毕业设计（论文）-基于SoC的DW45断路器用欠压脱扣器研究与设计

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1、常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书SJ005-1CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY毕 业 设 计 说 明 书题目： 基于SoC的DW45断路器用欠压脱扣器研究与设计 二级学院： 电子信息与电气工程学院 专 业：电气工程及其自动化班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 职称： 副教授 评阅教师： 职称： 年 月摘 要低压断路器现在被广泛应用，它不仅用于主干、支干、电路末端等作线路及电气设备的不频繁合、分和过载、短路、欠电压等故障的保护，还应用于各种负载，如断路器用作配电系统的保护，断路器保护和类似场所中的应用，配电系统选择性保护。DW45断路器作为一种

2、新型的智能型万能式低压断路器的产生，具有如下特点：智能化，通讯，体积小，短路故障的高能力和完善的保护功能。它逐步成为智能电网中的主要配电单元。针对新一代智能型低压万能式DW45断路器体积明显缩小，且对内嵌电子单元要求更高之特点，研究一种基于SoC（system-on-chip）的高性能欠压脱扣器。在现有的DW45电磁式下的压力释放装置的基础上，对问题的分析提出了基于降压电容器，电容器充电和放电的新方案。结合这种方案，就主电路、SoC电路、开关电路以及主控流程等主要问题展开了讨论。实验结果表明，整个电路的欠压脱扣器是简单的，在783035mm的空间实现瞬时或延时脱扣。动作点准确度达2V，测控电路

3、工作电流仅为0.73mA5V。经受1.3倍电网电压老化，通过了4KV脉冲群考核试验及万次”疲劳实验。为新一代智能型低压万能式DW45断路器提供了一种高可靠小型化欠压脱扣器优选方案。关键词：DW45断路器；欠压脱扣器；电路设计；SoC；瞬时、延时脱扣；AbstractLow voltage circuit breaker is widely used, it is not only used for the trunk, branch, circuit terminal for lines and electrical equipment is not frequent, and overloa

4、d protection, short circuit, under voltage fault, is also applied to various loads, such as circuit breaker protection for distribution system, circuit breaker protection application and similar places, selective protection of distribution system.DW45 circuit breaker is a new generation of intellige

5、nt low voltage circuit breaker, with intelligence, communication, small volume, high short circuit breaking capacity and perfect protection functions, gradually become the main distribution in smart grid unit.Considering that the new generation of intelligent DW45 low pressure universal type circuit

6、 breaker reduces significantly in size and has higher requirements for the embedded electronic units, a high-performance undervoltage release, based on SoC, has been worked out. On the basis of the problem analysis concerning the existing DW45 type electromagnetic undervoltage release, the paper put

7、s forward a new scheme based on the key technique of capacitance step-down and capacitor charging-discharging. With the scheme, main circuit, SoC circuit and switch circuit as well as main control process are discussed. Experiments show that the whole circuit of the new undervoltage release is conci

8、se and capable of realizing the instantaneous undervoltage tripping or delay undervoltage tripping in 78 * 30 * 35 mm space. The accuracy of action point is limited within plus or minus 2V and the working current of measurement and control circuit is 0.73 mA 5V only. The new scheme has withstanded 1

9、.3 times the aging power grid voltage and successfully passed the 4KV EFT test and the ten thousand times fatigue experiment. In short, it provides an optimization scheme of a high reliable and miniaturized undervoltage release for the new generation of intelligent DW45 low pressure universal type c

10、ircuit breaker. Key Words: DW45 circuit breaker; Undervoltage release; Circuit Design; SoC; Instantaneous trip, delay trip.目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 智能电网的发展现状11.2 低压短路器介绍11.2.1 低压断路器的概述11.2.2 低压断路器的工作原理和分类21.2.3 低压断路器的典型结构31.2.4 低压断路器的主要参数31.3 欠压脱扣器原理41.4 欠压脱扣器的发展趋势4第2章 欠压脱扣器简介52.1 相关国家标准浅析52.1.1

11、欠压脱扣器型式特征52.1.2 欠压脱扣器的动作电压整定值52.2 欠压脱扣器的设计要求62.3 机械要求62.4 本章小结7第3章 欠压脱扣器执行元件计算83.1 电磁体吸力计算83.2 线圈的结构设计83.3 本章小结13第4章 硬件电路设计144.1 技术指标与参数144.2 系统原理框图设计144.3 主电路设计154.3.1 主电路设计154.3.2 主电路仿真164.3.3 单片机选择174.4 电源输入电路设计214.4.1 常用电源的比较分析214.4.2 电源电路设计224.4.3 电源后备电路设计234.4.4 稳压电路设计244.5 采样电路设计254.6 驱动电路设计2

12、64.6.1 常见电路通断控制方法对比264.6.2 常见MOS管驱动电路264.6.3 驱动电路设计264.6.4 驱动电路仿真274.7 拨码开关延时值设定294.8 本章小结29第5章 软件设计305.1 单片机STM8S003F3的软件开发305.2 系统初始化335.2.1 系统时钟初始化335.2.2 I/O端口初始化355.2.3 TIM4初始化375.2.4 ADC初始化385.3 A/D采样程序设计395.3.1 A/D转换框图395.3.2 A/D转换与系统动作点405.3.3 A/D采样程序设计415.4 定时程序设计425.4.1 定时器基本框图425.4.2 定时器中

