毕业设计（论文）微机电动机过热及热闭锁保护单元硬件

1、微机电动机过热及热闭锁保护单元硬件毕业设计说明书摘 要 本文介绍了一种基于pic16f877单片机的电动机过热及热闭锁保护装置的硬件系统设计。这一设计利用电动机正、负序等效电流实现电动机的过热及热闭锁保护。具有高性价比、高可靠性、智能化等特点。给出了保护动作的模型和算法。系统能对电动机的热过载故障做出准确判断且具有良好的可靠性、重复性，其动作值、动作时间的精度能达到一般工业现场的要求。系统还能与上位管理计算机进行串行通讯。 关键词：电动机 ；热过载及热闭锁保护 ；单片机 ；串行通讯 abstract the paper describes the hardware configuration

2、design of an electronic thermaloverload and thermallock protector with pic16f877 single chip. this design uses a method for microcontroller-based relay of motor thermaloverload and thermallock. this intelligent protector has a high performance-cost ration. its reliability is improved. the paper give

3、s mathematical model of the protection, discrete algorithm and realizing method based on microcontroller. the protector can make precise judgement to motor thermaloverload and have higher reliability and repetition. the precisions of its action value and action time can meet the need of general engi

4、neering application. it also can realize serial communication to the superior computer by rs-232c interface chip.key words: motor ; thermaloverload and thermallock protection ; single chip ; serial communication 第一章 绪论电动机已广泛应用于冶金、化工、纺织、石油、电力等国民经济的主要部门，因此，电动机保护装置的研究与推广对国民经济有着重要意义。微机化、数字化、网络化是电动机保护装置研

5、究、发展的方向。近年来具有上述特点的智能型电动机保护装置已经得到广泛的应用。微机电动机保护装置实质是一种依靠单片机智能地实现保护功能的工业控制装置。它一般实现电动机的综合保护，包括短路保护、过热及热闭锁保护、不平衡保护、接地保护、启动时间过长及频繁启动保护、低电压保护和纵差动保护等。同传统的继电器保护装置相比，微机保护装置具有保护全面、准确、通用性强的优点，现在正越来越广泛地被应用于电动机保护领域。电动机过热及热闭锁保护装置实际是电动机微机综合保护装置的一个重要部分，具有很强的现实意义和重要性。电动机在使用过程中总会有一部分能量变成热能损耗掉，并引起电动机发热，温度升高。温度越高，电动机内的绝

6、缘材料越容易老化，严重老化时会出现绝缘材料变脆破裂，或发生绝缘击穿，造成短路及触电事故。更严重时甚至可能引起人员受伤、火灾等严重事故，因此电动机都应设置过热保护装置。本设计主要是使用微机（单片机）来实现对与电动机温度相关的电流采集，过热跳闸，以及热闭锁的保护功能。11 电动机保护的发展 三相交流电动机因其结构简单、成本低廉、运行可靠、维护方便、机械特性能满足大多数生产机械的要求等优点被广泛地应用于发电厂、化工厂以及工矿企业中，成为所有动力设备中的主力军，因此对它的保护就具有非常重要的现实意义。电动机在烧毁过程中因发热所消耗的电能是极大的，每年仅因电动机烧毁所耗电能达数十亿kwh，因材料报废所产

7、生的间接耗能更是巨大的，所以必须重视电动机保护这一重要环节。目前在技术先进国家电动机保护已具有较高水平。 我国电动机保护历史己有半个世纪之久，电动机保护的发展大致可以分为以下几个阶段 （1） 以熔断器、接触器和热继电器构成的保护方式:熔断器与刀开关是使用最早、最简单的保护方式。熔断器主要是用于短路故障或严重过载时保护供电设备和供电网络的，实际上它对电动机不起直接保护作用。当熔体熔断时，又往往会造成电动机缺相运行而烧毁。许多人把熔断器的作用看作是保护电动机，是一个概念错误。现行的熔断器熔体截面选择按电动机额定电流1.52.5倍来选择是不符合实际的。电动机起动时受到57倍额定电流冲击，但因时间短，

8、理论上是可以在熔体不熔断的情况下通过熔体，但由于熔体在制造工艺、时效和安装上存在随机“缺陷”，在电动机起动时很容易发生部分相首先熔断，而使电动机处于缺相运行，造成烧毁事故。热继电器是我国50年代初从前苏联引进的产品，是用于电动机因过载引起的过电流保护装置。因为热继电器具有反时限特性和结构简单、使用方便等优点，一直延用至今。但是热继电器对起动过程中的电动机不起保护作用，且环境温度对热继电器参数影响较大，不稳定，双金属片整定方法粗糙。热继电器安装在电动机壳外，一旦发生通风受阻、堵转、长期轻微过载使电动机绕组产生热积累等，热继电器就无法保护电动机。原因是热继电器串接在主电路中，与电动机绕组温度无直接

