题 目：
毕业设计（论文）
智能型低压断路器研究
目 录
1 绪论 .................................................................... 1
1.1 智能型低压断路器的研究意义 ........................................ 1 1.2 低压断路器概述及智能化前景 ........................................ 2 1.3 本设计的主要工作 .................................................. 3 2 智能型低压断路器的方案设计 .............................................. 4
2.1 智能型低压断路器的工作原理 ........................................ 4 2.2 设计方案的选择 .................................................... 4 2.3 控制核心单片机的选用 .............................................. 5 3 智能型低压断路器的模块化设计 ............................................ 7
3.1 模拟信号采集模块 .................................................. 7 3.2 信号处理模块 ...................................................... 8 3.3 单片机输入输出模块 ............................................... 10 3.4 故障保护 ......................................................... 11 3.5 电源设计 ......................................................... 12 3.6 串口通信 ......................................................... 13 4 智能型低压断路器的软件设计 ............................................. 14
4.1 软件总体设计方案 ................................................. 14 4.2 初始化程序 ....................................................... 15 4.3 A/D转换子程序 .................................................... 17 4.4 LCD显示子程序 .................................................... 18 4.5 故障判断子程序 ................................................... 18 4.6 中断子程序 ....................................................... 18 5 仿真与调试 ............................................................. 20 参考文献： ............................................................... 21
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智能型低压断路器研究
摘 要： 为了将低压断路器智能化，采用AT89C51单片机作为智能控制器。使用电压和电流互感器采集电压及电流信号，经过放大处理进入ADC0808进行AD转换，单片机根据采集的数字信号进行智能控制，在LCD液晶屏上显示电压及电流，当检测到的信号超出设定安全值，单片机将根据设定的时间决定是否动作，做出判断后，驱动脱扣器，使断路器断开，并将故障原因显示在液晶屏上，当故障恢复时，单片机控制脱扣器让断路器闭合，整个电路恢复正常。
关键词: 低压；断路器；AT89C51；故障保护
Research on Intelligent Controller of Low-voltage Circuit Breaker
Student: Yangchao(Faculty Adviser: Lioushilin)