13、断程序设计435.5 拨码开关时间值设定445.6 总流程图设计455.7 本章小结46致 谢47参考文献48附录1 DW45欠压脱扣器电路图49附录2系统程序50III第1章 绪论第1章 绪论1.1 智能电网的发展现状智能电网，就是电网的智能化，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标。在中国的配电网的建设的发展，将产生越来越明显的经济效益和社会效益。1）实现配电网的优化运行，达到经济效益。配电网应用了先进的监测技术，对操作状态的实时监控和优

14、化管理，降低系统容量负载率和提高负荷率，可以充分利用系统容量，如此可延缓或减少电网一次设备投资，产生更多的经济和社会效益。2）提供高质量和可靠的电源，保证现代社会经济的发展。配电网能确保供电的可靠性，也可以提供满足具体需求的用户的电能质量，不仅可以消除以前的故障重合闸、倒闸操作引起的短暂停电，并能消除电压下降、谐波和不平衡影响，为各种各样的高科技设备的正常运行，现代社会和经济的发展提供高质量和可靠的电源保护。3）促进新能源革命，促进环境保护和可持续发展。传统的配电网规划和设计、保护、控制和操作管理基本上不考虑SER访问和不影响配电网的正常运行，现有标准或操作指南对选择访问DER能力和网络进行严

15、格限制，限制了分布式发电的推广应用。SDG有很好的适应性，大量访问DER和降低成本的网格，大大促进可再生能源发电的发展，极大减少化石燃料的使用和碳排放，同时促进环境保护，实现电力生产和能源结构的转型。在日益增长的能源需求，今天的新技术发展和环境保护的一体化越来越多，智能电网已成为电力工业发展的必然要求，也成为共同选择世界各地的迎接未来的挑战。对于中国来说，对未来智能电网的可持续发展是更重要和必要的。智能配电网的综合效应在环境、市场、安全与电能质量三个方面。着重对电网升级，建立了四个时区统一电网；最大发挥网格的价值和效率，逐步实现统一网络管理；全面促进分布式能源管理，创造最高的世界能源的使用效率

16、，建设有中国特色的智能电网，是中国电力发展的未来方向。1.2 低压短路器介绍1.2.1 低压断路器的概述低压断路器又称空气开关或自动开关，简称断路器。他相当于到开关、熔断器、热继电器、过流继电器和欠电压继电器的组合，不仅是一个可以打开和断开正常的负载电流和过载电流，也可以开关短路电流的开关电器。低压断路器除了可以对电路进行控制，也有保护作用，如过载、短路、欠压、漏电保护。低压断路器可以手动直接操作和电动操作，也可以远方遥控操作。1.2.2 低压断路器的工作原理和分类图1-1断路器原理示意图：过电流脱扣器：热脱扣器：分离脱扣器：失电压脱扣器：选控开关低压断路器的主触点是通过手动操作或电气开关。主

17、触点关闭，自由脱扣器会在合闸位置上关闭主触点。热脱扣器的热元件与过电流脱扣器的线圈与主电路串联，欠压脱扣器线圈并联电源。当发生短路或严重过载，过电流脱扣装置的衔铁吸引，自由脱扣机构动作和主电路的主触点断离。电路过载时，热脱扣器的热元件释放热使双金属片弯曲向上，推动自由脱扣器动作。当电路欠电压时，欠电压脱扣装置释放衔铁。使自由脱扣装置动作。分励脱扣装置是远程控制器，在正常工作时，线圈断电，在控制的距离内，按下开始按钮，线圈通电，衔铁动作使自由脱扣机构动作，断开主触点。低压断路器的分类：按使用类别分，A类：没有短时耐受电流和B类：有短时耐受电流。按选择性保护分，非选择性保护和选择性保护。按用途可分

18、为：配电保护、电动机保护、保护照明线路、漏电保护。按级数分为：单级、二级、三级、四级。每级区别与不同于母线的数量不一样。按灭弧介质分：有空气型和真空型。按操作方式分，手动和电动。1.2.3 低压断路器的典型结构低压断路器用脱扣器，触头系统，灭弧装置，传动机构，机架和外壳零件来构成。1.脱扣器脱扣器是低压断路器中用来接收信号的元件。如果线路中出现非正常情况或由操作人员或继电保护装置发出信号时，脱扣器会根据信号的情况通过传递元件使触头动作掉闸切断电路。低压断路器的脱扣器具有过电流脱扣器，热释放，释放的电压损失，分励脱扣器等。2.触头装置低压断路器的主触头在正常情况下可以接通分断负荷电流，在故障情况

19、下还必须可靠分断故障电流。大容量的断路器中为了更好地保护主触头又赠设了副触头，即为三接触头，合闸时的动作顺序为主触头先闭合，然后副触头闭合，最后弧触头闭合；分闸时的操作顺序为弧触头先分断，然后副触头分断，最后主触头分断。3.灭弧装置低压断路器中的灭弧装置一般为栅片式灭罩，灭弧室的绝缘壁一般用钢板纸压制或用陶土烧制。1.2.4 低压断路器的主要参数1.断路器的额定电流参数（1）断路器壳架等级额定电流用尺寸和结构相同的框架或塑料外壳中能装入的最大脱扣器额定电流表示。（2）断路器额定电流断路器额定电流就是额定持续电流。也就是释放电流长时间在断路器脱扣装置调节是通过长期的最大电流2.额定电压（1）额定

