。 当前，智能化已是低压断路器的一个重要发展方向。智能型断路器的“大脑”， 即断路器内的智能控制器，采用微处理器为核心，具有显示、三段保护、试验、 负载监控、故障诊断等功能【幡1 8 】。为了满足市场需求及提高产品竞争力，要求我 们设计出性能优良、价格合理、保护功能完善的智能化控制器。为了提高断路器 工作的可靠性，完善保护功能，降低功耗，节约能源，断路器的保护由电子式向 数字智能化的方向发展。随着计算机、微处理器、光纤传导技术、传感器技术和 数字处理技术的迅速发展和应用，出现了带微处理器的智能控制电器，使得断路 器的智能化得以实现。智能型断路器不仅能够提供传统断路器的各种保护和控制 功能，还具有保护的多样性和可选择性：能够实时显示电路中的各种参数( 电流、 电压等) ，也可以设定和修改各种保护功能的动作参数。保护电路动作时的故障 参数，可以存储在非易失性存储器中以便查询。若干个智能断路器通过互动网络 可组成智能配电系统，实现遥测、遥信和遥调等功能。智能型断路器具有良好的 人机界面，既能从操作者那里得到各种控制命令和控制参数( 通过键盘、开关、 按钮等实现) ，又能通过连续巡回检测对各种保护特性、运行参数、故障信息等 进行直观显示( 通过信号灯、数码管等实现) ，还可与上位机联网实现双向通讯， p i c 单片机在低压永磁真空断路器监控中的应用 实施遥测、遥信、遥控和遥调【”圳】。人机对话功能强，操作人员易于掌握，有利 于避免误动作的发生。 根据国内外各断路器生产厂家的新产品和研究动态来看，低压断路器具有以 下发展趋势： ( 1 ) 智能化，就是采用了微处理器技术，从而具有应用软件，这样在硬件 不变的情况下具备较大的适用性和升级能力。 ( 2 ) 可通信化，在产品中加入相关的检测、判断和通信等芯片或电路，使 监控单元的各种状态和工作参数能较好地通过传输媒质( 如现场总线、串口线 等) 与线路上的其它电气设备交流，适应当前电气设备智能化及网络化的趋势。 可通信化的具体要求可体现为“四遥”遥测、遥信、遥控、遥调，这 距离网络化能力还有很大的差距，但比较符合我国科研水平和经济水平。 ( 3 ) 模块化和通用性，模块结构给产品设计、制造及市场适应能力带来了 许多好处，诸如降低产品设计、制造和新产品开发的复杂性，功能扩展与维护方 便，产品的市场应变能力强等。模块化设计及尺寸、零件等具有应当具有通用性， 这一点无论在生产者的设计、制造和技术继承等方面，还是在用户使用、维修方 面，其作用及重要性当前都已为多数人所认识。 另外，产品高可靠性、高稳定性、操作方便与安全等方面也应当是不断追求 的目标。我国的产品在材料和加工工艺、产品的外观和整体布局方面还有待进一 步的提高。 以上的这些特点，可以使断路器实现与中央控制计算机双向通讯，构成智能 化的监控、保护、信息网络系统，使断路器从基本保护功能发展到智能化、网络 化的保护功能。 1 3 课题的背景及主要研究内容 本课题来源于低压大电流永磁真空断路器的在线监控系统的研制项目。由于 开采环境恶劣、各种干扰源的干扰，因此对监控系统在可靠性、使用寿命、状态 实时反馈及抗干扰性提出了较高要求。使用监控系统后，随时可以了解断路器的 运行状态，并在发生故障时报警，大大降低由于断路器发生故障引起事故的几率； 一6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 可以降低用工、设备投入及维护成本，具有较好的经济效益。 本文研究工作的主要目的是通过研制低压断路器的智能控制器单元，为实现 断路器的智能化提供条件，研究的重点是智能控制器单元的硬件和软件设计。 智能型断路器的中枢部件是基于微处理器实现的智能控制器，该控制器的设 计首先要满足较高的可靠性、实时性、电磁兼容性要求，同时也要从产品角度考 虑其体积及成本。 本论文的主要任务是在分析传统断路器的特点和不足的基础上，研制低压断 路器的智能控制单元及其上位机管理系统。