高壓開關微機綜合保護裝置軟件設計論文

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1、高壓開關微機綜合保護裝置軟件設計姓名： 班級： 學號：指導老師：摘 要電力是國家經濟建設和人民生活中不可缺少的能源，而電力工業的發展離不開用于輸配電的高壓開關設備。在電氣設備運行中,經常需要監測一些參數,比如電流、電壓、漏電電流、短路電流等,以保證設備正常工作。以往高壓開關綜合保護裝置多采用模擬電路來監測電流和電壓等參數以實現短路、過載、失壓、過壓、漏電等保護,其結構復雜、體積大、耗能多。隨著微機技術的飛速發展,單片微型計算機以其體積小、價格低、應用靈活等優點在自動控制領域中得到了廣泛的應用。為了解決原有的高壓開關綜合保護裝置的上述問題,采用了單片機系統實時監測設備運行的各種參數,并對其進行分

2、析、計算、處理,保證設備安全、可靠的運行。 本綜合保護裝置具有過載、短路、漏電(包括電流型和功率方向型) 、監視、過壓、失壓、缺相等保護功能。具有微機測量和微機保護，網絡通信以及在線監測等基本功能。概括介紹了P89C51RB2單片機控制的智能型高壓開關綜合保護裝置的特點和基本功能，詳細說明了智能型高壓開關綜保裝置的硬件接口電路和軟件設計。該裝置具有性能可靠、功耗低、體積小、功能強的特點。 關鍵詞：單片機;高壓開關;綜合保護 ABSTRACT：The electric power is the energy that the national economy constucts to live

3、medium indispensability and people, but the development of the electric power industry can not get away from to used for the high pressure switch equipments that loses to go together with an electricity. Usually need to monitor some parameters in the electricity equipments the movement, for example

4、the electric current,electric voltage,electric leakage electric current,short-circuit electric current etc. work normally by promising an equipments. The high pressure switch is comprehensive before protection the device adopts emulation electric circuit much to monitor current and voltage etc. para

5、meter short-circuit with the realization, lead to carry, lose to press, lead press, electric leakage etc.protection, its structure complications, physical volume big,consume and can be many. Fly technically to develop soon along with the tiny machine, single slice microcomputer its physical volume i

6、s small,the price is low,the applied vivid etc. advantage got an extensive application in the automatic control realm. For resolving an original high pressure switch comprehensive protection device of above-mentioned problem, adopted a single slice machine system solid hour monitor various parameter

7、 of the equipments movement, and as to its carry on analysis,compute and handle, promise an equipments safety, dependable movement. The originally comprehensive protection device had to carry, short circuit, electric leakage(include the electric current type and the power direction type),keep watch

8、on, lead to press, lose to press, lack equal protection function.Generalized to introduce the P89C51RB2 a single slice the intelligence type of the machine control the characteristics of the protection device with comprehensive high pressure switch with the basic function, the hardware that elaborat

9、ed on the intelligence type the high pressure switch to protect device connected a peoples electric circuit and software design. That device has the function credibility, to consume low, the physical volume is small, function strong characteristics.Keyword: Single slice machine; the high pressure sw

10、itch; comprehensive protection目錄摘 要1ABSTRACT：21 緒論61.1 高壓開關的功能61.2 系統的設計思路71.3 電路技術水平81.3.1 模擬電路階段81.3.2 模擬電路為主，數字電路為輔階段91.4 微型計算機的選擇91.4.1 P89C51RB2特性：101.4.2 CAT24C021 芯片112 保護原理122.1失壓、過壓保護122.2 電纜絕緣監視保護：122.3 電流型漏電保護：132.4 功率方向型漏電保護：132.5 過流保護的實現132.6 過載保護的實現142.7 短路保護的實現143 微機保護裝置的硬件設計原理153.1 保

11、護系統的功能153.2 綜合保護裝置的原理框圖173.3 復位電路173.4 數據采集和處理單元183.4.1 過載保護193.4.2 短路保護193.4.3 漏電保護193.4.4 監視保護213.4.5 失壓過壓保護213.4.6 缺相保護213.5 鍵盤與顯示電路223.5.1 鍵盤223.5.2 顯示電路223.6 電源電路234 軟件設計234.1 概述234.1.1 邏輯符號254.1.2 管腳描述254.1.3 FLASH EPROM 存儲器304.2 振蕩器特性304.3 復位314.4 低功耗模式314.4.1 時鐘停止模式314.4.2 空閑模式314.4.3 掉電模式32

12、4.4 定時器2 的操作334.4.1 定時器2334.4.2 定時器/計數器2 的設置334.5 中斷優先級344.6 PCA看門狗定時器384.7 擴展數據RAM尋址394.8 硬件看門狗定時器(WDT)414.9 FLASH EPROM 存儲器424.10 在系統編程(ISP)434.11 使用在系統編程(ISP)444.12 在應用中編程方法454.13 流程圖504.14 鍵盤和發光數碼管顯示524.14.1 鍵盤掃描電路的程序代碼524.14.2 鍵盤的消抖動程序564.15 A/D轉換634.16 指令冗余及軟件陷阱674.16.1 指令冗余674.16.2 軟件陷阱67結論69

