畢業(yè)論文--基于單片機(jī)的三相交流異步電機(jī)保護(hù)器的設(shè)計(jì)

1、<p>　　2014屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）</p><p>　　題目：基于單片機(jī)的三相交流異步電機(jī)保護(hù)器的設(shè)計(jì) </p><p>　　院(系)別 </p><p>　　專 業(yè) </p><p>　　班 級

2、 </p><p>　　學(xué) 號 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p><b>　　二○一四年 六月</b></p>

3、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　電動機(jī)因具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在國民經(jīng)濟(jì)各方面被廣泛采用。然而，由于供電狀態(tài)和機(jī)械負(fù)荷的多變性，使得電動機(jī)的故障率較高，不僅會損壞電動機(jī)本身，而且會影響整個生產(chǎn)，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，電動機(jī)的安全運(yùn)行對保證企業(yè)的正常生產(chǎn)是非常重要的。 </p><p>　　本文以 8 位單片機(jī)

4、 AT89C51 做微處理器,首先分析了三相交流異步電動機(jī)的常見故障，以對稱分量法為依據(jù)，采用檢測過流幅值、負(fù)序電流、零序電流的方法，得出了電動機(jī)故障的準(zhǔn)確判據(jù)，確定了各種故障的保護(hù)措施，對電動機(jī)實(shí)現(xiàn)了短路、堵轉(zhuǎn)、過熱、負(fù)序電流、零序電流、低電壓、過電壓、啟動時間過長、頻繁啟動、漏電閉鎖等保護(hù)功能。AT89C51 單片機(jī)內(nèi)置 128 字的 RAM 和 4K字的 ROM，可以進(jìn)行外部擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器，具有性能較好的 I/O端口及

5、運(yùn)算等功能，有合適的指令系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)智能保護(hù)，電路簡單，功能齊全。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：電動機(jī)，智能保護(hù)，單片機(jī) AT89C51 </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Motor has many advantages，such as simple structure, being chea

6、p，maintaining and using conveniently and so on, so it is adopted extensively in the different fields of national economy. However, because of supply power state and mechanical load getting changea

7、ble, it makes the malfunction rate of the motor very high.Themal function will damage the motor, but also influence the whole production, cause the enormous economic losses. So, in order to guarantee the normal produ&l

8、t;/p><p>　　This text has selected 8-bit computer AT89C51 as micro-controller , has analyzed the common malfunction of the three-phase asynchronous motor at first. And then it, which is based on symmetr

9、ical weight theory, has drawn accurate criterion of the trouble of the motor, confirmed the protective measures of different troubles. Finally, it has realized kinds of protection functions, such as sho

10、rt-circuit protection, rotate-stop protection, over-head protection, negativ</p><p>　　Keywords: Motor, Intelligence Protection, single-chip computer of AT89C51 </p><p><b>　　前 言1</

11、b></p><p><b>　　1 緒 論2</b></p><p>　　1.1 電動機(jī)保護(hù)器研究的背景及意義2</p><p>　　1.2 電動機(jī)保護(hù)器的歷史和現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.1 以熔斷器、熱繼電器為主的機(jī)械式保護(hù)方式2</p><p>　　1.2.2 普通

12、電子式電動機(jī)保護(hù)器2</p><p>　　1.2.3 智能型電動機(jī)保護(hù)3</p><p>　　1.3本論文主要的研究目的、主要工作4</p><p>　　2 三相交流異步電動機(jī)保護(hù)原理4</p><p>　　2.1 三相交流異步電動機(jī)的運(yùn)行原理4</p><p>　　2.2 電動機(jī)的故障分類及保護(hù)原理分析4

13、</p><p>　　2.2.1電動機(jī)故障分類4</p><p>　　2.2.2 保護(hù)原理分析5</p><p>　　2.4 電動機(jī)故障特征分析及保護(hù)判據(jù)5</p><p>　　2.4.1 短路故障特征分析及保護(hù)判據(jù)5</p><p>　　2.4.2 堵轉(zhuǎn)故障特征分析及保護(hù)判據(jù)6</p><

14、;p>　　2.4.3 斷相故障特征分析及保護(hù)判據(jù)6</p><p>　　2.4.4 過載故障特征分析及保護(hù)判據(jù)8</p><p>　　2.4.5 欠壓和過壓故障特征分析及保護(hù)判據(jù)12</p><p>　　3 電動機(jī)保護(hù)器硬件電路設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.1電動機(jī)保護(hù)器硬件系統(tǒng)的技術(shù)要求14</p><

15、;p>　　3.2 保護(hù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.2.1 本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖14</p><p>　　3.2.2 AT89C51 芯片介紹15</p><p>　　3.3繼電輸出電路18</p><p>　　3.4電流、電壓、溫度檢測及A/D轉(zhuǎn)換電路19</p><p>　　3.4.

16、1 電流檢測19</p><p>　　3.4.2 零序電流檢測部分20</p><p>　　3.4.3 電壓檢測20</p><p>　　3.4.4 電壓偏置電路21</p><p>　　3.4.5 單線數(shù)字溫度傳感器 DS18B2022</p><p>　　3.4.6 A/D 轉(zhuǎn)換電路27&l

17、t;/p><p>　　3.4.7 關(guān)于 CD4051 的模擬測量通道設(shè)計(jì)30</p><p>　　3.5 人機(jī)接口界面設(shè)計(jì)33</p><p>　　3.5.1 鍵盤接口電路的設(shè)計(jì)33</p><p>　　3.5.2 顯示電路的設(shè)計(jì)34</p><p>　　3.5.3 報警電路的設(shè)計(jì)36</p>

18、<p>　　3.6 看門狗電路的設(shè)計(jì)37</p><p>　　第 4 章 電動機(jī)保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)38</p><p>　　4.1 系統(tǒng)程序流程38</p><p>　　4.2 初始化部分39</p><p>　　4.3 自檢部分41</p><p>　　4.4 A/D 信號采集部分

19、42</p><p>　　4.5 數(shù)據(jù)處理部分44</p><p>　　4.6 保護(hù)模塊44</p><p>　　4.7 鍵盤顯示和報警子程序設(shè)計(jì)47</p><p>　　4.8 A/D 轉(zhuǎn)換子程序設(shè)計(jì)50</p><p>　　4.9 T0 中斷程序設(shè)計(jì)50</p><p>　

20、　4.10 看門狗程序的設(shè)計(jì)51</p><p><b>　　結(jié)論與展望53</b></p><p><b>　　致謝54</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)55</b></p><p><b>　　前 言</b></p>

21、<p>　　電動機(jī)作為現(xiàn)代工業(yè)動力源的寵兒、機(jī)電一體化完美的結(jié)合體，其保護(hù)問題長期困擾著繼電保護(hù)專業(yè)人員和運(yùn)行人員。全國每年由于電動機(jī)過載、不平衡、短路、缺相、接地等故障引起電動機(jī)損壞的事件時常發(fā)生，直接損害著國民經(jīng)濟(jì)效益，因而設(shè)計(jì)一種性能優(yōu)良的電動機(jī)保護(hù)裝置將具有很現(xiàn)實(shí)的意義。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機(jī)微機(jī)式保護(hù)也廣泛用于各種保護(hù)系統(tǒng)之中，它不僅具有完成繼電保護(hù)所要求的計(jì)算和邏輯判斷等性能，同時，對于每一個被保護(hù)對象

