低压断路器智能脱扣器设计

摘要：IABSTRACTII第1章绪论1引言1脱扣器概述11.3课题研究目的及意义31.4课题内容概述31.4.1硬件电路设计31.4.2软件设计4第二章智能脱扣器结构设计52.1智能脱扣器的设计原理52.2智能脱扣器的工作原理5第3章智能脱扣器的硬件设计63.1硬件总体设计及工作原理63.2信号采集与处理73.3空心电流互感器的计算73.4单片机的选用113.4各分电路及相关计算143.4.1真有效值转换电路143.4.2过载保护163.4.3短路保护193.4.5模拟脱扣电路223.4.6脱扣输出电路243.5负载监控253.6自诊断和监察25第4章软件设计274.1软件系统的总体设计274.2初始化子程序294.2.1定时器初值的设定294.2.2定时器T1的设定294.2.3定时器T0的设定304.2.4与A/D转换相关的寄存器304.2.5A/D控制寄存器ADCON1的设定304.2.6A/D控制寄存器ADCONO的设定314.3过流判断子程序314.4过流处理子程序314.4.1过流处理子程序流程图314.4.2非首次过流处理子程序324.5中断子程序33第5章人机交互界面355.1智能脱扣器外壳355.2硬件电路设计355.3软件设计36第6章可靠性与抗干扰设计386.1电器可靠性设计386.1.1硬件设计方面386.1.2软件设计方面396.2电器抗干扰设计39结束语43致谢44参考文献45附录A：元件明细表47附录B：总电路图48低压断路器智能脱扣器的设计摘要：低压断路器是用于接通、分断配电电路及对各种故障进行保护的一种开关电器，广泛应用于低压配电系统中。断路器的保护功能是由脱扣器实现的，传统的脱扣器多为电磁式的，其特性不易控制。本课题利用微电子技术及单片机技术，采用微处理器，设计出小型的智能脱扣器，不仅能够实现脱扣功能，即实现预想的保护功能，还能对脱扣器的动作参数进行选择即可实现对多种不同场合的保护，使得脱扣器的性能得到提高，功能得到增强，符合配电系统的要求。论文中详细叙述了设计的理论基础，重点介绍了硬件的选择依据和工作原理，以及软件程序的设计思想和编制方法。关键词：断路器，脱扣器，智能脱扣器TheLow-voltageBreakerResearchontheIntelligentreleaseABSTRACT：Thelow-voltagebreakerisakindofswitchelectricalappliance.Itcanget-onandcutthedistributioncircuitandprotectallkindsoffaults.Itcanbewidelyusedinthelow-voltagedistributionsystem.Thereleaserexecutesthefunctionofbreaker.Thetraditionalreleasersalwaysareelectromagneticanditisnoteasytocontroltheirtrait.Thetaskusesthemicroelectronicstechnologyandsingle-chiptechnologyandutilizesmicroprocessortodevelopthemini-intelligencereleaser.Itcannotonlyfulfillthefunctionofreleasing,i.e.fulfilltheprotectingfunctionwhichispre-designed,butalsoselecttheparametersofmotion,i.e.itcanrealizeprotectinginthemulti-situations.Byusingthesystem,thetargetofremotecontrollingisrealized.Allofthemstrengthenthereleaser'sfunctionsandmakeitaccordwithrequirementsofdistributionsystem.Thebasicprinciplesofthedesignareaccounteddetail，theselectivebasesandtheoperationalprincipleofthehardwareareintroducedchieflyandthedesignreasonsandprogrammeansofthesoftwarearerecommendinthisthesis.KEYWORDS:breaker,releaser，intelligentrelease第1章绪论引言低压断路器是低压配电系统中的主要元件，其保护功能的触发是由脱扣器实现的。早期脱扣器的过载保护功能是利用了双金属片在通过人电流时受热产生变形，从而使机械系统动作来实现的。由于不同金属片的受热形变系数不同、所以可以近似模拟多种时间/电流特性曲线。其缺点是体积较人，过流保护特性不够理想。70年代开始出现了电子式脱扣器，90年代逐步推出了智能型脱扣器。智能型脱扣器由于采用了计算机技术、数字处理技术、控制理论、传感技术和通信技术等，使其功能更趋完善。除实现了各种保护功能外，还有监察显示功能、故障记录功能、通信等各种辅助功能，现已在低压配电系统中得到了广泛应用。脱扣器概述低压断路器主要用来对发电机、电动机、变压器和电缆等设备进行过载，短路和接地故障保护。脱扣器是断路器的中枢部件，它承担着断路器的各种保护、报警、显示与控制功能。早期的脱扣器为电磁式的.其工作原理是利用双金属片在流过电流时发热变形而使脱扣器动作，这类脱扣器制造调整困难，精度低和可靠性差。60年代，美国开始研制电子脱扣器，并应用于低压断路器。电子脱扣器具有保护功能多、延时精度高、选择性好、整定范围大和返回系数高等特点。此外还可以增加接地保护，过载保护功能，使低压电器的保护特性更完善，性能得到了提高。此后国外先进工业国家相继开发出多种电子脱扣器，从分立元件、集成电路发展到利用微型计算机技术的智能脱扣器。80年代开始，法国MG公司研制成功ST-608型智能脱扣器，ABB公司也开发出PR1型智能脱扣器，日本、美国、德国也都开始将智能型脱扣器应用于低压断路器中。我国的智能脱扣器研究起步较晚，但在科技人员的不懈努力下已取得很大成绩，开发出了多种产品并形成了系列化，在功能上也已达到了一定水平。传统的断路器保护功能是通过脱扣器中机械系统的动作来实现的，其效果也不够理想。为了防止用电设备故障以及在供电网络出现异常时损坏用电设备，在传统断路器的基础上逐步开发出更可靠和更具保护性能的断路器。随着微电子技术的发展，集成电路的出现，大大缩小了普通电子电路的体积，因而出现了以专用集成电路为基础的多功能脱扣器，从而促进了多功能断路器的发展。同时微型计算机技术的发展也为低压电器的智能化提供了条件。智能脱扣器是智能断路器的核心部件，它不仅能够提供普通断路器的各种保护功能，还能实时显示电路中的各种参数(电流、电压、功率、功率因数等)，以及和PC机进行通信等功能。由于用电设备数量的迅猛增加，对电力系统的运行安全可靠性、电能的质量、经济性等指标提出了更高的要求。但是，电力系统的组成元件数量多，结构各异，运行情况复杂，覆盖地域辽阔。