13、致謝70參考文獻：711 緒論1.1 高壓開關的功能高壓電器包括高壓開關電器，高壓測量電器和高壓限流，限壓電器，其中高壓開關電器包括高壓隔離開關，高壓接地開關，高壓負荷開關，高壓斷路器，高壓接觸器，高壓重合器和高壓分段器，高壓開關電器可以統稱為高壓開關。高壓開關是用來關合和開斷正常電路和故障電路，或用來隔離電源，實現安全接地的高壓電器設備。高壓開關設備是電力系統重要的控制和保護設備，對電力系統安全可靠地運行起著舉足輕重的作用。因此電力系統對高壓開關可靠性要求高，質量控制嚴格。高壓開關中的綜合保護系統應滿足以下4項基本要求：第一，選擇性保護的動作應具有選擇性，即它是有選擇地切除電網中發生故障的支

14、路，而保證非故障支路供電的連續性，盡量縮小中斷供電的范圍；第二，可靠性保護系統能準確判斷故障，可靠執行命令；但當其他支路發生故障時，本支路保護不應發出跳閘命令，即不產生誤動的現象；第三，快速性本支路發生故障后，保護系統應快速動作，防止故障范圍擴大，降低電氣設備的損壞程度；第四，靈敏度保護系統應具有較強反應故障的能力，即不論在保護范圍的始端還是在保護范圍的末端發生故障，保護系統均應準確反應，甚至在后備保護范圍發生故障時，也直具有一定的反應能力。1.2 系統的設計思路本系統處于監控狀態時,具有以下的功能: 自檢功能可隨時檢測系統的工作情況; 單片機實時監測設備運行參數,可迅速準確地判斷故障的類型短

15、路、過載、失壓、過壓、漏電、缺相等,并加以處理; 采用帶有I2C 串行氧化物半導體E2舞會的CAT24C021 芯片隨時存儲整定參數和故障參數,以保證重要參數掉電不丟失; 通過密碼可修改整定參數,以適應不同的現場情況; 時鐘芯片準確記錄故障發生的時間,保存最近九次故障記錄供查詢; 采用圖形點陣液晶作輸出顯示設備,開關狀態,運行情況全部采用漢字顯示,各種信息一目了然; 16KB閃光可實現在系統編程和在應用編程; 硬件、軟件抗干擾技術保證系統高抗干擾性能。鑒于保護系統在礦井供電系統中的重要作用，多年來，廣大科技工作人員都非常重視這一領域的研究，經過了數次更新換代，但從現場運行的情況看，這些保護系統

16、誤動和拒動的現象時有發生，不能完全滿足供電系統保護的四項基本要求。針對這種情況。本文以單片機為中央控制單元，設計了一種新型智能化高壓開關綜合保護器，該系統能自動判斷短路、過載、漏電等故障，并對高壓電纜的絕緣水平進行實時監測。1.3 電路技術水平高壓綜保的電路結構一般由輸入整定、比較延時、記憶執行電路三大部分組成。迄今為止高壓綜保經歷了模擬電路階段和以模擬電路為主和數字電路為輔兩個階段。1.3.1 模擬電路階段高壓綜保短路、過載和漏電接地保護的輸人整定電路均采用波段開關，這種機械觸點式波段開關長期運行在井下潮濕環境中，其觸點表面會受潮氧化腐蝕而產生一層氧化膜，造成接觸不良。而且波段開關是一種有級

17、開關，無法實現無級調節，因而給整定帶來了不可避免的誤差，最嚴重時會達到50 另外，當波段開關轉動時，中間抽頭會出現懸空現象，有時會引起裝置誤動。比較，延時電路較原始，它主要由運算放大器和三極管等元件組成，電路集成度低，連線復雜。延時電路大多采用RC電路延時，由于電容參數的分散性，以及電阻、電容受環境溫度影響較大，使得延時參數不易調整 誤差大 由RC電路實現過載保護的反時限延時，延時不可能太長當高壓開關控制高壓電動機時，不能充分發揮其過載能力記憶、執行電路普遍采用雙位置繼電器，其缺點為：1)電路中使用的繼電器數量較多 通常有5、6個不僅體積、重量大，而且繼電器線包電流大，電源容量大 而影響元器件

18、壽命和電源的可靠性；2)繼電器容易受井下環境條件影響，有時易出現拒動和誤動的現象。1.3.2 模擬電路為主，數字電路為輔階段輸人、整定電路與模擬電路階段一樣。比較 延時電路采用四運算放大器LM324，增強了集成度和可靠性。利用運算放大器和RC 電路組成積分電路、實現延時 使得延時時間可以做得較長、并且較準確。記憶 執行電路發展較快 采用集成電路進行信息和綜合處理、鎖存 及信號的放大 這樣，大大增強了高壓綜保的集成度減小了奉積 重量 受電源容量 提高了信號的響應速度和記憶的準確性 另外采用固態繼電器作為出口繼電器 使得高壓綜保不含有觸點元件，增強了可靠性。第二階段的高壓練保、盡管記憶、執行電路集

19、成度比較高，接近數字電路水平，但是主體電路仍停留在分立元件和小規模集成元件的水平上功能和技術指標沒有大的提高，需要進一步發展。1.4 微型計算機的選擇單片機采用菲利普公司生產的P89C51RB2。該芯片不僅具有MCS - 51 系列單片機的所有特性,而且片內集成了16KB 并行可編程的非易失性閃光程序存儲器,可實現對器件的在系統編程( ISP) 和在應用編程( IAP) 。此外還有3 個16 位定時器,一個增強型UART。該器件的1 個機器周期由6 個時鐘周期組成因此運行速度是傳統80C51 的2 倍一個OTP 配置位可讓用戶選擇傳統的12 時鐘周期該系列單片機是80C51 微控制器的派生器件

