毕业设计（论文）-基于单片机控制的电动机保护系统设计.doc

SHANDONG毕业设计说明书基于单片机控制的电动机保护系统的设计学 院：电气与电子工程学院专 业： 电子信息工程 学生姓名： 王鹏 学 号： 0812103517 _指导教师： 王立新 2012年 6月目录摘要 第一章 引言11.1 课题的目的和意义11.2 电动机保护的基本知识11.3 微处理器的发展与特点31.4 本章小结4第二章 电动机保护原理介绍52.1异步电动机运行原理52.2 电动机故障分析62.3 电动机保护原理分析82.4小结10第三章 硬件电路设计113.1 概述113.2 处理器模块123.3人机接口模块设计153.4 数据采集193.5 开关量输入输出模块23第四章 系统软件设计254.1 程序设计语言选择254.2 主程序设计264.3 人机接口程序设计264.4 软件开发环境274.5 本章小结28第五章 系统抗干扰设计295.1 硬件抗干扰概述295.2 硬件干扰设计305.3 软件设计概述315.4 软件抗干扰设计315.5 本章小结32第六章 试验及可靠性验证336.1 电气性能和电磁兼容性测试336.1.1电气性能336.1.2抗电磁干扰性能336.2 保护性能测试336.2.1 测试方案336.2.2 测试结果346.3 结果分析35第七章 总结36参考文献37致 谢39整机电路图40- -参考文献摘要摘要电动机被广泛的应用到各种的生产生活中去，造福了千家万户。但是电动机在运行的时候总是会产生诸如短路、缺相、过压、欠压和过载等故障，给我们的生产生活带来了不便和不必要的经济损失。因此本论文主要设计了电动机的智能保护系统，具有很大的现实意义。本设计主要有四大模块组成，即:单片机控制模块、继电控制保护模块、数据采集模块和人机交互模块。整个系统的工作过程是：数据采集模块完成三相电流检测、电压检测、漏电流检测及短路检测，并将获得的数据传输给单片机控制系统。然后单片机控制模块对传来的数据进行处理，从而发出指令控制继电控制保护模块，做出相应保护处理，如驱动继电器作用于断路器。人机交互模块主要包括界面液晶显示模块，能将被测参数、保护信息、故障代码信息进行实时显示同时用LED灯指示电动机的运行状态，如：运行、故障等；另外人机交互模块还有键盘部分，用于控制单片机。关键词：电动机保护；单片机；微控制器；故障诊断；数据采集 AbstractMotor is widely applied to the production of all kinds of life, benefiting thousands of families. But motor to run will always produce such as short circuit, phase lack, over-voltage, owe pressure and overload the breakdowns, to give our production the life brought the inconvenience and unnecessary economic loss. Therefore this paper main design of electric motor intellectual protection system, has great practical significance. This design main has four modules, namely: the single-chip microcomputer control module, relay control protection module, the data acquisition module and man-machine interactive module. The working process of the system is: the data acquisition module complete three phasecurrent measure, voltage detection, leakage current detection and short circuit testing and will receive the data transmission to the single chip microcomputer control system. Then single-chip microcomputer control module to the spread of the data processing, thus send command control relay control protection module, make corresponding protection treatment, such as when driving in the role of circuit breaker