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器分合闸的时间尽可能短，不能因智能操作所增加的控制和调节装置而人为使断路器的分合闸时间延长，这可以从硬件结构和软件编程上着手，使因增加控制和调节装置而延长的
[3]
时间限制在可接受的和可忽略的程度。
6.2 单片机的概述
（1）单片微型计算机 简称单片机,它是将微处理器、存储器?RAM、ROM、定时/计数器、中断控制器、DMA控制器、串行通信控制器及并行I/O接口控制器及I/O电路等集成在一块芯片上，构成的微型计算机系统。单片机分为4位、8位、16位至32位。其中8位机是主流产品。8位单片机系列/种类都很多，应用最为广泛。如Inter的MCS-51系列、PIC系列、Motorola M68HC11/ M68HC05/ M6805系列、AVR系列等。每个系列又有低、中、高挡产品，形成庞大的单片机家族。
（2）单片机的用途 单片机应用范围非常广泛。有人说，“没有做不到的，只有想不到的”。虽有些夸张，但的确反应出了单片机在各行各业中渗透的程度和人们对单片机的高度评价。大体上，单片机有如下几方面的应用：工业过程控制、智能仪表、机电一体化产品、汽车交通业、计算机网络及通信技术、家用电器。
（3）单片机的基本结构 共性：单片机应（可）有微处理器、存储器-RAM、ROM、定时/计数器、中断控制器、DMA控制器、串行通信控制器及并行I/O接口控制器及I/O电路等资源。个性：就每一种单片机或一个系列单片机中的每一个型号，它们内部的资源是不同的，这是生产厂商考虑到用户的不同要求而设计的。
（4）单片机的特点 根据单片机应用领域的要求，有以下特点：集成度高，体积小，重量轻；面向控制，功能强；抗干扰、温度范围宽、电磁兼容性强；使用方便。开发周期短；性/价比高，单片机内部资源广泛；容易产品化。
（5）本文设计用到的单片机AT89C52 它是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52
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单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本[5] ,封装图见图6-2。
AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。 主要功能特性：
兼容MCS51指令系统 · 8k可反复擦写(>1000次）Flash ROM； 32个双向I/O口 · 256x8bit内部RAM;
3个16位可编程定时/计数器中断 · 时钟频率0-24MHz； 2个串行中断 · 可编程UART串行通道；
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2个外部中断源 · 共6个中断源； 2个读写中断口线 · 3级加密位；
低功耗空闲和掉电模式 · 软件设置睡眠和唤醒功能[8]；
图6-2 封装及管脚排列[5]
6.3 AT89C52单片机外围电路的设计
6.3.1 手动、上电复位模块
RST/VPD（9）复位信号高电平有效。系统上电后，时钟电路开始工作，若在该管脚上出现24个时钟周期以上高电平，将使单片机完成复位。
AT89C52为高电平有效复位型单片机。图6-3为一种上电自动复位和手动复位合用电路。上电自动复位时间在20mS左右。
图6-3上电、手动复位电路
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6.3.2 电网信号检测模块
信号预处理电路的功能是将取自电力互感器（CT和PT）的电流、电压信号经过适当变换，使之与模数转换器的输入范围一致；同时由于所测的电网电压和电流除工频信号外，还会有大量的谐波和高频脉冲干扰信号，因此在预处理电路中用模拟低通滤波器将这部分高频分量滤掉，以防止数字滤波过程中出现混叠现象。所以，预处理电路的功能主要是电
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网信号的变换放大及模拟低通滤波。电路见图6-4、图6-5。
图6-4 电流、电压信号预处理电路
图6-5 短路电流快速检测电路
该设计用的是霍尔电流互感器（CT），它的工作原理和变压器相似。它的特点是：(1)一次线圈串联在电路中，并且匝数很少，因此，一次线圈中的电流完全取决于被
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测电路的负荷电流，而与二次电流无关；(2)电流互感器二次线圈所接仪表和继电器的电流线圈阻抗都很小，所以正常情况下，电流互感器在近于短路状态下运行。电流互感器一、二次额定电流之比，称为电流互感器的额定互感比：kn=I1n/I2n。因为一次线圈额定电流I1n己标准化，二次线圈额定电流I2n统一为5(1或0.5)安，所以电流互感器额定互感比亦已标准化。kn还可以近似地表示为互感器一、二次线圈的匝数比，即kn≈kN=N1/N2式中N1、N2为一、二线圈的匝数。电流互感器的作用就是用于测量比较大的电流。假如想测400A的电流，电流通过互感器变成小电流再输入电度表，互感器是有变比的。