22、來講，單片機(jī)以其方便、靈活、可靠、節(jié)能等諸多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，為理論和應(yīng)用研究提供了更先進(jìn)的手段。與傳統(tǒng)保護(hù)裝置相比，其通用性、人機(jī)對話功能強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)各種非常復(fù)雜的算法和各種保護(hù)原理。所以，單片機(jī)微機(jī)型的智能電動機(jī)保護(hù)將是今后發(fā)展的方向。 </p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p>　　1.1 電動機(jī)保護(hù)器研究的背景及意義</p>&l

23、t;p>　　由于交流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、運(yùn)行可靠以及價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用。電動機(jī)所帶的負(fù)載種類繁多，且往往是整個設(shè)備中的關(guān)鍵部分，因而，電動機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義。</p><p>　　在實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境中，由于電網(wǎng)波動，負(fù)載沖擊以及外界環(huán)境高溫、高濕、粉塵等影響，導(dǎo)致電動機(jī)的安全運(yùn)行受到很大的威脅。另外，由于現(xiàn)代電動機(jī)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)技術(shù)的提高，電動機(jī)的體積越來越小，導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部電

24、流密度顯著增加；再加上現(xiàn)代化的生產(chǎn)工藝往往要求電動機(jī)經(jīng)常在頻繁的啟動、制動、正反轉(zhuǎn)以及變負(fù)荷等多種狀態(tài)下切換運(yùn)行，電動機(jī)出現(xiàn)故障的概率更加難以確定，故障后導(dǎo)致的后果也更加嚴(yán)重。</p><p>　　因此，無論從安全的角度還是從經(jīng)濟(jì)的角度來看，電動機(jī)保護(hù)器的研究有著深遠(yuǎn)的意義。</p><p>　　1.2 電動機(jī)保護(hù)器的歷史和現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1 以熔

25、斷器、熱繼電器為主的機(jī)械式保護(hù)方式</p><p>　　熱繼電器是建國以后從前蘇聯(lián)引進(jìn)技術(shù)開發(fā)的金屬片機(jī)械式電動機(jī)過載保護(hù)器，是長期以來我國電動機(jī)保護(hù)器所采取的主要技術(shù)方法。這種電動機(jī)保護(hù)器由熔斷器、接觸器、斷路器及熱繼電器組成。熱繼電器是用于保護(hù)電動機(jī)因過載引起過電流的裝置，在電子技術(shù)尚不發(fā)達(dá)的時代曾是電機(jī)過載保護(hù)的首選產(chǎn)品。</p><p>　　熱繼電器具有反時限特性和結(jié)構(gòu)簡單、安裝方

26、便等優(yōu)點(diǎn)；同時，它也有一定的缺陷，由于材料的熱滯后效應(yīng)導(dǎo)致熱繼電器有保護(hù)時滯和對輕微堵轉(zhuǎn)、過載保護(hù)欠佳的缺點(diǎn)。由于上述缺點(diǎn)電動機(jī)容易長期運(yùn)行在輕微過載狀態(tài)，使電動機(jī)繞組產(chǎn)生熱積累，繞組溫升超過額定值，繞組絕緣老化，影響電動機(jī)使用壽命。另外，受制造工藝限制，熱繼電器的性能有一定的分散性，動作曲線與電動機(jī)實(shí)際保護(hù)曲線不協(xié)調(diào)，使電動機(jī)有效功率下降，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致誤動作。正因?yàn)槿绱?，這種傳統(tǒng)的電動機(jī)保護(hù)方法正在被逐步淘汰，新設(shè)備上已基本看不到它

27、的身影。</p><p>　　1.2.2 普通電子式電動機(jī)保護(hù)器</p><p>　　從上個世紀(jì)七八十年代開始，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展及廣泛應(yīng)用，一批基于分立電子元件和中小規(guī)模集成電路的新型電動機(jī)保護(hù)產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生。此類保護(hù)器從保護(hù)取樣方式上大致分為電壓取樣型和電流取樣型。電壓取樣型電動機(jī)保護(hù)器主要針對電動機(jī)工作電壓進(jìn)行相應(yīng)的檢測來對電動機(jī)進(jìn)行保護(hù)；電流取樣型電動機(jī)保護(hù)器通過對電動機(jī)

28、的線電流的變化檢測來對電動機(jī)進(jìn)行保護(hù)。我國電子式保護(hù)器是由晶體管型發(fā)展至集成電路型，裝置功能基本滿足電動機(jī)保護(hù)的要求。但是設(shè)計(jì)思路的限制導(dǎo)致這些電動機(jī)保護(hù)器仍有一些難以克服的缺陷，這主要表現(xiàn)在：</p><p>　　a.精度不高。由于整個保護(hù)器是由眾多分立元件集合而成，任何一個元件的性能都會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生很大影響。各個元器件之間連線繁雜，在復(fù)雜電磁環(huán)境中極易受到干擾，對溫度的敏感性也很高，這常常導(dǎo)致保護(hù)器不能正常

29、工作。</p><p>　　b.無法實(shí)現(xiàn)參數(shù)存儲、通信等功能。受器件功能影響，在由分立元件構(gòu)成的電動機(jī)保護(hù)器上無法實(shí)現(xiàn)參數(shù)記錄，這也限制了這類保護(hù)器的應(yīng)用范圍。</p><p>　　c.另外，整個保護(hù)裝置中的元件、節(jié)點(diǎn)眾多，大大增加了系統(tǒng)的故障點(diǎn)，導(dǎo)致保護(hù)器調(diào)試?yán)щy。</p><p>　　1.2.3 智能型電動機(jī)保護(hù)</p><p>　　目前

30、，單片機(jī)微機(jī)化的智能電機(jī)保護(hù)器開始逐漸取代傳統(tǒng)的保護(hù)器，成為電機(jī)保護(hù)器的主流。智能電機(jī)保護(hù)器作為一種實(shí)時控制裝置，要求系統(tǒng)必須在明確的有界時間范圍內(nèi)，對故障信號做出響應(yīng)，及時準(zhǔn)確地實(shí)施保護(hù)。實(shí)時性是保護(hù)器系統(tǒng)的關(guān)鍵性能，它決定了對電動機(jī)故障的檢測靈敏度以及輸出保護(hù)信號的準(zhǔn)時性，直接影響了電動機(jī)的安全運(yùn)行。</p><p>　　基于單片機(jī)的智能電動機(jī)保護(hù)裝置具有處理速度快、智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)施各種非常復(fù)雜的

31、算法和各種保護(hù)功能；由于能夠方便地實(shí)現(xiàn)自檢測試功能從而減少了裝置的維修工作量，避免了因裝置缺陷引起的保護(hù)不正確動作，提高了保護(hù)的可靠性。它可以同時對電動機(jī)進(jìn)行斷相、過載、短路、欠壓、三相不平衡、堵轉(zhuǎn)、漏電等進(jìn)行保護(hù)。它還擁有顯示、通信、故障記錄等功能。智能型電動機(jī)保護(hù)器正以其優(yōu)異的性能取得各大原始設(shè)備生產(chǎn)商的青睞，它將是電動機(jī)保護(hù)器的主要發(fā)展方向。</p><p>　　1.3本論文主要的研究目的、主要工作<

