智能电机保护器的设计

1、桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书第1页共4页摘要电机是一种应用最广泛的动力设备，在国民经济中起着举足轻重的作用。由于不同产品的技术水平、制造质量、设计选用水平特别是组成配电与控制系统后现场应用中各种因素的影响 ,往往不能够实现对电动机的有效保护 ,据统计资料表明 , 我国大中型企业每年烧坏电动机数量超过 20 万台次 ,直接损失达数十亿元 ,间接损失达数百亿元。 因此，本文围绕基于单片机控制的电机保护器的研究这一任务而展开，开发了适用于各种现场环境的交流电机测量、监控、保护一体化装置。本系统设计的基本原理是监视电机运行时的电压参数，通过对这个参数的分析，实时的为保护电机提供准确的参考信息

2、， 然后把这些信息发送到保护器里然后进行跳闸保护，做到可以对电机进行过载、过压、堵转、欠压、不平衡、启动超时的保护。本设计也是为提高了产品性价比，避免了同时采用各单一功能产品所造的浪费，简化和缩小了控制柜上面板尺寸，并且使得安装、维护简易，使用方便，如此诸多因素使电机的应用成本大为下降。具有良好的实用价值和广阔的发展前景。关键词：电机保护；单片机；故障保护；可靠性，桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书第2页共4页AbstractMotor is a kind of the most widely applied power equipment, plays an important role

3、 in national economic development. Due to the different product technical level，Manufacturing quality ，Design multi-back composed distribution and control level, especially in the on-site application system after the influence of various factors, Often can't realize the effective protection of m

4、otor. According to the statistical data show that large and medium-sized enterprises in China every year, more than 20 million number of burnt motor measurements, cause direct economic loss of billions of dollars, indirect economic loss of tens of billions of dollars. Therefore, the thesis based on

5、single chip microcomputer control motor protector of research on this task, development was suitable for various site environment of ac motor measure, monitor, and protection integration device.The basic principle of the system design is to monitor the motor running time of voltage and current param

6、eters, through the analysis of these parameters, real-time provide accurate reference information,then put these messages to protector and protect the trip on the motor, do can on the motor overload, over-voltage, plugging turn, undervoltage, imbalance, start overtime protection.This design is to en

7、hance product performance, to avoid the adopted various single function products made waste, Simplify and narrowed control cabinet panel size, and makes the installation, maintenance is simple, easy to use, so many factors make motor application cost greatly declined.There is good practical value an

8、d broad prospects for development.Keywords: motor protection; SCM; Fault protection; reliability桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书第3页共4页目录1绪论. 11.1.11.211.311.3.111.3.2.21.3.3. 21.3.4.31.4.32 电机保护器的原理及其故障分析. 42.1.42.1.1. . 42.1.2.52.2.62.2.162.2.2.62.2.3().72.2.4.72.2.5.72.2.6.72.3.83智能电机保护器硬件结构的设计103.1.103.2prote

9、l 99 se.103.2.1PCB.113.2.2PCB.,.113.2.3PCB.113.2.4PCB113.3123.4 A/D.143.4.1 AD.143.4.2ADC0832.15桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书第4页共4页3.5.173.5.1.173.5.2.183.5.3.183.6. 193.7.203.8.203.9. 203.9.1213.9.2.214 系统软件的设计. . 224.1.224.2.234.2.1.234.3 ADC0832.254.4.264.5.274.5.1. 274.5.2.275结论. 29致谢.30参考文献.311.322PCB.33

10、3.34桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书第1页共37页1 绪论1.1引言随着国民经济的日益发展 , 作为电能转化为机械能的重要工具 , 电动机在工农业、交通运输、国防等领域应用越来越广泛。因此保护器的可靠运行起着举足轻重的作用。如何能有效的监视电机的运行状态，保护电机不被烧坏，提升其运行时间，减少电机故障，对工农业、交通运输、国防等领域的正常运行十分重要。由于热继电器结构比较简单，在保护电动机过载方面既有反时性，所以在工业中用热继电是比较普遍的。但是其保护功能实非常的少，随着微机器技术、电子技术的飞快发展，新型的功能强、体积小、可靠性高的电子式、智能化、可通讯电机保护器不断出现，因此热继