relays. Human interaction module mainly including interface LCD module, can will be measured parameters, protection information, fault code for real-time display information at the same time use the LED lights instructions the operation state motor, such as: the operation, fault, etc. Another human-computer interaction module and the keyboard parts, used to control the microcontroller. Key words：motor protection；singlechip microprocessor；microcontroller；fault diagnosis；data collection- -第一章 引言第一章 引言1.1 课题的目的和意义电动机（Motors）是把电能转换成机械能的一种设备，随着科技的不断发展，现代的电动机性价比越来越高，因此，电动机的应用也越来越广泛。尤其是交流电动机，他的低价格，简单的结构和方便维修的特点，使它越来越受到欢迎。无论是国防、交通还是工农业生产，各行各业都能看到交流电动机的影子。就连我们的办公场所和家用电器也都离不开交流电机。可以说电动机在我们的生产生活中扮演的角色越来越重要，给我们带来的福祉也越来越多。但是，在实际的生产生活过程中，我们所处的环境是非常复杂的，电动机每时每刻都在承受着电网波动、高温、高湿、高粉尘和负载冲击带来的各种威胁。因此电动非常容易产生各种故障，给我们的生产生活带来了非常大的经济损失和不便，更重要的是他的故障非常容易引起安全事故，严重威胁人们的生命财产。近年来电动机的设计和生产提出了越来越多的要求，功率越来越大，而电动机的大小是越小越好，这样一来，电动机非常容易是绝缘层击穿漏电。而且电动机要完成的功能操作越来越变态，非常容易是电动机老化。另外，电机的应用面更广，常工作于环境极为恶劣的场合，如潮湿、高温、多尘、腐蚀等场合。所有这些，造成了现在的电机比过去更容易损坏，尤其是过载、短路、缺相、扫膛等故障出现频率最高。因此无论是从安全还是经济角度都应该把电动机的保护放在重要的地位。所以本设计的重要性可见一斑。1.2 电动机保护的基本知识1.2.1 电机的分类电动机的分类有很多种分类方式，根据不同的分类依据进行分类能够得出不同的分类结果，有根据电动机工作电压的不同进行分类的，也有根据电动机用途进行分类的，还有根据电动机工作原理分类的，也有根据启动与运行方式分类的。总而言之电动机的分类五花八门，各有千秋，例如根据工作原理和按结构工作原理分类电动机可分为同步电动机，异步电动机和直流电动机三大类；如果根据电动机的运行和启动的方式，可以把电动机分为分相式单相异步电动机以及电容起动式单相异步电动机，还有电容运转式单相异步电动机和电容起动运转式单相异步电动机；另外根据转子的结构可以给电动机分类成笼型感应电动机和绕线转子感应电动机。本文主要使用三相电动机进行基于单片机的电动机保护系统的设计。以下是一些分类示意图： 图1-1 电动机工作电源的分类图1-2 电动机用途的分类1.2.2 电动机保护的基本方式一、传统的电机保护装置以热继电器为主，但热继电器灵敏度低、误差大、稳定性差，保护不可靠。事实也是这样，尽管许多设备安装了热继电器，但电机损坏而影响正常生产的现象仍普遍存在。正因为如此，这种传统的电动机保护方法正在被逐步淘汰。二、普通电子式电动机保护器。此类保护器从保护取样方式上大致分为：电压取样型电动机保护器，主要针对电动机工作电压进行相应的检测来对电动机进行保护；电流取样型电动机保护器通过对电动机的线电流的变化检测来对电动机进行保护。但是精度不低、无存储和同性等功能，而且调试困难。三、智能型电动机保护器。此类电机保护器集测量、保护、控制、网络通讯（遥测、遥讯、遥调、遥控）等功能于一体，可对三相异步电动机进行全面的保护控制。 智能型电机保护器采用模块化结构设计，将主控制器与显示操作模块分开，并可根据实际需要选择是否采用显示操作模块。产品体积小、结构紧凑、安装方便，在各种低压控制柜中、1/4模数及以上的各种抽屉柜中可直接安装使用。 智能型电机保护器可取代传统的塑壳断路器（仅用刀熔开关即可）、热继电器、电流互感器、多种信号灯、电流表、大电流按钮（仅需信号按钮）、大量中间继电器和时间继电器、变送器、PLC等部件。是石油、化工、煤炭、电力、冶金、市政等行业电机保护的理想产品。1.2.3 智能型电动机保护智能型电动机保护器是基于单片机以及其他嵌入式芯片的电动机保护方式，这种电动机保护器用着天然的优势，那就是可以快速处理数据，快速作出反应，而且是靠程序驱动，通过程序的算法编写快速方便的实现复杂的高难度的逻辑判断，从而做出相应的操作，实现自动化。