本科毕业设计---51单片机智能低压断路器研究.doc
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1、毕业设计(论文) 题 目:智能型低压断路器研究学生姓名:学 号:所在学院:合肥工业大学专业班级:电气工程及其自动化1001班届 别:2014 届指导教师:皖西学院本科毕业设计(论文)创作诚信承诺书1.本人郑重承诺:所提交的毕业设计(论文),题目 是本人在指导教师指导下独立完成的,没有弄虚作假,没有抄袭、剽窃别人的内容; 2.毕业设计(论文)所使用的相关资料、数据、观点等均真实可靠,文中所有引用的他人观点、材料、数据、图表均已标注说明来源; 3. 毕业设计(论文)中无抄袭、剽窃或不正当引用他人学术观点、思想和学术成果,伪造、篡改数据的情况; 4.本人已被告知并清楚:学校对毕业设计(论文)中的抄袭
2、、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为将严肃处理,并可能导致毕业设计(论文)成绩不合格,无法正常毕业、取消学士学位资格或注销并追回已发放的毕业证书、学士学位证书等严重后果; 5.若在省教育厅、学校组织的毕业设计(论文)检查、评比中,被发现有抄袭、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为,本人愿意接受学校按有关规定给予的处理,并承担相应责任。 学生(签名): 日期: 年 月 日目 录1 绪论21.1 智能型低压断路器的研究意义21.2 低压断路器概述及智能化前景21.3 本设计的主要工作32 智能型低压断路器的方案设计42.1 智能型低压断路器的工作原理42.2 设计方案的选择42.3 控制核心单片机的
3、选用53 智能型低压断路器的模块化设计73.1 模拟信号采集模块73.2 信号处理模块83.3 单片机输入输出模块103.4 故障保护113.5 电源设计123.6 串口通信134 智能型低压断路器的软件设计144.1 软件总体设计方案144.2 初始化程序154.3 A/D转换子程序174.4 LCD显示子程序184.5 故障判断子程序184.6 中断子程序185 仿真与调试20参考文献:21 皖西学院2014届本科毕业设计智能型低压断路器研究学生:杨超(指导老师:刘世林)(皖西学院机械与电子工程学院)摘 要: 为了将低压断路器智能化,采用AT89C51单片机作为智能控制器。使用电压和电流互
4、感器采集电压及电流信号,经过放大处理进入ADC0808进行AD转换,单片机根据采集的数字信号进行智能控制,在LCD液晶屏上显示电压及电流,当检测到的信号超出设定安全值,单片机将根据设定的时间决定是否动作,做出判断后,驱动脱扣器,使断路器断开,并将故障原因显示在液晶屏上,当故障恢复时,单片机控制脱扣器让断路器闭合,整个电路恢复正常。关键词: 低压;断路器;AT89C51;故障保护Research on Intelligent Controller of Low-voltage Circuit BreakerStudent: Yangchao(Faculty Adviser: Lioushilin
5、)(College of mechanical and Electronic Engineering, West Anhui University)Abstract: In order to low-voltage circuit breaker intelligent, AT89C51 MCU is used as the intelligent controller. Voltage transformers and current transformers are collecting signals of voltage and current. The signal into the
