智能电机保护器

智能电机保护器 兰州理工大学毕业设计说明书 目录 第1章 综述 ............................................................... 3 1.1 课的提出依据和意义 ................................................ 3 1.2 国内电机保护的历史和现状 ............................................ 4 1.2.1 以熔断器、热继电器为主的机械式保护方式 .......................... 4 1.2.2 普通电子式电机保护器 ............................................ 4 1.2.3 智能型电机保护器 ................................................ 5 1.3 设计的内容 .......................................................... 5 第2章 电机保护原理 ....................................................... 7 2.1 异步电动机运行原理 .................................................. 7 2.2 电机参数计算原理 .................................................... 7 2.3 三相制的星型接法和三角形接法 ........................................ 8 2.4 电动机故障分析 ...................................................... 8 2.5 电动机保护原理分析 .................................................. 9 2.3.1过流保护 ......................................................... 92.3.2 反时限电流保护 ................................................. 10 2.3.3 漏电流保护 ..................................................... 10 2.3.4 电压保护 ....................................................... 11 第3章 硬件电路设计 ...................................................... 12 3.1 概述 ............................................................... 12 3.1.1 硬件设计的技术要求 ............................................. 12 3.1.2 电机保护装置综述 ............................................... 12 3.2 硬件电路的各部分电路设计 ........................................... 13 3.2.1 中央处理器电路设计 ............................................. 13 3.2.2 键盘电路设计 ................................................... 20 3.2.3 液晶显示电路设计 ............................................... 21 3.2.4 电源电路设计 ................................................... 25 3.2.5 数据采集电路设计 ............................................... 26 3.2.6 报警电路设计 ................................................... 29 3.2.7 继电器驱动电路设计 ............................................. 30 第4章 系统软件设计 ...................................................... 32 4.1 软件系统整体设计及程序设计语言的选择 ............................... 32 4.1.1 程序设计的原则和语言选择 ....................................... 32 4.1.2 软件系统共整体设计 ............................................. 32 共110页，第1 页 兰州理工大学毕业设计说明书 4.2 主程序的设计 ....................................................... 33 4.3 键盘子程序设计 ..................................................... 33 4.4 显示子程序设计 ..................................................... 36 4.5 A/D转换子程序设计 .................................................. 36 3.6 数据处理、保护决策子程序设计 ...................................... 39 4.7 保护动作子程序设计 ................................................. 39 第5章 系统看干扰设计 .................................................... 40 5.1 概述 ............................................................... 40 5.2 硬件抗干扰设计 ..................................................... 40 5.3 软件抗干扰设计 ..................................................... 41 ..................................................................... 42 参考文献 ................................................................. 44 外文原文 ................................................. 错误～未定义书签。 外文译文 ................................................. 错误～未定义书签。 致谢 ..................................................... 错误～未定义书签。 附录1 系统程序 .......................................................... 46 附录2 元器件明细表 ...................................................... 92 共110页，第2 页 兰州理工大学毕业设计说明书 第1章 综述 1.1 课题的提出依据和意义 电动机因其结构简单、价格低廉，机械特性较好、运行维护方便等优点在国民经济各行业中获得了广泛的应用。我国的电动机总装机容量约占全部用电设备总容量的75,以上，而耗电量约占总发电量的70%以上。其中0.55,100kW的中小型异步电动机的用电量占全国总发电量的40%左右。然而电动机的故障率也居各种电气设备之首。日本电气协会PM研究会对供电1000kW以上的652个工厂中的异步电动机、特殊电动机、变压器及其它等14种电气设备故障率进行了调查分析，结果表明故障率最高者为电动机，高达38.1%。全国每年烧毁电动机的数量在20万台次以下，总容量约4000万kW，直接损失达16亿元左右，间接损失高达百亿元。因修复电动杌每年消耗电磁线5000万蜒。生产1kg铜线需33.4kWh电能，每年为此需消耗16.7亿kWh电能。由此可见，对生产系统而言，电动机不但是为数众多、应用面广的动力设备，而且又是虽为薄弱的环节。 近年来，新材料、新工艺的大量使用，电动机正朝着功率与体积之比值越来越大的方向发展。大型电动机的单台价值可高达百万元，由于保护技术落后，其烧损情况也十分严重。这种情况在国内外各行各业中普遍存在，直接经济损失巨大。而大型电动机往往又是重要生产过程的动力和重要辅机设备，若其损坏还将中断重要的生产过程，影响安全生产和产品质量，其间接损失是难以估价的。大型电动机的故障诊断与保护，长期以来一直是学术界和工程界的研究热点和难题。 此外，由于自动化生产过程中各种自动控制设备的出现，要求电动机经常运行在频繁起动、制动、正反转以及变负荷等多种工况。造成电动机的使用条件恶化。因此，研究有效的电动机保护方法与设备，使其既能对电动机可能出现的各种故障实施可靠的保护(又能充分发挥电动机的过载能力，是减小生产过程中的经济损失，提高经济效益必需解决的问题之一。从某种程度上讲，电动机的保护与电动机的设计、制造、控制同等重要。 在传统的电动机保护器中，检测和保护功能多由电磁元件完成。动作时问误差大，保护精度低，整定困难。随着人们对电动机保护可靠性要求的越来越高，电磁式电动机保护器难以满足要求。1997年国家机械部等八部委联合发文宣布:从1997年12月31日起停止生产热继电器等落后机电产品，逐步以新型电子式电动机保护器代替原热继电器。因此，为了实现对电机的可靠保护，以PIC单片机为中心，研制一套对电机断相、不平衡、轻载、过流、堵转、短路、过压、欠压等常见的故障具有综合保护功能的智能电机保护器。 共110页，第3 页 兰州理工大学毕业设计说明书 1.2 国内电机保护的历史和现状 1.2.1 以熔断器、热继电器为主的机械式保护方式 热继电器是建国以后从前苏联引进技术开发的金属片机械式电机过载保护器，是长期以来我国电机保护器所采取的主要技术方法。这种电机保护器由熔断器、接触器、断路器及热继电器组成，控制方式主要分为以下四种:(1)熔断器一交流接触器一热继电器;(2)断路器一交流接触器一热继电器;(3)熔断器一断路器:(4)熔断器一断路器一交流接触器一热继电器。热继电器是用于保护电动机因过载引起过电流的装置。热继电器在电子技术尚不发达的时代曾是电机过载保护的首选产品，利用的是双金属片热效应原理:双金属片是由两片不同膨胀系数的金属铆合而成，通过的电流使它们产生热量，并向膨胀系数小的一边弯曲，弯曲的程度和电流的大小成正比，当电流超过热继电器整定电流的一定时间就会启动其中的脱扣装置，从而起到切断主回路达到保护的目的。热继电器具有反时限特性和结构简单、安装方便等优点;同时，它也有一定的缺陷，由于材料的热滞后效应导致热继电器有保护时滞和对轻微堵转、过载保护欠佳的缺点。 由于上述缺点电机容易长期运行在轻微过载状态，使电动机绕组产生热积累，绕组温升超过额定值，绕组绝缘老化，影响电机使用寿命。另外，受制造工艺限制，热继电器的性能有一定的分散性，动作曲线与电机实际保护曲线不协调，使电机有效功率下降，严重时还会导致误动作。正因为如此，这种传统的电机保护方法正在被逐步淘汰，新设备上已基本看不到它的身影。 1.2.2 普通电子式电机保护器 从上个世纪七八十年代开始，随着半导体技术、电子技术的发展及广泛应用，一批新的基于分立电子元件和中小规模集成电路的新型电机保护产品应运而生。此类保护器从保护取样方式上大致分为电压取样型和电流取样型。