11、电器逐渐的被淘汰。新型的电机保护器不仅节能、动作灵敏、抗干扰能力强、功耗小而且保护功能非常的齐全，具有过负荷保护、断相保护、堵转保护、不平衡过负荷保护、短路保护、低电压、失压、过电压、接地保护等可靠性功能。运用此功能完善且可靠性高的电机保护器， 必定会给配电控制系统带来好处可以带来巨大的社会效益，另一方面也能为产品的制造厂家带来可观的经济效益。1.2电动机保护在国民经济的重要意义电动机作为拖动系统中的重要组成部分在国民经济中占有举足轻重的地位， 电动机的工作效率较高， 又没有烟尘、 气味，不污染环境， 噪声也较小。由于它的一系列优点，所以在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设

12、备等各方面广泛应用，是工业、农业和国防建设及人民生活正常进行的重要保证，因而确保电动机的正常运行就显得十分重要。 而当人们在使用中电机时由于使用方法不对而导致电机烧毁甚至引发重大安全事故的事件屡见不鲜， 据不完全统计我国大中型企业每年烧坏电动机数量超过 20 万台次 , 容量约 0.4 亿千瓦，因维修所耗的电磁线约 5000 万公斤，直接损失达数十亿元 , 间接损失达数百亿元。 而因停工停产所造成的损失更是一个无法估量的巨大数目。因此做好电动机的保护具有节能显著、提高生产效率和经济效益及保证安全生产的重要意义。1.3我国电机保护的历史及其发展现状我国的电动机保护装置大约经历了全面仿苏、自行设计

13、、更新换代、智能化发展等几个阶段。值得我们自豪的是由于近年来微处理器技术、电子技术、单片机技术、检测技术、计算机控制技术等的不断完善，为我国的电动机保护器向智能化、多功能化方向发展提供了丰富的知识平台，使得电机保护进入了一个飞速发展的阶段。1.3.1 热继电器、断路器在建国初期，由于我国电机保护处在比较落后的发展状态，因此我们就引进了苏联的 JR 系列热继电器， 并且其在中国电机保护行业中使用很长的一段时间，直到 1996 年国家八部委联合发文强制将其淘汰。由于当时我国电子业很不发达，因此热继电器是我国电机过载保护的首选产品， 热继电器是利用双两种膨胀系数不同的金属扎制成双金属桂林电子科技大学

14、毕业设计（论文）说明书第2页共37页片，当电流通过时便会产生热量，受热后就会发生弯曲，当通过热继电器的电流超过其整定电流的一定倍数时双金属片就会弯曲， 由弯曲产生的机械力便带动触点动作达到保护的目的。它在保护电动机过载方面具有反时限性能和结构简单的特点。但是存在功能少，无断相保护，对电机发生通风不畅，扫膛、堵转、长期过载；频繁启动等故障不起保护作用。这主要是因为热继电器动作曲线和电动机实际保护曲线不一致，失去了保护作用。且重复性能差，大电流过载或短路故障后不能再次使用，调整误差大、易受环境温度的影响误动或拒动，功耗大、耗材多、性能指标落后等缺陷。所以不能便不能适合现在越来越先进的技术，便会会被

15、更加先进的保护器代替。很多人认为可以把熔断器作为电机的过载保护。但是严格来说不能，熔断器应用来做短路保护如果配备了电气的相关保护， 熔断器应该作为保护据动且严重危及设备安全和电网稳定时的保护。 相信谁也不想将熔断器作为过载保护，那要是电机经常处于过载状态，那还不得经常更换熔断器。如果熔断器规格选得太大，则达不到过载保护的效果。1.3.2 模拟电子式电动机保护器（电机保护器）随着现代电子工业的发展，一批新型的可用性比较强、功能多样化的电子模拟多功能保护应运而生，给电机的运行提供了比较可靠的保障。其中以有自己品牌特色的以韩国三和技研株式会社的产品为例，由于其产品品种多样，规格齐全，并且具有缺相，过

