基于单片机的智能低压电动机综合保护器的研究——硬件设计毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机的智能低压电动机综合保护器的研究——硬件设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

23 附录 2 44 河北工程大学毕业设计说明书 1 1 绪 论 研究目的 电动机保护器（电机保护器）是发电、供电、用电系统的重要器件。 是跨行业、量大面广、节能效果显著的节能机电产品。 几乎渗透到所有用电领域；是工业、农业和国防建设及人民生活正常生产和安全工作的重要保证，在国民经济和节能事业中有着不可替代的重要地位和作用。 电气、机械、冶金、建筑、煤炭、石油、化工、汽车、飞机以及造船工业等都离不开电机。 据不完全统计，全国使用的中型电机大约有 20xx 万台，每年烧毁的电机约占16%，约 320 万台，平均每台的维修费用 1000 元，总费用为 32 亿元左右。 另外，由于电机的故障、损坏所造成的其它事故以及导致工厂停产所造成的间接经济损失则更为巨大。 造成这种现象的原因是多方面的，除了管理措施不完善等因素外，关键 的问题是 在目前各种电机保护装置中，普遍存在着要么智能化程度高而价格过高、体积较大不便在有限制的控制装置中安装，推广难度大；要么价格低而智能化程度低，对故障的判断由于缺少智能分析而影响使用效果，目前广泛使用不带 CPU 的集成电路制作的电机故障检测仪，虽然可判断电流超限、缺相等故障，但无智能判断，只能简单地以电流超限为判据，而 实际使电机发生故障是电流的时间和环境温度的函数，同时也不能对故障情况存储记录和数据显示，另外，仪器没有适时运行参数显示功能，设定的参数与实际运行的参数无法对照，不能根据实际负荷情况设定电流，因此 使用时既不准确可靠、又不直观方便，很不利于故障的排除，导致现场经常放弃使用这类保护。 为避免影响生产，开发一种性能稳定、保护种类齐全、动作速度快、灵敏度高、可靠性好的智能监测电机保护仪 显然 十分必要。 国内外研究现状 世界上第一台电子式电机保护器诞生在韩国的三和公司， EOCRSS 的 电子式电动机保护器 对我国的保 护器行业发展起到了巨大的推动作用。 已由晶体管发展到集成电路至今已发展到微处理芯片厚模电路，从功能上一般分为断相保护、综合保护（多功能保护）、温度保护和智能保护。 此类保护器具有节能、动作灵敏、精确度高、耐冲击振动，重复性好、保护功能齐全、功耗小等优点。 河北工程大学毕业设计说明书 2 随着我国用户对保护器的了解逐步加深，目前我们国内也有很多厂家生产出了与世界先进水平接近的产品，我们这些厂家还需要在产品的性能稳定、抗干扰等方面尽快缩短与世界先进水平的距离，我们有信心相信在中国的市场上会涌现出越来越多的性能优异的电机保护器产品。 本 文主要研究内容 本论文针对低压电动机容易出现的故障， 以 交流采样的方法进行数据采集为 依据，采用 检测三相电压 、 三相 电流、零序电流的方法，得出了电动机故障的准确判据，确定了各种故障的保护措施，对电动机实现了短路、 欠压 、 断相 、 漏电 、 过载 等保护功 能。 本文以 8 位单片机 AT89C52 做微处理器， AT89C52 单片机内置 256 字的 RAM 和8K 字的 ROM，可以进行外部扩展数据存储器和程序存储器，具有性能较好的 I/O、运算等功能，有合适的指令系统，能够实现电机智能保护，电路简单，功能齐全。 在实现自动化的过程中，最关键的环节 是数据采集。 交流采样是将二次测得的电压、电流经高精度的 CT、 PT 变成计算机可测量的交流小信号，然后再送入计算机进行处理。 由于这种方法能够对被测量的瞬时值进行采样，因而实时性好，相位失真小。 它用软件代替硬件的功能又使硬件的投资大大减小。 河北工程大学毕业设计说明书 3 2 总体方案设计 基本原理 通过电流互感器，电压互感器和零序电流互感器得到得到每相电路的的电流电压信号，再通过电压变换器和电流变换器将所得信号转换成 5V的电压信号。 经过二阶 RC滤波电路后，模拟信号通过采样保持器，多路转换开关， A/D 转换器变成数字信号被单片机所接收。 单片机通过参数判断，若有故障则发出信号使继电器动作，断开电路保护电机，同时显示故障的类型和发生时间；若没有故障电机继续工作。 原理框图 图 21 硬件原理框图 电源 电流互感器 零序电流互感器 电机 A/D转换器 电流变换器 电压互感器 电压变换器 电流变换器 采样保持器 单片机 多路转换器 故障显示 继电器 光电隔离 河北工程大学毕业设计说明书 4 3 AT89C52单片机介绍 芯片简介 AT89C52 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器（ RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性 存储技术生产，兼容标准 MCS51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，功能强大的 AT89C52 单片机可提供许多较复杂系统控制应用场合。 AT89C52 有 40 个引脚， 32 个外部双向输入 /输出（ I/O）端口，同时内含 2 个外中断口， 3 个 16 位可编程定时计数器 ,2 个全双工串行通信口， 2 个读写口线， AT89C52 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。 