9、关系。另外热继电器本身是一个耗能元件，在动作过程中要消耗较多的电能。而当热继电器真正起到保护作用动作几次，其本身的电阻丝、绝缘材料会因过热而迅速损坏，不能继续使用，必须全套更换。 (2)温度继电器保护方式:温度继电器也是采用双金属片制成的圆盘形继电器，其结构简单、动作可靠，装在电动机内部靠温度动作。但动作缓慢、返回时间长，不适合在小型电动机中使用。 (3)电子式保护装置保护方式:随着电子技术的迅速发展，电子式电动机保护装置应运而生。该类产品具有成本低、体积小等特点，但其保护过于简单，对许多场合的电动机不适用。 (4)微机型电动机保护装置保护方式:随着电力系统微机继电保护的不断发展，并有其与传统

10、保护明显不同的特点，在电动机保护中得到不断的应用。微机型电动机保护装置只需要通过采集电动机各序分量，经过计算，判断保护动作与否，非常简单、实用和可靠。许多新的电动机保护原理和方案，以及能够改善电动机保护性能的一些复杂先进算法在微机型电动机保护装置中也很容易得到实现。这些使得微机型电动机保护装置保护功能齐全，动作迅速、可靠性高，并能准确快速反映故障，具有装置动作指示，可记录和查询装置动作类型、动作时间以及故障特征值，便于故障分析，正常运行时可对电动机的运行状况进行监测。所以，微机型电动机保护装置逐渐被广大用户所接受，逐渐取代传统的保护方式成为电动机保护方式中的主流。1.2 微机电动机保护的特点

11、计算机在电动机保护领域的应用和它在其它所有传统产业中的应用一样，是由于电动机保护本身的进一步发展在技术手段上的需要。由于生产现场对电动机保护的各种不同参数、不同的状态变量、不同的过程，快速、准确无误地检测判断和执行等方而提出了对越来越高的要求，而计算机则能满足这一要求，因此它就越来越广泛地应用于这一领域。 微机保护最早应用于电力系统的继电保护。实际上，在六十年代就有人提出了应用计算机构成继电保护装置的想法。到了七十年代中期随着微处理器和微型计算机的实用化，使计算机保护研究上了一个新台阶。我国是在七十年代末、八十年代初开始微机继电保护研究的。随着体积小、价格低、使用简单方便、功能强大的各种单片机

12、、微型计算机的不断涌现，为计算机技术应用于继电保护提供了广阔的前景，特别是近几年在设备保护、线路保护、远程监控、配电自动化等方面取得了一些可喜的成绩。这说明我国微机继电保护进入了重要的发展阶段。在此基础上，电动机的微机保护也取得了长足的发展。各种基于微机、单片机的电动机保护装置也不断出现在市场上。 微机电动机保护主要是通过输入接口检测、分析计算电动机的有关电量和判定系统设备是否发生故障，决定是否发出跳闸信号并通过输出接口送至系统及设备。此外还要记录故障信息，方便地实现人机对话等。 与传统的电磁型保护和晶体管保护相比较，微机保护特别是单片微控制器保护以其方便、灵活、可靠、经济等独特的优点，为理论

13、研究和实际应用提供了更先进的手段。 与传统的保护装置相比，微机保护具有如下优点: 微处理器具有强大的运算能力、判断能力，能按要求快速准确地计算，并进行逻辑判断。并可将自适应控制，随机控制及模糊控制等引入保护。 良好的记忆存贮能力，可方便地获取故障信息并在断电情况保存故障信息及整定值。信息不丢失。 可与其它微型机组网，实现远程监控、远程诊断及分布式控制、信息网控制。 可靠性高。微机保护通过系统自检，能及时发现软件和硬件故障。 通用性强。微机保护通过改变软件设计，可实现不同的微机保护，达到不同的特性，具有通用性。 体积小。与传统的电磁型和晶体管式保护相比，体积要小得多。 经济性好。随着大规模集成电

14、路芯片的不断发展，微处理器价格不断下降，功能不断增强，使经济性不断提高。 更改整定值容易。微处理器通过外围设备，使人机对话更加方便容易，可方便地就地或通过集控室更改整定值。 通过上面分析可以看到传统的保护装置是无法达到微机保护的技术水平的。微机保护具有明显的优势。 然而，作为一种新技术，它同样也存在如下一些缺点。 对抗浪漏、干扰能力较弱。 对使用、维护人员要求较高。 硬件很快过时，更新、淘汰周期短。尽管如此，微机电动机保护的前景是光明的，它的发展趋势是不可动摇的，随着技术的发展，相信这些问题逐渐会得到解决。第二章 设计思路和方案论证2.1 设计方案的确定2.2 设计内容本设计是微机电动机过热及

15、热闭锁保护装置的硬件设计，即通过对单片机外围电路的设计结合对单片机编程来完成保护功能。整个装置需要完成测量、采集、转换、显示、输入、输出等功能。本设计使用的是pic16f877型单片机，pic单片机是美国microchip技术公司生产的系列单片机。microchip公司是世界上8位单片机年生产量最高的前两大厂商之一，它生产的pic系列单片机具有硬件系统设计简洁、指令系统设计精炼、集成外围模块多、功耗低、性能稳定等特点。pic系列单片机的主要优点是：1、哈佛总线结构；2、指令单字节化；3、精简指令集（risc）技术；4、寻址方式简单；5、代码压缩率高；6、运行速度快；7、功耗低；8、驱动能力强；