16、载，欠流，相失衡，相序，接地，短路，过欠压等保护功能，所以在当时的国内市场具有很大影响。但其也是存在整定精度不高、采样精度不高、无法实现具有多种保护功能于一体的全保护等缺点，所以慢慢的就会被更为先进的产品淘汰。1.3.3数字电子式电动机保护器（电机保护器）这类电动机保护器（电机保护器）是一款主要以单片机作为控制器，可实现电机的智能化综合保护，有的还具有远程通讯功能的智能型电动机综合保护器，是传统热继电器的升级换代产品。该产品采用数字处理技术，液晶显示，通过内置的电流互感器检测电动机的三相负载电流，可以显示三相电流并根据电流判断是否存在过载、缺相、三相电流不平衡等故障。当发生上述故障时，内部继电

17、器触点断开，切断电动机电源。其具有的主要功能：（1）电流显示：可显示三相平均电流和A 、B、 C 三相电流。（2）过载保护：当发生过载时，切断电动机电源，有定时限和反时限两种动作方式，定时限时间可调，提供五条反时限曲线。（3）缺相保护：当检测到缺相时，切断电动机电源，动作时间可调。（4）三相不平衡保护：当检测到三相电流不平衡时，切断电动机电源，不平衡度动作点和动作时间可调。（5）自动恢复功能：因故障切断电动机电源后，可以自动恢复若干次，次数和间隔时间可设置。桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书第3页共37页（6）故障电流锁定功能：因故障切断电动机电源后，锁定显示发生故障那一刻的电流，以便于分

18、析故障原因。（7） 时间继电器功能：作为附加功能，内部集成了一个时间继电器。总之是一种高精度，高可靠智能电动机保护器。1.3.4 电机保护的现状及其趋势随着我国用户对保护器的了解逐步加深，目前的电动机保护器（电机保护器）不再是单纯的根据电流的大小来决定是否需要保护，而是考虑到环境因素对电机的影响。目前我们国内也有很多厂家生产出了与世界先进水平接近的产品，例如原南京爱通自动化研究所与宁波振华电器有限公司等，我们这些厂家还需要在产品的性能稳定、抗干扰等方面尽快缩短与世界先进水平的距离，我们有信心相信在中国的市场上会涌现出越来越多的性能优异的电机保护器产品。1.4本文的主要研究内容概括本课题所研制的

19、电动机智能保护装置，主要内容包括以下几个方面:（1）分析了电动机运行的基本原理、电动机故障特征以及保护原理。（2）给出了电动机保护装置的实现方案。本装置可用单片机控制实现以下故障保护：断相保护、短路保护、不平衡保护、过压保护、过流保护、欠压保护、堵转保护以及过热保护等功能。（3）以 AT89S51单片机为核心控制器针对目前国内电机保护装置保护功能单一、人机界面不友好、通信功能不完善、集成度不高等缺点设计了电动机保护单元。（4）在软件系统的设计上，根据单 AT89S51片机的编程结构特点采用模块化的程序设计，模块化编程使程序开发更有效，小块程序更容易理解和调试以及实现功能。桂林电子科技大学毕业设

20、计（论文）说明书第4页共37页2 电机保护器的原理及其故障的分析2.1电机保护原理保护算法是电机保护器的中枢神经， 使保护系统性能最主要的决定因素之一， 因此，对电机保护原理的研究至关重要。 传统的电机保护一般采用热继电器型或电磁型的过流保护，其基本保护原理是以电流幅值的增加作为判断否发生故障的依据。所以，这种过流保护的原理只能反映以电流增加为主要特征的对称故障和短路故障，如过载、堵转、严重短路等，不能够对断相、接地、不平衡等不对称故障进行及时有效的保护。传统过流保护在电机发生不对称故障时不能够进行有效保护的主要原因是 :（1）不对称故障一般不会使电流显著增加 ;（2）不对称故障中出现的负序电

21、流分量所引起的负序电流效应会导致电机端部发热、转子振动、减小起动力矩等一系列问题 ;（3）起动电流瞬间值有时会高于电机的故障电流，要对起动电流和故障电流进行分辨，使过流继电器的整定困难。针对传统故障检测方法的不足，本文引入了对称分量法作为电机保护的基本理论以检测电机运行中的不对称故障。以下介绍对称分量法和负序、零序电流的检测方法。2.1.1 对称分量法对称分量法是电工中分析对称系统不对称运行状态的一种基本方法。广泛应用三相交流系统参数对称、运行工况不对称的电气量计算。对称分量法任何故障点的电流可以分为正序、负序、零序3 个相序分量其如图2.1I c1I b2I a0I a1I b0I a2I

