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低压框架式断路器智能监控单元设计,毕业设计论文
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第 1 页 摘 要 随着我国电力工业的发展和用电量的猛增，低压断路器在配电和保护线 中 路起着日益重要的作用，并要求它具备很大的短路电流分断能力，实现选择性保护和供电安全，同时具有一定的智能化功能。采用传统的电磁式继电保护装置以及保护与测控分离的局限性越来越明显，并且在功能上已经越来越难以满足实际的需要。智能控制器 作为智能型断路器的中枢部件，当前己成为断路器是否先进的主要标志之一。 本设计利用微电子技术及单片机技术，采用微处理器，设计出小型的智能脱扣器，不仅能够实现脱扣功能，即实现预想的保护功能，还能对脱扣器的动作参数进行选择即可实现对多种不同场合的保护。此外，采用目前最常用的串行通信标准总线接 RS-232C，实现了单片机与上位机通信功能，本文介绍了硬件的工作原理，并重点论述了软件程序的设计思想和编制方法。 软件的编制采用模块化的编程方法，每一个模块相对独立，完成某一个特定的功能，便于维护和添加新功能。 本文还对所设计的装置在软件上所采取的抗干扰措施进行了具体说明。 关键词：断路器；微机保护；单片机；智能电器 nts 第 2 页 Abstract With the development of the electric industry and the rapid increasing of the wastage of the power, the effect of the low-voltage circuit breaker on the power supply and the circuit protection is more and more important .It was required that the circuit breaker has enough short circuit breaking capacity and some intelligent functions. The circuit breaker can achieve selective protection and the power supply safety. It is an obvious disadvantage that protection, measure and the control are separate. It is difficult to meet the actual requirements on their functions. Intelligent controller is a central unit used for intelligent circuit breaker, it becomes one of the main symbols which is used to judge the advancement of the circuit breaker. The task uses themicroelectronics technology and single-chip technology and utilizes microprocessor to developthe mini-intelligence releaser. It can not only fulfill the function of releasing, i.e. fulfill theprotecting function which is pre-designed, but also select the parameters of motion, i.e. it canrealize protecting in the multi-situations. Furthermore, by using the normal serial interfaceRS-232C, we make the intelligence releaser realize communication with PC computer. By usingthe bus system, the target of remote controlling