电压取样型电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。我国电子式保护器是由晶体管型发展至集成电路型，装置功能基本满足电机保护的要求。但是设计思路的限制导致这些电机保护器仍有一些难以克服的缺陷，这主要表现在: (1)精度不高。由于整个保护器是由众多分立元件集合而成，任何一个元件的性能都会对整个系统产生很大影响。各个元器件之间连线繁杂，在复杂电磁环境中极易受到干扰，对温度的敏感性也很高，这常常导致保护器不能正常工作。 (2)无法实现参数存储、通信等功能。受器件功能影响，在由分立元件构成的电机保护器上无法实现像参数记录，实时通信这样的高端功能，这也限制了这类保护器的应用范围。 (3)另外，整个保护装置中的元件、节点众多，大大增加了系统的故障点，导致保 共110页，第4 页 兰州理工大学毕业设计说明书 护器调试困难。 1.2.3 智能型电机保护器 微电子技术的深入发展，大规模乃至超大规模集成电路成果日新月异。以微控制器、数字信号处理器、可编程逻辑控制器等为代表的智能型控制器不断进步，在国民经济的各个领域都取得了重大成果。基于智能型控制器的电动机保护器与前两种保护方式相比具有先天的优势。这种智能化电机保护装置具有处理速度快、智能化程度高等优点，可以实施各种非常复杂的算法和各种保护功能;由于能够方便地实现自检测试功能从而减少了装置的维修工作量，避免了因装置缺陷引起的保护不正确动作，提高了保护的可靠性。它可以同时对电动机进行断相、过载、短路、欠压、三相不平衡、堵转、漏电等进行保护。它还拥有显示、通信、故障记录等功能。智能型电机保护器正以其优异的性能取得各大原始设备生产商的青睐，它将是电机保护器的主要发展方向。 智能型电动机综合保护器的设计要考虑下面几个方面的问题: (1)适应性由于电机的种类繁多，加之不同厂家生产的电机也有差别。因此(智能型电动机综合保护器应该有较好的适应性，即通过简单方便的设置就可使保护器满足不同的保护特性的要求。 (2)准确性为了充分发挥电机自身的过载能力，同时还要对电机进行有效的保护。要求保护器的动作要准确。不准确的动作或造成电机的损坏，或不能充分发挥电机的过载能力，造成不必要的跳闸断电，影响生产。 (3)可靠性可靠性则要求保护器在无故障时不能产生误动作，而在故障发生时又不能拒绝动作，特别是在堵转、启动和短路时。要在规定的时间内，准确、可靠地完成规定的保护功能，设计的合理性以及制造时的工艺保证是非常重要的。 1.3 设计的内容 本课题的具体内容包括如下几个方面: (1)分析电机发生故障时定子电流的变化情况 电动机发生故障时，定子电流的幅值和相位都会发生变化。掌握这些变化情况是进行电动机故障分析与故障类型判断的基础。 (2) 确定电机保护器的设计 根据智能电机保护器的综合要求，以及对电机发生故障时的电压和电流的分析，所得到的在每一种电机故障下的电压和电流的变化情况，确定一个比较符合设计要求的方案。 (3 ) 硬件电路设计 本设计拟采用PICl6F877单片机为核心，配合其它外围元器件实现智能型电机保护器的硬件设计。根据智能型电机保护器的要求，硬件电路应由电流信号采集系统、电压 共110页，第5 页 兰州理工大学毕业设计说明书 信号采集系统、键盘与显示系统、中央处理系统、模拟保护系统和电源系统等组成。 (4) 软件程序设计 根据智能型电动机保护器所要实现的功能编箭相应的软件。软件应包括数据采集模块、故障分析处理模块、显示模块、键盘输入模块及通讯模块等。 共110页，第6 页 兰州理工大学毕业设计说明书 第2章 电机保护原理 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，即感应电机，由于其结构简单、制造方便、运行可靠、价格低廉，是工农业生产交通运输等领域的主要动力设备。本论文以异步电动机为例阐述电动机保护器的设计。 异步电动机的基本运行原理是:三相对称绕组通以三相对称电流就会产生圆形旋转磁场，该圆形旋转磁场的转速为同步速，转向取决于通电相序。旋转磁场在闭合的转子绕组中产生感应电流，转子即在电磁力的作用下做旋转运动，转速小于同步速。 假定忽略空间和时间谐波;忽略磁饱和;忽略铁损。根据电路等效的原理，将电动机的转子侧折算到定子侧，并保持在折算前后磁势保持不变，电磁功率及损耗保持不变。折算后的电动机等效电路原理图如图2(1所示: 图2(1 三相异步电动机等效原理图 其中:U是电动机定子侧线电压，R，L是电动机定子绕组电阻、电抗，Lm为电动ssls ,Rr机的励磁电抗，L,是电动机折算到定子侧的转子电阻、电抗。 lsS 2.2 电机参数计算原理 实际应用中，大功率的用电设备大多采用三相制，这是因为三相制在技术上和经济上具有重大的优越性。智能电机数据采集、保护器的最基本的工作原理就是通过对电机运行参数的采集、运算再结合电机的设定参数来判断电机的运行状态。因此对电机运行时的三相电压、电流值的采集就尤为重要。在本系统中我们采用了以下的办法:在一个周期内对分别对正弦三相电压、电流进行采样，采样点数目为128个，然后将采来的离散化的数据进行综合计算。最后得出三相电压、电流的有效值、电机消耗的有功功率、无功功率、功率因数以及总电量。我们首先对三相电路相关的知识进行介绍。 共110页，第7 页 兰州理工大学毕业设计说明书 三相电路一般是由三个频率相同、波形相同而相位不同的正弦电压作为供电电源并且带有三个负载的电路。三相电源的每一部分成为一个相。三相电路一般分为对称三相电路和不对称三相电路。 对称三相电路是指三相电压不仅频率相同，波形相同而且相位差相等。在实际的对称三相电路中，若以一相为A相，则认为比A相相位滞后120度的为B相，再涝后120度的为C相。 当三相电路中电源电压不对称或电路参数不对称时，电路中的电流一般也是不对称的。这种电路称为不对称三相电路了，它是一个复杂的正弦交流电路。 在三相电路中，负载一般也由三个部分电路组成的。每一部分称为负载的一个相，这样的整体负载叫三相负载。 2.3 三相制的星型接法和三角形接法 三相电源的基本联接方式有两种。一种是星形联接，或称y联接;另一种是三角形联接，或称?联接。三相负载也分别对应有星形和三角形两种基本接法。下面分别介绍这两种接法。 1、 星形联接 星形联接又分为两种情况。一种是对称情况下的星形联接，在对称的星形联接中，相电压对称的情况下，线电压也是对称的。线电压与相电压有效值之间的关系为;线电 3压的有效值等于相电压有效值的倍。三个相电流有效值相等，三个线电流有效值也相等。而且有相电流等于线电流。另外一种则是不对称的星形联接。当三相电路不对称时，线电压与相电压的关系只服从:线电压等于相应的两个相电压之羞:线电流与相电流相等。 2、三角形联接 三角形联接又分为两种情况。一种是对称情况下的三角形联接，在对称的三角形联接中线电流与相电流有效值之间的关系为:线电流的有效值等于相电流有效值的?3倍。另一种是相电压有效值相等，三个线电压有效值也相等。而且有相电压等于线电压。另外一种则是不对称的三角形联接。当三相电路不对称时，线电流与相电流的关系只服从:线电流等于相应的两个相电流之差;线电压与相电压相等。 2.4 电动机故障分析 对电动机来说，其故障形式从机械角度可以分为绕组损坏和轴承损坏两方面。 造成绕组损坏的主要原因有: (1)在长时间的电、热、机械和化学作用下，绕组的绝缘老化损坏，定转子绕组匝间短路或是对地短路。 共110页，第8 页 兰州理工大学毕业设计说明书 (2) 电网供电质量差，电源电压三相不平衡、电压波动大、电网电压波形畸变、高次谐波严重或者电动机断相运行。 (3) 电源电压过低使得电动机启动转矩不够，电动机不能顺利启动或者是在短时间内重复启动，电动机长时间承受过大的启动电流导致电机过热。 (4) 因机械故障或其它原因造成电动机转子堵转。 (5)某些大型电机冷却系统故障或是长时间工作在高温高湿环境下造成电机故障。 造成轴承损坏的原因有很多: (1)机械负荷太大; (2)润滑剂不合适; (3)恶劣工作环境对轴承的损坏。 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，因此论文主要分析解决绕组故障。 从电气角度分析，引起电动机绕组损坏的常见故障分为对称故障和非对称故障两大类。对称故障主要有:三相短路、堵转、对称过载等，这类故障对电动机的损坏主要是机械应力和电流增大引起的热效应使绕组发热甚至烧毁。 不对称故障主要有断相、三相不平衡等，不对称故障在故障早期没有特别明显的过电流或过热表现，但若不及时查找故障原因排除故障则可能造成严重后果。 2.5 电动机保护原理分析 电动机保护原理的研究是保证电动机智能保护器性能高低的关键，在参阅了国内 外大量文献的基础上，根据前面对故障的分析，电动机在发生对称故障和不对称故障时，电动机的三相电流都会发生变化。根据这一结论对电动机常见故障的保护措施分析如下: 2.3.1过流保护 电动机是故障率较高的一种电气设备，损坏的主要表现形式是过热烧坏，原因是三相电流过大、三相负荷过大、堵转等。而定子绕组一相断线、不对称短路、不对称负荷、三相电源电压不对称等均可造成电流过大的现象。 定子绕组通以三相对称电流产生的旋转磁场对定子自身来说为同步速，对于正常运行的电机来说，二者转速相差不大。一旦三相丁柳不对称，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速相对于转子运动。 假设对应的转子正序电流近似为直流电阻R1，对应的转子负序电流为交流电阻R2，对于异步电动机有: 共110页，第9 页 兰州理工大学毕业设计说明书 R1 (2.1) (1.256),,K rR2 这就是说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KR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。 根据电流的大小，将过流保护分为三段: (1) I/In>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) I/In = 4,8 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) I/In =1.2,4 时设置反时限过流保护来防止电动机长时间过载运行定子部分过热而引起的损坏。 2.3.2 反时限电流保护 所谓的反时限电流保护的保护装置的动作时限原先是按照10倍的动作电流来整定的，而实际的动作时间与其电流呈反比关系变化，电流越大，动作时间越短。其保护动作方程如下: ST, (2.2) 2I2||1.05,2In 式中:In为电动机的额定电流; S为电动机发热时间常数，表示电动机的过载能力。 过载保护一般都采用反时限来计算保护时间，当电动机运行在超过整定值时，过载保护投入，开始利用反时限公式计算时间，一旦故障超过了计算时间t之后，则动作与出口，实现对电动机的保护。 2.3.3 漏电流保护 额定漏电动作电流(IΔn)，是在规定条件下必须动作的漏电动作电流值。它反映了漏电保护的漏电动作灵敏度。国家标准GB6829 规定额定漏电动作电流的优先值为:0.006 A，0.01 A，0.03 A，0.05 A，0.1 A，0.3 A，0.5 A，1 A，3 A，5 A，10 A，20A。其中30mA及其以下者属于高灵敏度型， 30mA至1A者为中灵敏度型，1A以上者属于低灵敏度型。 额定漏电不动作电流(I?no)，是由制造厂规定的漏电保护器在规定的条件下必须不动作的漏电电流值。它是为了防止漏电保护器误动作，使之能在电网上投入运行所必需的技术参数。因为任何电网都存在正常工作所允许的三相不平衡漏电流，如果漏电保护器没有漏电不动作电流的限制，将无法正常运行。很明显，额定漏电不动作电流值 共110页，第10 页 兰州理工大学毕业设计说明书 越趋近于额定漏电动作电流，漏电保护器性能越好，但同时制造也越困难。国家标准GB6829规定额定漏电不动作电流的优先值为0.5I?n，如果采用其他值应不低于0.5I?n。 漏电流保护电路动作的延时时间的优选值为0.2S，0.4S，0.8S，1S，1.5S，2S，且只适用于I?n,0.03A用于间接接触保护的漏电保护。 2.3.4 电压保护 电网电压的质量严重影响着电动机的正常运行，电网电压的波动、电压波形畸变都会给电动机的正常工作带来重大影响，瞬间电压尖峰或是电压跌落甚至可以造成电动机永久损坏，因此有必要对电网电压进行检测，实时保护电动机正常运行。