22、c0I b1I c2（a）正序分量（b）负序分量（c）零序分量图 2.1每一组的对称分量都符合：大小相等，彼此之间的相位差也相等。正序分量的三电流大小相等，彼此之间的相位差为120°，达到最大值的先后顺序是A-B-C-A；负序分量的三相电流大小也是相等，彼此之间的相位差也为120°，但达到最大值的先后顺序是 A-C-B-A, ；零序分量的三相电流大小也相等， 但是相位是相同的。 对称分量法的简单计算入下：当选择 A 项作为基准相时，三相向量和他对称分量之间的电流关系是I A=I a1+I a2+I a0（1）桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书第5页共37页I B=I b

23、1+I b2+I b0= a 2I a1+aI a2+I a0（2）I C=Ic1 +I c2+I c0 = aI a1+a2I a2+I a0（3）对于正序分量： I b1= a 2I a1Ic1= aI a1对于负序分量： I b2= aIa2I c2= a 2 I a2对于零序分量： I = Ib0= Ic0a0式中， a 为运算子， a=1 120°，有 a2 =1240, a 3=1, a+a 2 +1=0有各项电流求电流序分量：I 1=I a1=1/3(I A+aI B+a2I C)I 2=I a2=1/3(I A+a2I B+aI C)I 0=I a0=1/3(I A+

24、I B+I C)2.1.2 负序、零序电流的检测方法根据上面的所说的对称分量法可知，当电动发生不对称故障时，其定子电流可以分为正序、负序、和零序电流。在电动机正常工作时零序、负序电流是不存在的，或者是非常的小。一旦电机发生不对称故障，零序、负序电流就会有电流值。所以判断电机运行中是否发生不对称故障主要是针对负序、零序电流的监测。对于负序电流的监测我们采用了坐标变换法来监测。设电网电压三相对称，且只考虑基波情形，将三相不对称负载电流分解为序分量表示为 i a+=A+cos（ t+ +）i b+=A+cos（ t+ +-120 °）i c+=A+cos（t+ +-240 °）-

25、）i a=Acos（ t+ i b-=A-cos（ t+ -+120°）i c- =A-cos（t+ - +240°）i a0 =i 0b=i c0=（i a+i b+i c）3将 i a 、i b、i c 经同步旋转坐标变换到dq 坐标系下有i dcoswt sinwt1-1/2 -1/2i=X- 3/2-3ii a-sinwt coswt0iabc（1）（2）（3）（4）/2（4）式中，t 为同步旋转角，经由PLL电路捕获，能实时跟踪电网电压频率的变化。这种变换的原理是将三相电流投影到与 t 同频率旋转的坐标系下，由于 t 实时跟踪电网电压基波正序分量频率的变化， 因而

26、使得三相电流的基波正序分量在该坐标系下保持相对静止从而变为直流分量； 基波负序分量在该坐标系下变为 2 次负序谐波分量； 0 序分量变换为 0，不起作用，即桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书第6页共37页其中电流基波正序分量经 dq 变换后得到的直流分量； 为基波负序分量经 dq 变换后得到的 2 次谐波分量，如果考虑负载电流含有谐波的情况，则还包括各次谐波电流经变换后所得的正弦分量。将i d、i q 通过一个低通滤波器滤除交流分量，然后采用dqabc反变换可以得到负载电流的基波正序分量，将总的负载电流减去基波正序电流就可得到基波负序电流。求零序分量：把三个向量相加求和。即A 相不动，B

27、相的原点平移到A 相的顶端（箭头处），注意 B 相只是平移，不能转动。同方法把 C 相的平移到 B 相的顶端。此时作 A 相原点到 C 相顶端的向量（些时是箭头对箭头），这个向量就是三相向量之和。最后取此向量幅值的三分一，这就是零序分量的幅值，方向与此向量是一样的。22各种保护的原理和实现方法2.2.1 过载保护过载就是负荷过大，超过了设备本身的额定负载，产生的现象是电流过大，用电设备发热，线路长期过载会降低线路绝缘水平，甚至烧毁设备或线路；但是如果过载时间间隔很短，并且负荷量不是很大，而且很快散发出去，所有有时电动机暂时还可以承受的住，即低倍的过负荷又允许一定的时限，所以有时电动机的过负荷特