20、是采用先進氧化物半導體工藝制造的8 位微控制器指令系統與80C51 完全相同。1.4.1 P89C51RB2特性：1. 80C51 核心處理單元2. 具有ISP 和IAP 功能的片內閃光程序存儲器3. 片內靴ROM 包含底層閃光編程子程序以實現通過UART 下載程序4. 可實現最終用戶應用的編程IAP5. 與87C51 兼容的并行編程硬件接口6. 每個機器周期為6 個時鐘周期標準7. 可選擇12 個時鐘周期的機器周期8. 采用6 時鐘周期時頻率可高達20MHz 相當于40MHz 采用12 時鐘周期時頻率 可達33MHz9. 全靜態操作10. 公羊可擴展到64K 字節11. 4 個中斷優先級12

21、. 7 個中斷源13. 4 個8 位我/O口 全雙工增強型UART幀錯誤檢測自動地址識別15. 電源控制模式時鐘可停止和恢復空閑模式掉電模式16. 可編程時鐘輸出17. 異步端口復位18. 雙DPTR 寄存器19. 低EMI 禁止淡色啤酒該芯片價格低、功能強,是目前性能價格比較高的單片機之一,完全滿足本系統需要。1.4.2 CAT24C021 芯片復位電路采用CATALYST公司生產的CAT24C021 芯片。CAT24C02是一個2Kb的串行氧化物半導體E2PROM，在內部分成16頁，每頁16字節，即總共為256個字節（一個字節8位）。CAT24C02的主要特性是含有一個16字節的頁寫入緩沖

22、器，并且支持標準（100kHz）和快速（400kHz）的I2C協議。通過拉高WP管腳，可以禁止對存儲器寫入，從而保護了整個存儲器。CAT24C021特性：1.支持標準和快速I2C協議2.工作電壓：1.8V5.5V3.含有16字節的頁寫入緩沖器4.對全部存儲器進行硬件寫保護5.I2C總線輸入端（SCL和SDA）含有施密特觸發器和噪音抑制濾波器6.采用低功耗氧化物半導體工藝7.可編程/擦除100萬次8.數據保存期100年9.RoHS兼容的“綠色（綠色）”和“金色（黃金）”的8腳PDIP、SOIC、TSSOP和TDFN封裝10.工業溫度范圍2 保護原理2.1失壓、過壓保護將線路工作電壓的檢測信號經轉

23、換后輸入到數據處理單元P89C51RB2 ,當工作電壓超過110 %額定值時,微控制器發出過壓動作指令,開關跳閘;當工作電壓低于額定值的60 %時,微控制器輸出欠壓動作指令,開關跳閘,跳閘時間均為0. 1 秒。如果開關尚未閉合,當電壓低于額定值的75 %時,將不允許合閘。低電壓保護：當電網進線電壓不足額定值的65 %(可定值整定)時，可跳開開關。過電壓保護：當電網進線電壓超過額定值的118 %(可定值整定)時，可跳開開關。系統電壓低于 65% 額定電壓時，則欠電壓脫扣器處于釋放狀態，靜鐵芯和動鐵芯沒有吸合，其推桿在反力彈簧作用下頂開斷路器的鎖扣機構處于解扣狀態，從而阻止斷路器合閘。若系統電壓高

24、于 85% 額定電壓，則螺管線圈內產生激磁，動鐵芯在電磁吸力的作用下克服彈簧反力與靜鐵芯吸合，推桿和牽引桿之間就有一定的間隙，牽引桿就會恢復到鎖扣機構可以鎖住的狀態，這時操作手柄可使斷路器正常合閘。當電壓偏低到一定程度 (小于 35% 額定電壓) 時，螺管線圈產生的電磁吸力不足以克服彈簧反力，其推桿在反力彈簧作用下沖擊牽引桿，使斷路器鎖扣機構解扣，斷路器分斷，達到欠電壓保護的目的。2.2 電纜絕緣監視保護：采用獨特的低頻有功功率原理對高壓開關負荷側使用的雙屏蔽電纜的屏蔽芯線、屏蔽地線之間的絕緣實施監視保護。2.3 電流型漏電保護：對所屬電網中出現的單相接地故障，采用零序電流法選擇檢漏保護，漏電

25、時報警并選出所接地的線路。2.4 功率方向型漏電保護：對下屬電網中出現的單相接地故障，采用功率方向法選擇性檢漏保護，漏電時報警。2.5 過流保護的實現交流數據采樣一般分為直流采樣和交流采樣兩種方法。直流采樣的優點是計算方便，軟件設計簡單，缺點是硬件復雜、穩定性差，而且由于受固有濾波環節的影響，采樣數據無法實時反映交流信號的變化。這與保護系統要求實時性高的特點相違背，所以本系統的采樣模塊只能采用交流采樣的方式。單片機把離散的采樣結果轉換成交流信號有效值的過程由交流采樣子程序來完成。交流采樣算法有很多種，常用的有最大值算法、半周積分法、方均根算法、傅里葉算法等，各自適用于不同的應用場合。其中傅里葉