另外单片机和其他嵌入式芯片都可进行系统电路的自检功能，所以保护器的可靠性健壮性提高了，维修系统的工作也大大减少了。单片机可以对输入的多路信号进行循环遍历，快速查询不同的信号，例如欠压信号、短路信号、过压信号、高温信号、漏电信号等等，这样就可以达到同时同时检测多种情况的功能。由于智能型电动机保护器有着以上的与前两种保护器相比的天然优点，所以越来越受人们的欢迎，因此也应该是今后电动机保护器发展的一大趋势。1.3 微处理器的发展与特点在当今社会里，微处理器已经是无处不在无处不有，小到一些个家用电器，比如电视电话洗衣机以及空调机等等，大到一些高精尖科学仪器或者国防科技的产品，例如用于经济和气象的大型计算机天河，还有航天火箭的芯片。总之微处理器正在以一种非常快的速度在全世界上普及，极大地推动了人的生产生活科技的向前发展。自从1947年半导体晶体被发明以来，已经有六十多年了，半导体技术在这六十多年里由硅晶体管到集成电路到超大规模集成电路再到甚大规模集成电路等等几代，半导体技术被称为“产业的种子”，就是因为他的发展速度之快就是其他产业所没有的，半导体技术对整个社会产生了广泛的影响，微处理器就是伴随着大规模集成电路技术的迅速发展而产生的，因为芯片集成密度越来越高，所以CPU可以集成在很小的半导体芯片上，所以微处理器就是具有中央处理器功能的大规模集成电路器件。 为了兼容经济以及功能的两大要求，本论文设计的电动机保护系统主要采用了STCl2C5410单片机作为控制系统的核心，这就是一款高性价比的处理器，完全能够胜任本设计的相关功能。1.4 本章小结本章主要介绍了电动机保护系统的目的和意义，主要了解一些电动机保护的历史与现状，为了顺应电动机保护系统的发展趋势，本论文的设计主要采用了STCl2C5410单片机作为控制系统的核心的智能型电动机保护系统。- 38 -第二章 电动机保护原理介绍第二章 电动机保护原理介绍本章节主要为电动机的保护系统设计做理论准备，要想设计出合理有用的电动机保护系统首先要清楚电动机的运行原理，以及常见的故障，然后深入分析电动机的保护原理，为后续工作做好理论指导作用。2.1异步电动机运行原理交流电机分为异步电动机和同步电动机，其中异步电动机(asynchronous motor) 又称感应电动机，是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩,从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电机。 异步电动机按照转子结构分为两种形式：有鼠笼式、绕线式异步电动机。 作电动机运行的异步电机。因其转子绕组电流是感应产生的，又称感应电动机。异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。在中国，异步电动机的用电量约占总负荷的60%多。本论文以异步电动机为例阐述电动机保护器的设计。三相异步电动机都有一个定子绕组，这个定子绕组用来产生产生旋转磁场，而旋转磁场的作用就是用来使三相异步电动机旋转起来，可以说旋转磁场是使三相异步电动机转起来的先决条件。而三相绕组是怎么产生旋转磁场的呢？三相异步电动机定子把一个圆形空间平均分成三份，三相电源的三个相把360度的相位平均分成了三份，这样当电动机的定子绕组通入的是三相电源后就会产生旋转磁场，这就是旋转磁场产生的原理。有了旋转磁场转子导体就会切割旋转磁场线，感应电流因此而生，该感应电流和旋转磁场相互作用就会产生电磁力，有了电磁力就会产生电磁转矩用来驱动转子沿着旋转磁场的方向旋转起来，这就是旋转磁让电动机旋转起来的原理。由于实际的电动机的转速不可能赶上旋转磁场的转速，也就是旋转磁场的转速和电动机的转速不同，所以三相电动机的别名“异步电动机”由此而生。图2-1 电机转动原理图图2-2 三相异步电动机等效原理图以上是三相异步电动机的等效原理图，其中代表电动机的定子侧线电压的是U1，r1、x1分别代表电动机定子绕组电阻和电抗，r2、x2分别代表电动机折算到定子侧的转子电阻以及电抗，代表电动机的励磁电抗的是Lm。2.2 电动机故障分析一般的从电动机的机械角度可以把电动机的故障形式分为绕组损坏以及轴承损坏。由于本论文主要研究的是通过电气测量手段来检测电动机的运行状况，并根据实时采集到保护器的数据适时做出保护动作，实现对电动机的短路、缺相、过载、欠压、过压保护。因此论文主要分析解决绕组故障。由前面的电动机转动基本原理中所介绍的知识可以知道绕组是电动机的重要组成部分。然而绕组是非常容易因为受潮、受热、侵蚀、外力的冲击等等外部物理因素而老化损坏,而一些电路的故障例如过载、欠压、过压、缺相等等也会导致电动机绕组的故障。以下是有关电动机绕组的常见故障的详细介绍，介绍的主要内容为故障外在现象，故障的产生原因两个方面。 第一种绕组故障是绕组接地。该电动机故障的现象为绕组短路发热，还有机壳带电以及控制线路失控,在这种情况下电动机是无法征程运行的。该电动机的绕组故障产生的主要原因是铁心或者电机壳与绕组之间的绝缘层受到了损坏，造成了绕组接地。