高压开关微机综合保护装置软件设计

XX学院本科毕业论文PAGEPAGE74高压开关微机综合保护装置软件设计姓名班级：学号：指导老师：摘要电力是国家经济建设和人民生活中不可缺少的能源，而电力工业的发展离不开用于输配电的高压开关设备。在电气设备运行中,经常需要监测一些参数,比如电流、电压、漏电电流、短路电流等,以保证设备正常工作。以往高压开关综合保护装置多采用模拟电路来监测电流和电压等参数以实现短路、过载、失压、过压、漏电等保护,其结构复杂、体积大、耗能多。随着微机技术的飞速发展,单片微型计算机以其体积小、价格低、应用灵活等优点在自动控制领域中得到了广泛的应用。为了解决原有的高压开关综合保护装置的上述问题,采用了单片机系统实时监测设备运行的各种参数,并对其进行分析、计算、处理,保证设备安全、可靠的运行。本综合保护装置具有过载、短路、漏电(包括电流型和功率方向型)、监视、过压、失压、缺相等保护功能。具有微机测量和微机保护，网络通信以及在线监测等基本功能。概括介绍了P89C51RB2单片机控制的智能型高压开关综合保护装置的特点和基本功能，详细说明了智能型高压开关综保装置的硬件接口电路和软件设计。该装置具有性能可靠、功耗低、体积小、功能强的特点。关键词：单片机;高压开关;综合保护ABSTRACT：Theelectricpoweristheenergythatthenationaleconomyconstuctstolivemediumindispensabilityandpeople,butthedevelopmentoftheelectricpowerindustrycannotgetawayfromtousedforthehighpressureswitchequipmentsthatlosestogotogetherwithanelectricity.Usuallyneedtomonitorsomeparametersintheelectricityequipmentsthemovement,forexampletheelectriccurrent,electricvoltage,electricleakageelectriccurrent,short-circuitelectriccurrentetc.worknormallybypromisinganequipments.Thehighpressureswitchiscomprehensivebeforeprotectionthedeviceadoptsemulationelectriccircuitmuchtomonitorcurrentandvoltageetc.parametershort-circuitwiththerealization,leadtocarry,losetopress,leadpress,electricleakagetection,itsstructurecomplications,physicalvolumebig,consumeandcanbemany.Flytechnicallytodevelopsoonalongwiththetinymachine,singleslicemicrocomputeritsphysicalvolumeissmall,thepriceislow,theappliedvividetc.advantagegotanextensiveapplicationintheautomaticcontrolrealm.Forresolvinganoriginalhighpressureswitchcomprehensiveprotectiondeviceofabove-mentionedproblem,adoptedasingleslicemachinesystemsolidhourmonitorvariousparameteroftheequipmentsmovement,andastoit'scarryonanalysis,computeandhandle,promiseanequipmentssafety,dependablemovement.Theoriginallycomprehensiveprotectiondevicehadtocarry,shortcircuit,electricleakage(includetheelectriccurrenttypeandthepowerdirectiontype),keepwatchon,leadtopress,losetopress,lackequalprotectionfunction.GeneralizedtointroducetheP89C51RB2asingleslicetheintelligencetypeofthemachinecontrolthecharacteristicsoftheprotectiondevicewithcomprehensivehighpressureswitchwiththebasicfunction,thehardwarethatelaboratedontheintelligencetypethehighpressureswitchtoprotectdeviceconnectedapeople'selectriccircuitandsoftwaredesign.Thatdevicehasthefunctioncredibility,toconsumelow,thephysicalvolumeissmall,functionstrongcharacteristics.Keyword:Singleslicemachine;thehighpressureswitch;comprehensiveprotection目录摘要 1ABSTRACT： 21绪论 61.1高压开关的功能 61.2系统的设计思路 71.3电路技术水平 81.3.1模拟电路阶段 81.3.2模拟电路为主，数字电路为辅阶段 91.4微型计算机的选择 91.4.1P89C51RB2特性： 101.4.2CAT24C021芯片 112保护原理 