20、工作电压断路器额定工作电压是指与能断能力及使用类别相关的电压值。对多相电路是指相间的电压值。（2）额定绝缘电压断路器额定绝缘电压是指设置断路器的电压值，电气间隙与爬电距离应该参照这些电压值而定。除非型号产品技术文件另有规定，额定绝缘电压是断路器的最大额定工作电压。在任何情况下，最大额定工作电压不超过绝缘电压。1.3 欠压脱扣器原理欠压脱扣器作为断路器中内嵌的重要元件之一，是一种电磁铁机构。它由电压线圈、铁芯、磁轭、磁轭支持板、反作用力弹簧等组成。对欠压脱扣中断路器分闸起着关键性作用。欠电压脱扣器是在它的端电压下降至规定范围时，使断路器断开的一种脱扣器，其中还分为有延时或无延时。当电源电压下降到

21、额定工作电压的50%时，欠电压脱扣器工作；电源电压等于或大于85%脱扣器的额定工作电压时，在热态条件下，应能使断路器闭合。因此，当电路中电源电压发生一定的压降时，它能切断电源，使该电路中的电气设备避免损坏。使用时，应该注意欠电压脱扣器通电后，断路器才能合闸，否则断路器合不上闸。1.4 欠压脱扣器的发展趋势现有DW45欠压脱扣器体积较大，欠压脱扣器通常由测控电路与脱扣执行部件组成。执行部件可分为电磁型和永磁型两类。执行部件故障率很低，故欠压脱扣器品质，主要由测控电路的决定。电磁型欠压脱扣器采用电磁铁为执行部件，控制电路先对电磁铁发出较大的初始动脉冲功率。此后，电磁铁保持特定的权力，克服弹簧复位力

22、使动铁芯处于吸合位置，为断路器主触头闭合给出条件。当电压下降到一定数值时，电磁铁因测控电路断电，复位弹簧反作用力移动铁芯的弹出，推开锁扣机制（脱扣），主触头系依靠自身储能弹簧力，断开主触头系。由于电磁元件具有自复位脱扣力电源，断路器仍被广泛使用。整体的趋势是往可靠性高，体积小，造价低的方向发展。65第2章 欠压脱扣器简介第2章 欠压脱扣器简介2.1 相关国家标准浅析欠压脱扣器在低压断路器中是关键的元件之一，在现行国家14048.2-2008文件中对脱扣器有如下标准。2.1.1 欠压脱扣器型式特征1.型式1）分励脱扣器：2）过电流脱扣器：a）瞬时的；b）定时限的；c）反时限的：与原先的负载无关；

23、与原先的负载有关（例如热式脱扣器）。3）欠压脱扣器（作断开用）；2.特征1）分励脱扣器和欠压脱扣器（作断开用）：额定控制电路电压（Uc）；电流种类；额定功率（指交流）。2）过电流脱扣器：额定电流（In）；额定频率（指交流）；电流整定值（或整定值的范围）；时间整定值（或整定值的范围）。过电流脱扣器的额定电流是指在实验条件下能够承载相应于最大电流整定值的电流值（如是交流，则为有效值），在此条件下，温升不超过表7中的规定值。2.1.2 欠压脱扣器的动作电压整定值随着断路器可调脱扣装置，电压设定值（或电流设定值范围，如果适用的话）应在释放或表盘上标示。该标志可直接用安培数或电流值的倍数标明在脱扣器上。

24、对于装有不可调脱扣器的断路器，标志可标在断路器上。如果过载脱扣器的动作特性符合的要求时，则在断路器上标明它的额定电流（In）即可。在由电流互感器间接动作的脱扣器的情况下，标志可以标明锁供给的电流互感器的初级电流或标明过载脱扣器的电流整定值。不论怎样标明，都应该说明电流互感器的变比。除非另有规定：过电流脱扣器的动作值除热式外，系指在-5+40的范围内与周围空气温度无关；对于热式脱扣器，规定的动作值则指在基准温度为+302。制造商应规定周围空气温度变化的影响。2.2 欠压脱扣器的设计要求欠电压脱扣器是一种保护性的器件，当电路中电源电压发生一定的压降时，能快速分断断路器，使该电路中的电气设备避免损坏

25、。（1）额定电压Ue：220V20%。（2）吸合点电压：0.8Ue，动作准确度2V。（3）脱扣点电压：0.5Ue，动作准确度2V。（4）额定电压脱扣力：20N。（5）最小可动作间隔时间：0.3s。2.3 机械要求在交流和直流电路上都得到广泛运用的螺线管式电磁铁。这种电磁铁具有较大的吸力值，在很多需要大吸引力的磁铁中都采用这种结构形式。图2-1 螺线式电磁铁本设计中要求电磁铁行程为7mm。行程中需要的动作力，应根据具体情况确定。具此，在行程中的任意部分，负载所需力不能大于电磁铁所能提供的力。如果要求的力大于电磁铁所能提供的力，电磁铁将不能完全吸入，也不能将负载移动要求的距离。交流电磁铁，这可能会

26、导致过热而烧毁线圈。如果实际的力大于所需的力，它会导致过度的冲击并最终造成机械故障。对一给定的电磁铁，滑杆内部终端形状对力行程特性有影响。终端形状可以变化以满足特定要求，当采用直流时，终端形状采用圆锥形最常见。将其它方面均相同而活塞端面形状不同的两类电磁铁进行比较，可知，滑杆端面为平面的电磁铁在一较小行程时产生很大的力，而滑杆端面为锥面的电磁铁则会在较大行程时产生比它平（面型）大些的力，图说明了滑杆不同端面形状对力行程特性曲斜度的影响。交流电磁铁常采用在滑杆或铁芯有封闭环的平端面滑杆。2.4 本章小结通过本章学习到了关于脱扣器的相关国家标准，本章对欠压脱扣器的现状做了深入的分析，通过对两种不同

