《基于C8051F340的空压机电机保护系统的设计》

摘要productionofcoalmine,soitiscrucialtoprovidereliableandeffectivecollection,theA/DtransformationiscarriedoutbytheADFurthermore,RS-485BusthathashighreliabilityappliedtotheelectromotorprotectoKeywords:Theprotectorofelectromotor,singlechip,LCD,485Bus 11.1课题的提出及意义 11.2电机保护器的发展历程及其现状 11.3课题的研究内容及特点 42电机保护器的方案设计 6 62.2方案的选择 72.3电机保护器的保护原理 3电机保护器的硬件结构 3.1单片机的选用 3.2信号的获取电路 3.4人机接口电路 3.5通信接口的设计 3.6其他电路的设计 4电机保护器的软件实现 4.1软件系统的总体设计 4.2下位机软件设计 山东科技大学学士学位论文目录 6结论 致谢 附录B通信协议 附录D专业外文资料翻译 11.1课题的提出及意义我国是一个产煤大国，煤炭在我国国民经济建设和发展中起着十分重要的作用，煤矿高效生产一直是国家重点关注的事情。空气压缩机是煤矿主要设备之一，它主要是作为压缩空气源或动力源，为各类大型装置提供高压的空气源或机械动力。而电机是空压机的最主要部分，电机的可靠性和安全性直接影响空压机的运行，甚至影响煤矿的安全生产。在电机运行过程中，有可能发生一些故障和不正常运行状态。常见的主要故障是相间和接地短路，以及变压器、电动机和电力电容器等可能发生的匝间或层间局部短路情况。不正常运行状态主要指过负荷、一相断线、一相接地及漏电等不正常工作情况。短路故障往往造成严重的后果，影响电动机正常运行，使故障回路设备遭受损害。长期过负荷将使设备绝缘老化；一相断线易于引起电动机过负荷；对中性点不接地系统，一相接地易造成过电压，并使其它两相对地电压升高√3倍，两种过电压都可能引起相间短路。当故障或不正常运行状态发生时，如不及时消除，不仅影响正常的生产，而且能危及生产者的人身安全，造成不可估量的损失。所以设计一个安全可靠、功能齐全的空压机电机保护器是十分必要的。1.2电机保护器的发展历程及其现状电机保护装置采用热继电器已有很长的历史，但热继电器在电机的轻过载区存在着“保护死区”,在该区域电机将得不到有效的保护。电机在重2才能进入正常运行状态，但双金属片热继电器在此倍率下的动作时间为10护器均采用人工可调定时限保护特性，较难实现与电机热过载保护特性曲一般采用定时避开启动电流的措施，以防止正常启动的保护误动作。也就过程中，保护器不作任何检测，以便跳开启动常检测状态。但是如果启动过程中出现异常故障，则电机就得不到保护。随着电子技术的发展，继电保护技术的数字化、计算机化成为了必然JR9,JR14热继电器在1997年12月31日淘汰使用。电机保护控制技术是极其显著的机电产品，国家已将此类产品列为节能机电产品，并作为替代热继电器和在基本建设、技术改造、更新设备时的优选产品。电机保护控制装置由于价格高或产品质量低劣而未能普及，在技术水平、品种和数量上远远满足不了国民经济发展的需要。因此尽快开发新3将拥有广阔的市场。在这种背景下，以单片机为核心，对电机过压、欠压、过载等故障具有综合检测保护功能的电机保护器应运而生。以单片机作为控制器的数字电子式电机保护器，可实现电机的智能化综合保护，有的还具有远程通讯功能，可在PC机上实现对多台联网的电动机实现在线综合监视与控制，在采样和整定精度方面有质的飞跃，可对采样信号进行软件非线性校正，并可实现真有效值计算，从而极大地降低了被测信号波形畸变的影响，真正实现了高精度采样，在整定方面采用数字设定，通过键盘由用户自行现场设定。因为采用了单片机就使得在相同硬件条件下集多种功能于一体的电机保护器的出现成为可能。可研制集保护、通讯控制与一体的电动机保护装置，对电动机发生的断相、过载、短路、欠压、过压和漏电等故障实现保护，还具有电流电压显示，时间控制，来电自恢复，故障记忆，自锁和远传报警，显示故障时的电流、电压故障前后用声光示警，配置RS-485通讯接口，实现计算机联网。同时可监控、监测多台电动机工作等功能。随着微电子技术的发展，电动机保护器正朝着智能化，综合化，高精度，高可靠方向发展。计算机技术、网络技术、通讯技术的飞速发展，极大地促进了微机继电保护系统的发展，其保护功能日趋完善，速度与可靠性越来越高。日前微机型继电保护装置正逐步取代其它形式的保护装置，成为电动机保护装置的主要形式与发展方向。同所有的产品一样，电机保护器经历了由低级到高级、由简单到复杂逐渐科学完善的发展过程，在这个过程中一批批技术人员倾注了大量的热情与心血。虽然电动机保护器已发展到了微电子时代，但电动机保护的课题将永远不会停止，仍然需要我们百倍努力，仍有大量的工作等着我们去做。41.3课题的研究内容及特点本课题采用C8051F340单片机内部集成的A/D转换器把现场采集到的可进行A/D转换的直流电压信号，以及经过光电隔离的开关(4)与上位机通信功能的设计：通过RS-485通信接口来实现电机保护器与PC机的通信功能。主要是用汇编语言编写程序来实现预期功能，其中包括实时定时中断53.具有过载、短路、断相、三相不平衡、相序、欠压、过压、漏电闭4.