基于单片机的智能低压电动机综合保护器的研究硬件设计学位论文文档格式.docx

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院长（签字）：

摘要

电动机因具有结构简单、价格低廉、使用维护方便等优点，在国民经济各方面被广泛采用。

然而，由于供电状态和机械负荷的多变性，使得电动机的故障率较高，不仅会损坏电动机本身，而且会影响整个生产，造成较大的经济损失。

因此，电动机的安全运行对保证厂矿企业的正常生产是非常重要的。

本文首先分析了异步电动机的常见故障，以交流采样的方法进行数据采集为依据，采用检测三相电压、三相电流、零序电流的方法，得出了电动机故障的准确判据，确定了各种故障的保护措施，对电动机实现了短路、欠压、断相、漏电、过载等保护功能。

本文以8位单片机AT89C52做微处理器，AT89C52单片机内置256字的RAM和8K字的ROM，可以进行外部扩展数据存储器和程序存储器，具有性能较好的I/O、运算等功能，有合适的指令系统，能够实现电机智能保护，电路简单，功能齐全。

为了实现电机分布检测和控制的要求，控制系统具有便于集中管理和信息共享的特点。

关键词：

电动机；

智能保护；

单片机AT89C52；

故障保护

Abstract

Becausetheelectricmotorhasthestructuresimply,thepriceinexpensive,meritsandsoonusemaintenanceconvenience,iswidelyusedinthenationaleconomyvariousaspects.However,asaresultofthepowersupplyconditionandthemachineryloadpolytropy,causeselectricmotorthefailureratetobehigh,notonlycandamageelectricmotoritself,moreovercanaffecttheentireproduction,createsthebigeconomicloss.Therefore,theelectricmotorsafeoperationtoguaranteedthefactoryandminingenterprisetheregularproductionisextremelyimportant.

Thisarticlehasfirstanalyzedtheasynchronousmotorcommonbreakdown,takeexchangesthesamplingmethodtocarryonthedataacquisitionasthebasis,usestheexaminationthree-phasevoltage,thethree-phasecurrent,thezeroforewordelectriccurrentmethod,hasobtainedtheelectricmotorbreakdownaccuratecriterion,haddeterminedeachkindofbreakdownprotectivemeasures,realizedtheshortcircuittotheelectricmotor,haveowedpress,break,protectionfunctionsandsoontheleakage,overload.

Thisarticlemakesthemicroprocessorby8monolithicintegratedcircuitAT89C52,inat89C52monolithicintegratedcircuitsetsat256characterRAMand8KcharacterROM,maycarryonexteriorexpansiondata-carrierstorageandtheprogrammemory,hasfunctionsandsoonperformancegoodI/O,operation,hastheappropriatecommandsystem,canrealizetheelectricalmachineryintelligenceprotection,theelectriccircuitissimple,thefunctioniscomplete.Inordertorealizetherequestwhichtheelectricalmachinerydistributionexaminesandcontrols,thecontrolsystemhasisadvantageousforthecentralizedmanagementandtheinformationsharingcharacteristic.

Keywords:

Electricmotor;

intelligentprotection;

monolithicintegratedcircuitAT89C52;