is realized. All of them strengthen the releasersfunctions and make it accord with requirements ofdistribution system.The basic principles of the design are accounted detailedly,theoperational principle of the hardwares are introduced chiefly and the designreasons and programmeans of the softwares are recommend in this thesis. Software is writed in module, this can make being maintained and added some function easy than ever. The design of EMC(Electromagnetic Compile) of software has been discussed in detail, and some experimentation data has been listed. Key words： breaker； Microprocessor-Based Protection； microcontroller；Intelligent Apparatus nts 第 3 页 目录 摘 要 . 1 ABSTRACT. 2 第 1 章 .绪论 . 5 1.1 设计背景 . 5 1.2 断路器简介 . 6 1.3 低压框架式断路器及其监控单元简介 . 7 1.4 低压框架式断路器监控单元发展趋势 . 8 1.5 本设计完成的工作 . 9 1.6 本设计要达到的主要功能和技术指标 . 10 1.6.1 装置的功能设计要求 . 10 1.6.2 装置的主要技术指标 . 10 第 2 章 .装置硬件系统简介 . 12 2.1 硬件设计准则 . 12 2.2 硬件系统的整体结构设计 . 12 2.3 硬件系统各部分电路简介 . 13 2.3.1 最小工作系统 . 13 2.3.2 设备温度检测电路 . 14 2.3.3 串行口通信电路 . 15 2.3.4 模拟信号的采集与变换电路 . 17 2.3.5 系统时钟电路 . 18 2.3.6 A/D 转换电路 . 19 2.3.7 显示键盘电路 . 20 2.3.8 电源电路 . 20 2.3.9 并行输出打印电路（事件记录处理电路） . 22 2.3.10 真有效值转换电路 . 22 2.3.11 短路保护电路 . 23 2.3.12 频率测量电路 . 23 第 3 章 .软件设计 . 25 3.1 软件设计的基本步骤 . 25 3.1.1 程序的总体设计 . 25 3.1.2 程序的编制 . 26 3.1.3 程序的检查和修改 . 26 3.2 结构分析与模块化设计方法简介 . 26 nts 第 4 页 3.2.1 结构分 析与模块化设计方法简介 . 26 3.2.2 各模块设计简介 . 27 3.3 编写单片机程序所用语言 . 30 3.3.1 80C51 单片机 C 语言具有的优越性 . 30 3.3.2 本装置软件设计所用语言 . 30 3.4 本软件系统设计的基本要求 . 31 3.5 本装置具体系统软件 设计 . 32 3.5.1 主程序的软件设计 . 33 3.5.2 键盘显示功能程序设计 . 34 3.5.3 DS18B20、 24C02 功能块 程序设计 . 38 3.5.4 A/D 转换程序设计 . 41 3.5.5 串口、事件记录（并行打印机）子程序 . 42 3.5.6 测频程序设 计 . 45 3.5.7 实时时钟程序设计 . 47 第 4 章 .测量的算法及装置的软件抗干扰设计 . 49 4.1 测量的算法 . 49 4.2 装置的软件抗干扰设计 . 49 第 5 章 .总结与展望 . 51 5.1 设计总结 . 51 5.2 工作展望 . 51 参考资料 . 53 英文翻译原文和译文 . 54 英文翻译原文 . 54 英文翻译译文 . 59 致谢 . 67 附录 . 68 程序清单 . 68 nts 第 5 页 第 1 章 .绪论 1.1 设计背景 随着电力事业的发展，供电线路上各种功能的保护器也应运而生，而且发展迅速。