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电力系统类论文 基于单片机的用户供电事故自动跳闸装置设计

2018-12-21 11:00:52来源:组稿人论文网作者:婷婷

  摘 要

  随着社会的发展,智能脱扣器是电力系统中新一代开关设备的智能监控单元;从保证电力系统和人身安全生产的角度,深入分析了智能脱扣器的准确性、实时性、稳定性等关键技术,并给出了解决方案;介绍了一款用AT89S52开发的智能脱扣器的设计案,具有人机交互界面,信号的采集,A/D转换,磁通变换器作为执行单元。研制并实现了具有模块化、通用性强,集测量、监视、保护、控制、通信为一体的高性价比新型智能脱器;详细地介绍了其硬件结构和软件流程,最后给出了测试数据;实践表明,此款智能脱扣器性能好,性价比高,在实际的生产应用中取得了良好的效果。

  关键字 智能脱扣器/低压断路器

电力系统类论文 基于单片机的用户供电事故自动跳闸装置设计

  1 绪论

  1.1 研究背景和意义

  随着社会的发展,电成为生活中不可或缺的一部分。由于电能的广泛应用而产生了各式各样的用电设备,极大地方便了人们的生活。但是,科学是一把双刃剑,在丰富人们生活的同事,伴随而来的还有各种各样的安全事故。那么如何才能在线路中出现故障能够及时做出反应切断电源,来保护人身安全和财产安全呢?

  在各式各样的用电设备中,它们的用电参数、性能也不尽相同,电网送给用户的电能也非恒定不变,线路的老化,用电设备的设计缺陷,人为的错误操作等都有可能引起事故。自动跳闸装置就是在一些突发的因素使电路不稳定时可以迅速切断电源来保护人的生命与财产。自动跳闸装置在用电安全方面发挥不可替代的作用。

  断路器就是一种是用于电力系统的各种故障保护电气设备的控制开关,可以在电气设备过载、短路、欠压、漏电和接地故障保护,从而来保护用电设备和生命财产安全。而断路器的动作是通过脱扣器的动作来实现的,因此脱扣器是断路器的核心控制器。

  断路器是一种能够使一种能够接通、承载和分段正常运行电路中的电流,也能在非正常运行的电路中(过载、短路、漏电)按滚定条件接通、承载一定时间和分断电流的开关电器[1],而在低压电网中断路器可以大致分为三大类:第一类是空气绝缘框架断路器(Air Circuit Breaker )简称ACB断路器;第二轮为塑壳断路器(Moulded Case Circuit Breaker )简称MCCB断路器;第三类是微型断路器( Micor Circuit Breaker)简称MCB断路器。

  进入上世纪九十年代后,计算机和互联网的款速普及,使得人们进入了信息化和自动化得时代。在微控制器得到了分素的发展,要求开关控制器件能够拥有更广泛的调节范围和更加丰富的工能。因此,要求了断路器也想更加智能、方便、精确、安全的方向发展。

  而作为断路器的核心控制单元的脱扣器,也需要赋予更加丰富的功能,更加可靠的预防安全事故的发生以及更加值得新来的安全的可控开关器件。

  1.2 国内外现状

  国外现状:由于电能最早应用于西方国家,用电历史比较悠久,在用电安全方面发展的比较完善,加上国外发达国家的制作工艺精度比较高,使得他们的产品在防止故障更加可靠、方便。尤其在各种总线借口技术的飞速发展,微控制器内存得到了扩充,是的CPU能够更快的处理外部存储设备输送进来的信号,并能迅速的分析、运算,然后发出适当的指令去驱动外部的控制单元。

  国外在智能化反面有很不错的研究,微控制器也是多样化,加上各大公司对这反面的投入也很大,如施耐德、西门子、三菱等国际化的大公司都有比较成熟的独特设计方案,又有强大的工业体系做后盾,是的他们的产品更加的方便可靠。但先想对的造价成本比较昂贵,因此产品比较昂贵

  国内现状:我国虽然用电历史比较短,但国内发展迅速,在自动跳闸方面也有比较成熟的研究,一些领域甚至领先世界。现在社会上主要是空气开关和漏电保护器等,都存在一些缺憾需要改进,让其应用范围更广泛,更加可靠。