failsafe

摘要I

AbstractII

1绪论

1.1研究目的1

1.2国内外研究现状1

1.3本文主要研究内容2

2总体方案设计3

2.1基本原理3

2.2原理框图3

3AT89C52单片机介绍4

3.1芯片简介4

3.2引脚介绍4

3.3存储区结构6

4模块电路设计7

4.1数据采集模块7

4.1.1数据采集所用器件7

4.1.2信号采样保持电路7

4.1.3采样模块原理8

4.2多路转换模块8

4.2.1AD7501芯片介绍8

4.2.2转换模块工作原理8

4.3A/D转换模块8

4.3.1A/D574芯片介绍8

4.3.2A/D574工作原理9

4.4存储器扩展模块626410

4.5LED显示驱动模块11

5综合保护器软件设计11

5.1软件编程思想11

5.2软件总体设计11

5.3各模块软件具体流程图12

5.3.1主程序部分12

5.3.2数据采集部分15

5.3.3电压、电流显示部分17

5.3.4故障类型、时间显示部分17

结论20

致谢21

参考文献22

附录123

附录244

1绪论

1.1研究目的

电动机保护器（电机保护器）是发电、供电、用电系统的重要器件。

是跨行业、量大面广、节能效果显著的节能机电产品。

几乎渗透到所有用电领域；

是工业、农业和国防建设及人民生活正常生产和安全工作的重要保证，在国民经济和节能事业中有着不可替代的重要地位和作用。

电气、机械、冶金、建筑、煤炭、石油、化工、汽车、飞机以及造船工业等都离不开电机。

据不完全统计，全国使用的中型电机大约有2000万台，每年烧毁的电机约占16%，约320万台，平均每台的维修费用1000元，总费用为32亿元左右。

另外，由于电机的故障、损坏所造成的其它事故以及导致工厂停产所造成的间接经济损失则更为巨大。

造成这种现象的原因是多方面的，除了管理措施不完善等因素外，关键的问题是在目前各种电机保护装置中，普遍存在着要么智能化程度高而价格过高、体积较大不便在有限制的控制装置中安装，推广难度大；

要么价格低而智能化程度低，对故障的判断由于缺少智能分析而影响使用效果，目前广泛使用不带CPU的集成电路制作的电机故障检测仪，虽然可判断电流超限、缺相等故障，但无智能判断，只能简单地以电流超限为判据，而实际使电机发生故障是电流的时间和环境温度的函数，同时也不能对故障情况存储记录和数据显示，另外，仪器没有适时运行参数显示功能，设定的参数与实际运行的参数无法对照，不能根据实际负荷情况设定电流，因此使用时既不准确可靠、又不直观方便，很不利于故障的排除，导致现场经常放弃使用这类保护。

为避免影响生产，开发一种性能稳定、保护种类齐全、动作速度快、灵敏度高、可靠性好的智能监测电机保护仪显然十分必要。

1.2国内外研究现状

世界上第一台电子式电机保护器诞生在韩国的三和公司，EOCR-SS的电子式电动机保护器对我国的保护器行业发展起到了巨大的推动作用。

已由晶体管发展到集成电路至今已发展到微处理芯片厚模电路，从功能上一般分为断相保护、综合保护（多功能保护）、温度保护和智能保护。

此类保护器具有节能、动作灵敏、精确度高、耐冲击振动，重复性好、保护功能齐全、功耗小等优点。

随着我国用户对保护器的了解逐步加深，目前我们国内也有很多厂家生产出了与世界先进水平接近的产品，我们这些厂家还需要在产品的性能稳定、抗干扰等方面尽快缩短与世界先进水平的距离，我们有信心相信在中国的市场上会涌现出越来越多的性能优异的电机保护器产品。

1.3本文主要研究内容

本论文针对低压电动机容易出现的故障，以交流采样的方法进行数据采集为依据，采用检测三相电压、三相电流、零序电流的方法，得出了电动机故障的准确判据，确定了各种故障的保护措施，对电动机实现了短路、欠压、断相、漏电、过载等保护功能。

在实现自动化的过程中，最关键的环节是数据采集。

交流采样是将二次测得的电压、电流经高精度的CT、PT变成计算机可测量的交流小信号，然后再送入计算机进行处理。

由于这种方法能够对被测量的瞬时值进行采样，因而实时性好，相位失真小。

它用软件代替硬件的功能又使硬件的投资大大减小。

2总体方案设计

2.1基本原理

通过电流互感器，电压互感器和零序电流互感器得到得到每相电路的的电流电压信号，再通过电压变换器和电流变换器将所得信号转换成5V的电压信号。

经过二阶RC滤波电路后，模拟信号通过采样保持器，多路转换开关，A/D转换器变成数字信号被单片机所接收。

单片机通过参数判断，若有故障则发出信号使继电器动作，断开电路保护电机，同时显示故障的类型和发生时间；

若没有故障电机继续工作。

2.2原理框图

图2-1硬件原理框图

3AT89C52单片机介绍

3.1芯片简介

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可提供许多较复杂系统控制应用场合。

AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

3.2引脚介绍

89C52引脚图如下：

⑴P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对断口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端使用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组端口线分时转换地址和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

⑵P1口：

P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

⑶P2口：

P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。

⑷P3口：

P3口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。

此外，P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

⑸RST：

复位输入，当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

⑹ALE/PROG：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输入脉冲或用于锁存地址的低8位字节。