智能控制器单元要求具有实时检测、 实时显示、故障值存储、故障报警、参数整定、试验脱扣以及与上位机通信的功 能。 智能控制系统采用上位机和下位机的非主从式工作方式。下位机即智能控制 器是整个系统的基础，实现对低压断路器的测量和保护。上位机即p c 通过c a n 总线与控制器进行数据交换，设计主要实现的功能如下： ( 1 ) 检测线路的电流、电压； ( 2 ) 实现断路器的接地故障保护； ( 3 ) 通过硬件实时监控( 包括主电流监控、接地监控等) ，并经过软件数据 处理后送显示模块； ( 4 ) 线路故障参数的记录； p i c 单片机在低压永磁真空断路器监控中的应用 2p i c 单片机及其开发系统 2 1p i c 单片机简介 p i c 的名称是由( p e r i p h e r a l i n t e r f a c ec o n t r o l l e r ) 缩写。美国 m i c r o c h i p 公司推出的p i c 系列微控制器可谓独树一帜，率先推出了采用精简指 令集计算机r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 、哈佛( h ) 双总线和 两级指令流水线结构的高性能价格比的8 位嵌入式控制器。其高速度( 每条指令 最快可达到1 6 0 n s ) 、低工作电压( 最低工作电压为3 v ) 、低功耗、较大的输入输 出志杰驱动l e d 能力( 灌电流可以达到2 5 i i l a ) 、一次性编程o t p ( 0 n et i m e p r o g r a n n a b l e ) 芯片的低价位( 最低的不到8 元人民币) 、小体积( 8 引脚) 、指 令简单易用易学等，都体现微控制器工业发展的新趋势。该公司推出了三个不同 层次系列、几十种型号的产品来满足不同的产品要求。这三个系列的微控制器的 每一种型号的芯片都含有片内程序存储器，而且他们的指令系统都向上兼容，用 户可以根据需要选择不同外围接口功能、不同封装形式和不同电压范围的芯片； 该公司还可以提供完整的可兼容的开发工具套件和世界范围的现场应用支持。所 以在这个系列的微控制器有国际市场极具竞争力，在世界各国都有数量可观的用 户群。 较常用的其它类型单片机，p i c 系列单片机具有明显的优越性，主要体现有 以下几个方面： ( 1 ) 类一精简指令计算机结构，p i c 系列单片机具有先进的类一r i s c 结构，使 指令具有单字长的特性，且允许指令码的位数可多于8 位的数据位数，这与传统 的采用c i s c 结构的8 位单片机相比，可以达到2 ：1 的代码压缩，速度提高4 倍。 p i c 微控制器的先进性体现在：每一条指令的功能强、指令效率高。低档、中档、 高档系列分别只有3 3 、3 5 、5 8 条指令，而且向上兼容。 高速的指令执行，在2 0 m h z 时钟情况下达到了2 0 0 n s ，在2 5 m 1 1 z 时可达到 1 6 0 n s ，在单周期内可以对i o 口的任何一位进行操作。只有涉及到改变程序计 数器p c 值的程序分支指令( 例如g o t 0 、c a l l ) 等才需要两个周期。 一8 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 哈佛( h a r v a r d ) 双总线结构。p i c 系列的存储器采取哈佛双总线结构， 其数据总线和指令传输总线是完全分开的，这两种总线可以采用不同的字长。如 p i c 系列单片机是八位机，所以其数据总线当然是八位。但低档、中档和高档的 p i c 系列单片机分别有1 2 位、1 4 位和1 6 位的指令总线。这样，取指令时则经指 令总线，取数据时则经数据总线，互不冲突【2 2 也5 1 。 