  国内刚开始主要以51单片机作为CPU单片机运行程序,孙然比较廉价,但功能较少可调节性低,加上单片机用于低压电网中很容易受到其他信号的干扰今儿影响CPU的工作准确性,但是它却是可以满足初学者对智能脱扣器的设计,方便初学者对智能脱扣器进行编程和调试。

  随着社会的发展,越来越多的微控制器出现,一些存储低的、运行速度慢的单片机被市场淘汰,更多功能丰富且成本廉价的单片机成为市场主流,极大地提高了智能脱扣器的产品性能,加上越来越多的总线接口的普及,更多控制方法的出现,将会推动国内智能脱扣器面向更加智能、安全和可靠的道路

  1.3 脱扣器的发展

  随着社会的发展,脱扣器也经历了几次变革,功能也越来越多,可靠性越来越高。见表1-1。

  表1-1 脱扣器的发展

  名称时期组成特点第一代电磁式脱扣器始于20世纪中期电磁铁、线圈、衔铁、双金属片等短路瞬动保护、热金属片过载保护。成本低,寿命短,性能稳定带参数的可调性、准确性和重现性较差。第二代电子式脱扣器始于20世纪70年代中期晶体管、稳压管、电阻电容、运放等过载长延时、短路短延时、短路瞬动保护等。灵敏度高、动作值准确,可靠性高,但功能较少可调性低。第三代电子式脱扣器始于20世纪90年代采样电路、电源电路、A/D转换电路、CPU、接口电路、显示电路等过载长延时、短路短延时、短路瞬动保护、过压和欠压保护、漏电保护、通讯报警等。灵敏度和可靠性高,可调性好,功能丰富但成本较高。

  如表1-1所示:经过多年的发展,脱扣器经历了许多变化,大致经历了电磁式、电子式和智能式几个阶段。发展到今天的微处理器为核心的测试电路、控制和显示的状态智能脱扣装置但目前国内智能脱扣装置与51系列更低端处理器为核心的设计,由于其内部资源和速度限制,很难实现许多功能,稳定性差。尽管一些研究提出了许多高端处理器实现方案,甚至一些外国公司如施耐德)发展智能脱扣装置专用芯片,但成本太高,框架结构的断路器可以适用,但对价格敏感低成型外壳式断路器,费用是不能接受的。因此,从实际生产应用方面考虑,本文深入研究的关键技术,并介绍了一种低价格、高性能、最佳成本效益的微处理器是发展成为智能脱扣装置。

  传统型脱扣器以电磁铁、线圈和双金属片为主题,一热脱扣为主要控制方法,靠机械来实现断路器的工作,断路器的空追精度和机械制造的轻度息息相关,成本低,在早期广泛应用于个个行业,由于是纯机械的结构,因此可以再比较恶劣的自然环境中是用,对复杂和强烈的电磁场抗干扰性强过电子产品,及时在目前这种传统型的脱扣器还应用于一些电磁场复杂且环境条件恶劣的地方。同事由于它的检测装置和执行单元均是机械结构,所以造成了电磁式脱扣器性能指标低,比较浪费材料和电能,保护特性比较单一,反是限你和效果差。

  随着晶体管等不可控、半空、及全控的电子元器件的出现,人们进入了能够控制的电气时代,这些元器件极大地促进了社会的发展,提高了生产力,方便了人们的生活。电子式脱扣器也得到了飞速发展,以模拟电路和数字电路为基础,以期灵敏度高和可实现过载长延时、短路短延时、等更多种的保护功能在一些场合替代了传统的机械是的断路器。

  电子式脱扣器有很多不足的地方,虽然比产痛的电磁式脱扣器灵敏度高,可调节性强,但以模拟电路为基础的电子式脱扣器一般情况下只能反映了故障电流的峰值,所以容易造成断路器在高次谐波的影响下而错误的发生动作。因此,并不能满足社会对其的要求。伴随着微控制器的出现,各种信息交流的法师出现,诞生了第三代脱扣器——智能式脱扣器,不仅可以对电流、电压、温度等各种模拟量进行存储和运算,还可以对环境进行实施的监测,准确的监视线路中的故障,什么时候应该延时保护,什么时候应该瞬时保护,什么时候能够自动复位。