如果追溯绕组的绝缘击穿的原因，那就涉及到电动机的工作环境的问题，比如潮湿，高温，腐蚀，等等，而且还不排除人为因素导致的绝缘损坏。第二种绕组故障是绕组的短路。绕组的短路有很多种，比如说绕组与绕组之间可以产生短路、绕组匝与绕组匝之间可以产生短路、绕组的相间可以产生短路短路以及绕组的各极间也可以短路。这种故障的主要外在表现是电动机转动时会产生振动现象，还有噪声产生，这些都是由三相电流不能平衡导致的。另外还会有线圈迅速发热的现象，这种现象产生的主要原因是线圈中有短路大电流。有的时候电动机甚至不能启动，这些短路产生的原因是绝缘损坏造成的，而造成绝缘损坏的原因就和绕组接地时的绝缘损坏产生的原因基本相同。第三种绕组故障当然就是绕组的断路。和绕组的短路相似，这种故障可以使电动机的三线电流不能平衡，从而使电动机转动不平稳而产生振动和噪声。还有可能使电动机温度过高而有冒烟的现象，有时甚至无法启动电动机。产生这种故障的主要原因也应该包括两种方面，即人为因素和环境因素。人为因素主要有电动机的转载和维修过程中无意损坏，还有就是电动机的生产质量太差。而环境因素主要就是高温高压高潮湿使电动机的接线接触不良。解决这些问题的根源在于生产质量，如果质量好了，其他问题就迎刃而解了。第三种绕组故障就是绕组接错故障。这种故障的外在表现主要有电气特性不平衡，致使电动机转动不平稳，会有转动时的震动，还有噪声的产生。另外，有时候还会引起电动机的温度迅速升高，甚至导致电动机无法启动等等现象。产生这一绕组故障的主要原因是绕组的链接方法错误，例如经常会有人把“”型电路接成“Y”型电路，还有就是在维修或者安装的时候把三相绕组的首尾接反，总而言之，产生这种故障的只要原因就是人为因素导致的。从以上的对电动机的故障的分析可以知道电动机的故障现象基本相同，但是产生故障的原因各不相同，因此要想检测出电动机的故障原因是非常困难的。因此本论文主要从电气角度分析电动机的故障，从而对其进行检测和做出相应的保护动作。非对称故障和对称故障是从电气角度划分的两大类故障。当电动机发生匝问短路、接地短路等情况时就是电动机内部绕组发生非对称故障了。这种非对称故障在初期的时候并不会出现一些个明显的外在现象，但是如果不能及时作出相应的保护措施的话就会引起电动机的温度过热，出力变小，从而影响电动机的正常工作，甚至会致使电动机的永久性的损坏。因此非常有必要对电动机进行实时的不间断的检测，一旦电动机发生异常，就可以及时的采取措施对电动机进行保护。表2-1 电动机对称故障对于电动机的对称故障，顾名思义，这类故障时电动机的三相电气特征基本平衡，他的故障表现形式主要有电流过流，过流的程度不同电动机的温度和性能的异常程度也不同。和非对称故障一样，我们依然要对这种故障进行实时的检测，一边快速及时的排除电动机的故障，减少经济损失。有关电动机的对称故障的详细情况如表2-l所示。2.3 电动机保护原理分析三个不对称的向量可以分解成三组对称的向量:负序分量、正序分量以及零序分量，各序分量独立存在，就是说是唯一的，在不同分量的作用下系统的各个与案件呈现出不同的特性，这是根据三项对称分量法的理论得出的结论。对称分量的计算公式如下（以A项为例）： （2.1）式中分别是A相电流用对称分量法分解所得的正序电流，负序电流和零序电流，算子：。由式2.1可以知道，当三相电电流之以及不等等于零的时候才有零序电流分量，如果系统采用中性点不引出的星形接法或是三角形接法就没有零序电流分量，因为三相电电线电流之和总是为零，论文对电动机常见故障的保护措施进行了分析，因为根据前面对故障的分析，电动机在发生对称故障以及不对称故障的时候电动机的三相电电流会发生变化。2.3.1 过流保护电动机损坏的一些个主要的外在变现就是过热烧毁，其原因就是堵转、三相电电流过大、三相电电负荷过大以及启动的时候间过长等等，而不对称负荷、定子绕组一相断线、三相电电源电压不对称、不对称短路等等均可造成电流过大的现象，因此电动机就是故障率较高的一种设备定子绕组通过三项对称电流产生的旋转磁场对定子本身来说为同步，对于正常运行的电机的转子来说，二者转速相差不大。一旦三相电流不对称，则可将三相电流分解成正序电流、零序电流和负序电流，此时负序电流产生的旋转磁场以接近两倍的同步相对于转子运动。假设对应的转子正序电流近似为直流电阻R1，对应的转子负序电阻为交流电阻R2，对异步电动机有： (2.2)与正序电流相同的负序电流产生的损耗为正序电流损耗的倍。所以当三相电流不对称时，就会有负序电流产生，转子损耗将显著增加。特别是在转子中产生倍频电流流过转子表面，导致转子局部过热而烧毁。英国CEO公司提出了一个反应上述热效应的等效电流，叼的概念，定义为： (23)式中：K：为负序电流发热等效系数，取值在3-6；是电动机电流正序分量；为电动机电流负序分量。根据等效电流，叼将过流保护分为三段：(1)8时设置电流速断保护作为电动机的主保护用于电动机内部定子绕组以及进线所发生的相间短路故障。(2)=58时设置定时限过流保护作为电动机运行过程中短路保护的后备保护主要针对各类堵转故障。