这与传统的冯诺依曼结构有很大的区别。采用冯诺依曼结构的计算机 是在同一个存储空间内取指令与数据( 即普林斯顿结构) ，片内只有一种总线， 这种总线既要传送指令又要传送数据两者不能同时进行，因此限制带宽。而在哈 佛双总线结构中，指令和数据是完全分开的，系统可以对程序和数据同时进行访 问，所以极大地提高了系统对数据处理的速度和能力，p i c 系列的微控制器由于 采用了哈佛双总线结构，所以与常见的微控制器不同的一点是：程序和数据总线 可以采用不同的宽度【2 6 。2 9 1 。 由于p i c 单片机采用了指令空间和数据空间分开的哈佛结构，用了两种位数 不同的总线。因此，取指令和取数据有可能同时交叠进行，所以在p i c 单片机中 取指令和执行指令就采用指令流水线结构。这样，除了上一条指令的取出，其余 各条指令的执行和下一条指令的取出是同时进行的，使得在每个时钟周期可以获 得最高效率。高达1 0 m i p s 工作速度。 在大多数微控制器中，取指令和指令执行都是顺序进行的，但在p i c 单片机 指令流水线结构中，取指令和执行指令在时间上是相互重叠的，所以p i c 系列单 片机才可能实现单周期指令 ( 3 ) 寄存器组。p i c 的所有寄存器，包括i o 口、定时器、程序寄存器等 都采用r a m 形式，并且只需要一个周期就可以完成访问，而一般的微控制器都需 要两个或更多的指令周期才能改变寄存器的内容排3 射。 ( 4 ) o t p ( o n et i m ep r o g r 踟) 技术。p i c l 6 x x 、p i c l 7 x x 及p i c l 8 x x 系列 微控制器具有r i s c 处理器的高性能和一次性编程技术，而且价格低廉。低价格 的o t p 芯片在价格上已经接近掩膜r o m 芯处片，但是它独具特点：适于小批量试 剂，在生产上具有灵活性；编程易于修改；对最终用户可以提供最佳解决方案； 可以减少生产厂家的剩余积压；减少库存周转量；减少处理工作。所以该产品极 一9 一 p i c 单片机在低压永磁真空断路器监控中的应用 具竞争力，快速进入市场f 3 3 】。 o t p 技术的出现在很大程度上满足了用户的特定要求，使得p i c 系列的微控 制器受到越来越广泛关注，并得到大批量的实际应用3 4 】。 2 2p i c l 8 f 4 4 8 单片机简介 高性能r i s cc p u ： 可寻址2 m 字节的线性程序存储器 可寻址4 k 字节的线性数据存储器 高达1 0 m i p s 工作速度： 一d s 一4 0 m h z0 s c 时钟输入 一4 m h z 一带有p l l 激活的1 0 m h zo s c 时钟输入 1 6 位宽指令，8 位宽数据通路 2 1 个中断源 8 8 单周期硬件乘法器 丰富的片上外围模块： 高吸入拉出电流2 5 i i l a 2 5 i i i a 3 个外部中断引脚 t i m e r o ：带有8 位可编程预分频器的8 位1 6 位定时器计数器 t i m e r l ：1 6 位定时器计数器 t i m e r 2 ：带有8 位周期寄存器的8 位定时器计数器 t i m e r 3 ：1 6 位定时器计数器 辅助振荡器时钟选择一t i m e r l t i m e r 3 2 个捕捉器比较器p 1 i m ( c c p ) 模块。与定时器计数器配合可实现输入捕捉、 输出比较和脉宽调制输出功能。 c c p 引脚可以设置为 一捕捉器输入：1 6 位，最大分辨率为6 2 5 n s ( t c y 1 6 ) 一比较器：1 6 位，最大分辨率为1 0 0 n s ( t c y ) 一最大p w m 频率：在8 位分辨率时= 1 5 6 k h z ：在1 0 位分辨率时= 3 9 k h z 沈阳工业大学硕士学位论文 主同步串行端口( m s s p ) 模块 两种运行模式： 一3 线s p i “( 支持所有4 种s p i 模式) 一1 2 c ”主从模式 可寻址的通用同步异步收发器u s a r t ( 模块) 一在地址位上支持中断 并行从动端口( p s p ) ，是一个数据传送的高速通道，可与其它具有开放总线 的微控制器、数字信号处理器d s p 或微控制器的并行数据端口连接。 