16、9、拥有多种串行总线接口；10、寻址空间设计简洁；11、外接电路简单；12、支持c语言编程；13、程序保密性强；14、品种丰富，使用方便。 pic16f87x系列属于pic系列单片机的中、高档产品，而877型单片机是该系列单片机中性能最好的机型。我们通过对各种单片机的性能进行比较，结合本系统的特点，决定选用pic16f877作为系统的主要控制元件。 pic16f877型单片机为40脚封装，采用risc结构，具有33个高驱动能力的i/o端口（可直接驱动数码管led 显示），片内含8k14字节可重复多次写入的闪速flash程序存储器；3688字节数据存储器（ram）；2568字节eeprom数据存

17、储器。3个定时/计数器；10位8通道高速a/d转换器；中断源多达14个。另外还具有片内wdt 和掉电保护功能，因而具有良好的抗干扰能力，非常适用于工业现场控制。该型单片机丰富的硬件资源将在系统设计中得到充分利用，辅以较少的外围器件，就可构成一个功能完善、简便适用的系统，给设计带来不少方便。2.5设计思想设计思想：过热是电动机损坏的重要原因。本设计采用通过采集到的电流幅值来模拟电动机的发热情况，充分考虑了热的积累过程，采用热积分的方法，考虑了发热与散热的动态过程，当发热大于散热时，热进行积累；当发热小于散热时，热量散失。正序电流和三相电源电压不平衡等原因产生的负序电流是电动机发热的根源，通过计算

18、可根据上两项和电动机的散热量得出电动机的综合热积累量。分析电动机的综合热积累量可作为电动机发热是否正常的依据，一旦电动机运行发热处于非正常状况下，过热保护指示灯将开始快速闪烁，同时系统将开始自动计算积累过热量。当积累过热量大于整定值时，系统自动向出口继电器发出信号，切断电源，对电动机实施过热保护。热闭锁保护的作用是当电动机仍处于过热状态下时，禁止电动机再启动，避免由于过大的启动电流引起过高的温升，损坏电动机。这一保护的实现是基于过热保护采集的电流值来完成的。一旦电动机处于非正常状态，系统开始计算积累过热量，当系统对电动机实施过热保护后，且此时热闭锁保护处于投运状态，则在跳闸后出口继电器并不返回

19、；如果是其它保护作用于跳闸，甚至在电动机的正常切除后再次启动时，热闭锁保护即检查积累过热量是否在整定值以下，否则就使出口继电器动作，断开断路器的合闸回路。当故障或电动机启动电流消失后，其积累过热量即按照指数规律衰减，当衰减到其整定值以下时，热闭锁保护即断开出口继电器，解除合闸闭锁。关键问题：1、 电动机定子回路正序电流，负序电流值的采集。2、 pic单片机系统自动实现计算积累过热量，以及判断动作标准、实现保护动作的程序设计。3、 编写能够实现针对不同电动机，可设定一定范围内任意值的温升时间常数、负序电流过热系数、以及积累过热量动作值的程序。技术方案： 根据系统的功能特点和设计要求，可画出如下系

20、统的原理框图。（注：系统原理图中本应有a d 转换模块，但考虑到pic 单片机中已有此功能模块，故省去。） 第三章 单片机系统3.1 pic系列单片机的特点随着大规模集成电路（lsi）制造技术的飞速发展，电脑正朝着两个明显的方向（即两大分支）发展：一是微型计算机系统的性能不断提高，以满足高速度大容量的“数据处理”；二是单片微机的功能日益完善，以满足诸多领域各种错综复杂的“现场控制”。在1975年德克萨斯仪器公司发明的世界上第一个4位单片机tms1000诞生后，一些大型微电子公司竞相研制开发了各种单片机系列产品。从字长方面划分，单片机有4位、8位、16位、32位四大类，其中前三类占据了单片机市场

21、的主要份额，在这三类单片机当中，8位机又一直为主流产品。较具有代表性的4位单片机有美国德克萨斯仪器公司的tms1000，日本电气公司（nec）的pd75系列，美国国家半导体公司（ns）的cop400系列，美国洛克威尔公司（rockwell）的pps/1系列，日本松下公司的mn1400系列，日本富士通公司的mb88系列以及日本夏普公司的sm系列等等。较具有代表性的8位单片机有美国微芯片公司的pic16c系列、pic17c系列、pic1400系列，美国英特尔公司的mcs48和mcs51系列，美国摩托罗拉公司的mc68hc05系列和mc68hc11系列，美国齐洛格公司的z8系列，日本电气公司的pd7