电压保护主要有以下两种情况: (1) 欠压保护，当电压小于Us时，应立即将电机从电网上切除。 (2) 过压保护，当电网电压大于Us时，应该根据过压情况的严重程度采取不同措施， 轻微过压时延时跳闸将电机从电机切除，严重过压时应立即跳闸以防止高电压 将电动机绕组间绝缘材料击穿，导致严重事故。 共110页，第11 页 兰州理工大学毕业设计说明书 第3章 硬件电路设计 本章详细讨论电动机智能保护器的硬件电路设计，本文的硬件系统以PIC16F877单片机为核心，并配以外围电路构成。考虑到电动机智能保护器的应用环境及可靠性要求，在具体的电路设计和芯片选型方面充分考虑了该保护器的实际需要。 硬件电路的设计是整个系统设计的基础，设计的好坏不仅直接影响硬件系统本身功能的实现，而且对以后的软件系统设计与实现有很大的影响。所以硬件电路的设计不仅要考虑装置系统功能的要求，还要考虑到使系统软件设计实现时更简单方便。 3.1 概述 3.1.1 硬件设计的技术要求 智能电动机保护器的工作环境中通常存在大量的机电设备，这些机电设备在启动、运行、停止时都会产生大量的电磁干扰。而且在电动机产生故障时能够及时准确地发出保护命令，这就对保护器的硬件电路设计提出如下的要求。 (1) 所设计的智能电机保护器可以保护各种电机(包括大容量的电机和小容量的 电机)，并且保护电路的动作要灵敏; (2) 所设计的智能电机保护器的动作电流整定值和动作实践整定值是可以通过键 盘输入的; (3) 所设计的智能电机保护器可以显示各种故障，并且有不同的报警; 3.1.2 电机保护装置综述 显示电路键盘输入电路 中央处理器电压、电流电压、电流 PIC16F877单报警电路采样电路处理电路 片机 继电器控制电路 图3.1 系统硬件结构框图 共110页，第12 页 兰州理工大学毕业设计说明书 电动机保护的功能最终是通过硬件来实现的，硬件系统性能的优劣直接影响到保护器的性能指标。而实际的电动机保护器还不得不考虑成本因素，本文本着低成本、高性能的原则，最终决定以Microchip Technoligy公司的PIC16F87X系列的单片机作为核心控制器。16F87X系列的单片机采用14位的RISC指令系统，在保持低价格的前提下，增加了A/D转换器、内部EEPROM存储器、比较输出、捕捉输入、PWM输出(加上简单的滤波电路可以作为D/A输出)、C总线和SPI总线接口电路、异步串行通信(USART)接口电路、模拟电压比较器、Flash程序存储器等许多功能，可以方便地多次编程和调试。 电动机智能保护器的硬件系统以PIC16F877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七大模块:处理器模块，通信模块，电源模块，键盘模块，显示模块，数据采集模块和开关量输出模块。系统硬件模块结构框图如图3.1所示: 3.2 硬件电路的各部分电路设计 3.2.1 中央处理器电路设计 3.2.1.1 PIC16F877单片机的介绍 当我们在为一个系统配置一个微处理器的时候，必须在成本与功能之间进行一系列折衷权衡。通常要考虑的因素很多，可以概括为以下几点: 1) 需要使用的输入输出(I/O)管脚数量; 2) 数据存储器和程序存储器的大小; 3) 处理器的速度; 4) 片上外围资源; 5) 电源; 6) 开发环境要求; 7) 使用周期成本。 PIC是美国Micnocllip公司所生产的单片机系列产品型号的前缀。Microdlip公司是一家专门致力于单片机开发、研制和生产的青啦盏商，其产品设计起点高，技术领先，性能优越。与当前的一些其他主流单片机类型相比，PIC单片机具有很多优势: , 哈佛总线结构 程序存储器和数据存储器独立编址，在芯片内部将数据总线和指令总线分离，并且采用不周的宽度，便于指令的单字节化。在执行一条指令时取下一条指令，便于实现指令的“流水作业”，提高CPU执行速度。 , 精简指令集(RISC)技术 PIC单片机的指令系统只有35条指令，易学好用，而且PIC系列单片机绝大多数指令为单字节。 , 代码压缩率高 共110页，第13 页 兰州理工大学毕业设计说明书 1KB的程序存储器空间，对于MCS-51单片机，大约能存放600条指令，而对于PIC系列单片机8鲁存放1024条指令。 , 运行速度高 由于采用了哈佛总线结构，指令的读取和执行采用了流水作业方式，使得运行速度大大提高。PIC系列单片机的运行的速度远高于其他同档次单片机。在所有8位机中，PICl7CX3(是目前世界上速度最快的品种之一。 , 功耗低 PIC系列单片机的功率消耗极低，其中有些型号在船k时钟下工作时耗电不超过2mA，在睡眠模式下耗电可以降低到luA以下。 , 驱动能力强 PIC单片机的每个I/O引脚吸入和输出电流的最大值可分别达到25mA和20mA，能直接驱动发光二极管LED、光电耦合器或微型继电器等。 , 外接电路简洁 PIC系列单片机片内集成了上电复位电路、看门狗定时器、A,D转换模块、CP模块(caprure,compare,PWM)、EEPROM模块等多种外围接口模块，可以很大程度的减少外围器件，这不仅方便了开发，还可节省电路板空间和制造成本。 , 程序保密性强 目前，尚无办法对其直接进行解密拷贝，可以最大限度的保护程序免受盗版。正是由于PICl6F87X单片机具有以上优点，本保护器采用了PICl6F877单片机作为其核心部件。该单片枧具有8K FLASH程序存储器，368字节RAM和256字节EEPROM存储器，可用于程序运行期间的数据传递和重要数据的保存。因此，不再需要在外部进行存储器扩展，简化了电路设计，提高了系统的可靠性，降低了系统的成本。 , 功能强大的I/O 端口 其输入输出功能很强，芯片可在一个指令周期内(200ns)对任何寄存器中的任何一位完成位置1、置0、位检测功能。其与外部电路和接口效率非常高，可作为高速I/O 控制器。I/O 口有多种功能，可由软件控制每个I/O 引脚对输入和输出的分时多路复用。 , 中断特性 PIC16CXX、PIC16F87X 和PIC17CXX 有中断功能。可以选用多个不同数目的内部和外部中断源。中断控制可以进行全局控制和分别控制。外围接口的中断优先级用软件控制。还可以用不同的中断源激活处理器从休眠中苏醒。 , 程序可移植性强 PIC 单片机不搞简单的功能堆积。Microchip 公司提供了不同系列不同型号的单片机，众多型号的单片机其运行性能有高有低，片上功能资源有多有少，但始终保持了高度一致的可移植性。这样，设计工程师就可以在最初定方案时挑选一款功能最恰当的芯片，随着开发的深入，能够随时方便的将整个设计移植到其他型号的单片机上，保证最 共110页，第14 页 兰州理工大学毕业设计说明书 终产品中使用的单片机不会有太多的资源浪费，提高了产品的性价比。 基于PIC 单片机的众多优点，并通过上述方法进行认真的比较和筛选，最终选定Microchip 公司的PIC16F877 为本试验的微处理芯片。 3.2.1.2 PIC16F877 单片机的结构 PIC16F877 单片机的内部结构按照功能分可以分为两大部分，即内部核心模块和外围功能模块。如图3.2 所示。 PIC16F877 的核心区域主要包含如下部件:算术逻辑单元(ALU)、工作寄存器(W reg)、状态寄存器(STATUS reg)、间接寻址寄存器(FSR reg)、复用器、RAM 数据存储器、FLASH 程序存储器、堆栈STACK、上电复位电路、上电延时电路、起振延时电路、看门狗定时器、欠压复位电路等。 PIC16F877 单片机内部集成的外围模块种类和数量都比较多，功能和使用方法也比较复杂。PIC16F877 外围主要包括如下功能模块: 图3.2 PIC16F877功能框图 共110页，第15 页 兰州理工大学毕业设计说明书 1、 端口 PORTA(6 位)、PORTB(8 位)、PORTC(8 位)、PORTD(8 位)、PORTE(3 位):均有多条引脚的输入/输出可编程的端口，合计共有33 个引脚。 2 、定时器 Timer0(8 位)、Timer1(16 位)、Timer2(8 位):具有不同位宽的可编程定时器，除Timer2以外都可以作为计数器使用。另外，还有2 个重要的专门用途:Timer1 可以与捕捉/比较/脉宽调制CCP模块配合实现捕捉和比较功能;Timer2 可与捕捉/比较/脉宽调制CCP 模块配合实现脉宽调制输出功能。 3 、EEPROM 数据存储器:是一个256×8 位电可擦/写的存储器。存储的内容在掉电时不会丢失。 4、 A/D 转换器:具有8 个模拟量输入通道和10 位分辨率的模/数转换器，用于将外部的模拟量变换成单片机可以接收和处理的数字量。 图3.3 PIC16F877的引脚图 5 、捕捉/比较/脉宽调制CCP1、CCP2:PIC16F877 单片机内包含2 个基本相同的CCP 模块，分别与Timer1 和Timer2 配合可实现输入捕捉、输出比较和脉宽调制输出功能。 6、 同步串行端口SSP(Synchronous Serial Port):具有SPI和I2C两种串行工作模式，实现与外接器件或者其他单片机进行特殊通信。 7、通用同步/异步收发器USART:是一种常规的两线式串行通信模式，在PC 机和单 共110页，第16 页 兰州理工大学毕业设计说明书 片机中都有配置。可以定义为2 种工作方式:半双工同步方式和全双工异步方式。 8、 并行从动端口PSP(Parallel Slave Port):是一个数据传送的高速通道，可以与其他具有开放总线的单片机、数字信号处理器DSP或微处理器的并行数据端口连接。 在PICl6F877内部还集成了上电复位电路、上电延时电路、起振延时电路、看门狗定时器、lO位A,D转换模块、串行输入输出端口，另有多达33个可作数字和模拟通道的I/O端口，所以完全可以满足系统的设计要求。 PIC16F877引脚图如图3.3所示。 表3.1 40脚PIC16F877引脚功能说明 引脚名称 引脚号引脚功能说明 PDIP 类 型 OSC1/CLKIN 13 I 时钟振荡器输入端/外部时钟源输入 OSC2/CLKOUT 14 O 时钟振荡器输出端，在晶体振荡器方式 下，在晶体或陶瓷谐振器;在RC方式下， 输出1/4 MCLR//THV 1 I/P 人工复位(低电平有效)/编程电压输入/ 高电压测试方式控制 RA0~RA5 2~7 I/O 输入/输出可编程的双向5线端口;此外i 全部引脚都有第2哦那功能，部分引脚还 有 第3功能 RB0~RB7 33~0 I/O 输入/输出可编程的双向端口;作输入时 内部有可编程的弱上拉电路 RC0~RC7 15~18 I/O 输入/输出可编程的双向端口;此外部分 引脚还有第2、第3功能 RD0~RD7 19~22 I/O 输入/输出可编程的双向端口;此外全部 27~30 引脚都有第2功能 RE0~RE2 8~10 I/O 输入/输出可编程的双向3线端口;此外全 部引脚都具有第2功能和第3功能 V 12，,31 P 接地端 SS V 11,32 P 接电源正极 DD 3.2.1.3 单片机复位电路设计 复位是使单片机初始化，然后从程序存储器的复位单元 0000H 开始执行指令。PIC16F877 单片机的实现复位或引起复位的条件和原因可以归纳为以下4 类: 1 手动复位。单片机无论是在正常运行程序，还是处在睡眠状态或者出现死机状态，只要在人工复位端加入低电平信号，就会令其无条件复位。 共110页，第17 页 兰州理工大学毕业设计说明书 2 上电复位。每次单片机上电时，上电复位电路都要对电源电压VDD的上升过程进行检测。当VDD上升到规定值1.6,1.8V时，就产生一个有效的复位信号，经过72ms+1024 个时钟周期Tm的延时周期，使单片机复位。 3 看门狗复位。因程序不能正常运行等原因，或在程序执行过程中没有对看门狗定时器WDT 进行及时清0，WDT 就会出现超时溢出，这时就会引发单片机复位。 4 欠压复位。由于系统原因或其他故障，会造成电源电压跌落。当电压低于4V 后，将引起单片机复位并一直保持在复位状态，直到电源恢复正常。 单片机的复位电路是易受干扰的敏感部分，当复位端口串入干扰时，一般不会导致系统的错误但会引起内部的某些寄存器和接口电路的状态变化，造成系统工作失常，因此在设计复位电路时，既要保证整个系统的可靠复位，又要考虑复位电路具有较好的抗干扰能力。