模拟特征 l o 位a d 转换器，它带有： 一快速采样速率 一在睡眠期间可以转换 可编程低电压检测模块( l v d ) 一支持低电压检测中断 特殊微控制器特征 上电复位( p o r ) ，上电定时器( p w r t ) 和振荡启动定时器( 0 s t ) 监视定时器( w d t ) ，它带有片内可靠运行的r c 振荡器 可编程的代码保护 低功耗睡眠方式 可选择的振荡器，包括： 一4 x 锁相回路( 原振荡器中的) 一辅助振荡器( 3 2 1 ( h z ) 时钟输入 在线双引脚串行编程 f l a s h 工艺： 低功耗、高速扩展f l a s h 工艺 全静态设计 宽范围工作电压2 o v 到5 5 v 工业和扩展温度范围 p i c 单片机在低压永磁真空断路器监控中的应用 5 个可编程i o 端口a 、b 、c 、d 、e ，3 1 个i 0 引脚。 根据以上设计思路选择 f i c r o c h i p 新出品的一款高性能、高集成度的的单片 机p i c l 8 f 4 4 8 做控制核心，内嵌有c a n 控制器和通用串行口，主要集成有支持在 电路串行编程的1 6 k 字节闪速( f l a s h ) 程序存储器、7 6 8 字节静态数据存储器 ( s r a m ) 、2 5 6 字节电可擦除数据存储器( e e p r o m ) 、依靠片内r c 震荡的看门狗 时钟、8 通道1 0 位a d 转换、2 个模拟量比较器、字节长为1 6 位的7 5 条精简指 令集等资源。 沈阳工业大学硕士学位论文 3 智能控制系统的硬件设计 3 1 智能断路器的设计思路 本设计的主要思路是：通过互感器将主线路中的电压、电流、设备温度转换 成电流输出信号，由电流环电路转换成o 一5 v 电压信号，送入p i c 单片机。在单 片机内部进行a d 转换，之后进行逻辑运算与处理。运算结果与整定值比较后输 出符合预设定保护特性的逻辑电平信号。这些信号经放大后可直接驱动断路器的 执行机构，使断路器动作或输出声音、光信号。各种故障保护的动作电流和时间 整定值通过键盘设定并预先存储在e e p r o m 中，并可在运行期间随时进行修改。 此外，当产生特大短路电流时，独立于单片机的模拟脱扣电路可立即产生动作信 号，控制执行单元，使断路器动作。 本设计主要测量： ( 1 ) 测量三相电压d 。、玩、吼并可根据测量值计算乩、民、吒； ( 2 ) 测量三相电流l 、厶、丘，接地电流露，根据测量值计算中性线电流 厶嘲； ( 3 ) 测量设备温度r ： 主要实现的保护功能： ( 1 ) 系统不平衡保护。一般电网中中性接点的波动范围不会很大，取三极 电流信号矢量和为中线电流，即厶= 乞+ 厶+ 丘。正常运行情况下，系统平衡， l + 厶+ 乞= o ；在系统不平衡时，矢量和不等于零。计算出此电流信号作为中 线保护电流信号。 当三相电流不平衡时，会产生正序和负序电流，进而产生正序和负序力矩使 电动机的综合力矩减少，增加电动机的电流，使电动机发热增加，严重则会烧毁 电动机。因此不平衡和断相保护是以三相电流的差值来判断是否动作的，当三相 电流的差值大于整定电流时，一旦到达整定时间，就发出脱扣信号。 ( 2 ) 接地故障保护。接地故障是指供电线路和地发生短接而产生的故障， p i c 单片机在低压永磁真空断路器监控中的应用 在防爆环境中要绝对避免。本设计必须在出现接地故障时就实现断路器的脱扣或 者发出报警信号。 