27、控制形式欠压脱扣器的比较分析，总结出来欠压脱扣器尚且存在的不足和需要更加优化的地方，提出了基于SoC的DW45断路器用欠压脱扣器的设计理念。常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书第3章 欠压脱扣器执行元件计算通电螺线管内部称为电磁铁芯。磁铁通常由核心静态主极铁芯磁，动铁芯（电枢），线圈，磁短路环（适用于交流电磁铁），反力弹簧，磁轭来构成。当通电螺线管在内部插入铁芯后，通电螺线管的磁场会磁化铁芯。被磁化后的铁芯会变成了磁体，这样两个磁场互相叠加，会使螺线管的磁性大大的加强。为了使电磁铁更具有磁性，通常铁芯会制作成马蹄状。但要特别注意U型铁芯线圈的绕组侧对面，如果是顺时针方向，向另一侧必须

28、逆时针。如果绕向相同，两个线圈会相互抵消铁芯的磁化作用，让铁芯不具有磁性。另外，要用软铁制作电磁铁的铁芯，而不能用钢铁做。否则一旦被磁化后，将长期保持磁性而不能退磁，则其磁性的强弱就不能用电流的大小来控制，而失去电磁铁应有的优点。根据电磁铁的类型的结构可以分，子母型E，螺旋管型，旋转型等。本文应用该设计的螺旋管。3.1 电磁体吸力计算通过对电磁铁的计算可以得到电磁铁的尺寸、所绕绕组的截面积、总长度等参数，这些都是后续设计、仿真和实物制作中所必须的参数。电磁铁的原始数据：初始吸力F=0.108N；衔铁的行程H=7mm；容许最大温升80；短期工作制=0.1；电磁铁的工作电压UH=25V；电阻R=5

29、80；额定工作电流IH=0.043A。3.2 线圈的结构设计1.计算衔铁直径dc电磁铁衔铁的工作行程比较小，因此电磁吸力计算时只需考虑表面力的作用。已知衔铁的行程H=7mm时的吸合力F=0.108kg。则电磁铁的结构因数：由电磁铁结构系数可知电磁铁为螺线管式。查螺线管式的最优磁通密度与线圈尺寸的曲线得Bp=1500高斯。当线圈长度比衔铁行程大的多时,可以不考虑螺管力的作用,认为全部吸力都由表面力产生。由吸力公式： （3.1）公式（3.1）中dc活动铁芯直径，单位毫米。根据公式可以求出衔铁的直径是：，取dc=19毫米。2.计算外壳内径D2在螺线式电磁铁中它的内径D2和铁心直径dc之比值n约为23

30、，选取n=2.02毫米则取外壳内径D2=38毫米3.计算线圈厚度bk已知线圈厚度公式为： （3.2）公式（3.2）中bk线圈厚度，单位为毫米。线圈的骨架与绝缘厚度，单位为毫米。今取=1.7毫米。则毫米，则取毫米。4.计算线圈长度Ik线圈高度Ik与厚度bk比值为，则线圈的高度 （3.3）公式（3.3）中Ik指线圈长度，单位为毫米。值据参考数据选择=2.4，则线圈的高度毫米。5.计算导线直径d导线直径 （3.4）公式（3.4）中平均直径（米） （3.5） （3.6）和消耗在铁心中和非工作气隙中磁势的安匝数约为总磁势的1530，即： （3.7）公式（3.4）中IW指线圈磁势，单位为安匝。公式（3.5

31、）中消耗在气隙中的磁势。公式（3.7）中因此得线圈磁势为 （3.8）公式（3.8）中空气的导磁系数亨/厘米；电磁铁在实际运用中电压可降低到85%UH为了确保电磁铁在电压下降后仍能可靠地工作上式所得安匝数指电压降低至0.85UH时的磁势用表示。安匝显然，电源电压是额定值时的磁势为安匝电磁铁最高工作温度容许值为80，查找参考数据选择电阻系数欧.毫米2/米毫米查线规表其最接近的直径为d=0.44毫米带绝缘后直径d=0.49毫米。6.计算线圈匝数W （3.9）公式（3.9）中j允许的电流密度（安/毫米2）安/毫米2匝7.计算电阻R平均线圈匝长 （3.10） （3.11） （3.12）公式（3.10）中

32、线圈外径线圈内径毫米毫米线圈电阻欧现在电磁铁的结构大小以初步确定并绘制电磁铁结构草图。如图2-2所示。图2-2 电磁铁结构草图8.电磁铁特性的验算尽管根据设计要求已经完成了初步设计，但是因为在初步设计中作了不少简化有些参数的选择和估计是近似的因此为了电磁铁可靠的工作仍然需要根据初步设计的结构尺寸和数据做进一步的详细检查验算。8.1. 吸力计算 （3.13）忽略铁磁阻和漏磁通这些气隙中的磁通公式（3.13）中磁导 （3.14）公式（3.14）中空气导磁系数亨/厘米亨麦公式（3.13）中修正系数取S铁心截面积千克因此吸力满足设计要求。8.2. 线圈温升计算线圈允许温升=80，查参考数据可得散热系数