122.1失压、过压保护 122.2电缆绝缘监视保护： 122.3电流型漏电保护： 132.4功率方向型漏电保护： 132.5过流保护的实现 132.6过载保护的实现 142.7短路保护的实现 143微机保护装置的硬件设计原理 153.1保护系统的功能 153.2综合保护装置的原理框图 173.3复位电路 173.4数据采集和处理单元 183.4.1过载保护 193.4.2短路保护 193.4.3漏电保护 193.4.4监视保护 213.4.5失压过压保护 213.4.6缺相保护 213.5键盘与显示电路 223.5.1键盘 223.5.2显示电路 223.6电源电路 234软件设计 234.1概述 234.1.1逻辑符号 254.1.2管脚描述 254.1.3FLASHEPROM存储器 304.2振荡器特性 304.3复位 314.4低功耗模式 314.4.1时钟停止模式 314.4.2空闲模式 314.4.3掉电模式 324.4定时器2的操作 334.4.1定时器2 334.4.2定时器/计数器2的设置 334.5中断优先级 344.6PCA看门狗定时器 384.7扩展数据RAM寻址 394.8硬件看门狗定时器(WDT) 414.9FLASHEPROM存储器 424.10在系统编程(ISP) 434.11使用在系统编程(ISP) 444.12在应用中编程方法 454.13流程图 504.14键盘和发光数码管显示 524.14.1键盘扫描电路的程序代码 524.14.2键盘的消抖动程序 564.15A/D转换 634.16指令冗余及软件陷阱 674.16.1指令冗余 674.16.2软件陷阱 67结论 69致谢 70参考文献： 711绪论1.1高压开关的功能高压电器包括高压开关电器，高压测量电器和高压限流，限压电器，其中高压开关电器包括高压隔离开关，高压接地开关，高压负荷开关，高压断路器，高压接触器，高压重合器和高压分段器，高压开关电器可以统称为高压开关。高压开关是用来关合和开断正常电路和故障电路，或用来隔离电源，实现安全接地的高压电器设备。高压开关设备是电力系统重要的控制和保护设备，对电力系统安全可靠地运行起着举足轻重的作用。因此电力系统对高压开关可靠性要求高，质量控制严格。高压开关中的综合保护系统应满足以下4项基本要求：第一，选择性保护的动作应具有选择性，即它是有选择地切除电网中发生故障的支路，而保证非故障支路供电的连续性，尽量缩小中断供电的范围；第二，可靠性保护系统能准确判断故障，可靠执行命令；但当其他支路发生故障时，本支路保护不应发出跳闸命令，即不产生误动的现象；第三，快速性本支路发生故障后，保护系统应快速动作，防止故障范围扩大，降低电气设备的损坏程度；第四，灵敏度保护系统应具有较强反应故障的能力，即不论在保护范围的始端还是在保护范围的末端发生故障，保护系统均应准确反应，甚至在后备保护范围发生故障时，也直具有一定的反应能力。1.2系统的设计思路本系统处于监控状态时,具有以下的功能:①自检功能可随时检测系统的工作情况;②单片机实时监测设备运行参数,可迅速准确地判断故障的类型—短路、过载、失压、过压、漏电、缺相等,并加以处理;③采用带有I2C串行氧化物半导体E2舞会的CAT24C021芯片随时存储整定参数和故障参数,以保证重要参数掉电不丢失;④通过密码可修改整定参数,以适应不同的现场情况;⑤时钟芯片准确记录故障发生的时间,保存最近九次故障记录供查询;⑥采用图形点阵液晶作输出显示设备,开关状态,运行情况全部采用汉字显示,各种信息一目了然;⑦16KB闪光可实现在系统编程和在应用编程;⑧硬件、软件抗干扰技术保证系统高抗干扰性能。鉴于保护系统在矿井供电系统中的重要作用，多年来，广大科技工作人员都非常重视这一领域的研究，经过了数次更新换代，但从现场运行的情况看，这些保护系统误动和拒动的现象时有发生，不能完全满足供电系统保护的四项基本要求。针对这种情况。本文以单片机为中央控制单元，设计了一种新型智能化高压开关综合保护器，该系统能自动判断短路、过载、漏电等故障，并对高压电缆的绝缘水平进行实时监测。1.3电路技术水平高压综保的电路结构一般由输入整定、比较延时、记忆执行电路三大部分组成。迄今为止高压综保经历了模拟电路阶段和以模拟电路为主和数字电路为辅两个阶段。1.3.1模拟电路阶段高压综保短路、过载和漏电接地保护的输人整定电路均采用波段开关，这种机械触点式波段开关长期运行在井下潮湿环境中，其触点表面会受潮氧化腐蚀而产生一层氧化膜，造成接触不良。而且波段开关是一种有级开关，无法实现无级调节，因而给整定带来了不可避免的误差，最严重时会达到50％另外，当波段开关转动时，中间抽头会出现悬空现象，有时会引起装置误动。比较，延时电路较原始，它主要由运算放大器和三极管等元件组成，电路集成度低，连线复杂。延时电路大多采用RC电路延时，由于电容参数的分散性，以及电阻、电容受环境温度影响较大，使得延时参数不易调整误差大由RC电路实现过载保护的反时限延时，延时不可能太长．当高压开关控制高压电动机时，不能充分发挥其过载能力记忆、执行电路普遍采用双位置继电器，其缺点为：1)电路中使用的继电器数量较多通常有5、6个．不仅体积、重量大，而且继电器线包电流大，电源容量大而影响元器件寿命和电源的可靠性；2)继电器容易受井下环境条件影响，有时易出现拒动和误动的现象。1.3.2模拟电路为主，数字电路为辅阶段输人、整定电路与模拟电路阶段一样。比较延时电路采用四运算放大器LM324，增强了集成度和可靠性。利用运算放大器和RC电路组成积分电路、实现延时使得延时时间可以做得较长、并且较准确。记忆执行电路发展较快采用集成电路进行信息和综合处理、锁存及信号的放大这样，大大增强了高压综保的集成度减小了{奉积重量受电源容量提高了信号的响应速度和记忆的准确性另外．采用固态继电器作为出口继电器使得高压综保不含有触点元件，增强了可靠性。第二阶段的高压练保、尽管记忆、执行电路集成度比较高，接近数字电路水平，但是主体电路仍停留在分立元件和小规模集成元件的水平上．功能和技术指标没有大的提高，需要进一步发展。1.4微型计算机的选择单片机采用菲利普公司生产的P89C51RB2。