判断断路器接地故障的主要方式为测量接地电流。接地信号检测接线图如图 3 1 所示。 a c n p e 图3 1 接地信号检测接线图 f i g 3 1s h a nc i r c u ts 啪a lc h e c k i n ge l e m e n t a r yd i a g 锄 接地故障保护的检测电路原理如图3 2 所示。三相电流信号和中线电流信号 经调理电路的滤波、放大、隔直和信号的抬高后，在g 点进行矢量和运算，然后 经过放大、限幅接入电流环接收器r c v 4 2 0 。 图3 2 接地故障保护的检测电路原理 f i g 3 2c h e c k i n gc i r c u 油i i sp h i l o s 0 p h yo f p r e v e n t i n gs h o r tc i r c u i t 沈阳工业大学硕士学位论文 3 2 各种元件的选择 硬件设计主要根据前面的控制方案，包括：输入模块、电源部分、显示模块、 复位电路、存储部分、键盘部分、系统时钟部分、自诊断电路的设计、c a n 总 线接口设计 硬件设计的总体思路是：电流、电压、温度传感器将主线路的电压、电流信 号、设备温度转换成可远距离传输和抗干扰的电流输出信号，由电流环电路转换 成o 一5 v 电压信号，在p i c l 8 f 4 4 8 进行a d 转换成为数字信号；最后p i c 根据检 测结果进行运算和处理，将数据送到液晶显示器显示出来，由执行单元输出相应 的控制信号，直接控制断路器的操动机构使之动作脱扣。 这部分是一个以p i c 芯片为核心的监控系统，主要包括：输入、电源、显示、 通讯、存储、键盘等电路。利用p i c 芯片内部的程序存储器、数据存储器及i 0 模块。 为了更好的实现整个监控系统的功能，本设计选用的主要器件为： ( 1 ) 使用了美国b u r r b r o w n 公司推出的精密4 2 0 i i l a 电流环接收器r c v 4 2 0 芯片，将4 2 0 l i l a 工业标准电流输出信号转换为o 一5 v 的p i c 可识别电压【3 研。4 2 0 i i i a 工业标准电流输出信号不仅适合远距离的信号传输，也具有较强的抗干扰特性； 另外，信号的再处理非常简单和电路的低成本也是重要原因。 ( 2 ) 利用c a n 总线。c a n 采用多主工作方式，节点之间不分主从，但节点 之间有优先级之分，通信方式灵活，可实现点对点、一点对多点及广播方式传输 数据，无需调度，即它可向系统中的所有节点进行报文发送广播。而且在此网络 中的每个节点均可滤除不需要的报文。c a n 总线是目前唯一有国际标准的现场总 线，高达1 怕p s 的通信速率，并已被公认为最有前途的现场总线之一。为c a n 提 供支持的公司很多，如p h i l i p s 、i n t e l 、m o t o r o l a 、s i e m e n s 、n e c 等制造商 都开发了支持c a n 协议的集成器件。 ( 3 ) 采用系统时钟。具有智能控制器故障时钟功能，用于记录故障发生时 刻。 ( 4 ) 选用美国m i c r o c h i p 公司推出的p i c l 8 f 4 4 8 单片机，内置l o 位8 信道 模数转换模块和c a n 总线接口。在c a n 总线节点的设计上，可以选择独立的c a n p i c 单片机在低压永磁真空断路器监控中的应用 控制器，如8 2 c 2 0 0 、s j a l o o o 及i n t e l l 8 2 5 2 6 8 2 5 2 7 等，但独立的c a n 控制器芯 片需要外接一个微处理器，接收外部c p u 的控制才能运行。在本设计中，选择了 内部带有c a n 控制器的单片机p i c l 8 f 4 4 8 芯片，不需再外扩c a n 接口，只需加一 个总线驱动芯片即可，方便了通讯调试，提高系统抗干抗能力，大量简化系统的 硬件设计，提高系统的可靠性3 6 3 8 1 。 