(College of mechanical and Electronic Engineering, West Anhui University)
Abstract: In order to low-voltage circuit breaker intelligent, AT89C51 MCU is used as the intelligent controller. Voltage transformers and current transformers are collecting signals of voltage and current. The signal into the ADC0808 conduct AD conversion after amplification. MCU is used to intelligently control based on signal of acquisition digital. Display of voltage and current in LCD screen. The MCU will according to the set time to decide whether the action when the detected signal exceeds the safety value. It make a judgment, than driving release for disconnect the circuit breaker. And the fault is displayed on the LCD screen. The MCU control release for circuit breaker closed, the whole circuit back to normal, when the recover from previous failure.
Keywords: low-voltage; circuit breaker; AT89C51; fault protection
1 绪论
1.1 智能型低压断路器的研究意义
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目前科学技术在蓬勃发展，电力电子技术方面的进步更可谓一日千里，随着应用层面的不断加深，电力系统的拓扑结构和运行方式越来越复杂，因此我们要对电力设备的各方面性能以及设备创新提出更高的要求，但是传统断路器的发展根本无法满足高速发展的现代电力系统自动化的需要。将低压断路器进行智能化在如今看来是很有必要的，也是迫在眉睫的。
1.2 低压断路器概述及智能化前景
低压断路器是一种广泛应用的电力设备，在供配电系统中必不可缺，它是一种自动开关，它既可以手动分断，又能自动进行各过压、欠压、过流保护的设备，即除了要能正常分合外，还要在相关故障时能快速可靠分断相应短路故障电压及电流，且不能有乱动或拒动现象的产生。其主要结构如下图1-1所示。
图1-1 低压断路器结构图
断路器根据检测的模拟量，决定脱扣线圈是否动作，其性能很大程度上取决于对电路进行参数检测的脱扣器的性能。在单片机大量应用的今天，保护装置由之前的电子式、电磁式迅速转入智能化发展的轨道，智能型低压断路器与传统断路器相比更加准确、人性化，安全性能更高。脱扣器也向多功能方向发展。
智能型低压断路器中使用的多功能脱扣器是集保护、测量、监控于一体的智能应用核心，是智能型断路器的“大脑”。它主要由微处理器为中枢、并兼有信号检测采集模块、
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LED显示模块、执行输出模块、电源模块等几部分组成，具有实时显示、电流保护、负载监控、故障显示等功能。它能在正常运行时接通或断开负载电流，且可以在不正常情况下选择性切断电路，精确保护，从而保护非故障用电设备和电缆安全可靠运行，减少不必要的损失。并且能够迅速检测故障是否排除，一旦故障排除，可以迅速恢复故障设备供电。智能型低压断路器能够通过网络组成智能网络，可以与PC或其他微机通信，可以远距离控制。按照目前的趋势，当前己断路器是否先进要看其显示、保护、报警、故障诊断等功能是否完善，能否防止故障进一步扩大，整个系统能否在保证人身财产安全的情况下尽可能的安全运行。
1.3 本设计的主要工作
本次设计为了将低压断路器智能化，采用AT89C51单片机作为智能控制器。使用互感器采集电信号，经过放大处理进入ADC0808进行AD转换，单片机根据采集的数字信号进行智能控制，在LCD液晶屏上显示电压及电流，当检测到的信号超出设定安全值，单片机将根据设定的时间决定是否动作，做出判断后，驱动脱扣器，使断路器断开，并将故障原因显示在液晶屏上，当故障恢复时，单片机控制脱扣器让断路器闭合，整个电路恢复正常。