因此，受自然条件、设备及人为因素的影响，可能出现各种故障和不正常运行状态，故障中最常见危害最大的就是各种形式的短路和过载，其危害是:(1)故障点通过很大的短路电流和所燃起的电弧，将故障设备损坏；(2)电源到短路点间流过短路电流，它们引起发热和电动力将会造成在该路径中有关的非故障元件损坏；(3)靠近故障点的部分网络供电电压大幅度的下降，使用户的正常工作遭到破坏甚至影响产品质量；(4)造成较人范围的停电，破坏电力系统运行的稳定性，引起系统震荡，甚至使该系统瓦解和崩溃。所谓不正常状态是指系统的正常工作受到干扰，使运行参数偏离正常值，如一些设备过负荷、系统频率或某些地区电压异常、系统震荡等。故障和不正常运行状态若不及时处理或处理不当时，就可能在电力系统中引起事故。事故是指人员伤亡和设备损坏、对用户停电或少送电、电能质量降低到不能允许的程度。断路器就是在当电网不正常情况时，如过载、过压、欠压和短路等，能自动的把负载从电网上断开，从而避免危及操作人员安全和设备的正常运行，防止人身事故和火灾事故。其执行机构智能型脱扣器的基本功能是:(1)当出现过载时，能依据运行维护的具体条件和设备的承受能力延时跳闸。(2)当出现短路情况时，能瞬时跳闸或短延时跳闸。智能脱扣器的多种保护功能中，最基本的就是过流保护，其它保护功能都是在过流保护的基础上派生的，它们的基本原理大体相同。随着科技的不断发展，人们对脱扣器提出了更高的要求，可通信化，高性能、高可靠性、小型化、模块化、组合化、电子化和智能化已成为了脱扣器发展的方向。目前，国外已开发出了系列化智能脱扣器。这些智能化脱扣器的性能大大优于传统的脱扣器产品。我国在这一研究领域还有很多工作需要我们去作。(l)一直以来，传统的装有电磁式脱扣器的断路器在电力系统领域发挥着巨大的作用，但由于其检测和执行装置均为机械结构，故存在着性能指标低、耗材、耗能、保护特性单一、规格及品种少、反时限拟合效果差等问题。(2)利用微电子技术发展起来的以模拟电路和数字电路为基础的电子式脱扣器弥补了这些不足。但由于供电系统中大量使用软起动器、变频器、电力电子调速装置、不间断电源等装置，使电网和配电系统中出现了大杖的高次谐波，而模拟式电子脱扣器一般只反映故障电流的峰值，造成断路器在高次谐波的影响下发生误动作。(3)随着计算机技术、智能化技术、通讯技术的进步及应用领域的不断扩大，配电自动化系统得到迅速发展，对电器产品提出了可通信要求，以实现各种电器元件与计算机之间的双向通信联系。可通信己成为今后一段时间脱扣器的发展方向。1.3课题研究目的及意义90年代随着微处理器的蓬勃发展，出现了带微处理器的智能型脱扣器，标志着进入了智能化阶段。而今在信息技术和计算机网络的发展下，并借鉴国外低压电器领域的先进技术，利用近年来出现的现场总线技术，使智能脱扣器与中央控制设备实现双向通信成为可能，可见具有此类功能的产品前景十分广阔。因此，对其的研究非常符合目前低压电器的发展趋势，尤其我国开发智能化电器正处于起步阶段，从我国配电系统发展的实际需要看，随着石油、化工、冶金及高层建筑等行业的技术进步，此类智能化电器必将在我国存在着巨大的潜在市场。此外，将智能化脱扣器做成独立于某一型号断路器的通用型产品也成为了一个发展趋势。因此，开发和研制新一代的智能脱扣器具有重要的现实意义。1.4课题内容概述本课题以脱扣器为研究对象，利用微电子技术及单片机技术，采用微处理器，设计出的小型智能脱扣器，不仅能独立完成过流和短路保护功能，还能对脱扣器的动作时间参数(电流和时间值)进行选择。综合日前国内低压电器的发展现状，并在国外新技术发展趋势的基础上，硬件部分采用Microchip公司的PIC16C73单片机作为核心部件控制脱扣器的工作，实现保护功能。为了实现上述功能，研究主要内容包括硬件电路的设计和系统软件的设计。1.4.1硬件电路设计(1)检测单元:其功能是将线路的电信号(电压、电流)线性的转换成模拟电路能处理的低电压信号，其转换的准确性和精度直接影响脱扣器的性能。(2)真有效值转换单元:其功能是将在一个采样周期内采集到的交流低电压信号真有效值转换成直流电压信号，以供单片机处理。(3)中央处理单元:通过A/D转换模块，将输入的电压信号转换成对应的8位二进制数，与基准电压对应的8位二进制数进行比较。若出现过流情况，则找到对应的过流倍数并要考虑到热积累效应，进行折算，如此时仍过流，则脱扣器动作。(4)短路电流处理单元:本系统充分考虑到短路电流发生时，数字电路在反应时间上的滞后性，为此专门设计了相应的模拟电路。1.4.2软件设计软件部分设计的主要任务是用汇编语言编写程序以实现预期的功能。它主要包括软件结构设计和软件程序设计。软件结构设计的目的是分清任务的执行顺序，明确任务执行条件和分支，重复执行某项任务直到定义的条件满足为止。软件程序设计的目的则是将各任务进一步细化，直到分解为程序设计语言的语句。本设计系统软件主要由初始化程序、数据采集程序、计算程序、查表程序、主程序等部分组成。第二章智能脱扣器结构设计本课题的主要目的和任务是:在了解智能脱扣器结构的基础上，根据预期要实现的功能，进行系统的软、硬件设计，以实现设计要求。智能脱扣器结构设计的主要任务是智能脱扣器的设计在设计和工作原理上有进一步的了解。2.1智能脱扣器的设计原理低压断路器在供配电系统中的主要作用是对线路中的过载、短路、接地等故障进行保护，它通过检测单元获取主线路中的电流、电压信号，经脱扣器的逻辑控制单元分析判断后发出信号控制断路器的动作。断路器的动作与否和断路器的动作时间取决于脱扣器的控制线号。智能脱扣器的设计也是基于这个原理，但逻辑控制单元由高性能的单片机及其外围电子电路组成、检测单元由空心互感器和信号处理电路组成。其原理框图如下：图2.1智能脱扣器原理框图2.2智能脱扣器的工作原理空心电流互感器检测供电线路中的电流并将其转换成数字电路和单片机可处理的电平信号，经隔离后进入采样和保持电路，经滤波、放大等处理后送入微处理器，微处理器内带A/D转换单元将模拟信号转换成数字信号，供CPU进行逻辑运算与处理；各种故障保护的动作电流和时间的整定值通过键盘设定并存于EEPROM中；CPU将检测到的电流信号与整定值比较，判断是否脱口。若脱口，则确定动作时并发控制信号和警报信号，显示故障电流和故障类型，否则，脱扣器刷新显示，并进行自我诊断和检测。第3章智能脱扣器的硬件设计硬件设计的主要任务是综合考虑系统所要实现的各种功能和各部分硬件之间的关系，来选择所需芯片，设计出系统电路原理图以及印制电路板。3.1硬件总体设计及工作原理本设计研究的智能脱扣器采用单片机作为主控单元，使其控制其它外围电路来实现各种功能。硬件设计的总体思路是:智能脱扣器通过互感器将主电路的电压、电流信号转换成模拟电路可以处理的电平信号:经过真有效值转直流单元，将交流电压信号转换成单片机可处理的直流电压信号;中央处理单元则对这些信号进行采样、模数转换、运算和处理，运算结果和整定值比较后输出符合预设保护特性的电平信号，这些信号经放大后可直接驱动脱扣器的执行机构动作。此外，还应设计模拟电路以使电路出现短路电流时，脱扣器能瞬时动作。硬件电路主要包括以下几个部分，如图3.1所示:图3.1硬件设计原理图智能脱扣器的原理框图如图3-1。主要由检测单元、信号处理单元、模数转换单元、中央处模块组成。检测单元由空心电流互感器和信号处理电路组成，逻辑控制单元由高性能的单片机及其外围电子电路组成。在工作时，智能化脱扣器通过空心电流互感器将主线路的电压、电流信号转换成模拟电路可处理的电平信号，信号处理单元则对这些信号滤波和采样；采样信号经多路开关送人模数转换模块(A／D)转换成数宁信号；CPU根据这些信号进行逻辑运算和处理，运算结果与整定值比较后输出符合预设保护特性的逻辑电平信号，这些信号经放大后可直接驱动断路器的执行机构使断路器动作。