26、算法不但適用于正弦信號也適用于非正弦信號，它不受電網對稱度的影響，而且具有濾波作用，計算精度高，缺點是速度相對不夠快。為了提高系統響應速度，采用)點采樣的傅里葉算法，可以使計算量大為減少，加快了運算速度，計算精度也能夠滿足要求。經過簡化的基波傅里葉系數的計算公式為：A1=(16)u(k)違背習俗(k/6) (1)B1=(16)u(0)2+u(k)萵苣(k/6)+u(12)/2 (2) U=(a2+b2)/2 (3) 為方便調用，把點傅里葉變換算法編成了子程序。當系統采用晶振時該算法用時約。由于該算法對每次采樣的時間間隔要求比較嚴格。為保證延時精度采用了定時器中斷的方式進行采樣。試驗證明該算法有

27、較高的穩定性和精度（8%）。2.6 過載保護的實現當驅動器的輸出線路電流達到整定電流的110 %時,過載保護環節按照反時限保護特性開始工作。本裝置的負載電流經互感器采集、精密整流電路全波整流后,送到APD 轉換器MAX197 的輸入口,轉換結束后結果送P89C51RB2 進行處理、判斷,當出現過載故障時,出口繼電器反時限動作,接觸器跳閘。反時限電流保護的特性與很多負荷的故障特性相似，因此在許多場合下比定時限保護的性能更為優越。反時限電流保護在國外已獲得了較廣泛的應用。根據國際電工委員會（!-）給出的反時限特性曲線，分為反時限、極反時限、甚反時限、長反時限，其方程分別為： 2.7 短路保護的實現

28、 配置有三段式定時限過電流保護，對負荷側短路故障進行保護。短路是指供電系統中不等位的導體在電氣上被短接，各種類型的短路故障是煤礦井下最常見的故障之一。短路故障包括：三相短路、兩相短路、兩相接地短路。在高壓綜合保護中，對各種短路故障都應采取電流速斷保護。由于異步電動機在帶負載直接起動時有,!-倍的起動電流，已經接近或達到了某些情況下的短路電流。為了有效區分起動電流和短路電流，采取了“相敏保護”的方法?！跋嗝舯Ｗo”的原理是同時檢測短路電流和系統的功率因數角。利用電動機起動時功率因數小，而短路時功率因數較大的特點來區分短路電流和起動電流。功率因數角的測量是通過先用邏輯電路取出電壓和電流的相位差信號再

29、通過單片機定時器來計算其對應的角度。由于短路故障對電氣設備具有極大的破壞性，為了縮短短路保護的動作時間，短路電流的檢測采用了數字電位器加電壓比較器的方法，原理如圖+所示。程序中根據短路倍數的設定值來調整數字電位器滑動端的輸出電壓，當0相輸入電流大于設定電壓時比較器由高電平翻轉為低電平， 造成單片機外部中斷。3 微機保護裝置的硬件設計原理3.1 保護系統的功能高壓綜合保護器是高壓開關中的重要組成部分, 它應該獨立完成對于高壓電網中所有物理量的檢測、計算、判斷和處理, 并且與上位機能夠實現高效可靠的通信, 即要實現“計量、監控、保護”的“三統一”功能。其具體功能如下:( 1) 數據采集功能。模擬量

30、采集, 即實時測量電網交流電流及交流電壓有效值, 對三相電壓、兩相電流及零序電壓進行采樣, 作為判斷故障區域的信息, 采樣方式為交流采樣。頻率量采集, 提取零序電壓與零序電流的5 次諧波分量進行比相,通過單片機端口采集比相后的頻率信號, 從而判斷是否發生單相接地故障; 監視保護中的取樣信號經過壓頻變換, 其頻率信號經HIS.0 端口進入單片機, 經過比較判斷是否發生短接或斷線故障。( 2) 人機聯系功能。采用撥碼盤輸入各項參數整定值, 可實現無級整定; 另外, 通過大屏幕液晶顯示器實時顯示當前電網電壓、負荷電流值及發生故障時的故障狀態和故障參數。( 3) 保護功能。對于電網中的短路故障, 要求

31、速斷保護; 對變壓器、電機或其他負載出現過載時, 施行反時限延時保護; 采用附加直流電源法對雙屏蔽電纜的屏蔽芯線、屏蔽地線實行短路和斷路監視保護; 提取零序電壓、零序電流5 次諧波硬件比相, 結合零序電壓基波采樣值, 對單相接地故障實行選擇性漏電保護; 對進線電壓不足額定值的65%時采取欠壓保護, 對進線電壓超過額定值的118%時采取過壓保護。( 4) 通信功能。通過RS232, RS485 接口可與上位機或PC 機進行串口通信。( 5) 自檢功能。為了發揮微機智能化系統的優越性, 減少系統出錯的可能性。當硬件發生故障, 系統應當能自動發現, 及時報警, 并進行相應處理, 避免造成事故。主要的

32、自檢對象有: 對于公羊, EPROM, /D轉換器、接口芯片及撥碼盤等硬件進行自檢; 對于繼電器和斷路器執行命令的狀況進行自檢。3.2 綜合保護裝置的原理框圖高壓開關綜合保護裝置是煤礦井下高壓開關的控制部件,安裝在防爆外殼內,從觀察窗可以看到系統各種狀態的顯示。該系統的硬件電路主要由數據采集單元、數據處理單元、故障分析單元、鍵盤顯示單元、分閘報警單元、電源供電電路等幾部分組成。綜合保護裝置原理框圖如圖1 所示：3.3 復位電路復位電路采用CATALYST公司生產的CAT24C021 芯片。它有三種功能:看門狗定時器、電壓監控和EEPROM 功能。在系統出現故障或上電P掉電期間,CAT24C02

