51单片机智能低压断路器研究毕业论文.docx
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51单片机智能低压断路器研究毕业论文
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：
指导教师:
1绪论1
1.1智能型低压断路器的研究意义1
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
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。
1—铀头
2—搭钩
3、5*弹簧
8.9一衔铁
10-S?
金属片
门一过疣脱扣銭圈
12—加热电阻丝
13—失压脱扣线圈
14一按钮
15—分励线圈
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、LEDS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P（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AT89C5仲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。
自生电源
夕除电源
港晶显示
信号处理
电
信号检测
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—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：
与MCS-51单片机兼容
8位CPU
4K字节可编程FLASH存储器
频率范围支持0Hz-24MHz实际使用12MHz
32可编程I/O接口线，满足使用
三级程序锁定存储器
两个16位定时器/计数器
串行通道RXD和TXD可编程
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AD736AD736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土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0〜460kHz），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CO研一0.1卩F的电容、4引脚-Vs与低之间并一只0.1卩F的电容、4引脚与5引脚并一只33卩F的电容、3引脚与6引脚并一只10卩F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
322A/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ADC0808E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勺简化版，功能相似，有如下特性：
8位分辨率，8通道
总的不可调误差：
ADC0808为土21LSB,ADC080为土1LSB
转换时间：
时钟为500kHz时为128us，时钟为640KHz时为100us
电源输入：
+5V
模拟电压输入：
0〜5V
具有三态可控输出的缓存器
在实际使用中，ADC080取法如下图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;ADDAADDBADDC
引脚是模拟通道选择地址信号引脚，ADD/为低位，ADDC为高位，由于只用了两路，所以ADDB^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；&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勺转换控制引脚；ADC0808S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。
模拟＜输入
3.3单片机输入输出模块
3.3.1LCD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。
单片机10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
3.3.2断路器通短控制
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，并以三极管控制线圈电路通断。
单片机通过该驱动电路控制继电器。
单片机的P2.6口输出断路器的通段控制信号，由于为了仿真更为直观，直接在P2.6口上接了一个非门带一个发光二极管，通过二极管的亮灭表示断路器的断通。
3.3.3按键中断输入
中断0即P3.2口接按键一端，按键另一端接地，通过按键输入低电平信号，实现中断信号的输入。
通过该按键可手动控制断路器的通断。
3.4故障保护
出于安全性的考虑，本设计设置了过电流保护，过电压保护和欠电压保护。
3.4.1过电流保护
对于用电设备来说无论什么形式的过电流都是非常危险的，因此本设计的断路器采
用智能化保护具有反限时特性，其保护特性曲线如图3-6所示。
图3-6低压断路器的保护特性曲线
本设计设定的最大安全工作电流为5A。
根据公式
I-kI
oprelpk
瞬时过流断路器动作时间为0.02s时，可靠系数取1.35，对应电流为大于6.75A；短延时过流断路器动作时间采用0.2s，可靠系数取1.2，对应电流为大于6A；长延时过
流主要用于负荷保护，动作特性是反延时的，动作时间一般在1h左右，为了仿真直观
取为5s到10s,可靠系数取1.1，对应电流为大于5.5A。
342电压保护
为了用电设备安全可靠运行，对安全电压进行了设置，低于200V为欠电压，高于
240V为过电压，动作时间为0.02s。