该芯片不仅具有MCS-51系列单片机的所有特性,而且片内集成了16KB并行可编程的非易失性闪光程序存储器,可实现对器件的在系统编程(ISP)和在应用编程(IAP)。此外还有3个16位定时器,一个增强型UART。该器件的1个机器周期由6个时钟周期组成因此运行速度是传统80C51的2倍一个OTP配置位可让用户选择传统的12时钟周期该系列单片机是80C51微控制器的派生器件是采用先进氧化物半导体工艺制造的8位微控制器指令系统与80C51完全相同。1.4.1P89C51RB2特性：80C51核心处理单元具有ISP和IAP功能的片内闪光程序存储器片内靴ROM包含底层闪光编程子程序以实现通过UART下载程序可实现最终用户应用的编程IAP与87C51兼容的并行编程硬件接口每个机器周期为6个时钟周期标准可选择12个时钟周期的机器周期采用6时钟周期时频率可高达20MHz相当于40MHz采用12时钟周期时频率可达33MHz全静态操作公羊可扩展到64K字节4个中断优先级7个中断源4个8位我/O口全双工增强型UART―帧错误检测―自动地址识别15.电源控制模式―时钟可停止和恢复―空闲模式―掉电模式16.可编程时钟输出17.异步端口复位18.双DPTR寄存器19.低EMI禁止淡色啤酒该芯片价格低、功能强,是目前性能价格比较高的单片机之一,完全满足本系统需要。1.4.2CAT24C021芯片复位电路采用CATALYST公司生产的CAT24C021芯片。CAT24C02是一个2Kb的串行氧化物半导体E2PROM，在内部分成16页，每页16字节，即总共为256个字节（一个字节8位）。CAT24C02的主要特性是含有一个16字节的页写入缓冲器，并且支持标准（100kHz）和快速（400kHz）的I2C协议。通过拉高WP管脚，可以禁止对存储器写入，从而保护了整个存储器。CAT24C021特性：1.支持标准和快速I2C协议

2.工作电压：1.8V～5.5V

3.含有16字节的页写入缓冲器

4.对全部存储器进行硬件写保护

5.I2C总线输入端（SCL和SDA）含有施密特触发器和噪音抑制滤波器

6.采用低功耗氧化物半导体工艺

7.可编程/擦除100万次

8.数据保存期100年

9.RoHS兼容的“绿色（绿色）”和“金色（黄金）”的8脚PDIP、SOIC、TSSOP和TDFN封装

10.工业温度范围2保护原理2.1失压、过压保护将线路工作电压的检测信号经转换后输入到数据处理单元P89C51RB2,当工作电压超过110%额定值时,微控制器发出过压动作指令,开关跳闸;当工作电压低于额定值的60%时,微控制器输出欠压动作指令,开关跳闸,跳闸时间均为0.1秒。如果开关尚未闭合,当电压低于额定值的75%时,将不允许合闸。低电压保护：当电网进线电压不足额定值的65%(可定值整定)时，可跳开开关。过电压保护：当电网进线电压超过额定值的118%(可定值整定)时，可跳开开关。系统电压低于65%额定电压时，则欠电压脱扣器处于释放状态，静铁芯和动铁芯没有吸合，其推杆在反力弹簧作用下顶开断路器的锁扣机构处于解扣状态，从而阻止断路器合闸。若系统电压高于85%额定电压，则螺管线圈内产生激磁，动铁芯在电磁吸力的作用下克服弹簧反力与静铁芯吸合，推杆和牵引杆之间就有一定的间隙，牵引杆就会恢复到锁扣机构可以锁住的状态，这时操作手柄可使断路器正常合闸。当电压偏低到一定程度(小于35%额定电压)时，螺管线圈产生的电磁吸力不足以克服弹簧反力，其推杆在反力弹簧作用下冲击牵引杆，使断路器锁扣机构解扣，断路器分断，达到欠电压保护的目的。2.2电缆绝缘监视保护：采用独特的低频有功功率原理对高压开关负荷侧使用的双屏蔽电缆的屏蔽芯线、屏蔽地线之间的绝缘实施监视保护。2.3电流型漏电保护：对所属电网中出现的单相接地故障，采用零序电流法选择检漏保护，漏电时报警并选出所接地的线路。2.4功率方向型漏电保护：对下属电网中出现的单相接地故障，采用功率方向法选择性检漏保护，漏电时报警。2.5过流保护的实现交流数据采样一般分为直流采样和交流采样两种方法。直流采样的优点是计算方便，软件设计简单，缺点是硬件复杂、稳定性差，而且由于受固有滤波环节的影响，采样数据无法实时反映交流信号的变化。这与保护系统要求实时性高的特点相违背，所以本系统的采样模块只能采用交流采样的方式。单片机把离散的采样结果转换成交流信号有效值的过程由交流采样子程序来完成。交流采样算法有很多种，常用的有最大值算法、半周积分法、方均根算法、傅里叶算法等，各自适用于不同的应用场合。其中傅里叶算法不但适用于正弦信号也适用于非正弦信号，它不受电网对称度的影响，而且具有滤波作用，计算精度高，缺点是速度相对不够快。为了提高系统响应速度，采用)"点采样的傅里叶算法，可以使计算量大为减少，加快了运算速度，计算精度也能够满足要求。经过简化的基波傅里叶系数的计算公式为：A1=(16)∑u(k)违背习俗(k/6)(1)B1=(16){u(0)2+∑[u(k)莴苣(kπ/6)]+u(12)/2}(2)U=√(a2+b2)/2(3)为方便调用，把点傅里叶变换算法编成了子程序。当系统采用晶振时该算法用时约。由于该算法对每次采样的时间间隔要求比较严格。为保证延时精度采用了定时器中断的方式进行采样。试验证明该算法有较高的稳定性和精度（±8%）。2.6过载保护的实现当驱动器的输出线路电流达到整定电流的110%时,过载保护环节按照反时限保护特性开始工作。本装置的负载电流经互感器采集、精密整流电路全波整流后,送到APD转换器MAX197的输入口,转换结束后结果送P89C51RB2进行处理、判断,当出现过载故障时,出口继电器反时限动作,接触器跳闸。反时限电流保护的特性与很多负荷的故障特性相似，因此在许多场合下比定时限保护的性能更为优越。反时限电流保护在国外已获得了较广泛的应用。根据国际电工委员会（<!-）给出的反时限特性曲线，分为反时限、极反时限、甚反时限、长反时限，其方程分别为：2.7短路保护的实现配置有三段式定时限过电流保护，对负荷侧短路故障进行保护。短路是指供电系统中不等位的导体在电气上被短接，各种类型的短路故障是煤矿井下最常见的故障之一。短路故障包括：三相短路、两相短路、两相接地短路。