33、1 能給CPU提供一個復位信號,以確保系統的正確操作。當系統出現故障時,由于失去正確操作,CPU1. 6 秒內沒有觸發SDA ,看門狗定時器將溢出,CAT24C021 產生一個復位信號給CPU。而I2C串行氧化物半導體E2舞會可以存儲單片機系統的重要參數。本系統用它來保存故障記錄和設定的參數值等,以保證數據正常使用和不會因為掉電而丟失。圖2 示出了CAT24C021 與P89C51RB2 單片機的硬件連接電路。3.4 數據采集和處理單元運行中，通過數據采集單元監測系統的電流、電壓、漏電電流等參數，經12位8通道AD MAX197轉換成數字信號，送給單片機進行處理，檢測出各種運行故障，從而實現高

34、壓開關的過載、短路、過壓、欠壓、漏電、缺相等保護。3.4.1 過載保護 圖3 過載保護的精密整流電路3.4.2 短路保護中性點不接地的小電流接地系統，按規程要求只需對相間短路加以保護。其接線方式及動作原理與上述的過載保護相類似，短路電流整定值為1009OO額定電流。當數據采集單元監測到負載電流大于或等于本保護裝置短路電流整定值時，數據處理單元施行定時限速斷保護，動作時間為01秒。3.4.3 漏電保護本保護裝置可以設定為零序電流型保護方式或功率方向型保護方式。對下屬電網中出現單相接地故障時，根據需要，可選擇采用零序電流法或功率方向法，實施選擇性檢漏保護。為了測量線路的零序電流，使用了零序電流互感

35、器。它的一次線圈為線路的三相動力線，二次線圈的輸出為零序電流。在輻射式供電系統中，當某供電支路發生單相接地時，所有支路均會測得零序電流，為了防止誤動作，增強零序保護的可靠性和選擇性，必要時可使用零序功率方向保護。由零序電壓互感器和零序電流互感器測得的信號，送入采集鑒別環節。如果保護裝置裝在發生單相接地的供電支路時，功率鑒別的結果為正，MC輸出一個脈沖經光耦送到P35(-I1端)，經一段時間延時，數據處理單元P89C51Rg2向執行環節發出動作指令；反之，若保護裝置處于非接地支路上，雖有零電壓和零序電流輸入，但因零序電流的方向與故障線路的相反，故功率鑒別的結果為負，我端不發出脈沖到P35(n端)

36、，數據處理單元P89C51Rg2將不會發出執行指令。零序電流和零序電壓的采集、處理類似于負載電流，在這不再敘述。功率鑒別電路如圖4所示。 圈4 功率方向型保護電路3.4.4 監視保護對使用雙屏蔽電纜的，在雙屏蔽電纜的監視芯線和地線之間的絕緣電阻小于規定值或回路電阻大于規定值時，數據處理單元將實施定時限速斷保護。絕緣監視電壓采集電路如圖5所示。 圖53.4.5 失壓過壓保護3.4.6 缺相保護當三相負載中的電流不平衡率大于整定值時，數據處理單元P89C51RB2發出動作指令進行保護。不平衡率為三相電流中的最大值和最小值的差值與額定電流值的比值，不平衡率可由用戶設定。 3.5 鍵盤與顯示電路3.5

37、.1 鍵盤本保護裝置設有自檢、調整、查詢、復位四個按鍵。各按鍵除具有上述第一功能外，還具有第二功能，按鍵第二功能主要用于本保護裝置參數的調整。在參數調整狀態下，自檢按鍵、調整按鍵、查詢按鍵的功能依次是選擇參數、增大參數、減小參數?？梢岳眠@些按鍵完成過載倍數、短路倍數、零序電流、零序電壓、漏電延時、電流變比、保護方式(指漏電保護是采用電流型還是功率方向型)和電流不平衡率的整定。在正常狀態，按下“自檢”按鍵，本保護裝置會自動檢測過載、短路、漏電、監視各項保護功能是否正常，如以上各項保護功能正常，則液晶屏幕顯示“開關自檢正?！?，并控制開關分閘。按下“復位”按鍵，返回正常狀態。故障查尋功能是新型電氣

38、設備的重要特點，故障查尋系統與顯示裝置配合，使故障查尋系統完善且直觀，可以幫助我們對各種保護裝置動作而引起的跳閘進行仔細查尋，為電氣設備的正常維護、檢修帶來了極大的方便。本保護裝置能記錄最近九次發生故障的原因和故障發生時間。在正常狀態下，按下“查詢”按鍵，可以查詢故障原因及發生的日期、時間。每按一下“查詢”按鍵，顯示一次，如此循環往復。若想由查詢狀態返回正常狀態，按下“復位”按鍵即可。3.5.2 顯示電路顯示電路選用香港精電公司生產的QH200I液晶顯示器(LCD)，其點陣數為12864，內藏有K)108(死亡形狀)控制器。顯示電路正常工作時，顯示當前電網電壓值、負載電流值、開關分合閘情況、當

39、前的時間；故障狀態下，顯示發生故障的原因、故障瞬間的電壓值和電流值、開關分合閘情況、發生故障的時間；參數調整狀態下，顯示參數名稱、當前數值及單位。3.6 電源電路電源電路采用美國國家半導體公司生產的LM2576開關電源，它是一個單片集成電路，效率比流行的三端線性穩壓器要高的多，功耗非常低，一般不需要外加散熱片。另外其外部只需4個器件支持就可工作，電路如圖6所示 圖6 LM2576電源電路4 軟件設計4.1 概述P89C51RB2具有16K并行可編程的非易失性閃光程序存儲器，并可實現對器件串行在系統編程ISP 和在應用中編程(IAP) 在系統編程ISP在-系統規劃當MCU 安裝在用戶板上時允許用

