电力电子装置电流检测与过流保护系统设计毕业设计Word文档格式.docx

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摘要

本论文针对不间断电源以霍尔传感器和AT89C51单片机为核心，设计了一个利用霍尔效应实现电流检测并带过流保护的装置。

该装置在片外扩展A/D转换接口，系统选用ADC0804转换器，电流检测元件采用ACS712霍尔传感器。

在上述硬件基础上，实现了对ADC0804芯片的启动与读写操作，完成对来自ACS712的直流电流信号的A/D转换工作，当A/D转换结束后，ADC0804向CPU发出一个信号，CPU对转换后的数字量进行处理，并将结果通过数码管实时显示出来，达到检测电流的目的。

并且采用新型超低电压检测器PT7M6lOl及一些通用元器件设计的一种通用过流保护电路，经实验其效果较好。

该保护电路的特点是：

最大的允许工作电流Imax可设定；

在正常工作状态（无过流发生）时，电路耗电极小，约几十微安；

一旦有过流状态出现，切断负载电源迅速（约几毫秒），并锁存（印保持负载断开电源状态），不影响其他电路工作；

控制切断电源的P-MOS-FET的压降小，检测电流的电阻Rs上的压降小（仅1OOmV），所以电路的效率>

95%；

有过流状态指示；

电路简单、无需调整；

若都采用贴片式元器件占印制板面积较小。

关键词：

霍尔传感器；

AT89C51；

过流保护

ABSTRACT

Inthispaper,theuninterruptiblepowersupplytotheHolzersensorandAT89C51SCMasthecore,thedevicewithovercurrentprotectionbytheuseofaHolzereffectofcurrentdetectionanddesign.ThedeviceextensionA/Dconversioninterfaceinchip,systemwithADC0804converter,currentdetectiondeviceusingACS712Holzersensor.

Onthehardwarebasis,realizethestartupandreadontheADC0804chipofthewriteoperation,tocompletetheDCcurrentsignalfromtheACS712A/Dconversionwork,whentheA/Disfinished,theADC0804sendsasignaltotheCPU,CPUdigitalconversionafterthetreatment,andtheresultsthroughdigitaltubedisplay.Current,todetectthepurpose.AndusingthenewultralowvoltagedetectorPT7M6lOlandsomecommoncomponentstodesignageneralover-currentprotectioncircuit,theexperimenttheeffectisbetter.Theprotectioncircuitis:

themaximumpermissibleworkingcurrentoftheImaxcanbeset;

inthenormalworkingstate（noflow）,thepowerconsumptionofthecircuitisverysmall,abouttensofmicroamperes;

oncetheovercurrentcondition,loadoffquickly（aboutafewmilliseconds）,andlatches（YinBao'

sloaddisconnectpowerstate）,doesnotaffectothercircuit;

controlthepressurecuttingoffthesupplyofsmallP-MOS-FET,Rscurrentdetectingresistorvoltagedroponthesmall（only1OOmV）,sotheefficiencyof>

95%circuit;

overcurrentstateindicator;

thecircuitissimple,noneedofadjustment;

ifusesSMDcomponentsaccountedforprintedcircuitboardareaissmall.

Keywords:

Holzersensor;

AT89C51;

Overcurrentprotection

第1章绪论

1.1课题背景与意义

近几年来，单片机已逐步深入应用到工农业生产各部门及人们生活的各个方面。

各种类型的单片机也根据社会的需求而开发出来。

单片机是器件级计算机系统，实际上它是一个微控制器或微处理器。

由于它功能齐全，体积小，成本低，因此它可以应用到所有电子系统中。

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C51是它的一种精简版本。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[1]。

此外在一些负载电流较大的电路中，若由于负载内部产生局部短路或其他原因造成负载电流超过最大允许电流（过流）时，若不及时断开负载电源，往往容易造成负载过热烧毁或电源过载使整个电路系统不能正常工作或电源受损[2]。

采用完善的过流保护电路可在一旦出现过流时，瞬间断开过流负载的电源，这可减小电路损坏的程度、减小损失。

1.2研究现状

1.2.1不间断电源的研究现状

不间断电源（或称UPS，即UninterruptiblePowerSupply）是在电网异常的情况下不间断的为电器负载设备提供后备交流电源，维持电器正常运作的设备。