这类保护器其保护原理一般来说主要基于电路上的电流或功率超过一定的限度时，自动切断电源来达到保护下级负载及供电线路的目的。断路器是电力系统中最重要的开关电器设备之一，主要用于线路的接通、分断和对系统中各种故障进行保护，在供电和配电系统中起着开断和闭合 正常线路或故障线路的作用。而脱扣器就是对被保护线路进行各种电参数的检测，在符合预定条件时发出信号使断路器动作的器件，因此断路器的性能很大程度上取决于脱扣器的性能，脱扣器是断路器里最重要的核心部件，其操作性能对电网的安全、稳定及经济运行至关重要。由于单片微机在保护器设计上的应用，保护器由以前的电子式、电磁式向智能式发展。智能式脱扣器即智能控制器更为精确、及时，故在电力系统上得到了广泛的应用。 低压断路器在配电和保护线路中起着日益重要的作用，要求它具备很大的短路电流分断能力，实现选择性保护和供电安全，同时具有一 定的智能化功能。它不仅能在正常工作情况下接通或断开负载电流，而且允许在不正常情况下 (过电流、短路、欠电压等 )自动切断电路，从而保护用电设备和电缆等 ;故障排除后，还可迅速恢复供电。断路器可以就地操作，还可以远距离操作，且安全、方便。近年来推出的智能型断路器，具有智能化保护功能，选择性保护精确，能提高供电可靠性，避免不必要的停电，可实现配电自动化。智能控制器作为智能型断路器的中枢部件，它承担断路器的各种保护、报警、显示、试验与故障诊断功能，当前己成为断路器是否先进的主要标志之一。其作用是分配电能和保护电气配电网 络和工业设备免受短路、过载、欠电压和接地故障电流的破坏。断路器和各种控制电器配合对电力系统进行控制、保护和监测。当系统中出现故障时，控制电器控制断路器动作，快速切除系统中的故障部分，防止故障扩大，保证设备与人身的安全，使系统正常运行。 随着电力系统和配电自动化的不断发展，电力系统保护装置经历了电磁式保护、晶体管保护和微机保护。电磁式保护装置是基于电磁和电磁感应原理的有接点继电器组成，具有原理简单、价格便宜等优点，但能耗高、动作速度慢、抗 性差，可靠性和灵敏度难以得到保障。而晶体管保护装置虽然具有体积小、重量 轻 、消耗功率小、灵敏度高、动作迅速、不怕震动、无磨损等一系列优点，但是 晶体nts 第 6 页 管保护装置也有抗干扰能力差、装置本身的质量不是很稳定等明显的缺点。 随着用电系统的规模和等级不断扩大，系统的网络结构和运行方式日趋复杂，传 统的控制器已越来越难满足系统的可靠性、准确性和实时性的要求。随着微电子技术的发展，出现了以专用集成电路为基础的电子式控制电器。这种控制电器较电磁式控制电器具有功耗低、重量轻、体积小等优点，易于构成较复杂的保护装 置，但抗干扰能力差，电子元件的质量，焊接的效果将直接影响到装置的动作特 性和可靠性。这两种控制电 器，如元件发生损坏，则无法进行自诊断，可能引起误动作，造成故障扩大和升级，致使供电中断和设备损坏，给系统和用户造成极 大的危害。 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、保护、试验、负载监控、故障诊断等功能。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、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。 1.2 断路器简介 断路器作为电力系统中最重要的控制设备，其性能的优异与可靠直接关系到电力系统的安全运行。 传统的断路 器，其检测和保护功能是利用了某些物理效应，通过机械系统的动作来实现，多由电磁元件完成。因而其体积较大，动作时间长，保护精度低，整定困难，效果也不够理想。随着社会的发展，技术的进步，人们对供电系统的自动化程度要求越来越高，传统断路器的功能已不能满足供电系统自动化的需要。为了防止用电设备发生故障时影响整个供电线路，以及在供电网络出现异常时损坏用电设备，因此，在传统断路器的基 础上就要求其自动化、智能化、模块化，更可靠和具有更多保护功能。微型计算机技术的发展为断路器的智能化提供了条件。 近年来不断推出的智能型断路器， 性能更好，可实现配电自动化 .它不仅能够提供普通断路器的各种保护功能，还具有传统断路器无法比拟的特 点控制信号准确可靠、实时显示电路中的各种参数 (电流、电压、功率、功率因数等 )、随时设定动作电流和动作时间、存储故障信息、预报警、联 网通信等。由于以上诸多优点，因而在低压电器装置中获得了广泛应用。 