各种故障保护的动作电流和时间整定值通过键盘设定．预先存储在EEPROM中，并可以在应用中随时进行修改。3.2信号采集与处理脱扣器所需的信号由套在母线上的空芯互感器提供。采样信号的准确度直接影响脱扣器的保护和显示精度。传统铁芯互感器线性度小，当出现大电流时，其二次输出与一次电流不成线性关系，造成欠保护及显示与实际电流值不符。本设计采用空芯互感器，具有宽范围的线性度，可保证脱扣器实时处理、显示线路中的各种情况。信号处理电路首先对互感器采集的多路信号分别进行积分处理，使之与母线IU流成正比，经过跟随隔离、隔直滤波处理后送入多路模拟开关，CPU通过控制模。3.3空心电流互感器的计算迄今为止，铁心电磁式电流互感器一直是电力系统主要的电流检测工具，在继电保护应用中占主导地位，但是它本身有着难以克服的缺点。首先，这类互感器的体积、重量随着电流等级的升高而增加，价格上升也很快。其次，高压输电线路中使用的铁心式互感器中必须充油，防爆困难，安全系数下降。第三，在传统的电器设备二次测量和保护电路中，采用了各种电磁式或电动式仪表及电磁式继电器，它们的线圈都需要从互感器中汲取能量，所以铁心电磁式互感器都必须有相应的负载能力。但对智能电器而言，其二次电路已全部由智能监控单元取代，监控单元本身所需的功率比传统设备大大降低，不再需要互感器输出较高的功率。此外，互感器铁心的磁化曲线（B-H曲线）线性范围有限，在智能电器应用环境下，被监控的电流变化范围往往很大，当原边电流很大时，铁心会饱和，这将使副边电流波形发生畸变，影响测量和保护精度。在有些场合下，如低压框架式断路器中，流过主触点的电流变化范围可以从几安培到短路时的几千安培，要在这样大的范围内进行测量检测，用传统的铁心电磁式电流互感器根本无法实现，必须采用新的电流互感器（Rogowski线圈）。Rogowski线圈组成的空心电流互感器具有结构简单、输入电流变化范围宽、线性度好、性能价格比好等特点，是目前在智能电器中应用比较多的一种电流传感器。Rogowski线圈其本身结构不设一次绕组，载流（负荷电流）导线由L1至L2穿过硅钢片擀卷成的圆形（或其他形状）铁芯起一次绕组的作用。二次绕组直接均匀地缠绕在圆形铁芯上，与仪表、继电器、变电器等电流线圈的二次负载串联形成闭合电路，如下图所示:由于穿心式电流互感器不设一次绕组，其变比根据一次绕组穿过互感器铁芯中的匝数确定，穿心匝数越多变比越小；反之，穿心匝数越少变比越大，额定电流比：Rogowski线圈基于电磁感应原理实现电流的测量，其工作原理如下图所示：图3.2Rogowski线圈原理图设线圈的匝数为N，绕制在横截面积为A的非磁性材料骨架FR上，磁通密度为B(t)，根据电磁感应原理，线圈两端的感应电动势（3-1）因此，在绕组两端接上合适的电阻R0就可以测量电流。由于绕组本身与主电流回路完全通过磁场耦合，没有直接的电联系，所以与主回路间有良好的电气隔离。上式中，B(t)由被测电流i(t)产生。若设线圈的平均半径为r，则有（3-2）式中，，为真空磁导率。合并式（3-1）与式（3-2）可得（3-3）图3-3给出了图3-1所示测量回路的等效电路。在线圈骨架的横截面均匀时，由等效电路可得（3-4（3-4）式中，为流过线圈的电流，。由于Rogowski线圈的饶线框架为非磁性材料，自感量L很少。L-线圈电感RL-线圈电阻图3.4加入RC等效电路后的等效电路图Ro-取样电阻图3.3测量回路等效电路图当或时，可得从而有(3-5)一般地，采样电阻都远大于绕线的电阻，可以认为。令，由式（3-5）可得从采样电阻上输出的电压为(3-5)(3-6)(3-6)可见，输出电压正比于被测交流电流的有效值。由式（3-6）还可以看出，在工频正弦交流电路中采用Rogowski线圈检测电流，取样电阻上的电压与被测电流i之间会存在的相位差。若直接用作为被测电流信号，智能监控单元中的CPU将无法根据测得的电网电压和电流正确计算其他点参量。为此，在实际使用中，通常需在Rogowski线圈回路中加入积分环节，是与的相位达到一致。积分环节的实现有多种方法，常用的有两个：一是通过RC积分电路实现，另一个是通过电压频率变换实现，本次设计采用前者。采用RC积分电路，整个采样绕组回路由绕组回路、测量回路和积分回路三部分组成，等效电路如2-4所示。式（3-6）改写为复数形式为（3-7）由图3-3可知，RC积分电路中，电容C上的电压为（3-8）将式（3-7）代入式（3-8）即得（3-9）适当选择R和C的值，使，上式可近似等效为(3-10)式（3-10）表明，经过RC积分环节后，测量回路输出电压（t）与被测电流在相位上基本一致，且具有较好的线性关系。图3-5给出了某型号空心电流互感器的输入输出特性曲线，由图可以看出，其线性区很长，因此空心互感器具有很宽的线性测量范围。图3.5空心电流互感器在大电流时的输入输出特性3.4单片机的选用Microchip技术公司具有先进的类-RISC(ReducedInstructionSetComputer)结构的PIC系列微控制器的简洁性，为8位微计算机市场设立了一种事实上的新的性能标准。为了达到独一无二的高速性能，PIC微控制器采用了小型机设计结构。先进的类--RISC结构体现在每一条高效率和强大的指令上。其三个系列微控制器的指令都是单字的宽字位指令:低档、中档和高档系列的指令位数分别为12,14和16位，且分别只有33,35和58条指令，它们向上兼容:而CISC(ComplexInstructionSetComputer)结构的微处理器通常有50到110条多字节多周期的指令。单宽字指令提高了软件编码的效率和减少了所需的程序存储器单元，使系统具有最高处理效率和突出性能。在相同情况卜，PIC微控制器所需要的编码比一般微控制器要少一半，其指令的高效率又可使编码开发时间节约30%。令流水线结构可以在一个周期内同时完成一条指令的执行和下一条指令的取指。最大限度的提高了每一个内部时钟周期的效率。高速的指令执行时间，在20MHz时钟情况下达到200ns，在25MHz时可快达160ns。在单周期内可以对I/O口的任一位直接进行位操作。美国Microchip技术公司经过十多年的努力在嵌入式控制技术领域己经成为先进技术的先锋，推出的Plcs位微控制器系列是业内率先采用精简指令集计算机(Rlsc)结构的高性能价格比的嵌入式控制器。其指令系统除了程序分支指令是单字双周期指令外，其它指令都是单周期、单字节指令。在这些指令中，由于没有功能相交叉的指令，使所有的指令具有简洁性。其高速度、低工作电压、低功耗、较大的输入输出直接驱动能力、一次性编程芯片的低价位、小体积等。都体现了微控制器工业发展的新趋势。本设计在综合考虑设计要求、所要实现的功能以及性能价格比的基础上，通过对各种微处理器的比较，决定选用Microchip公司的PICI6C73芯片作为本设计的微处理器。PIC16C73芯片不仅能够实现所需的全部功能，而且工作速度快、价格比较便宜(只有三十元人民币左右)，这使得产品的生产成本大幅度降低，有利于增强产品的市场竟争力。其主要硬件资源包括:(1)4096xl4位EPR服程序存储器(2)192字Y通用RAM(3)22根双向I/0线(4)3个8位的定时器/计数器(5)n个内部和外部中断源(6)有5个通道8位A/D转换器(7)T2C和3线SPI兼容的同步串行接口SSP(8)串行通信接口SCI提供异步串行通信接受器和发送器USART功能(9)时钟频率可从直流到20MHz由于PICI6C73自带有5个通道的8位A/D转换器，所以省去了A/D转换器件，同时通过软件编程可以选择采样通道，这就省去了多路开关等器件。