33、是：金属骨架线圈的传导能力强。线圈的散热表面线圈温升温升小于80因此合格。3.3 本章小结通过本章电磁铁设计的学习，发现电磁铁设计的方法种类繁多，且没有一套既能使设计严谨、准确，又能使计算简洁、方便的设计方案。很大部分的参数都只能按照以往的经验或经典值来进行选择，然后经过理论的反复计算，最后制作出实物样品来进行验证才能知道所设计出来的结构参数是否合理，如果不合理还需要进行修改然后再次复算制作样品。第4章 硬件电路设计电磁型欠压脱扣器采用电磁铁为执行部件，控制电路先对电磁铁发出较大的初始动脉冲功率。此后电磁铁维持一个特定功率，克服复位弹簧的力量保持动铁芯处于吸合的位置，为断路器的主触点的合闸提供

34、了条件。当电压下降到一定数值时，电磁铁因测控电路断电，复位弹簧反作用力移动铁芯的弹出，推开锁扣机制（脱扣），主触头系依靠自身储能弹簧力，断开主触头系。因电磁型部件在断电后具有复位自脱扣能力，且制作工艺相对简单，因而电磁型欠压脱扣器在目前断路器中仍得到广泛应用。本章就结合DW45电磁型欠压脱扣器展开设计。4.1 技术指标与参数1.技术指标本课题按照现行国家14048.2-2008文件标准设计，即：电源电压下降到额定电压的70%Ue35%Ue时，欠电压脱扣器能使断路器脱扣。电源电压低于额定电压的35%Ue时，欠电压脱扣器能保证断路器不合闸。当电源电压达到额定电压的85%Ue110%Ue时，欠电压脱

35、扣器能保证断路器正常工作。本论文将以220V电压结合普遍情况进行DW45电磁型欠压脱扣器的分析、设计与研究。2.技术参数（1）额定电压Ue：220V20%。（2）吸合点电压：0.8Ue，动作准确度2V。（3）脱扣点电压：0.5Ue，动作准确度2V。（4）额定电压脱扣力：20N。（5）最小可动作间隔时间：0.3s。4.2 系统原理框图设计本课题所设计的欠压脱扣器的主要原理框图如下图4-1所示。主要有STM8S003F3单片机、EMC电路、电流电路、信号采样电路、充电取样电路、电源电路、控制输出电路、稳压电路、电磁铁九大部分组成。本设计的电网输入电压220V从L、N输入，经EMC电路抗干扰抑制，形

36、成“二次电源”L1、N1。因采用SoC作为主控芯片，电路整体极为简练。在正常电压区间，电磁铁始终处于被接通状态，对脉冲群等干扰呈现低阻抗，开关电路承受的干扰电压大为降低，可靠性得以大幅度提高。图4-1欠压脱扣器原理图4.3 主电路设计主电路是介于电源电路和控制电路之间的脱扣器执行指令动作电路。4.3.1 主电路设计主电路和储能电容简化电路图是对图4-2的简化，C1、DW45电磁铁线圈（等效成LD和RD串联）接地。当电网欠压时，来自电网整流后的电流ip和C1中的放电电流ic叠加，形成线圈电流iL。当电网电压断电（失压）时，iC=iL。考虑失压时要求欠压脱扣器可靠脱扣，C1需要提供保证欠压脱扣机构

37、走完行程的功率，实现完整的释放动作。图4-2主电路和储能电容简化电路4.3.2 主电路仿真图4-3 主电路仿真图为了验证主电路设计的正确性，对电路进行仿真，仿真结果如图4-4所示。首先断开开关S1，等价于电磁铁未接入状态。输入电压V1源接入后，通过降压电容C2降压后，有4个二极管组成的全波整流电路整定为直流脉动电压对储能电容器C4进行充电，直至充电饱和（曲线平坦）。令S1闭合模拟电磁铁接入主电路，储能电容器C4之电荷，迅速向电磁铁R1放电，电磁铁被强力启动。C4之端电压随即迅速下降。稳态后，串联在交流回路里的降压电容器C2，承担降压任务。由电容器交流阻抗可知，此时的C2等价于一个交流电阻，与直

38、流回路里的电磁铁等效直流电阻，呈电路总体串联状态。选择合适的C2，可实现电磁铁端电压为一理想值。图4-4 主电路输出波形图4.3.3 单片机选择本设计中对单片机的选择是至关重要的。单片机诞生于1971年，由于当今社会的飞速发展，单片机经历了SCM、MCU、SoC三个阶段。下面是对几种常见单片机的比较分析。1.PIC单片机PIC是美国Microchip公司所生产的单片机系列产品，其系统设计简洁精炼。它是最容易上手、最简单的单片机之一。PIC的特点：（1）最大的特点是不搞纯功能性的堆积，但是从实际出发，重视产品的性能价格比。多种模式发展，满足不同层次的应用需求。（2）PIC指令精简，从而提高了执行

39、速度。PIC与传统的8位单片机相比，可以达到2:1的代码压缩，速度提高4倍。（3）PIC有优越开发环境。PIC的每款单片机都有相对应的软件仿真，给使用者提供了很高的实时性。（5）彻底的保密性和自带看门狗，提供程序运行的可靠性。（6）睡眠和低功耗模式。2. AVR单片机AVR单片机的优势特征：简便易学，费用低廉；高速、低耗、保密；有强大的定时器/计数器及通讯接口。早期的单片机因为设计水平不高，制造工艺差等限制，所以性能不佳。整个指令周期时间长，执行的速度慢。之后的单片机虽然有点改观，但是都没有彻底解决之前的问题。AVR单片机采样精简的指令语句，一举打破原来的传统，使得其同时打破了很长的指令周期，

