变压器微机保护装置的设计原理.docx

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变压器微机保护装置的设计原理

变压器微机保护装置的设计原理

设计方案

根据方案所需要实现的功能，我们将系统构建成信号输入→信号处理→信号输出的模式，其系统框图下图所示。

右边边为信号输入输出部分，可分为几个小模块进行设计；中间是信号处理部分，为80C196kc最小系统；左边为数据采集系统，也可分为几个小模块进行设计。

图2-1保护系统框图

键盘输入和液晶显示模块又称为人机接口模块，主要负责参数的输入和状态的显示，这里采用的是小键盘输入和LCD1602液晶模块。

电流检测模块采用的是Maxim公司生产的Max471芯片，电压检测模块采用AD736，。

在电压、电流分别通过电压互感器和电流互感器后，再经过电流、电压监测模块，进行对数据的采集与转换；变压器的温度直接通过温度监测模块进行收集，接着把转换过的数据通入单片机中进行处理，最后报警并显示变压器当前的参数值并自动地控制、调整变压器的运行。

三、系统模块的设计

从总体上看，变压器智能保护系统可以分为以下模块：

CPU模块、电流信号监测处理模块、电压信号监测处理模块及（显示）输出模块、通信模块。

下面我们就一一进行较为详细的阐述。

1、CPU模块

在本设计中采用的微处理器（CPU）是AT89C51，它是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片含4kbytes可编程可电擦除的只读存储器（PEROM）和128bytes的随机存储器（RAM），片置通用8位中央处理器，和FLASH存储单元，功能强大，可供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

在本系统中，只需一片89C51并少许扩展外围信号调理电路，即可出色地实现本系统功能。

下图便是本设计所用到的单片机：

另外我们还采用了6N137光耦合器，以求对继电器信号进行采集。

这是一款用于单通道的高速光耦合器，其部有一个850nm波长AlGaAsLED和一个集成检测器组成，其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。

6N137光耦合器原理图：

图3-56N137广耦合原理图

在具体的设计电路中，本芯片由模拟电源提供3.3V电压，并且接地点与模拟地AGND相连，AGND与数字地DGND和通信地CGND等通过单点跟系统外壳（上图中用粗黑线画出的）共地，最后接入真正的。

采取模拟电压供电和单独接入模拟地AGND的原因是为了防止数字电路的信号噪声干扰模拟信号采集电路，导致对模拟信号的采在集出错。

其中MAX6674与数字系统的通信采用高速通信光耦隔离。

通过Protel绘制的温度信号处理电路如下图所示。

3、电压、电流信号处理模块

AD736采用双列直插式8脚封装，其管脚排列如图所示：

各管脚的功能如下：

+Vs：

正电源端，电压围为2.8～16.5V；

-Vs：

负电源端，电压围为-3.2～-16.5V；

Cc：

低阻抗输入端，用于外接低阻抗的输入电压（≤200mV），通常被测电压需经耦合电容Cc与此端相连，通常Cc的取值围为10～20μF.当此端作为输入端时，第2脚VIN应接到COM；

VIN：

高阻抗输入端，适合于接高阻抗输入电压，一般以分压器作为输入级，分压器的总输入电阻可选10MΩ，以减少对被测电压的分流。

该端有两种工作方式可选择：

第一种为输出AC+DC方式。

该方式将1脚（Cc）与8脚（COM）短接，其输出电压为效流真有效值与直流分量之和；第二种方式为AC方式。

该方式是将1脚经隔直电容Cc接至8脚，这种方式的输出电压为真有效值，它不包含直流分量。

COM：

公共端；

Vo：

输出端；

CF：

输出端滤波电容，一般取10μF；

CAV：

平均电容。

它是AD736的关键外围元件，用于进行平均值运算。

其大小将直接响应到有效值的测量精度，尤其在低频时更为重要。

多数情况下可选33μF.

接着，对于电流信号处理模块，我们采用Maxim公司生产的MAX471芯片，有一个电流输出端，可以用一个电阻来简单的实现以为参考点的电流转换，并可工作在较宽的电压围。