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2 智能型低压断路器的方案设计
2.1 智能型低压断路器的工作原理
智能型低压断路器可由断路器和智能脱扣器两部分组成，其中断路器可以使用万能式低压断路器提供模拟脱扣方式和合闸的基本硬件设备，而智能脱扣器则是在此基础上增加智能脱扣方式，使得整个断路器性能得到巨大提升。智能型低压断路器基本工作原理如下图2-1所示。
图2-1 工作原理图
其中断路器部分主要是模拟电路部分，主要包括采集信号的互感器部分，过电流的模拟脱扣部分以及脱扣输出的驱动电路、衔铁、触头等执行部分。
智能脱扣器部分主要是数字电路部分，其核心是单片机，用来显示电压电流及智能处理各种故障。
2.2 设计方案的选择
在确定设计方案时，对硬件硬件构成进行了细致的考量。比如信号处理模块需要使
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单片机能够检测交流信号，可控选择的方案一个是采用全波整流，一个是使用有效值芯片，还有就是舍弃硬件，直接使用单片机进行快速傅里叶变换算出电压值。在实际仿真时发现全波整流电路较为复杂，输出较难控制，而快速傅里叶变缓对单片机要求较高，最后使用真有效值芯片交流转直流。还比如自身电源的设计，串口通讯的设计，液晶显示方案都本着简单实用的原则进行选用。
最终本设计采用的智能断路器是以单片机作为核心，围绕单片机从而实现各种功能。使用电压互感器和电流互感器分别采集交流电信号，经过放大和真有效值处理转换为直流模拟信号，此时便可以进行AD转换变为单片机能够识别的数字信号。这些信号在单片机进一步的处理后，由LED液晶屏显示采集到的电压电流等信息，并与设定好的各种整定值对比，作出脱扣判断并设定动作时间，同时将故障类型显示在LED上。为了保障整台设备安全可靠运行，单片机采用双电源供电，并且除了有单片机控制的智能脱扣外，还有互不关联的模拟脱扣方式，它们都可以通过驱动电路使执行机构动作。单片机采用RS一485标准接口与上位机连接和通信。
2.3 控制核心单片机的选用
本设计采用AT89C51单片机，标准的51系列单片机，该单片机价格低廉，性能良好，兼容性高，能够很好的满足要求。
有如下特点： ? 与MCS-51单片机兼容 ? 8位CPU
? 4K字节可编程FLASH存储器
? 频率范围支持0Hz-24MHz，实际使用12MHz ? 32可编程I/O接口线，满足使用 ? 三级程序锁定存储器 ? 两个16位定时器/计数器 ? 串行通道RXD和TXD可编程 ? 有5个中断源，良好的中断性能
图2-2 AT89C51引脚图
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本设计在AT89C51的使用中用到的引脚较多，引脚1到8即P1.0到P1.7是A/D转换后数字信号输入口；引脚18、19是晶振输入/输出引脚；引脚9接复位电路；引脚32到39即P0.7到P0.0是LED液晶屏输出引脚；引脚21到26是LED液晶屏控制引脚；引脚27是脱扣器控制引脚；引脚28是A/D转换芯片采样通道控制引脚；引脚15、16、17是A/D转换芯片控制引脚；引脚14是时钟输出引脚，为A/D转换芯片提供时钟脉冲；引脚12是中断输入引脚；引脚10、11是外部通信引脚，接通信串口；引脚40、20接电源正负极。
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3 智能型低压断路器的模块化设计
智能型低压断路器主要包括模拟信号采集、信号处理、单片机输入输出、故障保护、电源设计和串口通信模块。 3.1 模拟信号采集模块
智能断路器要实现过欠压保护，过电流保护，需要检测低压电网的电压和电流。可以采用小型的电压互感器和电流互感器，将它们分别接入低压线路上用来获取电压和电流信号。
图3-1电压互感器
图3-2电流互感器
电压互感器结构如图3-1所示。工作时与变压器原理类似，由图明显可以看出其结构特点是一次侧绕组匝数相对比较多，相应电压较高，二次侧绕组匝数相对比较少，相应电压较低，在实际使用中是一次侧的绕组并联在线路中，而二次侧的绕组并联一些仪
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表线圈，比如继电器中的电压线圈，主要特点是与传统变压器相比，容量很小，以接近空载的方式在正常运行的时候。