新技术，新设备，新nts 第 7 页 材料的推广和应用，对提高电力系统的安全可靠性起很大的作用。 断路器是能开断，闭合和承载运行状态的正常电流，并能在规定时间内承载，闭合和开断规定的异常电流（如短路电流）的电器设备，通常也称为开关。通常将额定 电压为 3KV 以下主要用于开断或闭合电路的低压电器称为低压断路器。 它的主要功能为： 1.在正常的闭合状态时应为良好的导体，不仅对正常电流，且对规定的短路电流也应能承受其发热和电动力的作用而可靠地接通； 2.对地及断口间具有良好的绝缘性能； 3.在闭合状态的任何时刻，应能在不发生危险过电压的条件下，在尽可能短的时间内开断额定电流以下的电流； 4.在开断状态的任何时刻，应能在断路器触头不发生熔焊的条件下，在短时间内安全地闭合规定的短路电流。 断路器的分类方式很多，按使用类别分，有选择型 (保护装置参数可调 )和非选 择型 (保护装置参数不可调 )；按结构型式分，有万能式 (又称框架式 )和塑壳式断路器；按灭弧介质分，有空气式和真空式 (目前国产多为空气式 )；按操作方式分，有手动操作、电动操作和弹簧储能机械操作；按极数分，可分为单极、二极、三极低压和四极式；按安装方式分，有固定式、插入式、抽屉式和嵌入式等。低压断路器容量范围很大，最小为 4A，而最大可达 5000A。 1.3 低压框架式断路器及其监控单元简介 低压断路器是用于交流电压 1200V，直流电压 1500V 的电路中起通断、控制或保护等作用的电器。低压断路器是电器工业的重要组成部分 ，在机械行业中是基础配套件，在配电系统中低压成套开关设备主要由各种低压断路器元件构成，低压断路器的功能及性能对低压成套开关设备起着至关重要的作用。发电设备所发出电能的 80以上是通过低压断路器分配使用的。每增加 1万 kW发电设备，约需 2 万件左右的各类低压断路器与之配套 。 低压框架式空气断路器是电力系统中低压配电最重要的开关电器之一，它在低压供电和配电系统中主要担负着输配电控制 ，切断故障电流，保护电网，供电线路和用户设备安全运行的任务，一般安装在低压配电柜中作为主开关起总保护作用。我国的低压框架断路器可分为 三代。第一代以 DW10， DZ10 等系列产品为代表，其性能水平相当于国外 50 年代水平市场占有率为 20% 30%（以产品台数计算）。第二代产品包括自行开发产品和技术引进产品，自行开发产品以 DW15，DZ20 为代表，共 56 个系列，技术引进产品则以 ME， TO， TG， 3TB， B 系列为代表，共 34 个系列，性能水平相当于国外 70 年代末至 80 年代水平市场占有率为50% 60%。第三代产品以最近开发的 DW45， S 等系列产品为主，其性能水平相nts 第 8 页 当于国外 90 年代初水平，市场占有率为 5% 10%。目前国内低压框架式断路器的额定工作电 压为交流 380V 或 690V，交流额定电流为 630A 5000A，极限分断能力为 50KA 120KA，一般都具有三极（可分断 A， B， C 相）和四极（可分断A， B， C， N 相）两种类型。 低压断路器的结构 ： 由触头、灭弧装置、操作机构和保护装置等组成。 低压框架式断路器的所有保护功能均由其继电保护装置来实现。与中，高压继电保护装置不同，低压继电保护装置通常镶嵌在断路器本体上，与断路器本身构成一个整体。由于早期该保护装置为电磁式或热式，功能十分单一，只能控制断路器跳闸，时限曲线非常简单，故将其称为脱扣器。一台框架式 断路器需要配置数个不同的脱扣器（如瞬时脱扣器，延时脱扣器等）以完成不同的保护功能。目前，随着电力工业和微机继电保护技术的发展，脱扣器也逐步采用了计算机技术，数字电子技术，控制理论，通讯技术，传感器等技术，使其功能日益强大，除具有早期产品的所有保护功能外，通常还具有测量，控制，监视，通讯等功能，使其配置更加灵活方便，已经发展成为低压智能监控装置，现在已在低压配电系统中得到了广泛地应用。 目前，具有代表性的产品国外有法国梅兰日兰公司的 M（ Masterpact）， MD，MT 系列，日本三菱电机株式会社的 AE 系列，德 国西门子公司的 3WN6 系列，瑞士 ABB 公司的 F2 系列。由于我国断路器主要以 DW15 等为主，保护装置相应的仍以传统电磁式和热式为主，只有少量的电子式和智能化产品，其中 DW45 型占 95%以上。现以法国梅兰日兰 M 系列 STR58U 为例，列举其主要功能： 1.瞬时保护； 2.延时保护； 3.长延时保护； 4.