电机智能保护装置的设计

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1、题 目： 电机智能保护装置的设计 院 系： 专 业： 电气工程及自动化 姓 名： 指导教师： 郭蕾 西 南 交 通 大 学 网 络 教 育 学 院院系 西南交通大学网络教育学院 专 业 电器工程及自动化 年级 电气工程及自动化2007-74班 学 号 姓 名 廖溆华 学习中心 重庆永川学习中心 指导教师 郭蕾 题目 电机智能保护装置的设计 指导教师评 语 是否同意答辩 过程分(满分20) 指导教师 (签章) 评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩组组长 (签章) 年 月 日 毕 业 论 文 任 务 书班 级 电气工程及自动化2007-74班 学生姓名 廖溆华 学 号 发题日期：20

2、09 年 10 月 10 日 完成日期：2009 年 11 月 07 日题 目 电机智能保护装置的设计 1、本论文的目的、意义 电机在国民经济中起着十分重要的作用，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现代工业生产及产业部门以至我们的日常生活，几乎离不开各种各样的电机，它们己是当今生产活动和日常生活中最主要的原动力和驱动装置。它们数量之多，应用范围之广，地位之重要，几乎是没有其他设备所能与之比拟的，举一个简单的例子，一台生产线上主要电动机的故障，必将造成生产线的停工，它甚至会影响整个大生产系统的工艺流程，影响之大可以设想。据不完全统计，全国使用的中型电机大约有200

3、0万台，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直接经济损失则更为巨大。 单片机的出现，对许多仪器仪表的设计带来了一次根本的变革。由于单片机的功能适中、价格低廉，能适应工业或测控现场环境要求，人们把它作为仪器或设备的局部控制和总线接口的通信器件，从而构成一个智能化的监控系统，用于控制内部电路，同时与外部信号打交道，并按一定协议与总线进行数据交换。它大大减轻了主CPU的负担，同时提高了系统的实时性和整体测控性能。 本设计的目的是利用各种智能手段对电机进行保护，从而保证电机正常工作

4、时的启动、停车、正转、反转、调速等所有运行方式的正常运行。 3、论文各部分内容及时间分配：（共 10 周）第一部分 确定毕业设计题目、查阅资料，调整设计思路。 ( 1 周) 第二部分整理电机智能保护的国内外发展现状及本设计的前景，并形成文档。( 2 周) 第三部分各种电机保护电路的详细介绍和设计思路。 ( 3 周) 第四部分 各本分硬件电路、软件程序的设计。 ( 3 周) 第五部分对毕业设计进行修改、整理、完善。 ( 1 周)评阅其答辩 ( 周)4、参考文献1 赵负图.机电控制集成电路手册M.第1版.化学工业出版社,2003. 2 李朝青.PC机及单片机数据通信技术M.第1版.北京:航空航天大

5、学出版社,2000. 3 王汝文,宋政湘.电器智能化原理及应用M.第2版.电子工业出版社,2004：93106. 4.李朝青.单片机&DSP外围数字IC技术手册M.第1版. 北京航空航天大学出版社,2003. 5 陈国呈.PWM变频调速及软开关电力变换技术M.第1版.机械工业出版社,2001. 6 王宏华.开关型磁阻电动机调速控制技术M.第2版.机械工业出版社,2002. 7 胡乾斌,李光斌.单片微型计算机原理与应用M.第1版.华中科技大学出版社,2003. 8 韦钢,张永健,陆剑峰,丁会凯.电力工程概论M.第1版.中国电力出版社,2005. 9 宋建成,石宗义,师文林.单片机在矿用隔爆型真空

6、馈电开关中的应用M.第2版.煤炭科学技术出版社,2001. 10张明军,厉吉文.8098单片机与液晶显示控制器HD61202接口的新方法J.第1版.山东电 子出版社,1998,5(3):34. 11李宏，张家田.液晶显示器件应用技术M.第2版.北京:机械工业出版社,2004. 12郭强.液晶显示器件应用技术M.第1版.北京:电子工业出版社,2003. 13X5043/X5045带4KB SPI EEPROM的CPU监控器M.武汉:力源电子有限公司,2000,21(1):110.14赖昌干,张金程,邹有明.矿山电工学M.第2版.北京:煤炭工业出版社,2001. 15王兆安,黄俊.电力电子技术M.