(3)=1155时设置反时限过流保护来防止电动机长时间过负荷运行定子部分过热而引起的损坏。2.3.2 负序电流保护电源电压不对称、断相、逆相等故障均会引起负序电流，这将会在绕组上产生大量热量，使电动机严重发热，产生不对称故障。本论文采用两段定时限负序电流保护作为电动机不对称故障的主保护。2.3.3 零序电流保护零序电流保护即接地保护，当大于保护动作电流时，经短路延时t保护出口动作，依据用户要求执行保护动作。2.3.4 电压保护 之所以说有必要对电网电压进行检测，就是因为电动机的正常运行守着电网电压的质量的严重影响，电网电压波形畸变、电压的波动等等都会给电动机的正常工作带来重大影响，瞬间电压尖峰或就是电压跌落甚至可以造成电动机永久损坏，电压保护主要有以下两种情况：(1)首先是欠压的情况，当检测到电压值小于一定值时就应该果断的把电动机从电路中断开。(2)其次就是过压的情况，与前压的情况有所不同，过压应该分为两类情况来处理，根据检测到的电压值，把过压分为轻微过压和严重过压，严重过压的时候很明确，应立即跳闸以防止高压击穿；轻微过压应该延时适当的时间之后再跳闸。2.3.5 过热保护 温度过高必定影响到电动机的绝缘性能，如果电动机的绝缘性没有了，那么就意味着电动机要面临着大修的厄运，甚至是永久性的损毁。因此，可以说温度是决定电动机的寿命的重要因素，绝对不能让电动机的温度超过额定温度。所以，无论是电动机的故障引起的，还是由于电动机运行时间过长引起的，都应该实时的对电动机的温度进行检测，一旦电动机的温度超过一定值就采取相应的保护措施，保证电动机在合理的正常的温度范围内运行。否则应立即采取保护措施保证电动机工作在正常的温升范围之内。通过对电动机的温度监控，可以更为全面的掌握电动机的运行情况，从而做到对电动机的保护没有任何疏漏之处。2.4小结本章首先介绍了电动机的运行原理，然后介绍了电动机常见故障，这样我们就对电动机有了初步的了解，知道了关于电动机比较全面的知识，为下一步工作打下了坚实的基础。而我们的下一步工作就是对电动机的保护原理进行深入的剖析，这正是本章节的重点和精华。要想设计电动机智能保护系统首先必须清楚以上的相关知识，因此本章接时整个系统设计过程中的一个关键点。第三章 硬件电路设计第三章 硬件电路设计 本章将详细讨论电动机智能保护器的硬件电路设计，本论文的硬件系统以STCl2单片机为核心，并配以外围电路构成。本章全面具体的介绍基于单片机的电动机保护器的硬件电路的整体设计和单元设计。本设计中充分的考虑到经济因素和抗干扰因素在设计中所占的分量，在能够完成预定功能的前提下，尽量提高设计的性价比。3.1 概述3.1.1 硬件系统技术要求 对于电动机来说，尤其是三相异步电动机，他们的工作环境一般是非常恶劣的，非常容易产生电磁干扰，尤其是在一些电气设备的开启和关闭的时候，更是容易产生电磁干扰，所以电动机保护器的抗干扰能力必须够强。另外电动机的保护器要想完成它的保护任务必须有够高的精确度，做到精确测量，准确操作，达到对电动机的保护动作准确无误。3.1.2 保护装置硬件设计综述系统的设计都必须考虑低成本、高性能的原则，这是建设资源节约型社会的必然要求，也是为了满足广大客户受众的需求。因此经过仔细对比，本文采用了基于新一代增强型8051内核的STCl2系列单片机作为核心控制器，采用模块化设计方法，根据这一思想本装置主要分成四大模块：单片机控制模块、继电控制保护模块、数据采集模块、界面液晶显示模块。而电源模块不作具体介绍，系统硬件模块结构图如图3-1所示。图3-1 系统硬件结构图3.1.3 整体系统分块 (1) 处理器模块：作为整个系统的控制中心，我们采用STCl2C5410单片机作为处理器模块的中心，用于处理数据采集模块获得的数据，并发出相应处理指令，控制其他模块做出相应反应。 (2)人机交互模块：本模块主要包括键盘和显示器，用于操作人员和处理器的交互。其中键盘用来输入控制指令和设置参数，而显示器用来显示采集到的数据并且提示设置参数。 (3)数据获取电路模块：从电动机电路获取电压电流信息，并通过滤波器后输入到单片机的AD转换器，好让处理器处理。(4)电动机保护模块：就是继电保护模块，当处理器发出决策指令后，该模块的继电器和断路器等电气设备完成弱电控制强电的工作。 3.2 处理器模块 处理器模块采用STCl2C5410单片机。STCl2C5410单片机是高速、低功耗、超强抗干扰、单时钟、机器周期的新一代8051单片机，能够达到电动机保护器的性能要求。3.2.1 STCl2C5410单片机的介绍 本设计采用的STCl2C5410单片机是基于增强型51内核的单片机，对传统的51单片机有向下兼容的能力。他的工作电压在5v左右，工作频率最高可以达到35兆赫，该单片机的内存资源大，可以反复擦写几十万次。最关键的是该单片机的片上外设资源很多，其中就有8通道10位AD转换器，正是由于该单片机拥有AD转换器，所以我们才采用他的，这样可以节省我们的外部AD转换器的开支，节约资源和空间。而且该单片机还有很多的其他的外设集成设备。 