接地故障保护； 5.负载监控；（需要额外配置继电器模块） 6.过载指示； 7.电流测量显示；（需要额外配置 LED 显示模块） 8.通信；（需要额外配置通信模块，采用 JBUS 总线） 1.4 低压框架式断路器监控单元发展 趋势 根据国内外各断路器及监控装置生产厂家的新产品和研究动态来看，低压框架式断路器监控单元具有以下发展趋势： 1.产品化 将智能监控单元做成相对断路器独立的通用性的产品，使其使用范围不限于某种断路器，而且检测和维修也会相对简单。以前断路器产品的测试必须在断路nts 第 9 页 器整个设备装配完成后才能进行，而智能监控单元产品化以后，其测试可以独立于断路器进行，这使得整个断路器的测试程序大为简化，测试时间也大为减少。 2.智能化和可通信化 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。可通信化是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，采用现场总线可以使技术上有比较统一的标准，不同厂家的产品具有良好的兼容性。 就我国的实际情况而言，可通信化的具体要求可体现为“四遥” 遥测，遥控，遥信和遥调，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。对我国的产品，在材料和加工工艺，产品的外观和整体布局等方面还有待进一步的提高。 以上的这些特点，一方面可以使一台断路器实现多种功能，使单一的动作特性有可能做到一种保护功能多种动作特性，另一方面可以使断 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。 1.5 本设计完成的工作 大多数国内开发的低压框架式断路器监控单元同国外同类产品相比较，功能较弱，显示信息量小，人机界面不友好，操作比较烦琐，产品的档次偏低；而国外的产品设计思想比较领先，功能较为强大，有些甚至可与中压微机保护产品相媲美，但由于习惯上的差异，在国内电力系统中使用也有很多不便之处，非中文界面更增加了用户的操作使用难度，而且价格普遍都很昂贵，不适合国内市场。所以，开发适合 国内低压用户的职能监控单元很有必要。 本文在分析国内外产品的特点以及国内市场需求的基础上，吸取和综合它们的优点，克服其不足的一面，设计开发了一种适用于低压框架式空气断路器的智nts 第 10 页 能监控单元，主要完成了以下工作： 1) 完成了系统原理图设计； 2) 建立了适合本装置的软件系统； 3) 完成了所有软件 (包括主程序和各个子程序及中断程序 )编制； 1.6 本设计要达到的主要功能和技术指标 1.6.1 装置的功能设计要求 1测量功能： （ 1）三相相电压 Ua， Ub， Uc； （ 2）三相线电流 Ia， Ib， Ic； （ 3）有功功率 P，无功功率 Q，视在 功率 S 及功率因数 cosa（选作）； （ 4）电网频率 f； （ 5）设备温度 T； 2保护功能： （ 1）短路瞬时保护； （ 2）模拟保护。 3监视及控制功能： （ 1）开关量信号的监视：包括对跳闸信号出口电路的监视和控制。 （ 2）可随时监测装置自身温度。 4.模拟脱扣功能 : 如果线路发生特大峰值短路电流 (如 50KA),则跳闸令的发出无需经过 CPU 的采样 ,计算 ,比较等环节 ,而直接通过模拟电路的比较发出跳闸信号 ,以最短的时间使断路器分断 ,以减少短路造成的危害。 5通信功能： 装置 RS-422/RS485标准通信接口 和可带电热插拔的 RS-232接口可以通过通讯网络将所有信息实时发送到上一级监控系统。 6事件记录功能： 可通过打印机打印出最近 1 次脱扣事件发生时的故障电流值，掉电不丢失。 7显示功能： 通过四位发光二极管（ LED）显示测量值。 1.6.2 装置的主要技术指标 装置的电源，测量和保护的技术指标如下所述： 1.电源指标： 装置工作电源为交流 380V，直流 /交流 12V。 nts 第 11 页 2.测量指标： 电压的测量误差小于 0.5%，电流的测量误差小于 2%。 3.保护指标： 短路瞬动电流定值 Ir: 10In-50KA; 保护特 性为 : 短路瞬动时间应当不超过 25ms。 nts 第 12 页 第 2 章 .装置硬件系统简介 硬件电路是智能控制器工作的基础，主要任务是综合考虑系统所要实现的各种功能和各部分硬件之间的关系，并选择所需芯片，设计出系统电路原理图，这是智能监控单元工作的基础，其设计的好坏，将直接影响到智能监控单元功能的实现。 