28、性要呈现良好的反时限特性起（见图 2.2 ）。过载保护主要作用的就是热继电器 FR。当电动机发生过载时，它的发热元件就会发热从而促使其常闭触头断开，因此接触器线圈断电，主触头断开，电动机停转。为了有效的保护电动机的运行，常常把两个发热元件分别串联在任意两相电源线中。这样可以做到即使三相电路中任意一相的熔断器熔断后 ( 这种情况一般不会轻易觉察到，所以此时运行中的电动机按单相异步电动机运行，不仅还在转动，而且电流也增大了 ) ，但是仍可以保证有一个或者两个发热元件还在起作用，电动机还可以得到有效的保护。图 2.2反时限特性2.2.2 堵转保护桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书第7页共37页堵

29、转保护是电动机特有的一种保护，堵转就是一般的电动机在其运行过程中，如果由于负荷过大或自身机械原因，造成电机轴被卡住从而不能运转。如果电动机发生堵转时，电流就会变得很大, 而且散热条件差的话就会造成温升急剧恶化，在这种情况下就会特别容易烧毁电动机。我们可以通过检测电流的变化，当电流超过堵转电流整定值Id:并且电流超过电动机的堵转时的最小电流时，电动机就保护开关就跳闸起到保护的作用。堵转保护一般作为电动机运行过程中短路保护的后备保护。2.2.3 不平衡保护电机损坏可以分为平衡故障和不平衡故障, 不平衡故障又可以分为电压不平衡和电流不平衡。如果三相电压不平衡时，电机内就有逆序电流和逆序磁场存在，因此

30、，就会产生较大的逆序转矩，从而造成电动机三相电流分配不平衡，就会使某相绕组电流逐渐增大。当三相电压不平衡度达5时，可以使电动机相电流超过正常值的20以上。三相电流的不平衡可能会导致电机的绝缘被击穿，可以根据电机绕组中的电流的大小来判断击穿当电机刚开始启动的时候启动冲击电流是很大的，在这个时候发生击穿的可能性是很大的。但是也不是绝对的，可以根据电流的大小、绝缘等级来衡量。这种两种情况下，我们也可以利用检测电流的变化来进行判断是不是不平衡，从而也根据这种电流检测的方法来进行有效的保护。2.2.4 失压 / 欠压保护所谓失压和欠压保护就是当电源停电或者由于某种原因电源电压降低过多(欠压)时，保护装置

31、能使电动机自动从电源上切除。因为当失压或欠压时，接触器线圈电流将消失或减小，失去电磁力或电磁力不足以吸住动铁心，因而能断开主触头，切断电源。失压保护的好处是，当电源电压恢复时，如不重新按下启动按钮，电动机就不会自行转动 ( 因自锁触头也是断开的 ) ，避免了发生事故。如果不是采用继电接触控制，而是直接用闸刀开关进行控制，由于在停电时往往忽视拉开电源开关，电源电压恢复时，电动机就会自行启动，会发事故。欠压保护的好处是，可以保证异步电动机不在电压过低的情况下运行。2.2.5 过压保护当电机过电压保护器原理应用产生工频过电压的主要原因是：空载长线路的电容效应，不对称接地引起的正序、负序和零序电压分量

32、作用，系统突然甩负荷使发电机加速旋转等。对电源模块的输出电压进行检测，当输出的电压超过电机的整定电压时就会产生过压信号；将所述过压信号反馈至保护器中，保护器就会断开开关进行跳闸，不再输出电压了，电动机就会停止工作。2.2.6 启动超时保护由于负载过重或供电电压太低导致没有在规定的时间内达到额定转速称为电机启动时间过长。正常的启动启动后电动机运行的电流会小于其额定的电流或者和其而定电流是非常的接近，但是启动时间超过规定的启动时间时，那时的电机电流值还是非常的桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书第8页共37页大。当启动时间超过规定的启动时间， 并且此时的电机的电流还大于电机的整定电流时，启动超时