40、提高了执行速度。AVR单片机由于低廉的价格、充足的货源和极高的性价比，已经占领了单片机市场的很多份额。AVR单片机集成了多种器件以及各种功能，使得其成为8位单片机的领先者，并且为单片机的发展指明了方向。3.STM8单片机ST的8位微控制器平台基于高性能8位内核，配有先进的成套外设。 该平台采用ST的130 nm嵌入式非易性存储器专有技术。 STM8通过增强型堆栈指针运算、先进的寻址模式和新指令实现快速、安全的开发。 STM8平台支持三种主要产品线：STM8S，通用微控制器STM8L，超低功耗EnergyLite微控制器STM8A，汽车级微控制器对于选型来讲STM8的主要特点是最高工作频率24M

41、Hz，性能可以达到20MIPS。定时器等外设资源的架构和现在炙手可热的STM32系列ARM基本相同。中断的处理方式与AVR不大相同，几种中断源可能对应一个中断向量。价格上与AVR的定位类似，感觉性价比稍微高于AVR一些。STM8单片机价格低廉、货源充足并且具有极高的性价比。综上结合产品性能和使用考虑，本次设计还是采用价格便宜，稳定性高，可靠性强的新型单片机STM8S003F3，可最大限度地减少外围元件，实现高性价比。4.STM8S003F3的主要特点如下:l 速度达20MIPS的高性能内核。l 抗干扰能力强，品质安全可靠。l 更低的系统成本：（1）内部集成真正的EEPROM数据存储器，可以达到

42、30万次的擦写周期。（2）高度集成了内部时钟震荡器、看门狗和掉电复位功能。l 高性能和高可靠性：（1）16MHz CPU时钟频率。（2）强大的I/O功能，拥有分立时钟源的独立看门狗。（3）时钟安全系统。l 高级STM8内核，3级流水线的哈佛结构。l 程序存储器：8K字节Flash：10K次擦写后在55环境下数据可保存20年。l 32位宽程序存储器总线对于大多数指令可进行单周期取指。l 两个16位寻址存储器：X寄存器和Y寄存器。l 8位累加器。l 24位程序指针16M字节线性地址空间。l 16位堆栈指针可以访问64K字节深度堆栈。l 8位状态寄存器可根据上条指令的结果产生7个状态标志位。l 80

43、条指令，指令的平均长度为2字节。5.结构框图STM8S003F3单片机它的6个内部存储器都可以在执行程序中直接寻址。其有包括间接变址寻址和相对寻址在内的20种寻址模式及80条指令。结构框图如图4-5所示：图4-5 结构框图6.引脚配置引脚配置如图4-6所示，可用的通用I/O引脚多达17个。根据使能外设的不同，部分或所有引脚不一定能用作通用I/O引脚。正常来说，当使用某一外设时，与它相关的引脚则不能作为通用I/O引脚。图4-6 引脚示意图STM8S003F3的引脚配置说明：PA1：I/O端口，端口A1，用于晶振输入。PA2：I/O端口，端口A2，用于晶振输出。PA3：I/O端口，端口A3，定时器

44、2通道3，SPI主/从选择AFR1。PB4：I/O端口，端口B4，I2C时钟。PB5：I/O端口，端口B5，I2C数据。PC3：I/O端口，端口C3，定时器1-通道3。PC4：I/O端口，端口C4，定时器1-通道4/配置时钟输出。PC5：I/O端口，端口C5，SPI时钟。PC6：I/O端口，端口C6，SPI主出/从入。PC7：I/O端口，端口C7，SPI主入/从出。PD1：I/O端口，端口D1，SWIM数据接口。PD2：I/O端口，端口D2，晶振输出，定时器2通道3AFR1。PD3：I/O端口，端口D3，定时器2通道2/ADC外部触发。PD4：I/O端口，端口D4，定时器2通道1/蜂鸣器输出。

45、PD5：I/O端口，端口D5，UART1数据发送。PD6：I/O端口，端口D6，UART1数据接收。NRST：I/O端口，复位端。这个引脚输入低电平有效的系统复位信号。当电源上电，无论选项字节如何设定，这时是复位功能。VDD：S，正向电源。VCRP：S，1.8V调压器电容。VSS：S，接地参考。4.4 电源输入电路设计电路电源接通经压敏电阻器RV0后经电磁兼容性（EMC）电路抗干扰抑制，形成二次电源。全桥BG1整流形成脉动电压提供给下一个模块。电源输入电路如图4-7所示。图4-7 EMC电路压敏电阻RV0是对后级电路起到保护的作用。它是一种限压型保护器件，通常情况下，压敏电阻常常与被保护器件或

46、装置并联使用。当压敏电阻上的电压低于它的阀值时，流过它的电流极小，此时压敏电阻相当于一个阻值无穷大的电阻。也就是说，当加在它上面的电压低于其阀值时，此时的压敏电阻相当于一个断开状态的开关。反之当在压敏电阻上的电压超过其阀值时，此时的压敏电阻相当于一个闭合状态的开关。这让电流通过它的激增而对其他电路的影响变化小从而降低过电压对后续敏感电路的影响。使用此功能，可以抑制电路经常异常过电压，保护电路免受过电压的损害。电磁兼容性（EMC）电路中的各元件参照其经典值选取。4.4.1 常用电源的比较分析在电路中电源的选取十分的关键，下面是对两种常见稳压电源的比较分析。线性稳压电源是比较早使用的一类直流稳压电