当外围故障(油过滤器堵塞、油细分离器堵塞、排气高温、电机过热及环境温度过高或过低)时，起动器可靠分闸；5.具有故障信息提示及故障记忆功能，并能累计40条故障信息；62电机保护器的方案设计2.1系统的总体设计从功能上来划分，空压机电机保护器可以分为6个部分(如图2.1):光电隔光电隔离电压电压形成模拟信号5转换器转换器键盘显示时钟电路控制输出通信电路电源模块图2.1系统框图MCU主系统包括微处理器MCU,外部存储器(E²PROM),实时时钟山东科技大学学士学位论文74.人机接口部分：5.通信部分：2.2方案的选择山东科技大学学士学位论文电机保保护器的方案设计8一一种0要身t二利里口用路7图2.2W77E58的44-PinPLCC封装代替外部SRAM,可节省更多I/O口；有4个8位I/O口，和一个附加的4·全速、非侵入式的在系统调试接口(片内)9·片内电压比较器(两个)·硬件实现的SMBus/IC、增强型UART(最多两个)和增强型SPI串行接口荡器的C8051F340器件是真正能独立工作的片上系统。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或的产品MCU进行非侵入式(不占用片内资源)、全速、在系统调试。调试每种器件都可在工业温度范围(-45℃到+85℃)内用2.7V-5.25V的电压C8051F340的管脚图如下图2.3所示：OO□吨m两+n图2.3C8051F34的TQFP-48封装上述两种芯片的硬件资源对于我们的设计来说都是足够的，且指令系统都与MCS-51兼容。但是，选用C8051F340与选用W77E58相比较，有(2)C8051F340内部集成AD转换器，如选用W77E58则需要再另加(3)C8051F340的指令执行速度比W77E58更快。(4)根据W77E58在工业现场的强电磁干扰环境中的使用经验，其抗强电磁干扰的能力不是很理想。综上所述，且在两种芯片的市场价格均为30元左右的情况下，我们选择C8051F340来作系统的控制芯片。山东科技大学学士学位论文2.2.2显示器的选择CRT是一种使用阴极射线管(CathodeRayTube)的显示器，阴极射线荫罩(Shadowmask),荧光粉层(Phosphor)及玻璃外壳。它是目前应用CRT的工作原理：CRT(阴极射线管)显示器的核心部件是CRT显像下会散焦，且聚焦精度高，可以进行分区域聚焦，边缘聚焦，四角聚换现象。当系统受到外界激发后，会从稳定的低能态跃迁到不稳定的高能态。当系统由不稳定的高能态重新回到稳定的低能态时，如果多余的能量寿命长(一般为10万到1000万小时);抗冲击，耐振动性强；重量轻，理就是利用液晶的物理特性：通电时排列变得有序，使光线容易通过；不通电时排列混乱，阻止光线通过，说简单点就是让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。LCD显示器一般只能提供固定的显示分辨164作为其驱动芯片。2.LCD显示器LCD显示器，我们选用了OCMJ5*10B型液晶显示器，用来作为系统的人机接口界面。由于OCMJ5*10B型液晶显示器的工作电压为5V,而我们选用的单片机为3V系统，因此需要使用一个电压转换芯片把3V的信号转换为5V的信号，我们选用了MM74HCT245芯片。2.2.3通信总线方式的选择随着控制技术、计算机技术和通信技术的飞速发展，数字化作为一种趋势正在从工业生产过程的决策层、管理层、监控层和控制层一直渗透到现场设备。现场总线是实现智能化现场设备与高层设备之间互联的，全数字、串行、双向的通信系统。通过它可以实现跨网络的分布式控制。自80CAN总线是CAN控制器局域网络(Controll主要用于过程监测及控制。它最早是在20世纪80年代初在汽车行业首先山东科技大学学士学位论文电机保保护器的方案设计线标准。它支持多点连接，允许创建多达256个接点的网络，并且在传输速率为100kbps和使用双绞线作为传输介质时，传输距离可达到1200m,或者在网络中增加中继器，以扩大网络节点数量和系统监控范围。RS-485只需要两根线就可以进行数据的发送和接收，系统成本低，线路简单。本系统中，各个通信分站之间无数据交换，所有通信分站都要由监控计算机控制，主从式的RS-485总线结构适合本系统的通信特点。为此，我们选择主从式RS-485作为通信分站与监控计算机的通信方式，芯片选用MAX485通信芯片。2.3电机保护器的保护原理2.3.1电机的故障情况分析要设计一个保护装置，首先要分析保护对象会遇到的各类故障，分析其故障特征，才能提出切实可行的保护方案。对于电动机来说，其故障形式主要分为绕组损坏和轴承损坏两方面。造成绕组损坏的主要原因有：1.由于电源电压太低使得电动机不能顺利启动，或者短时间内重复启动，使得电动机因长时间的大启动电流而过热。2.长期受电、热、机械或化学作用，使绕组绝缘老化和损坏，形成相3.因机械故障造成电动机转子堵转。4.三相电源电压不平衡或波动太大，或者电动机断相运行。5.冷却系统故障或环境温度过高。造成电动机轴承损坏的原因主要是机械负荷太大、润滑剂不合适，或者恶劣的工作环境，如多尘、腐蚀性气体等给轴承带来的损坏。由于电动机的微机保护主要通过测量电量(电流、电压以及开关状态等)来监测电动机的运行状况，因此面对的主要是绕组故障。引起电动机绕组损坏的常见故障可分为对称故障和不对称故障两大类。