通常情况下不间断电源被用于维持计算机（尤其是服务器）或交换机等关键性商用设备或精密仪器的不间断运行，防止计算机数据丢失，电话通信网络中断或仪器失去控制。

1.飞轮式不间断电源

在使用电池的时代之前，不间断电源曾经使用飞轮和内燃机为负载提供电能供应，这种不间断电源被称为飞轮式或旋转式不间断电源。

飞轮式不间断电源由整流器、直流电动机、飞轮、柴油机（或汽油机）及发电机等组成。

在电网供电的情况下，由整流器提供的直流电驱动电动机带动飞轮旋转，并且带发电机为负载供电。

由于飞轮的惯性作用，发电机转速可以保持均衡，此时不间断电源起过滤电网干扰的作用。

当电网断电后，飞轮继续带动发电机的转子旋转，同时启动柴油机带动发电机发电，替代原有电网为负载供电。

由于飞轮式不间断电源使用内燃机提供电力，会产生较大的噪音同时体积也较大，因此目前一般仅被用于应急情况和一些自然状况恶劣的场合，通常情况下不间断电源会使用蓄电池来提供电力

2、蓄电池式不间断电源

自二十世纪六十年代美国通用电气公司研究生产不间断电源以来，不间断电源一直在被改进，但是其基本原理没有重大变化。

现代的不间断电源由电池组、逆变器和控制电路组成，一端连接电网另一端连接电器负载。

在电网电压正常的情况下，不间断电源利用电网电源为自身充电，在电网出现异常的时候，不间断电源将存储于电池中的电能释放，供负载使用。

它按工作方式通常分为在线式和后备式（亦称为离线式）两种；

按输出波形可分为正弦型、近似正弦型（用阶梯方波来拟合正弦波）等[5]。

1.2.2电流检测的研究现状

传感器产业分类众多，其中霍尔传感器市场是第三大的传感器产品市场。

在汽车业、电脑、手机以及新兴消费电子领域都得到了广泛应用。

未来几年，随着越来越多的汽车电子和工业设计企业转移到中国，霍尔传感器在中国市场的年销售额将保持20%到30%的高速增长。

与此同时，霍尔传感器的相关技术仍在不断完善中，可编程霍尔传感器、智能化霍尔传感器以及微型霍尔传感器将有更好的市场前景。

在我们的日常生活中，霍尔传感器被广泛应用。

例如，在翻盖或是滑盖的手机中，用来检测手机盖翻开或是滑动的器件就是霍尔传感器；

再比如，在电脑键盘上，实现光标移动的滚动键就是由霍尔传感器组成的；

还有，在汽车变速箱、电动门窗等需要电机的部件中也有霍尔传感器应用。

可以说，我们在每天的生活中都在与霍尔传感器打交道[3]。

“由于需要采用霍尔传感器的应用领域，如汽车、电机、手机和电脑都已经采用了该器件，而且这些市场在未来几年的增长较为稳定，而其他一些新的应用市场又不足以与上述几个市场相比，因此霍尔传感器在全球总的市场容量是较为稳定的，每年的增长率保持在5%到10%之间。

”霍尔传感器应用的领域不同，因此各个市场对它的要求也不尽相同[4]。

手机市场对霍尔传感器的主要要求包括尺寸、功耗和可调节的阈值。

在工业和汽车应用方面，霍尔传感器首先要满足工业或汽车认证对器件的要求，例如安全性、稳定性和温度范围要达到相应的级别。

1.2.3过流保护的发展现状

电力系统在运行时常常因为系统中的过电流保护发生误动作而造成事故，给经济带来巨大的损失。

该文针对过电流保护误动作及各种情况提出了应采取的措施，并提出了过电流保护改进的方向。

　我国正处在经济发展的重要时期，各行各业对电力的需求日益增加。

因此，预防用电事故就成为迫切需要解决的问题。

电力系统在运行中，可能发生各种故障和不正常运行状态，最常见的也是最危险的故障是发生各种形式的短路，在发生短路时流过故障点的短路电流很大，有可能破坏系统并列运行的稳定性，因此需要在系统中配置过电流保护。

然而，在某些情况下，即使采用的过电流保护装置的动作值和时间匹配得很合理，但由于与系统中其他的保护不能很好地配合而导致其误动作，造成整个系统故障。

因此随着电网结构的日趋紧密，过电流保护能否正确动作，对电力系统安全、稳定运行非常重要。

第2章不间断电源简介

2.1设备简介

不间断电源（或称UPS，即UninterruptiblePowerSupply）是在电网异常（如停电、欠压、干扰或浪涌“也称：

涌浪电流”）的情况下不间断的为电器负载设备提供后备交流电源，维持电器正常运作的设备。

UPS是针对中国电网环境和网络监控及网络系统、医疗系统等对电源的可靠性要求，克服中、大型计算机网络系统集中供电所造成的供电电网环境日益恶劣的问题，以全新的数字技术研制出的第三代工频纯在线式智能型UPS。