其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本。 引脚介绍 89C52 引脚图如下 ： ⑴ P0 口： P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口，也即地址 /数据总线复用口。 作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对断口 P0 写“ 1”时，可作图 31 AT89C52引脚图 河北工程大学毕业设计说明书 5 为高阻抗输入端使用。 在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组端口线分时转换地址 和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 ⑵ P1 口： P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动 4 个 TTL逻辑门电路。 对端口写“ 1”，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。 作输入口使用时，因为内 部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。 ⑶ P2 口： P2 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 的输出缓冲级可驱动 4 个 TTL逻辑门电路。 对端口写“ 1”，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。 作输入口使用时，因为内部存在上拉电 阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。 ⑷ P3 口： P3 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P3 的输出缓冲级可驱动 4 个 TTL逻辑门电路。 对端口写“ 1”，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。 此时，被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流。 此 外， P3 口还接收一些用于 Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 ⑸ RST： 复位输 入， 当振荡器工作时， RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 ⑹ ALE/PROG： 当访问外部程序存储器或数据存储器时， ALE（地址锁存允许）输入脉冲或用于锁存地址的低 8 位字节。 一般情况下， ALE 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时或用 于定时目的。 要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。 如有必要，可通过对特殊功能寄存器（ SFR）区中的 8EH单元的 D0 位 置位，可禁止 ALE 操作。 该位置位后，只有一条 MOVX 和 MOVC 指令才能将 ALE 激活。 此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ALE 禁止位无效 ⑺ PSEN： 程序存储允许 PSEN 输出是外部程序存储器的读选通信号，当 AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 PSEN 有效，即输出两个脉冲。 在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 PSEN 信号。 ⑻ EA/VPP： 外部访问允许， 欲使 CPU仅访问外部程序存储器（地址为 0000HFFFFH）， EA 端必须保持低电平（接地）。 需注意 的是：如果加密位 LB1 被编程，复位时内部会锁存 EA端状态。 如 EA 端为高电平（接 Vcc 端）， CPU则执行内部程序存储器中的指令。 河北工程大学毕业设计说明书 6 ⑼ XTAL1: 振荡器反相放大器的内部时钟发生器的输入端。 ⑽ XTAL2: 振荡器反相放大器的输出端。 存储区结构 ⑴ 程序存储器 一个微机系统之所以能够按照 — 定的次序进行工作，主要在于内部存在着程序，程序实际上是由用户程序形成的一串二进制码，该二进制码存放在程序存储器之中， 8952 有 8K 内部 ROM 用来存放程序 ⑵ 内部数据存储器 8952 内部有 256 个字节的随机存取存储器 RAM，作为用户的数据寄存器，它能满足大多数控制型应用场合的需要，用作处理问题的数据缓冲器。 ⑶ 特殊功能寄存器 (SFR—— Special Function Register) 特殊功能寄存器反映了 8952 的状态，实际上是 8952 的状态字及控制字寄存器。 SFR 综合的、实际的反映了整个单片机基本系统内部的工作状态及工作方式。 ⑷ 位地址空间 8952 的一个很大优点在于它具有一个功能很强的位处理机。 在 8952（兼容 MCS— 51）的指令系统中，有一个位处理指令的子集，使用这些指令，所处理的数据仅为一位二进制数 (0 或 1)。 