一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效

⑺PSEN：

程序存储允许PSEN输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。

在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

⑻EA/VPP：

外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

⑼XTAL1:

振荡器反相放大器的内部时钟发生器的输入端。

⑽XTAL2:

振荡器反相放大器的输出端。

3.3存储区结构

⑴程序存储器

一个微机系统之所以能够按照—定的次序进行工作，主要在于内部存在着程序，程序实际上是由用户程序形成的一串二进制码，该二进制码存放在程序存储器之中，8952有8K内部ROM用来存放程序

⑵内部数据存储器

8952内部有256个字节的随机存取存储器RAM，作为用户的数据寄存器，它能满足大多数控制型应用场合的需要，用作处理问题的数据缓冲器。

⑶特殊功能寄存器（SFR——SpecialFunctionRegister）

特殊功能寄存器反映了8952的状态，实际上是8952的状态字及控制字寄存器。

SFR综合的、实际的反映了整个单片机基本系统内部的工作状态及工作方式。

⑷位地址空间

8952的一个很大优点在于它具有一个功能很强的位处理机。

在8952（兼容MCS—51）的指令系统中，有一个位处理指令的子集，使用这些指令，所处理的数据仅为一位二进制数（0或1）。

在8952单片机内共有211个可寻址位，它们存在于内部RAM（128个）和特殊功能寄存器区（83个）中。

⑸外部数据寄存器

8952应用系统往往是一个扩展系统。

当片内RAM不够用时，可在片外部扩充数据存储器。

8952给用户提供了可寻址2*64K字节的外部扩充RAM的能力，至于扩多少RAM，则根据实际需要来定。

⑹中断寄存器

AT89C52有6个中断源，2个中断优先级，IE寄存器控制各中断位，IP寄存器中6个中断源的每一个可定为2个优先级。

4模块电路设计

4.1数据采集模块

4.1.1数据采集所用器件

⑴电压互感器

本设计选用JDG1-0.5380/100电压互感器。

额定输入电压为500V，可输入380V电压输出100V。

⑵电流互感器LMZJ1-0.51500/5电流互感器

本设计选用LMZJ1-0.5电流互感器。

工作额定电压为500V，额定电流比为20Ａ/5Ａ。

电流互感器二次侧是不允许开路的

⑶零序电流互感器

零序电流互感器型号为CT（Z）-FL-150

本设计选用一次侧电流为10MA~100A，二次

TH44交流电压信号隔离变换器/变送器

TH44交流电压信号隔离变换器/变送器，用来测量工频交流电压量，输出隔离的标准模拟量信号。

最小测量范围工频0~20mV，最大测量范围为侧电流为0.025~30MA

⑷电压变换器工频0~450V。

本设计选用输入电压为0~270V，输出为0~5V

⑸电流变换器

本设计选用武汉格蓝若光电互感器有限公司的电流变换器。

⑹RC二阶滤波电路

⑺采样保持器LF398

4.1.2信号采样保持电路

采用保持器LF398对电压信号进行采样/保持。

在单片机P2.5口的控制下，高电平，采样；

低电平，保持。

芯片特点：

LF398是一种高性能单片采样/保持器。

它具有很高的直流精度、很快的采样时间和低的下降速度。

器件的动态性能和保持性能可通过合适的外接保持电容达到最佳。

例如选择1000PF的保持电容，具有6us的采样时间，可达到12bit的精度。

LF398的价格低廉。

电源电压可从±

5～±

18V任意选择，其性能几乎无影响。

采样/保持的逻辑控制可与TTL或CMOS电平接口。

它可广泛地应用于高速A/D转换系统、数据采集系统和要求同步采样的领域。

该器件外形采用8脚DIP封装结构。

4.1.3采样模块原理

通过电压互感器，电流互感器，变换器，滤波电路得到的电压信号由采样保持器LF398的引脚3输入。

引脚8是逻辑输入端，它与单片机的P1.3脚连接。

由单片机输出高低电平控制采样保持器采样或保持（高电平采样，低电平保持）。

通过调节保持电容CH来改变采样频率，CH减小可以提高采样频率，相反，适当增大也可以降低采样频率。

4.2多路转换模块