对称故障主要有三相短路和过载等；对称故障主要有断相、三相不平为故障判据。对于严重的三相短路应该采用速断跳闸，而对于对称过载应其它不出现显著过流的不对称故障，例如断相、不平衡运行等，过流接地短路等，往往是由于运行环境差、长期运行不当引起的，故障最初并不引起显著的电流增大，若不及时处理会导致事故扩大，进而引起电动机机端过热、转子及起动力矩降低等一系列问题，并严重损坏电动机。各种短路故障还会造成供电网络电压的显著降低，破坏其它用电设备的正常工异步电动机常见故障的分布情况如表2.1所示，表中单相故障设A相故障类型过电流其他故障特征设置保护类型对称故障三相短路电流速断过载过流反时限不对称性故障断相定时限逆相无速断不平衡无定时限山东科技大学学士学位论文三相电流的特征反映断相和不平衡故障，逆相故障的反映主要采用硬件电2.3.2电机故障保护的动作原理对交流异步电动机保护的难点在于：一是对电机的起动过程如何进行有效的故障判断及保护；二是如何给予电机故障合理的差别依据及抗干扰处理。本课题正是从这两个出发点出发，来解决传统的电机保护器所不能1.电机启动过程中的保护着电机的转速增大，电流逐步减小，在额定负荷下，启动电流最终稳定在额定电流上，这一过程称为电机的起动过程。在上述启动过程中我们可以看出，在电机启动的瞬间，电机实际上处于堵转运行状态，而此后的过程如采用常规方法进行过流故障检测，则必然会产生误判断，造启动。为了进一步提高保护器的实用性，我们是采用设定一个开机延时，并在延时期间检测堵转电流是否大于9Ip,如延时期间出现大于9Ip的情况2.反时限特性曲线的保护原理以过载保护为例：在过载保护中传统的方法是使用定值判断保护法。定值判断保护法就是根据不同的电机将过流保护域值设定为定值，行电流超过该保护域值就视为出现过载故障。但是如遇到电网电压波除误保护，就必须增大保护域值，这必然会降低过流保护灵敏度，降低保0t图2.4反时限特性保护曲线山东科技大学学士学位论文电机保保护器的硬件结构3电机保护器的硬件结构3.1单片机的选用微处理器是整个系统的核心，它的性能直接决定了系统的性能。在本课题中，我们选用了SiliconLaboratories公司的C8051F340。选择C8051F系列单片机的原因主要有两个：一是C8051F340内部具有AD转换器，简化了硬件电路设计并且降低了设计成本；二是C8051F340具有片内SiliconLabs2线(C2)接口调试电路，支持非侵入式、全速的在系统调试。C8051F340内部有一个10位ADC和一个差分输入多路选择器，如图3.1所示。该ADC工作在200ksps的最大采样速率时可提供真正10位的线性度，INL为±1LSB。ADC系统包含一个可编程的模拟多路选择器，用于选择ADC的正输入和负输入。端口I/O引脚中的20个(48脚封装)引脚可用作ADC的输入；另外，片内温度传感器的输出和电源电压(VDD)也可以作为ADC的输入。用户固件可以将ADC置于关断状态以节省功耗。模拟多路开关端口I/0引脚传感器内部温度传感器端口1/0正输入配置、控制和数据寄存器配置、控制0启动转换016位16位窗口比较逻辑转换结束中断定时器0溢山定时器2滥出定时器1溢出定时器3溢出定时器3溢出器据窗口比较中断定时器2溢出、定时器3溢出或外部转换启动信号。这种灵活性允许用软件事件、周期性信号(定时器溢出)或外部硬件信号触发转换。一个状态位用于指示转换完成，或产生中断(如果被允许)。转换结束后10位结果数3.1.2电压基准C8051F340的电压基准MUX可以被配置为连接到外部电压基准、内部表3.1内部电压基准的电气特性最小值典型值最大值单位输出电压环境温度25℃VVREF短路电流VREF温度系数负载调整负载=0-200μA到VREF开启时间1陶瓷旁路电容2VREF开启时间20.1μF陶瓷旁路电容VREF开启时间3无旁路电容电源抑制山东科技大学学士学位论文电机保保护器的硬件结构3.1.3C2接口C8051F340包含SiliconLabs2线(C2)调试接口，支持FLASH编程和使用安装在最终应用系统中的器件进行在系统调试。C2接口使用一个时钟信号(C2CK)和一个双向的C2数据信号(C2D)在器件和宿主机之间传送信息。SiliconLabs的调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点和单步执行。不需要额外的目标RAM、程序存储器、定时器或通信通道。在调试时所有的模拟和数字外设都正常工作。当MCU单步执行或遇到断点而停止运行时，所有的外设(USB、ADC和SMBus除外)都停止运行，以保持与指令执行同步。对于开发和调试来说，SiliconLabsIDE接口比采用标准MCU仿真器要优越得多。标准的MCU仿真器要使用在板仿真芯片和目标电缆，还需要在应用板上有MCU的插座。SiliconLabs的调试环境既便于使用又能保证精确模拟外设的性能。C2协议允许C2引脚与用户功能共享，可以进行在系统调试和FLASH编程。这种共享之所以可能，是因为C2通信通常发生在器件的停止运行状态。在这种状态下片内外设和用户软件停止工作，C2接口可以安全地“借用”C2CK(正常方式为/RST)和C2D(正常方式为P3.0)引脚。在大多数情况下，需要使用外部电阻对C2接口和用户应用进行隔离。