基于单片机的智能磁力启动器设计 预览

基于单片机的智能磁力启动器设计毕业答辩1课题主要研究内容2了解磁力启动器的背景、现状以及智能化前景；叙述各类故障保护并完成系统的硬件电路设计；学习ATmega128单片机对外围电路的操作，掌握其核心用法；给出系统软件部分设计，用C语言完成程序代码的编写、调试；系统部分功能的仿真。答辩内容1介绍2电气保护3硬件设计4软件设计5总结34背景发展目前国内煤矿井下大量使用磁力启动器控制系统，它

广泛应用于煤矿井下的机电、风机、照明等用电设备上，进行漏电、短路、过载、过压、欠压、断相等故障保护，其性能好坏直接关系到矿井的安全生产及经济效益。随着煤矿现代化程度的不断提高，对煤矿的可靠性、安全性也提出越来越高的要求在实际工作中，有时要准确的判断出是哪种类型的故障，从而有针对性的检修，或者在设备正常运行之前对设备的线路进行预试验，或者在运行期间需要对整个设备的线路进行试验，从而判断系统设备的完好和安全性。另外，目前使用的磁力启动器控制系统性能不可靠，误动、拒动现象多。为了避免事故的发生、保障人身安全和提高供电可靠性，研究高性能矿井线路和电气设备综合保护的控制系统对煤矿事业的发展具有重要的意义。5智能化前景在我国矿井供电线路保护系统中，引进了大量的国外

电

气设备，其可靠的工作性能促进了我国煤炭事业的发展。但国外产品价格高，配件供应周期长，已成为制约我国煤炭行业的一个主要因素。国内一些公司也相继开发出了智能性开关设备。目前根据相关调查以往的磁力启动器保护装置不满足当前井下的需要，启动器保护装置处于大量更换期。因此，开发一种性能稳定、保护种类齐全、动作速度快、可靠性好、方便实用的磁力启动器综合保护装置很有必要。近年来，随着人工智能技术的进一步发展，人工智能技术开始逐渐应用到电力系统中，如绝缘在线检查、故障类型判断等。专家预测，未来智能技术在控制领域将会得到更为广泛的应用，这是矿井供电线路保护技术发展的方向之一。智能化电器具有诸多优点：1）功能更全面，灵活强度更大2）高性能高可靠性3）操作自动化4）“硬件软化”，能有效降低成本5）有自诊断能力6）有对外接口功能，可以实现遥控功能62电气保护漏电保护过载保护短路保护过压保护欠压保护断相保护782.1漏电保护在电气故障检测中，系统的绝缘电阻属于保护系统的监测内容，漏电动作的电阻大小一般依照所在电网的电压等级来确定，当绝缘水平不断下降，达到限定值，系统闭锁磁力启动器无法合闸。如何计算人身触电电流、单相接地电流时，只需考虑电网对地绝缘电阻的影响。如图1所示供电系统。其中RA、RB和RC分别为各相对地的分布绝缘电阻。图1

矿下线路和电气设施之间常常会出现不正常运转状态，

这就是过载现象。由于过载电流导致温度升高，从而损害导体的绝缘、接头、端子等，因此在此之前需要切断过载电流。由于线路过载使得绝缘被损坏，容易引发电气火灾。因此，磁力启动器应当具备过载保护功能，才能有效避免电机和电网的损坏。

如图2所示，保护阈值为k，此时过载时间短，其后恢复为正常状态。此情况不宜动作保护器。92.2过载保护图22.3

短路保护：当输电线路绝缘老化，机械损伤使

得导线短接形成电流突变，因此需要进行短路保护。过压保护：电动机为电感性储能元件，加之电

力电容和线路中的对地电容的影响，会形成振荡回

路。在正常的分合闸操作时，会呈现瞬间的过电压，会损坏用电设备的绝缘性能，此时有必要进行过压

保护。欠压保护：欠电压是指电网电压低于正常工作时额定电压的75%以下大电流会使输电线路的绝缘老化，因此必须采取措施来进行保护。断相保护：电源断相或绕组断线对电动机断相运行有害，所以需要对异步电动机进行断相保护，否则会由于电动机过流过载被损坏。103硬件设计11系统硬件分为：核心MCU（微控制单元）、信号处理、A/D采样、输入