在高压综合保护中，对各种短路故障都应采取电流速断保护。由于异步电动机在带负载直接起动时有,!-倍的起动电流，已经接近或达到了某些情况下的短路电流。为了有效区分起动电流和短路电流，采取了“相敏保护”的方法。“相敏保护”的原理是同时检测短路电流和系统的功率因数角。利用电动机起动时功率因数小，而短路时功率因数较大的特点来区分短路电流和起动电流。功率因数角的测量是通过先用逻辑电路取出电压和电流的相位差信号再通过单片机定时器来计算其对应的角度。由于短路故障对电气设备具有极大的破坏性，为了缩短短路保护的动作时间，短路电流的检测采用了数字电位器加电压比较器的方法，原理如图+所示。程序中根据短路倍数的设定值来调整数字电位器滑动端的输出电压，当0相输入电流大于设定电压时比较器由高电平翻转为低电平，造成单片机外部中断。3微机保护装置的硬件设计原理3.1保护系统的功能高压综合保护器是高压开关中的重要组成部分,它应该独立完成对于高压电网中所有物理量的检测、计算、判断和处理,并且与上位机能够实现高效可靠的通信,即要实现“计量、监控、保护”的“三统一”功能。其具体功能如下:(1)数据采集功能。模拟量采集,即实时测量电网交流电流及交流电压有效值,对三相电压、两相电流及零序电压进行采样,作为判断故障区域的信息,采样方式为交流采样。频率量采集,提取零序电压与零序电流的5次谐波分量进行比相,通过单片机端口采集比相后的频率信号,从而判断是否发生单相接地故障;监视保护中的取样信号经过压频变换,其频率信号经HIS.0端口进入单片机,经过比较判断是否发生短接或断线故障。(2)人机联系功能。采用拨码盘输入各项参数整定值,可实现无级整定;另外,通过大屏幕液晶显示器实时显示当前电网电压、负荷电流值及发生故障时的故障状态和故障参数。(3)保护功能。对于电网中的短路故障,要求速断保护;对变压器、电机或其他负载出现过载时,施行反时限延时保护;采用附加直流电源法对双屏蔽电缆的屏蔽芯线、屏蔽地线实行短路和断路监视保护;提取零序电压、零序电流5次谐波硬件比相,结合零序电压基波采样值,对单相接地故障实行选择性漏电保护;对进线电压不足额定值的65%时采取欠压保护,对进线电压超过额定值的118%时采取过压保护。(4)通信功能。通过RS232,RS485接口可与上位机或PC机进行串口通信。(5)自检功能。为了发挥微机智能化系统的优越性,减少系统出错的可能性。当硬件发生故障,系统应当能自动发现,及时报警,并进行相应处理,避免造成事故。主要的自检对象有:对于公羊,EPROM,/D转换器、接口芯片及拨码盘等硬件进行自检;对于继电器和断路器执行命令的状况进行自检。3.2综合保护装置的原理框图高压开关综合保护装置是煤矿井下高压开关的控制部件,安装在防爆外壳内,从观察窗可以看到系统各种状态的显示。该系统的硬件电路主要由数据采集单元、数据处理单元、故障分析单元、键盘显示单元、分闸报警单元、电源供电电路等几部分组成。综合保护装置原理框图如图1所示：3.3复位电路复位电路采用CATALYST公司生产的CAT24C021芯片。它有三种功能:看门狗定时器、电压监控和EEPROM功能。在系统出现故障或上电P掉电期间,CAT24C021能给CPU提供一个复位信号,以确保系统的正确操作。当系统出现故障时,由于失去正确操作,CPU1.6秒内没有触发SDA,看门狗定时器将溢出,CAT24C021产生一个复位信号给CPU。而I2C串行氧化物半导体E2舞会可以存储单片机系统的重要参数。本系统用它来保存故障记录和设定的参数值等,以保证数据正常使用和不会因为掉电而丢失。图2示出了CAT24C021与P89C51RB2单片机的硬件连接电路。3.4数据采集和处理单元运行中，通过数据采集单元监测系统的电流、电压、漏电电流等参数，经12位8通道A／DMAX197转换成数字信号，送给单片机进行处理，检测出各种运行故障，从而实现高压开关的过载、短路、过压、欠压、漏电、缺相等保护。3.4.1过载保护图3过载保护的精密整流电路3.4.2短路保护中性点不接地的小电流接地系统，按规程要求只需对相间短路加以保护。其接线方式及动作原理与上述的过载保护相类似，短路电流整定值为100～9OO％额定电流。当数据采集单元监测到负载电流大于或等于本保护装置短路电流整定值时，数据处理单元施行定时限速断保护，动作时间为0．1秒。3.4.3漏电保护本保护装置可以设定为零序电流型保护方式或功率方向型保护方式。对下属电网中出现单相接地故障时，根据需要，可选择采用零序电流法或功率方向法，实施选择性检漏保护。为了测量线路的零序电流，使用了零序电流互感器。它的一次线圈为线路的三相动力线，二次线圈的输出为零序电流。在辐射式供电系统中，当某供电支路发生单相接地时，所有支路均会测得零序电流，为了防止误动作，增强零序保护的可靠性和选择性，必要时可使用零序功率方向保护。由零序电压互感器和零序电流互感器测得的信号，送入采集鉴别环节。如果保护装置装在发生单相接地的供电支路时，功率鉴别的结果为正，MC输出一个脉冲经光耦送到P3．5(-I'1端)，经一段时间延时，数据处理单元P89C51Rg2向执行环节发出动作指令；反之，若保护装置处于非接地支路上，虽有零电压和零序电流输入，但因零序电流的方向与故障线路的相反，故功率鉴别的结果为负，我端不发出脉冲到P3．5(n端)，数据处理单元P89C51Rg2将不会发出执行指令。零序电流和零序电压的采集、处理类似于负载电流，在这不再叙述。功率鉴别电路如图4所示。圈4功率方向型保护电路3.4.4监视保护对使用双屏蔽电缆的，在双屏蔽电缆的监视芯线和地线之间的绝缘电阻小于规定值或回路电阻大于规定值时，数据处理单元将实施定时限速断保护。绝缘监视电压采集电路如图5所示。图53.4.5失压过压保护3.4.6缺相保护当三相负载中的电流不平衡率大于整定值时，数据处理单元P89C51RB2发出动作指令进行保护。不平衡率为三相电流中的最大值和最小值的差值与额定电流值的比值，不平衡率可由用户设定。3.5键盘与显示电路3.5.1键盘本保护装置设有自检、调整、查询、复位四个按键。各按键除具有上述第一功能外，还具有第二功能，按键第二功能主要用于本保护装置参数的调整。