32、/p><p>　　本論文的主要目的是研究基于AT89C51單片機(jī)的三相交流異步電動機(jī)保護(hù)器的設(shè)計(jì)，AT89C51單片機(jī)是美國 ATMEL推出公司的新一代超強(qiáng)抗干擾/高速/低功耗的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)。該單片機(jī)片上還有極其豐富的外設(shè)資源，這包括4路外部中斷，8路十位高速A/D轉(zhuǎn)換器，集成MAX810專用復(fù)位電路，因此十分適合于電機(jī)監(jiān)控等相關(guān)應(yīng)用。針對電動機(jī)保護(hù)裝置的發(fā)展方向，結(jié)合課題的具體任務(wù)，主

33、要做了以下幾個方面的工作：</p><p>　　(1) 參閱大量文獻(xiàn)資料，剖析原有電動機(jī)保護(hù)裝置平臺，深入理解電動機(jī)運(yùn)行的基本原理，掌握電動機(jī)運(yùn)行的特點(diǎn)以及容易出現(xiàn)的問題，明確電動機(jī)智能保護(hù)器的設(shè)計(jì)任務(wù)。</p><p>　　(2) 設(shè)計(jì)保護(hù)裝置的硬件電路。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是處理器模塊，電源模塊，鍵盤模塊，顯示模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，開關(guān)量模塊和保護(hù)模塊。</p><p>　

34、　(3) 設(shè)計(jì)保護(hù)裝置的軟件系統(tǒng)。</p><p>　　2 三相交流異步電動機(jī)保護(hù)原理</p><p>　　2.1 電動機(jī)的運(yùn)行原理</p><p>　　交流電機(jī)分為異步電動機(jī)和同步電動機(jī)，其中異步電動機(jī)，即感應(yīng)電機(jī)。異步電動機(jī)的基本運(yùn)行原理是：三相對稱繞組通以三相對稱電流就會產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，該圓形旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為同步速，轉(zhuǎn)向取決于通電相序。旋轉(zhuǎn)磁場在閉合的轉(zhuǎn)子繞

35、組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)子即在電磁力的作用下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，轉(zhuǎn)速小于同步速。</p><p>　　根據(jù)電路等效的原理，將電動機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)折算到定子側(cè)，并保持在折算前后磁勢保持不變，電磁功率及損耗保持不變。折算后的電動機(jī)等效電路原理圖如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 電動機(jī)等效電路原理圖</p><p>　　其中：Ul是電動機(jī)定子側(cè)線電壓，r1，x1是電動機(jī)定子繞

36、組電阻、電抗，Lm為電動機(jī)的勵磁電抗，r2，x2是電動機(jī)折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻、電抗。</p><p>　　2.2 電動機(jī)的故障分類及保護(hù)原理分析</p><p>　　2.2.1電動機(jī)故障分類</p><p>　　從電氣角度分析，引起電動機(jī)繞組損壞的常見故障分為對稱故障和非對稱故障兩大類。對稱故障主要有：三相短路、堵轉(zhuǎn)、對稱過載等，這類故障對電動機(jī)的損壞主要是機(jī)械應(yīng)

37、力和電流增大引起的熱效應(yīng)使繞組發(fā)熱甚至燒毀。不對稱故障主要有斷相、三相不平衡、單相接地、相間短路等，不對稱故障在故障早期沒有特別明顯的過電流或過熱表現(xiàn)，但若不及時查找故障原因排除故障則可能造成嚴(yán)重后果。當(dāng)發(fā)生對稱故障或嚴(yán)重的相間短路故障時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)子處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，繞組電流大，電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重特別容易燒毀電機(jī)。這類故障的主要特征是三相基本對稱，但同時出現(xiàn)過電流，故障的嚴(yán)重程度基本反應(yīng)在過電流的程度上，因此檢測過電流的程度可作為這類故障的判斷

38、依據(jù)。對稱故障的保護(hù)可通過常規(guī)的過流保護(hù)手段來實(shí)現(xiàn)對于嚴(yán)重的三相短路的保護(hù)應(yīng)該采用快速跳閘；堵轉(zhuǎn)故障的保護(hù)應(yīng)該采用短時限跳閘；而對于對稱過載應(yīng)采用定時限跳閘或反時限跳閘，反時限特性與電動機(jī)的溫升指數(shù)特性相配合。詳細(xì)情況如表2.1所示。</p><p>　　表2.1 電動機(jī)對稱故障</p><p>　　當(dāng)電動機(jī)內(nèi)部繞組發(fā)生故障如匝間短路，接地短路等，往往在初期并不會引起顯著的電流增大、電機(jī)過

39、熱，但若不及時處理就會導(dǎo)致事故擴(kuò)大，進(jìn)而引起電機(jī)過熱，自轉(zhuǎn)啟動力矩降低等一系列問題，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致電動機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞乃至報廢。因此，必須實(shí)時檢測電動機(jī)的運(yùn)行狀況，保證及時發(fā)現(xiàn)電動機(jī)的運(yùn)行異常，采取全面有效的保護(hù)措施保證電動機(jī)的可靠運(yùn)行。</p><p>　　2.2.2 保護(hù)原理分析</p><p>　　電動機(jī)保護(hù)原理的研究是保證電動機(jī)智能保護(hù)器性能高低的關(guān)鍵，在參閱了國內(nèi)外大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)

40、過認(rèn)真地研究和比對發(fā)現(xiàn)對“稱分量法”可以對電動機(jī)的三相電流進(jìn)行詳細(xì)的描述，可以為故障的診斷提供準(zhǔn)確的信息。</p><p>　　根據(jù)三相對稱分量法的理論，三個不對稱的向量可以唯一分解成三組對稱的向量：正序分量，負(fù)序分量和零序分量。各序分量獨(dú)立存在，在不同分量的作用下，系統(tǒng)的各個元件呈現(xiàn)出不同的特性。對稱分量的計(jì)算公式如下（以A相為例）。</p><p>　　式中，，，分別是A相電流用對稱分

41、量法分解所得的正負(fù)序電流、零序電流；算子。</p><p>　　由式（2.1）可知，只有當(dāng)三相電流之和不等于零時才有零序電流分量。如果系統(tǒng)采用三角形接法或是中性點(diǎn)不引出的星型接法，三相電流之和總為零，沒有零序電流分量。</p><p>　　根據(jù)前面對故障的分析，電動機(jī)在發(fā)生對稱故障和不對稱故障時，電動機(jī)的三相電流都會發(fā)生變化，根據(jù)這一結(jié)論論文對發(fā)電機(jī)常見故障的保護(hù)措施進(jìn)行了分析。</

42、p><p>　　2.4 電動機(jī)故障特征分析及保護(hù)判據(jù)</p><p>　　2.4.1 短路故障特征分析及保護(hù)判據(jù)</p><p>　　電動機(jī)的短路故障是比較嚴(yán)重的一種故障，危害性很大．短路故障包括定子繞組的相間短路和一相繞組匝間短路。定子繞組的相間短路是電動機(jī)最嚴(yán)重的故障，它會引起電動機(jī)本身的嚴(yán)重?fù)p壞，使供電網(wǎng)絡(luò)的電壓顯著下降，影響其它用電設(shè)備的正常工作。一相匝間短路是