由于电压可以持续监控，所以电压低于或高于设定值时，会切断电路，当电压恢复正常范围时，电路会接通，能够继续正常运行，体现出智能化的特点。
3.5电源设计
采用双电源供电方式，只要其中任何一路电源正常工作，即可可靠给智能脱扣器供电。
一路电源为自生电源，用速饱和铁芯电流互感器从主电路感应获得电源。
但是，该电源在主电路电流较小时不能工作。
另一路电源为辅助电源，由外部提供，它不仅在主电源不能工作时提供电源，还可在断路器断开（主电路停电）的情况下，使智能脱扣器继续工作，如参数整定、状态显示、通信。
电路需用到正负5V电源，因此自生电源采用7805和7905芯片产生稳定的+5V和-5V电源以供使用，电源电路设计如下图3-7所示。
图3-7正负5V电源
3.6串口通信
本设计使用的单片机只需要与上位机点对点通讯，所以采用RS-485接口，两线制
半双工网络，单片机接RXD与TXD口与上位机通讯。
单片机与PC机之间的串通信接口电路如图3-8所示，由于无法直接通讯，采用
RS-485/RS-232转换电路。
该电路使用CD4019四与或选译门转换信号，连接MAX23与MAX48接口芯片。
ORTCE
图3-8RS-485/RS-232转换电路
4智能型低压断路器的软件设计
一个控制系统中硬件和软件是必不可缺的两部分，硬件是基础，软件是灵魂，在许多情况下二者的某些功能可以相互替代、相互转化、相互实现。
例如就在本例中对信号处理模块的设计方案就体现了这一特点，既可以使用真有效值行片对信号进行硬件处理，也可以借用单片机用快速傅里叶算法对信号进行软件处理。
在实际应用中，满足精确度、安全性等要求的前提下，应尽量增加软件部分的分量，减少硬件的数量，在本例中已尽量满足这一要求。
软件设计有迹可循这里主要对其进行数据设计，即程序设计，其主要内容包括拟定总体的解决方案、绘制程序流程图、编写程序以及测试修改。
在有关单片机的程序设计中一般均采用模块化的程序设计，要实现某项功能单独写成一个模块。
编写主程序时，使用哪个模块便调用哪个模块，使得整个程序清晰明朗，便于修改和阅读。
4.1软件总体设计方案
由于智能型低压断路器实现的功能较多、所以C语言程序采用模块化设计，包括如下程序：
初始化子程序、1ms延时子程序、LCD驱动子程序、A/D转换驱动子程序、LCD显示子程序、故障判断子程序、多个中断子程序和主程序组成。
而其中的主程序自上而下运行，在完成初始化后进入循环，显示电压及故障检测，等待中断产生。
为了直观展示，程序执行的大概步骤做成了流程图如图4-1所示。
4.2初始化程序
初始化是对程序运行用到的寄存器初始状态进行设定，许多值并不需要一一设定，
单片机可以自动运行设置，这里是对一些必要的值进行初始化。
4.2.1定时器TO初值的计算与设定
在本设计中A/D转换芯片ADC0808K要用到500KHZ时钟脉冲，因此采用定时器来输出500KHZ方波。
实现该功能只需每1us取反一次即可，当系统的时钟频率为12MHz时，使用定时器T0处于工作方式2，其最大定时时间为256us，此时的计数值为1，初值为256-仁255,在C语言的环境下，初始化如下：
中断处理
初始化
确定采样通道
Y
通道0
N
Y
通道1
N
读取转换数据
启动A/D转换
•启动A/D转换
电压显示
Y
N
Y
N
Y
N
N
电流显示
过压判断
欠压判断
过流判断
中断产生
图4-1控制流程图
TMOD=0x02;//设定TO工作于方式2
THO=Oxff;
TLO=Oxff;//赋予TO初值
IE=0x82;//IE是中断允许寄存器，值为1OOOOO1O表示允许TO溢出中断TRO=1;//开定时器TO
此外程序中的延迟未使用定时器，而是使用12MHz系统时钟制作的1ms延迟程序,
可能在精确度上不如定时器计数准确。
voiddelay（unsignedintms）//延时程序
{
unsignedinti;
while（ms--）for（i=0;i<120;i++）;
}
4.2.2串口初始化
单片机使用到串口时需要对串口进行初始化，通过初始化决定串口的波特率和串口
的工作方式，波特率的确定需要用到定时器T1,T1也需要类似于TO进行初始化。
在本设计串口初始化包括设定串口工作方式，定时器工作方式，设置波特率，开总中断开，开串口中断。
在程序中使用的寄存器包括TOMDTCOF和串口特殊功能寄存器
SCONPCON本设计中的串口工作方式为方式二，它的计算如下式：
SCON=Ox5O;
TMOD=Ox2O;/设置定时器1工作方式2
PCON=0x8O;/SMOD置1
波特率计算公式如下：
波特率=（2SMOD32）•（TI溢出率），TI溢出率=fosc/[12x（256—TH1）]
在本设计中晶振频率设置为12KHz波特率设计为1200bit/s，因此经过计算可以得出计数器初始值为OXcc。
初始化程序步骤如下所示：
1）设置串口特殊功能寄存器SCON勺控制字
2）设置控制方式，向TOM写入控制字
3）设置特殊功能寄存器PCONR高位SMO的值
4）向计数器中TH1和TL1中写入初值
5）打开定时器
6）打开总中断，开串口中断
*
r-^2gs+8T；
图4-2ADC0808工作时序
4.2.3ADC0808的初始化
当时钟周期为CLK=500kHZ时，转换时间为TCONV=128usA/D转换程序按照其工作
时序进行编写，其初始化一目了然，详细信息可以参考ADC0808勺数据手册，其具体的
工作时序如图4-2所示。
4.3A/D转换子程序
本设计用到两路转换，为了程序易于理解，通道0和通道1的转换程序分开处理,
主要思路如下：
adda=0;//ADDB和ADDCE接地，选择通道0
st=0;
st=1;
st=0;//st是start和ale引脚，读取通道地址锁存，启动转换
while（eoc==0）;//等待转换完毕的信号，eoc=1是转换完毕；
oe=1;//单片机开始读取数据
dy=ad0_7;//数据存入变量
oe=0;//单片机读取数据结束
这是单
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