33、保护器就会跳闸起到保护电机的作用。上面所说堵转保护一般作为电动机运行过程中短路保护的后备保护。 而电动机的起动时间过长保护也可作为电动机起动过程中短路保护的后备保护， 但是电动机和堵转保护是有很大的区别的， 起动时间过长保护只是针对于电动机的起动过程时并且启动时间超过规定的启动时间时才动作，如果电动机正常起动后，此保护就会自动退出，不再进行工作了。当电动启动超时时电流就会非常的大，很容易烧坏电动机，从而就会影响很多领域的正常运行。所以，正确的判断电动机是否处于起动状态是一个很严肃的事情，不得有一点马虎。为此，在电机的整定值中特意加了一个整定值几。当电动机的电流小于几时，认为电动机处在正常停机状

34、态， 而一旦电动机的电流由小于人过渡到大于人时，则认为电动机开始起动，将起动时间过长保护投入。2.3电机故障分析电气方面故障有定子绕组缺相运行，定子绕组首尾反接，三相电流不平衡，绕组短路和接地，绕组过热和转子断条、断路等。（1）由于轴承损坏，轴弯曲等原因造成堵转。（2）由于绕组端部较长或局部受到损伤与端盖或其它附件相磨擦，导致绕组局部烧坏。（3）由于长时间过载或过热运行，绕组绝缘老化加速，加之本身密封不良，环境跑冒滴漏，使电机内部进水或进入其它带有腐蚀性液体或气体，电机绕组绝缘受到浸蚀绝缘最薄弱点碳化引起匝间短路、相间短路或对地短路等现象使绕组局部烧毁。（4）电网供电质量差，电源电压三相不平衡

35、、电压波动大、电网电压波形畸变、高次谐波严重或者电动机断相运行。（5）由于导线截面选择不当，实际负载已超过了导线的安全电流从而造成过载。三相电流不平衡的故障，常常由于电动机外部电源电压不平衡所引起，其内部原因主要是绕组匝间短路或在电动机重绕修理时线圈匝数错误或接线错误。 电动机过热温升的原因，主要有这样几种情况，电动机自身内在质量问题，电动机长期处于超负荷工作运行状态 ( 械传动机机构故障引起电动机负荷大 ) ，电动机散热性能很差，电动机绕组局部短路烧毁等一系列情况 。 电动机温升异常最大的故障原因是绕阻匝间短路，匝间短路是由于绕组漆包线绝缘层性能差而损坏 ; ，从而使相间导线直接碰及，形成了

36、一个低阻抗的电流回路，使匝间电流增大而使线包发热，久之使用使整个定子绕组产生过热，最终因热量剧升而击毁绕组，所以此类故障应拆开机壳，查绕组故障点。如果线包无烧毁问题，可将定子浸入专用绝缘漆内重新进行浸漆绝缘处理，然后在烘箱内烘烤干燥。若线包有局部烧毁现象，而短路点又在定子槽内，那只有更换整个绕 组线包 。各类对称情况详细如表 2.3.桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书第9页共37页表 2.3 电机对称故障表故障类型对称故障非接不地对故称障故单相零序负序过电流其他特征过载无无(1.2 IAIB IC6)I P堵转无无(6 8)I PIA IB IC短路无无(8 10)IA IBICI P断相

37、无1/ 3 I c3 I pI A=0, IB =-IC不平衡无有有IAIB IC相间短路无有（取决于位置）IA -I B>IC单相接地1/3 I有有（取决于I B、I C> I A=IP障接地位置）从表中可以知道，电动机常出现的故障可以分为对称故障和不对称故障两大类。对称故障主要包括 :短路、堵转和对称过载等 ;不对称故障主要包括 :三相不平衡、接地或相间短路。桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书第 10页共37页3 智能电机保护器硬件结构的设计3.1概述智能电机保护器硬件结构的设计主要包括通道和显示机构、实行机构。也就是信号处理、 A/D 转换、显示及跳闸电路等几部分。而 A

38、/D 转换器、显示电路、通信电路是几个关键性的部件，故主主要对这三个部分进行设计。从现场采集到的各种信号经过处理后，转成数字量送入单片机中，与标准量进行比较，如果在允许的范围之内，则前向通道正常，否则出现故障。通知数码管显示的电流可以知道是什么类型的故障并跳闸保护电机。其结构框图如图 3.1 。AT89显示电路驱动电路S51单A/D 转片复位电路换器机系统晶振电路图 3.1保护器的结构框图3.2 用 protel 99 se绘画原理图的过程电路原理图的设计主要是protel 99 se的原理图设计系统（ Advanced Schematic ）来绘制一张电路原理图。在这一过程中，要充分利用pr