22、8系列，美国莫斯特克公司和仙童公司合作生产的f8(3870)系列等。 较具有代表性的16位单片机有美国莫斯特克公司的mc68200，美国英特尔公司的mcs96系列，日本电气公司的pc14040系列，美国国家半导体公司（ns）的783系列等。目前，单片机正朝着片内存储器ram和rom容量大、i/o端口功能多、电源电压范围宽、功率消耗低、操作速度快的方向发展。pic系列单片机的硬件系统设计简洁，指令系统设计精炼。在所有的单片机品种当中，它是最容易学习、最容易应用的单片机品种之一。对于单片机的初学者来说，若选择pic单片机作为攻入单片机王国的“突破口”，将是一条最轻松的捷径，定会取得事半功倍的功效。

23、目前已有好几家著名半导体公司仿照pic系列单片机，开发出与之引脚兼容的系列单片机，比如美国scenix公司的sx系列、台湾emc公司的em78p系列、台湾mdt公司的mdt系列等。 pic系列单片机具有以下特点：（1）采用哈佛结构。在国内最常见的单片机中，pic系列单片机是唯一一种在芯片内部采用哈佛结构的机型。这里所说的“哈佛结构”就是，在芯片内部将数据总线和指令总线分离，并且采用不同的宽度。这样做的好处是，便于实现“流水作业”，也就是在执行一条指令的同时对下一条指令进行取指操作，而在一般的单片机中，指令总线和数据总线是共用的。 （2）指令的“单字节化”。因为数据总线和指令总线是分离的，并且采

24、用了不同的宽度，所以程序存储器rom和数据存储器ram的寻址空间是互相独立的，而且两种存储器宽度也不同。这样设计不仅可以确保数据的安全性，还能提高运行速度和实现全部指令的“单字节化”。在此所说的“字节”，特指pic单片机的指令字节，而不是常说的8比特字节。例如，pic12c50/ pic16c5系列单片机的指令字节为12比特；pic16c6/ pic16c7/ pic16c8系列的指令字节为14比特；pic17c系列的指令字节为16比特。它们的数据存储器全为8位宽。而mcs51系列单片机的rom和ram宽度都是8位，指令长度从1个字节（8位）到3个字节长短不一。 （3）精简指令集（risc）技

25、术。pic系列单片机的指令系统只有35条指令。这给指令的学习、记忆、理解带来很大的好处，也给程序的编写、阅读、调试、修改、交流带来极大的便利，真可谓“易学好用”。而mcs51单片机的指令系统共有111条指令，mc68hc05单片机的指令系统共有89条指令。pic系列单片机不仅全部指令均为单字节指令，而且绝大多数指令为单周期指令，以利于提高执行速度。（4）寻址方式简单。寻址方式就是寻找操作数的方法。pic系列单片机只有4种寻址方式（即寄存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址，以后将作详细解释），容易掌握，而mcs51单片机则有7种寻址方式，68hc05单片机有6种。（5）代码压缩率高。 1k

26、字节的存储器空间，对于像mcs51这样的单片机，大约只能存放600条指令，而对于pic系列单片机则能够存放多达1024条指令条数。从图1中可以看出，与几种典型的单片机相比，pic16c5是一种最节省程序存储器空间的单片机。也就是说，完成相同功能的一段程序所占用的空间，mc68hc05是pic16c5的2.24倍。 （6）运行速度高。由于采用了哈佛总线结构，又由于指令的读取和执行采用了流水作业方式，pic系列单片机的运行速度大大提高。从图2中可以看出，pic系列单片机的运行速度远远高于其它相同档次的单片机。在所有8位机中，pic17c是目前世界上速度最快的品种之一。（7）功耗低。pic系列单片机

27、的功率消耗极低，有些型号的单片机在4mhz时钟下工作时耗电不超过2ma，在睡眠模式下低到1a以下。（8）驱动能力强。i/o端口驱动负载的能力较强，每个i/o引脚吸入和输出电流的最大值可分别达到25ma和20ma，能够直接驱动发光二极管、光电耦合器或者微型继电器等。（9）具备i2c 和spi串行总线端口：pic系列单片机的一些型号具备i2c 和spi串行总线端口。i2c和spi分别是由philips和motorola公司发明的在芯片之间实现同步串行数据传输的两种串行总线技术。利用单片机串行总线端口可以方便灵活地扩展一些必要的外围器件。串行接口和串行总线的设置，不仅大大地简化了单片机应用系统的结构

28、，而且还极易形成产品电路的模块化结构。目前，松下、日立、索尼、夏普、长虹等公司都在其大屏幕彩电等产品中引入了i2c技术。（10）寻址空间设计简洁。pic系列单片机的程序、堆栈、数据三者各自采用互相独立的寻址（或地址编码）空间，而且前两者的地址安排不需要用户操心，这会受到初学者的欢迎。而mc68hc05和mc68hc11单片机的寻址空间只有一个，编程时需要用户对程序区、堆栈区、数据区和i/o端口所占用的地址空间作精心安排，这样会给高手的设计上带来灵活性，但是也会给初学者带来一些麻烦。（11）外围电路简洁。pic系列单片机片内集成了上电复位电路、i/o引脚上拉电路、看门狗定时器等，可以最大程度地减