本设计中采用的复位电路如图3.4 所示。 复位电路具有手动复位和自动复位两种形式。复位电路中的二极管能在电源掉电时使电容C1迅速放电，待电源恢复正常时实现可靠复位，避免了由于电源瞬时掉电而电容C1不能迅速放电而引起单片机不能可靠复位，导致程序运行失控，造成“程序乱飞”和“死循环”。 图3.4 复位电路 电路图说明:电路中的电容C13的电容值是10µF，电阻R7的阻值是10K,电容C13和电阻R7共同构成RC充放电电路。轻触开关SW-PB用于单片机的手动复位，二极管D3在电路中起续流作用，选择型号是IN4007。 3.2.1.4 单片机时钟电路设计 单片机的系统时钟信号一般可以由时钟振荡电路或专用时序脉冲信号提供。它为整个单片机内部工作，也为单片机与其他外接芯片之间的通信提供了可靠的同步时钟信号。PIC单片机系统时钟范围较广，理论上频率范围可以为DC,20MHz。 在控制系统中，时钟电路非常关键。外部时钟是高频噪声源，除能引起对系统的干扰，还可能产生对外界的干扰，因此选用时钟频率低的单片机可以降低系统噪声。在本 共110页，第18 页 兰州理工大学毕业设计说明书 设计中，我们选择了频率为4MHz的外部时钟电路，PIC16F877单片机的单指令周期为1μs，可以满足系统的要求。 PIC单片机的时钟电路是由片内的一个反向器和一个反馈电阻与外接的一个石英晶体和两个电容构成的自激多谐振荡器，如图3.5所示。 图3.5 时钟电路 构成振荡器的反向器U2是具有受控端的三态门。当执行睡眠指令SLEEP时，三态门输出端呈现高阻态，令时钟电路停振，从而迫使单片机的绝大部分片内电路退出工作，进入睡眠降耗模式，达到节电的目的。时钟信号经过另一个反向器U1缓冲后送往各内部电路。外接电路中的各元件参数参照表3.2 进行选择。 表3.2 电容参数选择 FCCXTAL 1/pF 2/ pF 200KHZ 47~68 47~68 1MHZ 15 15 4MHZ 15 15 3.2.1.5 单片机掉电保护电路设计 在数字钟、某些定时器和日历钟等类型的单片机系统中,当主电源 DC5V 失去时，称之为掉电。掉电后，单片机停止工作，时钟也会停止，这种结果在许多场合是不希望的，为了保证单片机在主电压失去时仍然能够保持运行，通常就利用干电池对单片机系统继续进行供电的办法加以解决。单片机允许在电压低至 2V 甚至更低的电压供电时，仍能保证其最基本运行 ( 对外部输入输出功能将会失效或停止)。 外配电池在主电源失去时，对单片机的继续运行提供能源，此时的电池能源是非常宝贵的，往往都是以“ uA ”级进行计算。而且还有一个不能避免的结果，就是随着保护时间的延长，电池的电量也会用完的。所以，保护电路有一个最长保护时间的参数。使用中不能超过，否则，保护就会失效。 共110页，第19 页 兰州理工大学毕业设计说明书 当电池经过保护时间的使用之后，就需要补充电能，以便下一次保护时能够以充足的电能投入保护工作。所以，电池在主电源正常供电时，需要由主电源对其进行充电，当主电源失去时，又由电池放电以保持单片机系统的运行。 本设计所采用的掉电保护电路如图3.6所示 图3.6 掉电保护电路 电路说明:电路中Vcc=6V，当主电源正常时，单片机供电电压是5V，此时5V电压通过D5和R9，对保护用电池进行充电，以保证电池电量的充足。适当选择R9的大小，可以保证充电电流和充电时间都比较合理。图中的电池是3.6V/60mAh，对该电池充电，充电时间选择在8小时左右，选择充电电流为8mA。R9=(6V-0.6V)/8mA(0.6V是串联二极管的 的管压降)，与电池并联的稳压二极管是防止过充电用的。 放电路径是:电池通过R8+R9，对单片机供电端口进行供电，供电电流通过R8+R9之后，会有压降，到达单片机的 Vcc 端口时，电压就会比3.6 V低，一般会在 2V~2.5V 左右。对各型单片机，这个低供电电压会有某些差别(调整电阻 R2 ，在保证单片机能够保持运行的情况下，耗用电流越小越好。 电路中二极管D4、D5的型号是IN4007，电阻R8的阻值是100Ω，电阻R9的阻值是630Ω，稳压二极管的型号是HZ5B3，功率是1/2W，稳定电压是4.8~5.0V。 3.2.2 键盘电路设计 简单的键盘输入电路每一个键都要占一位I/O口，当按键较多时，显得I/O口利用率不高。在这种情况下，可采用矩阵式键盘机构。4×4矩阵结构的键盘共有16个键，每一个键都给予编号s1,s2,s3„„s16，建号分别为0,1,2,3„„15。在应用系统中，键盘上的键按功能可分为两类:数字键和控制键。设计中将键号为0~9的键定义为十进制的数字键0~9，将键号为10的键定义为加一键，将键号为11的键定义为减一键，将键号为12的键定义为电机实时参数显示键，将键号为13的键定义为故障整定值显示键，将键号为14的键定义为参数修改键，将键号为15的键定义为确定键。 共110页，第20 页 兰州理工大学毕业设计说明书 为了从键盘上获取有特定含义的数据，键扫描程序必须解决一下几个问题: (1) 检测当前是否有键按下。检测的方法是由PIC16F877的RB0~RB3输出全为0信号到 行线上，然后读列线RB4~RB7的状态。若RB4~RB7全为1，则无键按下。若有某 一列为0表示有键按下。 (2) 当有键闭合时，需要去抖动。最简单的方法是在检测到有键按下时，延时一段 时间，等待按键可靠接触后，才确定是哪一个键被按下。这可以通过调用延时 子程序来解决。当系统有显示器时，也可以调用几次显示子程序来达到延时去 抖动的目的。 (3) 在确认有键按下后，需要进一步判断是哪一个键按下。方法是对键盘进行扫描， 所谓扫描就是依次给每一行送出0电平，其余各行都为1，并检测每次扫描时所 对应的列状态。 每当扫描输出某一行为0是，相继读入列线RB4~RB7的状态。在依次读入RB4 ~RB7时，若全为1，表示为0的这一行上没有键按下;若不全为1，表示为0的这一行上有键按下。确定了闭合键的位置后，就要计算出键值，即产生键码。然后通过公式:闭合键的键值 = 行号 + 列号来计算键值，并将键值保存。 本设计中用到的键盘电路如下图3.7所示。其中行线接单片机的RB0~RB3口，列线接 RB7口。 单片机的RB4~ 图3.7 键盘电路 3.2.3 液晶显示电路设计 本系统一个很重要的功能就是用液晶显示屏显示各种参数、信息。液晶显示屏可以作为一个很好的人机交互的工具。 按物理结构，液晶显示器可分为如下四种:扭曲相列型(Twisted Nematic，TN)、超扭曲相列型(Super TN，STN)、双层超扭曲相列型(Dual Scan Tortuosity Nomograph 共110页，第21 页 兰州理工大学毕业设计说明书 TN，STN)和薄膜晶体管型(Thin File Transistor，TFT)。前三种类型在显示原理上有着很大的共性，不同之处是液晶分子的扭曲角度各异。第四种TFT是现在最长用的类型。TFT液晶显示器上的每一液晶像素点都由集成在其后的薄膜晶体管来驱动。本设计中就选用了第四种液晶显示器。 3.2.3.1 液晶显示原理 液晶显示器(LCD)是一种新型的低功耗显示器，其基本原理是:在正常情况下，液晶对光具有旋光作用，使光的偏振方向旋转90。，当光线通过两个偏振片和液晶盒后，能沿原路经反射极返回，此时液晶盒呈透明状态;当液晶盒的电极上加一定的电压后，电极连接部分的液晶就失去旋光性，导致不能通过两个偏振片，从而显示黑色。按不同需要组合液晶电极通电方式或把液晶电极做成各种需要的形状，就能实现功能多样、形态各异的显示。 3.2.3.2 液晶显示器的特点 LCD作为电子信息产品的主要显示器件，相对于其它类型的显示器件来说，有其自身的特点: 1) 低电压微功耗:LCD的工作电压一般是3~5V，每平方厘米的液晶显示屏的工作电( 流为微安级，所以液晶显示器件是要求低功耗设备的首选显示器件。 (2) 平板型结构:LCD的基本结构就是由两片玻璃组成的很薄的盒子。这种结构具有 使用方便，生产工艺简单等优点，特别是在生产上 ，适宜采用集成化生产工艺， 通过自动生产流水线可以快速的大批量生产。 (3) 使用寿命长:LCD器件本身几乎没有劣化问题 。若注意器件防潮、防压、防止划 伤、防止紫外线照射、防静电等，同时注意使用温度，LCD可以使用很长一段时 间。 (4) 被动显示:对LCD来说，环境光线越强显示内容越清楚。人眼所感受的外部信息 的90%以上是外部物体对光的反射，而不是物体本身发光，所以被动显示更适合 人的视觉习惯，更不容易引起疲劳。这在信息量大、显示密度高、观看时间长的 场合更显得重要。 (5) 显示信息量大且易于彩色化:LCD和CRT相比，由于LCD没有荫罩限制，像素可以 做的很小，这对于高清晰电视是一种理想的解决方案。同时，由于液晶易于彩色 化，因此方法也很多，特别是液晶电视的彩色可以做的十分逼真。 (6) 无电磁辐射:CRT工作时，不仅会产生电磁辐射，还会产生有害的X射线，影响环 境，而LCD不会有这类问题。 3.2.3.3 金鹏OCMJ4×8C液晶显示器的选择 LCD器件按照采光的方式分类，分为带背光源和不带背光源两大类。不带背光源 共110页，第22 页 兰州理工大学毕业设计说明书 的LCD显示是靠背面的反射膜将射入的自然光从下面反射出来完成;带背光源的LCD显示器内部集成光源，可以在较差的光线条件下实现显示。考虑到电机保护器可能安装到各种无光源条件的工作环境中，所以该电动机保护器选用带背光源型LCD。 综合考虑显示效果、显示信息以及价格等因素，并参考了其它设计案例，最终决定选用金鹏电子有限公司的奥克拉中文集成模块C系列液晶显示器OCMJ4×8C。 3.2.3.4 金鹏OCMJ4×8C的介绍 该液晶显示器可以显示字母、数字符号、中文字型和图形，具有绘图及文字画面混合显示功能。提供三种控制接口，分别是8位微处理器接口、4位微处理器接口及串行接口。所有的功能，包含显示RAM、字型产生器都包含在一个芯片里面，只要一个最小的微处理器系统就可以方便操作。内置2M-位中文字型ROM，总共提供8192个中文字型，16K-位字型产生RAM，另外绘图显示画面提供一个64×256点的绘图区域，可以和文字画面混和显示。 主要工作参数: (1)工作电压:4.5~5.5V (2)逻辑电平;2.7~5.5V (3)LCD驱动电压:0~7V (4)工作温度:-20~75? 液晶显示模块OCMJ4×8C的引脚说明如下表3.3所示。 表3.3 液晶显示模块OCMJ4×8C 引脚 名称 方向 说明 1 VSS - GND 2 VDD - 5V逻辑电源 3 NC - 悬空 4 RS I H:数据 L:指令 5 R/W I H:读 L:写 6 E I 使能，高电平有效 7 DB0 I/O 数据0 8 DB1 I/O 数据1 9 DB2 I/O 数据2 10 DB3 I/O 数据3 11 DB4 I/O 数据4 12 DB5 I/O 数据5 13 DB6 I/O 数据6 14 DB7 I/O 数据7 共110页，第23 页 兰州理工大学毕业设计说明书 15 PSB I H:并行模式 L:串行模式 16 NC - 空脚 17 /RST I 复位信号，低电平有效 18 18,、19只留了位置并无引脚引出 19 20 LEDA - 背光源正极 21 LEDK - 背光源负极 3.2.3.5 部分指令详解 (1)清除显示(0X01)将DDRAM填满空格，并且设定DDRAM的地址计数器到00H。 (2)地址归位(0x02)设定DDRAM的地址计数器到00H，并且将光标移动到开头原点位 置:这个指令并不改变DDRAM的内容。 (3)功能设定(0x30)设定接口为八位控制接口。 (4)设定DDRAM设定DDRAM地址到地址计数器。 3.2.3.6 液晶显示的接线 外围液晶显示的接线图如下图3.8所示。它使用了PIC16F877的11路的可编程的I/O口作为液晶模块的数据输入线以及信号线。液晶显示器的8个数据口接到单片机的RD口。 图3.8 液晶显示电路接线图 共110页，第24 页 兰州理工大学毕业设计说明书 3.2.4 电源电路设计 在该电动机保护器的设计中，控制电路的部分器件需要用直流5V、6V的电源驱动，所以需要设计整流电路把交流220V的电压转换成直流。该电源电路中采用的整流电路是单相桥式整流电路，其完成将交流转换成直流电这一任务主要靠二极管的单向导电作用。因此二极管是构成整流电路的关键元件。 