在参数调整状态下，自检按键、调整按键、查询按键的功能依次是选择参数、增大参数、减小参数。可以利用这些按键完成过载倍数、短路倍数、零序电流、零序电压、漏电延时、电流变比、保护方式(指漏电保护是采用电流型还是功率方向型)和电流不平衡率的整定。在正常状态，按下“自检”按键，本保护装置会自动检测过载、短路、漏电、监视各项保护功能是否正常，如以上各项保护功能正常，则液晶屏幕显示“开关自检正常”，并控制开关分闸。按下“复位”按键，返回正常状态。故障查寻功能是新型电气设备的重要特点，故障查寻系统与显示装置配合，使故障查寻系统完善且直观，可以帮助我们对各种保护装置动作而引起的跳闸进行仔细查寻，为电气设备的正常维护、检修带来了极大的方便。本保护装置能记录最近九次发生故障的原因和故障发生时间。在正常状态下，按下“查询”按键，可以查询故障原因及发生的日期、时间。每按一下“查询”按键，显示一次，如此循环往复。若想由查询状态返回正常状态，按下“复位”按键即可。3.5.2显示电路显示电路选用香港精电公司生产的QH．200I液晶显示器(LCD)，其点阵数为128×64，内藏有K~)108(死亡形状)控制器。显示电路正常工作时，显示当前电网电压值、负载电流值、开关分合闸情况、当前的时间；故障状态下，显示发生故障的原因、故障瞬间的电压值和电流值、开关分合闸情况、发生故障的时间；参数调整状态下，显示参数名称、当前数值及单位。3.6电源电路电源电路采用美国国家半导体公司生产的LM2576开关电源，它是一个单片集成电路，效率比流行的三端线性稳压器要高的多，功耗非常低，一般不需要外加散热片。另外其外部只需4个器件支持就可工作，电路如图6所示图6LM2576电源电路4软件设计4.1概述P89C51RB2具有16K并行可编程的非易失性闪光程序存储器，并可实现对器件串行在系统编程ISP和在应用中编程(IAP)在系统编程ISP在-系统规划当MCU安装在用户板上时允许用户下载新的代码在应用中编程IAP在-请求规划MCU可以在系统中获取新代码并对自己重新编程这种方法允许通过调制解调器连接进行远程编程片内ROM中固化的默认的加载程序靴加载器允许ISP通过UART将程序代码装入闪光存储器而闪光代码中则不需要加载程序对于IAP用户程序擦除和重编程闪光记忆的操作是通过使用片内ROM中的标准程序该器件的1个机器周期由6个时钟周期组成因此运行速度是传统80C51的2倍一个OTP配置位可让用户选择传统的12时钟周期该系列单片机是80C51微控制器的派生器件是采用先进氧化物半导体工艺制造的8位微控制器指令系统80C51完全相同有4组8位我/O口3个16位定时/计数器多个中断源4个中断优先级嵌套中断结构1个增强型UART片内振荡器及时序电路新增的特性使得89C51RB2/RC2/RD2成为功能更强大的微控制器更好地支持应用于脉宽调制高速我/O递增/递减计数能力如电机控制等场合。4.1.1逻辑符号4.1.2管脚描述管脚描述名称浸LCCQFP类型名称和功能Vss202216I地Vcc名称404438I电源提供掉电,空闲,正常工作电压P0.0-0.739-3243-3637-30I/OP0口:P0口是开漏双向口,可以写为1使其状态为悬浮,用作高阻输入.P0也可以在访问外部程序存储器时作地址的低字节,在访问外部数据存储器时作数据总线,此时通过内部强上拉传送1.P1.0-1.71-8123456782-92345678940-441-34041424344123I/OI/OIII/OI/OI/OI/OI/OP1口:P1口是带内部上拉的双向我/O口,向P1口写入1时,P1口被内部上拉为高电平,可用作输入口.当作为输入脚时,被外部拉低的P1口会因为内部上拉而输出电流(见DC电气特性).P1口第2功能:T2(P1.0)定时/计数器2的外部计数输入/时钟输出T2EX(P1.1)定时/计数器2重装载/捕捉/方向控制ECI(P1.2):PCA的外部时钟输入CEX0(P1.3):PCA模块0捕获/比较模式的外部我/O脚CEX1(P1.4):PCA模块1捕获/比较模式的外部我/O脚CEX2(P1.5):PCA模块2捕获/比较模式的外部我/O脚CEX3(P1.6):PCA模块3捕获/比较模式的外部我/O脚CEX4(P1.7):PCA模块4捕获/比较模式的外部我/O脚P2.0-2.721-2824-3118-25I/OP2口:P2口是带内部上拉的双向I/O口,向P2口写入1时,P2口被内部上拉为高电平可用作输入口,当作为输入脚时,被外部拉低的P2口会因为内部上拉而输出电流(见DC电气特性)在访问外部程序存储器和外部数据时,分别作为地址高位字节和16位地址(MOVX@DPTR),此时通过内部强上拉传送1.当使用8位寻址方式(MOV@Ri)访问外部数据存储器时,P2口发送P2特殊功能寄存器的内容.P2.7在编程/擦除时必须为”1”P3.0-3.710-17101112131415161711,13-1911131415161718195,7-13578910111213I/OIOIIIIIIP3口:P3口是带内部上拉的双向I/O口,向P3口写入1时,P3口被内部上拉为高电平可用作输入口.当作为输入脚时,被外部拉低的P3口会因为内部上拉而输出电流(见DC电气特性).P89C51RX2的P3口脚具有以下特殊功能:RxD(p3.0):串行输入口TxD(P3.1):串行输出口INT0(P3.2):外部中断0INT1(P3.3):外部中断T0(P3.4):定时器0外部输入T1(P3.5):定时器1外部输入WR(P3.6):外部数据存储器写信号RD(P3.7):外部数据存储器读信号RST9104I复位:当晶振在运行中,只要复位管脚出现2个机器周期,高电平即可复位,内部有扩散电阻连接到Vss,仅需要外接一个电容到Vcc,即可实现上电复位.ALE303327O地址锁存使能:在访问外部存储器时,输出脉冲锁存地址的低字节,在正常情况下,ALE输出信号恒定为1/6振荡频率.并可用作外部时钟或定时,注意每次访问外部数据时一个ALE脉冲将被忽略.ALE可以通过置位SFRauxililary.0禁止.