  随着社会的发展,计算机技术、通讯技术和智能化技术的发展,智能化应用的领域越来越宽广。智能式脱扣器不仅添加了微处理器,还可以添加各种辅助电路,甚至可以使先模块化,集成化,不仅缩小了体积,节省了材料,实现的功能可谓是越来越强大。

  2 脱扣器的历史

  2.1 脱扣器的分类

  脱扣器有很多种,脱口方式也有很多种,不同的脱扣方式应用的范围也不一样。当线路出现过载等故障时,双金属片会受热(或是双金属片周围的发热元件使其受热)发生形变、弯曲,是断路器的锁扣打开来实现跳闸。因此这种脱口的范式也被称为热脱口。

  当线路出现短路时,当一定的电流数值能够使得电流脱扣器上的洞衔铁被西河,从而使得带动牵引装置来控制断路器来跳闸。因此射中方法也叫作磁脱扣。初次之外还有用于低于百分之七十左右额定电压Un是,触发的YU欠压脱口;和可以实现远距离控制断路器开断的分励脱扣器YO。以及你加了微处理器电子技术和侧脸电压电流的智能是脱扣器

  断路器在设计和制造中遵循国际电工委员会IEC 60947-2的标准和我国国家标准GB 14048.2.国家标准按使用类别讲断路器分为A类和B类两种。对于低压家庭使用的断路器赢遵循IEC 60898标准。A类断路器无额定短时耐受电流要求;即在短路情况下,无人为短延时和无明确指明有选择性保护。B类断路器:具有额定短时耐受电流要求,即在短路情况下,选择性保护有人为短延时(可调节),具有三段保护特性,记过载、短路短延时保护和瞬动时保护。

  由图1-2可知,对于A类断路器来讲,一般为电磁式脱扣器,工作原理也是热脱扣和电磁脱扣来实现过载长延时短路瞬动保护。过载是双金属片受热该发生形变。当流过断路器的电流超过短时难受电流Icw是,短路电流直接作用于脱扣机构。

  对于B类断路器来讲,一半为电子式短路脱扣和电磁脱扣。电子式脱扣用来实现短路短延时和瞬时保护和过载长延时保护。而电磁脱扣测试用来做为短路瞬时的后备工作,提高B类断路器的可靠性。

  图1-2 选择性保护的特性配合

  A 两种断路器的安装位置 b上下级断路器保护特性配合曲线

  2.2 智能脱扣器的保护类型

  智能脱扣器做为低三类脱扣器,功能要包含前两类的主要功能,主要有三种保护:电压保护、电流保护和其他保护。

  电压保护有过压保护和欠压保护;

  电流保护有过载反时限保护、短路短延时保护和短路瞬动保护;

  其他保护有漏电保护、接地保护、失频保护、三相不平衡保护和热保护。

  3 硬件设计

  3.1 智能脱扣器的结构

  如图3-1所示为智能式断路器脱扣器的结构框图。

  在图3-1中,采用变压器供电,通过滤波、稳压、滤波后,获得稳定的切波纹比较小的5V的基准电压。

  电流采样信号通过空心电流互感器获得。之所以通过空心电流互感器是为了避免在测量过载和短路电流是铁磁电流互感器的磁通饱和效应。

  电压信号的采样通过变压器测量三相供电系统的线电压,用以实现欠压保护和过压保护。

  漏电测量保护电路让火线和零线从保护的环形互感器穿过来实现漏电保护的功能。

  相间变压器

  整流滤波电路

  二级稳压电路

  硬件结构框架

  LED显示电路

  开关量输入输出电路

  断路器母体

  CPU电路

  一级稳压电路

  漏电测量电路

  信号处理电路

  电流采样信号

  电压采样信号

  时钟和温度电路

  RS485驱动电路

  磁通变换器驱动电路

  图3-1 智能脱扣器的结构框图

  图3-1中,电压、电流、温度等模拟量通过限号的处理被送入到CPU中,CPU对这些信号进行高速的循环处理选通,然后断路器的各种开关量依次输入CPU。

  所有的的输出包括LED显示器显示测控信息和模拟量信息,和用于人机交互界面的编码电路,驱动出口继电器来执行脱口操作,R485驱动电路用于与上位机系统进行交换信息。

  3.2 智能脱扣器的元器件

  本次智能脱扣器的设计用到了设计一个主电源电路,AT89S52做为CPU,空心电流互感器采集电流信号,环形互感器测漏电电流,测温芯片DS18b20,DS1302时钟芯片,12864液晶显示屏,可控硅输出电路,磁通变换器等 。

