《断路器动作时间测试系统设计》13000字（论文）

断路器动作时间测试系统设计目录TOC\o"1-2"\h\u10203摘要 130283第1章绪论 2251531.1断路器的背景及研究意义 210271.2测试方法的发展 2275211.3断路器动作时间的重要性 355421.4课题设计的功能指标 424709第2章测试方法及系统总体设计 588192.1断路器的特性 5147802.2总体方案设计 5201182.3断路器动作时间测试方法 727160第3章硬件电路系统的设计 827673.1总体电路设计与元器件的选择 827283.2A/D转换模块设计 16292013.3继电器模块设计 1782333.4显示屏模块设计 18238983.5单片机电路模块设计 1812811第4章软件系统的设计 21100094.1主程序设计的流程图 21263034.2显示程序设计的流程图 228912第5章系统调试 23141475.1调试方法 23130265.2测试方法 2372445.3测试结果 23301195.4结论 2327005参考文献 24摘要由于我国经济的高速发展和社会的不断进步，生活，工业等用电需求急剧增长，在这样的社会需求背景下，国家电网不断扩大建设规模，电网系统由高压断路器等核心部分构成，高压断路器的运作状态对于整个电网系统的安全运行和供电质量影响颇大，所以根据上述情况，我们要加大力度对高压断路器进行管理，并且我们要随时对高压断路器的使用情况以及发展状况采取细致的分析，进而让高压断路器的安全运行有质的提高。高压断路器也被叫做高压开关，其本身的两种主要功能是有效的灭弧功能与开断不正常情况电路的能力，高压断路器能够开断或者闭合电路中的负载电流和空载电流，当在电力系统运行过程中电网系统突然出现故障，高压电路器能够最大程度防止事故的扩大，缩小故障造成的停电范围，其通过自动装置、保护装置的配合高效安全的将故障电流截流，因此高压断路器对电网系统的安全运行有相当重要的作用。

关键词：高压断路器；高压开关；运行安全；减少故障第1章绪论1.1断路器的背景及研究意义进入二十一世纪以来，我国各行各业发展十分迅速，工业产值成倍增长，人口增长并且生活质量显著提高，与此同时，人民对电力的安全和质量也提高了。因此，为了防止电力供应的短缺，我国加大了对电网的投资扩大了电网的建设规模。在增加电网密度和供电量的同时安全输电也是相当重要的，在任何时候都是安全第一，高压断路器在电力系统的保卫安全中起着至关重要的作用[1]，因此整个电网系统的稳定运行和供电质量与高压电路器有很紧密的联系关系。在高低压电力系统中断路器都是一个不可或缺的重要角色，它的实用性对我们用户来说有很大的帮助。在低压配电系统规划中，断路器能够及时躲掉故障能够使危害降到最小。在低压配电系统中使用的断路器通常为低压断路器[2]，低压断路器与高压断路器类似，两者之间所能承受的电压等级、各自的灭弧能力、绝缘要求不一样。低压断路器也能开合正常或者过负荷电流，以及开合短路电流，在电力系统中通常起控制和保护的作用[3]。检验断路器的好坏其中一项就是断路器的动作时间，断路器动作时间过长将会导致电弧燃烧时间过长，甚至引起断路器动作失效，不能及时止损，扩大范围。因此断路器的动作时间直接影响到了电力系统的安全，以及其降低危害的能力。本课题毕业设计就是找到准确方便测试断路器动作时间的方法，防止老化的、不合格的以及故障的断路器对电力系统的安全造成威胁[4]。断路器的作用是保护供配电系统，当电网系统运行出现故障时，断路器就开始工作，它会自动切除故障点最近的故障，但是电网中的其他断路器不工作，所以断路器能最大限度的降低电网故障带来的损失，因为断路器只会切除最近的故障，所以其他的电路运行不会受其影响[5]，所以断路器对于安全供电有极大的作用。1.2测试方法的发展据网上搜索和资料查阅，了解到国外在对断路器的监测以及生产中积累了丰富的经验和方法，促使国外的断路器的监测技术越来越成熟。相对于我国，由于我国目前在某些领域还没有发展到世界前列，在自主研发生产的断路器以及监测装置在很多方面都存在一定的问题，导致我国断路器的在线监测技术发展较为缓慢[6]。虽然最近几年国内外先后研发出的断路器机械特性检测仪，但仍然有许多问题不能解决。