3 3 输入模块设计 整个监控系统中总共有7 个模拟量，1 个开关量。p i c l 8 f 4 4 8 芯片具有实时 数据处理能力，当其输入量为模拟量时，可以通过内部自带的a d 转换器进行转 换，无需另外扩展a d 转换器，这样可以简化电路设计，降低成本。1 0 位a d 转换结果可用式( 3 一1 ) 计算。 数字结果= 1 0 2 3 ( 输入电压( p 蕊一0 )( 3 1 ) 式中：一模拟输入参考高电平，这里为5 v ； 陆模拟输入参考低电平，这里为0 v 。 对于电源电压和参考电压源陆( 电压基准而言) ，如果允许的波动范 围是陆5 ( 1 l o ) v ，并且设定r = ，则a d 转换的全程范围误差将会减 小。由于传感器采用单独的2 4 v 电源供电，供电电压较稳，所以采用适当的降压 方式后采用上述方式将模拟输入高电平设为后进行。电源部分的设计将在电 源模块设计中详细说明。 在大量工业仪器仪表的检测和自动化控制过程中，常常需要将来自仪器仪表 和传感器的电压信号转成工业标准的电流输出信号( 4 2 0 i l l a ) ，因为它不仅适合 远距离的信号传输，也具有较强的抗干扰特性；另外，信号的再处理非常简单和 电路的低成本也是重要原因。 由于智能断路器工作在较为恶劣的电磁环境中，出于抗干扰的考虑，从电流 电压及温度传感器采集回来的是4 2 0 i i l a 的电流信号，而p i c 单片机只能识别o 一5 v 的电压信号，所以使用了美国b u r r b r o w n 公司推出的精密4 2 0 i i l a 电流环接 收器r c v 4 2 0 芯片，将4 2 0 i i l a 信号转换成o 一5 v 的电压信号，并通过由o p a l l l 低噪音高精度放大芯片组成的低通滤波电路接到p i c 单片机的a d 引脚上。 沈阳工业大学硕士学位论文 将4 2 0 m a 电流信号转换成o 一5 v 电压信号的转换电路如图3 3 所示。 v 搿= l 卜 圈剥共巍掺 ! 坚之，。 l s 9 k q 一” 图3 34 - 2 0 i n a 至o 一5 v 转换电路 f l g3 3s w i t c h i n gc i r c u i t 胁n4 2 0 l t nt o0 5 v 3 4 电源部分 在电子装置中，电源直接关系到装置是否能正常工作，电源的品质也影响着 a d 转换精度，起到的作用不言而喻。 系统中用到的电压有两种，一种是1 5 v ，一种是5 v ，所以电源模块选用2 4 v 供电经过7 8 1 5 和7 8 0 5 得到两种电压，该电源设计成可以大电流输出，而输出电 压可以保证不变。如图3 4 所示。 图3 4 电源模块 f i g 3 4p o w 日c i f c u i tm o d u l c p i c 单片机在低压永磁真空断路器监控中的应用 3 5 显示模块 由于液晶显示器具有功耗低、体积小、质量轻、超薄等诸多其它显示器无法 比拟的优点，广泛用于各种智能型仪器和低功耗电子产品。点阵式( 或图形式) l c d 不仅可以显示字符、数字，还可以显示图形、曲线及汉字，并且可以实现屏 幕上下滚动、动画、闪烁、文本特征等功能，用途十分广泛。 显示系统包括液晶显示器、液晶控制器和显示缓冲区等部分构成。本系统采 用的液晶驱动器是液晶显示器m g 1 2 2 3 2 的驱动器s e d l 5 2 0 f o a 。 p i c l 8 f 4 4 8 与m g 一1 2 2 3 2 模块的硬件接口电路，其接口控制时序采用m 6 8 0 0 操作时序，这样s e d l 5 2 0 f o a 引出的控制信号r w 。a o ，e 1 和e 2 由p i c l 8 f 4 4 8 的 i 0