  3.2.1 电源模块设计

  因为单片机AT89S52在工作电压为为5V,在家庭用电的单项220v低压交流电中的条件下,需要设计一个可以为单片机提供一个稳定的电压工作,所以电源模块的设计如图3-2所示

  图3-2 主电源电路图

  由上图可知,该电源是经过变压器供电,变压器圆边电压来源于家庭用电变压将220V的交流电变换成16V交流电,变压器副线圈经过桥式整流电路后输出方向一致的电流,将交流电变化为直流,然后通过滤波电容滤掉变压后产生的告辞谐波。然后通过两个稳压模块将电压稳定到±5V。三端稳压器是一个集成芯片,大体有三极管和电阻器构成。因此在分析电路的过程中,我们可以简单地把他比作成一个能够自动调节电阻元件。当稳压模块的电路负荷大是,三端稳压器内部阻力会自动变小,当稳压模块的电路负荷校是,自动三端稳压内部电阻就会变形小。所以,三端稳压器会输出电压为基本不变。其中稳压模块7805是将电压稳定到+5V,二稳压模块7905则是将反向电压稳定在-5V 。经过稳压后的电压可能会有其他信号,一次还需要一个滤波电路进行过滤,作用和稳压模块前的滤波电路一样。有序电路经过多次滤波、稳压、隔离,所以保障了输出的电压能够达到波纹比较小,比较稳定的电压。因此该电路舒小虎的电压可以作为5V的基准电压。

  3.2.2 单片机的选型

  单片机的种类繁多,发展历史悠久,功能各异,因此,选择一个合适的单片机对设计的政工有重要影响。在学校开始学的是AT89C51,AT89C51作为初学者最熟悉的单片机,在国内智能脱扣器发展中也起到了去足轻重的作用。,该芯片包括一个低电压、4K字节闪烁性能不低8位只读存储器,它具有可编程以及可擦写的功能。而且在存储器中还能将三级程序开速锁定,32个I/O接口,可适用于串行通道模式,两个16位定时器和相同数量的计数器,128*8位内部RAM,功率消耗低的闲置和掉电特有模式,5个中断控制源,片内包含振荡器和发出脉冲的时钟电路。

  但是AT89C51也有很多不足的地方,如AT89C52在AT89C51的基础上扩大了可编程的空间,片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM)。功能引脚一样,兼容标准MCS-51指令系统相当于扩容后的AT89C51。

  而相对于AT89C52更为方便的的一款单片机AT89S52单片机测更为方便,AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器,具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash,使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

  由于在大学期间最熟悉的是AT89C51单片机,对51系列的编程比较熟悉,而升级后的AT89S52不仅能完成这几所需求的存储空间,还能在线编辑,可靠性又高能耗低价格便宜,故选AT89S52作为本次设计的控制器

  一、主要性能

  与MCS-51单片机产品兼容

  8K字节在系统可编程Flash存储器

  1000次擦写周期

  全静态操作:0Hz~33MHz

  三级加密程序存储器

  32个可编程I/O口线

  三个16位定时器/计数器

  八个中断源

  全双工UART串行通道

  低功耗空闲和掉电模式

  掉电后中断可唤醒

  看门狗定时器

  双数据指针

  掉电标识符

  二、功能特性描述

  AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,8 位微控制器具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能: 8k字节Flash,256字节RAM,32 位I/O 口线,看门狗定时器,2 个数据指针,三个16 位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。另外,AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。

  三、引脚结构图

  AT89S52引脚功能描述P0 口:P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。在flash编程时,P0口也用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。程序校验时,需要外部上拉电阻。

  图3-3 AT89S52引脚图

  AT89S52引脚功能描述P0 口:P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。在flash编程时,P0口也用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。程序校验时,需要外部上拉电阻。