39、otel 99 se所提供的各种原理图绘图工具、 各种编辑功能， 来实现我们的目的， 即得到一张正确、 精美的电路原理图。步骤如下：（1）建立原理图。首先必须新建原理图，禁屠原理图编辑器，才能进行电路图设计。（2）设置图纸信息。设计原理图之前，必须根据电路的复杂程度设置图纸的大小，以及设置图纸的方向、网格大小和标题栏等信息。（3）载入元件。在设计过程中，根据诗句电路的需要，需从元件库中调入所需的元件。这时可以通过加载元件库的方法来实现元件的载入。（4）置元件。在加载的元件库中取出所需的元件，并将元件放入工作面板中。根据元件之间的走线，在工作面板上需对元件进行位置的调整、属性的设置等。（5）进行

40、原理图布线。利用 PROTEL 99提供的各种工具和指令进行布线，使用具有电气意义的导线、网络标号、端口标号和电器连接点将工作面板上的元件连接起来，构成一个完整的电路原理图。桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书第 11页共 37页（6）调整布线。经过原理图布线后，通过进一步的布线调整，对原理图进行修改，使原理图更加美观和正确。 该过程包裹元件的位置的重新调整，导线位置的删除、 移动，更改元件属性和排列等。（7）注解、修饰。在原理图上增加一定的注解，使原理图更易懂、更具有可读性。（8）检查修改。利用PROTEL 99提供的各种校验工具，对原理图进行检查，并对原理图进行进一步的调整和修改，确保原

41、理图的准确无误。3.2.1系统 PCB板的设计电路原理图设计好以后，PCB板的设计也是一个十分重要的环节。原理图设计的合理，制成电路板后系统却工作不正常的事情屡见不鲜，究其原因，多半是PCB板的设计存在问题，特别是频率较高的电路和数字模拟混合电路的印刷线路板的设计。PCB 板的设计过程是一个复杂而又简单的过程。在这次制作印刷板的过程中，在老师和同学们的指导下，完成了比较满意的 PCB板。由于自己亲手制作了板子，我得到了很多的经验。以后我要想很好地掌握它，还需自己好好去体会。3.2.2 确定 PCB的大小首先，要考虑 PCB尺寸大小。 PCB尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本

42、也增加； 过小，则散热不好， 且邻近线条易受干扰。 在确定 PCB尺寸后再确定特殊元件的位置。最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。3.2.3 PCB 布局第一次布局时，为了美观，把电容、电阻排放在一起，没有围绕核心元件布局，没有考虑实际的元件连接，因此连线复杂而且本来可以短线连接的变成长线连接。经过调试之后和在同学的指导下，重新布局如下：（1）按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并且使信号尽可能保持一致的方向。（2）以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件均匀、整齐、紧凑地排列在 PCB上。尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。（3

43、）尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观，而且装焊容易。3.2.4PCB 布线在 PCB设计中，布线是完成硬件设计的重要步骤，可以说前面的准备工作都是为它而做的，在整个 PCB中，以布线的设计过程限定最高，技巧最细、工作量最大。 PCB布线有单面布线、双面布线及多层布线。布线的方式也有两种：自动布线及交互式布线，在自动布线之前，可以用交互式预先对要求比较严格的线进行布线，输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。必要时应加地线隔离，两相邻层的布线要互相垂直，平行容易产生寄生耦合。自动布线的布通率，依赖于良好的布局，布线规则可以预先设定，包括走线的弯曲次数、导通孔的数目、步进的数目等

44、。一般先进行探索式布经线，快速地把短线连通，然后进行迷宫式布线，先把要布的连线进行全局的布线路桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书第 12页共37页径优化，它可以根据需要断开已布的线。并试着重新再布线，以改进总体效果。对目前高密度的 PCB设计已感觉到贯通孔不太适应了，它浪费了许多宝贵的布线通道，为解决这一矛盾，出现了盲孔和埋孔技术，它不仅完成了导通孔的作用，还省出许多布线通道使布线过程完成得更加方便，更加流畅，更为完善。一般 PCB布线有以下规定：（1）输入输出端用的导线尽量避免相邻平，以免产生反射干扰。（2）印制导线拐弯处取圆弧形，因直角或夹角在高频电路中会影响电气性能。（3）电源和地线