目前各厂家都在尽力研发软件功能齐全、适用范围广、抗干扰能力强、精度高、造价低的设备。在之前比较普遍的断路器测试方法是利用电磁感应原理进行测试，首先要测量出断路器两端点接地的动作时间，当场测试接线。测试前要将断路器，电缆，电网还有开关连接起来并是他们导通，是否导通的依据是由断路器的分合闸来决定的[7]。试验中，信号发生器用于发出交流信号，当其中的通流体闭合时，将会在线圈中产生与之呼应的感应电流；若其通流体断开的时候，其电流采样器中就采集不到相应的感应电流，带铁心的电磁感应模型其中的通电线圈是电流采样器[8]。断路器分合闸时刻相对于感应电流出现和消失时刻，可从其测量得出。在试验中，钳形电流传感器比较普遍，实验采样线圈中的感应电流只在断路器闭合状态时才能检测到，然而当分闸时候，实验是检测不到电流的。下一步为了得到实验想要测量出的波形，实验中必须对感应电流进行高速采样滤波。一旦当电流波形成，就代表触头导通，但是当波形突然消失时，就代表触头断开[9]。目前常用的测试方法有电秒表或周波计数器测量，通过开关的分合闸带来的电气的信号变化，来测量动作时间。虽然电秒表测试动作时间过程简单，但电秒表本身具有启动时间以及电源开关不同步，测量结果分散性大，误差较大[10]。传统测试方法较为繁琐，所用的仪器较多，每一步的操作不能出现错误，给测量带来不便。1.3断路器动作时间的重要性就传统和目前的测试方法来说，其方法有的测试不够准确，有的需要仪器太多，步骤太为繁琐，现在需要更为准确和简便的方法，能够及时简便的测试出断路器动作时间，及早检测出断路器性能的优劣，为电力系统的稳定做出贡献。断路器在电力系统中充当着保卫者的身份，当电力系统出现故障时，需要断路器能够安全、可靠、迅速、灵敏的切除故障，其中断路器的速动性也是至关重要的[11]。在本课题毕业设计中我们测试其出动作时间，从而可以判断出其性能的优劣以及该断路器是否还能继续使用。如果断路器本身动作时间过长甚至不动作，不对其进行检修，仍让其工作，当电力系统发生故障时，很可能会引起不能及时切除故障而造成人员的伤亡，甚至引起重要地区（一级负荷）电力系统崩溃，会对国民生产经济、国防军事造成威胁，造成社会的恐慌。因此，测试断路器的动作时间不仅仅对于电力系统会有影响，可能还会产生更严重的影响，测试断路器的动作时间是非常有必要的[12]。1.4课题设计的功能指标本课题研究内容是对断路器现状和测量断路器分合闸时间方法的阐述和研究。其系统包括继电器，单片机，A/D转换芯片，显示屏，晶振开关，PNP三极管，信号发生器等器件。此次设计完善了断路器动作时间测试系统，并让系统时间测量更为精确地在显示屏上显示出来。本设计的断路器动作时间测试系统是利用单片机来实现C语言的编程从而来实现动作时间的精确计时。利用继电器模拟断路器的动作。其中A/D模块通过通信线和供电线接到单片机上，显示屏通过供电线和数据总线接到单片机上，通过信号发生器发出脉冲模拟分闸命令，控制断路器分闸，实现对断路器进行分闸时间的测试，并让其分闸的时间在显示屏上显示出来。

第2章测试方法及系统总体设计2.1断路器的特性断路器就是能够用来关闭合闸，输送和开断正常导通的的电流并且能够开断在某段时间内承载不正常导通电路内电流的开断装置。行业内一般根据电网的高低将断路器区分为高压和低压断路器两种，高压低压的划分界限并不精确，但是业内一般将大于3kV的电器的叫作高压电器[13]。断路器可以分配电能，当个异步电机正常工作的时候，断路器的保护作用很全面，其不仅能保护供电的电源还包括对线路还有电动机也起到保护作用，但是当发生意外情况时候，例如电路处于过负荷状态或者短路状态，以及当电路处于欠压状态时，断路器就会自动断开也就是分闸，换句话说，断路器的工作特性综合了熔断式开关、过欠热继电器[14]。断路器的另一个好处是，当它工作分断非正常电流后我们不需要变更零件。断路器作为当今电气电子领域相当重要的一个元器件在业内得到了广泛的应用。2.2总体方案设计考虑到220V电压过高会损害元器件，做实物相对来说比较困难，并且不安全，甚至会引起小范围正常供电，为周边以及人身安全考虑，所以我打算用0到5V的低电压来模拟测试，通过Proteus里面的继电器代替断路器进行仿真。以下是对于此次课题毕业设计的想法。