湖北科技学院学士论文
3 硬件电路设计
3.1概述
硬件是整个电动机智能保护系统的基础,它的表现是好是坏是非常重要的对于系统的功能是否可以实现。其硬件系统原理结构框图如下所示：
三相电流采样三相电压采样A/D转换通信单元8951单片机LCD显示执行单元
图3-1 电机智能保护器原理结构框图
其中，微处理器负责电机智能保护器系统综合运算与控制，收发、处理数据；模数转换器把模拟信号转为数字信号，供单片机处理；当电动机故障,故障诊断,确定什么样的故障并通过人为地设置模拟故障，检测系统是否可靠；数据采集模块将发生故障时的数据采集并传送给模数转换芯片；通信、译码模块将微处理器正在工作时的有关参数转换成数码显示所需的八段信号，用于人机交互。
本文的硬件系统以8951单片机为核心，并配以外围电路构成。考虑智能电动机保护器的应用程序环境和可靠性要求,具体的电路设计和芯片的选择充分考虑保护的实际需要。
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软件电路设计
3.2数据采集电路
通过互感器对三相电压数据和三相电流数据进行采集，采集到的众多数据首先送入到模拟多路开关中，分别把数据一一送出。送出的数据经过A/D转换单元，转换为单片机可读的信号，然后送入到单片机中。
模数转换器直接数模转换,所以在这个设备电压互感器和电流互感器将用于高电压、大电流转换为模数转换器可以接受低电压和较低的电流。电压转换,把电流转化成容易测量的电压值。然后使用运算放大器和二极管构成整流装置使交流电压转换成直流电压。
AC - DC转换后所得的直流电压叠加有多种高次谐波分量,由于电网及其他电机保护器的设计基于单片机控制的电机本身的干扰,使电压电流信号质量很差。这需要过滤的信号。这个设备使用电容低频和高频滤波电路,滤掉信号中叠加的高频成分。电流采样电路图和电压采样电路如下。
电压采样电路
电流采样电路
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3.3继电器驱动电路
电动机保护器的继电器驱动电路的设计。通常当确定某些事件需要继电器动作时,CPU控制信号给继电器线圈上电,继电器触点动作。
继电器驱动电路采用三极管9013驱动继电器工作,利用三极管的开关特性实现没有接触没有火花控制开放的目标,并实现强电隔离的效果。继电器上并联一个发光二极管,成为继电器动作指示灯。为了防止反向电压时,当继电器触点断开时产生的，需要在继电器电路并联一个续流二极管。
电路设备规格:三极管VT4型号是9013，R20电阻的电阻值为4.7 K,R21阻力阻力值是10 K,二极管D8型号是IN4007，发光二极管的型号是1S1588。电路图如下。
继电器电路图
3.4键盘电路
简单的键盘输入电路每个键占一个I / O端口,当按钮很多,I / O端口利用率不高。在这种情况下,可以使用矩阵键盘。4 * 4矩阵键盘共有16个键的结构,每个键给定代号s1、s2、s3……S16,建立数量分别为0、1、2、3……15。 在应用程序系统中,键盘上的键根据功能可分为两类:数字和控制键。设计键0 ~ 9的是定义为一个十进制数字键0 ~ 9,10的数字键被定义为加一键,键11定义为减1键,键12被定义为电机实时参数显示键,键13被定义为故障显示键,键14被定义为参数修改键,键15被定义为确定键。
当扫描输出一行为零,读入的列线RB4 ~ RB7状态。在读入RB4 ~ RB7时,如果全是1,表示零的这行没有键按下,如果不是全部为1，则零的这行有键按下。当确定闭合键的位置以后，就能计算出键值，即产生键码了。通过公式：闭合键的键值 = 行号 + 列号来计算键值，将键值保存。电路图如下。
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软件电路设计
键盘电路
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4 三相电机智能保护器软件设计
4.1 主程序的设计
主程序的主要功能是初始化每个外设系统模块,完成所有函数调用每个子程序和中断等。上电复位之后，单片机将重置向量装载到程序地址寄存器，然后从复位向量CPU开始执行程序。首先主程序初始化，每个子例程调用准备和使用系统模块,然后查询键,确定是否需要调整控制参数。需要调整参数运用键盘子程序修改，最后进入主循环程序。
主程序主题结构是一个无限循环，单片机不断重复调用电压、电流、漏电流的判断程序，如果出现故障立刻输出保护动作并且发出报警信号。输出保护动作后,循环停止,等待手动复位。
主程序不参与具体工作,但每个子程序来管理,由不同的程序完成各种各样的工作。这种方式可以实现程序的模块化设计。主程序和子程序修改和调试十分方便。
主程序流程图如图4.1所示。
图4.1 主程序流程图
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