3.2.2 单片机内部结构结构 STCl2C5410单片机是基于8051内核的新一代微控制器，内部结构如图3-2所示： 图3-2 STC单片机结构图3.2.3 单片机最小系统 根据前面的分析，控制器模块电路图设计如图3-3所示。 图3-3处理器模块硬件电路图3.3人机接口模块设计一个系统要想被大众接受，必须有良好的人机接口，使操作人员在操作的时候得心应手，心情舒畅。人机接口一般包括键盘和显示器模块。3.3.1 键盘设计本论文设计的电动机的保护器是主要是针对三相异步电机的，尽管如此，三相电机的型号各不相同，其电气特性也各不相同，比如他们的最大额定温度应该是各不相同的，所以对于不同的电机应该有不同的故障判断标准，这就需要我们的操作人员进行对保护器的参数配置。为了便于操作人员的配置操作我们设计了以键盘和液晶显示器为住的人机交互模块。本设计的键盘只添加了四个按键以节省单片机借口的使用，这四个键包括:=确认，取消，向上，向下。键盘采用中断键盘，四个键通过与门接到单片机的外部中断，当有键盘被按下时产生下降沿中断，单片机进入键盘中断函数，处理相应事件。键盘的电路设计如图： 图3-4 键盘设计电路图3.3.2 显示器比较传统的显示器一般是数码管，但是数码管的缺点是不美观，而且显示的信息量有限。所以本设计采用了12864液晶显示器，很好解决了数码管的问题，而且经济成本相对较低。3.3.2.1液晶显示原理LCD 液晶显示器就是是液态晶体显示器的简称。LCD液晶显示器的液态晶体是放置在玻璃的夹层中的，夹层中还有很多非常纤细的电线，横竖布置着，构成不同的所需要的形状，当给这些电线通上电时，液态晶体就会发生变化，将光折射出来，从宏观上看就是在显示器上产生了影像，从而被人眼所见，而且LCD的显示效果要比诸如CRT之类的显示器好的多，再加上LCD的价格越来越便宜，所以LCD越来越受欢迎。3.3.2.2液晶显示器的特点液晶显示器与其他显示器相比有它自己独特的优点，与那些个CRT相比，液晶显示器更为轻便灵巧；另外它有耗能低的特点，经济环保，不像CRT显示器那样工作时总是会产生特别高的温度，浪费资源太大，在建设节约型社会的大背景下显然是要落伍的；由于液晶显示器的低能耗性决定了液晶显示器的辐射要小得多，这样不光有利于使用者的身体健康，保护操作人员的眼睛不疲劳，而且有利于整个系统设计的性能，避免辐射带来的干扰；最后液晶显示器一般不容易损坏，这符合电动机保护器要工作在非常复杂恶劣的环境的特点。3323 12864液晶显示器12864是128*64点阵液晶模块的点阵数简称，业界约定俗成的简称 1、基本参数：液晶屏类型 STN FSTN 模块显示效果 黄绿底黑字 蓝底白字 白底黑字 视角 6点钟 12点钟 驱动方式1/64 DUTY 1/9 BIAS 背光 LED白色 LED黄绿色 控制器 KS0108或兼容 ST7920 T6963C 数据总线 8 位并口/6800 方式 串口 温度特性 工作温度：-20+70 储藏温度：-30+80 点阵格式 128 x 64图3-5 12864基本尺寸图2、使用前的准备 先给模块加上工作电压，再按照下图的连接方法调节LCD的对比度，使其显示出黑色的底影。此过程亦可以初步检测LCD有无缺段现象。 12864液晶显示器的具体电气特性如下表：表3-1 12864的电气特性电源的电压液晶驱动电压输入信号电压LCM工作电流背光驱动电流液晶驱动电流VDD VSSVDD-VADJVIHIDD ILEDIEE5v左右11v左右0.8VDD-VDD+0.3v3mA-8mA 60-80mA1mA3、字符显示 我们使用的是12864液晶显示器，这种液晶显示器时代中文字库的，每一屏可以显示四行八列总共三十二个汉字，每个中文字符都是对应一个显示RAM，或者说每两个ASCII码字符对应一个显示RAM。所以要想让12864液晶显示器显示汉字首先必须得给显示RAM编程，让要显示的汉字在指定的位置显示出来。屏幕上的三十二个字符的RAM地址如表3-2所示：表3-2 屏幕上32个字符的RAM地址4、应用说明 以下是使用带汉字的12864液晶显示器的一些应注意的事项： 显示中文汉字时应先设定显示字符位置，即先设定显示地址，再写入中文字符编码。 当字符编码为2字节时，应先写入高位字节，再写入低位字节。模块中有BF标志，当该标志的值为0时标模块处于空闲状态，可以接受单片机的指令。所以每次发出指令时应该首先检查一下这个标志的状态。3.4 数据采集电动机保护器要想针对不同情况作出不同的动作，就必须循环检测输入的电动机的端电压、线电流以及电动机温度等数据，已达到实时监测的目的。而这些数据要想安全正确的被单片机接受，就必须经过一系列的采集、变压、滤波整流、模数转换等等电路。只有经过这些处理，原来的高压、交流、模拟信号才能转换成能被处理器处理的信号。我们采用STCl2C5410单片机作为微处理器的主要原因就是他内部集成好了8路10位AD转换器，这样就节省了模数转换的电路模块，缩短了开发周期。根据以上分析，本设计的数据采集模块主要分为采集电路、变压、滤波整流电路等。数据采集模块整体设计如图3-6所示。 