6、 ADC0808 conduct AD conversion after amplification. MCU is used to intelligently control based on signal of acquisition digital. Display of voltage and current in LCD screen. The MCU will according to the set time to decide whether the action when the detected signal exceeds the safety value. It mak
7、e a judgment, than driving release for disconnect the circuit breaker. And the fault is displayed on the LCD screen. The MCU control release for circuit breaker closed, the whole circuit back to normal, when the recover from previous failure.Keywords: low-voltage; circuit breaker; AT89C51; fault pro
8、tection1 绪论1.1 智能型低压断路器的研究意义目前科学技术在蓬勃发展,电力电子技术方面的进步更可谓一日千里,随着应用层面的不断加深,电力系统的拓扑结构和运行方式越来越复杂,因此我们要对电力设备的各方面性能以及设备创新提出更高的要求,但是传统断路器的发展根本无法满足高速发展的现代电力系统自动化的需要。将低压断路器进行智能化在如今看来是很有必要的,也是迫在眉睫的。1.2 低压断路器概述及智能化前景低压断路器是一种广泛应用的电力设备,在供配电系统中必不可缺,它是一种自动开关,它既可以手动分断,又能自动进行各过压、欠压、过流保护的设备,即除了要能正常分合外,还要在相关故障时能快速可靠分断相应
9、短路故障电压及电流,且不能有乱动或拒动现象的产生。其主要结构如下图1-1所示。图1-1 低压断路器结构图断路器根据检测的模拟量,决定脱扣线圈是否动作,其性能很大程度上取决于对电路进行参数检测的脱扣器的性能。在单片机大量应用的今天,保护装置由之前的电子式、电磁式迅速转入智能化发展的轨道,智能型低压断路器与传统断路器相比更加准确、人性化,安全性能更高。脱扣器也向多功能方向发展。智能型低压断路器中使用的多功能脱扣器是集保护、测量、监控于一体的智能应用核心,是智能型断路器的“大脑”。它主要由微处理器为中枢、并兼有信号检测采集模块、LED显示模块、执行输出模块、电源模块等几部分组成,具有实时显示、电流保
10、护、负载监控、故障显示等功能。它能在正常运行时接通或断开负载电流,且可以在不正常情况下选择性切断电路,精确保护,从而保护非故障用电设备和电缆安全可靠运行,减少不必要的损失。并且能够迅速检测故障是否排除,一旦故障排除,可以迅速恢复故障设备供电。智能型低压断路器能够通过网络组成智能网络,可以与PC或其他微机通信,可以远距离控制。按照目前的趋势,当前己断路器是否先进要看其显示、保护、报警、故障诊断等功能是否完善,能否防止故障进一步扩大,整个系统能否在保证人身财产安全的情况下尽可能的安全运行。1.3 本设计的主要工作本次设计为了将低压断路器智能化,采用AT89C51单片机作为智能控制器。使用互感器采集
11、电信号,经过放大处理进入ADC0808进行AD转换,单片机根据采集的数字信号进行智能控制,在LCD液晶屏上显示电压及电流,当检测到的信号超出设定安全值,单片机将根据设定的时间决定是否动作,做出判断后,驱动脱扣器,使断路器断开,并将故障原因显示在液晶屏上,当故障恢复时,单片机控制脱扣器让断路器闭合,整个电路恢复正常。2 智能型低压断路器的方案设计2.1 智能型低压断路器的工作原理智能型低压断路器可由断路器和智能脱扣器两部分组成,其中断路器可以使用万能式低压断路器提供模拟脱扣方式和合闸的基本硬件设备,而智能脱扣器则是在此基础上增加智能脱扣方式,使得整个断路器性能得到巨大提升。智能型低压断路器基本工