43、較常見的短路故障，該故障初期僅表現(xiàn)為三相電流不對稱，使故障相的相電流增大，嚴(yán)重的情況會導(dǎo)致匝間線圈絕緣全部燒毀，使電動機(jī)的一相繞組全部短接．此時，負(fù)載星形聯(lián)接的非故障相將承受線電壓，負(fù)載三角形聯(lián)接的將產(chǎn)生相間短路，這會使電動機(jī)遭受嚴(yán)重?fù)p壞．</p><p>　　電動機(jī)相間短路故障最明顯的特征是三相供電線路的故障相會出現(xiàn)大電流，危害性很大，應(yīng)進(jìn)行速斷保護(hù)。短路保護(hù)的整定值應(yīng)大于電動機(jī)最大穩(wěn)定啟動電流，一般取電動機(jī)額

44、定電流的8～lO倍。在進(jìn)行短路保護(hù)時，通過檢測電動機(jī)A，B，C三相線電流來實(shí)現(xiàn)，超過整定值后，直接進(jìn)行斷電保護(hù)．</p><p>　　設(shè)Imax為檢測到電動機(jī)三相電流Ia ,Ib Ic的最大值，即</p><p>　　Imax =(Ia,Ib,Ic) （2.2） </p><p>　　短路保護(hù)的原則是，當(dāng)在很短的

45、時間內(nèi)檢測Imax >IZD =kIe（k為短路過流倍數(shù)，一般取8～10,Ie為電動機(jī)額定線電流）時，就認(rèn)為電動機(jī)有短路故障，應(yīng)進(jìn)行速斷保護(hù)。</p><p>　　2.4.2 堵轉(zhuǎn)故障特征分析及保護(hù)判據(jù)</p><p>　　電動機(jī)因機(jī)械原因、負(fù)荷過大等使轉(zhuǎn)子被卡死或低速運(yùn)轉(zhuǎn)而進(jìn)入堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時，會造成過熱而燒壞。電動機(jī)堵轉(zhuǎn)是最輕的對稱短路故障，也是最嚴(yán)重的過載故障。堵轉(zhuǎn)電流一般可以達(dá)到電

46、動機(jī)額定電流的4～7倍，這么高的故障電流極易把電動機(jī)燒壞。因此在檢測到電動機(jī)處于堵轉(zhuǎn)故障時，保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)及時動作，保證電動機(jī)不因堵轉(zhuǎn)而燒壞。</p><p>　　堵轉(zhuǎn)保護(hù)信號可取自于電動機(jī)線電流，當(dāng)線電流超過堵轉(zhuǎn)電流整定值，并達(dá)到整定時限時，立即進(jìn)行斷電保護(hù)。堵轉(zhuǎn)保護(hù)的電流整定值一般可取電動機(jī)的穩(wěn)定啟動電流，即額定電流的4～7倍。</p><p>　　由于電動機(jī)起動電流也能達(dá)到額定電流的4～

47、7倍，為區(qū)分電動機(jī)的堵轉(zhuǎn)故障與正常啟動，保護(hù)算法上要能夠判別電動機(jī)是起動時間內(nèi)還是在起動時間后，一般采用躲過電動機(jī)起動時間(8～16秒)的方法來實(shí)現(xiàn)。從而可有效地躲過電動機(jī)的起動電流，以免誤動作，使電動機(jī)無法正常啟動。</p><p>　　2.4.3 斷相故障特征分析及保護(hù)判據(jù)</p><p>　　電動機(jī)斷相故障是最常見、最嚴(yán)重的一種不對稱故障。電動機(jī)對稱運(yùn)行時，其轉(zhuǎn)軸所受到的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)沒有

48、振動。當(dāng)電動機(jī)繞組斷相，啟動電動機(jī)時就會有嗡嗡聲而不能啟動。根據(jù)對稱分量法，電動機(jī)斷相運(yùn)行時的三相不對稱電流可分解為正序、負(fù)序和零序電流。正序電流產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩，負(fù)序電流產(chǎn)生反向制動轉(zhuǎn)矩，零序電流增加損耗。帶動同樣負(fù)載的正向轉(zhuǎn)矩要克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩和由負(fù)序電流產(chǎn)生的反向制動轉(zhuǎn)矩，因此電動機(jī)負(fù)擔(dān)加重，電流劇增，引起損耗增加，導(dǎo)致電動機(jī)燒壞。</p><p>　　根據(jù)電動機(jī)定子繞組的不同接法，斷相故障電流表現(xiàn)也不同，詳見表2

49、.2所示，其中：</p><p>　　IS—電動機(jī)正常啟動電流；IA, IB,IC—電動機(jī)線電流； </p><p>　　Ie—電動機(jī)額定線電流；—電動機(jī)額定相電流；</p><p>　　—電動機(jī)定予繞組相電流。</p><p>　　表2.2 電動機(jī)斷相故障電流表值</p><p>　　由表2.2分析可以看出，電動機(jī)斷

50、相故障主要有三類情況：①當(dāng)電動機(jī)繞組以Y形連接時，無論斷相發(fā)生在線路上或者繞組內(nèi)部，故障相的線電流均為零；②對于△形連接的電動機(jī)，發(fā)生外部線路斷相時，故障相的線電流為零；③若△形連接的電動機(jī)發(fā)生繞組內(nèi)部斷相時，電動機(jī)故障相的相電流為零，但線電流不為零。</p><p>　　根據(jù)以上分析，斷相故障出現(xiàn)后，電動機(jī)的線電流不平衡，因此可以通過檢測線電流作為斷相故障的信號源。由于斷相故障類型不同，線電流表現(xiàn)也各異，因此保

51、護(hù)判據(jù)也不一樣。通常有以下方法：</p><p>　　(1)對于前兩種情況可以通過在一定時限內(nèi)檢測電動機(jī)線電流是否為零的方法來實(shí)現(xiàn)，即對某相電流一個周期內(nèi)連續(xù)采樣n點(diǎn)的瞬時值均為零，或通過計(jì)算某相電流的有效值為零，則為斷相故障；</p><p>　　(2)對于第③種斷相故障，可以通過檢測不對稱電流計(jì)算出正序、負(fù)序、零序電流。通過負(fù)序電流來反映斷相等不平衡故障。實(shí)際上對于第③類斷相故障可以通

52、過計(jì)算得出A相的正、負(fù)序電流有如下關(guān)系：</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　即，因此可以通過正、負(fù)序電流的這個比值來判斷電動機(jī)的第③類斷相故障。</p><p>　　2.4.4 過載故障特征分析及保護(hù)判據(jù)</p&

53、gt;<p>　　電動機(jī)過載也稱過負(fù)荷，是指電動機(jī)正常運(yùn)行中因負(fù)荷過大所引起的過熱現(xiàn)象。其突出特點(diǎn)是電動機(jī)的工作電流大于額定電流，溫升高于額定值，如果電動機(jī)長時間過載運(yùn)行會引起電動機(jī)繞組過熱而燒壞。電動機(jī)過載運(yùn)行主要由以下幾種原因造成：</p><p>　　(1)負(fù)荷增加；(2)機(jī)械設(shè)備故障或未安裝好；(3)電動機(jī)本身機(jī)械故障；(4)電動機(jī)容量選擇偏??；(5)電動機(jī)修理時繞組線徑選擇偏??；(6)雙機(jī)

54、拖動負(fù)荷分配不均；(7)電動機(jī)端電壓過低等。</p><p><b>　　a．電動機(jī)溫升特性</b></p><p>　　電動機(jī)定子繞組溫度高出周圍環(huán)境溫度的值稱為溫升。電動機(jī)溫升特性的數(shù)學(xué)模型是推導(dǎo)電動機(jī)容許過載特性數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)性工作，是電動機(jī)反時限過載保護(hù)的理論基礎(chǔ)，有利于分析電動機(jī)定子繞組的發(fā)熱特點(diǎn)。</p><p>　　電動機(jī)在運(yùn)行過