3.2.4.1 单相桥式整流电路参数计算 单相桥式整流电路负载上的直流电压V和直流电流I的计算如下: LL 22V2 (3.1) ,,VV0.9L2, 0.9V2 (3.2) I,LRL 整流元件参数的计算如下: 在桥式整流电路中，二极管D1、D3和D2、D4是两两轮流导通的，所以流经每个二极 0.45V12管的平均电流为。二极管在截止时管子两端承受的最大反向电压II,,DL2RL 。 VV,2RM2 3.2.4.2 桥式整流电路的特点 桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。因此，这种电路在半导体整流电路中得到了广泛的应用。电路的缺点是二极管用的较多。 3.2.4.3 电源电路设计电路图 图3.9 +5V电源电路 本设计中所用的电源电路如下图3.9所示。图中的整流电路中的二极管型号是 共110页，第25 页 兰州理工大学毕业设计说明书 IN4007。极性电容C5、C8、C26、C29、C30、C33是用来实现频率补偿的，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰;电容C6、C7、C27、C28、C31、C32是电解电容，用以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。 图3.10 ?12电源电路 3.2.5 数据采集电路设计 电动机保护器需要对电机的各项运行参数进行实时检测，这就需要保护装置实时读取电动机的端电压、相电流以及电动机的漏电流等参数。这些参数在送入微处理器进行一些必要的信号处理，如:整流滤波、采样保持、模数转换等。由于PIC16F877微处理器片内集成了8路10位A/D转换器，故不需要在系统中额外增加AD转换电路，而只需要对外部信号进行整流滤波。 从课题设计的保护方案决定采集的信号共有7路:3路电流信号、3路电压信号和1路电动机的漏电电流信号。 电动机的端电压一般为380V，线电流可达几十乃至上百安培，这不可能直接送到 AD转换器直接进行AD转换，因此在本装置中使用电压互感器和电流互感器将高电压，大电流转换成模数转换器可以接受的低电压小电流。然后再将对电流进行电流(电压转换，将电流量转换成易于测量的电压量。然后利用运算放大器和二极管组成的整流装置将交流电压值转换成直流电压值。? 经过AC-DC转换所得的直流电压叠加了丰富的高次谐波分量，另外由于电网以及基于单片机控制的电动机保护器设计电动机自身的干扰，使所得的电压电流信号质量非常差。这就要求对信号进行滤波处理。本装置采用电容低频和高频滤波电路，将信号中叠加的高频分量统统滤掉。 3.2.5.1 电流采样电路的设计 相为例)，采用电流互感器测量线路电电流采样电路如下图3.10所示(以A图 共110页，第26 页 兰州理工大学毕业设计说明书 流，所测得的电流经过精密电阻R32 转换成电压信号。在经过电阻R37和R38分压后进入线性整流滤波电路处理后送入微处理器PIC16F877的AD转换端子。在电路中，两个分压电阻的阻值分别为:1.18K和22K。 3.11 电流采样电路 精密电阻是指电阻的阻值误差、电阻的热稳定性(温度系数)、电阻器的分布参数(分布电容和分布电感)等项指标均达到一定标准的电阻器。精密电阻按材料可以分为金属膜精密电阻、线绕精密电阻和金属箔精密电阻几类。在直流或频率很低的交流电路中，一般只需选用线绕精密电阻或金属膜精密电阻即可。在此选用线绕精密电阻RX70系列的产品RX70-1。RX70系列绝缘、耐潮湿性能好，具有高稳定性、高可靠性可达0.1% -5和1×10/小时，精度高、温度系数小。 电流互感器选择LMZJ1-0.5。其中L—电流互感器;M—母线式;Z—环氧树脂浇注式;J—加强型ZG;0.5—工作电压最大是5KV;电流比为6000A/5A。电路中采用的稳压二极管是HZ5B3，功率是1/2W，参数是4.8-5.0V。 3.2.5.2 电压采样电路设计 电压采样电路如下图3.11所示(以A相为例)。采用电压互感器测量线路的线电压，在电压互感器的二次侧输出0-100V的电压，该电压在经过分压电阻分压后把电压信号转换到0-5V左右的电压信号，再经线性整流滤波电路处理变成微处理器可以接受的模拟信。 在该电机保护器的设计中选择的电压互感器的型号为JDZ-6(Q)。其中，J—电压互感器，D—单相，Z—浇注绝缘，6—电压互感器的最大工作电压是6KV。JDZ-6(Q)型互感器为单相、户内半封闭，外铁芯结构，绕组为环氧树脂全真空浇注全绝缘结构铁芯采用优质硅钢片叠装而成互感器绝缘靠环氧树脂产品体积小、重量轻，安装仅占有限空间所 共110页，第27 页 兰州理工大学毕业设计说明书 有绕组完全浇注在环氧树脂中，具有优良的绝缘性能，耐冲击和机械压力，并可以保护绕组不受潮一次绕组引出线端子的标志为 A，X ;二次绕组引出线端子的标志为 a，x ，均在浇注体上清晰标注在夹件上的接地标志旁有接地螺栓供接地用，下部支架供安装用。整体结构紧凑，使用方便。电路中采用的稳压二极管是HZ5B3，功率是1/2W，参数是4.8-5.0V。 图3.12 电压采样电路 3.2.5.3 漏电流采样电路设计 漏电流采样是利用漏电流互感器采集电机输入端口的漏电流，漏电流互感器会自动的将采集到的漏电流信息转换成电压信号后送入线性整流滤波电路中进行进一步的处理。其漏电流采集电路入下图3.13所示。漏电流互感器选择CT(Z)-FL-100，其中CT表示 图3.13 漏电流采样电路 共110页，第28 页 兰州理工大学毕业设计说明书 是电流互感器，F表示该电流互感器是多砸式，L表示 是漏电流互感器，100表示该漏电流互感器能够检测到的漏电流的最大值是100A。漏电流互感器的一次侧的电流范围是10mA-100A，二次侧的电流范围是0.025-30mA，精度等级是0.5级。 漏电流互感器CT(Z)-FL-100的特点:(1)符合ROHS环保指令;(2)优异的性价比;(3)线性度好，灵敏度高，内部消耗小;(4)外形美观大方，体积较小，使用灵活。应用于电气火灾监控、防火漏电系统、小电流接地系统、电磁继电保护、微机保护等。 3.2.5.4 线性整流滤波电路说明 在以上的三相电流采样电路、三相电压采样电路和漏电流采样电路中都用到了线性整流滤波电路。现在对整流滤波电路简单说明(以A相电流采样电路为例): 电流互感器输出的二次交流电流信号经精密电阻得到交流电压信号，再经分压电路接到线性整流滤波电路的输入端，线性整流滤波电路的输出的是电压信号经过分压后的绝对值的平均值。下面讨论线性整流滤波电路的工作原理。 先考虑没有滤波电容C14、C15的情况。 R2、R5、R6和运放AD8631(2)组成加法电路。此时: RR55 (3.3) ,,，VVVOUTPUT12RR26 注:V表示分压电阻R23处的电压，V表示二极管D2处的电压。 12 将电阻值代入式3.3，得: (3.4) ,,，VVV2OUTPUT12 再观察前半部分电路，当V,0时，V,0，二极管D1截止，D2导通。此时，inputAD8631(1) VV,。由式3.4得: 21 ,,,VVV (3.5) OUTPUTinput1 V,0V,0 当时，，二极管D1导通，D2截止。此时，V,0。 inputAD8631(1)2 VVV,,, (3.6) OUTPUTinput1 由式3.5、式3.6可知，V为V的绝对值。 output input 再考虑有滤波电容C14、C15的情况。 C14(0.5µF)为高频滤波电容，其作用是滤去输出的高次谐波，使得硬件保护电路不会因干扰而误动作;C15(1µF)为低频滤波电容，其作用是求出V的绝对值的平均input值，使得单片机仅需对V进行直流采样，从而避免了单片机进行较为复杂的交流采样output 算法。此外，为了保护A/D口，在电路中接入稳压管，使得V的输出的最高的电压为output 5V。 3.2.6 报警电路设计 在用声光报警时，连续的声响或常亮的灯光往往不易引起人们的警觉，只有断续的声音和闪烁的灯光，才能取得最佳的报警效果。由门控振荡器组成的声光报警电路如下 共110页，第29 页 兰州理工大学毕业设计说明书 图3.13所示。 在图中，由与非门CD4011构成两级门控振荡器。其中，A和B组成低频振荡器，振荡 0.455频率，周期约1S。R为下拉电阻，常态下使U = 0V.仅当U端接高电平fHZ,,117CC1RC1511 信号时电路才起振，A端交替输出的高低电平经过VT1，使发光二极管LED闪烁发光，闪烁周期也是1S。C和D组成音频振荡器，振荡频率f2 = 1KHZ。仅当A=1时，第二级振荡器才起振，通过达林顿管VT2、VT3及输出变压器T，驱动扬声器BL发出断续的“嘀、嘀„„”报警声。 图3.14 报警电路 电路中的器件说明:R10的电阻值是430Ω，R11、R12的电阻值是10K,R13的电阻值是1M，R14的电阻值是470K，R15的电阻值是47K，R16、R17的电阻值是100K，电容C11、C12的电容值分别为0.47µF和0.01µF;三极管VT1、VT2、VT3的型号为3DG6;发光二极管的型号是1S1588;扬声器的型号是BL-MA13214075DY05B,其电压范围是12-24V;输出变压器采用输出音频控制变压器，其承受的电流为100mA，主线圈和副线圈的阻抗都为600。 3.2.7 继电器驱动电路设计 在该电机保护器中所设计的继电器驱动电路如下图3.14所示。一般当保护装 置判断出某种事件需要继电器动作时，CPU控制发出信号给继电器线圈通电，使继电器的触点动作。 在继电器驱动电路中采用三极管9013驱动继电器工作，利用三极管的开关特性来达到无接触无火花的控制开启的目的，同时达到强电隔离的效果。在继电器的上面并联一个发光二极管，作为继电器动作的指示灯。为了防止继电器触点断开时产生的瞬间反向电压，在继电器回路中并联一个续流二极管。 电路中的器件说明:三极管VT4的型号为9013，电阻R20的电阻值为4.7K，电阻R21的电阻值是10K，二极管D8的型号是IN4007，发光二极管的型号是1S1588。 共110页，第30 页 兰州理工大学毕业设计说明书 图3.15 继电器输出电 共110页，第31 页 兰州理工大学毕业设计说明书 第4章 系统软件设计 4.1 软件系统整体设计及程序设计语言的选择 4.1.1 程序设计的原则和语言选择 软件的功能是以硬件为基础完成各种保护算法及方案，并提供丰富灵活的手段对装置进行整定、监视和维护，是整套庄子的灵魂。电动机智能保护装置的软件设计主要任务是: (1) 提供准确、实时的保护算法; (2) 为用户提供简洁、方便、清晰的人机对话界面; (3) 提供简便快速的整定值设定方法; (4) 及时、可靠地完成对各种故障的保护。 由于保护装置担负着保证电动机安全稳定运行的重大使命，它时刻处于工作状态，且必须能够准确地完成保护动作，所以微机保护的软件可靠性是对软件开发的最主要的要求。为了保证整个系统的可靠性，在进行软件设计时应始终以以下几个原则为基础: (1) 确保A/D转换不受干扰，保证外部数据能够实时且准确地输入到处理器; (2) 确保处理各个中断处理程序的优先级，确保实时性要求高的中断能够得到最 快的处理;对临界代码段进行必要的保护，确保数据的正确性; (3) 注重程序的模块化设计，提高整个程序的可靠性和可读性; (4) 正确处理慢速外设的数据传输问题; (5) 本保护装置的软件设计采用模块化程序设计方法，将整个应用程序以硬件模 块为基础划分为若干个独立的程序模块，各个模块单独设计、编写代码和调 试，然后将所有模块装配连接成一个整体进行综合调试，最终成为一个完成 全部功能，具有使用价值的程序。 电动机智能保护器的软件是一种实时功能处理软件。软件是微机应用的关键，是数据处理、运算、逻辑判断的具体实现。电动机的保护软件实现的功能较多、任务繁重，所以必须采用合理、高效的语言和方式编写。 使用汇编语言进行软件设计具有编程的程序结构清晰、可靠性好等优点。汇编语言具有程序代码短小精悍，程序效率高等优点，对于设计硬件、端口操作以及其它实时性要求较高的操作采用汇编语言编程方便、直接、简单。 4.1.2 软件系统共整体设计 软件系统采用主循环加中断处理程序的模式。主程序循环完成键盘扫描和显示刷新任务，响应用户输入的键盘命令并实时显示故障处理程序输出信息;中断处理程序主要 共110页，第32 页 兰州理工大学毕业设计说明书 是单片机RB口的电平变换中断。