图3-6 数据采集系统模块图3.4.1 滤波调理电路本设计针对的是三相电动机，而三相电动机是接在三相电上的，在中国三相电电压峰值可达380v，最大线电流可达几十乃至上百安培，如果将这种电信号直接送到AD转换器上，那将是一件不可思议的事情，所以采用了如图3-7的调理过程。图3-7 采集信号的调理过程一般的光电耦合器性能比较差，精度低，而高性能的线性光电耦合器价格昂贵。因此本电动机保护器采用了自己设计的光耦电路，比较好的解决了这个问题，具体电路图如图3-8所示： 图3-8 线性隔离电路耦合，而没有电的联系，所以能很好地隔断共模干扰，解决了模块之间模拟信号的不共地传输。3.4.2 AD转换电路 STCl2C5410单片机内部集成8路10位AD转换器完全可以胜任本保护装置的数据采集任务。单片机的AD转换模块复用P0 121的八个引脚，采样速度最高可达100KHz，即十万次每秒。需要作为AD使用的口需先将其设置为开漏模式或高阻输入，这需要对PIM0、PIMl寄存器进行设置。具体设置方法见表3-3。 表3-3 AD端口设置 STCl2C5410单片机的AD模块控制比较简单，整个模块只有一个控制寄器：AD转换控制特殊功能寄存器(ADC CONTR)。寄存器的各位如表3-4所示。表3-4 ADCCONTR特殊功能寄存器说明：x表示复位后该位值位随机值，CHS2CHSlCHS0为模拟输入通道选择位。表3-5 AD转换通道选择3.5 开关量输入输出模块 开关量输入输出电路主要完成状态信号的输入和动作信号的输出。本装置中，状态信号主要是主电路短路器的状态，动作信号主要是跳闸、合闸和报警信号等。3.5.1 开关量输入模块 所谓的开关量输入信号就是对电动机的所涉及到的开关的闭合与否的检测信号。本设计中的开关量输入信号主要有电动机的开关信号。通过检测该开关信号可以知道电动机的保护动作情况，以及手动闭合和手动断开的情况。电气开关工作在强电环境下，要想采集到开关量输入信号就必须添加中间缓冲电路，保障单片机控制中心的安全。如图3-9所示是开关量输入信号采集的电路设计：图3-9 开关量输入电路3.5.2开关量输出模块所谓的开关量输出信号主要就是单片机的有关做出保护电动机的控制信号，该信号为弱电信号，就是说是5V以下的电信号，该弱电信号要想完成对电动机的保护功能就必需得把弱电转化成强电，控制电动机的开关自动何必和断开。一下电路图是基于中间继电器TLP127设计的开关量输出电路，其中TLP127的主要功能就是隔绝高压电低压电的联系，保护单片机工作在正常电压下，以免被烧坏，另外一个功能就是把5V以下的信号转化为24V左右的信号，从而有足够的电量驱动开关的断开和闭合。除了开关量输出信号外还有报警信号，本设计的报警器为一个蜂鸣器，工作在5v左右的电压下，用来提示工作人员，电动机出现异常。如图3-10所示就是开关量输出电路的设计图：图3-10 开关量输出电路3.6 本章小结本章主要介绍基于单片机控制的电动机保护系统的硬件电路的设计。本章节根据总体电路设计的四大模块，即单片机控制模块、键盘和液晶显示模块、数据采集模块和继电保护模块，来一一具体分析设计。电路系统的总体思路就是，单片机控制模块通过数据采集模块检测电机电路的电压电流，对采集来的数据分析处理，得出结果，从而发出指令控制液晶显示模块和继电保护模块分别执行显示电路状态和作出落闸之类的电路保护动作。电路系统的完好运行离不开软件系统的完美设计和抗干扰措施的添加，这两大任务就是下一章要阐述的主要内容。第四章 系统软件设计第四章 系统软件设计在上一章节我们已经详细阐述了硬件电路的具体设计思想，然而光有硬件电路是远远不能完成我我们行要完成的任务的。软件系统就是一个管理员，来管理整个系统的大小事务。没有软件的硬件就像没有思想的植物人，他什么多不能做。软件系统给我们的硬件电路提供算法，指引我们的电路去实现指定的功能，有了软件系统的硬件系统就不再是裸机。4.1 程序设计语言选择电动机智能保护器的智能之处就是它能通过对单片机编程实现各种复杂的功能。汇编是一种比较古老的编程语言了，它有比C语言更高效的运行特点，但是软件开发周期长，不利于实现抽象的思想算法。因此本设计采用C语言来进行开发。即B语言之后，美国贝尔实验室的一名研究员自己设计了一种计算机编程语言，就是传说中的C语言，这名研究人员刚一开始是为了打发自己的假期时间，想着编写一个小游戏，但是发现当时的编程语言有很多的弊端，于是他就尝试着自己编写编程语言，于是C语言横空出世。C语言继承了以前诸如B语言之类的优点，又有它自己独特的优点，其中优点之一就是便于理解，思路清晰，便于开发人员的学习和交流，而且C语言的设计本身比较合理，几乎所有算法都能用C语言实现出来。