方案一：当测量值大于某个值时候表示短路产生，需要断路器动作，当测量值恢复时，测量断路器从开始动作至此的时间则为断路器动作时间。所以设计只需测试时间就行。方案二：信号发生器发出脉冲当做断路器的分闸命令，当接收到分闸命令开始计时，直到与之相关的电压信号消失，计时结束，为断路器动作时间。如今电气检测技术越来越先进了，在许多的电气检测与控制中单片机应用越来越广泛，可对传统测试断路器动作时间进行改进。利用单片机接收并传达信号发生器下达的脉冲信号，该脉冲信号相当于分闸命令。利用A/D转换器一直采集继电器未动作前的接地电阻电压。当命令下达，就会开始计时，单片机的一个特定控制引脚会出现电平变化，该引脚连接到PNP三极管的基极，发射极接电源，从而控制发射极与集电极的通断。当基极为低电平时，三极管的发射极与集电极就会导通，集电极接地，继电器开始吸合处于另一侧的继电器刀闸。继电器的吸合动作，相当于断路器的分闸动作。当继电器发生动作，A/D转换器一直采集的接地电阻上的电压信号就会发生变化，该电压信号由A/D转换器转换成数据信号传输给单片机的接收引脚，单片机根据该引脚的状态从而停止计时。所测试的时间将Proteus中显示屏显示出来。相比于传统的示波器检测，其触头接地电阻电压信号记录简便又准确，减小了人工处理波形数据而产生的误差。该试验方案简单可行，该装置性价比比较高，对于本课题设计容易实现。总体方案设计框图如图1所示。图1整体方案框图因此选择方案二，根据触点电平变化情况判断触点动作状态。信号发生器发出脉冲当做断路器的分闸命令，当接收到分闸命令开始计时，当电平由高变为低时立即停止计时，此时可以读出计时器的计时，此时间即为相应的分闸时间，同理可以得到继电器的释放时间。2.3断路器动作时间测试方法在本课题中使用的测试方法是利用单片机的中断功能测试其动作时间。在仿真软件Proteus中利用继电器模拟断路器，利用信号发生器发出的方波模拟分闸命令，用单片机接收下达分闸命令，从而控制继电器的动作。通过测试与继电器动作与否有直接关系的电压信号，可通过继电器不动作之前的一侧接一个大小为1K的接地电阻，测试其接地电阻的电压信号用以判断触头是否动作。测试其分闸时间，就是指从信号发生器发出分闸命令到触头动作的时间间隔。正常时，刀闸向左闭合，接地电阻电压信号为高电平；当信号发生器发出的分闸命令下达，利用单片机的定时器开始计时。当PNP三极管发射极与集电极导通，刀闸向右闭合，接地电阻上的电压信号消失，就代表触头断开代表断路器分闸，这时再利用单片机的中断功能停止计时。测试时间间隔使用单片机定时器中断功能计时，使该课题设计测试结果更为准确。第3章硬件电路系统的设计3.1总体电路设计与元器件的选择本课题设计的测试方法已经确定，整体电路设计图如图2所示。图2整体电路设计图主要元器件选择：STC89C52RC单片机，A/D转换器，显示屏，继电器3.1.1单片机的选择单片机的材料由半导体硅片组成，由基本组成有CPU和存储器，其基本组成相当于微型计算机，目前普遍应用于测控领域。同时还有其他功能，在本课题设计中应用到了其定时器和中断系统功能[15]。（1）目前市面上能买到的最通用的单片机由以下部件构成，其中“心脏”是中央处理器他是单片机最重要的部件之一、另外有存储量为4KB的只读存储器ROM、还有存储量为128B的主存RAM、还包括两个十六位定时或计数器、除此之外还有四个八位并行口、全双工串口行口、ADC/DAC数字模拟转换器、SPI串行外设接口、I2C串行总线、ISP图像信号处理器、IAP。（2）单片机有许多优点，第一单片机的系统构造简单，第二当人使用起来时非常的便捷，第三使用者可以很轻松的实现模块化操作；（3）单片机有很强的稳定性和持续性，经过实验检验单片机可以连续运行10^6~10^7小时；（4）单片机的执行速度较快同时对数据处理能力较强。（5）单片机的适配电压低，所用能耗也低，所以很容易生产出小巧易搬运的产品（6）单片机有很强的控制功能（7）单片机可以适应多种极端的实验环境单片机是美国和日本人1971年发明的，总体上可将其分为三个发展阶段，即SCM、MCU、SoC，在单片机刚诞生时候SCM单片机只有四位或者八位。但是在初期阶段INTEL的8031因为性能优越成为当时最成功的单片机但是随着需求质量和性能的提升人们将8031经过提升发明了MCS51系列MCU系统。