因此使外围电路大大简化，有效的减小了电路板的面积。PIC16C73还带有一个串行通信接口SCI，这个SCI可被设置成可以与诸如CRT终端和PC机等外围设备进行通信的全双工异步系统。因此，利用SCI可以方便的实现智能脱扣器与PC机之间的通信。此外，PIC16C73还具有监视定时器(看门狗)、上电牌电复位、程序代码加密保护等功能。微处理器PICl6C73的引脚排列如图2-6所示，其内部结构和功能表分别如2-7所示。本设计所用到的引脚及其功能如下：引脚9，10是振荡器晶体输入/输出引脚；引脚1是芯片复位编程电压输入引脚；引脚2、3、4是A心通道模拟输入，可分别连结三相线路中的一相；引脚5是A/D通道模拟输入/基准电压V比f输入，通图3-6PIC16C73（双列直插式）引脚排列图过改变其输入电压的大小，可调整动作电流的基准值，从而改变动作时间;引脚17，18是异步发送/SCI同步时钟线和异步接线SCI同步数据线;引脚8，19接地:引脚1、20接电源正极。图3.7PIC16C73的内部结构3.4各分电路及相关计算3.4.1真有效值转换电路(1)AD536A简介AD536A是美国AD公司推出的执行从真有效值到直流值转换的单块集成电路，它的性能与混合电路和模块化电路相类似，甚至超过了他们。ADS36A可直接计算输入的任何复杂波形(包括交、直流成分)的真有效值，它的峰值因数补偿电路使在峰值因数达到7时只有1%的测量误差。AD536A宽扩的带宽扩展了其测量性能，使它可以测量电压值在100mv以上频率为300KHz并带有3dB误差的信号电平。AD536A有效值转换器的非预先可用状态的重要特性是有一个辅助的dB输出功能。有效值输出信号的对数值被发送到一个单独的引脚上，使其可以在60dB的动态范围内进行dB转换。利用外部提供的参考电流，用户能方便的设置0dB电平，使其可以对应从到2V之间的任何有效值。AD536A的输入输出补偿晶片的电平、正负极波形的对称性以及在7V时的有效值满量程精度都经过激光微调，所以不加外部微调电路也能保证其单位比例精度。AD536A的输入输出都进行了完善的保护，其输入电压能大大高于电源电压，而其输出电路则有短路保护功能。AD536A由输入连接引起的电源电压损耗不会影响测量精度。(2)AD536A的工作原理AD536A嵌入了有效值隐含解方程式电路，从而克服了动态范围小以及其它直接计算有效值时固有的限制。AD536A的实际执行原理如下所示:由均方根定义有：经变换得：(3)AD536A的标准连接AD536A的连接非常简单，所需的唯一外部元件是用来建立平均时间常数的电容(如图所示)。在这种配置中，AD536A将测量输入的交、直流电压的有效值，由于滤波电容的作用，在低频输入时将出现误差。例如在使用4uF电容时，如输入信号频率为10Hz，则其输出的有效值附加平均误差为0.1%。为此有必要测定AD536A应用在本设计时的转换精度。(4)AD536A的转换精度测定由AD536A技术资料手册知，当AD536A采用供电时，其所允许输入的交流信号的典型有效值为0-2V。由于采用士5V供电，所以输入交流信号的最大有效值为2V。测量AD536A转换精度时，接入电容，所用电表为DT9973型多功能高精度万用表，其转换精度等级为。实验中采用同一块万用表分别测量交流输入端和有效值输出端，实验电路如图2-8所示:图3.8AD536A转换精度试验电路实验结果如表3-1所示。由实验结果可以看出:采用士5V供电时，随着交流输入电压有效值的增加，与其相对应的输出有效值的误差逐渐增加，但相对误差却逐渐降低，均小于5%。所以AD536A的转换精度完全可满足设计要求。表3-1AD536A实验结果组号12345678单位输入交流有效值V输出直流有效值V(5)AD536A与PIC16C73的接口电路在大多数有效值的精确测量中，AD536A只要外接一个滤波电容就可工作(如图3.5所示)。在这种连接中，由于滤波电容的作用，可获得高精度的直流输出。B、C相电路的接法与A相完全相同，为简单起见，图中未画出。AD536A与PIC16C73的接口电路如图3-9所示:图3-9AD536A与PIC16C73的接口电路图中D1、D2组成双向稳压电路，用来保护AD536A，以免其因输入电压过大而损坏。3.4.2过载保护过载保护装置一般可分为测量部分、逻辑部分和执行部分，如图3.10所示。图3-10过载保护原理框图测量部分时刻监视着被保护线路的运行状态，不断的采集电流信号并加以处理送入逻辑部分，逻辑部分不断的把输入信号和整定值比较，以便判断保护装置是否应该动作，它的输出信号经放大后驱动执行部分的动作元件。目前电网中使用大量的功率补偿器、软起动器、电力电子调速装置和不间断电源等，这些装置都会使配电系统产生高次谐波，而热双金属脱扣器和模拟式脱扣器都不能反映故障电流的真实有效值，造成断路器的误动作。现以反映峰值的脱扣值来分析其误动作的原因，图3-11（a）为一带10%的5次谐波的畸变电流，其峰值电流为110A，真实有效值电流为A，而以正弦有效值标定的脱扣器，此时对应的电流值为，若反映峰值的脱扣器整定在72A，则会产生“过保护”的现象。相反，图3.11畸变的电流波形如图3-11（b）的畸变电流带20%的3次谐波，峰值电流为85A，以正弦有效值标定的脱扣器，此时对应的电流值为A，而真实有效值为A，相差近15%，若此时反映峰值的脱扣器整定在65A，则会出现“欠保护”的现象。智能脱扣器为了对过载故障电流真实反映其真实值，必须计算电流的有效值。电流有效值当时，但单由于高次谐波的存在，已不能正确反映，所以，必须采用数值积分的方法计算。数值积分的基本思想就是将积分区间[0，T]细分为若干个小区间，在每一个小区间上用插值多项式代替被积函数，并对插值多项式进行求积，其结果就是所求积分的近似值。令设插值节点为：则拉格朗日插值多项式为：(3-11)其中：由于所以其中：为求积公式余项，为插值型积分公式（3-12）要使式（3-11）具有n次代数精确度，就要求求积公式（3-11）对于都成立，即要求式（3-13）成立。这是含有求积节点和求积系数的方程组，为确定值，需要解此方程组，这里选定求积节点，则方程组（3-13）是关于的线性方程组，方程组的系数行列式是由求积节点组成的范得蒙行列式，因此方程组有唯一的一组解使求积公式（3-14）具有n次代数精确度。（3-13）…解此方程组得：由此可得（3-14）式中：若上式中取，采样周期T为20ms,采样频率相当于1000Hz,一般智能化脱扣器采样频率取1000-1620Hz，此时计算误差在5%左右。3.4.3短路保护在大型电力系统中，为了限制单相接地短路电流，一般均采用人为的方法将系统中性点经电抗器或消弧线圈接地，使单相接地电流不至超过最大可能的三相短路电流。因此在计算短路电流时，均按三相短路来进行。实际计算中，对于系统中电压的微变可不予考虑，认为系统电压保持不变，即，对于这样的系统称为无穷大系统。设有如图3-12所示无穷大系统，三相短路前后均为对称电路，故可只讨论图3.12系统短路等效电路图一相，其端电压为振幅恒定的正弦波。在正常运行时电路中通过负载电流，若突然在d点发生短路，此时电路被短路点分成两个独立回路，右边电路中的电流由原来的值逐渐衰减，直到电感中的储存能量在电阻中转变为热能消耗尽为止。左边电路由于存在电源提供能量，短路瞬间出现过度过程。由于电路中存在电感，所以电流不会发生突变。