7、第1版.北京:机械工业出版社,2003. 16郭强.液晶显示应用手册M.第1版.北京:电子工业出版社,2002. 备 注 指导教师： 年 月 日审 批 人： 年 月 日诚信承诺一、 本论文是本人独立完成；二、 本论文没有任何抄袭行为；三、 若有不实，一经查出，请答辩委员会取消本人答辩资格。承诺人（钢笔填写）： 年月日目 录摘 要IABSTRACTII第1章 前言11.1开发电机智能保护系统的意义21.2 电机保护技术的发展历史、现状及发展方向31.2.1电机保护技术的发展历史与现状31.2.2电机保护技术的发展方向31.3本设计的主要工作及创新点41.3.1 系统的特点51.3.2 本智能电机

8、保护器应具备的功能5第2章 控制单元的硬件电路的设计82.1 控制单元总体结构设计82.2 中央处理器的选择依据92.2.1 性能特点102.2.2 引脚配置图102.3 单元的功能模块设计132.3.1 CPU最小工作系统132.3.2 电源模块的设计152.3.3 数据采集与转换模块的设计162.3.3.1 传感器的选择162.3.3.2 信号的滤波电路的选择172.3.3.3 放大电路的设计182.3.3.4 变送器、A/D转换器原理202.3.3.5 设定电流调节电路模块212.3.4 开关量输入、输出模块设计212.3.5 人机交互模块的设计232.3.5.1 液晶显示模块LCM的选

9、择232.3.5.2 时序及工作原理252.3.5.3 键盘接口电路设计262.4 故障数据存储模块的设计272.4.1数据存储芯片X5045的特点272.4.2 数据存储芯片X5045的外型282.4.3 数据存储芯片X5045的工作原理292.4.4 电池供电测故障原理322.4.5 漏电电路模块的设计332.5 本章小结34第3章 电机智能型保护抗干扰的设计353.1 概述353.2 本设计抗干扰的研究353.2.1 系统硬件抗干扰设计363.2.2 系统软件抗干扰设计383.2.3 数字滤波技术393.3 本章小结40第4章 电机智能保护软件的设计414.1 软件的总体设计414.2

10、功能模块的软件实现424.2.1 数据采集模块444.2.1.1 模拟信号的采集444.2.1.2 开关量输入、输出模块484.2.2 电流保护模块494.2.3 电压保护模块504.2.4 绝缘检测模块514.2.5 故障存储及查询534.2.6 键盘显示模块554.3 本章小结58第5章 经济技术分析595.1 本电机智能保护装置的技术分析595.1.1 普通电机保护器的价格调查595.1.2 本系统各部分元件的价格列表及系统技术分析595.2 本电机智能保护装置的经济性分析60结 论61致 谢62参考文献63摘 要该论文设计了一个以16位单片机80C196KC为控制核心的电机智能保护系统

11、。提出了电动机在发生漏电、缺相、短路、断路、电流不平衡等故障现象时的各种保护措施，并给出了硬件、软件的设计思想。本设计的控制核心采用80C196KC单片机，其A/D转换接口用于输入电机三相电流、工作电压、绝缘电阻的测量采样，结构紧凑。与现有电机综合保护仪相比，实现了漏电闭锁保护、短路保护、过载保护、缺相保护、过压，欠压保护；实现了动态液晶显示驱动电路用于显示各种信息，菜单屏在键盘操作下各个设置功能的显示；实现了发生故障时存储故障发生时的故障时间，故障类型以及故障值的大小等故障信息。在设计中还提出了系统的硬件、软件抗干扰设计的思想及方法。硬件抗干扰主要有:低通滤波、看门狗电路监控等；软件抗干扰主

12、要有:数字滤波。这样就较好地解决了系统中的干扰问题，减少了保护装置拒动作和误动作的可能性。更加便于系统的维护。关键词:电动机 单片机 故障 智能保护ABSTRACTThis paper design an intelligent protection system controlled by the 16 singlechip microcomputer 80C196KC for use with electric motors as well as show various protection measures on the motor breakdown phenomena such a

13、s the leak electricity of motor, the leak phase, the short circuit and imbalance of three phase current. The design idea on both hardware and software is also given.The 80C196KC microcomputer is used as the control core of the design. The system is provided with A/D conversion interface used to samp

14、ling the input current of the motor and the structure is compact. Compared with the existing electric motor protection device nowadays, achieved leakage electricity closed protection、short-circuit protection、over load protection、lack phase of protection、over voltage and less voltage protection；Achie

15、ved dynamic LCD driving circuits for show information, and the menu screen keyboard operation of the various functions of the show； Achieved failure to achieve a storage failure occurs when the failure time, the type of failure and protect storage circuit used to record breakdown data when system po

16、wers down.Also made hardware, software systems to resistant interference of thinking and methods in the design. Resistant interference of hardware main about：low-through filtering wave、watchdog circuit control；Resistant interference of software have digital filtering wave. Such a system would better