置位后ALE只能在执行MOVX指令时被激活.PSEN293227O程序存储使能:读外部程序存储.当从外部读取程序时,PSEN每个机器周期被激活两次,在访问外部数据存储器PSEN无效,访问内部程序存储器时PSEN无效.EA/Vpp313529I外部寻址使能/编程电压:在访问整个外部程序存储器时,EA必须外部置低.如果EA为高时,将执行内部程序.当RST释放后EA脚的值被锁存,任何时序的改变都将无效.该引脚在对FLASH编程时用于输入编程电压(Vpp).XTAL1192115I晶体1:振荡反向放大器输入端和内部时钟发生电路输入端XTAL2182014O晶体2:振荡反向放大器输出端注:为了避免”latch-up”对上电的影响,任意管脚(Vpp除外)上的电压最大不能高于Vcc+0.5,最低不能低于Vss-主程序流程图开始：程序初始化上电自检采集电压，三相电流，零序电流，零序电压，监视信号等数据开始程序初始化上电自检采集电压，三相电流，零序电流，零序电压，监视信号等数据是否有键按下进入参数调整状态对保护装置进行自检控制开关分闸清楚各单元数据，使程序返回正常状态显示上次发生故障的原因及发生日期时间显示故障原因及发生时间并控制开关分闸显示当前电压，电流，开关分合情况及日期时间故障判断？进行数字滤波及数据分析是否有键按下进入参数调整状态对保护装置进行自检控制开关分闸清楚各单元数据，使程序返回正常状态显示上次发生故障的原因及发生日期时间显示故障原因及发生时间并控制开关分闸显示当前电压，电流，开关分合情况及日期时间故障判断？进行数字滤波及数据分析4.3键盘子程序4.3.1键盘扫描键盘实质上是一组按键开关的集合，通常，键盘所用开关为机械开关，均利用了机械触电的合，断作用。一个电压信号通过机械触点的断开，闭合过程，其行线电压输出波形如图所示：按键开关键闭合时行线输出电压波形流程图开始开始有键闭合吗软件延时10MS有键闭合吗确定按键位置确定按键位置闭合键释放闭合键释放按键值按键值返回返回4.3.3键盘扫描子程序当按键的时候，就可以由单片机进行键盘扫描，获得按键信号。对于键盘扫描的子程序，我们首先把键盘驱动线的第一根线D0置高，然后分别再检测信号线K0—K3是否有高电平的信号，如果有信号，那么就证明这根信号线与D0相交处的按键被按下了，单片机就读入这个键值。如果所有4根信号线都没有信号，那么，我们把D0置低，把D1置高，再一次检测信号线有没有信号。由于键盘扫描的速度很快，而人按键总会持续一定的时间，因此，只要单片机处在等待输入的状态，基本上不会错过任何一个按键信号。程序代码见附录。4.3.4键盘的消抖动程序实践证明，键盘扫描会出现一些错误的信号。如图所示，一般人按键会有抖动，是抖动信号的原因。键盘抖动信号因此，我们需要有一个消除抖动的程序。让单片机不响应一些相关的抖动信号，而只响应一次确认存丰的按键信号。消抖动程序是这样实现的，当我们检测到一个脉冲信号时，并不立即认为是一次按键，而是延时一段时间以后再进行检测，如果三次检测都有信号，那么就认为有一次按键动作发生了。同时，在今后一段时间内的按键脉冲不再响应，认为这是干扰信号。延时的选择非常重要，太快了，起不到消除抖动的效果，太慢了又让键盘不太灵活，错过较多的按键信号。程序代码见附录。4.4液晶显示和驱动程序将COM中的控制字送E1控制器将COM中的控制字送E1控制器CWE()读E1的状态字E1驱动器忙返回返回CWE1（）子程序程序流程图将DAT中的数据送E1显示将DAT中的数据送E1显示DWE()读E1的状态字E1驱动器忙返回返回DWE1（）子程序程序流程图4.5A/D转换根据MAX197芯片的特点和使用要求，利用MAX197和89C51单片机组成的信号采集电路的基本方案如图所示：单片机单片机MAX197电源基准信号时钟基准VBUSCS利用单片机控制MAX197模数转换代码如下：开始函数定义开始函数定义中断服务程序空循环中断服务程序检查MAX197转换是否完成中断服务程序检查MAX197转换是否完成返回读低位数据读高位数据返回读低位数据读高位数据RETURN（0）4.6I/O扩展I/O接口是8051单片机与外部设备交换信息的桥梁。I/O扩展也属于系统扩展的一部分。虽然8051本身具有I/O口，但是已经被系统总线（P0口和P2口用作16位地址总线和8位数据总线）占用了一部分，真正用作I/O口线已经不多，只有P1口的8位I/O线和P3口的某些位线可作为输入输出线使用。鉴于8051的I/O资源有限，因此，在多数应用系统中，8051单片机都需要外扩I/O接口电路。4.7外部RAM4.8指令冗余及软件陷阱4.8.1指令冗余当CPU受到干扰后，往往将一些操作数当作指令码来执行，引起程序运行混乱。这时我们首先要尽快将程序纳入正轨（执行真正的指令系列）。程序跑飞后往往将一些操作数当作指令码来执行，从而引起整个程序的混乱。因此，在关键的地方人为的插入一些单字节指令（NOP），或将有效单字节指令重复书写，这便是指令冗余。4.8.2软件陷阱指令冗余乱飞的程序安定下来是有条件的，首先乱飞的程序必须落到程序区，其次必须执行到冗余指令。当乱飞的程序落到非程序区时，前一个条件即不满足。当乱飞的程序在没有碰到冗余指令之前，已经自动形成一个死循环，这时第二个条件也不满足。对付前一种情况采取的措施就是设立软件陷阱，对于后一种情况可采取“看门狗”技术来解决。所谓软件陷阱，就是一条引导指令，强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序。如果我们把这段程序的入口标号称为ERR的话，软件陷阱即为一条LJMPERR指令。为加强其捕捉效果，一般还在它前面加两条NOP指令。因此，真正的软件陷阱由三条指令构成：NOPNOPLJMPERR结论本设计本文介绍的高压开关综合保护系统可以实现对电网运行参数的监测以及保护和通信功能。该系统具有故障响应与处理速度快、性能可靠、模块化程度高、灵活、可扩展和可移植等特点。同时，该系统可以广泛地支持网络、文件系统以及各种通信协议。详细说明了智能型高压开关综保装置的硬件接口电路和软件设计。本综合保护装置具有过载、短路、漏电(包括电流型和功率方向型)、监视、过压、失压、缺相等保护功能。