  P1 口:P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口,p1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。此外,P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX),具体如下表所示。在flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。 P1口的引脚号第二功能: P1.0 T2(定时器/计数器T2的外部计数输入),时钟输出; P1.1 T2EX(定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制); P1.5 MOSI(在系统编程用); P1.6 MISO(在系统编程用); P1.7 SCK(在系统编程用)。 P2 口:P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口,P2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行MOVX @DPTR)时,P2 口送出高八位地址。在这种应用中,P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址(如MOVX @RI)访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。 P3 口:P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口,p2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。P3口亦作为AT89S52特殊功能(第二功能)使用,如下表所示。 在flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。 P3.0号引脚第二功能:

  P3.0 RXD(串行输入); P3.1 TXD(串行输出); P3.2 INT0(外部中断0); P3.3 INT0(外部中断0); P3.4 T0(定时器0外部输入); P3.5 T1(定时器1外部输入); P3.6 WR(外部数据存储器写选通); P3.7 RD(外部数据存储器写选通。

  RST: 复位输入。晶振工作时,RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后,RST 脚输出96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下,复位高电平有效。

  ALE/PROG:地址锁存控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时,锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash编程时,此引脚(PROG)也用作编程输入脉冲。

  PSEN:外部程序存储器选通信号(PSEN)是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时,PSEN在每个机器周期被激活两次,而 在访问外部数据存储器时,PSEN将不被激活

  EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令,EA必须接GND。为了执行内部程序指令,EA应该接VCC。在flash编程期间,EA也接收12伏VPP电压。

  3.2.3 电流信号的采集

  由下图可知,由于家庭有点为单线电,所以空心电磁电流传感器套在供电线路电路中,输出较小的交流电流Ia。途中的R1、C1作为电流Ia的信号输入的滤波部分。滤去来自家庭供电系统中的杂波。经过滤波后的电流 经过后面的跟随器,然后通过三路通道输出。第一条支路为带通滤波电路,输出电流CH1。第二条支路为7倍的反向比例放大电路,输出电流CH2。第三支路为经49倍反向比例放大电路,输出电流CH3.

  由于需要测量额定电流、裹在电流和故障电流的信号,股设置了三路信号处理通道。江浙三路信号经过不同的放大倍数后,再输入A/D转换端口里,经过数据总线送入AT89S52中进行分析运算。

  图3-4电流信号的采集

  电流保护主要有三段保护。及过载长延时保护,短路短延时保护和短路瞬动保护。

  瞬时过电流脱扣器动作电流的正定。在低压电器所保护的对象中某些电器折本在启动过程中,会在短时间嫩产生远远高于额定电流值得启动电流,造成低压断路器在短时间内承受较大的就峰值电流。瞬时过电流脱扣器动作的电流Iop必须躲过峰值电流Ipk,即Iop≥Krel×Ipk(Krel为可靠系数)。因此,低压断路器的瞬时过电流脱扣器的整定电流要躲过峰值电流,防止脱扣器勿动。

  短路延时过流脱扣器动作电流和动作时间的整定。短路延时过流脱扣器的动作电流IOP也应躲过峰值电流Ipk,即Iop≥Krel×Ipk(Krel为可靠系数)。短路延时过流脱扣器按前后保护装置的保护选择性来确定,影视千亿级保护动作时间和后一级的保护时间长一个时间差。

  长延时过流脱扣器动作电流和动作时间的整定。因此它的动作电流秩序躲过线路中最大负荷电流Iload,即Iop≥Krel×Iload(Krel为可靠系数)。长延时过流脱扣器的动作时间应躲过允许短时过负荷的持续时间,以免引起断路器的误动作。

  3.2.4 电压信号的采集

  电压信号的采集相对来说较为简单。主要是通过变压器去测量家庭供电系统中的线电压,然后与额定值进行对比。采集过得电压信号经过信号调理电路送入CPU进行运算判断是否发生过压故障或者是欠压故障,是否需要命令脱扣器发生脱扣动作。如图3-5所示