40、戶下載新的代碼在應用中編程IAP在-請求規劃MCU 可以在系統中獲取新代碼并對自己重新編程這種方法允許通過調制解調器連接進行遠程編程片內ROM 中固化的默認的加載程序靴加載器允許ISP 通過UART 將程序代碼裝入閃光存儲器而閃光代碼中則不需要加載程序對于IAP 用戶程序擦除和重編程閃光記憶的操作是通過使用片內ROM 中的標準程序該器件的1 個機器周期由6 個時鐘周期組成因此運行速度是傳統80C51 的2 倍一個OTP 配置位可讓用戶選擇傳統的12 時鐘周期該系列單片機是80C51 微控制器的派生器件是采用先進氧化物半導體工藝制造的8 位微控制器指令系統80C51 完全相同有4 組8 位我/O

41、口3 個16 位定時/計數器多個中斷源4 個中斷優先級嵌套中斷結構1 個增強型UART 片內振蕩器及時序電路新增的特性使得89C51RB2/RC2/RD2 成為功能更強大的微控制器更好地支持應用于脈寬調制高速我/O遞增/遞減計數能力如電機控制等場合。4.1.1 邏輯符號4.1.2 管腳描述管腳描述名稱浸LCCQFP類型名稱和功能Vss202216I地Vcc名稱404438I電源提供掉電,空閑,正常工作電壓P0.0-0.739-3243-3637-30I/OP0 口: P0 口是開漏雙向口,可以寫為1 使其狀態為懸浮,用作高阻輸入.P0 也可以在訪問外部程序存儲器時作地址的低字節,在訪問外部數據

42、存儲器時作數據總線,此時通過內部強上拉傳送1.P1.0-1.71-8123456782-92345678940-441-34041424344123I/OI/OIII/OI/OI/OI/OI/OP1 口: P1 口是帶內部上拉的雙向我/O口,向P1 口寫入1時,P1 口被內部上拉為高電平,可用作輸入口.當作為輸入腳時,被外部拉低的P1 口會因為內部上拉而輸出電流(見DC 電氣特性) .P1 口第2 功能:T2(P1.0) 定時/計數器2 的外部計數輸入/時鐘輸出T2EX(P1.1) 定時/計數器2 重裝載/捕捉/方向控制ECI(P1.2): PCA 的外部時鐘輸入CEX0(P1.3): PCA

43、 模塊0 捕獲/比較模式的外部我/O腳CEX1(P1.4): PCA 模塊1 捕獲/比較模式的外部我/O腳CEX2(P1.5): PCA 模塊2 捕獲/比較模式的外部我/O腳CEX3(P1.6): PCA 模塊3 捕獲/比較模式的外部我/O腳CEX4(P1.7): PCA 模塊4 捕獲/比較模式的外部我/O腳P2.0-2.721-2824-3118-25I/OP2 口: P2 口是帶內部上拉的雙向I/O口,向P2 口寫入1時,P2 口被內部上拉為高電平可用作輸入口,當作為輸入腳時,被外部拉低的P2 口會因為內部上拉而輸出電流(見DC 電氣特性) 在訪問外部程序存儲器和外部數據時,分別作為地址高

44、位字節和16 位地址(MOVX DPTR), 此時通過內部強上拉傳送1. 當使用8 位尋址方式(MOV Ri)訪問外部數據存儲器時,P2 口發送P2 特殊功能寄存器的內容.P2.7 在編程/擦除時必須為”1”P3.0-3.710-17101112131415161711,13-1911131415161718195,7-13578910111213I/OIOIIIIIIP3 口:P3 口是帶內部上拉的雙向I/O口,向P3 口寫入1時,P3 口被內部上拉為高電平可用作輸入口.當作為輸入腳時,被外部拉低的P3 口會因為內部上拉而輸出電流(見DC 電氣特性). P89C51RX2 的P3 口腳具有以

45、下特殊功能:RxD(p3.0): 串行輸入口TxD(P3.1): 串行輸出口INT0(P3.2): 外部中斷0INT1(P3.3): 外部中斷T0(P3.4): 定時器0 外部輸入T1(P3.5): 定時器1 外部輸入WR(P3.6): 外部數據存儲器寫信號RD(P3.7): 外部數據存儲器讀信號RST9104I復位:當晶振在運行中,只要復位管腳出現2 個機器周期,高電平即可復位,內部有擴散電阻連接到Vss ,僅需要外接一個電容到Vcc, 即可實現上電復位.ALE303327O地址鎖存使能: 在訪問外部存儲器時,輸出脈沖鎖存地址的低字節,在正常情況下,ALE 輸出信號恒定為1/6 振蕩頻率.并

46、可用作外部時鐘或定時,注意每次訪問外部數據時一個ALE 脈沖將被忽略.ALE 可以通過置位SFR auxililary.0 禁止.置位后ALE 只能在執行MOVX 指令時被激活.PSEN293227O程序存儲使能: 讀外部程序存儲.當從外部讀取程序時,PSEN 每個機器周期被激活兩次,在訪問外部數據存儲器PSEN 無效,訪問內部程序存儲器時PSEN 無效.EA/Vpp313529I外部尋址使能/編程電壓:在訪問整個外部程序存儲器時,EA 必須外部置低.如果EA 為高時,將執行內部程序.當RST 釋放后EA 腳的值被鎖存,任何時序的改變都將無效.該引腳在對FLASH 編程時用于輸入編程電壓(Vp

