单片机智能低压断路器研究毕业论文.doc

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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：

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、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 2

1.1智能型低压断路器的研究意义 2

1.2低压断路器概述及智能化前景 2

1.3本设计的主要工作 3

2智能型低压断路器的方案设计 4

2.1智能型低压断路器的工作原理 4

2.2设计方案的选择 4

2.3控制核心单片机的选用 5

3智能型低压断路器的模块化设计 7

3.1模拟信号采集模块 7

3.2信号处理模块 8

3.3单片机输入输出模块 10

3.4故障保护 11

3.5电源设计 12

3.6串口通信 13

4智能型低压断路器的软件设计 14

4.1软件总体设计方案 14

4.2初始化程序 15

4.3A/D转换子程序 17

4.4LCD显示子程序 18

4.5故障判断子程序 18

4.6中断子程序 18

5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

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

ResearchonIntelligentControllerofLow-voltageCircuitBreaker

Student:

Yangchao（FacultyAdviser:

Lioushilin）

（CollegeofmechanicalandElectronicEngineering,WestAnhuiUniversity）

Abstract:

Inordertolow-voltagecircuitbreakerintelligent,AT89C51MCUisusedastheintelligentcontroller.Voltagetransformersandcurrenttransformersarecollectingsignalsofvoltageandcurrent.ThesignalintotheADC0808conductADconversionafteramplification.MCUisusedtointelligentlycontrolbasedonsignalofacquisitiondigital.DisplayofvoltageandcurrentinLCDscreen.TheMCUwillaccordingtothesettimetodecidewhethertheactionwhenthedetectedsignalexceedsthesafetyvalue.Itmakeajudgment,thandrivingreleasefordisconnectthecircuitbreaker.AndthefaultisdisplayedontheLCDscreen.TheMCUcontrolreleaseforcircuitbreakerclosed,thewholecircuitbacktonormal,whentherecoverfrompreviousfailure.

Keywords:

low-voltage;circuitbreaker;AT89C51;faultprotection

1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

l8位CPU

l4K字节可编程FLASH存储器

l频率范围支持0Hz-24MHz，实际使用12MHz

l32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2-2AT89C51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P1.0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