12、作原理如下图2-1所示。图2-1 工作原理图其中断路器部分主要是模拟电路部分,主要包括采集信号的互感器部分,过电流的模拟脱扣部分以及脱扣输出的驱动电路、衔铁、触头等执行部分。智能脱扣器部分主要是数字电路部分,其核心是单片机,用来显示电压电流及智能处理各种故障。2.2 设计方案的选择在确定设计方案时,对硬件硬件构成进行了细致的考量。比如信号处理模块需要使单片机能够检测交流信号,可控选择的方案一个是采用全波整流,一个是使用有效值芯片,还有就是舍弃硬件,直接使用单片机进行快速傅里叶变换算出电压值。在实际仿真时发现全波整流电路较为复杂,输出较难控制,而快速傅里叶变缓对单片机要求较高,最后使用真有效值芯
13、片交流转直流。还比如自身电源的设计,串口通讯的设计,液晶显示方案都本着简单实用的原则进行选用。最终本设计采用的智能断路器是以单片机作为核心,围绕单片机从而实现各种功能。使用电压互感器和电流互感器分别采集交流电信号,经过放大和真有效值处理转换为直流模拟信号,此时便可以进行AD转换变为单片机能够识别的数字信号。这些信号在单片机进一步的处理后,由LED液晶屏显示采集到的电压电流等信息,并与设定好的各种整定值对比,作出脱扣判断并设定动作时间,同时将故障类型显示在LED上。为了保障整台设备安全可靠运行,单片机采用双电源供电,并且除了有单片机控制的智能脱扣外,还有互不关联的模拟脱扣方式,它们都可以通过驱动
14、电路使执行机构动作。单片机采用RS一485标准接口与上位机连接和通信。2.3 控制核心单片机的选用本设计采用AT89C51单片机,标准的51系列单片机,该单片机价格低廉,性能良好,兼容性高,能够很好的满足要求。有如下特点:l 与MCS-51单片机兼容l 8位CPUl 4K字节可编程FLASH存储器l 频率范围支持0Hz-24MHz,实际使用12MHzl 32可编程I/O接口线,满足使用l 三级程序锁定存储器l 两个16位定时器/计数器l 串行通道RXD和TXD可编程l 有5个中断源,良好的中断性能 图2-2 AT89C51引脚图 本设计在AT89C51的使用中用到的引脚较多,引脚1到8即P1.
15、0到P1.7是A/D转换后数字信号输入口;引脚18、19是晶振输入/输出引脚;引脚9接复位电路;引脚32到39即P0.7到P0.0是LED液晶屏输出引脚;引脚21到26是LED液晶屏控制引脚;引脚27是脱扣器控制引脚;引脚28是A/D转换芯片采样通道控制引脚;引脚15、16、17是A/D转换芯片控制引脚;引脚14是时钟输出引脚,为A/D转换芯片提供时钟脉冲;引脚12是中断输入引脚;引脚10、11是外部通信引脚,接通信串口;引脚40、20接电源正负极。3 智能型低压断路器的模块化设计智能型低压断路器主要包括模拟信号采集、信号处理、单片机输入输出、故障保护、电源设计和串口通信模块。3.1 模拟信号
16、采集模块智能断路器要实现过欠压保护,过电流保护,需要检测低压电网的电压和电流。可以采用小型的电压互感器和电流互感器,将它们分别接入低压线路上用来获取电压和电流信号。图3-1电压互感器图3-2电流互感器电压互感器结构如图3-1所示。工作时与变压器原理类似,由图明显可以看出其结构特点是一次侧绕组匝数相对比较多,相应电压较高,二次侧绕组匝数相对比较少,相应电压较低,在实际使用中是一次侧的绕组并联在线路中,而二次侧的绕组并联一些仪表线圈,比如继电器中的电压线圈,主要特点是与传统变压器相比,容量很小,以接近空载的方式在正常运行的时候。电流互感器结构如图3-2所示。虽然与变压器有区别,但是也是基于电磁感应
17、工作的,由图明显能够看出其结构特点一次侧绕组匝数相对比较少,甚至某些电流互感器不采用绕组,直接将一次线路穿过铁芯就已产生足够的磁场;其二次绕组匝数非常多,导线也极细,在实际使用中和电压互感器类似但是并联改成串联,一次侧的绕组串联在线路中,而二次侧的绕组与仪表线圈串联、比如继电器中的电流线圈,主要特点是与电压互感器相比,以接近短路的状态在正常运行的时候。电压互感器和电流互感器的型号要根据实际需要进行选用,要满足设计精确度的要求。3.2 信号处理模块 信号采集是由互感器实现的,所以采集到的电信号是交流电信号,虽然单片机可以通过快速傅里叶变换对交流信号A/D转换后的数字信号进行检测,可是出于精确度的