输出和人机接口模块。利用互感器，将高压电信号转化为低压信号，再由经信号调理电路输入单片机内部集成AD转换器中。经过单片机的运算处理得出实际电信号参数并加以保护措施。图3单片机选型

控制单元要求计算机具有实时性、快速性、准确性和多

功能性。因此采用ATmega128微型计算机作为整个系统的控制器。

ATmega128单片机是在线可编程8位微控制器，基于AVRRISC结构的8位低功耗CMOS微处理器，由于其先进的指令集及单周期指令执行时间，数据吞吐率高达1M，从而以缓解系统在功耗和处理速度之间的矛盾。如图4为单片机的引脚图12图4ATmega128单片机优点1采用哈佛结构的流水线技术。在执行一条指令的同时，CPU就已经去的下一条指令；2采用RISC指令系统，具有32个通用工作寄存器；3具有较宽的工作电压范围，工作电压在1.8-6V之间，电源的抗干扰能力强。4集成了丰富的外设，包括看门狗定时器，片内振荡器等，大大方便了产品开发。I/O驱动能力强，可直接驱动LED；5器件是以Atmel的高密度非易失性内存技术生产的；6通过将8位RISC

CPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，ATmega128为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的方案。7软件开发方便，支持汇编和高级语言源程序调试的模拟和仿真环境；有整套的开发工具，包括C编译器，宏汇编，程序调试器/仿真器和评估板。13单片机端口14图5管脚分配图端口A

（B、C、D、E同理）为8位双向I/O

口拥有可编程的内部上拉电阻。输出缓冲器拥有对称的驱动特性，可输出、吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低，此时时输出电流。复位发生时端口A（B、C、D、E）为三态。端口F

为ADC的模拟输入引脚。作为输入使用时特性和上述四个端口一样。如果使能了JTAG接口，则复位发生时引脚PF7(TDI)、PF5(TMS)和PF4(TCK)的上拉电阻使能。端口F也可以作为JTAG接口。端口G为5位双向I/O口，除了和其他端口的共同特性外，有其特殊功能。在ATmega103

兼容模式下，端口G只能作为外部存储器的所存信号以及32

kHz振荡器的输入。复位输入引脚为RESET。·XTAL1（XTAL2）为反向振荡器放大器及片内时钟操作电路的输入(输出）。·AVCC为端口F及ADC转换器的电源,VCC相连接。·AREF为ADC的模拟基准输入引脚。·PEN是SPI串行下载的使能引脚。端口资源分配定时器0：作为实时时钟定时器，最小定时单位为秒；定时器1：定时周期为1ms，用于AD采样的触发；定时器2：用于通信；

AD转换器：需要7路AD采样，分别用于三相电流、电压和漏电阻检测；USART模块：用于启动器与PC机之间的通信；I/O端口分配:PA0-PA7：12864液晶屏数据口PB5、PB6、PB7分别为液晶模块RS、RW、EN端口PC0：主回路接触器控制端口PC1：漏电阻检测开关控制端口

PB4：接触器开关状态检测输入端口PF0、PF1、PF2分别为A相、B相、C相电流检测AD转换输入端

PF3—AB相线电压检测AD转换入端PF4—BC相线电压检测AD转换输入端

PF5—CA相线电压检测AD转换输入端

PF6—漏电阻检测AD转换输入端PB2、PB3、PD4、PD5、PD6、PD7分别为菜单进入键端口、确认(复位)键端口、启动键输入端口、停止键输入端口、向上键输入端口、向下键输入端口PD2、PD3—USART通信端口PB4—485芯片TX、DE端口PE0—ISP下载模块MOSI端口