47、源，它是通过改变晶体管的导通成度从而来改变和控制其输出的电压和电流，在线性稳压电源中晶体管相当于一个可变电阻，串接在供电回路中。线性稳压电源有一个共同的特点就是它的功率器件调整管工作在线性区，靠调整管极间的电压降来稳定输出。由于调整管静态损耗大，需要安装一个很大的散热器给他散热。线性稳压电源的特点：价格便宜；效率比较低；反应速度快，输出波纹较小；输出电压比输入电压低；容易发热（尤其是大功率电源），间接地给系统增加热噪声。线性稳压电源常用的是LM7818，构成三端稳压集成电路，用LM78系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围文件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便

48、，而且价格便宜。虽然开关电源体积小、效率高，输出电压可调范围宽，但是开关型稳压电源开关干扰严重。开关型稳压电源在工作状态时，功率调整开关晶体管产生的交流电压和电流，易产生尖峰干扰和谐振干扰。如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，整个电路的正常工作将受严重影响。另外由于开关型稳压电源振荡器没有工频变压器的隔离，附近的其他电子仪器、设备和家用电器都会受到干扰。综上结合产品后期生产和使用考虑，本次设计还是采用价格便宜，稳定性高，可靠性强的线性稳压电源。4.4.2 电源电路设计任何微机处理系统，电源设计都是十分重要的环节。本系统中存在两种不同的电源需要，+5V和+15V，设计上要统一考虑。+5V是

49、单片机的供电电压，+15V是提供给线圈驱动电路的。本次设计电源电路设计的总体思路图如图4-8所示。图4-8 电源电路思路图在控制系统中，常常采用模拟电源或开关电源。模拟电源实现容易，稳定性高，可靠性强。开关电源体积小，效率高。各自具有不同的优点。受于体积限制，本设计中采用了“传统串联降压电源”。如图4-9所示。图4-9 电源电路串联型稳压电路以稳压管稳压电路为基础。稳压管稳压电路输出电流较小，输出电压不可调。而串联型稳压电路利用晶体管的电流放大作用，增大负载电流；并在电路中引入深度电压负反馈使输出电压稳定。线性稳压电源电路如图所示，交流电先由VL经D0半波整流后，经过由RW1、RW2、RW3、

50、WT、ZW1五个元器件组成串联稳压器后产生+15V的线圈驱动电压，并给电源后备电路进行充电，以及给单片机供给的电稳压电路提供电源。在电源电路中由RW1、RW2、RW3、WT、ZW1五个元器件组成串联稳压器。RW1为压降电阻，RW2为分流电阻，RW3为偏置电阻。RW1用于分担一半的电压，RW2分担三极管1/3的热量即分流1/3的电流。当三极管WT导通时，RW2与RW3上的电压为U=32-15=17V，且RW1上稳压电流为0.3mA，则K，故取100K。三极管WT导通时RW1电压为32V且通过RW1上的电流为1.2mA，。4.4.3 电源后备电路设计在电网有电时，经过整流过的电源电路对后备储能电容

51、器CD0充电，当电网失压时后备电容器可对电源电路供电，维持单片机和释放驱动电路一段时间的正常工作，维持时间由电容CD0决定。其中,由CD0、R3、TC1、CHAR、RC1组成一个电源后备电路。储能电容器CD0的流过电压UCD0=15V，ICD2=1.1mA，RCD0=15/1.1=13.6K。本次设计中，充电后时间最小时间为25s，即=25，根据=RC，得CCD0=/R=25/13.6=1838uF，为设计考虑，取CCD0=2200uF/16V。三极管TC1的最低电压为8V，所以，电阻R3两端的电压为UR2=UCD0-UTC1=15V-8V=7V，。电阻RC1通常取20K。图4-10 电源后备

52、电路4.4.4 稳压电路设计给单片机供电常选用由LM7818三端稳压器构成的线性稳压电源，虽然LM78系列三端稳压器所需的外围器件很少，市场普及率高，价格便宜，但是该系列三端稳压器会产生几百毫安的漏地电流，容易发热，不适合本设计使用，本设计在保证能正常给单片机供电的前提下尽量减少自身能耗。经分析对最终选择HT7150三端稳压器，它是一款CMOS稳压器，具有最小的“静态功耗”，自身基本起控电流为5A。并且HT7150具有SOT52形式的微小封装。HT7150-1是采用COMS技术的三端低功耗高电压调整器。允许高达24V的输入电压。能输出从3.0V到5.0V的几个固定电压值。COMS技术确保了HT

53、7150-1三端稳压器低压降和低静态电流的特性。通过外围组件固定电压调节器HT7150-1，也能获得可变的电压和电流。HT7150-1的主要特点1、功耗低，压降低，温度系数低。2、高输入电压（可达24V），输出电压精确（公差3%）。3、电源管理采用了低功耗、低压差固定三端稳压器HT7150。4、外形及引脚排列等同于普通78L05，方便使用，且自身耗电仅5A。三端稳压器稳压电路图如图4-11所示，串联稳压电路输出的+15V稳定电压作为HT7150的输入电压，CD4和CD5为电容滤波电路，起到减少电路中的低频与高频干扰，两者的公共端接地。这里取经典值CD4为220uF/6.3V，CD5为100nF