  图3-5 电压此信号采集

  3.2.5 漏电保护

  在家庭用电中,有许多大功率的用电器,有些家用电器或许设计存在缺陷,或许年久失修导致嫩不线路老化,或许产品质量不合格,没能达到国家标准,又或许人为的不正当操作等都有坑发生触电事故。而这些情况下就可能产生漏电电流,对人身安全和财产安全造成重大破坏。一次需要对漏电电流进行保护。在负载不漏电的情况下,火线电流应该等于零线电流。而当负载漏电时,火线电流就等于零线电流与漏电电流之和,而一旦火线电流与零线电流不相等,则感应线圈就会产生感应电流,通过放大装置将感应电流放大,根据电磁感应原理,将磁能转换为动能,铁芯推动空开脱扣器脱开,从而达到跳闸的目的。由于家庭采用的是单线电压,所以在漏电测量电路采用1P+N型保护电路。如图3-6所示

  图3-6 单相漏电保护原理

  有图3-6可知,火线和零线从保护的环形互感器中穿过。因此发生漏电后在环形互感器中一定会有电压的产生。所以,电压信号经过整流滤波后对晶闸管SCR进行触发导通,导致与之连接的脱口继电器电路导通,然后断开主回路电流。而改图还加了一个模拟开关,当按键摁下是在环形互感器一次线圈会产生感应电流,是的脱扣器动作。 由图可知,该结构的电路简单,反应迅速。

  3.2.6 时钟和温度测量

  时钟和温度的测量由时钟、温度测量模块实现,时钟芯片采用DS1302时钟芯片和DS18B20测温芯片组成。

  DS1302时钟芯片能够㘝系统提供时间标准,方便系统记录故障发生时间。该芯片在实时显示时间中的应用。它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时,且具有闰年补偿等多种功能。采用三线接口与CPU进行同步通信。占用的I/O口较少,因此能够灵活地用来测量时间。时钟测量电路如下图3-7所示;

  图3-7 时钟测量电路

  DS18B20是常用的温度传感器,具有体积小,硬件开销低,抗干扰能力强,精度高的特点独特的单线接口方式,DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯,且可以实现多个DS18B20公用同一条总线。切读、写、以及温度点变换所需带能源可通过数据线获得,不需要借助外部电源。测温范围 -55℃~+125℃,固有测温误差(注意,不是分辨率,这里之前是错误的)1℃。支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的三线上,最多只能并联8个,实现多点测温,如果数量过多,会使供电电源电压过低,从而造成信号传输的不稳定。工作电源: 3.0~5.5V/DC (可以数据线寄生电源)。在使用中不需要任何外围元件,测量结果以9~12位数字量方式串行传送。测温芯片对内部温度进行测量,当温度过高时,脱扣器发出命令是断路器作出动作。

  3.2.7 液晶显示

  对于液晶显示屏的选择,基本有两种lcd1602he lcd12864两种。由于该设计要用到汉字显示,所以选用较为简单的LCD12864为液晶显示屏。

  Lcd12864电源供电电压为5V(大致为+3.0V——+5.5V左右)。显示分辨率为128×64点,能够提供8192个16×16的点阵汉子,和128个16×8个点阵字符,这笔lcd1602丰富的多。内之DC-DC转换电路,因此无需外接负压。Lcd12864采用4位/8为并行。两线或三线穿行多种接口方式。显示方式也多种多样,支持STN显示、半透显示和正显。最方便的是无需片选信号,这点大大的简化了软件设计。Lcd12864且比同类型的图形点阵液晶显示模块的硬件电路和软件编程都要简洁的多,价格也比较便宜。Lcd12864的硬件电路如下图所示;

  图3-8 LCD12864液晶显示电路

  3.2.8 输出电路的设计

  输出电路的设计大干有两种方法啊,一种是继电器输出电路,一种是可控硅输出电路。而继电器输出带路通过同时控制继电器和磁通变换器来控制脱扣器脱扣。档主电路出现过电流是,控制单元延时电路输出的高电平变为低电平,光耦被处罚,然后电磁继电器自线圈通电,继而接通磁通变换器的线圈。

  可控硅输出电路的的工作原理与继电器输出电路原理基本相似。都是在电路中出现低电平时触发光电耦合器。光电耦合器被出发后,SCR也被触发。然后接通磁通变换器线圈,脱扣器脱扣分段直流主回路。