55、程中能量損耗主要有銅損、鐵損和機(jī)械損耗，它們會轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，一部分通過機(jī)體散失到周圍空氣中，一部分積存在機(jī)體中，使電動機(jī)其溫度上升，最終超過環(huán)境溫度。</p><p>　　電動機(jī)是由多種材料組成的非均質(zhì)發(fā)熱體，其發(fā)熱情況比較復(fù)雜。但實(shí)際測定表明，電動機(jī)的發(fā)熱曲線與均質(zhì)發(fā)熱體的發(fā)熱曲線只有較小的差別。為了便于計(jì)算和分析，一般將電動機(jī)認(rèn)為是一個均質(zhì)發(fā)熱體，且忽略電動機(jī)的鐵損和機(jī)械損耗，即電動機(jī)的溫升主要取決于其銅損。因

56、此，依據(jù)均質(zhì)固體發(fā)熱理論，異步電動機(jī)定子繞組過負(fù)荷運(yùn)行時的熱平衡微分方程為：</p><p><b>　　（2.5）</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　Q——定子物體每秒鐘內(nèi)所產(chǎn)生的熱量(W)；</p><p>　　I——電動機(jī)過載狀態(tài)下的定子電流(A)；<

57、;/p><p>　　——電動機(jī)額定定子電流(A)；</p><p>　　r——電動機(jī)定子繞組電阻()；</p><p>　　C——定子物體材料的比熱，即使lKg物體溫度升高1所需的熱量(J/Kg·)；</p><p>　　G——定子物體的質(zhì)量(kg)；</p><p>　　——散熱系數(shù)，即每平方米表面．每度溫差、

58、每秒時間內(nèi)所散發(fā)的熱量焦耳數(shù)(W／·)；</p><p>　　S——散熱表面積()；</p><p>　　——定子繞組溫升()。</p><p>　　式(2.5)左邊是在時間間隔dt中，定子繞組由于過負(fù)荷而發(fā)出的熱量Qdt。右邊CGd是電動機(jī)溫度升高d度所吸收的熱量，Sdt是dt時間內(nèi)散失在周圍介質(zhì)中的熱量。式(2.5)為一階線性微分方程，其通解為：<

59、;/p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　式中A——待定常數(shù)，由初始條件確定，即認(rèn)為負(fù)荷不變化時，定子繞組溫度與周圍介質(zhì)的溫度相等，初始溫升為零。將初始條件代入式(2.6)得出待定常數(shù)A為:</p><p>　　將A代入式（2.6）可得</p><p><b>　?。?.7）</b&

60、gt;</p><p>　　這就是異步電動機(jī)的溫升數(shù)學(xué)模型，其特性曲線如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2電動機(jī)過負(fù)荷運(yùn)行時溫升特性</p><p>　　電動機(jī)的溫升特性曲線可以用如下原理來解釋：當(dāng)時間t=O時，電動機(jī)的溫度與環(huán)境溫度相同，兩者之間不存在熱傳導(dǎo)，這時電動機(jī)產(chǎn)生的全部損耗都用來提高電機(jī)的溫度，所以電機(jī)溫度上升很快。隨著電動機(jī)溫度上升的增加，它

61、與周圍介質(zhì)的溫度差越來越大，散發(fā)到周圍介質(zhì)中的熱量也逐漸增加，溫升增加變慢，直到散熱量等于發(fā)熱量時，電動機(jī)的溫度就不再升高，它所產(chǎn)生的全部熱量散發(fā)到周圍介質(zhì)中，即達(dá)到穩(wěn)定溫升。</p><p>　　b．電動機(jī)反時限過載保護(hù)特性</p><p>　　對式(2.7)中的指數(shù)項(xiàng)進(jìn)行泰勒級數(shù)展開，取前兩項(xiàng)可得：</p><p><b>　?。?.8）</b&

62、gt;</p><p>　　將式（2.8）代入式（2.7）并整理可得</p><p><b>　　(2.9)</b></p><p>　　式中：稱為電動機(jī)的過載倍數(shù)</p><p>　　為一常數(shù)，若電動機(jī)的最大容許溫升為，則式（2.9）為</p><p><b>　?。?.10）<

63、/b></p><p>　　式（2.10）反應(yīng)了電動機(jī)過載倍數(shù)與電動機(jī)容許過載時間t的關(guān)系，即，我們把這種關(guān)系稱為電動機(jī)的容許過載特性，如圖2.3曲線1所示。從圖中可以看出，電動機(jī)過載倍數(shù)越大，其容許過載時間就越短，即呈現(xiàn)反時限特性。</p><p>　　圖2.3電動機(jī)過載保護(hù)特性曲線</p><p>　　1—電動機(jī)容許過載特性；2—定時限過載保護(hù)特性；<

64、;/p><p>　　3—階段式定時限過載保護(hù)特性；4—反時限過載保護(hù)特性；</p><p>　　電動機(jī)在設(shè)計(jì)時往往留有一定余量，因此電動機(jī)可以容許有一定的短時過載能力。其實(shí)在實(shí)際生產(chǎn)中，電動機(jī)負(fù)載往往會有一定的波動，這也要求電動機(jī)具有一定短時過載能力，不會因短時過載而停機(jī)，影響正常生產(chǎn)。</p><p>　　電動機(jī)過載保護(hù)動作時間t與過載倍數(shù)的關(guān)系稱為電動機(jī)過載保護(hù)特性

65、。設(shè)計(jì)過載保護(hù)特性時，要充分利用電動機(jī)本身的過載能力，不要因?yàn)殡妱訖C(jī)一過載就立即進(jìn)行保護(hù)，頻繁的斷電保護(hù)將影響正常生產(chǎn)，這樣的保護(hù)也就失去意義了。圖2.3中可以看出，定時限過載保護(hù)和階段式定時限過載保護(hù)都不能像反時限過載保護(hù)特性那樣充分利用電動機(jī)的過載能力，因此在設(shè)計(jì)過載保護(hù)特性時應(yīng)具有優(yōu)良的反時限特性。</p><p>　　c．電動機(jī)反時限過載保護(hù)的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　對于圖2.3

66、中曲線4所表示的連續(xù)的反時限過載保護(hù)特性，可以通過取有限個有代表性的特征點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)，即對電動機(jī)過載區(qū)間劃分為若干個子過載區(qū)間，對于每一個子過載區(qū)間采用定時限的保護(hù)方法來實(shí)現(xiàn)，如表2.3所示。</p><p>　　表2.3 某電動機(jī)反時限過載保護(hù)的分段式實(shí)現(xiàn)</p><p>　　2.4.5 欠壓和過壓故障特征分析及保護(hù)判據(jù)</p><p>　　根據(jù)三相異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)

67、矩公式：</p><p>　　式中:T——電磁轉(zhuǎn)矩</p><p><b>　　K——常數(shù)</b></p><p><b>　　U1——定子電壓</b></p><p>　　R2，X20——電動機(jī)轉(zhuǎn)子電阻和啟動感抗</p><p><b>　　s——轉(zhuǎn)差率</