刚一开始嵌入式芯片的开发主要采用汇编进行程序的编写，但是后来人们越来越热衷于C语言的开发，人们之所以喜欢使用C语言主要因为以下的特点：首先C语言即可一像汇编语言一样进行二进制基本运算，也可以有自己的基本语句和语言结构，即它是一种高级语言；其次，由于C语言有自己的语言结构，而且这种结构设计的比较合理，C语言是以函数为单位分块实现算法功能的，这样可以让各个功能彼此分开，而且可以方便的彼此调用，达到藕断丝连的效果，而且可以让编写出来的程序表现的层次清晰，有利于程序的开发调试以及后期维护；再次，C语言可以处理各种类型的数据，能够实现各种形式的数据运算，另外C语言可以使用它的顺序语句、判断语句、循环语句等语句灵活组合，完成现实生活中的各种逻辑功能；最后，C语言已经广为流传，受到相当广泛的欢迎，包括嵌入式的开发。4.2 主程序设计软件系统总体分为两大部分，即主程序和人机接口程序两大部分。主程序主要完成两大任务，第一就是循环监视键盘有没有修改参数，如果修改就进入系统参数初始化程序块，进行参数修改，相应键盘中断函数。第二就是循环监视电机电路，查看电机电路有没有异常情况，如果有异常就转入电机保护程序块，采取相应的电机保护措施。为了提高程序设计的效率和可读性，整个程序设计采用模块化设计理念，其中系统初始化、电机保护以及人机交互程序中的LCD显示模块都是单独编程的，主程序的设计流程图如图4-1所示图4-1 主程序流程图4.3 人机接口程序设计本电动机保护器设计的人机接口包括键盘和液晶显示器，因此相应的人机接口程序也包括键盘可显示器两大部分。对于键盘，有前面的键盘硬件电路的设计可以知道，我们采用的是终端键盘，把四个按键的输入起始状态设置为低电平，而且四个按键上端通过与门输入到外部中断引脚，当有按键按下时就会触发外部中断，在中断函数中判断具体是哪一个按键被按下，从而提示采取不同的措施应对。实际上按钮被按下和放开时是会有抖动的，也就是说需要采取销抖措施，一般的按键销抖有两种，即硬件销抖和软件销抖，本设计采取软件销抖，就是当进入外部中断函数后，第一次确定按键位置后延时10ms左右，再第二次判断，如果判断结果和第一次一样，就确定是该按键被按下了，否则是误判，不动作。软件销抖要比硬件销抖方便简洁，这就是选择软件销抖的原因。至于液晶显示器的程序主要有两大部分，第一就是要实时的显示电动机保护器采集到的信息状态，第二就是在操作人员进行系统参数设置的时候，配合按键显示系统参数信息。人机接口程序流程图见图4-2。图4-2 人机接口程序设计4.4 软件开发环境 要想用C语言对单片机编程开发，首先必须选择合适的软件开发环境，能够把C语言编译成单片机能够识别执行的代码。目前最受欢迎的单片机开发环境主要有美国公司开发的KeilC开发软件，该软件提供了非常丰富的针对单片机C语言开发的库函数，而且可以帮助开发者进行程序的调试，能够大大的缩短软件的开发周期。而且KeilC是非常简单易学的开发工具，非常容易上手。更吸引人的是用他开发的代码经过编译之后生成的目标带吗都是自动精简过的，相比较汇编语言开发的程序，运行效率相差无几。 图4-3 C51工具包的整体结构图4-3是KeilC的官网发布的C51工具包的整体结构图，从中可以清楚地看到软件开发的编辑编译等等流程全全由针对windows的uVision以及针对dos的Ishell两大集成开发环境来完成。开发人员可以用KeilC提供的仿真功能进行仿真调试，方便快捷，很受欢迎。4.5 本章小结本章主要介绍基于单片机的电动机保护系统的软件设计，包括软件开发的语言选择和C语言的介绍，软件看法环境的选择和KeilC的介绍，本设计的主程序的算法流程，人机接口模块的算法流程。程序是整个电动机保护其系统的灵魂，没有程序的系统机就相当于裸机一个，无法进行任何的工作，不能实现任何功能，所以说程序的编写非常重要。在程序编写的时候充分考虑了用户的愿望，方便使用者对相关参数设置，而且解决了按键抖动的问题。总而言之本设计的软件设计有非常多的人性化设计。有关软件的抗干扰设计将在下一章阐述。第五章 系统抗干扰设计第五章 系统抗干扰设计我们所生存的环境是纷繁复杂的，尤其是在科学高度发达的现代社会，各种高科技产品在我们的现实生活中扮演者不同的角色，同时也在无时无刻不在影响着我们和我们的产品。我们在实验室里做出来的东西，拿到其他场合就不一定会正常运行，因此我们必须增强我们所设计系统的抗干扰性，增强产品健壮性。而抗干扰一般会从硬件和软件两方面设计。5.1 硬件抗干扰概述本设计是基于单片的电动机保护系统，因此在此主要介绍影响单片机系统可靠全运行的几个主要因素。成干扰至少要形成三个要素，就是干扰源、传播路径以及敏感器件，就像病菌的传染一样，三者缺一不可。对单片机形成干扰的因素很多，从设计到生产再到应用，无时无刻不在对单片机产生干扰。但是如果只考虑系统在应用是的干扰的话，总结起来对单片机的干扰主要分为系统内部干扰和系统外部干扰；另外还可以从干扰的产生原因来分类成浪涌噪声、放电噪声音以及高频振荡噪声；如果按照干扰的传波形式来划分的话可以把干扰分为串模噪声以及共模噪声。5.1.1 干扰的耦合方式正如前面所说，干扰的产生需要干扰源、传播路径以及敏感器件三者共同产生，缺一不可。三者之中传播途径主要是指干扰信号的耦合通道，如果切断了耦合通道干扰信号就不会传播，也不会有干扰信号放大的问题。而干扰信号在前后电路的耦合通道不过就是空间和导线。具体的从细节上来说，耦合方式主要有以下几种:首先就是干扰信号的直接耦合，这