54、。ZT为普通保护二极管。图4-11 稳压电路由于采用了模块电源，使得电源部分设计大为简化，也提高了电源工作的可靠性，易于保证A/D转换精度。上述电路在实验样品中，结合单片机“睡眠模式”，实现了1.2mA的超低功耗。4.5 采样电路设计采样电路是具有一个模拟信号输入，一个控制信号输入和一个模拟信号输出的电路。该电路的作用是在某个规定的时刻接收输入电压，并在输出端保持该电压值至下次采样开始为止。电压采样电路如图4-12所示，电源电压信号全波整流后，由VH输入，经采样电阻RV、RV3分压后得到电压采样信号SA，直接进入单片机片内模拟比较器和A/D转换器。图4-12 充电采样电路采样电路电流值在0.1

55、0.3mA之间，此处取值0.2mA来计算。SA接单片机A/D转换器，所以采样电压应该在0V到5V之间。设输入额定电压为24V，那么最大输入电压值为24120%=28.8V，最小输入电压值为2450%=12V，单片机的工作电压为5V，那么取R1=51K，则，得RV3=18.34欧姆，为了方便取RV3=17K图4-13 释放采样电路220V时，在释放电压采样电路如图4-13中，经整流二极管D1后，电阻RB1左端输入的电压有效值U=132V，设RB1=1M，最小时间为25s，即=25，根据=RC，得CCD0=/R=25/100=0.25uF。电阻RB2左端输入电压U=15V，输出电压为5V接单片机A

56、/D转换器。所以，电容CB1的取值为0.47uF，电容CB2值为100nF。4.6 驱动电路设计驱动电路，其实质是一个功率放大电路，从而满足负载额定功率使得负载可以正常工作，从而可以响应微弱的输出信号，所以对于不同的负载就需要不同的驱动电路。在本设计中，驱动电路控制电磁铁上电流的流通断，驱动电路响应信号的速度直接决定了脱扣器脱口动作的快慢，对脱扣器的脱扣性能有着巨大的影响。4.6.1 常见电路通断控制方法对比继电器控制，体积大。双向可控硅控制，关闭时需负脉冲。三极管控制，饱和压降大，易发热。MOS管控制，速度快，体积小，栅极不取电流。4.6.2 常见MOS管驱动电路主电路和控制电路之间，用来对

57、控制电路的信号进行放大的中间电路（即放大控制电路的信号使其能够驱动功率晶体管），称为驱动电路1.MOS管概述MOS管是场效应晶体管，是金属-氧化物-半导体型场效应管，英文名MOSFET，属于绝缘栅型。电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的第一个显著特点是驱动电路，所需要的驱动功率小。其第二个突出特点是开关速度快，工作频率高。另外，电力MOSFET的热稳定性优于GTR。但是电力MOSFET电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。2.常见MOS管驱动电路常用小功率驱动电路，简单可靠成本低适用于不要求隔离的小功率开关设备为驱动电路开关速度很快，驱动能力强，为

58、防止俩个MOSFET管直通，通常串接一个0.51n小电阻用于限流，该电路适用于不要求隔离的中功率开关设备。4.6.3 驱动电路设计本设计中MOS管驱动线圈电路由正、反向线圈两路电路构成，两路电路工作原理相同。在此以反向绕组电路说明其工作过程。如图4-14驱动电路所示，当单片机输出端DCT发出一控制信号，三极管TX1、TX2都工作在饱和导通状态，TX2的集电极电压约为+15V。+15V电压加到MOS管栅极达到MOS管的开启电压值MOS管导通，反向绕组得电工作，完成脱扣。稳压管TX4起到对MOS管栅极的限幅保护作用。MOS开启电压在820V之间，所以TX4取15V稳压管。三极管TX3用于MOS管动

59、作完后的放电，放电电流的尖峰被限制在最小环路中电流并不返还至驱动器，放电瞬间最高电压为15V，UBE3=-0.7V，RX2用于分压，由于ib3通常十分小所以RX2取20K。RX1是提高基极脉冲信号上升沿速度的加速电容，它可以在负载电压变化时加速电压变化量到达所要驱动电路的值，让变化电压尽快地在电路中起作用，提高放大电路对信号边沿变化的响应能力。图4-14驱动电路此时UBE1=0.7V，UCE1=0.3V，电阻RX1上电压为4.3V，若ie1取经典值1mA则RX1可取4.7K，电阻RX3上电压为10.4V，此时的ic1=ib2+iRF ，ic11mA即iRF1mA，则RX3可取20K。通过仿真选

60、取CX1=100nF，RX2=20K。4.6.4 驱动电路仿真本设计采用Multisim进行电路仿真，MOS驱动电路仿真如图4-15所示。在仿真过程中用示波器观察SF输入电压和MOS管TX4的电压变化情况。因为SF实际由单片机输出，端口最高电压为5V，故选用频率为1KHz，电压为5V的时钟电压脉冲替代。仿真过程中也可逐个给以高低电频进行分阶段调试。图4-15 驱动电路仿真图在仿真过程中通过观察输入电压波形和MOS管电压波形的变化关系，适当调节加速电容器的取值，来得到得到预期的MOS管驱动电路特性。即当SF输入低电平时MOS管完全导通即B通道电压为0V，当SF输入高电平时MOS管关断，B通道电压为220V。最终得CX1=300pF时MOS管电路驱动特性符合设计要求。MOS管驱动电路仿真波形图如图4-16所示。在A通道输入电压从高电平变为低电平时，矩形波向下，B通道电压瞬时变为0V，即MOS完全导通。在A通道电压保持为低电平时，矩形波波形保持不变，对应B