17、 address the interference problem, reduce the possibility of mistakenly moves and resisting moves of protective devices. Greater ease of system maintenance.Key words：Electric motor；Microcomputer；Breakdown；Intelligent protection第1章 前言传统的电机保护主要是采用继电器一类的模拟控制器件来实现，用定时继电器、行程开关、热继电器等对电机工作过程进行时序控制、行程控制、逻辑控

18、制、设备保护等。该类装置具有价格低、结构简单、安装方便等优点。但是其缺点是：元件分散性、热惯性较大、校验不方便，对电动机的断相、短路不起作用，因此对电动机起不到真正的保护作用。随着电子技术的飞速发展，许多厂家和科研单位研究和开发了以三极管、小规模集成电路为主的电机保护装置。这些装置虽然解决了热继电器反应迟缓的问题，有的也解决了断相等保护问题，但这些装置均靠电位器调节定值，再加上元件的可靠性低、价格高、电路结构复杂、校验不方便、不能记忆保护动作时的情况等问题，限制了它的使用。现在又出现了智能化的监控制系统。一般的监控系统是指不带CPU或单片机的模板或设备。当一个测控系统中I/O设备太多，又要进行

19、大量计算时，常出现在规定时间内不能完成指定任务的情况。单片机的出现，对许多仪器仪表的设计带来了一次根本的变革。由于单片机的功能适中、价格低廉，能适应工业或测控现场环境要求，人们把它作为仪器或设备的局部控制和总线接口的通信器件，从而构成一个智能化的监控系统，用于控制内部电路，同时与外部信号打交道，并按一定协议与总线进行数据交换。它大大减轻了主CPU的负担，同时提高了系统的实时性和整体测控性能。本设计的的中心思想是用高性能单片机为主设计一个电机的智能保护装置，该装置应具有以下特点：（1）能完成电机的多种保护，如：过流、过载、过压、欠压、短路、缺相、漏电闭锁保护，自动和手动复位。各种保护定值可以通过

20、该装置的16个按键直接输入，使得电机保护校验方便、透明。（2）能够对上述保护进行故障存储，并且存储鼓故障发生时的时间、类型以及故障值大小等故障信息，便于分析故障原因。（3）能实时显示电机电流及各种状况。各种功能的实现和参数选择均可通过面板键盘根据电动机规格和使用条件设定。该保护装置采用液晶显示器。（4）系统具有16位监视定时器Watchdog(看门狗)，当系统产生软硬件故障时，看门狗定时器将使系统复位。这样，就会提高系统的抗干扰能力。本设计以教材、著作、说明书、期刊、杂志等大量知识的载体作为参考资料。对此本设计人向诸多专家和学者表示衷心感谢。鉴于本人的知识水平有限，错误和不妥之处敬请各位审阅教

21、师给予指。1.1开发电机智能保护系统的意义电机在国民经济中起着十分重要的作用，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现代工业生产及产业部门以至我们的日常生活，几乎离不开各种各样的电机，它们己是当今生产活动和日常生活中最主要的原动力和驱动装置。它们数量之多，应用范围之广，地位之重要，几乎是没有其他设备所能与之比拟的，举一个简单的例子，一台生产线上主要电动机的故障，必将造成生产线的停工，它甚至会影响整个大生产系统的工艺流程，影响之大可以设想。据不完全统计，全国使用的中型电机大约有2000万台，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

22、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，关键的问题是电机保护技术尚有不尽人意之处，误动、拒动的情况时有发生，常影响正常使用，以致出现多数用户不用或将保护装置甩掉的严重现象。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

23、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十分必要。随着数字计算机、电子技术、集成电路的迅速发展，用计算机测控系统取代传统测控系统的条件己经成熟。为此，我详细地分析了电动机的运行和故障情况，采用一套过载保护的数学模型，设计一种具有智能分析能力的电机综合保护

24、装置。1.2 电机保护技术的发展历史、现状及发展方向1.2.1电机保护技术的发展历史与现状电机保护技术是随着近代工业化的发展而发展起来的。早期的电机保护方法主要是采用继电器一类的模拟控制器件来实现，用定时继电器、行程开关、热继电器等对电机工作过程进行时序控制、行程控制、逻辑控制、设备保护等。这些棋拟控制器件组成的常规控制系统具有可靠性高、易于维护操作等优点，并得到了广泛的应用。但随着工业生产向大型化、复杂化方向的发展，生产过程的自动化程度要求越来越高，常规控制系统的局限性己经越来越突出，其主要表现为:连线复杂、体积大、功耗高、工作速度慢、延时和控制精度低、设计、施工周期长、修改困难，尤其对模拟