3.2信号的获取电路3.2.1电压电流信号的获取如图3.2所示，电压信号经过变压器变压之后，经过电阻分压、半波整流和电容滤波，送到A/D转换口作为输入；电流信号由互感器产生，经过半波整流和电容滤波，送到A/D转换口作为输入。两者都有二极管限幅保护电路，当输入电压高于3V时，由于二极管的钳位作用，从而保护单片机P2.K3.2.2逆相信号的获取山东科技大学学士学位论文电机保保护器的硬件结构J2B相电压KD21图3.3逆相信号的获取电路3.2.3温度信号的获取在我们的设计中，温度的采集我们选用了美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20。DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板(ON-B0ARD)专利技术。全部传感元件及转换电路集成线总线”接口，测量温度范围为-55℃~+125℃,在-10℃~+85℃范围内，的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。DS18B20的主要特性2.独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口山东科技大学学士学位论文电机保保护5.温度范围一55℃~+125℃,在-10℃~+85℃时精度为±0.5℃。6.可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、7.在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率3 1图3.4DS18B20电路图山东科技大学学士学位论文电机保保护器的硬件结构3.2.4开关量信号的获取参与控制和保护。在我们的设计中，从装置外部引入的触点信号主部装置的故障信号(如：油过滤器堵塞、油细分离器堵塞、排气高温、电对于从装置外部引入的触点，为了避免给微机保护系统引入干扰，采用光电藕合器实现电气隔离。电路如图3.5所示，其中J9外接一个电机运行状态的辅助触点，当电机停机时该触电断开，使开关量输入信学学并关油细油滤2图3.5开关量信号的输入电路3.3跳闸控制电路跳闸的控制信号，当电机保护器产生跳闸信号时，外围的继电装置动作从44图3.6跳闸控制电路3.4人机接口电路山东科技大学学士学位论文电机保保护器的硬件结构0加键减键图3.7键盘电路机运行状态指示，其他指示灯用来指示各种故障，以提醒工作人员注意，样该电路就可以实现串行输入并行输出16位数据的功能。具体电路原理图如图3.8所示：GNDGND宁告四8导图3.8LED显示电路山东科技大学学士学位论文幕可以显示五行，每行可以显示10个汉字，同数码管显示器相比其显示的配合软件实现菜单提示操作，大大方便了工作人员的操作，同时可以减少B系列(改进型)中文液晶显示模块内含GB231215*15点阵国标一、二级简体汉字和8*8点阵及8*16点阵ASCII字符，用户输入GB2312区位码B系列(改进型)中文液晶显示模块也可实现一般的点阵图形液晶显示屏幕位置上以点为单位或以字节为单位(横向)进行图形显示操作，完全B系列(改进型)中文液晶显示模块可以实现汉字、ASCI码、点阵图2.OCMJ5*10B引脚说明表3.2OCMJ5*10B引脚说明引脚名称方向说明1I背光源负极(LED-0V)2I背光源正极(LED+5V)3I地4I5I数据06I数据1789I数据70应答信号=1:已收到数据并正在处理中应答信号=0:模块空闲，可接收数据I请求信号，高电平有效。I复位信号，低电平有效。悬空LCD驱动电压输出端LCD驱动电压输入端3.电平转换芯片介绍因为我们选用的单片机是3V系统，而液晶模块需要5V供电(选择该液晶模块的主要原因是其价格比较低),所以两者之间需要一个3V到5VMM74HCT245兼容TTL输入并且能够驱动多达15个LS-TTL负载，所有控制输入操作隔离标志参数条件单位典型值极限值最小高电平输入电压22V最大低电平输入电压V最小高电平输出电压VCC-0.1VCC-0.1VVCC=4.5VVVCC=5.5VV最大低电平输出电压0VVCC=4.5VVVCC=5.5VV3.液晶模块采用REQ(P4.0)和BUSY(P4.1)与单片机进行握手通讯，单片机可通过P4.2控制液晶背光灯的亮灭，单片机P3口作为数据口，液晶采用上电复位的复位方式。液晶显示电路原理如图3.10所示，其中T1、44=合四二四占否监留品监品监盈3.5通信接口的设计3.5.1RS-485介绍RS-485是一种多发送器的电路标准，其接口采用一对平衡差分信号线，允许双导线上一个发送器驱动32个负载设备，负载设备可以是被动发送器、接收器或发送器。RS-485总线接口连接方式是将驱动输出和接收输入端连接在一起，再通过这一对线连接出去。由于RS-485比RS-232传输信号距起到越来越重要的作用。山东科技大学学士学位论文收端断后，再将信号相减还原成原来的信号。如果将原始的信号标注为同样地，接收端在接收到信号后，也按上式的关系将信号还原成的样子。而如果此线路受到干扰，这时候在两条传输效地防止噪声十扰，也正因为这种特性，工业上比较适3.5.2单片机与PC机通信接口电路在设计中我们利用C8051F340中的可编程串行通信接口和PC机中配我们采用的是RS-485协议，所以单片机需要采用RS-485接口，完成TTL电平与RS-485电平的转换；而在PC机侧使用的是RS-485与RS-232的电平转换接口，与PC机固有的RS-232接口相匹配。