各相中的电流与相电压满足下列微分方程式（3-15）（3-16）解微分方程可得：（3-17）积分常数c可由t=0时初始条件求得：短路后的短路全电流为（3-18）由短路电流表达式可知，当合闸相角此时的短路电流为最大值，即（3-19）合闸瞬间，t=0，短路电流的波形图如上图所示。由图3-13可知，短路电流的最大值出现在短路后的半个周期，即t=10ms时，要使电力系统损失最小，脱扣器就必须在短时间内检测到短路电流并发出脱扣信号分断线路。短路保护分为两段：短路短延时和短路瞬动。在短延时保护中，对采集到的电流信号进行有效值处理，每一个采样周期采集20个点，用数值积分的方法计算有效值，CPU将其与整定值比较，并作出逻辑判断。为了保证在出现短路情况时，脱扣器能瞬时动作，特别采用四运算放大器LM324来实现此功能，其连接图如图3.14所示。图3.13短路电流波形图本设计采用LM324四运算放人器用于整定值比较电路。如图2-14所示，LM324是由四个完全相同的运算放人器组成，其中运算放人器的同向输入端分别接三相交流电流信号经AD536A转换后得到的直流电压信号;它们的反向输入端并联后接短路电流信号整定值，由于基准电压设为，且按过流时最人峰值图3.14短路保护电路原理图电流值为止常电流值的9倍设计，所以该整定值设为1.8V.运算放大器4的正向输入端接单片机VO口RB6，当线路上出现过流情况，在过流倍数所对应的动作时间到后，单片机RB6脚被置成高电平，单片机1/O口的高电平大于5V;运算放大器4反向输入端所接的整定值为2V；4个运算放人器的输出端分别串联二极管后再经并联后接继电器，只要有一个运算放大器输出高电平时，通过继电器就会驱动执行机构动作。由于运算放大器有抑制共模信号，放大差模信号的功能，因此只要同向输入端电压和反向输入端电压有极微小的差异，运算放大器就会立即翻转，这对于提高整定值的精度无疑是大有好处的。3.4.5模拟脱扣电路图3.5模拟脱扣电路原理图微处理器在上电初期要进行上电初始化，无法实现保护，要加入模拟脱扣电路，作为后备保护。模拟脱扣电路用于系统上电初期的短路电流保护和系统运行期间特大短路电流的保护。如图3-15所示，模拟脱扣电路采用硬件比较器电路可以快速判断出断路器接通时出现短路的情况，并做出相应的动作保护。在微处理器运行期间，模拟脱扣电路实现特大短路电路的判断，如果出现特大短路电流，微处理器没有来得及反应，则模拟脱扣电路可做出相应的判断和动作。因此数字脱扣和模拟脱扣相结合，两者互补，增加可脱扣器的可靠性。模拟脱扣电路采用比较器监幅电路来实现，每一相使用两个比较器来完成。电流信号的幅值同参考电平VRE+和VRE-进行比较。比较器采用LM324，其输出是集电极开路的，因此图3-15中所有电压比较器输出并联起来，通过一个上拉电阻接实现线与功能。在正常情况下，微处理器没有发出脱扣信号且电流信号的幅值在基准电压范围内，则比较器的并联输出被上拉电阻拉高，否则的低脉冲维持一定的宽度，则单稳态触发器被触发，输出一定宽度的脉冲通过驱动电路时磁通变换器打开，从而分断断路器。在实际系统运行中由于干扰的存在，比较器的输出会出现一些不必要的窄脉冲，如果直接接单稳态触发电路，会产生误动作。为了消除干扰，在比较器的输出端加了脉宽检测电路，该电路由一个555器件组成，输出接由另一个555器件构成的单稳态触发电路，电路及工作波形分别如图3.16和所示。脉宽检测电路的工作原理如下：、、、表示图中各节点。来自电压比较器并联的输出端。在正常情况下，比较器输出高阻，此时图中NPN三极管导通，被三极管嵌位在其饱和电压V以下，输出高电平。当电流越限或单片机发出脱扣指令，比较器输出将把拉低，则NPN三极管截止，此时接的电容通过R5、R6开始充电，电压升高。如果低脉冲保持一定的宽度，随着电容充电上升并达到2/3,则输出低电平，触发其后由555器件构成的单稳态电路，输出一个一定宽度的脉冲。由电路的工作波形可知，由于电容充电需要一定的时间，因此该脉宽检测电路只有在输出低脉冲宽度保持一定的时间才能使触发。如果的脉冲过窄，电压达不到2/3，则不会触发，因此通过该电路可以消除前级比较器出现的干扰问题。上述电容充电使电压上升到2/3的时间为，设充电电阻为R，电容为C，则图3.6中的充电电阻由R5和R6串联而成。即R=(R5+R6)。单稳态触发电路的图3.16脉宽检测电路图3.17脉宽检测电路输出波形输出的宽度为。R、C为相应的充电电阻值和电容值。上述电路中的电容电阻值根据实际比较器输出脉冲的情况适当的取值。3.4.6脱扣输出电路微机测控系统的控制信号一般由CPU给出脉冲信号（TTL电平信号），这种信号不能驱动外围开关元件（如接触器、继电器等），必须经过接口电路的功率图3.18脱扣输出电路原理图放大以后才能驱动外设电器的动作。为了防止外部干扰信号的影响，在电路中必须增加抗干扰措施。电路原理如图3-18所示：正常情况下来自微处理器的信号为高电平，U1、U2、U3为低电平，单稳态电路处于稳态，复合管T1被截止，控制执行元件的线圈Q中无电流通过，当CPU发出动作脉冲指令时，U1输出脉冲方波，U2随电容C1的充电，电压逐渐升高，充电时间为2ms,CPU输出的脉冲宽度必须大于2ms，否则信号将被截止，本设计中CPU脉宽为4ms，用于抗干扰。当U2>U4时，U3由低电平变为高电平，单稳态电路被激活，输出6ms脉宽的方波触发复合管T1，执行元件的线圈Q中通过电流，分断断路器。执行元件采用磁通变换器，正常工作时由永磁铁保持动铁心闭合，克服了传统的欠压线圈工作时耗能、发热、噪音等缺陷；动作执行时，线圈Q中通过电流产生反向磁通抵消固有磁通，动铁心在反力弹簧作用下打开，带动断路器分断。3.5负载监控在线路故障电流超过负载监控整定值（），而未达到过载电流整定值时，智能脱扣器能发出报警和控制信号。利用控制信号可进行负载调度，若智能断路器为上一级保护开关，下一级多条负载支路分别供电给不同性质的负荷，重要负荷不允许停电，当线路发生过载时，为防止过载脱扣引起重要支路断电，利用智能脱扣器的负载监控信号分断支路断路器，卸掉一般负荷，以保证重要负荷不间断供电，见图3.9。图3.19负载监控示意图3.6自诊断和监察智能脱扣器具有自我诊断和监察功能，不但可以监视和检测保护特性，还可以测量电流和电压，并实时显示。当脱扣器环境温度超过允许值或脱扣器内部发生故障则发出信号报警。为了提高系统的工作可靠性，智能脱扣器在设计中采用看门狗电路，随时监视系统的工作情况，当系统工作超过正常执行周期时则使系统复位。第4章软件设计硬件和软件是单片机应用开发系统中的两个重要方面，但两者的功能有时又是可以相互转化实现的。本设计为了充分体现脱扣器的智能化以及尽量减小硬件电路的体积，软件部分设计的重要性就显得尤为突出了，以软代硬是本设计的创新点，所以软件设计工作在整个设计中是最重要的、其工作量也是最大的。软件设计主要包括软件结构设计和软件程序设计，后者主要内容是拟定程序的总体方案、根据系统功能及操作过程绘制程序流程图、编制具体程序以及检查和修改程序。智能脱扣器的主要任务是能独立完成对电路的过载、接地及短路保护，并能方便的对动作参数进行设定。在拟定软件总体设计方案时，由于实际的单片机控制系统的功能复杂、信息量大和程序较长，这就需要选用合理的切合实际的程序结构设计方法。常用的设计方法有三种:1、模块化程序设计；2、自顶向下逐步求精程序设计；3、结构化程序设计。在本设计中，采用第一种方法，即模块化程序设计，它的设计思路是把一个复杂应用程序按整体功能划分成若干相对独立的程序模块，各模块可以单独设计、编程、调试，然后把功能相关的模块通过连结程序联在一起调试，最后各模块程序在主程序的控制下进行总体调试，最终成为可完成设计要求、具有实用价值的程序。