2.1 硬件设计准则 低压框架式断路器智能监控单元的硬件设计围绕其功能进行，同时要求遵循以下准则 : 系统中软件和硬件在逻辑功能上等效的。具有相同功能的微机应用系统，其软硬件功能分配可以在很宽的范围内变 化。系统的软硬件功能分配要根据系统的要求而定，提高硬件功能的比例可以提高速度、减少所需的存储量，有利于检测和控制的实时性。相反，提高软件功能的比例可以降低硬件的造价，提高灵活性和适应性，但相应速度要下降，软件设计费用和所需的存储器容量要增加。划分的原则是在满足系统实时性及可靠性的前提下，系统功能尽可能用软件来实现。 2.2 硬件系统的整体结构设计 硬件电路是实现系统功能的基础，硬件设计的好坏直接影响到系统功能的实现。硬件电路的设计应当围绕着系统功能的要求进行。本微机监控装置集测量，保护，控制，通讯等功能于一 体，为此单元必须对电压，电流等模拟量进行采样，并输出各种控制和报警信号；同时可以和上位机进行通讯，而且具有良好的人机交互功能。从以上的功能出发，对整个装置做了以下设计，装置的整体结构原理如图 2-1 所示。 nts 第 13 页 图 2-1 系统结构原理图 从整体上看，智能监控单元的硬件结构由 CPU，存储器扩展芯片，模拟信号采集与变换，人机接口，电源，开关量输入输出等几个主要部分组成。 2.3 硬件系统各部分电路简介 2.3.1 最小工作系统 最小工作系统以 Inter 公司的 8 位单片机 80C51 为核心，包括存储器扩展芯片，硬件复位电 路。 由于装置的控制对象是断路器，因此在系统出现故障时必须能及时判断出故障并及时切断故障电流；系统正常工作时，必须有能力及时处理大量的实时动态 数据。因而单元对硬件的实时性，快速性，准确性和多功能性要求很高。硬件设计时采用了 80C51 单片机作为中央微处理器。 最小系统完成如下功能：将 A/D 转换后的模拟信号和各路开关量信号按一定nts 第 14 页 算法和逻辑判断进行实时处理，判断，并生成和传送相应的控制命令和各种信息，对异常情况迅速做出反应，必要时控制执行部分动作。 智能监控单元不但能够测量系统的电压和电流等参数，同时也具有自我 诊断和监察的能力，当脱扣器本身发生故障时，可以发出报警信号。为了保证系统工作可靠性，使用了硬件看门狗，在软件之中也对系统进行检测，随时监视系统的运行情况，若发生因为干扰而导致的系统不正常运行时，就会使系统强行复位，从新开始运行。避免了因系统自身故障而引起的不能开断或误动作。 最小系统中的自复位电路，由 MAX705 芯片和外围电路元件组成。 MAX705 是一组 CMOS 监控电路，能够监控电源电压、电池故障和微处理器 (MPU 或 P)或微控制器 (MCU 或 C)的工作状态。将常用的多项功能集成到一片 8 脚封装的小芯片 内，与采用分立元件或单一功能芯片组合的电路相比，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，是 MAXIM 公司的价格低廉的微处理器监控芯片。 2.3.2 设备温度检测电路 本设计采用 集成式数字温度传感器 DS18B20 实现 设备 温度的测量。 DS18B20充分利用了单总线的独特特点，可以轻松的组建传感器网络，提高系统的抗干扰性，使系统设计更灵活、方便，而且适合于在恶劣的环境下进行现场温度测量。 DS18B20 能够直接读取被测物体的温度值。 DS18B20 的功能强大 、 体积小，电压适用范围宽（ 3V5V），用户还可以通过编程实现 912 位的温度读数，即具有可调的温度分辨率，因此它的实用性和可靠性比同类产品更高。 DS18B20 只有一个数据输入 /输出口，属于单总线专用芯片之一。 DS18B20 工作时被测温度值直接以 “ 单总线 ” 的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰能力。 DS18B20 与 80C51 单片机的连接方法如图 2-2 所示。 图 2-2 DS18B20 与 80C51 单片机的连接图 DS18B20 内部采用在板温度测量专利技术，测量范围为 -55 +125 ，在GND 1 DQ 2 VDD 3 * DS18B20 P1.0 1 P1.1 2 * 80c51 R 3.3K +5 nts 第 15 页 -10+85 时，精度为 0.5 。用户还可自设定非易失性温度报警上下限值 TH和 TL（掉电后依然保存）。 