18、要求,本设计采用真有效值芯片将交流信号变为直流有效值信号,经过运放放大为0到5V的电压信号以便使用A/D转换芯片转换为数字信号供单片机使用。 3.2.1 真有效值转换电路 为了仿真顺利进行采用真有效值值芯片AD736,AD736是精密AC/DC真有效值转换芯片。对于正弦波电压测量的误差不超过3%,完全可以满足本设计的要求。它在高准确度的同时有较快的测量速率和较宽的频率特性(工频范围可达0460kHz),高阻抗输入、低阻抗输出、电源的电压,功耗和工作电流要求较低。AD736使用方式非常多。采用图3-3电路,使用正负5V电压供电,在该电路中1引脚+Vs与8引脚COM并一0.1F的电容、4引脚-Vs
19、与低之间并一只0.1F的电容、4引脚与5引脚并一只33F的电容、3引脚与6引脚并一只10F的电容起到过滤高频杂波的作用。AD736支持DC和AC的检测,取决于电容Cc,实际使用未将Cc短路,只检测AC的电压值,屏蔽了DC的电压值,R、D1、D2都是用来保护芯片,R用来限制电流,D1和D2是开关二极管,使AD736检测电压固定在-Vs到+Vs之间,使芯片不至于烧毁。Vin输入正弦电压值,Vo输出测得的电压有效值。 图3-3 真有效值芯片AD736接口电路3.2.2 A/D转换电路由于AT89C51单片机没有内置A/D转换,所以需要外接A/D转换芯片。本设计需要采集多路信号,所以采用ADC0808
20、芯片。ADC0808采样分辨率为8位、8通道的A/D转换芯片。同时只能使用8路模拟输入信号中选中一路进行A/D转换,通过三根地址线切换通道。ADC0808是ADC0809的简化版,功能相似,有如下特性:l 8位分辨率,8通道l 总的不可调误差:ADC0808为21LSB,ADC0809为1LSBl 转换时间:时钟为500kHz时为128us,时钟为640KHz时为100usl 电源输入:+5Vl 模拟电压输入:05Vl 具有三态可控输出的缓存器在实际使用中,ADC0808接法如下图3-4所示。IN0到IN7引脚是8路模拟输入引脚,为了简化电路,只检测了一相电信号,因此只用到IN0和IN1;AD
21、DA、ADDB、ADDC引脚是模拟通道选择地址信号引脚,ADDA为低位,ADDC为高位,由于只用了两路,所以ADDB和ADDC接地,ADDA低电平即为通道0,高电平即为通道1;D7到D0引脚是A/D转换后的数据输出引脚,D7为最高位,D0为最低位,为三态可控输出,可直接和单片机数据线连接;6、7、9引脚分别接单片机10、16、11引脚,22引脚接到6引脚上,是ADC0808的转换控制引脚;ADC0808需要外部时钟信号,本设计使用单片机产生500KHz脉冲输入10引脚;VREF(+)、VREF(-)引脚是正、负参考电压输入端,用于提供片内DAC电阻网络的基准电压,分别接+5V和地。图3-4 A
22、DC0808结构图3.3 单片机输入输出模块3.3.1 LCD显示为了使智能断路器更加人性化,更加直观化,使用了LCD显示屏,由LED液晶屏实时显示采集到的电压和电流等信息,并且若发生故障,LCD将显示故障类型。本设计使用的液晶屏为LGM12641,是128*64的点阵液晶屏,其8个数据口接在单片机A0口上,六个控制口接在单片机P2.0到P2.5上,接入电源和地。3.3.2 断路器通短控制单片机IO口输出的控制信号带负载能力很弱,设计如图3-5接口电路。图3-5继电器驱动电路本设计断路器使用24V继电器。在单片机与继电器线圈之间采用光耦增加带负载能力,同时隔离电路以保护单片机,并以三极管控制线
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- 本科 毕业设计 51 单片机 智能 低压 断路器 研究
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