47、p).XTAL1192115I晶體1:振蕩反向放大器輸入端和內部時鐘發生電路輸入端XTAL2182014O晶體2:振蕩反向放大器輸出端注: 為了避免”latch-up”對上電的影響,任意管腳(Vpp 除外)上的電壓最大不能高于Vcc+0.5,最低不能低于Vss- 0.5.4.2 主程序流程圖開始：程序初始化上電自檢采集電壓，三相電流，零序電流，零序電壓，監視信號等數據是否有鍵按下進入參數調整狀態對保護裝置進行自檢控制開關分閘清楚各單元數據，使程序返回正常狀態顯示上次發生故障的原因及發生日期時間顯示故障原因及發生時間并控制開關分閘顯示當前電壓，電流，開關分合情況及日期時間故障判斷？進行數字濾波及

48、數據分析4.3 鍵盤子程序4.3.1 鍵盤掃描鍵盤實質上是一組按鍵開關的集合，通常，鍵盤所用開關為機械開關，均利用了機械觸電的合，斷作用。一個電壓信號通過機械觸點的斷開，閉合過程，其行線電壓輸出波形如圖所示： （a） 按鍵開關 （b） 鍵閉合時行線輸出電壓波形4.3.2 流程圖 開始有鍵閉合嗎軟件延時10MS有鍵閉合嗎確定按鍵位置閉合鍵釋放按鍵值返回4.3.3 鍵盤掃描子程序當按鍵的時候，就可以由單片機進行鍵盤掃描，獲得按鍵信號。對于鍵盤掃描的子程序，我們首先把鍵盤驅動線的第一根線D0置高，然后分別再檢測信號線K0K3是否有高電平的信號，如果有信號，那么就證明這根信號線與D0相交處的按鍵被按下

49、了，單片機就讀入這個鍵值。如果所有4根信號線都沒有信號，那么，我們把D0置低，把D1置高，再一次檢測信號線有沒有信號。由于鍵盤掃描的速度很快，而人按鍵總會持續一定的時間，因此，只要單片機處在等待輸入的狀態，基本上不會錯過任何一個按鍵信號。程序代碼見附錄。4.3.4 鍵盤的消抖動程序實踐證明，鍵盤掃描會出現一些錯誤的信號。如圖所示，一般人按鍵會有抖動，是抖動信號的原因。 鍵盤抖動信號因此，我們需要有一個消除抖動的程序。讓單片機不響應一些相關的抖動信號，而只響應一次確認存豐的按鍵信號。消抖動程序是這樣實現的，當我們檢測到一個脈沖信號時，并不立即認為是一次按鍵，而是延時一段時間以后再進行檢測，如果三

50、次檢測都有信號，那么就認為有一次按鍵動作發生了。同時，在今后一段時間內的按鍵脈沖不再響應，認為這是干擾信號。延時的選擇非常重要，太快了，起不到消除抖動的效果，太慢了又讓鍵盤不太靈活，錯過較多的按鍵信號。程序代碼見附錄。4.4 液晶顯示和驅動程序將COM中的控制字 送E1控制器 CWE ()讀E1的狀態字E1驅動器忙返回CWE1（）子程序程序流程圖將DAT中的數據送E1 顯示DWE ()讀E1的狀態字E1驅動器忙返回DWE1（）子程序程序流程圖4.5 A/D轉換根據MAX 197芯片的特點和使用要求，利用MAX197和89C51單片機組成的信號采集電路的基本方案如圖所示： 單片機MAX197電源

51、基準信號時鐘基準VBUSCS利用單片機控制MAX 197模數轉換代碼如下： 開始函數定義中斷服務程序空循環 中斷服務程序檢查MAX197轉換是否完成返回讀低位數據讀高位數據RETURN（0）4.6 I/O擴展I/O接口是8051單片機與外部設備交換信息的橋梁。I/O擴展也屬于系統擴展的一部分。雖然8051本身具有I/O口，但是已經被系統總線（P0口和P2口用作16位地址總線和8位數據總線）占用了一部分，真正用作I/O口線已經不多，只有P1口的8位I/O線和P3口的某些位線可作為輸入輸出線使用。鑒于8051的I/O資源有限，因此，在多數應用系統中，8051單片機都需要外擴I/O接口電路。4.7

52、外部RAM 4.8 指令冗余及軟件陷阱4.8.1 指令冗余當CPU受到干擾后，往往將一些操作數當作指令碼來執行，引起程序運行混亂。這時我們首先要盡快將程序納入正軌（執行真正的指令系列）。 程序跑飛后往往將一些操作數當作指令碼來執行，從而引起整個程序的混亂。因此，在關鍵的地方人為的插入一些單字節指令（NOP），或將有效單字節指令重復書寫，這便是指令冗余。4.8.2 軟件陷阱指令冗余亂飛的程序安定下來是有條件的，首先亂飛的程序必須落到程序區，其次必須執行到冗余指令。當亂飛的程序落到非程序區時，前一個條件即不滿足。當亂飛的程序在沒有碰到冗余指令之前，已經自動形成一個死循環，這時第二個條件也不滿足。對