29、少或免用外围器件，以便实现“纯单片”应用。这样，不仅便于开发，而且还可节省用户的电路板空间和制造成本。（12）开发方便。通常，业余条件下学习和应用单片机，最大的障碍是实验开发设备昂贵，使许多初学者望而却步。微芯片公司及其国内多家代理商，为用户的应用开发提供了丰富多彩的硬件和软件支持。有各种档次的烧录器（或称编程器）和硬件仿真器出售，其售价大约从500元到2000元不等。此外，微芯片公司还研制了多种版本的软件仿真器和软件综合开发环境（mplabide），为爱好者学习与实践、应用与开发的实际操练提供了极大的方便。对于pic系列中任一款单片机的开发，都可以借助于一套免费的软件综合开发环境实现程序编写

30、和模拟仿真，再用任何一种廉价的烧录器完成程序烧写，便形成一套经济实用的开发系统。它特别适合那些不想过多投资购置昂贵开发工具的初学者和业余爱好者。借助于这套廉价的开发系统，用户可以完成一些小型电子产品的研制开发。由此可见，对初级水平的自学者来说，pic单片机是一种最为适合、最容易接近的单片机。（13）c语言编程。对于掌握了c语言的用户，微芯片公司还为其提供了“c语言编译程序”，这样的用户如果使用c语言这种高级语言进行程序设计的话，还可以大大提高工作效率。（14）品种丰富。pic系列单片机目前已形成三个层次、50多个型号。片内功能从简单到复杂，封装形式从8脚到68脚，可以满足各种不同的应用需求。用

31、户总能在其中找到一款适合自己开发目标的单片机。在封装形式多样化方面，不像mcs51系列单片机那样，大都采用40脚封装，应用灵活性受到极大的限制。此外，微芯片公司最先开发出世界上第一个最小的8脚封装的单片机。（15）规格齐全。微芯片公司对其单片机的某一种型号又可提供多种封装工艺的产品：带窗口的eprom型芯片，适合程序反复修改的开发阶段；一次编程（otp）的eprom芯片，适合于小批量试生产和快速上市的需要；rom掩模型芯片，适合大企业大批量定型产品的规模化生产；个别型号具有eeprom或flash程序存储器，特别适合初学者“在线”反复擦写、练习编程。（16）程序保密性强。目前尚无办法对pic系

32、列单片机的程序直接进行解密拷贝，可以最大限度地保护用户的程序版权。pic16f877是微芯公司的中档产品。它采用14位的类risc指令系统，在保持低价格的前提下，增加了a/d转换器、内部e2prom存储器、比较输出、捕捉输入、pwm输出（加上简单的滤波电路后还可以作为d/a输出）、i2c总线和spi总线接口电路、异步串行通信（usart）接口电路、模拟电压比较器、lcd驱动、flash程序存储器等许多功能，可以方便地在线多次编程和调试，特别适用于初学者学习和在产品的开发阶段使用；它也可以作为产品开发的终极产品。微芯公司还将flash芯片做成与otp芯片价格相近，以致可用flash芯片代替otp

33、芯片。微芯公司的单片机是品种最丰富的单片机系列之一，被广泛地应用于各种仪器和设备中。3.2单片机引脚功能定义pic16f877单片机的引脚功能定义如下表所示引 脚i/o类型缓冲器类型功 能osc1/clkin ist/cmos振荡器晶体输入/外部时钟源输入osc2/clkoutost振荡器晶体输出.在晶体振荡器方式下,接晶体或瓷谐振荡器;在rc方式下,输出fosc1/4mclr/vpp/thv i/p st主复位/编程电压输入/高电压测试方式控制,复位低电平有效ra0/an0 i/ottlra0可作模拟量输入0ra1/an1 i/ottlra1可作模拟量输入1ra2/an2/vref i/o

34、ttlrara2可作模拟量输入2/模拟参考电压负极ra3/an3/vref+ i/ottlra3可作模拟量输入3/模拟参考电压负极ra4/t0cki i/ostra4可作为timer0定时器/计数器时钟输入,输出是集电极开路ra5/ss/an4 i/otlra5可作模拟量输入口4/同步串行口的从动选择输入rb0/int i/ottl/strb0可作为外部中断信号输入rb1 i/ottlrb1rb2 i/ottlrb2rb3/pgm i/ottlrb3可作为低电压编程输入rb4 i/ottlrb4引脚电平变化会产生中断rb5 i/ottlrb5引脚电平变化会产生中断rb6/pgc i/ottl/

35、strb6引脚电平变化会产生中断/在线调试器引脚,串行编程数据线rb7/pgd i/ottl/strb7引脚电平变化会产生中断/在线调试器引脚,串行编程数据线rc0/t1oso/t1cki i/ostrc0也可作timer1振荡器输出/ timer1时钟输入rc1/tiosi/ccp2 i/ostrc1也可作timer1振荡器输入/捕捉器2输入/比较器2输出/pwm2输出rc2/ccp1 i/ost rc2也可作捕捉器1输入/比较器1输出/pwm1输出rc3/sck/scl i/ostrc3也可作spi方式的同步器行时钟输入/输出rc4/sdi/sda i/ostrc4也可作spi通信数据输入