直流电源，是维持电路中形成稳恒电流的装置。

如干电池、蓄电池、直流发电机等。

UPS和直流电源是企业重要的供电保障设备，传统的维护管理包括：

①日常巡检外观，定期更换电池、滤波电容、风机等易损件，大修时做电池活化等；

②改造或采用换代设备，使用高级工具测试电池性能。

这种管理方式企业投入成本高，维护人员工作量大，不易实时掌握设备运行状态和关键数据，设备事故预防能力低。

实施在线维护管理可避免传统方式的不足之处，获得良好效益。

UPS电源系统由五部分组成：

主路、旁路、电池等电源输入电路，进行AC/DC变换的整流器（REC），进行DC/AC变换的逆变器（INV），逆变和旁路输出切换电路以及蓄能电池。

其系统的稳压功能通常是由整流器完成的，整流器件采用可控硅或高频开关整流器，本身具有可根据外电的变化控制输出幅度的功能，从而当外电发生变化时（该变化应满足系统要求），输出幅度基本不变的整流电压。

净化功能由储能电池来完成，由于整流器对瞬时脉冲干扰不能消除，整流后的电压仍存在干扰脉冲。

储能电池除可存储直流直能的功能外，对整流器来说就像接了一只大容器电容器，其等效电容量的大小，与储能电池容量大小成正比。

由于电容两端的电压是不能突变的，即利用了电容器对脉冲的平滑特性消除了脉冲干扰，起到了净化功能，也称对干扰的屏蔽。

频率的稳定则由变换器来完成，频率稳定度取决于变换器的振荡频率的稳定程度。

为方便UPS电源系统的日常操作与维护，设计了系统工作开关，主机自检故障后的自动旁路开关，检修旁路开关等开关控制。

2.2设备工作过程

当市电正常380Vac时，直流主回路有直流电压，供给DC-AC交流逆变器，输出稳定的220V或380Vac交流电压，同时市电经整流后对电池充电。

当任何时候市电欠压或突然掉电，则由电池组通过隔离二极管开关向直流回路馈送电能。

从电网供电到电池供电没有切换时间。

当电池能量即将耗尽时，不间断电源发出声光报警，并在电池放电下限点停止逆变器工作，长鸣告警。

不间断电源还有过载保护功能，当发生超载（150%负载）时，跳到旁路状态，并在负载正常时自动返回。

当发生严重超载（超过200%额定负载）时，不间断电源立即停止逆变器输出并跳到旁路状态，此时前面输入空气开关也可能跳闸。

消除故障后，只要合上开关，重新开机即开始恢复工作。

2.3设备异常情况

使用不间断电源是为了应对电网可能出现的以下情况：

（1）停电（电网停止工作，无电压输出）

（2）压降（亦称下陷，电网电压低于标称电压15%-20%，时间可能持续数秒）

（3）电涌（亦称浪涌、突波，电网电压瞬间高于标称电压10%以上，时间持续数秒）

（4）持续欠压

（5）持续过压

（6）线噪（因线路屏蔽差而引入的射频或电磁干扰）

（7）频率漂移（发电机不稳定造成的电网频率偏差）

（8）开关瞬态（亦称暂态，由电气设备开关或放电造成的电压偏差，有时可高达20000伏，但是持续时间极短，仅数纳秒）

（9）谐波（电网中由非线性特性的电气设备产生的对交流电正弦波形的干扰）

2.4不间断电源发展特点

（1）高效率、高可靠性

UPS由于IT设备不断增多、用电量加剧、机房面积紧张、低耗节能需求等客观因素的存在，高效率、高可靠性的UPS技术倍受关注。

为提高UPS运行效率，高性能电力电子器件不断被研发成功并投入实际应用，如IGBT、MOSFET、GTR、智能功率模块IPM、MOS控制晶闸管MCT等，变流技术也需要随着电力电子器件而更新。

此外，业界正逐步推广UPS内部多模块冗余并联运行、甚至多台UPS组成的系统冗余运行技术，在并联运行中，当单一模块或单机发生故障时，其功能则自动转由冗余单元承担，大大提高了UPS供电系统的可靠性。

（2）大功率化、模块化

由于IT行业迅猛发展，数据中心的数据量也在以爆炸式的速度持续增长，随之而来功率消耗增大。

UPS一方面朝着更大功率的方向发展，另一方面为应对不间断电源容量分期扩充的需求，产品模块化已是不可阻挡的趋势。

更个性化的用户需求、更庞大的数据中心规模及更高的维护成本使得UPS已不再是单纯的不间断供电设备，针对不同行业领域的全套电源供应与管理解决方案才将倍受市场青睐。

行业内针对模块化UPS解决方案基本形成了两个方向：

一是单机冗余化，即通过多模块冗余并联构成大功率单相或者三相UPS，其可用性指标得到了质的飞跃；

二是全模块化结构，即一个模块是一台完整的UPS，通过冗余并联直接构成中等功率UPS，在兼顾可用性指标的同时还具有良好的性价比。

（3）高频化

相比传统的工频UPS，高频UPS采用功率因数校正和高频软开关技术，省去了工频电能转换环节，因此运行效率更高、对电网的谐波污染及无功消耗极小，完全能够满足国内外相关电力行业的标准要求。