电流互感器结构如图3-2所示。虽然与变压器有区别，但是也是基于电磁感应工作的，由图明显能够看出其结构特点一次侧绕组匝数相对比较少，甚至某些电流互感器不采用绕组，直接将一次线路穿过铁芯就已产生足够的磁场；其二次绕组匝数非常多，导线也极细，在实际使用中和电压互感器类似但是并联改成串联，一次侧的绕组串联在线路中，而二次侧的绕组与仪表线圈串联、比如继电器中的电流线圈，主要特点是与电压互感器相比，以接近短路的状态在正常运行的时候。
电压互感器和电流互感器的型号要根据实际需要进行选用，要满足设计精确度的要求。
3.2 信号处理模块
信号采集是由互感器实现的，所以采集到的电信号是交流电信号，虽然单片机可以
通过快速傅里叶变换对交流信号A/D转换后的数字信号进行检测，可是出于精确度的要求，本设计采用真有效值芯片将交流信号变为直流有效值信号，经过运放放大为0到5V的电压信号以便使用A/D转换芯片转换为数字信号供单片机使用。 3.2.1 真有效值转换电路
为了仿真顺利进行采用真有效值值芯片AD736，AD736是精密AC/DC真有效值转换芯片。对于正弦波电压测量的误差不超过±3%，完全可以满足本设计的要求。它在高准确度的同时有较快的测量速率和较宽的频率特性（工频范围可达0～460kHz），高阻抗输入、低阻抗输出、电源的电压，功耗和工作电流要求较低。
AD736使用方式非常多。采用图3-3电路，使用正负5V电压供电，在该电路中1引脚+Vs与8引脚COM并一0.1μF的电容、4引脚-Vs与低之间并一只0.1μF的电容、4引脚与5引脚并一只33μF的电容、3引脚与6引脚并一只10μF的电容起到过滤高频杂波的作用。AD736支持DC和AC的检测，取决于电容Cc，实际使用未将Cc短路，只检测AC的电压值，屏蔽了DC的电压值，R、D1、D2都是用来保护芯片，R用来限制电流，D1和D2是开关二极管，使AD736检测电压固定在-Vs到+Vs之间，使芯片不至于烧毁。Vin输入正弦电压值，Vo输出测得的电压有效值。
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图3-3 真有效值芯片AD736接口电路
3.2.2 A/D转换电路
由于AT89C51单片机没有内置A/D转换，所以需要外接A/D转换芯片。
本设计需要采集多路信号，所以采用ADC0808芯片。ADC0808采样分辨率为8位、8通道的A/D转换芯片。同时只能使用8路模拟输入信号中选中一路进行A/D转换，通过三根地址线切换通道。ADC0808是ADC0809的简化版，功能相似，有如下特性： ? 8位分辨率，8通道
? 总的不可调误差：ADC0808为±21LSB,ADC0809为±1LSB
? 转换时间：时钟为500kHz时为128us，时钟为640KHz时为100us ? 电源输入：+5V ? 模拟电压输入：0～5V ? 具有三态可控输出的缓存器
在实际使用中，ADC0808接法如下图3-4所示。IN0到IN7引脚是8路模拟输入引脚，为了简化电路，只检测了一相电信号，因此只用到IN0和IN1；ADDA、ADDB、ADDC引脚是模拟通道选择地址信号引脚，ADDA为低位，ADDC为高位，由于只用了两路，所以ADDB和ADDC接地，ADDA低电平即为通道0，高电平即为通道1；D7到D0引脚是A/D转换后的数据输出引脚，D7为最高位，D0为最低位，为三态可控输出，可直接和单片机数据线连接；6、7、9引脚分别接单片机10、16、11引脚，22引脚接到6引脚上，是ADC0808的转换控制引脚；ADC0808需要外部时钟信号，本设计使用单片机产生500KHz脉冲输入10引脚；VREF(+)、VREF(-)引脚是正、负参考电压输入端，用于提供片内DAC
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电阻网络的基准电压，分别接+5V和地。
图3-4 ADC0808结构图
3.3 单片机输入输出模块 3.3.1 LCD显示
为了使智能断路器更加人性化，更加直观化，使用了LCD显示屏，由LED液晶屏实时显示采集到的电压和电流等信息，并且若发生故障，LCD将显示故障类型。
本设计使用的液晶屏为LGM12641，是128*64的点阵液晶屏，其8个数据口接在单片机A0口上，六个控制口接在单片机P2.0到P2.5上，接入电源和地。 3.3.2 断路器通短控制
单片机IO口输出的控制信号带负载能力很弱，设计如图3-5接口电路。
图3-5 继电器驱动电路
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本设计断路器使用24V继电器。在单片机与继电器线圈之间采用光耦增加带负载能力，同时隔离电路以保护单片机，并以三极管控制线圈电路通断。单片机通过该驱动电路控制继电器。
单片机的P2.6口输出断路器的通段控制信号，由于为了仿真更为直观，直接在P2.6口上接了一个非门带一个发光二极管，通过二极管的亮灭表示断路器的断通。 3.3.3 按键中断输入