  两种方法工作原理极其相似,当相对于继电器输出回路来讲,可控硅输出电路比较简洁,反映迅速。没有过多的线圈是的电路更为可靠。因此本次设计以可控硅输出电路作为输出电路。如下图所示:

  图3-9 可控硅输出电路

  3.2.9 磁通变换器

  特殊的磁通变换器是低压断路器中的主要的执行单元。磁通变换器是智能脱扣器的核心部件,需求工作反应灵敏,功耗要低,体积要小,可靠性要搞。因此需要设计一个合适的磁通变换器。磁通变换器原理图如下;

  图3-10 磁通变换器结构图

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  U——供电电容电压 U0——未放电前电容器的初始电压 FS ——弹簧作用力 Fm——线圈和永久磁铁共同作用下产生的电磁力 R——线圈回路电阻 m——动铁芯质量 x——动铁芯的行程 c——供电电容器的电容 Ψ——磁通变换器磁链

  设计磁通变换器一直受到世界各大公司的重视,大致可以从动态特性要求和静态设计要求联方面进行。

  如Merlin Gerin的L. Bompa就是从动态要求提出的设计方案,他们用二维磁场、电路方程和机械瞬态耦合来求解上式。在给定弹簧力Fs= 16 N的条件下,以线圈匝数N、U0、c和永久磁铁剩磁Br为变量,找出这些变量与动作时间top的关系,从中优选这些变量。

  而施耐德公司Masterpact系列低压断路器用的从动态要求和静态要求两方面进行优化设计的。在静态优化阶段,首先用磁路计算结合优化方法自动寻优,确定尺寸,再用磁场计算来进行校核,通过静态优化,变换器尺寸减小,价格降低35%。动态优化主要通过电磁机构的动态特性分析,以线圈匝数和作用弹篝力为变量,用手工计算的方法来择优,优化目标为动作时间最短,优化后动作时间从3.45ms减小到2.1ms,降低了近40%。

  4.软件设计

  4.1 功能模块的分类

  如果要进行软件编程设计,首先通过对硬件电路的理解,来对各个模块的功能进行合理的分类。只有合理的进行功能分类,才能更加明了的理清各个模块的所起到的作用,保障了通信时候数据可以高效、、适时、准确的传输。防止一些请求不能及时的被单片机处理,提高单片机的工作效率,所以我对各个模块做了大致分类:

  表4-1 智能脱扣器的模块分类

  功能内容实时性采样电流、电压采样、温度采样最高保护过载保护,短路短延时保护和短路瞬动保护,过载反延时保护等高计算傅里叶滤波算法中控制软硬件自检和实验仿真低显示按要求显示电流、电压有效值,故障信息等最低

  4.2 软件设计总体思路及主流程图

  本软件主程序的功能是,软件设计由主程序和中断程序组成。主程序包括采样数据的处理、故障的判断、保护特性与控制信号输出、通信数据的收发及处理等。中断程序包括定时器中断、通信中断等。主程序软件流程如图4-1所示。

  图4-1 主程序流程图

  主程序流程图主要是线初始化程序,接受采集过来的信号,分析故障类型,进而判断该信号是什么故障,CPU是否空闲,是否允许信号的输入。

  4.3中断程序

  图4-2 中断服务程序

  为反映电流的真实值,采用数值积分的方法计算电流有效值IRM

  IRM=0Ti2dtT

  IRM2=1T0Ti2dt=1T(I12+I22+…In2)ΔT

  其中T为采样周期,△T为采样间隔,n为采样次数。单片机以1ms的时间间隔对电流信号进行采样,采样周期由定时器提供,每一周波(20ms)可采集20个采样点,这样采样频率为1kHz可实现不失真采样。

  4.4傅里叶滤波

  为了提高脱扣器的工作精度,在信号处理过程中要提高算法的精度。通过查阅资料知道:一位算法的计算精度,一般用离散的采样电计算出结果与实际信号的逼近程度,影响计算结果的准确度;二是算法的数据窗,一般采用故障后的多个采样点计算出结果,但影响保护动作的速度。而在实际家庭供电线路中的杂波很多,如各次非周期分量和谐波分量。本次设计决定采用傅里叶算法。傅里叶算法提取基波分量比较容易,算法也比较简单。