以MCU系统为基础的单片机系统沿用至今。但是随着科技的发展，当前单片机的性能已经不能满足工业控制领域的需求了，所以科研人员只能研发更加先进的16位单片机，但是缺点是这种单片机价格高昂，性能并没有线性的提高所以到目前为止还没有普及应用。时间转向90年代，九十年代是电子产品高速发展创新的十年，所以在巨大需求量的背景下，单片机在那十年得到了飞速的发展。INTELi960系列就是那时候的产物后来又有了ARM系列但是由于后者的性能更加优越所以得到了市场的认可，由此，32位单片机因为其强大的性价比一举击破16位单片机并巩固了其的的高端地位，并且在控制领域得到广泛使用。但是传统的8位单片机仍然在市面上流通，但是通过调教和改良它的处理能力已经比八十年代第一代的八位单片机提高百倍以上，现在市面上普通的型号的单片机出厂价已经不足一美金，而最高端的单片机也降到了十美金左右。初始阶段在单片机发展的最早阶段即SCM“单片微型计算机”阶段，那个时期我们的主要目的是能够实现单片形态嵌入式系统完成最理想的结构体系。科研人员创新式的搭建了这一结构并获得成功，这为SCM单片机与电脑完全不同的发展道路奠定了基础。Intel公司为嵌入式系统的发展做出了开创式的贡献，早期的芯片如图3所示。图3PIC13F8720芯片中期阶段在SCM阶段嵌入式系统的成功搭建后，为了满足人们嵌入式应用的需求，MCU即“微控制器”诞生了，它通过与外部的电路和接口的无缝对接，实现了智能化的控制能力。由于MCU单片机的功能领域都和系统对象相关，因此只有电气电子公司才有能力和职责去开发MCU。在这样的技术背景下，Intel公司退出了历史舞台。Philips公司接过INTEL公司的重棒对MCU的发展上做出了巨大的贡献。可以说单片机嵌入式应用方面的推广者是Philips公司，其将MCS单片机发展到SCM微控制器系统。因此，在单片机嵌入式应用的发展历史中，Intel公司和Philips公司是具有里程碑式的贡献的。当前趋势随着控制领域的发展以及社会需求的变化，SCM单片机已经不能满足时代的发展，SoC嵌入式登上了历史舞台，由MCU阶段和SCM阶段过渡发展，旨在通过芯片帮助系统解决最大的问题，因此，控制化专用单片机向SOC单片机方向发展。随着微型电子计算机技术、集成电路设计、电子设计自动化工具的发展，SoC单片机的开发系统由此迅速发展。本次课题中的毕业设计使用的是STC89C52RC单片机，STC89C52RC由\t"/item/STC89C52/_blank"STC公司开发，它具有低功耗、高性能的优势，并且是CMOS八位微控制器，STC89C52RC的存储量很大，最大存储量达到了8K字节。STC89C52的内核很经典是MCS-51型芯片，但是开发人员对STC89C52RC进行了重新的设计和改造，通过新的设计和改造STC89C52RC芯片增加了许多新的功能。STC89C52RC的芯片升级最为明显，它可以通过直接编程存储程序，而且它还拥有八位的中央处理器，硬件上比上一代提升不少，由于升级改造后的STC89C52单片机有了更大的优势，所以极大的方便了嵌入式控制系统的运行。STC89C52RC的参数如下所示：其可以存储大约8k字节的Flash，RAM的存储量有512字节，I/O口线32位，STC89C52RC包含的EEPROM，MAX810复位电路为4KB，另外包括三个十六位位\t"/item/STC89C52/_blank"定时器/计数器，四个外部中断，一个七向量四级中断结构，全双工\t"/item/STC89C52/_blank"串行口。STC89C52有很多的优势其中一个优势是可以将静态逻辑降至0Hz操作，第二个优势是使用者可以选择两种软件来切换到省电模式。在STC89C52RC处于空闲模式时候，中央处理器工作停止，但是RAM、定时器/计数器、串口、中断等保持不断的运行。当断电时候，开启保护模式所有的数据被保存在磁盘上，RAM中存储的内容被保存，振荡器被冻结，单片机停止当下的运行，当下一个中断或硬件复位开始时结束。STC89C52RC的最高运作频率为35MHz。