36、线/数据i/o线rc5/sdo i/ostrc5也可作spi通信数据输出线rc6/tx/ck i/ostrc6也可作异步发送或sci同步时钟线rc7/rx/dt i/ostrc7也可作异步发送或sci同步时钟线rd0/psp0 i/o st/ttld口是双向 i/o端口,也可作为并行从动端口与单片机总线接口 rd1/psp1 i/ost/ttlrd2/psp2 i/ost/ttlrd3/psp3 i/ost/ttlrd4/psp4 i/ost/ttlrd5/psp5 i/ost/ttlrd6/psp6 i/ost/ttlrd7/psp7 i/ost/ttlre0/rd/an5 i/ost/tt

37、lre0可作为并行从动口的读控制线/模拟量输入5re1/wr/an6 i/ost/ttlre1可作为并行从动口的写控制线/模拟量输入6re2/cs/an7 i/ost/ttlre2可作为并行从动口的片选控制线/模拟量输入7vss p_逻辑信号和i/o引脚对应的接地端vdd p_逻辑信号和i/o引脚对应的电源正极nc未用3.3单片机内各模块功能简介1 a/d转换的应用 许多 应用在中，需要把模拟量转化为数字量 ，再送入单片机处理。pic16f87x系列单片机内部集成了a/d转换部件，并且有8个a/d输入通道，只需通过简单的编程，便可以实现单路或多路a/d转换的功能。另外其a/d转换还可以在休眠状

38、态下进行，由a/d转换结束中断重新激活单片机。若采用这种工作方式，在a/d采样和转换时间内，单片机主频关闭，干扰小，既提高了a/d转换的精度，又减少了功耗。a/d转换部件有以下4个寄存器：（1） a/d结果高字节寄存器（adresh）：用于存放a/d转换的数值结果的高字节；（2） a/d结果低字节寄存器（adresl）：用于存放a/d转换的数值结果的低字节；（3） a/d控制寄存器0（adcon0）：用于控制a/d转换器的操作；（4） a/d控制寄存器1（adcon1）：用于控制选择a/d引脚的功能。当a/d转换完成后，共10bit的a/d转换结果放在adresh和adresl寄存器中，go/

39、done（即adcon0的bit2）被清0，同时a/d转换中断标志adif被置1。1.adcon1寄存器各位的定义u-0 u-0 u-0 u-0 r/w-0 r/w-0 r/w-0 r/w-0adfm pcfg3pcfg2 pcfg1pcfg0bit7 bit 0r=可读位；w=可写位；u=不可操作位，读作0；-n=上电复位时的值。bit 7,adfma/d结果格式选择位。1=结果右移，adresh寄存器的高6位读作“0”；0=结果左移，adresl寄存器的低6位读作“0”。bit 64读作“0”。bit 30，pcfg3pcfg0a/d转换引脚功能选择位。 当根据需要选择好a/d转换模块后,

40、在开始转换之前,必须先选择转换通道.选中的模拟输入通道相应的方向寄存器的tris位必须被设置为输入.只有当数据采集过程完成之后,a/d转换才开始.下面是实现a/d转换的步骤.(1) 设置a/d转换模块.对模拟引脚/基准电压/数字i/o(adcon1)进行设置;选择a/d输入通道(adcon0);选择a/d转换时钟(adcon0);打开a/d转换模块(adcon0).(2) 如需要a/d中断功能,设置a/d中断.对a/d转换完成标志位adif清0(adif=0);对a/d转换中断允许位adie置1;对全局中断允许位gie置1.(3) 等待模拟量采样完成.(4) 对go/done置1.启动a/d转

41、换.(5) 等待a/d转换完成.可通过以下2种方法之一判断.软件查询go/done位的状态是否为0; 等待a/d转换完成中断.(6) 读a/d结果寄存器adresh和adresl.如果需要,对a/d转换完成中断标志adif清0.(7) 如果需要进行下一次a/d转换,根据要求转入步骤(1)或(2).每一位a/d转换时间定义为tad.从上一次转换结束到下一次转换开始至少需要等2tad. 2. adcon0寄存器各位的定义 r/w-0 r/w-0 r/w-0 r/w-0 r/w-0 r/w-0 u-0 r/w-0adcs1adcs0chs2chs1chs0go/done -adonbit 7 bit

42、 0 r=可读位；w=可写位；u=不可操作位，读作0；-n=上电复位时的值。bit 76,adcs1adcs0a/d转换时钟选择位.00=fosc/2;01=fosc/8;10=fosc/32;11=frc(用rc振荡器驱动的时钟).bit 53,chs2chs0a/d模拟通道选择位.000选择通道0,(ra0/an0);001选择通道1,(ra1/an1);010选择通道2,(ra2/an2);011选择通道3,(ra3/an3);100选择通道4,(ra4/an4);101选择通道5,(ra5/an5);110选择通道6,(ra6/an6);111选择通道7,(ra7/an7);bit 2