在这里我们将不对RS-232/485转换器作详细介绍，我们直接使用市场上技术成熟的RS-232/485转换器。MAX485是由MAXIM公司生产的一种低功率RS-485接受器，它将山东科技大学学士学位论文电机保保护器的硬件结构确定要向上位机发送信息时，通过改变控制口的逻辑状态，使MAX485芯7I图3.11通信接口电路通过实验，我们验证了所选用的PC400快速3.6其他电路的设计1.二线制串行E²PROM是一种非易失存储器，以其体功耗小，宽电源电压(根据不同型号2.5V～6.0V),工作电流约为3mA,静统断电的情况下，由备用电池继续供电，使芯片继续工作。E²PROM和实时NT0山东科技大学学士学位论文I²C总线是一种简单的两线双向的高性能串行总线接口协议，它通过两根线(串行数据线SDA和串行时钟线SCL)即可实现完善的全双工同步数据传送，使挂接到总线上的期间相互进行信息传递。I²C总线协议运用主/从双向通讯。发送数据到总线上的器件定义为发送器，接收数据的器件定义为接收器。主器件和从器件都可工作于接收器和发送器状态，但总线必须由主器件(通常为微处理器)控制，主器件产生串行时钟(SCL),控制总线上数据传送的方向，并产生开始和停止信号。总线从主器件产生开始条件后到产生停止条件期间有效，微处理器对串行E²PROM的读写操作在开始位控制下开始，在停止位控制下结束。I²C总线上可以挂接各种类型的外围器件，如微控制器、存储器、时钟芯片、LCD驱动器以及其他I²C总线器件。总线具有足够的电流驱动能力，因此总线上扩展的器件数不受电流负载能力决定，而由电容负载确定，通常I²C总线负载能力为400pF,据此可计算出总线长度及器件的限制数量。总线采用器件地址的硬件设置方法，通过软件寻址来识别每个器件，完全省去了每个器件的片选线，从而使系统的接线极其简单。但是，由于每个外围器件都有一个器件地址，因此总线上扩展外围器件时也要受器件地址限制。其应用系统的典型结构如图3.13所示：主发送从发送从发送图3.13I²C总线应用山东科技大学学士学位论文3.6.2系统电源的设计直流电源是电子设备中供给能量的部分，因此是不可缺少的单元。本的直流]电源]的稳压部分是由独立元件组成，所用的元件多，大，接线多。自集成稳压器件问世后，大大方便了电源的设计。目前常用+12V电源。+3V电源给MCU和周围的3V器件供电，+5V(1)给MCU周围的5V器件供电，+5V(2)给光耦供电，以区别于用于主回路的电源，实山东科技大学学士学位论文电机保保护器的软件实现4.1软件系统的总体设计心思想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山东科技大学学士学位论文电机保保护器的软件实现上位机采用80586为监控主机，通信软件在中文WindowXP环境下用4.2下位机软件设计N开始Y数据采集及处理开机延时Y是否有故障?N故障处理Y数据采集及处理N故障?NYN通信模块Y的模拟信号转换成数字信号，在单片机中与标准值进行比较，最后通知执山东科技大学学士学位论文初始化NY转换结果中位滤波存转换数据图4.2A/D转换子程序流程图4.2.3定时中断子程序图4.3为定时中断子程序的流程图，定时器TO在单片机初始化后，一直处于运行状态，每50mS产生一次中断，并在中断退出时重装定时初值。中断程序的功能主要是，为多种延时保护功能提供准确的定时时间，提高山东科技大学学士学位论文电机保保护器的软件实现NY到?N到?N到?N到?NNNNNN到?YYYYYYYYYYN图4.3为定时中断子程序流程图4.2.4故障判断及处理子程序保护模块是软件的核心模块，其简要流程如下图4.4:山东科技大学学士学位论文电机保保护器的软件实现漏电漏电闭锁保护N逆相逆相温度过高过低温度过高过低Y缺缺相过载风机过载风机过载Y接触器故障接触器故障N电流相关的故障主要有短路、逆相、过载、缺相和不平衡，他们的判断依一相电流为整定值的8倍或8倍以上时，即为短路。2.逆相保护山东科技大学学士学位论文电机保保护器的软件实现由于在硬件上已经做了逆相信号处理电路，逆相信号的取得比较简单。根据逆相信号的大小，即可判断相序为正序还是负序。3.过载保护一相电流为整定值的1.1倍以上1.8倍以下时，即为过载保护。根据过载倍数的大小，在程序中使用查表法实现反时限延时。当倍数发生变化时，程序计算已经历的延时时间的百分比，然后根据现时倍数计算剩余的延时时间，继续延时。4.缺相保护一相电流小于10%的整定电流，二相电流为整定电流的1.05倍，即可判为缺相。5.不平衡保护不平衡的标准定义是：二相电流为整定电流的1.0-1.05倍，一相电流为整定电流的0.6倍及以下或者1.6倍及以上，即为三相不平衡。实际操作中可理解为二相电流不大于1.05倍，一相电流不正常(在0.6倍)和1.6倍附近)时，方可判定为三相不平衡。(1)一相电流的不平衡度不大于整定电流的1.8倍时，按三相不平衡处理，大于1.8倍时一律按过载处理。(2)一相电流的不平衡度小于整定电流的0.6倍且大于0.1倍时，按三相不平衡处理；小于0.1倍时按缺相处理；大于0.7倍时判定为正常。(3)二相电流大于1.1倍及以上时，需按过载处理。4.2.5显示子程序由于所选用的液晶显示器是带有汉字字库的OCMJ5*10B型，即一个屏幕上可以显示5行，每行10个汉字。在我们的软件设计中，把固定的显示内容建成表格形式，通过查表进行显示。