STC89C52引脚图、原理图，如图4所示：图4STC89C52单片机引脚图STC89C52单片机引脚具体介绍如下：（1）STC89C52的主电源有两根引脚VCC是40号引脚也可以用字符Pin40表示，VCC可以连接电源为单片机供电我们一般接+5V电源来实现供电GND是20号引脚也可以用字符Pin20表示，GND其实是接地线（2）STC89C52单片机有两根外接晶振引脚他们分别为：XTAL1是19号引脚也可以用字符Pin19来表示，XTAL1是片内振荡电路的输入端XTAL2是20号引脚也可以用字符Pin20来表示，XTAL2是片内振荡电路的输出端（3）STC89C52单片机有4根控制引脚RST/VPP是9号引脚也可以用字符Pin9来表示，RST/VPP是复位引脚，复位原理是利用2个机器周期的高电平来使单片机复位。ALE/PROG是30号引脚也可以用字符Pin30来表示，ALE/PROG是地址锁存允许信号的意思PSEN是29号引脚也可以用字符Pin29来表示，PSEN是外部存储器读选通信号的意思EA/VPP是31号引脚也可以用字符Pin31来表示：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）STC89C52单片机有三十二根可编程的输入或者输出的引脚STC89C52单片机的构造包含四个八位的可以用来编程的I/O口，这四个I/O口我们用P0、P1、P2、P3来表示，这四个I/每个又各自有八根引脚共，所以STC89C52单片机一共有32根引脚。3.1.2A/D转换器的选择该课题毕业设计中除了单片机，最重要的就是模数转换器，模数转换器的作用是将模拟量转换成二进制数值，模拟量定义为将标准量经过比较处理后得到的量，然后下一步需要把模拟量转换成以二进制数值表示的离散信号，所以有时把模数转换器又称为ADC或者A/D转换器。从标准量转换成数据量很容易形成误差，所以精度是模数转换器需要解决的最大问题，人们在试验中一般根据模数转换器输出的数字信号的位数来计数。判断模数转换器优劣的另一个指标就是显示数字信号位数的多少，数字信号的数量越多就代表该模数转换器有越强的能力分辨信号[16]，换言之就表明该ADC性能越强。模数转换由四个分过程联合完成第一步是采样第二步是保持第三步是量化第四步是编码。但是实际上这四个过程并不是独立按顺序完成的，比如采样和保持被合并实现，量化和编码也在同时是现的。模数转换其实就是将模拟量转换成数字量的过程，这种转换在自控领域又被称为A/D转换，理所当然实现模数转换的电子元器件也被称为A/D转换器，或者在业内称它为ADC[17]。在实现模数转换的时候，理论上先是由模拟信号通过传感器转换成电信号，第二步则需要通过被放大然后被接入AD转换器最终转换为数字量，这一步骤的处理由数字电路完成，紧接着ＤＡ转换器需要还原成模拟量，最终来驱动执行部件。由于对试验对于结果的准确性有较高的要求，使用的时候必须保证AD转换器和DA转换器有足够的转换精度。另外，实际实验中控制和检测的速度可能很快，所以转换速度对AD转换器和DA转换器来说也是至关重要的。因此，可以总结出转换精度和转换速度这两点是衡量AD转换器和DA转换器性能优劣最重要的两个标志[18]。当实验中，A/D转换器在把模拟量转换成数字量的时候会经过两个过程，叫做量化和编码。量化是模数转换的第一步骤，它的原理是先把模拟信号量程拆分成一些离散的量级，当模拟信号拆分完成后，就能精确定位试验所输入的信号符合哪个量级的要求。编码是模数转换的第二步骤，它的原理是先在量化的基础上把模拟信号所分割成的离散量级对应分配属于他们特定的数字码，当数字码被精确分配到每一个离散量级上后，使用者接下来要做的就是将与输入信号所属的代码对照无误。在模数转换过程中，我们常用到的是二进制码，因为二进制只有０和１两个数，所以理所当然就有2的n次方个量级,我们将得到的量级按顺序依次排列。在试验中技术人员发现了很多方法来实现模拟量和数字量的转换，我们普遍使用的第一种方法是直接法，这种方法不需要经过任何转换就能实现，直接完成电压和数字量之间的转换。完成电压和模拟量直接转换的电压其实是一套基准电压，A/D转换器将电压从高到低依次排列然后将其与被测电压多次进行对较，比较使得电压和被测电压的数值几乎一样才停止。控制逻辑的作用是能够控制对分的搜索，这种比较方法类似于用天平去称重量。