25、量难于进行数字处理，在很多领域里的使用受到了限制。50年代以后，随着计算机技术、智能传感器技术、数字信号处理技术、集成电路技术的迅速发展，工业测控系统的应用研究取得了巨大的进步。随着新技术、新工艺不断地向传统的技术与工艺挑战，用计算机智能保护系统取代传统的保护仪表，用现代的控制算法取代经典的控制算法，用灵敏、节能的新型智能传感器取代老式的变送器，己成为工矿企业及科研院所设计与改造工业测控系统首先考虑的问题。1.2.2电机保护技术的发展方向随着科学技术的发展，电机保护系统正趋于走向智能化、模块化、虚拟化。(1) 电机保护系统的智能化。现在一般的电机保护系统是指不带CPU或单片机的模板或设备。当一

26、个电机测控系统中I/O设备太多，又要进行大量计算时，常出现在规定时间内不能完成指定任务的情况。单片机的出现，对许多仪器仪表的设计带来了一次根本的变革。由于单片机的功能适中、价格低廉，能适应工业或测控现场环境要求，人们把它作为仪器或设备的局部控制和总线接口的通信器件，从而构成一个智能化的监控系统，用于控制内部电路，同时与外部信号打交道，并按一定协议与总线进行数据交换。它大大减轻了主CPU的负担，同时提高了系统的实时性和整体测控性能。 (2) 电机保护系统的模块化随着计算机技术、大规模集成电路和智能传感器技术的发展，新型的智能外围器件层出不穷。这种新型的智能外围器件具有功耗低、接口简单、结构紧凑、

27、可靠性好、精度和性能价格比高等优点，越来越成为电机保护系统设计者们的首选器件。这使得保护系统的设计越来越致力于系统的功能性设计。模块化的设计具有设计周期短、互换性好、精度高、可靠性和系统整体性能好等优点，更有利于产品的更新换代。(3)电机保护系统的虚拟化自1986年美商国家仪器公司(National Instrument Corp.简称NI)推出虚拟仪器(Virtual Instruments，简称VI)的概念以来，VI这种计算机操纵的模块化仪器系统在世界范围内得到了广泛的认同与应用。在VI系统中，用灵活、强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，用人的智力资源代替许多物质资源，特别是系统中应用

28、计算机直接参与测试信号的产生和测量特征的解析，使仪器中的一些硬件、甚至整件仪器从系统中“消失”，而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能。总之，传统的电机保护仪器已从模拟技术向数字技术发展；从单台仪器向多种功能仪器的组合及系统型发展；从完全由硬件实现仪器功能向软硬件结合方向发展；从功能组合向以计算机为核心构成多功能模块的自动保护系统发展。未来的电机保护仪器和系统除了拥有更强大和完善的功能外，将更快、更小、甚至植入要保护的电路中，同时还要具备自我诊断、自我校准和自我感知能力。本设计的将要开发的智能电机的保护装置，是以MCS-96为控制核心，对电机的启停进行智能化控制，大大提高了保护精度，使电机的运

29、行更加的智能化，并且对社会具有很大的经济价值和实用价值。1.3本设计的主要工作及创新点本设计在了解目前我国的智能电机的综合保护现状和需求的基础上，采用MCS-96系列单片机80C196KC单片机微处理器，经过抗干扰处理，工作可靠，操作方便，保护精度高，反应速度快。能完成适合低压电机的启停，运行的保护单元的硬件设计，软件设计以及印刷电路板的制作等工作。1.3.1 系统的特点a. 模块化设计一个保护仪能实现对多种模拟量的监测，这样就增加了系统配置的灵活性及产品的标准化。监测的变化只需变化相应的信号采集和调理部分，不用改变其它部分，只要把采集来的信号转换成05V之间的标准电压即可。b. 系统的小型化

30、在本系统电路的设计中，尽量考虑使用新型及功能较强的集成电路芯片，采用串行总线外围接口器件，如80C196KC、74LS373、8255A、X5045、AD620、CD4051、7805等。这不但简化了电路，减小了体积，而且增加了其可靠性。c. 系统的智能化该电机保护仪是以智能单片机作为控制心脏，所以使得仪器的自动化程度提高，功能加强，性能更加稳定。d. 系统的通用化对本系统进行适当的变换可进一步推广到其它工业测控、故障诊断以及用于需要按工况要求监测温度、压力、电流和电压等物理量的场合，所以本系统具有一定的推广价值。e. 系统的实时化本系统的一个重要特点在于实现了在线监测。所以操作者通过看保护仪