68、b></p><p>　　電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電網(wǎng)供電電壓有關(guān)。當(dāng)電網(wǎng)電壓上下波動時，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩相應(yīng)發(fā)生變化，進(jìn)而影響到定子電流變化，從而影響到電動機(jī)正常運(yùn)行。</p><p><b>　　a．欠壓保護(hù)</b></p><p>　　在電動機(jī)負(fù)載和轉(zhuǎn)子電阻一定的條件下，電網(wǎng)電壓降低時，電磁轉(zhuǎn)矩下降，電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降，旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子的相對轉(zhuǎn)

69、速增大，磁通切割轉(zhuǎn)子的速度增大，因此轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出的電動勢和產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電流都將增大。如果電動機(jī)長時間在低電壓工作會使電動機(jī)過熱甚至燒壞，嚴(yán)重時還會造成堵轉(zhuǎn)。低電壓也會使電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩下降，當(dāng)電壓降低到能使起動轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時，電動機(jī)就無法啟動。</p><p>　　電動機(jī)要不要裝設(shè)欠壓保護(hù)有一定原則。對電源電壓短時降低或短時中斷后又恢復(fù)需要自動啟動的重要電動機(jī)，不裝設(shè)低壓保護(hù)。下列電動機(jī)一般需裝設(shè)欠壓保護(hù)：(

70、1) 當(dāng)電源電壓短時降低或短時中斷后又恢復(fù)時，為保證重要電動機(jī)自啟動而需要斷開的次要電動機(jī)；(2)電源電壓短時降低或短時中斷后，根據(jù)生產(chǎn)或工藝的要求，不允許或不需要自啟動的電動機(jī)；(3)需要自啟動，但為保證人身和設(shè)備的安全，在電源電壓長時間消失后，需從電網(wǎng)中自動斷開的電動機(jī)。</p><p>　　欠壓保護(hù)的整定原則是：若在一定時限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均低于保護(hù)整定值，則認(rèn)為有故障產(chǎn)生，應(yīng)進(jìn)行斷電保護(hù)．</

71、p><p><b>　　b．過壓保護(hù)</b></p><p>　　過電壓一般是由電網(wǎng)電壓波動造成的，當(dāng)然也可能是伴隨其它故障的產(chǎn)生而產(chǎn)生的，如對于負(fù)載星形連接且無中性線的電動機(jī)，如果定子繞組一相短路，會造成其它兩相負(fù)載的電壓增大。</p><p>　　電動機(jī)在過電壓狀態(tài)下運(yùn)行，容易對電動機(jī)的絕緣造成破壞，進(jìn)而縮短電動機(jī)使用壽命，因此電動機(jī)應(yīng)裝設(shè)過電

72、壓保護(hù)。</p><p>　　過壓保護(hù)的整定原則是：若在一定時限內(nèi)采樣到的線電壓有效值均高于保護(hù)整定值，則認(rèn)為有故障產(chǎn)生，應(yīng)進(jìn)行斷電保護(hù)。</p><p>　　3 電動機(jī)保護(hù)器硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本章將詳細(xì)討論以AT89C51單片機(jī)為核心電動機(jī)智能保護(hù)器的硬件電路設(shè)計(jì)?？紤]到電動機(jī)智能保護(hù)器的應(yīng)用環(huán)境及可靠性要求，在具體的電路設(shè)計(jì)和芯片選型方面充分考慮

73、了該保護(hù)器的實(shí)際需要及抗干擾性能。</p><p>　　硬件電路的設(shè)計(jì)是整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)硬件，設(shè)計(jì)的好壞不僅直接影響硬件系統(tǒng)本身功能的實(shí)現(xiàn)，而且對以后的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)有很大的影響。所以硬件電路的設(shè)計(jì)不僅要考慮裝置系統(tǒng)功能的要求，還要考慮到使系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時更簡單方便。</p><p>　　3.1電動機(jī)保護(hù)器硬件系統(tǒng)的技術(shù)要求</p><p>　　電動機(jī)保護(hù)器

74、的工作環(huán)境中通常存在大量的機(jī)電設(shè)備，這些機(jī)電設(shè)備在啟動、運(yùn)行、停止時都會產(chǎn)生大量的電磁干擾。這導(dǎo)致電動機(jī)智能保護(hù)器的工作環(huán)境復(fù)雜，對抗干擾性能要求較高。而且在電動機(jī)產(chǎn)生故障時能夠及時準(zhǔn)確地發(fā)出保護(hù)命令，這就對保護(hù)器的硬件電路設(shè)計(jì)提出如下的要求：</p><p>　　(1) 抗高溫、低溫能力強(qiáng)。保護(hù)器系統(tǒng)電路中元件的性能會隨溫度變化而變化，在較高溫度或較低溫度時有可能產(chǎn)生誤動作，故保護(hù)器系統(tǒng)所有的元器件都應(yīng)選用工業(yè)

75、級器件。</p><p>　　(2) 抗強(qiáng)電磁干擾能力強(qiáng)。繼電器的閉合與斷開及電動機(jī)的運(yùn)行等都會在空間激發(fā)高頻電磁場，產(chǎn)生大量的強(qiáng)電磁干擾，影響電子設(shè)備正常運(yùn)行甚至導(dǎo)致設(shè)備失效，因此在進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)時應(yīng)該盡可能地提高硬件的抗干擾性能。</p><p>　　(3) 處理器運(yùn)算速度快。由于裝置需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)輸入輸出以及數(shù)據(jù)運(yùn)算，為保證保護(hù)器動作的快速性和準(zhǔn)確性必須采用運(yùn)算速度快的微處理器

76、。</p><p>　　(4) 采樣精度高。電動機(jī)保護(hù)器需要實(shí)時檢測電動機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，表征電動機(jī)狀態(tài)的參量必須得到精確的測量。</p><p>　　3.2 保護(hù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) </p><p>　　3.2.1 本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)框圖</p><p>　　交流電機(jī)保護(hù)器系統(tǒng)由以 AT89C51 為 CPU 的最小系統(tǒng)，測電流電路，測電壓線路，測

77、溫度電路，操作鍵盤，LED 顯示報警電路，看門狗電路等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示</p><p>　　圖3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　3.2.2 AT89C51 芯片介紹 </p><p>　　本設(shè)計(jì)采用美國 ATMEL 公司的 AT89C51 單片機(jī)，其內(nèi)部含有可重復(fù)編程的 Flash存儲器，可進(jìn)行 1000 次擦寫操作，故在開發(fā)過程中可以十分容易進(jìn)

78、行程序的修改，大大縮短了開發(fā)周期。AT89C51 是一種低電壓，高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL 的AT89C51 是一種高效微控制器。如圖 3.2 所示。 </p><p>　　1、AT89C51 主要特性 </p&

79、gt;<p>　　? 與 MCS-51 兼容 </p><p>　　? 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 </p><p>　　? 壽命：1000 次擦/寫循環(huán) </p><p>　　? 數(shù)據(jù)保留時間：10 年 </p><p>　　? 全靜態(tài)工作：0Hz～24Hz </p><p>　　?