该装置具有性能可靠、功耗低、体积小、功能强的特点。基本满足高压开关中的综合保护系统应满足的4项基本要求：第一，选择性保护的动作应具有选择性，即它是有选择地切除电网中发生故障的支路，而保证非故障支路供电的连续性，尽量缩小中断供电的范围；第二，可靠性保护系统能准确判断故障，可靠执行命令；但当其他支路发生故障时，本支路保护不应发出跳闸命令，即不产生误动的现象；第三，快速性本支路发生故障后，保护系统应快速动作，防止故障范围扩大，降低电气设备的损坏程度；第四，灵敏度保护系统应具有较强反应故障的能力，即不论在保护范围的始端还是在保护范围的末端发生故障，保护系统均应准确反应，甚至在后备保护范围发生故障时，也直具有一定的反应能力。因此，该综合保护系统满足了高压开关系统可靠性、安全性和连续性的要求，在电力系统中的用途将十分广阔。致谢经过几个月的努力，毕业论文终于到了划句号的时候，心头照例该如释重负，但写作过程中常常出现的辗转反侧和力不从心之感却挥之不去。论文写作的过程并不轻松，压力时时袭扰，知识的积累尚欠火候，于是，我只能一次次埋头于图书馆中，一次次在深夜奋笔疾书。第一次花费如此长的时间和如此多的精力，完成一篇具有一定学术价值的论文，其中的艰辛与困难难以诉说，但曲终幕落后留下的滋味，值得我一生慢慢品尝。敲完最后一个字符，重新从头细细阅读早已不陌生的文字，我感触颇多。虽然其中没有什么值得特别炫耀的成果，但对我而言，是宝贵的。它是无数教诲、关爱和帮助的结果。我要感谢我的指导教师王新老师。王老师虽身负教学、科研重任，仍抽出时间，不时召集我和同门以督责课业，殷殷之情尽在谆谆教诲中。从初稿到定稿，王老师不厌其烦，一审再审，大到篇章布局的偏颇，小到语句格式的瑕疵，王老师的严谨治学的作风给我留下了深刻的印象。我还要感谢学院的各位工作人员，他们细致的工作使我和同学们的学习和生活井然有序。让我依依不舍的还有各位室友。在我需要帮助的时候，她们伸出温暖的双手，鼎立襄助。能和她们相遇、相交、相知是人生的一大幸事。本论文的完成远非终点，文中的不足和浅显之处则是我新的征程上一个个新的起点。我将继续前行！参考文献：[1]何立民．MCS一51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术．北京航空航天大学出版社．[2]马忠梅，等．单片机的C语言应用程序设计．北京航空航天大学出版社．[3]中华人民共和国能源部.煤矿安全规程能源安保[19921017]号[S].北京:煤炭工业出版社,1992..[4]李勇杨玉军别姝红等.井下高压电网监控保护系统的设计[J].煤矿机电,2004,1(18):1-3.[5]梁合庆梁韬.MCS系列16位单片微机实用手册[M].北京:电子工业出版社,1995[6]电力系统微机保护培训教材

《北京:中国电力出版社》

杨新民，2000//P附录：键盘扫描子程序：#include<stdio.h>#include<reg51.h>#defineTRUE1#defineFALSH0//以上语句定义两个BOOL常量的值#defineDELAY_VALUE3//以上语句定义延时的值#definePinDrvKey1P1_0#definePinDrvkey2P1_1#definePinDrvKey3p1_2#definePinDrvKey4p1_3//以上语句定义键盘扫描的驱动线#definePinScanKey1p1_4#definePinScanKey2p1_5#definePinScanKey3p1_6#definePinScanKey4p1_7//以上语句定义键盘扫描的信号获取线#definePinlamp1P0_1//以上语句定义指示灯驱动管脚SbitP0_0=P0^0;SbitP0_1=P0^1;SbitP0_2=P0^2;SbitP0_3=P0^3;SbitP0_4=P0^4;SbitP0_5=P0^5;SbitP0_6=P0^6;SbitP0_7=P0^7;SbitP1_0=P1^0;SbitP1_1=P1^1;SbitP1_2=P1^2;SbitP1_3=P1^3;SbitP1_4=P1^4;SbitP1_5=P1^5;SbitP1_6=P1^6;SbitP1_7=P1^7;SbitP2_0=P2^0;SbitP2_1=P2^1;SbitP2_2=P2^2;SbitP2_3=P2^3;SbitP2_4=P2^4;SbitP2_5=P2^5;SbitP2_6=P2^6;SbitP2_7=P2^7;Voidinitial(void);//initial函数为初始化子程序Voiddelay(shorti);//delay函数为延时子函数Unsignedcharkeyscan(void);//keyscan为键盘扫描子程序Unsignedcharkeyscan(){PinDrvkey1=TRUE;If(Pinsankey1==TRUE)Return1;If(Pinsankey2==TRUE)Return5;If(Pinsankey1==TRUE)Return9;If(Pinsankey1==TRUE)Return12;PinDrvkey1=FALSH;//以上语句扫描第一列Delay(DELAY_VALUE);Pindrvkey2=TRUE;If(Pinsankey1==TRUE)Return2;If(pinScankey2==TRUE)Return6;If(PinScankey1==TRUE)Return0;If(PinScankey1==TRUE)Return13;pinDrvKey2==FALSH;//以上语句扫描第二列If(PinScankey1==TRUE)Return3;If(PinScankey2==TRUE)Return7;If(PinScankey1==TRUE)Return10;If(PinScankey1==TRUE)Return14;pinDrvKey3==FALSH;//以上语句扫描第三列Delay(DELAY_VALUE);pinDrvKey4==TRUE;If(PinScankey1==TRUE)Return4;If(PinScankey2