中断0即P3.2口接按键一端，按键另一端接地，通过按键输入低电平信号，实现中断信号的输入。
通过该按键可手动控制断路器的通断。 3.4 故障保护
出于安全性的考虑，本设计设置了过电流保护，过电压保护和欠电压保护。 3.4.1 过电流保护
对于用电设备来说无论什么形式的过电流都是非常危险的，因此本设计的断路器采用智能化保护具有反限时特性，其保护特性曲线如图3-6所示。
图3-6 低压断路器的保护特性曲线
本设计设定的最大安全工作电流为5A。根据公式
Iop?KrelIpk瞬时过流断路器动作时间为0.02s时，可靠系数取1.35，对应电流为大于6.75A；短延时过流断路器动作时间采用0.2s，可靠系数取1.2，对应电流为大于6A；长延时过流主要用于负荷保护，动作特性是反延时的，动作时间一般在1h左右，为了仿真直观
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取为5s到10s，可靠系数取1.1，对应电流为大于5.5A。 3.4.2 电压保护
为了用电设备安全可靠运行，对安全电压进行了设置，低于200V为欠电压，高于240V为过电压，动作时间为0.02s。由于电压可以持续监控，所以电压低于或高于设定值时，会切断电路，当电压恢复正常范围时，电路会接通，能够继续正常运行，体现出智能化的特点。
3.5 电源设计
采用双电源供电方式，只要其中任何一路电源正常工作，即可可靠给智能脱扣器供电。一路电源为自生电源，用速饱和铁芯电流互感器从主电路感应获得电源。但是，该电源在主电路电流较小时不能工作。另一路电源为辅助电源，由外部提供，它不仅在主电源不能工作时提供电源，还可在断路器断开(主电路停电)的情况下，使智能脱扣器继续工作，如参数整定、状态显示、通信。
电路需用到正负5V电源，因此自生电源采用7805和7905芯片产生稳定的+5V和-5V电源以供使用，电源电路设计如下图3-7所示。
图3-7 正负5V电源
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3.6 串口通信
本设计使用的单片机只需要与上位机点对点通讯，所以采用 RS-485接口，两线制半双工网络，单片机接RXD与TXD口与上位机通讯。
单片机与PC机之间的串通信接口电路如图3-8所示，由于无法直接通讯，采用RS-485/RS-232转换电路。该电路使用CD4019四与或选译门转换信号，连接MAX232与MAX485接口芯片。
图3-8 RS-485/RS-232转换电路
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4 智能型低压断路器的软件设计
一个控制系统中硬件和软件是必不可缺的两部分，硬件是基础，软件是灵魂，在许多情况下二者的某些功能可以相互替代、相互转化、相互实现。例如就在本例中对信号处理模块的设计方案就体现了这一特点，既可以使用真有效值行片对信号进行硬件处理，也可以借用单片机用快速傅里叶算法对信号进行软件处理。在实际应用中，满足精确度、安全性等要求的前提下，应尽量增加软件部分的分量，减少硬件的数量，在本例中已尽量满足这一要求。软件设计有迹可循这里主要对其进行数据设计，即程序设计，其主要内容包括拟定总体的解决方案、绘制程序流程图、编写程序以及测试修改。在有关单片机的程序设计中一般均采用模块化的程序设计，要实现某项功能单独写成一个模块。编写主程序时，使用哪个模块便调用哪个模块，使得整个程序清晰明朗，便于修改和阅读。
4.1 软件总体设计方案
由于智能型低压断路器实现的功能较多、所以C语言程序采用模块化设计，包括如下程序:初始化子程序、1ms延时子程序、LCD驱动子程序、A/D转换驱动子程序、LCD显示子程序、故障判断子程序、多个中断子程序和主程序组成。而其中的主程序自上而下运行，在完成初始化后进入循环，显示电压及故障检测，等待中断产生。
为了直观展示，程序执行的大概步骤做成了流程图如图4-1所示。
4.2 初始化程序
初始化是对程序运行用到的寄存器初始状态进行设定，许多值并不需要一一设定，单片机可以自动运行设置，这里是对一些必要的值进行初始化。 4.2.1 定时器T0初值的计算与设定
在本设计中A/D转换芯片ADC0808需要用到500KHz时钟脉冲，因此采用定时器来输出500KHz方波。实现该功能只需每1us取反一次即可，当系统的时钟频率为12MHz时，使用定时器T0处于工作方式2，其最大定时时间为256us，此时的计数值为1，初值为256-1=255，在C语言的环境下，初始化如下：
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初始化 通道0 确定采样通道 Y N Y 通道1 N 读取转换数据 启动A/D转换 启动A/D转换 电压显示 过压判断 N Y 过压显示 Y 欠压判断 N Y 过流判断 N 欠压显示 过流显示 中断处理 Y 中断产生 N 图4-1控制流程图 电流显示 切断电路