拥有完美的高端电流监测功能，部含有精密的部监测电阻，在工作围，精度为2%。

在测量电流时，也需要先将大电流转换为小电流，再通过电流监测转换模块。

5、键盘与显示

键盘模块：

当维修人员修复好烧坏的变压器线路时，按键以提示系统可以重新启动。

图3-12键盘模块电路图

显示模块：

在电力变压器智能保护装置中，我们采用LCD1602液晶显示模块，它具有微功耗，体积小，显示丰富，超薄轻巧的诸多有点，在各类仪表和低功耗系统中得到了广泛的应用。

此外，程序简单，如果用数码管动态显示，会占用很多时间来刷新显示，而这里用到的LCD1602能够自动完成此功能。

显示模块引脚图：

1602采用标准的16脚接口，其中：

第1脚：

VSS为电源地

第2脚：

VCC接5V电源正极

第3脚：

V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。

第5脚：

RW为读写信号线，高电平

（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。

第6脚：

E（或EN）端为使能（enable）端,高电平

（1）时读取信息，负跳变时执行指令。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据端。

第15～16脚：

空脚或背灯电源。

15脚背光正极，16脚背光负极。

6、RS485串行口通信模块

在综合了传输距离，传输成本等多种因素后我们选择串行口通信，进行数据的创送。

为了防止外界干扰，首先采用高速光耦将单片机的UART口和RS-485通信器件隔离，单片机和RS-485通信器件单独供电，这样由通信线路从外界引入的干扰将止于高速光耦处，不会从光耦进入单片机，大大提高了单片机的稳定性。

单片机异步通信口与76176之间采用光电隔离

8255 简介

8255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。

具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。

其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。

8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。

8255芯片

8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。

同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。

由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255部结构分为3个部分：

与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。

1）与CPU连接部分

根据定义，8255能并行传送8位数据，所以其数据线为8根D0～D7。

由于8255具有3个通道A、B、C，所以只要两根地址线就能寻址A、B、C口及控制寄存器，故地址线为两根A0～A1。

此外CPU要对8255进行读、写与片选操作，所以控制线为片选、复位、读、写信号。

各信号的引脚编号如下：

（1）数据总线DB：

编号为D0～D7，用于8255与CPU传送8位数据。

（2）地址总线AB：

编号为A0～A1，用于选择A、B、C口与控制寄存器。

（3）控制总线CB：

片选信号、复位信号RST、写信号、读信号。

当CPU要对8255进行读、写操作时，必须先向8255发片选信号选中8255芯片，然后发读信号或写信号对8255进行读或写数据的操作。

2）与外设接口部分

根据定义，8255有3个通道A、B、C与外设连接，每个通道又有8根线与外设连接，所以8255可以用24根线与外设连接，若进行开关量控制，则8255可同时控制24路开关。

各通道的引脚编号如下：

（1）A口：

编号为PA0～PA7，用于8255向外设输入输出8位并行数据。

8255芯片

（2）B口：

编号为PB0～PB7，用于8255向外设输入输出8位并行数据。

（3）C口：

编号为PC0～PC7，用于8255向外设输入输出8位并行数据，当8255工作于应答I/O方式时，C口用于应答信号的通信。

3）控制器

8255将3个通道分为两组，即PA0～PA7与PC4～PC7组成A组，PB0～PB7与PC0～PC3组成B组。

如图7.5所示，相应的控制器也分为A组控制器与B组控制器，各组控制器的作用如下：

（1）A组控制器：

控制A口与上C口的输入与输出。

（2）B组控制器：

控制B口与下C口的输入与输出。

8255芯片

2 特性

（1）一个并行输入/输出的LSI芯片,多功能的I/O器件,可作为CPU总线与外围的接口.

（2）具有24个可编程设置的I/O口,即3组8位的I/O口为PA口,PB口和PC口.它们又可分为两组12位的I/O口,A组包括A口及C口（高4位,PC4~PC7）,B组包括B口及C口（低4位,PC0~PC3）.A组可设置为基本的I/O口,闪控（STROBE）的I/O闪控式,双向I/O3种模式;B组只能设置为基本I/O或闪控式I/O两种模式,而这些操作模式完全由控制寄存器的控制字决定.

3 引脚功能

RESET:

复位输入线，当该输入端处于高电平时，所有部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。

CS:

芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时,即/CS=0时,表示芯片被选中，允许8255与CPU进行通讯;/CS=1时,8255无法与CPU做数据传输.

RD:

读信号线，当这个输入引脚为低跳变沿时,即/RD产生一个低脉冲且/CS=0时,允许8255通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。

WR:

写入信号，当这个输入引脚为低跳变沿时,即/WR产生一个低脉冲且/CS=0时,允许CPU将数据或控制字写入8255。

D0～D7:

三态双向数据总线，8255与CPU数据传送的通道，当CPU执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。

8255具有3个相互独立的输入/输出通道端口，用+5V单电源供电，能在以下三种方式下工作。

方式0————基本输入输出方式；方式1————选通输入/出方式；方式2————双向选通输入/输出方式；

PA0～PA7:

端口A输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入锁存器。

工作于三种方式中的任何一种；

PB0～PB7:

端口B输入输出线，一个8位的I/O锁存器，一个8位的输入输出缓冲器。

不能工作于方式二；

PC0～PC7:

端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入缓冲器。

端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口，每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。

'不能工作于方式一或二。

A1,A0:

地址选择线,用来选择8255的PA口,PB口,PC口和控制寄存器.

当A1=0,A0=0时,PA口被选择;

当A1=0,A0=1时,PB口被选择;

当A1=1,A0=0时,PC口被选择;

当A1=1.A0=1时,控制寄存器被选择.