DS18B20 在完成温度变换后，所测温度值将自动与贮存在 TH 和 TL 内的触发值相比较，如果测温结果高于 TH 或低于 TL， DS18B20 内部的告警标志就会被置位，表示温值超出了测量范围 。 DS18B20 与单片机的接口极其简单，只需将 DS18B20 的信号线与单片机的一位双向端口相连即可。将 VDD、DQ、 GND 三线焊接牢固。另外也可用两个端口，即接收口与发送口分开，这样读写操作就分开了，不会出现信号 竞争的问题。将 DS18B20 的 VDD 与 GND 接在一起 。一般测温电缆线采用屏蔽 4 芯双绞线，其中一对接地线与信号线，另一对接 VDD和地线，屏蔽层在源端单点接地。 表 2-1 DS18B20 温度 /数据对应关系表 温度 () 输出的二进制码 对应的十六进制码 +125 0000 0111 1101 0000 07D0H +85 0000 0101 0101 0000 0550H +25.0625 0000 0001 1001 0001 0191H +10.125 0000 0000 1010 0010 00A2H +0.5 0000 0000 0000 1000 0008H 0 0000 0000 0000 0000 0000H -0.5 1111 1111 1111 1000 FFF8H -10.125 1111 1111 0101 1110 FF5EH -25.0625 1111 1110 0110 1111 FF6FH -55 1111 1100 1001 0000 FC90H 表 2-2 DS18B20 分辨率设置表 R1 R0 温度分辨率 最大转换时间 0 0 9 位 93.75ms 0 1 10 位 187.5ms 1 0 11 位 375ms 1 1 12 位 750ms 2.3.3 串行口通信电路 1通讯基础 数据通讯有两种不同的方式，即并行通讯方式和串行通讯方式。并行数据通讯是指数据的各位同时进行传送 (发送或接收 )的通讯方式，其优点是传输速度快，通讯方法简单 :缺点是数据有多少位，就需要多少根传输线。此外还需要若干控制线和一条地线。这种通讯方式只适用于短距离的数据传输。串行数据通讯是指通讯的发送方和接收方之间数据信息的传输是在一对数据线上分时进行的，以每 次nts 第 16 页 一个二进制位一位一位的顺序传送，它的突出优点是只需一对传输线进行传送信息，所需传输线的条数少，这样就大大降低了成本，特别适用于分级、分层和分布式控制系统以及远距离通讯之中，其缺点是传输速度较低。通常可根据信息需要传输的距离来决定采用哪种通讯方式，并行通讯在位数多、传输距离又远时不适宜使用，并且其造价较高，故在本设计中采用串行通讯。 按照串行数据的传输方式，串行通讯又分为异步通讯和同步通讯两种基本的通讯方式。同步串行通讯是一种连续串行传输数据的通讯方式，一次通讯只传送一帧信息。它是按照软件识别同步字符来实现 数据的发送和接收的，传输过程中，字符和字符之间没有间隙，也不用起始位和停止位，仅在数据块开始时用同步字符来指示。异步通信是一种利用字符的再同步技术的通讯方式，在异步通讯中，数据通常是以字符 (或字节 )为单位组成字符帧传送的，字符帧由发送端一帧一帧的发送，通过传输线被接收端一帧一帧的接收，发送端和接收端可以由各自的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟源彼此独立，不必同步，发送端和接收端是靠规定端字符帧格式和波特率高低来协调数据的发送和接收的，两者是异步通信中的两个重要指标。 在实际应用中，同步通信是应用于传输 速度高的情况，这也正是它的优点所在，但由于它要求发送时钟和接收时钟保持严格同步，在硬件的实现上比较复杂，系统成本较高。因此，在本设计中，选择串行异步通信方式，以降低硬件的复杂性以及设计成本。 常用的 RS-232C 标准接口是目前最常用的串行接口标准，用来实现计算机与计算机之间，计算机与外设之间的数据通信。 我们采用串行接口芯片 MAX202 实现 80C51 单片机和 PC 机的 RS-232C 接口通信电路。 MAX202 与 80C51 的接口电路如图 2-3 所示。 图 2-3 MAX202 与 80C51 的接口电路图 nts 第 17 页 T1IN， T2IN 可直接接 TTL/CMOS 的 80C51 单片机的串行发送端 TXD 引脚。 