由于此方法的设计思路与本设计的硬件设计思路非常吻合，为此，本设计的软件程序部分就采用模块化的设计方法。4.1软件系统的总体设计根据智能脱扣器预期要实现的功能.所设计的系统软件由初始化子程序、确定采样相子程序、A/D转换子程序、延时子程序、乘法子程序、除法子程序、过流判断子程序、过流处理子程序、修改延时时间子程序、中断子程序、查表子程序、通信子程序和主程序组成。主程序将按自上而下顺序无限循环的方式执行，当有中断发生时(如定时器时间到、串行口中断等)，系统将根据软件排定的中断优先级别来响应中断，中断完成后再返回主程序继续执行。下面就针对主程序以及主要子程序的执行步骤一一进行详细的分析。主程序是整个系统程序的“灵魂”，它不仅指挥着程序流程，还起着承上启下，将各子程序模块有效衔接起来的作用。在综合考虑本设计所要实现的功能以及尽可能优化程序设计的前提下，主程序的流程图如图4-1所示:图4.1主程序流程图4.2初始化子程序初始化子程序的主要任务是对为实现设计功能所涉及到的寄存器的初始状态进行设定。由于本设计所用到的通用寄存器和专用寄存器很多，对于其中较容易设定且无特殊意义的寄存器就不一一介绍了，下面重点介绍一下与A/D转换相关的寄存器以及定时器T1、TO的初值和波特率寄存器的初始值是如何设定的。4.2.1定时器初值的设定PIC微处理器的时钟信号从OScl/cLKIN引脚上输入后，在片内产生4个非重叠正交(相差90°)的时钟信号，分别被称作Q1、Q2、Q3和Q4。在片内每个Q1使程序计数器PC增量加1，Q4从程序存储单元中取出该指令，并把它锁存到指令寄存器中。在下一个Q1到Q4之间对取出的指令进行译码和执行。时钟和指令周期执行的时序图如图4.2.1所示:本设计所采用的是高速石英晶体振荡器，其振荡频率为，所以每条指令(除了程序分支指令和跳转指令外)的执行时间为l。图4.2时钟和指令周期图4.2.2定时器T1的设定本课题所设计的智能脱扣器，在过流时其动作时间都在秒级，所以采用500ms为定时器计时单位，延时动作时间表中的各个数值都是时间基准的整倍数。T1是一个16位定时器。如不采用分频器，则其最长定时时间为:其值远远小于时间基准值，为此必须采用预分频器，经计算采用1:8分频，则定时器初值为:4.2.3定时器T0的设定本设计中采用定时器TO来确定各相的处理时间，它是一个8位的定时器。考虑到芯片AD536A将真有效值转换成直流所需时间，所以定时器TO采用128分频，故每相的执行时间为：三相总共的执行时间为，再加上中断等其它程序的执行时间，完全可以保证AD536A所需的转换时间，同时也能满足过流时对动作时间的要求。4与A/D转换相关的寄存器PlC16C7X系列芯片的最大特点是带有8位的A/D转换部件，而PIC16C73芯片带有5个A/D通道模拟输入。这些多通道模拟输入共用一个采样/19持电路，用一个多路转换开关进行切换。采样/保持电路的输出是A/D转换器的输入。A/D转换器是采用逐次逼近法进行模数转换的。其模拟基准电压可用软件编程选择，可以为芯片的正电源电压，也可以为从RA3/AN3Nref引脚上外加的电压值。4A/D控制寄存器ADCON1的设定ADCON1是用于控制选择A心引脚功能的寄存器，通过对它的设定可以把A心口设为不同的工作方式，如表4-1所示:PCFG2PCFG1PCFG0RA0RA1RA2RA3Vref0XOAAAAV0X1AAAVrefRA3100AADAV101AADVrefRA311XDDDD-表4-1PIC16C73A/D转换引脚选择表表中PCFG2-O分别为A/D控制寄存器ADCON1的D2-DO位，A代表模拟输入，1/O口，X代表0或1,Vref代表外加的参考电压。参考PICI6C73的A/D转换引脚选择表，并结合本设计的硬件电路，决定把RAO,分别作为三相的模拟输入通道，RA3作为参考电压输入，即将ADCONI初始化为1H。4A/D控制寄存器ADCONO的设定ADCON0寄存器中的D7和D6位为A/D转换时钟的选择位。A/D位采样时间被定义为Tad，完成一次8位AID转换所需时间为10Tad，对Tad可以有四种选择:（1）2Tosc，（2）8Tosc,（3）32Tosc,（4）内部RC振荡4.3过流判断子程序本课题所设计的智能脱扣器，使其延时动作的最大电流值可达到基准电流值的9倍，又考虑到芯片AD536A在土5V电源供电时，其典型的最大输出电压值为2V，所以基准电压(即参考电压Vref)设为0.2V(对应十六进制数的19H)。电流值转换成电压值后.再经过A/D转换，其对应的数字量与基准电压对应的数字量19H进行比较，如不大于19H，则等待此相处理时间到后再转到其它相进行检测；如大于19H，则说明出现了过流情况，随即转到过流处理子程序执行。4.4过流处理子程序当出现过流时，首先要分析过流的情况，即是第一次过流还是非第一次过流；如是第一次过流，则转查表子程序，查出过流倍数所对应的动作时间；如不是第一次过流，则转到非首次过流处理子程序，进行进一步的处理。4.4.1过流处理子程序流程图过流处理子程序流程图如图4.3所示:图4.3过流处理子程序流程图4.4.2非首次过流处理子程序当通过过流判断子程序判断出过流情况是非第一次过流时，要将前一次判断过流后到判断本次过流期间定时器所计时间进行折算，其后如继续过流，则以此类推。非首次过流处理子程序是本设计中最复杂、最重要的部分，也是最能体现出本设计与传统脱扣器相比的优势所在。由于输电线路上的负载时时都在变化着，而且同时存在众多干扰源的影响，特别是当大负载启动或停车时，对输电线路电压和电流的影响非常大。当出现过流情况时，由于线路上负载的工作情况千变万化，所以过流的倍数不是持续不变的，而是要经常不断变化的，这可能会出现三种情况:(1)第一次检测时过流5倍，而到第二次检测时却不过流了;(2)第一次检测时过流8倍，而到第二次检测时变成过流4倍;(3)第一次检测时过流4倍，而到第二次检测时变成过流8倍.对于第一种情况要及时的给延时动作计时单元清零，以免脱扣器误动作。对于第二和第三种情况，延时动作计时单元中所存的数值，即不应该是过流8倍所对应的延时时间，也不应该是过流4倍所对应的延时时间，而应该是介于二者之间的一个数值，为此必须通过两次过流倍数进行折算。折算的实质就是把前一次过流时产生的热量积累换算成第二次过流时其过流倍数所应该对应的延时动作时间。折算的理论依据如下:由于过流时对电器设备造成损坏的根本原因是大电流流过电器设备所产生的热量不能及时散发掉，而造成电器设备局部过热，致使其损坏。所以我们可以以不同过流倍数在不同时间产生相等的热量为基础来进行折算。（4-1）（4-2）将（2）代入（1）并消除相同项得（4-3）式中：折算后所得到的时间为连续两次过流时的间隔时间按前一次过流倍数折算到后一次过流倍数时所对应的时间。在过流判断子程序判断出非首次过流后，应先通过查表子程序查出后一次过流倍数所对应的延时动作时间，再从其中减去折算后得到的时间，此时得到的时间才是实际应继续延时动作的时间。4.5中断子程序中断子程序是在中断条件满足时，如果中断允许位开放，则会自动转入执行的程序。本设计的中断允许位对定时器TO和TI开放。其中通过对TO中断的响应来改变检测相:通过对T1中断的响应来判断是否过流倍数对应的动作时间到，以决定脱扣器的执行机构是否动作。当中断发生后，系统自动转入中断程序执行。通过对中断标志位的判断来决定响应哪个中断。