31、的液晶显示器和听报警声音就可以观察被测电机的工作状况，方便了用户，节省了人力资源。同时，具有低功耗，高可靠性。本设计要完成的工作主要有以下几个方面：a. 智能控制单元的硬件设计和结构设计。b. 系统的抗干扰设计。c. 软件的编写和调试。1.3.2 本智能电机保护器应具备的功能（1）测量功能a.电动机的工作电压。b.电动机的三相线电流。c.电动机绕组侧启动前的绝缘电阻值。（2）保护功能a.漏电闭锁保护：主回路对地绝缘电阻降到动作值以下时，漏电闭锁保护动作，禁止启动。当主回路对地绝缘电阻恢复到动作值1.5倍时自动复位，为了防止电机的反电动势，漏电闭锁功能在主回路断开10秒后投入。b.短路保护：主回

32、路三相工作电流中任何一相电流大于8倍额定电流时，起动器短路保护动作。过载保护：过载保护动作后启动器不能自动复位，故障消除后，需按复位按钮启动器才能自动重新启动，动作倍数及时间见表11。表11 过载保护动作指标相号IIe动作时间启动状态11.052h不动作冷态21.2小于20min或小于1151s冷态31.5小于3min或小于176s冷态46小于13s冷态a. 缺相保护：主回路接通后，主回路三相工作电流中的任何两相电流连续相差0.58倍以上电流时，在120s内缺相保护动作。b. 过压，欠压保护：主回路电压工作在0.851.15Ue，超出1.15Ue为过压，应立即停止工作，切断电源；低于0.75U

33、e为欠压，应立即停止工作，切断电源。（3）储存故障和查询功能能够对电机发生的漏电，短路，过载，缺相，过压，欠压进行故障储存，并且存储故障发生时的故障时间，故障类型以及故障值的大小等故障信息，当技术人员需要读系统进行有针对的检修时可以输入时间进行故障查询。（4）人机交互功能采用液晶显示器实现运行过程中的电压等级，实时电压，额定电流，实时三相电流，启动前的绝缘电阻值，控制方式，以及系统工作时间的显示；实现菜单屏在键盘操作下各个设置功能的显示以及故障查询屏的显示；实现在系统检测到故障时故障信息的显示。a 运行屏：当送电后，显示屏每隔35s滚动以下内容：电压等级：660V,380V。三相电流：A B

34、C绝缘电阻值b 故障屏：当故障发生时，显示屏给予显示，并静止不动。设置故障查询，为今后维修故障分析有据可查。漏电故障绝缘值短路故障三相电流值缺相故障三相电流值过载故障三相电流值欠压故障电压值过压故障电流值（5）自动复位功能系统具有16位监视定时器Watchdog(看门狗)，当系统产生软硬件故障时，看门狗定时器将使系统复位，提高了系统的抗干扰能力。由于A/D转换器与CPU制作在一个芯片上，使系统体积小，适合于在对结构尺寸有限制的场合使用。第2章 控制单元的硬件电路的设计本章详细介绍了电机智能保护器的控制单元的硬件电路设计，包括模拟电路、数字电路的设计原理、方案选定，同时也比较详细的介绍了每个模块

35、在本设计中涉及到的主要功能和原理图。2.1 控制单元总体结构设计由硬件的总体结构框图，如图21，介绍系统的工作原理为：图2-1 硬件的总体结构框图系统采用在主回路闭合之前对系统的绝缘电阻进行检测，采样进来的电压为01V的电压信号，经过模拟通道选通以后再经AD620进行放大五倍操作，然后进入CPU的A/D模块进行A/D转换，再经CPU内部进行运算处理，判断是否发生漏电故障，如果漏电则不允许主回路合闸并且在显示屏上显示漏电故障，并发生报警；如果没有漏电故障发生则允许启动；在系统正常启动以后，将电压和电流信号分别经电压和电流互感器进行一次变换，然后在经电压和电流变送器进行二次变换，将它转换成01V的

36、电压信号，然后经模拟通道选通和放大处理后进入A/D模块转换成数字量，CPU随即进行相应的计算和处理，计算过的数据通过总线缓冲器在液晶显示器上进行实时显示，CPU在对保护数据进行相应的逻辑判断后，通过总线缓冲器合驱动电路对真空接触器线圈进行操作。CPU对键盘以及I/O输入信号和各种返回信号进行循环扫描和检测，完成对保护对象的状态监测和人机交互功能。所有发生的故障合所有的掉电设置都存储在存储器中。通过时钟芯片记录时间，并且实时显示。由于控制的对象是应用设备上的电动机，因此必须在系统发生故障时及时判断出故障点并能及时判断故障电流；系统正常工作时，控制单元必须有能力及时处理大量实时动态数据，因此控制单