PE1—ISP下载模块MISO端口PB1—ISP下载模块SCK端口

PD0—I2C总线器件SCL端口PD1—I2C总线器件SDA端口15系统硬件电路原理图设计16图6

12V直流电压电路系统电源系统工作需要的电源如下：12V直流电源、5V直流电源、18V交流电源、30V交流电源。其中，18V、30V交流电源直接取自18V、30V变压器。12V直流电源电路如图6，主干线路线电压经过变压器，转换为18V交流电压，经过整流、滤波后输入稳压器7812，7812输出端再次滤波得到12V直流电源。12V直流电源主要为运放供电，此外，在漏电阻检测中也用到12V直流电源。5V电源的电路如图7，主干线路电压经过变压器后转换为12V交流电，经过整流、滤波后送入7805稳压器，输出再次滤波得到5V直流电压。由

于控制板的负载电流较大，采用两块7805芯片可增大负载能力。17系统硬件电路原理图设计图7

5V直流电源电路电流检测电路设计为实现对电机的过载、短路保护等功能，需实时检测其工作时的三相电流。图8所示电路为系统的A相交流电流检测电路，由电流互感器引出交流电流，经整流器转换为直流电流信号，后经滑动变阻器转换为电压信号，再由有源低通滤波器调理信号输入单片机中具有AD功能的IO口。18图8电流检测电路19电压检测电路设计图9所示电路为UAB检测电路图。线路线电压经变压器、整流器转化为低压直流信号，再经电位器分压至低通滤波器，输入AD转换输入端PF3.集成运放型号为LM224，其中二极管部分电路作用是防止单片机IO口输入电压超过5V造成对单片机的损害。图9电压检测电路4软件设计单片机软件开发环境本系统使用C语言作为开发软件，优势是编写流程清晰、易实现模块化，程序移植性好和易于维护。本系统软件采用的开发环境为ICCAVR。ICCAVR包含了C编译器和IDE集成编译环境，具有以下特点：自动生成对I/O寄存器操作的I/O指令；其编译器支持32位的长整数和32位的单精度浮点数运算，在线汇编，和单独的汇编模块进行接口；拥有ANSIC库函数和针对特定目标访问片上E2PROM和各种片上外设的库函数；可以生成用于AVR

STUDIO源码级调试的目标文件；包含了对项目的管理、源文件的编辑、编译和链接源的设置。20主程序设计21系统软件的设计采用了模块化的设计思路，如图为本控制系统主程序的软件流程图，包括系统初始化模块、AD转换模块、采样数据的计算模块、故障判断及保护模块、键盘扫描模块、LCD液晶显示模块和与上位机的通信模块。主程序流程图如图10所示图10主程序流程图功能模块程序设计数据采集模块本系统需要检测七路模拟量包括三相相电流，三路线电压及一路漏电阻。如前面硬件设计部分所示，它们经一定的变换处理之后输入到单片机具有A/D功能的PF口。数据采集模块流程图如图11所示图11数据采集流程图22系统抗干扰设计很多因素会影响微机系统工作可靠性，很重要其一就是系统抗干扰能力。由于干扰信会影响保护系统性能，抗干扰设计是磁力启动器保护装置研制过程中一个非常重要环节。诸如电磁干扰的传导与辐射。传导：经过电线、信号电缆凭电压、电流的方式传播电磁干扰能量。辐射：通过空间磁场、电场、电磁波的方式传播电磁干扰。硬件抗干扰措施：每个IC芯片的电源端并联滤波电容，防止芯片因脉冲电压而工作异常；在按键输入端口接消抖电容，除起到消抖作用外，也起到抗干扰作用；在AD转换的模拟输入端设置嵌位二极管，防止过电压对AD转换模块造成损坏；采用隔离技术：接触器开关状态的输入通道采用光电耦合器；数字量输出端口采用固态继电器，起到隔离强电电路与弱电电路的作用。该系统设计时将现场微控制器与执行元件严格分开，系统工作时会因为接触器关合及断开工作