45、的处理。既使在整个 PCB板中的布线完成得都很好，但由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰， 会使产品的性能下降， 有时甚至影响到产品的成功率。所以对电、地线的布线要认真对待，把电、地线所产生的噪音干扰降到最低限度，以保证产品的质量。采取的措施是在电源、地线之间加上去耦电容。由于线宽有以下关系：地线电源线信号线，通常信号线宽为： 0.2 0.3mm,最细宽度可达 0.05 0.07mm,电源线为 1.2 2.5 mm，所以，要使地线宽度比电源线宽。（4）数字电路与模拟电路的共地处理。现在有许多 PCB不再是单一功能电路（数字或模拟电路），而是由数字电路和模拟电路混合构成的。因此在布线时就需要考

46、虑它们之间互相干扰问题，特别是地线上的噪音干扰。数字电路的频率高，模拟电路的敏感度强，对信号线来说，高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件，对地线来说，整个 PCB对外界只有一个结点，所以必须在 PCB内部进行处理数、模共地的问题，而在板内部数字地和模拟地实际上是分开的它们之间互不相连， 只是在 PCB与外界连接的接口处（如插头等）。数字地与模拟地有一点短接，只有一个连接点。也有在 PCB上不共地的，这由系统设计来决定。在本设计的 PCB布线中，本人按照以上的规定进行布线，前几次布线，结果不尽人意，后来查阅了相关指导性的资料和在同学的帮助下，让我终于完成较好的布线。通过这次布线，我提高了本人

47、的动手能力，获得不少的经验。本设计PCB图见附录。3.3单片机最小系统AT89S51单片机的介绍是标准的 51 单片机，其功能比早期的 51 单片机更加强大，支持 ISP 在系统编程技术，内置硬件看门口等。（1）AT89S51单片机引脚介绍AT89S51有 PDIP、PLCC、TQFP三种封装方式，其中最常见的就是用40Pin 封装的双列接 PDIP 封装，外形结构如图3.2 。芯片共有 40 个引脚，引脚的排列顺序为从靠芯片的缺口（见图 3.3 ）左边那列引脚逆时针数起，依次为1、2、3、4,40，其中芯片的1 脚顶上有个凹点。在单片机的40个引脚中，电源引脚2 根，外接晶体振荡器引脚2 根

48、，控制引脚4 根以及4 组8 位可编程I/O引脚32 根。桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书第 13页共37页图 3.2 AT89S51 单片机结构1、主电源引脚（ 2 根）VCC(Pin40)：电源输入，接 5V 电源GND(Pin20)：接地线2、外接晶振引脚（ 2 根）XTAL1(Pin19) ：片内振荡电路的输入端XTAL2(Pin20) ：片内振荡电路的输出端3、控制引脚（ 4 根） RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2 个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin

49、31) ：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。4、可编程输入 / 输出引脚（ 32 根）AT89S51单片机有 4 组 8 位的可编程 I/O 口，分别位 P0、P1、P2、P3 口，每个口有8位（ 8 根引脚），共 32 根。每一根引脚都可以编程，比如用来控制电机、交通灯、霓虹灯等，开发产品时就是利用这些可编程引脚来实现我们想要的功能。PO口（ Pin39 Pin32 ）： 8 位双向 I/O 口线，名称为 P0.0 P0.7P1 口（ Pin1 Pin8 ）： 8 位准双向 I/O 口线，名称为 P1.0 P1.7P2 口（ Pin

50、21 Pin28 ）： 8 位准双向 I/O 口线，名称为 P2.0 P2.7桂林电子科技大学毕业设计（论文）说明书第 14页共37页P3 口（ Pin10 Pin17 ）： 8 位准双向 I/O 口线，名称为 P3.0 P3.7上面就是 AT89S51单片机引脚的简单介绍， 其它 51 系列家族的单片机8031、8051、89C51等引脚和 89S51兼容，只是个别引脚功能定义不同。（ 2）主要性能参数介绍AT89S51具有如下特点：·与 MCS-51产品指令系统完全兼容· 4k 字节在系统编程（ ISP）Flash 闪速存储器· 1000 次擦写周期· 4.