==TRUE)Return8;If(PinScankey1==TRUE)Return11;If(PinScankey1==TRUE)Return15;PinDrvKey3=FALSH;//以上语句扫描第四列Delay(DELAY_VALUE);Return16;}Voiddelay(shorti){Intj=0;Intk=0;K=i*DELAY_VALUE;While(j<k)j++;//延时子程序确定了键盘扫描程序的程序获取时间}键盘的消抖动程序Unsignedcharkeyscan(){PinDrvKey1=TRUE;If(PinDrvKey1==TRUE)PinLamp=FALSE;PinSpeaker=FALSE;Delay(DELAY_VALUE);//如果判断有信号，则延时一次PinLamp=TRUE;PinSpeaker=TRUE;If(PinScanKey1==TRUE){delay(DELAY_VALUE);//假如判断还有信号，则再延时If(PinScanKey1==TRUE)Return1;}//确认确实有信号，返回键值If(pinscankey2==TRUE)PinLamp=TRUE;PinSpeaker=TRUE;delay(DELAY_VALUE);//如果判断有信号，则延时一次PinLamp=TRUE;PinSpeaker=TRUE;If(pinscankey2==TRUE){delay(DELAY_VALUE);//假如判断还有信号，则再延时If(pinscankey2==TRUE)Return5;}//确认确实有信号，返回键值If(pinscankey3==TRUE)PinLamp=FALSE;PinSpeaker=FALSE;delay(DELAY_VALUE);//如果判断有信号，则延时一次PinLamp=TRUE;PinSpeaker=TRUE;If(pinscankey3==TRUE){delay(DELAY_VALUE);//假如判断还有信号，则再延时If(pinscankey3==TRUE)Return9;}//确认确实有信号，返回键值If(pinscankey4==TRUE)PinLamp=FALSE;PinSpeaker=FALSE;delay(DELAY_VALUE);//如果判断有信号，则延时一次PinLamp=TRUE;PinSpeaker=TRUE;If(pinscankey2==TRUE){delay(DELAY_VALUE);//假如判断还有信号，则再延时If(pinscankey2==TRUE)Return12;}//确认确实有信号，返回键值PinDrvKey1=FALSE;//以上语句扫描第一列PinDrvKey2=TRUE;If(pinscankey1==TRUE)PinLamp=FALSE;PinSpeaker=FALSE;delay(DELAY_VALUE);//如果判断有信号，则延时一次PinLamp=TRUE;PinSpeaker=TRUE;If(pinscankey1==TRUE){delay(DELAY_VALUE);//假如判断还有信号，则再延时If(pinscankey1==TRUE)Return2;}//确认确实有信号，返回键值If(pinscankey2==TRUE)PinLamp=FALSE;PinSpeaker=FALSE;delay(DELAY_VALUE);//如果判断有信号，则延时一次PinLamp=TRUE;PinSpeaker=TRUE;If(pinscankey2==TRUE){delay(DELAY_VALUE);//假如判断还有信号，则再延时If(pinscankey2==TRUE)Return6;}//确认确实有信号，返回键值If(pinscankey3==TRUE)PinLamp=FALSE;PinSpeaker=FALSE;delay(DELAY_VALUE);//如果判断有信号，则延时一次PinLamp=TRUE;PinSpeaker=TRUE;If(pinscankey3==TRUE){delay(DELAY_VALUE);//假如判断还有信号，则再延时If(pinscankey3==TRUE)Return0;//确认确实有信号，返回键值If(pinscankey4==TRUE)PinLamp=FALSE;PinSpeaker=FALSE;delay(DELAY_VALUE);//如果判断有信号，则延时一次PinLamp=TRUE;PinSpeaker=TRUE;If(pinscankey4==TRUE){delay(DELAY_VALUE);//假如判断还有信号，则再延时If(pinscankey4==TRUE)Return13;//确认确实有信号，返回键值PinDrvKey2=FALSE;//以上语句扫描第二列PinDrvKey3=TRUE;If(pinscankey1==TRUE)PinLamp=FALSE;PinSpeaker=FALSE;delay(DELAY_VALUE);//如果判断有信号，则延时一次PinLamp=TRUE;PinSpeaker=TRUE;If(pinscankey1==TRUE){delay(DELAY_VALUE);//假如判断还有信号，则再延时If(pinscankey1==TRUE)Return3;}//确认确实有信号，返回键值If(pinscankey2==TRUE)PinLamp=FALSE;PinSpeaker=FALSE;delay(DELAY_VALUE);//如果判断有信号，则延时一次PinLamp=TRUE;PinSpeaker=TRUE;If(pinscankey2==TRUE){delay(DELAY_VALUE);//假如判断还有信号，则再延时If(pinscankey2==TRUE)Return7;}//确认确实有信号，返回键值If(pinscankey3==TRUE)PinLamp=FALSE;PinSpeaker=FALSE;delay(DELAY_VALUE);//如果判断有信号，则延时一次PinLamp=TRUE;Pin