此外，高频电能变换装置在减小磁性部件体积和重量、降低制造成本、遏制运行噪音、节能环保等方面效果显著，因此越来越受到用户认可。

（4）数字化、智能化、网络化

数字化技术的优势在当今信息社会中愈加明显。

在UPS产品的研发和制造过程中采用全数字化技术可有效缩小产品体积、降低生产成本、提高产品的可靠性及针对用户需求的匹配性；

而数字化控制技术则会在UPS系统运行过程中准确及时地进行信号采样、处理、控制（包括电压电流环等）、通信等工作，并将各环节的控制参数优化统一后发送给UPS综合控制单元，从而使UPS系统的运行更具效率，实现更简单、更稳定的通信与均流，并获取优良的电磁兼容指标。

智能化主要贯穿于UPS系统的控制、检测与通信过程中，完全由计算机管理。

计算机及其外设能自主应付一些可预见的问题，进行自动处理和调整，发出预警、告警信息等。

通信设施所处环境日趋复杂，增大了维护难度，对电源设备的网络化监控管理提出了新的要求。

网络化技术可通过对UPS配置与计算机互连的软硬件接口，实现计算机网络系统及数据资料的双重保护、网络远程事件记录和监测控制、故障告警、参数自动测试分析等功能，使维护人员更为轻松、安全、高效地通过互联网进行数据查询、控制等维护工作。

（5）绿色、节能、环保

在世界能源格局变化加剧，国际油价剧烈震荡，全球能源供应紧张的形势下，节能环保已成为UPS厂商进行产品技术创新的指导原则。

对UPS而言，输入功率因数的高低表明其吸收电网有功功率的能力及对电网影响的程度。

降低电源的输入谐波，不但能改善UPS对电网的负载特性，减少给电网带来的严重污染，也能降低对其他网络设备的谐波干扰。

已有许多UPS厂商推出的产品功率因数接近1，可最大限度地减少无功功率的消耗。

2.5设备分类与应用

UPS按工作原理分成后备式、在线式与在线互动式三大类。

其中，最常用的是后备式UPS，它具备了自动稳压、断电保护等UPS最基础也最重要的功能，虽然一般有10ms左右的转换时间，但由于结构简单而具有价格便宜，可靠性高等优点，因此广泛应用于微机、外设、POS机等领域。

后备式UPS电源又分为后备式正弦波输出UPS电源和后备式方波输出UPS电源。

后备式正弦波输出UPS电源：

单机输出可做到0.25KW~2KW，当市电在170V~264V间变化时，向用户提供经调压器处理的市电；

当市电超出170V~264V范围时，才由UPS提供高质量的正弦波电源。

后备式方波输出UPS电源：

与后备式正弦波输出UPS电源不同的只是为用户提供50Hz方波电源。

在线式UPS结构较复杂，但性能完善，能解决所有电源问题，如四通PS系列，其显著特点是能够持续零中断地输出纯净正弦波交流电，能够解决尖峰、浪涌、频率漂移等全部的电源问题；

由于需要较大的投资，通常应用在关键设备与网络中心等对电力要求苛刻的环境中。

在线互动式UPS，同后备式相比较，在线互动式具有滤波功能，抗市电干扰能力很强，转换时间小于4ms，逆变输出为模拟正弦波，所以能配备服务器、路由器等网络设备，或者用在电力环境较恶劣的地区。

不间断电源现已广泛应用于：

矿山、航天、工业、通讯、国防、医院、计算机业务终端、网络服务器、网络设备、数据存储设备、UPS不间断电源、应急照明系统、铁路、航运、交通、电厂、变电站、核电站、消防安全报警系统、无线通讯系统、程控交换机、移动通讯、太阳能储存能量转换设备、控制设备及其紧急保护系统、个人计算机等领域。

第3章电流检测系统硬件设计

3.1单片机原理简介

单片机是指集成在一个芯片上的微型计算机，也就是把组成微型计算机的各种功能部件，包括CPU（CentralProcessingUnit）、随机存储器RAM（RandomAccessMemory）、只读存储器ROM（Read-onlyMemory）、基本输入/输出（Input/Output）接口电路。

定时器/计数器等部件都制作在一块集成芯片上，构成一个完整的微型计算机从而实现微型计算机的基本功能[6]。

3.1.1AT8