第一步先让二进制的最高位的Dn-1=1，第二步再进行模数转换，转换后会得到整个通路一半数值大小的电压VS，接下来需要将VS与电路的输入电压Vin比较大小，然后会得到两种情况，第一种是Vin>VS,那么我们要保留这一位，第二种情况是Vin<Vs，那么得到等式Dn-1=0。接下来令Dn-2=1,我们把这个结果和上一次得到的结果放一起再通过一次数模转换，得到新的结果后，拿它再与Vin相比较,需要不断的循环这一操作，除非当D0=1才停止，下一步再将这个结果和Vin比大小,和上面的方法一样，依旧是用过Vin是否大于VS来决定是否保留一位。在通过了无数次的转换和比较之后，这无数位寄存器的状态即为转换后的数据。这种直接法有利有弊，优点是转换的精确性很强，但是缺点是容易被干扰，其实也有方法来抑制这个缺点，那就是换用高性能的数据放大器。目前普遍使用的第二种方法叫做间接法，与直接法不同的是，这不是直接通过电压和数字的直接转换来得到数据的，而是多了一个步骤，就是用一个中间量作为电压和数字连接的桥梁，一般通过电压和中间量的转换得到一值，然后再把这个数字转换成我们最终要得到的数据。如果选择模数转换器会参考许多的参数，第一需要考虑输入电平，第二还要再考虑输出的形式，第三控制性质和其所需要的速度也是很重要的考虑依据，最后，为了得到的数据较为理想，分辨率还有精度也尤为重要。老式的模数转换器一般用分立式的元器件制，但是现如今自控领域发展很快，集成电路已经成为新的发展趋势，ADC被越做越小，越做越精致，现在直接被集成为一个很小的电子元器件。本次课题毕业设计中选择的是PCF8591型号的数据采集器，其具有的优点是功率低能耗小，而且只需要一个电源就能实现供电，它是一个八位的CMOS数据采集器件，实验中可以通过四个端口模拟输入信号，另外PCF8591有1个模拟输出端，而PCF8591能够实现通信依靠的是串行I2C总线接口。如图5所示是PCF8591数据采集器的原理图。图5数据采集器PCF8591原理图 在图上能看到原理图上的1234四个引脚，这4个引脚其实是采集器的四路模拟输入端，右边的567三个引脚是采集器的引脚是总线的硬件地址，引脚八代表数字接地用字符GND表示，九号引脚是I2C总线的SDA十号引脚是总线的SCL。十二号引脚代表时钟的选择引脚，时钟可以接入任意高低电压，但是高电平只能接入外部时钟，低电平只能接入内部时钟，本次课题毕业设计选择的是内部时钟，因为选择了低电平接入内部时钟，所以需要用十二号引脚接地，但是要保证十一号引脚悬空。当在电路设计时，由于可能会有较为繁琐的电路，所以需要注意布局，尤其是AGND部分，而且对于与GND的连接上其实还有很多的选择可以参考。由于课题毕业设计较为简单，因此可以直接把AGND和GND同时接在一起。在图中使用的十四号引脚代表的是基准源，十五号引脚代表的是DAC的模拟输出量，十六号引脚就是平常最为熟悉的电源VCC。PCF8591的ADC是逐次逼近型的，转换速率算是中速，但是它的速度瓶颈在I2C通信上。由于I2C通信速度较慢，所以最终的PCF8591的转换速度，直接取决于I2C的通信速率。由于I2C速度的限制，所以PCF8591得算是个低速的AD和DA的集成，主要应用在一些转换速度要求不高，希望成本较低的场合，比如电池供电设备，测量电池的供电电压，电压低于某一个值，报警提示更换电池等类似场合。一般情况下Vref基准电压有两种供压方式。第一种方法原理很简单，只需要直接连接VCC，但是由于VCC会受到整个线路的用电功耗情况影响，一来不是准确的5V，实测大多在4.8V左右，二来随着整个系统负载情况的变化会产生波动，所以只能用在简易的、对精度要求不高的场合。由于在课题中是使用Proteus仿真进行的设计，所使用的的电源就是准确的电源。第二种方法较为复杂，需要使用专门的基准电压器件来测量，比如TL431，它可以提供一个精度很高的2.5V的电压基准，这是目前通常采用的方法。3.1.3继电器继电器(relay)