由于定时器TO定时时间短，为了减少软件执行时间，所以发生中断时，先检测是否定时器TO发生了中断，如是TO中断，则TO清0，并将其中断次数寄存器加1，为转换检测相做好准备；如TO没有发生中断，则必定是TI发生了中断，这时要将A、B、C三相各自的中断次数计数单元分别加1(如果某相出现了过流情况)，然后再将中断次数计数单元中的值与各自过流倍数对应的延时动作时间进行比较，如前者小于后者，则跳出中断转主程序执行，如前者大于后者，则微处理器发出信号，脱扣器的执行机构动作。中断子程序流程图如图4.4所示。图4.4中断子程序流程图第5章人机交互界面5.1智能脱扣器外壳智能脱扣器外壳如图图5.1脱扣器外壳图5.2硬件电路设计由图5-1可知人机交换界面包括4个数码管、10按键、1个电源开关和1个报警显示灯，除了电源开关外，其余的器件都由PIC16C73控制。PIC16C73总共28个引脚，最多才22输入输出通道，其中PORTA被作为A/D转换通道，能够用的只有PORTB和PORTC端口，而4个数码管就有36个引脚，只能采用I/O扫描的方式来完成这个任务。输入输出电路如图5-4所示，扫描通道有4个，分别由PORB的RB0—RB3控制，每个扫描通道会对应一个数码管，3个按键；PORTC是控制数码管的显示内容；PORTB的RB4、RB6和RB7用于读取按键状态；RB5是脱扣输出端，输出脱扣信号的同时发出报警，全部外围的控制要经过4次扫描才完成。图5.4输入输出电路5.3软件设计在硬件的部分，I/O原来都是根据扫描的通道分为四组了，因此在数据的处理上会以完成4个通道之后再进行一次，因此我们必须先准备好一些寄存器，存放四个数码管的显示码和准备储存10个按键状态的位置。输出的部分在对应不同的扫描通道时，将对应的引脚状态输出，输入的部分，也是每次两个位置的储存。等到完成一次4个通道扫描时，再来一起处理数据，此时输入的部分会检查8个按键的状态与变化状况，如果有需要再执行相对应按键事件的子程序。输出的部分，检查是否有需要改变输出的状态，如果需要，就修改并加载新的值到显示数据用的寄存器中，在下一个扫描周期时显示正确的输出。图5.5输入输出接口电路软件流程第6章可靠性与抗干扰设计随着微电子技术和计算机技术的进步，特别是单片微型计算机的出现和发展，微型计算机在各个领域中的应用越来越广泛。微型计算机应用工业测控系统，使原有以强电和电气为主、功能简单的电气测控设备发展成为强弱电结合、功能完善的新型微电子设备。由于系统所处环境往往比较恶劣和复杂，干扰严重，导致程序执行紊乱，使系统误动作或者出现故障时不动作。这样不仅会影响经济效益，有时甚至还会造成重大人身和财产损失。系统的可靠运行是决定系统是否具有生命力、是否能够推广的关键，在产品化设计研制过程中，只注意功能的完善而忽视可靠性及抗干扰的设计，将导致产品不能稳定运行而出现失误、失去市场。智能脱扣器作为一个单片机应用系统，其可靠性与抗干扰性的设计对于整个系统有条不紊的正常工作来说是必不可少的，在这方面本设计作了如下设计。6.1电器可靠性设计在电器设计中，可靠性是对其重要要求之一，它可定义为“给定系统在规定的工作条件下和预定的时间内持续完成规定功能的概率”。在特定的环境和给定的时间内，系统是否能按照预定的方式运行，是评定可靠性的基本内容。这里以单片机为控制核心的智能脱扣器，其可靠性设计从硬件和软件两个方面加以考虑。6.1.1硬件设计方面PIC单片机自身具有多项可靠性措施。单片机的外时钟是高频干扰源，对系统和外界均会产生高频干扰。对于可靠性要求高的系统来说，在保证指令执行速度不变的条件下，尽量降低单片机外时钟的速度可以降低外时钟的干扰。为此，在综合考虑本设计的具体要求后，决定采用4MHz的外部晶振，这样既能满足设计要求有能最大限度的降低外部时钟干扰。单片机的I/O口直接与外界相连，是引入干扰的直接途径，因此I/O口抗干扰能力很大程度上决定了单片机的抗干扰能力。PIC单片机的I/O口采用了带去毛刺功能(输入口内带施密特触发器或施密特触发器和RC滤波交替使用的EFT技术)的抗干扰技术，从而消除了直接干扰源。通常集成电路电源脚和地线引脚是分列在芯片的左下角和右上角的。这使得排版时电源噪声穿过整个芯片。为降低来自电源的干扰，PIC单片机将电源脚和地线引脚排在相邻的位置上，这样就有有效的减少了来自电源的干扰。PIC单片机还具有时钟监测、低电压复位、地址跟踪监测等功能。时钟监测即单片机自动监测系统时钟，一旦系统时钟停振，自动产生系统复位信号以恢复系统时钟:低电压复位是单片机自动监测电源电压，当电源电压低于某值时，产生复位信号，将系统复位:地址跟踪监测是指单片机检测到指令计数器的地址为非法地址，如RAM或特殊功能寄存器地址时自动产生复位信号。这些功能从硬件方面有效的保证了PIC单片机可靠运行。6.1.2软件设计方面可靠性设计是一项系统工程，单片机系统的可靠性必须从软件、硬件以及结构设计等方面全面考虑。硬件系统的可靠性设计是单片机系统可靠性的根本，而软件系统的可靠性设计起到抑制外来干扰的作用。在软件设计方面，程序的可靠性来自程序设计的正确性，在这里选用的程序设计方法为模块化程序设计，即将整个程序分为若干个独立模块，每个独立模块完成一个子任务，可单独设计、调试和运行，成功后进行联调，发现不足然后改进。这种思想非常符合系统总体设计思路，本设计在硬件的实现上就是划分出功能块，分别设计出电路，从而最终联成一个整体，因此，我们选择模块化程序设计方法来实现软件程序的编制有利于提高系统的可靠性。另外，本设计的软件部分还采用了一些软件系统的可靠性设计方法:开机自检、软件陷阱(进行程序“跑飞”检测).设置程序运行状态标记、输出端口刷新、软件“看门狗”等。通过软件系统的可靠性设计，达到最大限度地降低干扰对系统工作的影响.确保单片机及时发现因干扰导致程序出现的错误，并使系统恢复到正常工作状态或及时报警的目的。6.2电器抗干扰设计智能脱扣器在实际环境条件下工作时，不可避免地会收到一些不同的干扰影响，为了保证实际使用中系统的正常工作，需要在电路设计、试验运行与调试中采取适当措施，由于产生干扰的原因十分复杂，比如说环境中的某些自然因素或人为作用会产生一些电磁能量而产生干扰，其传播干扰的途径也是多种多样的。一般有以下几种。(1)传导耦合:干扰通过导线进入电路，称为传导耦合；(2)公共阻抗耦合:在设计中电路各部分之间经常是共用电源与地线，这样，电源与地线的阻抗就成了各部分之间的公共阻抗，当某部分的电流流过公共阻抗时，阻抗上的压降就成了其他部分的干扰信号；(3)静电耦合:在系统内部，元件之间、导线之间、元件与导线之间等，都存在着分布电容，干扰很容易通过分布电容进行传递，这称为静电耦合；(4)电磁耦合:电磁耦合时通过电路之间的互感耦合的。在本设计中，接地是抑制干扰的重要方法，地线结构大致有系统地、屏蔽地、数字地(逻辑地)、和模拟地等，将接地和屏蔽正确结合起来使用，可解决大部分干扰问题，在地线设计中我们所注意到的有以下几方面：(1)单点接地与多点接地选择任何导体都有阻抗，当其中流过电流时，导体中便会出现电压梯度。对于两个分开的接地点，电流越大，两点间的电位差也就越大。此外，这种电位差还与电流频率有关，当在高频时由于导线上的分布电感加人，电位差也就增大。一点接地又分为串联一点接地合并联一点接地两种方式。串联一点接地方式会导致各接地点电位不同，而且还要受到其他电路工作电流的影响。并联一点接地方式中，各电路的电位仅与本电路的地电流和地电阻有关。这种接地方式避免各个工作电路的地电流耦合，减少相互干扰。因此，在低频电路中采用这种接地方式为宜;当电路在高频时，地线阻抗中的感抗分量增大。欲减少感抗，就得缩短地线的长度，而采用一点接地方式往往连线太长。