在主循环执行过程中一旦出现中断申请，系统在运行完临界代码后立即暂停执行主循环程序，转而执行中断服务程序。中断执行完成后，回到主循环程序的断点处继续执行主循环程序。系统程序根据中断处理任务的重要性，给中断处理程序赋予不同的优先级，高优先级的中断可以暂停低优先级的中断处理程序，使CPU转而执行高优先级的中断处理程序: 根据模块化的思想，软件系统按照功能可以划分为如下几个模块: (1) 人机接口模块:包括液晶显示子模块和键盘检测子模块。液晶显示模块负责电量 显示、装置信息显示、整定值和控制值显示;键盘检测子程序主要检测按键状态， 与键值处理子程序相配合完成系统运行参数的设置。 (2) 数据采集程序模块:通过数据采集通道将外界的模拟量、开关量全部转换成数字 量送入单片机，然后利用软件滤波程序对采集到的数据进行软件滤波。 (3) 数据处理、保护决策程序模块:对采集到的数据进行一定的运算，并根据数据进 行保护决策。 (4) 系统抗干扰程序设计:包括数据滤波以及看门狗程序等。 4.2 主程序的设计 主程序的主要功能是对系统各个外设模块进行初始化、调用各个子程序完成各项功能和开中断等。上电复位后，单片机将复位向量装载到程序地址寄存器，然后CPU就从复位向量处开始执行程序。主程序先进行初始化，为各个子程序的调用和系统各个模块的使用做好准备，然后查询按键，判断是否需要进行各种控制参数的调整。如果需要调整参数则采用键盘子程序修改参数，最后程序进入主循环。 主程序的主题结构为一个无限循环，单片机不断重复调用电压、电流、漏电流的判断程序，一旦出现故障便输出保护动作并发出报警。当输出保护动作后，循环停止，等待人工复位。 主程序并不参与具体的工作，而是去管理各个子程序，各种工作均由不同的程序分别完成。这种方式可以实现程序的模块化设计。使主程序和子程序的修改及调试工作都很方便。 主程序流程图如图4.1所示。 4.3 键盘子程序设计 键盘实际上是一组按键开关的组合。通常，按键所用的开关为机械弹性开关，均利用了机械触电的合断作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定的接通，在断开时也不会立刻断开。因而在闭合与断开的瞬间均伴随着一连串的抖动，抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5~10ms。因此，为保证按键能够被正确的识别，必须采取滤波 共110页，第33 页 兰州理工大学毕业设计说明书 图4.1 主程序流程图 措施，由于传统的硬件滤波往往会使硬件电路变得十分复杂，而且会增加产品的成本，因此本装置采用软件延时滤波，在检测到按键按下后延时10ms，再次检测按键，如果两次检测结果相同则确认按键按下。 键盘按键检测子程序的流程图如下图4.2所示。 共110页，第34 页 兰州理工大学毕业设计说明书 图4.2 键盘按键检测子程序流程图 共110页，第35 页 兰州理工大学毕业设计说明书 4.4 显示子程序设计 在本设计中，显示采用LCD液晶显示屏，LCD显示屏每次可以显示多行，每行也能显示多个数据，适合于设计中显示内容多、显示频繁、显示任务大的情况。在进行送显数据之前先对液晶显示屏进行必要的初始化，如字符显示方式的选择、显示归为和清显示屏等。在版本设计中需要显示多种内容，包括三相线电压采样值、三相电流采样值、漏电流采样值，各种故障动作的整定值以及各种那个故障的类型显示。所以首先确定一个标志寄存器，当标志寄存器中的值是0时，显示电压、电流以及漏电流采样值;当标志寄存器的值是1时，显示各种故障整定值;当标志寄存器的值是2时，显示故障类型。 液晶显示子程序流程图如下图4.3所示。 图4.3 液晶显示子程序流程图 4.5 A/D转换子程序设计 PIC16F877内部有10位的ADC模块，且16F877是40引脚的封装，所以其ADC具有8个模拟通道。其中ADC模块专用的有4个完整的寄存器:ADC结果高字节寄存器ADRESH，ADC结果低字节寄存器ADRESL，0号ADC控制寄存器ADCON0和1号ADC控制寄存器ADCON1。 1. ADC控制寄存器0——ADCON0 Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 ADCS1 ADCS0 CHS2 CHS1 CHS0 GO/DONE - ADON 用于控制ADC的操作，是一个7位可读/写的寄存器。各位的含义如下: ? ADCS1~ADCS0:A/D转换时钟及其频率选择位; 共110页，第36 页 兰州理工大学毕业设计说明书 ? CHS2~CHS0:A/D转换模拟通道选择位; ? GO/DONE:A/D转换启动控制位兼作状态位;在ADON=1的前提下，GO/DONE=1时启动A/D 转换过程或表明A/D转换正在进行。 图4.4 采样子程序流程图 ? ADON:A/D转换器开关位;ADON=1表示启用ADC。 2. ADC控制寄存器0——ADCON0 Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 ADFM - - - PCFG3 PCFG2 PCFG1 PCFG0 ? ADMF:A/D转换结果格式选择位(1:结果右对齐;0:结果左对齐)。 ? PCFG3~PCFG0:A/D转换引脚功能选择位。 3.ADC结果寄存器高位ADRESH ? 当ADMF = 0时，用于存放A/D转换结果的高8位; ? 当ADMF = 1时，用于存放A/D转换结果的低2位。 共110页，第37 页 兰州理工大学毕业设计说明书 3. ADC结果寄存器低位 ? 当ADMF = 0时，用于存放A/D转换结果的低2位; ? 当ADMF = 1时，用于存放AD转换结果的低8位。 PIC16F877的A/D转换模块有8个通道，但只有一个A/D转换器，所以接在8个模拟通 道上的信号只能按顺序依次完成转换。 电压、电流采样子程序流程图下图4.4所示。 图4.5 数据处理、保护决策子程序流程图 共110页，第38 页 兰州理工大学毕业设计说明书 3.6 数据处理、保护决策子程序设计 通过模拟通道采集到的数据需要进行一系列进一步的处理才能作出判断。所以需要软件编程计算出各种故障的整定值，保存到相应的存储单元，然后从采样值村粗单元取电流值和电压值与每个整定值进行比较，然后做出判断，看是否发生故障。如果判断发生故障，则延时一段时间，发出相应的信息给下一个处理电路。 数据处理、保护决策子程序流程图如下图4.5所示。 4.7 保护动作子程序设计 在数据处理子程序中如果判断出发生了某种故障时，就会在故障标志寄存器中存入与该故障相对应的一个数据。在保护动作子程序中，首先判断故障标志寄存器中是不是0，如果是则不执行以下的程序，如果不是，则驱动保护动作继电器的触点断开。同时发出报警信号，并调用显示子程序显示相应的故障类型的名称。 保护动作子程序流程图如下图4.6所示。 图4.6 保护动作子程序流程图 共110页，第39 页 兰州理工大学毕业设计说明书 第5章 系统看干扰设计 在试验室运行良好的一个实际的系统安装到工业现场，可能由于强大的干扰等原因导致系统不能正常运行，严重的还会造成不良后果乃至事故。因此，对系统采取抗干扰措施是必不可少的。本章就系统的抗干扰设计从硬件和软件两个方面做以说明。 5.1 概述 5.1.1 干扰的分类 按干扰产生的原因可以分成以下几中类型: (1) 放电干扰:主要是雷电、静电、电动机的电刷跳动、大功率开关触点断 开等放电产生的干扰。 (2) 高频振荡干扰:主要是中频电弧炉、感应电炉、开关电源、AC-DC变换 器等 产生高频振荡时形成的噪音。 ) 浪涌干扰:主要是交流系统中电动机启动电流、电炉的合闸电流、开关 调(3 节器的 导通电流以及晶闸管变流器等设备产生浪涌引起的噪声。 这些干扰对控制系统都有严重的影响，必须认真对待，而其中尤以各种开关分断电感性负载所产生的干扰最难以抑制或消除。 5.1.2 干扰造成的危害 电动机保护器系统受到空间复杂干扰的影响，容易出现下列故障‘: (1)CPU程序跑飞:由于系统中侵入干扰信号，CPU内部电路逻辑混乱，执行程序紊乱， 输出控制出错，程序跳转出错，有可能使程序进入非代码区。 (2)程序异常:加在总线以及存储器上的噪声可能使数据在传输或是读写时出错，从 而使程序发生变化，以致不能正常运算。 (3)输入数据出错:如果干扰加在模拟量输入模块、AD转换器上有可能使AD转换结果 产生较大的偏差，如果干扰加在开关量输入模块上，就可能使CPU读入错误的逻辑 值，还可能干扰CPU的控制决策。 (4)外部设备误动作:当CPU接上外部设备后，CPU最敏感的信号线很可能受到外界影 响，造成外部设备的误动作。 5.2 硬件抗干扰设计 消除或抑制干扰的途径为:抑制干扰源、切断干扰入侵途径以及增强保护装置的电磁兼容性、降低装置对干扰的敏感程度。主要的硬件抗干扰措施有: 共110页，第40 页 兰州理工大学毕业设计说明书 (1) 接地处理:采用正确合理的接地方式是抑制干扰的有效方法。通常是把数字电 子装置和模拟电子装置的工作基准地浮空，而设备外壳和箱体采用屏蔽接地。 (2) 信号滤波、去耦和旁路。 (3) 件电路合理设计。 (4) 对供电电源采取一定措施。 本装置硬件设计中主要做了以下工作: (1) 处理器印刷电路板合理设计。晶振电路尽可能靠近单片机的引脚，在总体布 局上，强电部分与弱电部分分开，数字信号与模拟信号分开，高频信号与低 频信号分开，电源和地单独处理。 (2) 模拟信号输入通道的抗干扰设计。模拟电压和电流从互感器出来以后立即送 入信号处理模块对信号进行滤波处理，减少了信号中的高频分量。 (3) 用单片机内部集成的看门狗复位电路。看门狗电路需要程序周期性地复位， 如果程序跑飞或者其它原因造成程序没有在规定的时间内复位看门狗电路， 则可以认为程序在执行过程中出现问题，看门狗电路就会复位单片机，使系 统从初始状态运行。保证电动机保护器不会因为外部干扰而处于不动作或误 动作状态。 5.3 软件抗干扰设计 系统干扰的最终表现形式为软件故障，使系统不能按照预期运行，或者控制失灵，导致系统故障失去保护，功能严重时可能会有误动作出现，造成生产事故。因此，使用软件抗干扰技术来提高系统的可靠性就显得十分必要。 软件抗干扰所研究的主要内容有以下两个方面: (1) 采用软件的方法抑制叠加在模拟输入信号上的噪声的影响，如数字滤波。 (2) 采用适当的程序设计技术，保证程序在复杂环境下能顺利执行，这些技术主 要包括软件冗余、软件陷阱、看门狗技术以及软件纠错技术。 本装置设计中采用的抗干扰措施主要是数字滤波，就是通过A/D转换获得的数据和通过数字量输入通道获得的开关量数据进行软件的滤波处理，确保数据的准确性;启动了看门狗技术进行定时判断与处理。 共110页，第41 页 兰州理工大学毕业设计说明书 总结 这次毕业设计让我更加熟悉了从理论到实践的跨越。从当初的查阅图书，到最后所有任务的完成，期间有许多地方回味。我刚开始对PIC系列的单片机非常的陌生，看着书本上所讲的内容，我感到很是迷茫，一点都看不懂。跟我们以前学过的单片机相比，从芯片结构到编程语言，差别很大。我学习PIC单片机的理论知识就花费了三周的时间，然而，现在回头再看看，书本上所有的程序基本都可以读下去，也能明白。 在做电动机智能保护器的硬件设计和软件设计时也遇到了许多的问题，不过在指导老师和同学的帮助下我还是顺利的完成了所有的设计。虽然设计的成果还是有很多的不足之处，但是我完成了最基本的设计内容。 再回头看看自己做的电动机智能保护器的硬件图设计和软件流程图设计以及到论文的完成，对所做的工作和所设计的电动机智能保护器的不足之处有以下几个方面的总结。 电动机是各种生产线上的重要设备，是其中的一个重要环节。电动机能否安全可靠的工作将直接影响到整条线路的正常运行。本论文以电动机智能保护器为研究对象，在查阅了大量数据资料的基础上对电动机智能保护器的软件、硬件系统做了详细的设计，做了大量的工作。主要做了如下所述的几项工作: (1) 查阅大量的文献、数据以及其它资料，在此基础上对国内外电动机智能保护器的 发展做出相应的分析，提出了以PIC16F877单片机为核心处理器的电动机智能保 护器解决方案。 (2) 通过对电动机基本运行原理的分析，得到三相异步电动机的等效电路，从等效电 路入手分析了电动机的常见故障及其判断方法。 (3) 在前两项成果的基础上进行设计了电动机的硬件电路，然后以硬件电路结构为基 础对电动机智能保护器的灵魂——保护程序进行了设计。