属于电控制器件，通常应用于自动化的控制电路中，当受到的输入量达到了规范的量，该器件就会发生一定的动作，从而输出量发生变化。也可以说其相当于输入回路与输出回路的桥梁。继电器有很多种类，不同的继电器受到不同类型的输入量的影响，可能受到电流、光、压力、电压、温度、功率等不同类型输入量的影响，继电器有相应的感应机构。继电器也算是一种自动开关，其可以用小电流电路控制大电流电路工作。其在电路中起着转换电路、自动调节、安全保护等作用。在本课题中，所用的是仿真软件Proteus中的继电器，如图所示，正常时开关刀片与左连接相当于闭合，有外界分闸命令信号时开关刀片向右连接相当于断开。在本课题中利用该元件受外部信号控制开合的特性代替断路器，测试其收到分闸命令到一侧与其相连的接地电阻电压信号消失（触头断开）的时间。3.1.4显示器本课题仿真系统中用到了单片机，点阵字符型液晶显示器也经常与单片机搭配使用，因此用显示屏显示出分闸时间。由于LCD显示屏面板较为脆弱，生产厂家将其各组成部分用PCB连接了起来，向单片机内写出程序表达相应的命令和数据再传输到LCD显示模块就可以显示指定的内容。LCD1602是最常见的字符型液晶显示模块。在仿真软件Proteus选择器件中搜索并选择LM016L即可。两者工作原理完全一样。LCD1602内部具有字符库ROM（CGROM），能显示出192个字符（5×7点阵）。其显示出的数字和字母的代码，恰好是ASCII码表中的编码。单片机控制LCD1602显示字符时，只需要将待显示的字符 ASCII码写入内部的显示数据RAM（DDRAM），所需的字符就会通过内部控制电路显示出来。模块内除有80字节的显示数据RAM外，使用者还可以由64字节的自定义字符RAM（CGRAM）自行定义8个5×7点阵字符。LCD1602的工作电压为4.5~5.5V，典型工作电压为5V，工作电流为2mA，它分为标准的14引脚（无背光）与16引脚（有背光）两种，Proteus中LM016L没有这两个引脚，仿真里面不需要有无背光的选择。其主要引脚包括8条数据线、3条控制线和3条电源线，要使LCD1602显示字符，首先要把控制器设置成初始化状态，还必须对有无光标、光标的移动方向、光标是否闪烁及字符移动的方向等进行设置，才能获得所需的显示效果。关于LCD1600的状态和功能设置、显示数据的指针设置等都是通过单片机向模块写入命令和数据，就可以选择其显示的方式和内容。3.2A/D转换模块设计该设计中用到的元器件有PCF8591T芯片，此模块实现了A/D转换。该模块在仿真中如图6所示。图6A/D转换模块VREF脚接电源；由于SCL、SDA这两个引脚接的单片机的P2端口，单片机内部含有电阻，所以不用接上拉电阻，SCL、SDA与P20、P21引脚连接用于两者之间的数据传输；12、13号引脚接地；5、6、7

这3个引脚端地址接地；8号引脚接地；1、2、3、4引脚作为4个模拟量输入引脚，让AIN0引脚接电阻R1的AIN0端口，AIN0将电压信号转换为模拟信号输入，由于本课题判断继电器是否断开是接地电阻R1上的电压信号的有无，用不到其他模拟量输入，所以让可其他三个模拟量输入引脚保持悬空。15引脚是D/A输出端，在本次课题毕业设计中没有用到，也让其保持悬空。3.3继电器模块设计在仿真设计中用到了继电器代替断路器动作，在设计中通过单片机来接收分闸命令，然后控制P22引脚的状态，从而控制继电器的动作。继电器模块设计如图7所示。图7继电器模块信号发生器输出的方波信号连接到单片机上P2口上的P2.4引脚用于下达分闸命令信号，由于PNP型三极管的E端发射极接的高电平，一直保持的高电位，正常时，单片机的P22口也是高电平，E端与C端之间不导通；当单片机收到分闸命令，计时开始，我们使P22口变为低电平，当P22口变为低电平后，E端和C端，也就是发射极和集电极之间导通，这样继电器开始工作，相当于分闸，开关从左边打到右边，R1电阻上的电压信号也就由高电平信号变为低电平信号，计时结束。3.4显示屏模块设计仿真系统用到的元器件为LM016L，其工作原理与显示屏LCD1602完全一样，该器件起显示出分闸时间的作用。1脚VSS接地；2脚接5V逻辑电源；3脚VEE通过滑动变阻器接地，用来调节显示屏的亮度；4脚RS接单片机P35引脚，用于寄存器选择，对于读写状态/命令或者读写数据有不同的设置；5脚RW接单片机P36脚，用来控制读写的操作命令。7到14引脚是数据总线，与单片机数据总线P1口8个引脚连接，用于与单片机数据交换。通过控制单片机P34、P35、P36这三个引脚置“1”或清零，可实现LCD1602的读写操作控制。显示一个字符的操作过程为“读状态、写命令、写数据、自动显示”。