80、三級程序存儲器鎖定 </p><p>　　? 128×8 位內(nèi)部 RAM </p><p>　　? 32 條可編程 I/O 線 </p><p>　　? 兩個 16 位定時器/計(jì)數(shù)器 </p><p>　　? 5 個中斷源 </p><p>　　? 可編程串行通道 </p><p&

81、gt;　　? 低功耗的閑置和掉電模式 </p><p>　　? 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路</p><p>　　圖 3.2 AT89C51 引腳圖</p><p><b>　　2、主要管腳說明 </b></p><p><b>　　VCC：供電電壓 </b></p><p>&

82、lt;b>　　GND：接地 </b></p><p>　　P0 口：P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8個TTL 門電流。當(dāng) P0 口的管腳第一次寫 “1”時，被定義為高阻輸入。P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在 FLASH 編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FLASH 進(jìn)行編程時，P0 接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時輸出指令字節(jié)，校

83、驗(yàn)時需要外接上拉電阻。 </p><p>　　P1 口：P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出 4個 TTL 門電流。P1 口管腳寫入“1”后，被內(nèi)部上拉為高電平時，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉電阻的緣故。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時，P1 口接收低八位地址。 </p><p>　　P2 口：P2 口為

84、一個內(nèi)部含上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖器可接收輸出 4 個 TTL門電流，當(dāng) P2 口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并且作為輸入時，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故，P2 口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的

85、內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時接收高八位地址信號和控制信號。 </p><p>　　P3 口：P3 口管腳是一組帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。當(dāng) P3 口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流（IIL）這是由于上拉的緣故。P3 口為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。P3 口也可作為 AT89C51 的

86、一些特殊功能口，如下所示：</p><p>　　P3.0 RXD（串行輸入口） </p><p>　　P3.1 TXD（串行輸出口） </p><p>　　P3.2 /INT0（外部中斷 0輸入） </p><p>　　P3.3 /INT1（外部中斷 1輸入） </p><p>　　P3.4 T0（計(jì)時器 0的外部輸入

87、） </p><p>　　P3.5 T1（計(jì)時器 1的外部輸入） </p><p>　　P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器“寫”選通控制輸出） </p><p>　　P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器“讀”選通控制輸出） </p><p><b>　　3. 時鐘電路 </b></p><p>　　單

88、片機(jī)雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外部附加電路。51 系列單片機(jī)的時鐘產(chǎn)生方法有兩種。一種是內(nèi)部時鐘方式，另一種是外部時鐘方式。 </p><p>　?。?） 內(nèi)部時鐘方式 </p><p>　　利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在 XTAL1、XTAL2 引腳上外接定時元件，內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩，用示波器可以觀察到 XTAL2 輸出的時鐘信號。最常用的內(nèi)部時鐘方式是采用外接晶體（在

89、頻率穩(wěn)定性要求不高而希望盡可能廉價時，可選擇陶瓷諧振器）和電容組成的并聯(lián)諧振回路，不論是 HMOS 還是 CHMOS 型單片機(jī)其并聯(lián)諧振回路及參數(shù)相同。 振蕩晶體可在 1.2MHz～12MHz 之間選擇，電容值無嚴(yán)格要求，但在電容值取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響，CX1、CX2 可在 20pF～100pF之間取值，但在 60pF～70pF 時振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。</p><p>

90、;　?。?）外部時鐘方式 </p><p>　　外部時鐘方式是利用外部振蕩信號源直接接入 XTAL1、XTAL2。由于 HMOS 和</p><p>　　CHMOS 單片機(jī)內(nèi)部時鐘進(jìn)入的引腳不同（CHMOS 型單片機(jī)由 XTAL1 進(jìn)入，HMOS 型單片機(jī)由 XTAL2 進(jìn)入），其外部振蕩信號源接入的方式也不同。HMOS 型單片機(jī)的外部振蕩信號源的接入方法：外部振蕩信號接至 XTAL2，而

91、內(nèi)部的反相放大器的輸入端 XTAL1應(yīng)接地。由于 XTAL2 端的邏輯電平不是 TTL 的，故建議外接一個上拉電阻。在 CHMOS電路中，因內(nèi)部時鐘引入端取反相放大器的輸入端（即與非門的一個輸入端），故采用外部與 HMOS 型有所不同，外部信號接至 XTAL1，而 XTAL2 可不接地。外部振蕩信號通過一個 2 分頻的觸發(fā)器而成為內(nèi)部的時鐘信號。故對外部信號的占空比沒什么要求，但高電平持續(xù)時間和低電平持續(xù)時間應(yīng)大于 20ns. <

92、/p><p><b>　　(3)本設(shè)計(jì)方案 </b></p><p>　　由于對上述兩種方案的分析，在本設(shè)計(jì)中選擇內(nèi)部時鐘方式。電路如圖 3.3</p><p><b>　　所示：</b></p><p>　　圖 3.3 本設(shè)計(jì)時鐘電路</p><p>　　在外部晶體上選用晶體振

93、蕩器，頻率為11.0592MHz，為提高頻率穩(wěn)定性，CX1、CX2都為30pF。 </p><p>　　3.3繼電輸出電路 </p><p>　　本設(shè)計(jì)是通過 MCS-51 控制電機(jī)的停止。故需要經(jīng)光藕隔離后在外接接觸器來控制電動機(jī)的啟動和停止。</p><p>　　圖3.4繼電輸出電路原理圖</p><p>　　3.4電流、電壓、溫度檢測及

94、A/D轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　3.4.1 電流檢測 </p><p>　　圖是以 A 相為例的電流檢測電路。電流互感器的輸出經(jīng)二階濾波電路，然后把濾波處理后的信號送入串行 A/D 轉(zhuǎn)換器 TLC549。另外須注意:在軟件程序己經(jīng)固化好的情況下，有時取樣電阻不準(zhǔn)確，造成 A/D 轉(zhuǎn)換的不精確，為此在實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中加入了電位器，通過調(diào)電位器來對 A/D 轉(zhuǎn)換值進(jìn)行調(diào)節(jié)。</p&

95、gt;<p>　　圖 3.5電流變送器的硬件原理圖</p><p>　　DXCT205 的原/副邊額定電流為5A/2.5mA，原邊能夠承受較高的電流，故無需在原邊增加限流裝置。本保護(hù)裝置的保護(hù)原邊電流范圍在 0-30A 之間，副邊電壓最大不能超過2.5V。測量原邊電流范圍在 0—6A 之間，副邊電壓最大不超過 2.5V。運(yùn)算放大器選用了LM224，以保證原邊電流大幅值變動時副邊電壓仍然有足夠的精度。

96、可調(diào)電阻 RW 和穩(wěn)壓管的功能與電壓互感器電路中的功能一樣。同樣，電流變送器經(jīng)過運(yùn)算放大器后的輸出模擬信號相角與輸入模擬信號相角相等。</p><p>　　3.4.2 零序電流檢測部分 </p><p>　　檢測零序電流可以采用零序互感器。當(dāng)三相電流平衡時，,其輸出電流為零，當(dāng)出現(xiàn)三相電流不平衡時，則感應(yīng)的磁場變化，故其輸出有電流。本設(shè)計(jì)采用的是 ZCT11-01 型零序互感器，其額定電

97、流為 30A，輸出電壓為 3.5mV—4mV，在經(jīng)過濾波放大后即可接 A/D轉(zhuǎn)換。其接線圖如下:</p><p>　　圖 3.6零序電流檢測的硬件原理圖</p><p>　　3.4.3 電壓檢測 </p><p>　　電壓互感器的硬件設(shè)計(jì)完全相同，都采用了電流型電壓互感器 DXPT202, DXPT202 的原/副邊額定電流為 2mA/2mA。電路設(shè)計(jì)原理如圖所示