53、付前一種情況采取的措施就是設立軟件陷阱，對于后一種情況可采取“看門狗”技術來解決。所謂軟件陷阱，就是一條引導指令，強行將捕獲的程序引向一個指定的地址，在那里有一段專門對程序出錯進行處理的程序。如果我們把這段程序的入口標號稱為ERR的話，軟件陷阱即為一條LJMP ERR指令。為加強其捕捉效果，一般還在它前面加兩條NOP指令。因此，真正的軟件陷阱由三條指令構成：NOP NOPLJMP ERR結論本設計本文介紹的高壓開關綜合保護系統可以實現對電網運行參數的監測以及保護和通信功能。該系統具有故障響應與處理速度快、性能可靠、模塊化程度高、靈活、可擴展和可移植等特點。同時，該系統可以廣泛地支持網絡、文件系

54、統以及各種通信協議。詳細說明了智能型高壓開關綜保裝置的硬件接口電路和軟件設計。本綜合保護裝置具有過載、短路、漏電(包括電流型和功率方向型) 、監視、過壓、失壓、缺相等保護功能。該裝置具有性能可靠、功耗低、體積小、功能強的特點?；緷M足高壓開關中的綜合保護系統應滿足的4項基本要求：第一，選擇性保護的動作應具有選擇性，即它是有選擇地切除電網中發生故障的支路，而保證非故障支路供電的連續性，盡量縮小中斷供電的范圍；第二，可靠性保護系統能準確判斷故障，可靠執行命令；但當其他支路發生故障時，本支路保護不應發出跳閘命令，即不產生誤動的現象；第三，快速性本支路發生故障后，保護系統應快速動作，防止故障范圍擴大，

55、降低電氣設備的損壞程度；第四，靈敏度保護系統應具有較強反應故障的能力，即不論在保護范圍的始端還是在保護范圍的末端發生故障，保護系統均應準確反應，甚至在后備保護范圍發生故障時，也直具有一定的反應能力。因此，該綜合保護系統滿足了高壓開關系統可靠性、安全性和連續性的要求，在電力系統中的用途將十分廣闊。致謝經過幾個月的努力，畢業論文終于到了劃句號的時候，心頭照例該如釋重負，但寫作過程中常常出現的輾轉反側和力不從心之感卻揮之不去。論文寫作的過程并不輕松，壓力時時襲擾，知識的積累尚欠火候，于是，我只能一次次埋頭于圖書館中，一次次在深夜奮筆疾書。第一次花費如此長的時間和如此多的精力，完成一篇具有一定學術價值

56、的論文，其中的艱辛與困難難以訴說，但曲終幕落后留下的滋味，值得我一生慢慢品嘗。敲完最后一個字符，重新從頭細細閱讀早已不陌生的文字，我感觸頗多。雖然其中沒有什么值得特別炫耀的成果，但對我而言，是寶貴的。它是無數教誨、關愛和幫助的結果。我要感謝我的指導老師。老師雖身負教學、科研重任，仍抽出時間，不時召集我和同門以督責課業，殷殷之情盡在諄諄教誨中。從初稿到定稿，大到篇章布局的偏頗，小到語句格式的瑕疵，老師的嚴謹治學的作風給我留下了深刻的印象。我還要感謝學院的各位工作人員，他們細致的工作使我和同學們的學習和生活井然有序。讓我依依不舍的還有各位室友。在我需要幫助的時候，她們伸出溫暖的雙手，鼎立襄助。能和

57、她們相遇、相交、相知是人生的一大幸事。本論文的完成遠非終點，文中的不足和淺顯之處則是我新的征程上一個個新的起點。參考文獻：1 何立民MCS一51系列單片機應用系統設計系統配置與接口技術北京航空航天大學出版社2 馬忠梅，等單片機的C語言應用程序設計北京航空航天大學出版社3 中華人民共和國能源部.煤礦安全規程能源安保19921017號S.北京:煤炭工業出版社,1992.4 李勇 楊玉軍 別姝紅 等.井下高壓電網監控保護系統的設計J.煤礦機電,2004,1(18):1-3.5 梁合慶 梁韜.MCS系列16位單片微機實用手冊M.北京:電子工業出版社,19956 電力系統微機保護培訓教材 北京:中國電力

58、出版社 楊新民， 2000 / / P附錄：鍵盤掃描子程序：#include#include#define TRUE 1#define FALSH 0 /以上語句定義兩個BOOL常量的值#define DELAY_VALUE 3 /以上語句定義延時的值#define PinDrvKey1 P1_0#define PinDrvkey2 P1_1#define PinDrvKey3 p1_2#define PinDrvKey4 p1_3 /以上語句定義鍵盤掃描的驅動線#define PinScanKey1 p1_4#define PinScanKey2 p1_5#define PinScanKey

59、3 p1_6#define PinScanKey4 p1_7 /以上語句定義鍵盤掃描的信號獲取線#define Pinlamp1 P0_1 /以上語句定義指示燈驅動管腳Sbit P0_0=P00;Sbit P0_1=P01;Sbit P0_2=P02;Sbit P0_3=P03;Sbit P0_4=P04;Sbit P0_5=P05;Sbit P0_6=P06;Sbit P0_7=P07;Sbit P1_0=P10;Sbit P1_1=P11;Sbit P1_2=P12;Sbit P1_3=P13;Sbit P1_4=P14;Sbit P1_5=P15;Sbit P1_6=P16;Sbit P1_7=P17;Sbit P2_0=P20;Sbit P2_1=P21;Sbit P2_2=P22;Sbit P2_3=P23;Sbit P2_4=P24;Sbit P2_5=P25;Sbit P2_6=P26;Sbit P2_7=P27