在仿真中连接状态如图8所示。图8显示模块3.5单片机电路模块设计如图9中所示是STC89C52单片机的接线图，其中用到的有STC89C52单片机，电容，电阻，晶振片，复位开关，RST引脚连接复位电路；18、19引脚连接晶振电路；31引脚保持高电平，可让其悬空或者接高电平，当外部程序的存储器访问允许控制端；P10-P17口接显示屏的数据总线，用于两者之间的数据传输。图9STC89C52单片机接线图在本次课题设计中，使用到了单片机，时钟电路相当于单片机的“心脏”，要想使单片机能够正常工作，就必须有正常工作的时钟电路。时钟电路模块如图10所示。图10时钟电路模块此次设计使用了时钟电路的内部时钟方式，XTALl和XTAL2两个时钟引脚让单片机与晶振电路相连接，当连接外部的晶振电路时，需要连接两个22PF的电容和一个12MHz的晶振，这两个负载电容的作用是把电能转化为了其他样式的能量，不能随意互换。REST端口是单片机的复位端口，一般有两种方式让单片机系统复位，第一种是上电自动复位，第二种是手动按键复位。复位电路模块如图11所示。图11复位电路模块第一种上电复位的原理是：一旦在单片机通以电源后，复位端口会立即自动完成复位操作；第二种手动复位顾名思义不能自动完成复位，因此必须借助外部接入的电容和电阻来完成复位操作。本次课题设计采用手动按键复位方式来实现，但是与晶振电容相比，更需要采用电解电容，电解电容大小为10μf，电阻则选取了常用电阻，为图中R4，大小为10K。电路就会实现复位，这就是复位电路。

第4章软件系统的设计4.1主程序设计的流程图本次课题设计的主程序流程图如图12所示。图12主程序设计的流程图在课题设计开始时要先给电路两端加以某一数值的脉冲信号，电路中不断采集脉冲信号，当单片机采集到高电平脉冲下发的分闸命令，计时开始，开启定时器中断，其中关键的一环是何时计时停止并显示出来动作时间多少。A/D转换器一直采集接地电阻上的电压信号并传给单片机，一旦检测到A/D转换器采集到低电平信号，会有返回值0，接下来停止计时，也就是关闭中断，然后把测试到的时间数据传输到到显示屏，显示屏再显示出来。4.2显示程序设计的流程图在课题中使用到了显示模块，要通过单片机对显示屏LCD1602进行控制需要一定的步骤，如图13所示。图13显示程序流程图首先要知道显示屏的状态是否允许对其进行写命令，如果程序中设置的标志位为1，是不允许的状态，则一直读状态等待；如果检测到该标志位为0，是允许的状态，则插入写命令的函数。当进行了写命令这一步骤后，将本课题中想要显示出的字符通过ASCII码写入显示屏中的显示数据RAM里。最后当数据写到显示屏模块后，其控制器将会自动识别出字符库ROM中的字型点阵数据，送到液晶显示屏上显示出来。第5章系统调试5.1调试方法在本课题设计过程中，遇到了显示屏会亮，但一直无法显示出所计时的时间的问题。本课题设计中控制什么时间停止计时的是AIN0引脚，也就是继电器未动作前一侧接地电阻上的电压信号，猜想是A/D转换模块引脚接收出现了问题。应该测试AIN0引脚的电平，观察其电平信号是否发生变化。检查PCF8591的通信线是否正确地与单片机相连接。最后再检查A/D转换模块程序是否正确。5.2测试方法（1）测试环境：仿真软件Proteus中（2）测试仪器：VOLTAGE探针（3）测试方案：在仿真软件中先让模拟分闸命令的信号发生器不参与仿真，即没有分闸命令，再用仿真软件里面的探针模式里面的VOLTAGE探针连接AIN0，然后进行仿真，查看该引脚的电压为多少；再让信号发生器参与信号发生器的仿真，利用VOLTAGE探针测试继电器刀闸动作后该引脚的电压为多少。再检查A/D转换器PCF8591的SDA与SCL两个引脚是否与单片机相连接。5.3测试结果两次电压信号不一样，即AINO引脚没有问题。PCF8591的通信线也与单片机正确连接，电路连接没有错误。检查A/D转换模块程序，检查到中断停止计时发生了一个小错误，当继电器动作后，AIN0脚返回的值应该为0,结束计时，在程序中写成了动作后返回值为1，导致一直无法停止计时。5.4结论本课题毕业设计方案是基于单片机与A/D转换器进行的，相比于传统的示波器检测，利用单片机接收到A/D转换器传输到的数据，能够检测触头接地电阻电压变化，由于该点电平要么