37、元对硬件的实时性、快速性、准确性和多功能性要求很高。所以，本智能保护系统，考虑到容量，设计选用中央处理器件如下。2.2 中央处理器的选择依据由于单片机以其高可靠性、高性能价格比、集成度高、使用方便、价格低廉等一系列优点，单片机技术的出现则是给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命，它己成为计算机技术的一个独特分支，单片机的应用领域也越来越广，从面向工业控制、数据采集系统、通信、交通、智能化仪表等迅速发展到家用消费品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域，特别是在工业监侧控制和仪器仪表智能化过程中扮演着极其重要的角色。单片机在多媒体、汽车、航空航天、高级机器人及军事装备等多方面

38、面临新的需要和大量的数据处理，所以，16/32的单片机应运发展，它代表着单片机发展的高新水平。本智能电机保护装置的微处理器选用INTEL公司的MCS-96系列单片机80C196KC。当然，单片机的种类是很多的，如EM系列、PIC系列、Motorola系列、Intel系列。Motorola公司的8位单片机MC6805虽具有低价、高速等优点，但在国内开发装置没有Intel系列普及，且价格高。PIC系列的单片机虽具有低功耗，内含看门狗电路等优点，在家电产品中应用广泛，但其常用芯片无数据总线，很难扩展一个具有显示、存储、按键等外部器件的较强功能的应用系统。而Intel公司生产的MCS-96系列单片机以

39、其优越的性能、成熟的技术、强大的功能、低廉的价格、产量大、齐全的品种，且开发装置齐全，价格低，体积小，开发工具易操作等的优点。因此，客观发展表明:80C196可能形成最终事实上标准的单片机芯片，因为以80C196为内核的单片机系列在世界上生产量大，派生产品多，可以满足大多数用户的需要；而且目前的16位机如80C251和80C51XA等系统也是以向上兼容的；再者，80C196己经形成由低到高的各个档次、价格、合理的开发装置。所以本系统中选用了INTEL公司DIP68的89C196单片机，因为它特别适合于小型的产品开发和研制。2.2.1 性能特点89C196单片机具有16位的CPU(中央处理器)；

40、高效的指令系统；10位A/D转换器；脉宽调制输出；全双工串行口；高速输出/输入器；5个8位标准输入/输出口；9个中断源；16位监视定时器；可动态配置的总线；8K字节的内部ROM；256字节的寄存器阵列和专用寄存器；2个16位定时器；4个软件定时器。2.2.2 引脚配置图本系统所用16位CPU(中央控制单元)80196KC的引脚配置图如图2-2所示。图2-2 80C196芯片本设计用到的引脚功能定义如下：l VCC：主电源电压(+5V)；l VSS：数字电路地(0V)l VPD：RAM备用电源电压(+5V)。在正常操作期间就应加上此电源。在掉电状态下，若在VCC下降到低于规定值之前(VPD继续保

41、持在规定范围内)使RCSET有效，则寄存器阵列的顶部16字节的内容将保持不变，在掉电期间，RESET应一直保持低电平，直至VCC恢复到规定范围内且振荡器达到稳定时，才被拉成高电平。l VREF：A/D转换器参考电压(+5V)。VREF也是A/D转换器模拟部分及读P0口所用逻辑的供电电压。因此，为保证A/D和P0口正常运行，VREF必须接通。l VPP：EPROM型芯片的编程电压。l AGND：A/D转换器参考地电平。通常必须和VSS保持同电位。l RESET：复位输入端。复位时至少保持2个状态周期的低电平，此后由低变高的跳变使A相时钟重新同步，且形成一个10个状态周期的序列，在此期间，PSW被

42、清除，2018H单元的内容装载到芯片配置寄存器CCR（仅对8096BH/8098），并跳转到2080H单元。正常运行时，此脚应输入高电平。RESET引脚具有内部上拉电阻。l XTAL1：振荡器中反相器的输入，也是内部时钟发生器的输入，常接外部晶体。l XTAL2：振荡器中反相器的输出，接外部晶体。l EA：存储器选择输入端。EA=1，当访问存储器 2000H-3FFFH单元时，访问的是片内ROM/EPROM； EA=0，则访问的是片外存储器。在EPROM编程时，EA=+12.5V使编程开始。EA具有内部上拉电阻，故除非从外部将其拉高，否则将处于低电平状态。EA的输入状态在复位期间将被锁入内部。