43、,go/donea/d转换状态位。如果adon=1：1= a/d转换正在进行，该位置1，启动a/d转换；0=未进行a/d转换（a/d转换完成后，该位自动清0）。bit 1-读作0。bit 0,adon- a/d转换允许位。1=打开a/d转换器在工作状态；0=关闭a/d转换器，且不消耗工作电流。 adcon0寄存器（地址为1fh）用于控制a/d模块的操作；adcon1寄存器（地址为9fh）用于对端口的引脚功能进行设置。这些端口引脚可以被设置成模拟输入（ra3也可以当作参考电压）或数字i/o引脚。 在利用pic16f877编制a/d转换程序时，需特别注意以下几点。（1） 使adcon1寄存器的最高

44、位adfm=1，以使a/d转换结果右移。adresh寄存器的高6bit读作“0”，低2bit存放10bit结果的高2bit.（2） 在本设计中，a/d转换之前，需要通过对adcon1的设置使引脚ra0/an0，ra1/an1，ra2/an2为模拟输入通道；另外为了显示部分的需要，把引脚ra5设成i/o通道，以输出锁存信号；但是不难发现，如果只对adcon1寄存器写一次控制字，不可能同时使ra2/an2为模拟输入通道， ra5 为i/o通道。因此，在a/d转换前，要对adcon1写一个控制字，在显示锁存输入前，又要对adcon1写另外一个控制字。每一位的a/d转换时间被定义为tad，完成一次10

45、bit a/d转换所需要的时间最小值12tad。a/d转换的时钟源用软件设置进行选择。对于tad可有以下4种选择：2tosc，8tosc，32tosc以及内部的rc振荡器。为了保证正确地进行a/d转换，a/d转换时钟必须满足最小tad要求，即tad1.6 us。本模块用的晶振为4mhz，计算可得，需要把a/d转换的时钟源用软件设置为8tosc，才能满足最低要求，即adcs1：adcs0=0：1。2定时器/计数器 定时器/计数器模块是大部分单片机都内置的一项重要功能单元。定时器/计数器的正常工作一般表现为计数累计功能，通常是由时钟脉冲来驱动。该时钟可以是单片机本身的工作时钟，称之为定时器；也可以

46、是由外部引脚输入的时钟，即外部时钟，称之为计数器。无论使用哪一种时钟，定时器的累计都是靠时钟来触发的。触发的方式有：下降沿触发、上升研触发或是两个边沿都触发，这取决于定时器的设计。而累计的方式可以是递增方式、递减方式或两者混合方式。不过，在pic单片机中仅有递增的累计方式。定时器/计数器还有位数的区别。累计的次数范围有一个上限值，当累计达到上限值时，就会发生溢出。定时器/计数器的位数越多，在溢出前所能累计的次数就越多，也就是基本的定时/计时越长。除此之外，有的单片机会配有一个预分（后）频器来增加每一次累计的时间间隔，使得可以在相同的累计次数中得到较长的累计时间。这是在没有增加定时器位数的情况，

47、延长计时时间一种非常有效的方法。 定时器/计数器模块一般使用于以下3种不同的场合：1 从单片机i/o引脚上向外部电路输出一系列符合一定时序规范的方波信号。2 从单片机i/o引脚上检测外部电路输入的一系列方波信号的脉宽、周期或频率，以便单片机接受外部电路的输入信号或通信信号。3 单片机对其端口引脚上输入的由外部事件产生的触发信号进行准确地计数，依据计数结果来控制完成相应的动作。pic16f877单片机配置了3个定时器/计数器模块，分别是tmr0、tmr1和tmr2。这些定时器的结构与特性并不完全相同，在使用上也有所不同。 三者的不同点：tmr0为8位宽，有一个可选的预分频器，用于通用目的，可用于

48、定时和计数；tmr1为16位宽，附带一个可编程的预分频器和一个可选的低频时基振荡器，适合于（捕捉/比较/脉宽调制）模块配合使用来实现输入捕捉或输出比较功能，也可用于定时和计时；tmr2为8位宽，附带一个可编程的预分频器、一个可编程的后分频器及一个周期寄存器和比较器，适合与ccp模块配合使用来实现pwm脉冲宽度信号的产生，只能用于定时。 三者的共同点：它们的核心部分都是一个由时钟信号触发，按递增方式累加工作的循环计数器；从预先设定的某一初始值开始累计，在累计到计时器产生溢出，并同时会建立一个相应的溢出中断标志。3键盘 通常情况下，需要用键盘输入参数或对程序的进程进行管理；因此在单片机的应用设计和

49、调试中，键盘是一个不可缺少的部分。键盘的扩展可以采用一些具有特殊功能的数字芯片，如各种移位寄存器等实现。虽然程序较为复杂，但占用单片机的接口较少，可直接用单片机的引脚作为键盘的行、列线；但对单片机i/o口的拉电流和灌电流特性有较高的要求。尽管扩展的键盘数量受i/o引脚数量的限制，但编程简单，且扩展容易。1 键盘输入硬件电路图本模板中的键盘扩展方法如下所示。为了使硬件设计简单化，利用单片机的rb1，rb2和rb4，rb5进行直接扩展，为矩阵式键盘。b5和b4与单片机的变位中断输入引脚rb5和rb4相连；b1和b2与单片机引脚rb1，rb2相连，设置为输出。对键盘的输入扫描可采用查询的方式或中断方