  先假设采样的模拟信号为一个周期性的时间函数,不仅有基波,还包括不衰减的直流分量和各次谐波,表示如下:

  xt=n=0∞ansinnw0t+bncosnw0t

  其中an、bn分别为直流、基波和各次谐波的正弦和余弦的振幅:

  an=2T-T2T2xtsinnw0tdt

  bn=2T-T2T2xtcosnw0tdt

  所以,对于基波分量,当n=1时; x1t=a1sinnw0t+b1cosnw0t

  因此正弦基波限号还可表示为

  x1=xm1sinw0t+α1

  =xm1(sinw0tcosα1+sinα1cosw0t)

  =2(Xsinw0tcosα1+x1sinα1cosw0t)

  所以a1=2Xcosα1; b1=2Xsinα1

  X=a12+b122

  以上是在连续域中采用傅里叶算法,对于其他各次谐波分量和基波分量就发类似。但在单片机中,得到的采样数据是经过A/D转换后的数字信号所以要对上式中的直流、基波和各次谐波的正弦和余弦的振幅an、bn进行傅里叶变换的;

  a1=2Nn=0N-1xksin2πNk

  b1=2Nn=0N-1xkcos2πNk

  N为工频每周期采样点,由于采用的是1KHZ的频率,每周期采集20个点数即N=20。对应的sin2πNk、cos2πNk离散化后的系数有五组值即sin-1π10、sin-12π10、sin-13π10、sin-14π10、sin-15π10。

  所以:

  a1=110[sin-1π10x1+x9-x11-x19+sin-12π10(x2+x8-x12-x18)…sin-15π10(x5-x15)]

  b1=110[sin-1π10x4+x16-x6-x14+sin-12π10(x3+x17-x7-x13)…sin-15π10(x0-x10)]

  5.总结

  通过这几个月所做的毕业设计,我清楚地了解了自己的不足,通过查阅资料和在老师和同学的帮忙下,终于完成了这次设计。

  本设计作为“基于单片机的用户供电事故自动跳闸装置的设计”,以单片机AT89S52作为CPU处理芯片。通过变压器变压和整流、滤波、稳压、滤波获得稳定的-5V到0V到+5V的主电路供电电压。解决了其他模块的供电电源问题。其次又通过空心电流互感器作为采集交流电电流信号的装置,并测量模拟了额定电流、过载电流和故障电流的信号,并设置了三路信号处理通道。对于电压信号的采集则是通过变压器变压采集,经过信号调理电路即可。在漏电保护中也做了比较好的设计,在火线和零线动过环形互感器后,在没有发生漏电的情况下,系统无反应,一旦出现漏电事故,产生的漏电电流会马上是的脱扣器动作,电路简单,反应迅速。本设计还有一个亮点,就是另加了接地保护,有效的防止了接地故障的放生,保护了电气设备和人的安全。用了DS1302时钟芯片和DS18B20测温芯片,这两个芯片方便、便宜且可靠性高,节约单片机资源,占用CPU的I/O少,使用灵活。同时利用lcd12864作为本次设计的液晶显示屏,可以显示汉字,参数,环境温度等。外加人机接口电路,设计了五个按键(上行键、下行键、确定键、复位键、返回键),电路图简单明了。所有的模拟信号都是通过A/D转换模块进行,输送到单片机中,通过单片机的处理输出信号。当信号进入可控硅输出电路时控制单元延时电路输出电平变为低电平,光耦导通,触发SCR,接通执行单元。作为智能脱扣器的核心执行单元的磁通变换器的设计尤为重要,通过借鉴先例,查阅资料,从动态和讲台两方面进行设计,反应迅速,体积小。

  在这次设计中,发现了很多问题,也解决了许多问题,丰富了我的知识。但是本次设计依旧存在很多不足,如电压、电流信号采集是的精度不够,产品对抗外接干扰能力不足,容易受外界电磁的干扰等等。通过这次毕业设计,我学到了很多知识,为我的大学生涯画上了满意的句号。

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