在切换速度要求高、路数多的情况下,宜选用多路模拟开关。

考虑到其后级A／D转换的速度，又由于本设计共有7个采样信号，所以选用8路的转换器AD7501.,它的速度略大于AD转换器的速度。

4.2.1AD7501原理介绍

AD7501型多路模拟开关集成芯片，这是具有8路输入通道、1路公共输出的多路开关CMOS集成芯片。

由三个地址线（A0、A1、A2）的状态及EN端来选择8个通道之中的一路，片上所有的逻辑输入端与TTL/DTL及CMOS电路兼容。

4.2.2转换模块工作原理

由7路采样保持器LF398的引脚5输出的采样值分别与多路转换开关AD7501的S1~S7引脚相接。

AD7501的EN脚与单片机的P1.4相接，当EN被置1时，多路转换开关开始工作。

它的A0，A1，A2引脚分别与单片机的P1.0，P1.1，P1.2引脚相接，有单片机发出信号指示多路转换开关选通哪个通道。

4.3A/D转换模块

采样得到的信号都是模拟信号，不能被单片机识别，所以采用AD转换器将模拟信号转换成数字信号。

考虑到分辨率和转换精度此次设计采用12位的转换器AD574.

4.3.1A/D574芯片介绍

AD574是一个完整的12位逐次逼近式带三态缓冲器的A/D转换器，它可以直接与8位或16位微型机总线进行接口。

AD574有6个等级，其中AD574AJ、AD574AK和AD574AL适合在0~+70℃温度范围内工作,AD574AS、AD574AT和AD574AV适合在-55～+125℃温度范围内工作。

AD574各主要管脚的功能如下：

DB0～DB11——12位数据输出，分三组，均带三态输出缓冲器。

ULOGIC——逻辑电源+5V（+4.5~+5.5V）。

UCC——正电源+15V（+13.5～+16.5V）。

UEE——负电源-15V（-13.5～-16.5V）。

AGND、DGND——模拟和数字地。

STS——转换状态信号。

转换开始STS＝1,转换结束STS＝0。

10VIN——模拟信号输入。

单极性0～10V，双极性±

5V。

20VIN——模拟信号输入。

单极性0～20V，双极性±

10V。

REFIN——参考电压输入。

REFOUT——参考电压输出。

BIPOFF——双极性偏置。

CS：

片选信号，低电平有效。

CE：

芯片允许信号，高电平有效。

只有CS和CE同时有效，AD574A才能工作。

R／C：

读出或转换控制信号，用于控制ADC574A是转换还是读出。

当为低电平时，启动A／D转换；

当为高电平时，将转换结果读出。

12／8：

数据输出方式控制信号。

当为高电平时，输出数据为12位；

当为低电平时，数据是作为两个8位字输出。

A0：

转换位数控制信号。

当为高电平是，进行8位转换，为低电平进行12位转换。

4.3.2A/D574工作原理

逻辑控制信号由A1、A7和A0和单片机的数据口P0发出，并由三态锁存器74LS373锁存到输出端Q0、Q1和Q7上，用于控制AD574A的工作过程。

AD转换器的数据输出也通过P0数据总线连至89C52，由于我们只使用8位数据口，但是AD574A输出12位数据，故单片机应分两次读取转换结果数据，先读高8位数据，再读低4位数据。

由A=0或A=1分别控制高，低位数据的读取。

8，12位数据分两次读进89C52，所以12/8非接地。

单片机可以采用中断或查询方式来读取AD574A的转换结果数据。

采用查询方式时，应将转换结束状态线STS与单片机的某一I/O口线相连。

本设计中STS与单片机的P1.6口相连。

当单片机89C52执行对外部数据存储器的写指令时，使CE=1，CS=1，R/C非=0，A0=0，从而启动装换。

然后89C52通过P1.6口线不断查询STS的状态。

当STS等于0时，表示A/D转换结束，89C52执行两次读取外部存储器的操作，读取12位转换结果。

当CE=1，CS=1，R/C非=1，A0=0时读取转换结果的高8位;

当CE=1，CS=1，R/C非=1，A0=1时，读取转换结果的低4位。

这里不管AD574A是处在启动、转换和输出结果，使能端CE都必须为1，因此将8051的写控制线和读控制线通过与非门74LS00与AD574A的使能端CE相连。

4.4存储器扩展模块6264

⑴Intelsram6264是8K×

8位的静态随机存储器芯片,采用CMOS工艺制造,单一+5V供电,额定功耗200mW,典型存取时间20