98、 </p><p>　　圖 3.7 電壓互感器的硬件原理圖</p><p>　　電壓互感器原邊電壓范圍為 0-120V，副邊電壓最大值不能超過 2.5V。RW 1 作為原邊的限流電阻，使流過 DXPT202 的電流值達(dá)到規(guī)定的要求;調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器的反饋電阻 RW2，可以得到所需要輸出的電壓;運(yùn)算放大器的作用是使相移減小，增加帶負(fù)載能力，并使可輸出電壓范圍增大;穩(wěn)壓管的目的是限制最大輸出電壓

99、范圍，以保證電壓范圍不超過 A/D轉(zhuǎn)換器的最大模擬輸入電壓限值，從而避免損壞 A/D 轉(zhuǎn)換器。經(jīng)過運(yùn)算放大器后的輸出模擬信號相角與輸入模擬信號相角相等。 </p><p>　　3.4.4 電壓偏置電路 </p><p>　　模擬輸入信號進(jìn)入 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換時，模擬輸入電壓范圍必須在 0-5V 之間。所示的電壓偏置電路可以使之滿足此條件。</p><p&g

100、t;　　圖 3.8 電壓偏置原理圖</p><p>　　上原理圖目的是把輸出電壓控制在 5—0V 之間。計(jì)算如下：</p><p>　　U0=-(Vcc/R2+Ui/R1)*R3</p><p>　　由于 Ui的取值區(qū)間是-5V- +5V，所以 Vo 經(jīng)過偏置電路后，對應(yīng)的取值范圍是 5-0V。故經(jīng)過計(jì)算可得 R2=2.4R1，R1=2R3，取 R3=1K，則 R

101、1=2K，R2=2.4K。 </p><p>　　因而在軟件中，當(dāng) CPU 讀取轉(zhuǎn)換的數(shù)字量后，必須經(jīng)過如下處理方能得到互感器副邊出口處的電壓值。 </p><p>　　U=-(U0-2.5)×2</p><p>　　3.4.5 單線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 </p><

102、;p>　　1、DS18B20 芯片簡介 </p><p>　　DS18B20 是美國達(dá)拉斯(DALLAS)半導(dǎo)體公司推出的應(yīng)用單總線技術(shù)的數(shù)字溫度傳感器。該器件將半導(dǎo)體溫敏器件、A/D 轉(zhuǎn)換器、存儲器等做在一個很小的集成電路芯片上。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中溫度傳感器之所以選擇單線數(shù)字器件 DS18B20，是在經(jīng)過多方面比較和考慮后決定的，主要有以下幾方面的原因： </p&

103、gt;<p>　　（1）系統(tǒng)的特性：測溫范圍為-55℃～+125℃ ，測溫精度為士0.5℃；溫度轉(zhuǎn)換精度 9～12位可變，能夠直接將溫度轉(zhuǎn)換值以 16 位二進(jìn)制數(shù)碼的方式串行輸出；12 位精度轉(zhuǎn)換的最大時間為 750ms；可以通過數(shù)據(jù)線供電，具有超低功耗工作方式。 </p><p>　?。?）系統(tǒng)復(fù)雜度：由于 DS18B20 是單總線器件，微處理器與其接口時僅需占用 1 個 I/O端口而且一條總線上

104、可以掛接幾十個 DS18B20，測溫時無需任何外部元件，因此，與模擬傳感器相比，可以大大減少接線的數(shù)量，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，減少工程的施工量。使測溫系統(tǒng)的線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和硬件開銷大為簡化。 </p><p>　　（3）系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)：由于引線的減少，使得系統(tǒng)接口大為簡化，給系統(tǒng)的調(diào)試帶來方便。同時因?yàn)?DS18B20 是全數(shù)字元器件，故障率很低，抗干擾性強(qiáng)，因此，減少了系統(tǒng)的日常維護(hù)工作。</p>&

105、lt;p>　　DS18B20 采用 3 腳封裝如圖 3.9 所示</p><p>　　圖3.9 DS18B20引腳圖</p><p><b>　　引腳說明： </b></p><p>　　1.GND 接地 </p><p>　　2.DQ 數(shù)字輸入/輸出 </p>&l

106、t;p>　　3.VDD 可選的電源</p><p>　　2、DS18B20 的溫度測量 </p><p>　　DS18B20 的核心功能是其數(shù)字溫度傳感器，其溫度與數(shù)字量的關(guān)系如表 3.1 所示。溫度傳感器的測量結(jié)果被用戶定義為 9, 10，11 或 12 位，其各自的準(zhǔn)確度為 0.5、0.25、0.125、0. 0625。DS18B20 測得溫度數(shù)據(jù)在溫度寄存器中被存

107、為帶標(biāo)志位的 16 位數(shù)，標(biāo)志位 S 表示溫度是正是負(fù)，為正則 S=0，為負(fù)則 S=1,如果 DS18B20 設(shè)定為 12 位結(jié)果，溫度寄存器中所有位將包含有數(shù)據(jù)；對于 11 位結(jié)果，0 位未定義；10 位結(jié)果，0 位和 1 位未定義；9位結(jié)果位 2、位 1 和位 0 未定義。表 3.2是 DS18B20 內(nèi)部存儲器，表 3.3是 DS18B20 溫度存儲格式與配置寄存器控制字的格式。由表 3.1 可知，檢測溫度由兩個字節(jié)組成，字節(jié)1

108、的高 5 位 S 代表符號位，字節(jié) 0 的低 4 位是小數(shù)部分，中間 7 位是整數(shù)部分。字節(jié) 4 是配置寄存器控制字的格式，當(dāng)主機(jī)發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令（44H）時，啟動溫度轉(zhuǎn)換過程，轉(zhuǎn)換時間最長 750 ms。主機(jī)通過讀寄存器命令（BEH），將溫度值讀出。通過寫寄存器功能命令，改變分辨率的設(shè)置。</p><p>　　表 3.1 溫度和數(shù)字量的關(guān)系</p><p>　　表 3.2 DS18B2

109、0 內(nèi)部存儲器</p><p>　　表 3.3 溫度存儲格式與配置寄存器控制字格式</p><p><b>　　3、溫度報警信號 </b></p><p>　　DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與 TH，TL 作比較。若 T>TH 或 T<TL，則將該器件內(nèi)的報警標(biāo)志置位，并對主機(jī)發(fā)出的告警搜索命令作出響應(yīng)。因此，多

110、只DS18B20 同時測量溫度并進(jìn)行報警搜索，一旦某測溫點(diǎn)越限，主機(jī)利用報警搜索命令，即可識別正在報警的器件，并讀出其序列號。 </p><p>　　4、CRC 的產(chǎn)生 </p><p>　　CRC 字節(jié)作為 DS18B20 的 64 位 ROM 編碼的一部分。也是暫存寄存器的第 9 位。ROM碼 CRC是 從 ROM 碼前 56 位計(jì)算得出的并且放在 ROM 的最高字節(jié)。暫存寄存器 CR

111、C 是由存在暫存寄存器中的數(shù)據(jù)計(jì)算得出的，它因而隨著緩存器中的數(shù)據(jù)的改變而改變。CRC表達(dá)式(多項(xiàng)式函數(shù)) </p><p>　　CRC=X6+X5+X4+1</p><p>　　5、溫度傳感器的登記 </p><p>　　每一個 DS18B20 在接入系統(tǒng)工作前，必須先進(jìn)行登記注冊。在每臺分機(jī)上都有一個登記注冊端口，DS18B20 在接入系統(tǒng)前，先接到登記注冊端口