所有送显示数据均通过显示子程山东科技大学学士学位论文电机保保护器的软件实现图4.5所示。开始YNN结束图4.5显示子程序流程图4.2.6通信子程序询方式。消息从上位机发往下位机，功能代码域将告诉从机设备(电动机保护控制器)执行哪些行为。当从机设备回应时，它使用功能代码域来正开始开始关中断N有通信?Y接收一个数据帧YNY结束功能码是读命令还是写命令地址与本机地址一致?中断返回图4.6通信子程序流程图5实验分析与调试我们在总体程序调试之前特别对E²PROM芯片AT24C256进行了调试。调在本调试过程中主要是进行了无子地址器件读写程序，以及向指定存解决方法：通过再次深入研究相关的资料，以及不断的实验，并通过5.2温度采集程序调试温度传感器DS18B20的温度采集程序对时序的要求比较严格，根据5.3串口通信调试识别码命令码参数上位机发送修改系统时间5年(1字节)月(1字节)日(1字节)小时(1字节)分钟(1字节)秒(1字节)下位机应答修改系统时间6年(1字节)月(1字节)日(1字节)小时(1字节)+分钟(1字节)秒(1字节)表5.2通信测试数据表上位机发送下位机应答AAAA00A0A0050102030405BBBB00A0A0050102BBBB00A6A603.00.00.01BBBB00B9B9.06070421.041222.装置主系统MCU采用高运算速度的单片机C8051F340,为电机智能[4]胡汉才，单片机原理及其接口技术，北京：清华大学出版社，1996[7]阎石，数字电子技术基础，北京：高等教育出版社，1998[9]邢春贵，异步电动机智能保护系统的研制，发表地：大连理工大学，致谢山东科技大学学士学位论文附录P2宁E12.山东科技大学学十学位论文附录士工图A.2系统主电路11支双J13电肌高温kR51JoA和电流p3217日厢电流DJ8c相电流47K0专C23(24jiBj₉并关宁家kkD215空学3图A.3输入输出电路识别码(16进制)命令码(16进制)数据个数(16进制)参数(10进制)校验码结束码(16进制)修改系统时间AAHAAH+地址码5年(1字节)月(1字节)日(1字节)小时(1字节)分钟(1字节)注2空气滤清器使用维护时间AAHAAH+地址码22字节(最大200小时)油过滤器使用维护时间AAHAAH+地址码22字节(最大1000小时)油细分离器使用维护时间AAHAAH+地址码22字节(最大2000小时)润滑油使用时间设定AAHAAH+地址码22字节(最大2000小时)液晶控制器背光时间AAHAAH+地址码22字节(分钟+秒)(10-250秒)空压机运行时间预设AAHAAH+地址码3累加的5位十进制数(3字节),小时主机额定电流设置AAHAAH+地址码2主机额定电压AAHAAH+地址码22字节风扇电机额定电流AAHAAH+地址码22字节(1整数，1个小数)山东科技大学学士学位论文附录过压倍数设定值22字节(1整数，1个小数)欠压倍数设定值22字节(1整数，1个小数)主机短路电流倍数设定22字节(1整数，1个小数)环境温度过低设定值11字节(负数原码，如一10℃,送10H)环境温度过高设定值11字节(正数原码，如40℃,送40H)BCD读取故障信息0读取系统时间0读空气滤清器维护时间0读油过滤器维护时间0读油细分离器维护时间0读润滑油使用时间设定0读液晶控制器背光时间0读空压机运行时间累计0读主机额定电流设置0读主机额定电压0读风扇电机额定电流0读过压倍数设定值0山东科技大学学士学位论文附录读欠压倍数设定值0读主机短路电流倍数设定0读环境温度过低设定值0读环境温度过高设定值0读空压机工作状态02.控制器应答给上位机的指令格式，见表B.2:识别码(16进制)命令码(16进制)数据个数(16进制)参数(10进制)校验码结束码(16进制)修改系统时间6年(1字节)月(1字节)日(1字节)小时(1字节)分钟(1字节)秒(1字节)空气滤清器使用维护时间22字节(最大200小时)油过滤器使用维护时间22字节(最大1000小时)油细分离器使用维护时间22字节(最大2000小时)润滑油使用时间设定22字节(最大2000小时)液晶控制器背光时间22字节(分钟+秒)(10-250秒)空压机运行时间预设3累加的5位十进制数(3字节)主机额定电流设置22字节(2位整数)主机额定电压22字节风扇电机额定电流22字节(1整数，1个小数)过压倍数设定值22字节(1整数，1个小数)欠压倍数设定值22字节(1整数，1个小数)主机短路电流倍数设定22字节(1整数，1个小数)山东科技大学学士学位论文附录环境温度过低设定值BBHBBH+地址码21字节(负数原码，如—10℃,送10H)环境温度过高设定值BBHBBH+地址码21字节(正数原码，如40℃,送40H)BCD读取故障信息BBHBBH+地址码视情况注5:故障信息读取系统时间BBHBBH+地址码6年(1字节)月(1字节)日(1字节)小时(1字节)分钟(1字节)秒(1字节)读空气滤清器维护时间BBHBBH+地址码22字节(最大200小时)读油过滤器维护时间BBHBBH+地址码22字节(最大1000小时)读油细分离器维护时间BBHBBH+地址码22字节(最大2000小时)读润滑油使用时间设定BBHBBH+地址码22字节(最大2000小时)读液晶控制器背光时间BBHBBH+地址码22字节(分钟+秒)读空压机运行时间累计BBHBBH+地址码3累加的5