43、l ALE：从DV地址锁存允许（ALE）或地址有效输出（ADV），由CCR选择。两者都提供了一个锁存信号，以便把地址从地址/数据总线中分离出来。当选定ADV功能时，在总线周期结束时，此引脚变高。ADV可作为外部存储器的片选信号。只有在外部存储器访问期间才会激活ALE/ADV. 80196系列不提供ADV功能。l RD：对外部存储器的读信号（输出）。l READY：准备就绪输出信号。用来延长外部存储器访问周期，以便与慢速或动态存储器借口，或为了总线共享。若此脚为高，则CPU继续正常的操作。若此脚在A相时钟下降沿之前变低，则片内存储器控制器进入等待状态，直至A相时钟脚发生下一个负跳变，且READY

44、变高为止。总线周期可延长1us，不用外部存储器时，READY不起作用。通过CCR可以控制插入到总线周期中的等待状态数(对8096BH/8098系列)。READY有微弱的内部上拉作用(内有弱上拉电阻)。因此，除非从外部将其拉低，否则即为高电平。l HSI：高速输入器的输入，共有4个输入引脚，记为HSI.0HSI.3，其中2个（ HSI.2和HSI.3）与HSO合用。在EPROM型号中的编程方式下，也用到这些引脚。l HSO：高速输出器的输出，共有6个引脚，记为HSO0HSO5,其中HSO4、HSO5与HSI合用。l BUSHWI：总线宽度选择输入端。如果芯片配置寄存器CCR.1=1，则运行中总线

45、宽度取决于BUSHWI的逻辑值，若BUSHWI=1，选择16位总线，否则选择8位总线。如果CCR.1=0，则总线宽度总是8位。l NMl：非屏蔽中断。当此引脚有正跳变时，清除监视定时器，形成一个指向外部存储器0000H时间单元的中断矢量，而外部存储器00H至0FFH是保留给INTEL开发系统用的。l INST：在读外部存储器期间此脚输出高电平则表示是取指读操作。在整个总线周期内INST都有效。l CLKOUT：内部时钟发生器的输出，CLKOUT的频率是振荡器频率的1/3，占空比为33%。l TXD/P2.0：串行口发送端，是P2.0引脚的替换功能。l RSD/P2.1：串行口接收端，是P2.1

46、引脚的替换功能。l EXTINT/P2.2：外部中断申请端，是P2.2引脚的替换功能。l T2CLK/P2.3：定时器2的外部时钟输入端，是P2.3引脚的替换功能。l T2RST/P2.4：定时器2的复位端，是P2.4引脚的替换功能。l PWM/P2.5：脉冲调制器输出端，是P2.5引脚的替换功能。l P0口：8位高阻输入端口。这些引脚既可以作数字输入口，也可作A/D转换器的模拟输入口（ACHO-ACH7）。其中P0.4-P0.7又可作为EPROM型产品编程方式下的方式选择输入。l P1口：8位准双向I/O口。l P2口：8位多功能口，其中P2.0P2.5共6个脚是多功能的引脚，P2.6和P2

47、.7为准双向口。l P3和P4口：具有漏极开路的8位双向工I/O口。这些引脚可用作多路切换的地址/数据总线，它们有很强的内部上拉作用。EPROM型产品中，P3和P4口在编程方式下还用作命令、地址和数据通路。2.3 单元的功能模块设计本电机智能保护系统的智能监控单元的硬件电路可以按结构、功能的不同分成几个模块：a.输入模块；b.中央控制模块；c.开关量输出模块；d.通信模块；e.人机交互模块；f.电源模块。2.3.1 CPU最小工作系统CPU最小工作系统是由80C196KC和存储、复位电路组成的。a. 由于80C196集成了许多外围功能模块，所以大大简化了外围电路。CPU最小工作系统是整个控制单

48、元的核心，它将经过A/D转换后的模拟信号，以及各类开关量信号送给CPU，CPU依据一定的算法和逻辑判断进行各种实时处理，并生成、传送相应的控制命令和各种信息，对异常的情况迅速的作出反应，并且及时准确的分断电路并发出报警信号。b. 数据存储芯片X5045是设计用于与微处理器直接相连接的可编程看门狗监控E2PROM。X5045提供了串行存储器的所有优点，它的特点是具有允许简单的三总线工作的串行外设SPI接口和软件协议，它把三种常用的功能:看门狗定时器，电压监控和E2PROM组合在单个封装之内，这种组合降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求。由于该智能保护系统观察记录数据必须具有掉电数据存储功能，