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TMOD=0x02; //设定T0工作于方式2 TH0=0xff;
TL0=0xff; //赋予T0初值
IE=0x82; //IE是中断允许寄存器，值为10000010表示允许T0溢出中断
TR0=1; //开定时器T0
此外程序中的延迟未使用定时器，而是使用12MHz系统时钟制作的1ms延迟程序，可能在精确度上不如定时器计数准确。
void delay(unsigned int ms) //延时程序 {
unsigned int i;
while(ms--)for(i=0;i<120;i++); }
4.2.2 串口初始化
单片机使用到串口时需要对串口进行初始化，通过初始化决定串口的波特率和串口的工作方式，波特率的确定需要用到定时器T1，T1也需要类似于T0进行初始化。
在本设计串口初始化包括设定串口工作方式，定时器工作方式，设置波特率，开总中断开，开串口中断。在程序中使用的寄存器包括TOMD、TCON和串口特殊功能寄存器SCON、PCON。本设计中的串口工作方式为方式二，它的计算如下式：
SCON=0x50;
TMOD=0x20; //设置定时器1工作方式2 PCON=0x80; // SMOD置1 波特率计算公式如下：
波特率=（2SMOD/32）·(TI溢出率)，TI溢出率=fosc/[12×（256—TH1)] 在本设计中晶振频率设置为12KHz，波特率设计为1200bit/s，因此经过计算可以得出计数器初始值为0Xcc。初始化程序步骤如下所示： 1) 设置串口特殊功能寄存器SCON的控制字 2) 设置控制方式，向TOMD写入控制字 3) 设置特殊功能寄存器PCON最高位SMOD的值 4) 向计数器中TH1和TL1中写入初值
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5) 打开定时器
6) 打开总中断，开串口中断
图4-2 ADC0808工作时序
4.2.3 ADC0808的初始化
当时钟周期为CLK=500kHz时，转换时间为TCONV=128us，A/D转换程序按照其工作时序进行编写，其初始化一目了然，详细信息可以参考ADC0808的数据手册，其具体的工作时序如图4-2所示。
4.3 A/D转换子程序
本设计用到两路转换，为了程序易于理解，通道0和通道1的转换程序分开处理，主要思路如下：
adda=0; st=0; st=1; st=0;
//ADDB和ADDC已接地，选择通道0
//st是start和ale引脚，读取通道地址锁存，启动转换
while(eoc==0); //等待转换完毕的信号，eoc=1是转换完毕； oe=1;
//单片机开始读取数据
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dy=ad0_7; //数据存入变量 oe=0;
//单片机读取数据结束
这是单片机对读取数据的初步处理：
temp=5.0*dy/256.0;
//A/D转换得到的电压
dy=(unsigned int)(temp*100+2); //根据变比计算出线路电压 对于电流的处理类似于电压，不再缀诉。
4.4 LCD显示子程序
本设计使用LGM12641，是128*64的点阵液晶屏，其与单片机的接法可有数据手册查得。该液晶屏驱动程序较为复杂，包括写数据，清除内存，初始化以及显示程序，此外，对于用到的汉字还要额外加入汉字字模，放入单片机的code段。
4.5 故障判断子程序
在实际使用中输电线路上的总负载不是一成不变的，输电线路的电压电流也会不停变动，尤其是大功率设备的接入和断开的瞬间，输电线路可能处于瞬时故障状态，此时要求断路器不能误动作，动作要留有延迟。由于线路故障来说，对用电设备造成损坏的根本原因是短时间内过大电流流经设备产生大量热量，使设备烧毁，所以在将故障折算成单位时间热量以量化形式方便计算对应切断时间。
故障判断子程序就是基于采集的数据，进行智能判断故障类型并处理。
4.6 中断子程序
中断子程序是指在程序运行中只要中断允许开放，一旦满足中断条件时，则会自动转入执行中断服务子程序，中断服务子程序运行完毕才会返回主程序继续执行。本设计使用的中断较多，外部中断0，定时器中断T0,串口中断，其中外部中断0用作按键，定时器中断TO用来输出500KHz时钟脉冲，串口中断响应串口通讯，如图4-3所示。
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