R1OUT， R2OUT 可直接接 TTL/CMOS 电平的 80C51 单片机的串行接收端 RXD 引脚。 T1OUT， T2OUT 可直接接 PC 机的 RS-232 串口的接收端 RD。 R1IN， R2IN 可直接接 PC 机的 RS-232 串口的发送端 TD。 2.3.4 模拟信号的采集与变换电路 该模块的主要功能就是将控制器单元所需要的电流、电压经电流互感器 CT和电压互感器 PT 引入系统，并经信号调理、模数转换后变成计算机可以识别的数字信号。 低压框架式断路器电流信号取自电 流传感器（互感器）。 主线路电流和电压信号通过大功率电流互感器和电压互感器变换成 0-5A 的电流和 0-300V 的电压信号，供二次系统采集，考虑到 A/D 转换器的信号输入标准较小，必须采用小功率 CT, PT 对信号进行调理，然后经过模数转换后供给微处理器处理。同时，电流和电压互感器也起到电气隔离的作用，使断路器和控制器单元强弱电分离，提高控制器单元的抗干扰性能。 在本装置中电流信号的采集使用由 Rogowski 线圈组成的空芯电流互感器（ 1600A/500mVP-P），直接套装在供电线路上。 空芯互感器的二次输出得到智能型 控制器的信号，其感应的电压输出与一次母线电流的微分成正比。即 U=Kdi/dt。进入控制器信号处理电路，首先进行积分处理，使二次感应信号与一次母线电流成正比。 这种互感器由于没有铁芯，所以在电流较大时不会产生磁饱和现象，测量范围广，可以从几十安培到几十千安培的范围内保持良好的线形度，很适合电流变化范围很大的低压供电线路。但空芯互感器在小电流时信号较小，造成采样和 A/D 转换的误差比较大。为了克服这一缺点，本装置在信号处理电路中采用双量程放大电路。这两个量程是此消彼长的关系，应该在同时兼顾测量精度和保护精度的前提下 选取每个量程的放大倍数。双量程选择电路如图 2-4 所示 图 2-4 双量程选择电路图 nts 第 18 页 信号经隔离滤波、放大等处理后进入采样和保持电路， A/D 转换单元将模拟信号转换为数字信号，供 CPU 进行逻辑运算与处理。 CPU 根据这些信号进行逻辑运算和处理，将运算结果与整定值比较后输出符合预设保护特性的逻辑电平信号。这些信号经放大后可以直接驱动断路器的执行机构使得断路器动作。各种故障保护的动作电流和时间整定值己通过键盘设定，预先存储于外部存储器中，并且在使用中随时可以更改。对于特大短路故 障，其故障电流达到一定值时，不经 CPU处理，直接比较输出脱扣信号，由模拟脱扣电路使执行元件动作。 本装置在线路板上装设电流型电压互感器对电压信号进行采集变换。在低压电器中电压信号的采集通常是直接利用电阻对线路电压进行分压，变为 CPU 可采样转换的信号。该方法电路简单，元器件少，节省空间，但由于与外界没有隔离，很容易串入各种干扰，尤其在低压供电线路中，电压信号不经过一次互感器而直接取自线路，干扰信号更容易进入装置内部，影响整个系统运行的可靠性，所以本文采用电流变换型电压互感器（ 2Ma/2mA）对线路电压进行隔离 变换，虽然增加了电路的复杂程度和对空间的要求，但对各种电磁干扰有直接的隔离作用，而且可以获得比较理想的测量精度。 2.3.5 系统时钟电路 智能控制器故障时钟功能，用于记录故障发生的时刻，可记录故障发生的年、月、日、时、分、秒，需由一时钟电路给系统提供时钟信号。系统采用 DALLAS公司的 DS1302 涓流充电时钟保持芯片，为系统提供时间标准，也可用于定时。 实时时钟芯片 DS1302 采用串行通讯方式，只需三条线即可与单片机通讯，同时体积仅仅是上述时钟芯片的 1/4，且片内均含 RAM，可增加系统的 RAM。对于停电时 只需对时钟电路单独供电的系统，该芯片具有备用电池充电和切换管理功能。DS1302 虽没有采取光电隔离，但由于读写靠时序控制，且具有写保护位，抗干扰效果明显，日历及 RAM 中的数据不再改变。同时体积小，连线少，外围只有一 32768Hz 晶振，使用灵活， DS1302 工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于 Im W。与单片机的接口电路如图 2-5 所示。 nts 第 19 页 B13v32 76 8H ZC 1322pFC 1222pFV c c 21X12X23GND4V c c 18S C L K7I / O6R S T5*D S
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