在 8952 单片机内共有 211 个可寻址位，它们存在于内部RAM(128 个 )和特殊功能寄存器区 (83 个 )中。 ⑸ 外部数据寄存器 8952 应用系统往往是一个扩展系统。 当片内 RAM 不够用时，可在片外部扩充数据存储器。 8952 给用户提供了可寻址 2*64K 字节的外部扩充 RAM 的能力，至于扩多少 RAM，则根据实际需要来定。 ⑹ 中断寄存器 AT89C52 有 6 个中断源， 2 个中断优先级， IE 寄存器控制各中断位， IP 寄存器中 6 个中断源的每一个可定为 2 个优先级。 河北工程大学毕业设计说明书 7 4 模块电路设计 数据采集模块 数据采集所用器 件 ⑴ 电压互感器 本设计选用 380/100 电压互感器。 额定输入电压为 500V，可输入 380V电压输出 100V。 ⑵ 电流互感器 1500/5 电流互感器 本设计选用 电流互感器。 工作额定电压为 500V，额定电流比为 20Ａ /5Ａ。 电流互感器二次侧是不允许开路的 ⑶ 零序电流互感器 零序电流互感器型号为 CT(Z)FL150 本设计选用一次侧电流为 10MA~100A，二次 TH44 交流电压信号隔离变换器 /变送器 TH44 交流电压信号隔离变换器 /变送器，用来测量 工频交流电压量，输出隔离的标准模拟量信号。 最小测量范围工频 0~20mV，最大测量范围为侧电流为 ~30MA ⑷ 电压变换器工频 0~450V。 本设计选用输入电压为 0~270V，输出为 0~5V ⑸ 电流变换器 本设计选用武汉格蓝若光电互感器有限公司的电流变换器。 ⑹ RC 二阶滤波电路 ⑺ 采样保持器 LF398 信号采样保持电路 采用保持器 LF398 对电压信号进行采样 /保持。 在单片机 口的控制下，高电平，采样；低电平，保持。 芯片特点 ： LF398 是一种高性能单片采样 /保持器。 它具有很高的直流 精度、很快的采样时间和低的下降速度。 器件的动态性能和保持性能可通过合适的外接保持电容达到最佳。 例如选择 1000PF 的保持电容，具有 6us 的采样时间，可达到 12bit 的精度。 LF398 的价格低河北工程大学毕业设计说明书 8 廉。 电源电压可从177。 5～177。 18V任意选择，其性能几乎无影响。 采样 /保持的逻辑控制可与 TTL 或 CMOS 电平接口。 它可广泛地应用于高速 A/D 转换系统、数据采集系统和要求同步采样的领域。 该器件外形采用 8 脚 DIP 封装结构。 采样模块原理 通过电压互感器，电流互感器，变换器，滤波电路得到的电压信号由采样保持器LF398 的引脚 3 输入。 引脚 8 是逻辑输入端，它与单片机的 脚连接。 由单片机输出高低电平控制采样保持器采样或保持（高电平采样，低电平保持）。 通过调节保持电容CH 来改变采样频率， CH 减小可以提高采样频率，相反，适当增大也可以降低采样频率。 多路转换模块 在切换速度要求高、路数多的情况下 ,宜选用多路模拟开关。 考虑到其后 级 A／ D 转换 的速度 ，又由于本设计共有 7 个采样信号，所以选用 8 路的转换器 AD7501.,它的速度略大于 AD AD7501 原理 介绍 AD7501 型多路模拟开关集成芯片 ，这是具有 8 路输入通道、 1 路公共输出的多路开关 CMOS 集成芯片。 由三个地址线（ A0、 A A2）的状态及 EN 端来选择 8 个通道之中的一路，片上所有的逻辑输入端与 TTL/DTL 及 CMOS 电路兼容。 转换模块工作原理 由 7 路采样保持器 LF398 的引脚 5 输出的采样值分别与多路转换开关 AD7501的 S1~S7 引脚相接。 AD7501 的 EN 脚与单片机的 相接，当 EN 被置 1 时，多路转换开关开始工作。 它的 A0， A1， A2 引脚分别与单片机的 ， ， 引脚相接，有单片机发出信号指示多路转换开 关选通哪个通道。 A/D 转换模块 采样得到的信号都是模拟信号，不能被单片机识别，所以采用 AD 转换器将模拟信号转换成数字信号。 考虑到分辨率和转换精度此次设计采用 12 位的转换器 AD574. A/D574 芯片介绍 河北工程大学毕业设计说明书 9 AD574 是一个完整的 12 位逐次逼近式带三态缓冲器的 A/D 转换器，它可以直接与8 位或 16 位微型机总线进行接口。 AD574 有 6 个等级，其中 AD574AJ、 AD574AK 和AD574AL 适合在 0~+70℃ 温度范围内工作 ,AD574AS、 AD574AT 和 AD574AV适合在55～ +125℃ 温度范围内工作。 AD574 DB0～ DB11—— 12 ULOGIC —— 逻辑电源 +5V（ +~+ UCC—— 正电源 +15V（ +～ +）。 UEE—— 负电源 15V（ ～ AGND、 DGND—— 模拟和数字地。 STS—— 转换状态信号。 转换开始 STS＝ 1,转换结束 STS＝ 0。 10VIN—— 模拟信号输入。 单极性 0～ 10V，双极性177。 5V 20VIN—— 模拟信号输 入。 单极性 0～ 20V，双极性177。 10V。 REFIN—— 参考电压输入。 REFOUT—— BIPOFF—— 双极性偏置。 CS：片选信号，低电平有效。 CE CS CE 同时有效， AD574A 才能工 作。 R／ C：读出或转换控制信号，用于控制 ADC574A 是转换还是读出。 当为低电 平时，启动 A／ D 转换。