在进行系统软硬件设计 时，尽可能的考虑了系统的抗干扰性能，对提高系统的抗干扰能力做了诸多方面 的工作。 装置本文所设计的电动机智能保护装置还有许多需要改进的地方，以进一步提高保护的性能。 (1) 更深入的学习PIC16F877单片机，更好的理解它的性能，充分利用单片机上的资 源，提高数据采集、处理速度，尽量缩短动作延迟。 (2) 在现有的保护器装置的基础上改进保护算法，是保护器能够更准确的判断出电动 机的故障。 共110页，第42 页 兰州理工大学毕业设计说明书 (3) 在保护器的软件设计上，可以采用PIC系列单片机的C语言和汇编语言相结合的 方法，提高保护程序执行的高效性和程序的可读性，以及方便了程序完成电动机 保护算法。 (4) 对电动机智能保护器的软硬件系统做进一步的改进，以提高系统的抗干扰能力。 共110页，第43 页 兰州理工大学毕业设计说明书 参考文献 [1] 王晓明.电动机的单片机控制[M].北京:北京航空航天出版社，2002年5月 [2] 李海学.PIC单片机实用教程.基础篇(第2版)[M].北京:北京航空航天大学出版 社，2007年2月 [3] 李海学.PIC单片机实用教程.提高篇(第2版)[M].北京:北京航空航天大学出版 社，2007年2月 [4] 彭树生.PIC单片机实践与系统设计[M].北京:电子工业出版社，2008年1月 [5] 黄群，邓惠.基于PIC16单片机发电机保护装置[J].计算机与数字工程，2000年5 月 [6] 李武军，张延贤，杨光德.PIC单片机在电动机保护器中的应用[J].淄博学院学报， 2001年3月 [7] 姚剑敏.基于DSP的智能型电机综合保护器的设计[J].仪器仪表与传感器，2006年 10月 [8] 赵荣祥，钱昊，陈潼.基于PIC单片机是智能电机保护器[J].工程设计学报，2005 年4月. [9] 胡虔生，胡敏强.电机学[M].北京:中国电力出版社，2005年 [10] 王秀华.网络化智能电机保护器的设计[J].电机与控制应用，2009年4月 [11] 胡景泰，朱文灏.多功能的可通讯智能电动机保护器[J].中小型电机，2004年6 月 [12] 王晓雪，刘建明.基于STM32的智能电机保护器的设计[J].电子技术，2006年10 月 [13] 沙战友，王彦鹏，孟志勇.单片机外围电路设计[TP].北京:电子工业出版社，2004 年3月 [14] 武峰，陈新建，盛春花.PIC系列单片机开发应用实践[TP].北京:北京航空航天大 学出版社，2003年9月 [15] 宋伟宏.三相电动机智能保护器的研究[J].天津:河北工业大学，2003年 [16] 王永，昌宏丽，刘志强.交流电机保护器[J].电工技术杂志，2001年1月 [17] 夏天伟，郑祥，王世荣，黄李宁.智能型电动机保护监控装置[J].电工技术杂志， 2003年4月 [18] 宋凌峰，于霞，程树康.异步电动机综合保护及相关使用电路[J].电工技术杂志， 1999年3月 [19] 房小翠.单片机微型计算机与机电接口技术[M].国防工业出版社，2002年 [20] 刘 共110页，第44 页 兰州理工大学毕业设计说明书 光斌，刘东，姚志成.单片机系统实用抗干扰技术[M].北京:人民邮电出版社，2003 年10月 [21] 侯崇升.单片机控制的交流异步电动机节电器[J].电气时代，2002年6月 [22] 李敏，孟臣，孙守昌.单片机控制三相异步电动机节能保护器的研制[J].电工技术 杂志，2001年2月 [23] 王桂良，孙明义.单片机实用技术[M].四川大学出版社，2000年8月 [24] 刘丽华，辛德禄，李本俊.专用集成电路设计方法[M].北京:北京邮电大学出版社， 2000年 共110页，第45 页 兰州理工大学毕业设计说明书 附录1 系统程序 LIST P = 16F877 #INCLUDE PCL EQU 02H ;程序计数器低字节寄存器地址 STATUS EQU 03H ;状态寄存器地址 INTCON EQU 0BH ;中断控制寄存器地址 PIR1 EQU 0CH ;第一中断标志寄存器地址 PIE1 EQU 8C ;第一中断使能寄存器地址 PORTA EQU 05H ;A口缓冲寄存器地址 PORTB EQU 06H ;B口缓冲寄存器地址 PORTC EQU 07H ;C口缓冲寄存器地址 PORTD EQU 08H ;D口缓冲寄存器地址 PORTE EQU 09H ;E口缓冲寄存器地址 TRISA EQU 85H ;A口方向寄存器地址 TRISB EQU 86H ;B口方向寄存器地址 TRISC EQU 87H ;C口方向寄存器地址 TRISD EQU 88H ;D口方向寄存器地址 TRISE EQU 89H ;E口方向寄存器地址 RBIE EQU 2 ;B口电平变换使能位地址 RBIF EQU 0 ;B口电平变换标志位地址 FSR EQU 04H ;间接寻址寄存器 ADRESH EQU 1EH ;A/D转换高字节寄存器 ADRESL EQU 9EH ;A/D转换低字节寄存器 ADCON0 EQU 1FH ;A/D转换0号控制寄存器 ADCON1 EQU 9FH ;A/D转换1号控制寄存器 AD-IA1 EQU 20H ;A相电流采样值高字节存储单元 AD-IA0 EQU 21H ;A相电流采样值低字节存储单元 AD-IB1 EQU 22H ;B相电流采样值存储单元 AD-IB0 EQU 23H AD-IC1 EQU 24H ;C相电流采样值存储单元 AD-IC0 EQU 25H AD-UAB1 EQU 26H ;AB线电压采样值存储单元 AD-UAB0 EQU 27H AD-UBC EQU 28H ;BC线电压采样值存储单元 AD-UBC0 EQU 29H AD-UCA1 EQU 2AH ;CA线电压采样值存储的单元 AD-UCA0 EQU 2BH AD-LDL1 EQU 2CH ;漏电流采样值存储单元 DJ-I1 EQU 2EH ;电机额定电流存储单元 DJ-I0 EQU 2FH 共110页，第46 页 兰州理工大学毕业设计说明书 DJ-U1 EQU 30H ;电机额定电压存储单元 DJ-U0 EQU 31H LDL1 EQU 32H ;漏电流整定值存储单元 LDL0 EQU 33H DL1 EQU 34H ;短路电流整定值存储单元 DL0 EQU 35H DZ1 EQU 36H ;堵转电流整定值存储单元 DZ0 EQU 37H GZ11 EQU 38H ;过载电流整定值存储单元 GZ10 EQU 39H ;1.2Ie GZ21 EQU 3AH ;1.3Ie GZ20 EQU 3BH GZ31 EQU 3CH ;1.38Ie GZ30 EQU 3DH GZ41 EQU 3EH ;1.44Ie GZ40 EQU 3FH GZ51 EQU 40H ;1.5Ie GZ50 EQU 41H GZ61 EQU 42H ;2.0Ie GZ60 EQU 43H GZ71 EQU 44H ;3.0Ie GZ70 EQU 45H QZ1 EQU 46H ;轻载电流整定值存储单元 QZ0 EQU 47H BPH1 EQU 48H ;不平衡电流整定值存储单元 BPH0 EQU 49H QY1 EQU 4AH ;欠压整定值存储单元 QY0 EQU 4BH GY1 EQU 4CH ;过压整定值存储单元 GY0 EQU 4DH IAD-MAX1 EQU 4EH ;电流最大值存储单元 IAD-MAX0 EQU 4FH IAD-MIN1 EQU 50H ;电流最小值存储单元 IAD-MIN EQU 51H UAD-MAX1 EQU 52H ;电压最大值存储单元 UAD-MAX0 EQU 53H UAD-MIN1 EQU 54H ;电压最小值存储单元 UAD-MIN0 EQU 55H COUNT1 EQU 56H ;修改参数用计数器 COUNT2 EQU 57H REF0 EQU 58H ;500MS延时用计数器 REG1 EQU 59H REG2 EQU 5AH ;150µS延时用计数器 KEY-VALUE EQU 5BH ;键盘行值存储单元 共110页，第47 页 兰州理工大学毕业设计说明书 KEY-ROW EQU 5CH ;键盘行号 PORTB-BUF EQU 5DH ;键盘值缓冲区 PORT-BUF EQU 5EH ;端口缓冲区 KEY-VALUE1 EQU 5FH ;键值存储区 LCD-QB EQU 60H ;LCD显示区别 ZJ EQU 62H 键值暂存寄存器 COUT3 EQU 63H ;A/D转换用计数器 COUNT4 EQU 64H TEMP0 EQU 65H ;A/D转换值缓冲区 TEMP1 EQU 66H TEMP2 EQU 67H TEMP3 EQU 68H COUNT5 EQU 69H COUNT6 EQU 6AH ;计算设定值用计数器 MUXH EQU 6BH ;乘法进位存放区 DIVIQH EQU 6CH ;除法商值存储单元 DIVIQL EQU 6DH AH EQU 6EH ;除数存储单元 AL EQU 6FH TROUBLE EQU 70H ;故障标志寄存器 PLAY EQU 71H ;显示值缓冲寄存器 REG3 EQU 72H ;200MS延时 REG4 EQU 73H ;300MS延时 REG5 EQU 74H ;1S延时 REG6 EQU 75H ;6S延时 REG7 EQU 76H ;8S延时 REG8 EQU 77H ;10S延时 REG9 EQU 78H ;24S延时 REG10 EQU 79H ;36S延时 REG11 EQU 7AH ;48S延时 REG12 EQU 7BH ;60S延时 SHUCHU EQU 7CH ;输出保护驱动寄存器 ORG 0000H GOTO RESET-PROGRAM //复位程序 RESET-PROGRAM: CLRF STATUS BCF INTCON,GIE BTFSC INTCON,GIE ;关中断 CLRWDT ;清看门狗 BCF STATUS,IRP ;数据存储区选BANK0,1 MOVLW 0FH ;预分频器指定给WDT，1:128 MOVWF INDF ;启动看门狗 BCF STATUS,RP0 ;选择工作区0 CLRWDT 共110页，第48 页 兰州理工大学毕业设计说明书 CALL DELAY-500MS ;上电复位延时 CLRWDT BSF STATUS,RP0 ;选择工作区1 MOVLW 3FH MOVWF TRISA ;A口输入 MOVLW 0F0H MOVWF TRISB ;B口高4位为输入，低4位为输出 MOVLW 00H MOVWF TRISC ;C口输出 MOVLW 00H MOVWF TRISD ;D口为输出 MOVLW 07H MOVWF TRISE ;E口为输入 //初始化标志字 INIT-RAM-FLAG: MOVLW 20H MOVWF FSR CLR-RAM: CLRF INDF ;清通用寄存器 INCF FSR,1 MOVF FSR,1 SUBLW 7FH STATUS,C BTFSC GOTO CLR-RAM ;F中的值小于7FH，则继续下一个单元 BANKSEL ADCON1 MOVLW 80H MOVWF ADCON1 ;A/D转换右对齐 BCF PORTC,0 ;选择写指令 BCF PORTC,1 MOVLW 01H ;清显示屏 MOVWF PORTD MOVLW 02H ;显示屏地址归为 MOVWF PORTD MOVLW 30H ;功能选择8-BIT控制接口 MOVWF PORTD MOVLW 0CH ;选择整体显示 MOVWF PORTD LCRWDT CALL DELAY-500MS GOTO MAIN MAIN: CLRWDT BIFSC INTCON,RBIF ;判断有无键盘中断 GOTO MAIN-LOOP CALL KEYBOARD-DEC 有中断，调用键盘子程序 MAIN-LOOP;CALL AD-VALUE ;调用A/D转换子程序 CALL LCD-START ;调用显示子程序 共110页，第49 页 兰州理工大学毕业设计说明书 CALL SHUJU ;调用数据处理子程序 MOVLW 00H SUBWF SHUCHU,0 BTFSS STATUS,Z ;判断有无故障，Z=1表示无故障 GOTO MAIN-LOOP CALL QUDONG ;若有故障，则调用驱动子程序 //键盘扫描子程序 KEYBOARD: BANKSEL INTCON ;开中断 MOVLW 0C8H MOVWF INTCON BANKSEL PIE1 MOVLW 0C0H MOVWF PIE1 WAIT: GOTO WAIT BCF INTCON,RBIF CALL DELAY-10MS CALL DELAY-10MS ;加长延时，消除抖动 BTFSC INTCON,RBIF ;RBIF=0，则执行GOTO指令 GOTO WAIT MOVLW 00H ;首行值 MOVWF KEY-VALUE MOVLW 0FEH MOVWF KEY-ROW ;首行扫描 READ-KEY-VALUE: MOVF KEY-ROW,0 MOVWF PORTB NOP MOVF PORTB,0 MOVWF PORTB-BUF ;读取键扫描值 BTFSS PORT-BUF,4 ;为1则执行GOTO指令 GOTO TWO-ROW MOVLW 00H GOTO CAL-KEY-VALUE TWO-ROW: BTFSS PORT-BUF,5 ;扫描第2列 GOTO THREE-ROW MOVLW 01H GOTO CAL-KEY-VALUE THREE-ROW: BTFSS PORT-BUF,6 ;扫描第3列 GOTO FOUR-ROW MOVLW 02H GOTO CAL-KEY-VALUE FOUR-ROW: BTFSS PORT-BUF,7 ;扫描第4列 GOTO NEXT-SCAN MOVLW 03H GOTO CAL-KEY-VALUE 共110页，第50 页 兰州理工大学毕业设计说明书 CAL-KEY-VALUE: ADDWF KEY-VALUE,0 WAIT-KEY: CLRWDT BANKSEL PORTB ;等待键释放 MOVLW 0F0H MOVWF PORTB NOP MOVF PORTB,0 XORLW 0F0H ;变成正逻辑，以高电平表示有键按下 ANDLW 0F0H ;屏蔽低4位 BTFSC STATUS,Z ;Z=0表示有键按下 GOTO WAIT-KEY ;未释放，等待 MOVWF KEY-VALUE1 ;保存键值 NEXT-SCAN: MOVLW 04H ADDWF KEY-VALUE,1 ;修改键值 BTFSC KEY-ROW,3 GOTO KEYBOARD-RET ;第3位为0，表示已扫描完最高行 RLF KEY-ROW,1 ;未扫描完，左移1位，变为下一行扫描 GOTO READ-KEY-VALUE KEYBORD-RET: RETURN KEYBOAD-DEC:CALL KEYBOAD MOVLW 0CH SUBWF KEY-VALUE1,0 ;判断是否为电机实时参数显示键 BTFSS STATUS,Z ;若是，则显示实时参数 GOTO REAL-SHOW MOVLW 0DH SUBWF KEY-VALUE1,0 BTFSS STATUS,Z ;判断是否为电机设定参数显示键 GOTO SET-SHOW ;若是，则显示设定参数 MOVLW 0EH SUBWF KEY-VALUE1,0 BTFSS STATUS,Z ;判断是否为电机参数修改键 GOTO VALUE-EVISE GOTO KEYBOARD-DEC-RET REAL-SHOW: MOVLW 00H MOVWF LCD-QB CALL LCD-PLAY GOTO KEYBOARD-DEC-RET SET-SHOW; MOVLW 01H MOVWF LCD-QB CALL LCD-PLAY GOTO KEYBOARD-DEC-RET VALUE-REVISE: MOVLW 03H MOVWF COUNT1 MOVWF COUNT2 共110页，第51 页 兰州理工大学毕业设计说明书 REVISE-START: CALL KEYBOARD MOVLW 0AH SUBWF KEY-VALUE1,0 BTFSS STATUS,Z ;判断是否为加1键 GOTO JIAYI ;若是，则COUNT1加1 MOVLW 0BH SUBWF KEY-VALUE1,0 BTFSS STATUS,Z ;判断是否为减1键 GOTO JIANYI ;若是，则COUNT1减1 COUNT1-SERVE: MOVLW 00H SUBWF COUNT1,0 BTFSS STATUS,Z ;判断COUNT1是否为0 GOTO DIANLIU ;是，修改电流 MOVLW 01H SUBWF COUNT1,0 BTFSS STATUS,Z ;判断COUNT1是否为1 GOTO DIANYA ;是，修改电压 LDL-REVISE: MOVF KEY-VALUE1,0 ;否则修改漏电流值 MOVWF LDL1 ;将键值送入LDL1 NEXT: CALL KEYBOARD MOVLW 0AH SUBWF KEY-VALUE1,0 BTFSS STATUS,C ;判断是否为数字键 GOTO NEXT1 ;是，则保存键值 GOTO NEXT NEXT1:MOVF KEY-VALUE1,0 MOVWF ZJ SWAPF ZJ NEXT3: CALL KEYBOARD MOVLW 0AH SUBWF KEY-VALUE1,0 BTFSS STATUS,C ;判断是否为数字键 GOTO NEXT2 ;是，则保存键值 GOTO NEXT3 NEXT2: MOVF KEY-VALUE1，0 MOVWF LDL0 MOVF ZJ,0 IORWF LDL0,1 NEXT4: CALL KEYBOARD MOVLW 0FH SUBWF KEY-VALUE1,0 BTFSS STATUS,Z ;判断是否为确定键 GOTO REVISE-RET GOTO NEXT4 共110页，第52 页 兰州理工大学毕业设计说明书 DIANLIU: MOVF KEY-VALUE1,0 ;修改电流值 MOVWF DJ-I1 ;将键值送入DJ-I1 NEXT5: CALL KEYBOARD MOVLW 0AH SUBWF KEY-VALUE1,0 BTFSS STATUS,C ;判断是否为数字键 GOTO NEXT11 ;是，则保存键值 GOTO NEXT5 NEXT11:MOVF KEY-VALUE1,0 MOVWF ZJ SWAPF ZJ NEXT13: CALL KEYBOARD MOVLW 0AH SUBWF KEY-VALUE1,0 BTFSS STATUS,C ;判断是否为数字键 GOTO NEXT12 ;是，则保存键值 GOTO NEXT13 NEXT12: MOVF KEY-VALUE1，0 MOVWF LDL0 MOVF ZJ,0 IORWF DJ-I 0,1 NEXT14: CALL KEYBOARD MOVLW 0FH SUBWF KEY-VALUE1,0 BTFSS STATUS,Z ;判断是否为确定键 GOTO REVISE-RET GOTO NEXT14 DIANYA: MOVF KEY-VALUE1,0 ;修改电压值 MOVWF DJ-U1 ;将键值送入DJ-U1 NEXT6: CALL KEYBOARD MOVLW 0AH SUBWF KEY-VALUE1,0 BTFSS STATUS,C ;判断是否为数字键 GOTO NEXT21 ;是，则保存键值 GOTO NEXT6 NEXT21:MOVF KEY-VALUE1,0 MOVWF ZJ SWAPF ZJ NEXT23: CALL KEYBOARD MOVLW 0AH SUBWF KEY-VALUE1,0 BTFSS STATUS,C ;判断是否为数字键 GOTO NEXT22 ;是，则保存键值 GOTO NEXT23 共110页，第53 页 兰州理工大学毕业设计说明书 NEXT22: MOVF KEY-VALUE1，0 MOVWF LDL0 MOVF ZJ,0 IORWF DJ-U0,1 NEXT24: CALL KEYBOARD MOVLW 0FH SUBWF KEY-VALUE1,0 BTFSS STATUS,Z ;判断是否为确定键 GOTO REVISE-RET GOTO NEXT24 JIANYI: MOVLW 02H SUBWF COUNT1,0 BTFSS STATUS,Z ;判断COUNT1=2否 GOTO COUNT1-MIN ;若是，计数器1清0 INCF COUNT1,1 GOTO COUNNT1-SERVE COUNT1-MIN: MOVLW 00H MOVWF COUNT1 GOTO COUNT1-SERVE JIANYI: MOVLW 00H SUBWF COUNT1,0 BTFSS STATUS,Z ;判断COUNT1=0否 GOTO COUNT1-MAX ;若是，则计数器1置2 DECF COUNT1,1 GOTO COUNT1-SERVE COUNT1-MAX: MOVLW 02H MOVWF COUNT1 GOTO COUNT1-SERVE REVISE-RETA; DECFSZ COUNT2,1 ;判断参数修改完了没 GOTO REVISE-START ;若没有，则继续 GOTO KEYBOARD-DEC-RET KEYBOARD-DEC-RET: RETUR // A/D转换子程序 AD-START: MOVLW AD-IA0 MOVWF FSR,1 ;让FSR指向第一个采样值存储单元 MOVLW 07H MOVWF COUNT4 BANKSEL ADCON0 MOVLW 40H MOVWF ADCON0 ;选择通道0 ADC: BS ADCON0,0 ;启动A/D转换 MOVLW 08H MOVWF COUNT3 ;设置采样次数 CALL DELAY 共110页，第54 页 兰州理工大学毕业设计说明书 ADC-1: BTFSZ ADCON0,2 ;一次转换是否结束 GOTO ADC-1 ;若没有，则等待 MOVF ADRESH,0 ;若结束，则保存转换值 MOVWF TEMP0 MOVF ADRESL,0 MOVF TEMP1 CALL ADD8 ;与上一次的转换结果相加 CALL DELAY-10MS ADD8: BCF STATUS,C MOVF TEMP1,0 ADDWF TEMP2,1 ;低字节相加 MOVF TEMPP0,0 MOVWF TEMP3,1 ;高字节相加 BTFSZ STATUS,C ;TEMP1+TEMP2>0FFH? CALL ADDONE ;若是，则TEMP3再加3 GOTO GO-ON ADDONE; MOVLW 01H ADDWF TEMP3,1 RETURN COUNT3,1 ;8次是否采集完, GO-ON: DECFSZ GOTO AD-VALUE ;若没有，则进行下一次采样 MOVLW 08H MOVWF COUNT5 GO1: BCF STATUS,C RRF TEMP2,1 ;求8次平均值 RRF TEMP3,1 DECFZ COUNT5,1 GOTO GO1 GOTO DIPNUM DIPNUM: MOVF TEMP2,0 MOVWF INDF,1 INCF FSR,1 ;指向下一个存储单元 MOVF TEMP3,0 MOVWF INDF,1 INCF FSR,1 ;再指向下一个存储单元 MOVLW 08H ADDWF ADCON0,1 ;转到下一个采样通道 DECFSZ COUNT4,1 ;7个采样通道的数据都采集完了没, GOTO ADC RETURN DELAY: MOVLW 37 ;延时150µS MOVWF REG2 DEL-LOOP: DECFSZ REG2,1 GOTO DEL-LOOP 共110页，第55 页 兰州理工大学毕业设计说明书 RETURN //数据处理、保护决策子程序 //电流值大小的比较 CURRENT-HIGH: MOVF AD-IB1,0 SUBWF AD-IA1,0 BTFSS STATUS,Z ;判断AD-IA1=AD-IB1? GOTO CURRENT-NEXT1 ;是，则比较AD-IA1与AD-IC1 BTFSS STATUS,C ;判断AD-IA1AD-IB1 CURRENT-NEXT2: MOVF AD-IC1,0 SUBWF AD-IA1,0 BTFSS STATUS,C ;判断AD-IA1AD-IB0 CURRENT-NEXT5: MOVF AD-IC0,0 SUBWF AD-IA0,0 BTFSS STATUS,C ;判断AD-IA0