49、检修时使用电池供电，读取存放在故障存储芯片中的故障信息，包括由于接地电阻超限引起的漏电、线路断路、短路、电流不平衡以及开关内温度、接地电阻大小等的故障信息。利用X5045的低VCC检测电路，可使保护系统免受低电压状况的影响。当VCC降低到最小VCC转换点以下，系统复位。复位一直确保到VCC返回且稳定为止。X5045的存储器部分是CMOS的4096位串行E2PROM，在它内部按5128来组织。它利用Xicor公司专有的Direct WriteTM晶片，提供最小为100,000周期/字节的使用期限和最小为100年的数据保存期。X5045允许简单的三线总线工作方式的串行外设接口(SPI)所以采用80

50、C196的P1口来控制输入及时钟。X5045与中央处理器80C196的接口电路示意图如下图2-3所示：图2-3 X5045与80C196的接口电路图图2-3展示了X5045在本控制系统中的应用线路图。X5045只占用了单片机极少的资源。使用时必须注意主机一次最多可向X5045写4个字节的数据。为确保写入正确，每次写周期之后，可再读一次，和原值比较，若相等结束，否则再调写入子程序，直至正确为止。另外，X5045芯片的详细引脚介绍及使用说明在后面的系统存储器设计中会详细讨论。在此只先设计手动复位电路如图2-4所示：图2-4 手动复位电路图2.3.2 电源模块的设计本智能保护控制系统能否稳定、可靠的

51、工作，电源的设计是非常重要的，其实质是为单片机系统提供稳定的直流供电电压;在进行模数转换时，需要给转换电路提供精密电压源。在本系统中，由于系统芯片电源为+5V，因此设计了由集成稳压块7805组成的供电电路。在电路中使用的7805稳压块仅有输入端、输出端和公共端，在芯片内部设有过流、过热保护以及调整管安全保护电路。其所需的外部元件少、不需外接元件调整，使用方便，安全可靠，输出稳定性高而广泛用于各种电子设备中，可以作为电压稳定器。这个电路给系统提供稳定的直流电压，集成稳压块的作用是把非稳定的直流电压变换成稳定的直流电压。电源电路原理图如图2-5所示。图2-5 电源电路原理图该电路由变压器T3、桥式

52、整流器B2,滤波电容E2和集成稳压块7805组成。其工作原理为：45V交流电经变压器降压后由次级线圈输出后电压降为12V，然后经过桥式电路整流输入给集成电压稳压器7805产生+5V电压提供给单片机应用系统。电容E2主要起到滤波和减少脉动成分的作用。表2-1 7805基本参数表参数名称单位参数值输出电压V+55%输入电压V10静态工作电流mA6输出电压温漂（典型值）Mv/0.6输出噪声电压（典型值）uV40最小输入电压V7.5最大输入电压V352.3.3 数据采集与转换模块的设计当单片机作为测控系统时，系统总要有被测量信号的通道，由计算机拾取必要的输入信息。对于电机的智能保护系统而言，如何准确获

53、取被测信息是其核心任务。系统需要的被测信号，一般可分为开关量和模拟量二种。所谓开关量，是指输入信号为状态信号，如继电器的吸合和断开、光电耦的导通与截止等。开关量电平有二种，即高电平或低电平。对于这类信号，只需经放大、整形、和电平转换等处理后，既可直接送入计算机系统。但是，对于模拟量输入，由于其电压或电流信号是连续变化的，信号幅度在任何时刻都有具体定义。因此对其进行处理就较为复杂，在进行小信号放大、滤波量化处理过程中需考虑干扰信号的抑制、转换精度和线性等诸多因素。而这种信号又是测量系统中最普遍、最常用到的输入信号，如对电流、电压等信号的处理。对被测对象状态的拾取，一般都离不开传感器和敏感器件。这

54、是因为被测对象的状态参数往往是一种模拟量，甚至非电物理量，而计算机只是一个能识别和处理电信号的数字系统，因此利用传感器将模拟量转换成数字量才能完成测量和控制的任务。然而，利用传感器转换后得到的电信号，尤其是模拟信号，往往是小信号，需经过放大后才能进行有效的处理，而且为了抑制现场电磁干扰的影响，往往需要对该信号进行滤波处理，本节将对系统的传感器，放大、滤波电路，与80C196的变送、A/D转换模块接口电路等各环节进行设计。2.3.3.1 传感器的选择传感器是实现测量的首要环节，是测量系统的关键器件，直接影响着系统的可靠性与稳定性。传感器的输入Y与输出x的函数关系式称为变换函数，也称灵敏度函数，它表示传感器的输入输出特性，对该函数进行微分，得： (21)其中s称为传感器的灵敏度。理想情况下，变换函数为一元函数，但由于被测对象和被测环境的干扰，实际上变换函数为多