因此在高频电路中多采用多点接地方式。综合考虑本设计电路的具体情况，故采用一点接地。(2)数字、模拟电路分开当电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路时，将它们尽量分开，并且使两者的地线不相混，分别与电源端地线相连，并尽量加大线性电路的接地面积。(3)接地线尽量加粗若接地用线条很细，接地电位则随着电流的变化而变化，致使单片机的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏。因此，我们将地线加粗，使它能通过三倍于印刷电路板上的允许电流，在此将接地线加粗约为3mm。(4)接地线构成闭环路在只有数字电路组成的印刷电路板接地时，根据实验，将接地电路做成闭环路大多都明显的提高抗噪声能力。其原因是:一块印刷电路板上有很多集成电路，尤其是有耗电多的元件时，因受到线条粗细限制，地线产生电位差，引起抗噪声能力下降:若接地线成闭环，则该电位差值减小。在电源线布置方面，由于电源通常包含大量噪声，我们除了根据电流的大小尽量加宽电源线导体宽度外，尽量使电源线靠近地线走线，使电源线、地线的走向与信息传递的方向一致，这样将有助于增强抗噪声的能力。在任一单片机应用系统设计中，靠预先消除所有故障来提高可靠性，这在实际上几乎是不可能的，采用容错自诊断是提高可靠性的重要方法，容错法在运算中则允许故障发生，但这些故障的影响可借助冗余技术而自动抵消，因此，即使存在故障，系统仍能维持正常工作。为了使系统更加稳定可靠的工作，在本设计中采用多种冗余设计。所谓冗余，是指当系统故障时，取消这些部分，不会影响系统的正常运行。冗余设计通常包括软件、硬件等方面的措施。软件冗余又可分为指令冗余和信息冗余等。硬件冗余是指增加备份硬件设备来保证系统可靠地工作，在本系统硬件设计中，由于均采用高集成度和高科技芯片，可靠性较高，并从成本上考虑，所以不使用系统级硬件冗余。指令冗余是指在关键地方人为地插入一些单字接指令NOP，或将有效单字接指令重写。在双字节指令之后插入两个单字节NOP指令，这可保证其后的指令不被拆散。因为“乱飞”的程序即使落到操作数上，由于两个空操作指令NOP的存在，不会将其后的指令当操作数执行，从而使程序纳入正轨，对于一些决定程序流向的重要指令(如RETLW,RETURN,RETFIE,CALL)，在其之前插入两条NOP指令，并在其之后重复写上这些指令，可保证乱飞程序迅速纳入正轨，确保这些指令正确执行。信息冗余是指增加多余的信息，以提高对错误进行检测以及对错误进行纠错的能力。在本系统数据通信中，选用奇偶校验码，这是一种常用的方法，这种常用的检错码构造很简单，只有一个监督位，但因其具有较强的检错能力，且易于实现，所以在数据传送上以及输入输出设备中得到了广泛的应用，其编码方式是在每个数据位组之后附加一位校验位，使每一帧字符信息中“1”的个数成为奇数或偶数，分别叫做奇校验或偶校验，接收端用一个模2加法器就可以很方便地完成检错工作。当“乱飞”的程序进入非程序区(如EPROM未使用的空间)或表格时，采用冗余指令使程序纳入止轨条件便不满足，此时可以设定软件陷阱，拦截乱飞的程序，将其迅速引向一个指定位置，在那里有一段专门对程序运行出错进行处理的程序。为此特别设置了若干软件陷阱，软件陷阱就是用引导指令强行将捕获到的乱飞程序引向复位入口地址OOOOH,，在此处将程序转向专门对程序出错进行处理的程序，使程序纳入正轨。软件陷阱可以安排在未使用的中断区、运行程序区和中断程序服务区。(1)当未使用的中断因干扰而开放时，在对应的中断服务程序中设置软件陷阱，就能及时扑捉到错误的中断。(2)前面曾指出，乱飞的程序在用户程序内部跳转时可用指令冗余技术加以解决，也可以设置一些软件陷阱，更有效的抑制程序乱飞，使程序运行更加可靠。程序设计时常采用模块化设计，按照程序的要求一个模块、一个模块的执行。可以将陷阱指令组分散放置在用户程序各模块之间空余的单元里。在正常程序中不执行这些陷阱指令，保证用户程序正常运行。但当程序乱飞一旦落入这些陷阱区，马上将乱飞的程序拉到正确轨道。(3)设主程序运行区间为addressl-address2，并设定时器TO产生32ms定时中断。当程序乱飞落入addressl-address2区间外，若在此程序区外发生了定时中断，可在中断服务程序中判定中断断点地址address。若address<address1或address>address2，说明发生了程序乱飞，则应使程序返回到复位入口地址0H，是乱飞的程序纳入正轨。当单片机受到严重干扰而失控，引起程序乱飞时，也可能是程序陷入“死循环”。指令冗余技术和软件陷阱技术不能使失控的程序摆脱“死循环”的困境，通常采用程序监视技术，又称“看门狗”技术(Watchdog)，使程序摆脱“死循环”。测控系统的应用程序往往采用循环运行方式，每一次循环的时间基本是固定的。“看门狗”技术就是不断监视程序循环运行时间，若发现时间超过己知的循环设定时间，则认为系统陷入了“死循环，然后强迫程序返回到复位入Q地址OOOOH，在OOOOH处安排一段出错处理程序，使系统运行纳入正轨139,40,411系统经过可靠性和抗干扰性设计后，性能得到了提高，在进行试验调试时，其运行稳定，能够正常工作，完成预想的保护功能。结束语本论文对智能脱扣器功能的实现作了较为深入的研究，通过对国内外低压电器领域特别是脱扣器技术发展现状及发展趋势的了解与分析发现，研制带有微处理器的智能化、可通信小型电器势在必行，据此我们设计研制了这种带有通信功能的智能脱扣器，创新点是它不仅能够完成传统意义下电磁式脱扣器的功能，还可以使现场电器与上位机实现双向通信功能，通过总线系统达到遥测、遥控的目的。经过试验与调试，各芯片工作运行正常，能够可靠的完成预期的功能。本论文的研究非常符合国内外低压电器发展的趋势，对以后进一步完善智能脱扣器的功能、更好地适应市场的需求具有现实的意义。此智能脱扣器可完成过流保护功能，设计的保护电流范围为0-1000A，它具有以下特点:(1)微处理器采用国内流行的性能价格比较高的PIC16C73芯片，其自带A/D转换器，省去了外围的A/D转换模块;另外其他外围电路也都采用高集成度芯片，使得设备整体体积大大减小。(2)由于采用了微处理器来控制脱扣器的动作时间，使得控制精度大为提高，并解决了传统脱扣器存在的热积累问题。(3)当出现短路情况时，脱扣器可瞬时动作。(4)为保证脱扣器可靠工作，在硬件设计中采取相应措施控制噪声源、减少噪声耦合和噪声接收，在软件设计中采用数字滤波、软件陷阱、WATCHDOG等抗干扰措施，提高系统运行的稳定性和可靠性。致谢本设计是在梁锦老师的悉心指导下完成的。在做此设计期间,梁老师给予我的谆谆教诲和悉心关怀，值此论文完成之际，谨向我的导师梁锦老师致以最衷心的感谢。梁老师严谨求实的治学作风、扎实勤勉的工作态度和诲人不倦的高尚品德，时刻激励着我刻苦学习、认真完成毕业设计；梁老师对科学事业孜孜以求、废寝忘食的崇高奉献精神，将时刻鞭策着我在未来的人生旅途中奋发努力、积极进取。在整个大学学习过程中，我有幸得到了各任课老师的精心指导和热情帮助，在此，也向他们表示诚挚的谢意。特别要感谢应用技术学院和电气与信息工程系、电机电器教研室全体老师的悉心教导与培养。他们不但教给我扎实的专业知识，还教我做人、做事等方面的道理。最后，谨向在百忙之中抽出宝贵时间评审我论文的各位老师致以真挚的感谢。陆琳2010年6月参考文献[1]周茂祥主编.低压电器设计手册.北京：机械工业出版社,1992，832