50、式（单片机的rb5和rb4可产生变位中断，是微芯公司专门为设计键盘中断功能使用的）。本节主要介绍键盘工作的查询方式。矩阵式键盘的查询工作原理如下。如图所示，b4，b5为列线b1，b2为行线。列线通过上拉电阻连接到电源上；因此当无键按下时，各列线（b4，b5）均为高电平。当行线（b1，b2）分别输出低电平时，有键按下，相应的列线b4或b5上出现低电平。根据此原理，cpu对整个键盘进行扫描。所谓扫描，即cpu不断轮流对行线置低电平，然后检查列线输入状态，确定按键情况。如图中，在确定有键按下后，先把b1置为低电平，b2，b0置为高电平，再读入b4，b5的值。若b5为“1”，b4为“0”，则s10键按

51、下；若b5为“0”，b4为“1”，则s9键按下；若b4，b5皆为“1”，证明按下的键不在该行，应进行下一行的扫描。下一行扫描时，令b1，b0为高电平，b2为低电平，再读入b4，b5的值。若b5为“1”，b4为“0”，则s12键按下；若b5为“0”，b4为“1”，则s11键按下；若b4，b5皆为“1”，证明按下的键不在该行，应进行下一行的扫描。下一行扫描时，令b1，b2为高电平，b0为低电平，判断方法同上。扫描键盘的时间很短，仅几微秒；而按键时间一次至少需要几十毫秒，所以只要有键按下都能被扫描到。按键按下时，有一定的抖动时间；因此在编制程序时应该用延时消除抖动，以免产生多次按键错误。2 键盘管理

52、程序流程图 在键服务子程序中，通过逐行逐列扫描，以确定是哪一个键按下，并赋予键值寄存器：若s9键按下，则j=1；若s11键按下，则j=2；若s10键按下，则j=3；若s12键按下，则j=4；若s7键按下，则j=5；若s8键按下，则j=6；键服务程序返回后，经过判断中所存放的值，可以知道是哪一个键被按下，从而做出相应的操作。若按键为干扰，则返回值键值j=0。在后面程序中通过简单语句判断，若j为0，则证明前面的按键为干扰，而非有效按键，则不能对按键进行处理。该键盘管理流程图代表的只是一种键盘识别的方法，可根据其基本思路编制自己习惯的程序，也可以在某个细节处做一些变化。键盘管理程序流程图如下所示.

53、3.4单片机控制系统的主要设计方向本文主要是对电动机过热及热闭锁保护的研究，本保护方案的判据是以电动机的三相电流的有效值计算为基础的，在保护软件中将采集到的有关电动机电流的数据信息加以处理，计算，使致正确的反映其电流的变化情况，为保护算法提供依据。过热保护的动作判据为：t=t/(i1/in)+k(i2/in)-1.05 (1)式中：t 保护的动作时间 t 被保护电动机的升温时间常数（s） in 电动机的额定电流 i1 定子回路的正序电流 i2 定子回路的正序电流 k 负序电流过热系数当（1）式分母大于0时，说明电动机已处于非正常运行状态，本装置即开始计算累计过热量h： h=(i1/in)+k(

54、i2/in)-1.05t (2)式中：t为两计算点之间的间隔时间过热保护的动作可分为以下阶段： 开始按（2）式进行热量积累时，说明电动机运行已不正常当积累过热量h值达到0.8t时信息继电器动作。此时情况说明电动机很快将被切除，应采取跳闸前的紧急措施。当h值大于相应的整定值t时即作用于跳闸。后两项动作时的t值与电动机当时的状态有关。当电动机停止运行20分钟以上再启动称为电动机的冷状态，否则为热状态。在电动机热状态下，保护动作值即为整定的t值，在其冷状态下t值自动增大25%。热闭锁保护的作用是当电动机仍处于过热状态时，禁止电动机再启动，避免由启动电流引起的过高温升，如果过热保护动作跳闸，且热闭锁保

55、护处于投运状态，则在跳闸后出口继电器并不返回；如果是其它保护作用于跳闸，甚至在电动机起动后的正常切除时，热闭锁保护即检查过热值h是否在其整定hgs以下，否则就使出口继电器动作，断开断路器的合闸回路。 第四章 硬件设计 4.1 硬件总体设计说明 在工业测控的许多方面都要有智能检测装置与完成对数据的采集、处理和存储，而单片机由于它具有性能高、速度快、价格低、体积小、稳定可靠、使用方便灵活等优点，因而常常被用在智能检测装置（仪器）及控制中。本文给出了基于单片机pic1f877的智能检测装置的设计框图，它主要由以下几部分组成，如图2.1所示：单片机pic16f877电源供电模拟量输入开关量输入模拟量输出通信液晶显示开关量输出图2.1 硬件组成框图1、基于单片机pic16f877智能检测装置的核心部分。它主要由电源电路p