位十进制数(3字节)读主机额定电流设置BBHBBH+地址码22字节(2位整数)读主机额定电压BBHBBH+地址码22字节读风扇电机额定电流BBHBBH+地址码22字节(1整数，1个小数)读过压倍数设定值BBHBBH+地址码22字节(1整数，1个小数)读欠压倍数设定值BBHBBH+地址码22字节(1整数，1个小数)读主机短路电流倍数设定BBHBBH+地址码22字节(1整数，1个小数)山东科技大学学士学位论文附录读环境温度过低设定值BBHBBH+地址码11字节(负数原码，如—10℃,送10H)读环境温度过高设定值BBHBBH+地址码11字节(正数原码，如40℃,送40H)BCD读空压机工作状态BBHBBH+地址码1字节注5:故障数量(0-10)+故障代码(1字节)+故障报警时间(6字节)(所有故障均要有)+故障信息数据(字节数根据故障代码定)。如故障数量为0,则故障代码故障类别故障信息数据(10进制)主机过载相号(A-0,B-1,C-2)1字节十电流值(2字节，2字节整数单位A)风机过载电流值(2字节，1字节整数，1字节小数，单位A)短路相号(A-0,B-1,C-2)1字节十电流值(2字节，2字节整数单位A)缺相电流值ABC(每个电流值2字节，2字节整数，单位A)三相不平衡电流值ABC(每个电流值2字节，2字节整数，单位A)逆相无其他参数欠压电压值(2字节，2字节整数，单位V)过压电压值(2字节，2字节整数，单位V)山东科技大学学士学位论文附录漏电闭锁绝缘电阻值(2字节，1字节整数，1字节小数，单位KQ)油细分离器堵塞无其他参数油过滤器堵塞无其他参数排气高温无其他参数电机过热无其他参数环境温度过低温度值(1字节)环境温度过高温度值(1字节)空气滤清器维护时间到无其他参数油过滤器维护时间到无其他参数油细分离器维护时间到无其他参数润滑油间维护时到无其他参数无温度传感器无其他参数附录C人机界面操作说明1操作界面介绍欠压短路缺相逆相2.报警指示灯3.键盘2具体操作说明2.2信息查询具体操作系统信息系统信息故障信息返回确定上移系统信息故障信返回上2.用户模式进入参数设置系统后，根据按键提示将指针指确定设值图C.8用户模式共有两个页面，可以通过按键提示来完成翻页和选择功能项山东科技大学学士学位论文附录 油细分离器时间设定空油3.出厂设置进入参数设置系统后，根据按键提示将指针指向出厂设置，按下确认用户模式用户模式回额定电压设定确定移位选择额定电流设定额定电流设定风机额定电流设定下一页设值0.90倍计计境温F10095小时低高时4.专用模式在此模式下，可删除任意项报警记录，工艺维强制启动模式设定返回(1)清除故障记录画面，如图C.18:故障时间：07n6ttr(2)工艺使用时间清零画面，如图C.19:图C.19不采用强制启动不采用强制启动-Fullspeed(12Mbps)orlowspeed(1.-On-chipdebugcircuitryfacilitatesfullspeed,nodebug(Noemulatorreq-Providesbreakpoints,singlestepping,inspect/modifym-Pipelinedinstructionarchitecture;execute-64or32kBFlash;In-systemp-40/25PortI/O;All5-16-bitprogrammablecounterarray(PCA)with-ExternalOscillator:Crystal,RC,C,orclock(1or2Pinmod System-on-a-ChipMCUs.HighlightedfeaturesarelistedHigh-speedpipelined8051-compatiblemicrocontroller+In-system,full-speed,non-intrusivedebuginterfaUniversalSerialBus(USB)FunctionConendpointpipes,integratedtransceiver,and1kBFITrue10-bit200kspsdifferentiaOn-chipVoltageCompUpto4352Bytesofon-chiSMBus/I2C,upto2UARTs,andOn-chipPower-OnReset,VDDMonitor,andMissingClockDetectorWithon-chipPower-OnResetheproductionMCUinstalledinthefinalapplinspectionandmodificationofmemoryandregisters,settingbreakpoints,singlewithuserfunctions,apins.VoltageRegulatormustbeused.Aminimumof3.0Visrequiusedtodevelopsoftware.TheCIP-51c执行周期数123458指令数573121TheextendedinterrupthaninterruptsourcesareveryusefulwhenbuNineresetsourcesareavaileveldetectionfromComparator0,aforcedsoftwarereseandanerrantFlashread/writeprotectioncircuitThehigh-speedinternaloclockrecoverymechanismallowstheinternaloscillatortobeusedwiththe4xlow-frequencyoscillatorisalsoincludedtoaidapplicationswhsourcetogeneratethesystemclock.Toutputdividedby2.Ifdesired,thTheCIP-51hasastandincludes256bytesofdataRAM,withtheupper128bytesdual-mappaddressableasfourbanksofgeneralpurposeregProgrammemoryconsistsof64k(C8051F340(C8051F341/3/5/7)bytesofFlash.ThismemorymaybereprogrammedFLASHdevices(C8051F340/2/TheUniversalSerialBusControllertotalofeightendpointpipesareavailable:abi-directionalcontrol(Endpoint0)andthreepairsofIN/OUTendpoints(Endpointsl-3INAlkByteblockofRAMisusedforUSBFbytes(Endpoint3).Multiplierandclockrecmatchingandpull-upresistors.Thepull-upresistorscanbeenabled/disabledinsoftware,andwillappearontheD+orD-pinaccordingtothesC805IF340/1/2/3/4/5/6/7devicesincludWhenenabled,theREG0outputappearsoTheC8051F340/1/2/3/4/5/6/7deviceoftheproductionpartinstalledintheRAM,programmemory,timers,orcommunicationschannelsarerequired.Allthedigitalandanalogperipheralsarefunctionsoftwarenecessarytodevelopapplicationcodeaon-board"ICEChips"socketed.SiliconLabs'debC8051F342/3/6/7devicesinclude25I/Opins(thconfiguredforpush-pulloropen-drainoutput.The"fixedontypical8051devicesmaybegloballydisablePortVOpins.On-chipoutputs,andotherdigitalsignalthePortI/OpinsspecifiedintheCrossbarControlregisters.ThisallowstheusertoselecttheexactmixofgeneralpurposePortI/OanddigitalresourcesneededfullyimplementedinhardwareandmakesextensiveuseoftheCIP-51'sinterrupts,thusrequiringverylittleCPAnon-chipProgrammableCounter/TimerArray(PCA)iadditiontothefour16-bitgeneralpurpoadedicated16-bitcouoverflows,adedicatedExternalClocisusefulforreal-timeclockfunctionality,wherethePCAmaybemodes:Edge-TriggeredCapture,Sof16-bitPulseWCapture/CompareModule4offerswatcwithatruedifferentialinputmultiplexer,WithamaximumthroughputofsystemincludesaconfigurableanalogmultipnegativeADCinputs.TweninterruptthecontrollerwhenADCdataiseitherwithinC8051F340/1/2/3/4/5/6/7devicesincludetwoon-chipvothatareenabled/disabledandconfiguredviausersoftware.PortI/O(asynchronous)output.Comparatorresptheusertoselectbetweenhigh-speedandlow-powermodes.PositiveandAmbienttemperatureun℃℃VVoltageonVDDwithreV模拟外设-两个比较器-内部电压基准-上电复位/掉电检测器USB控制器-支持8个端点在片调试-片内调试电路提供全速、非侵入式的在系统调试(不需仿真器)-支持断点、单步、观察/修改存储器和寄存器-