测量电压采用霍尔电压互感器。电压互感器是发电厂、变电所等输电和供电系统不可缺少的一种电器。电压互感器也和变压器很相像，都是用来变换线路上的电压。但是变压器变换电压的目的是为了输送电能，因此容量很大，一般都是以千伏安或兆伏安为计算单位；而电压互感器变换电压的目的，主要是用来给测量仪表和继电保护装置供电，用来测量线路的电压、功率和电能，或者用来在线路发生故障时保护线路中的贵重设备、电机和变压器，因此电压互感器的容量很小。电压互感器实际上是一个带铁心的变压器。它主要由一、二次线圈、铁心和绝缘组成。当在一次绕组上施加一个电压U1时，在铁心中就产生一个磁通φ，根据电磁感应定律，则在二次绕组中就产生一个二次电压U2。改变一次或二次绕组的匝数，可以产生不同的一次电压与二次电压比，这就可组成不同比的电压互感器。电压互感器将高电压按比例转换成低电压，即100V，电压互感器一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表、继电保护等。电压互感器的作用是：把高电压按比例关系变换成100V或更低等级的标准二次电压，供保护、计量、仪表装置使用。同时，使用电压互感器可以将高电压与电气工作人员隔离。电压互感器虽然也是按照电磁感应原理工作的设备，但它的电磁结构关系与电流互感器相比正好相反。电压互感器二次回路是高阻抗回路，二次电流的大小由回路的阻抗决定。当二次负载阻抗减小时，二次电流增大，使得一次电流自动增大一个分量来满足一、二次侧之间的电磁平衡关系。可以说，电压互感器是一个被限定结构和使用形式的特殊变压器[8]。
来自电力电流互感器和电压互感器二次侧的信号分别为1A或(5)A和100V，其幅值仍超过电子元器件的允许值，不能直接用于微机的采集，因此对电力 CT和 PT的输出信号用二级互感器进行比例变换，然后再进行放大处理。
对二级互感器的技术要求主要考虑到有如下三点：
（1）采用高磁导率的铁芯，当电力系统发生故障时，铁芯不得处于磁饱和状态。对二级 CT，最大电流与额定电流之比应在 10-20以上。
（2）为了保证相位测量精度，变换器一、二次测的相角差应尽可能小。 在一、二次线圈之间采用屏蔽措施，以减小电力系统噪声的侵入。对于放大器的设计，主要在如下方面进行考虑，当发生较轻微的故障，必须保证 ADC有足够的分辨率，而当出现最大短路电流时，不造成 ADC有溢出，而且，进入ADC的信号波形不出现畸变。
二级互感器输出为电流信号，该信号经电阻R1变换为电压加在放大器U2的输入端，放大器 U2的放大倍数由电阻R2和电位器 P1确定。虽然二级电流互感器的一、二次侧是
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通过磁路相连的，无电气连接，但本系统在放大电路中仍设计了隔离放大器，以抑制环境的高频噪声，并确保控制电路与电力系统的电气隔离。放大器输入端两个反向并联的二极管（D1、D2），是对信号起限幅作用。目的是防止电力系统的浪涌损坏电子器件。 ISO124为低成本高精度隔离放大器，该器件的特点是使用非常简单，不需任何外接元件即可工作， 其主要性能指标如下：60HZ时额定连续隔离电压：1500AC；增益：(1V/V) ，输入电压范围士 12.5V(±15供电时，最大非线性误差为0.02%,信号带宽200uV/℃，输出电压温漂为±4.5—±18V,由于ISO124 的离性能好、精度高，因而在工业过程控制中得到
[6]
了广泛的应用。
6.3.3 执行模块
（1）合闸动作 接收到合闸信号后，立刻启动INT1中断口，电动机接通转动，合闸弹簧储能，当储能指示的显示由“白色未储能”变为“黄色已储能”后，即4S后，合闸储能完毕，中断返回，Q2（IGBT）导通，合闸线圈CC励磁（约40ms），断路器合闸。在断路器合闸的同时，辅助开关b5、b6转换，合闸线圈CC解除励磁。然后防跳器Y励磁，并形成合闸回路保护。断路器合闸的同时，微动开关LS1-LS2闭合，控制继电器X励磁，启动储能功能，弹簧储能完毕后（约4S），微动开关LS1-LS2断开，控制继电器X励磁被解除。
（2）分闸动作 和断路器分闸有关的回路只有a1、a2、TC，当满足断路器分闸条件时，接收到分闸信号，发出分闸指令(在+FM-N2接点加压)，分闸线圈励磁的瞬间（约25ms）,断路器分闸。在断路器分闸的同时，辅助开关a1、a2转换，分闸线圈TC解除励磁。
6.3.4 温度检测、液晶显示、报警装置模块
（1）DS18B20温度传感器工作原理 DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。DS18B20的性能特点如下：多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；无须外部器件；零待机功耗；可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5V；温度以9或12位数字读写；用户可定义报警设置；报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
（2）1602LCD液晶显示模块工作原理 1602LCD液晶显示器具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，而且字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件，1602LCD可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0-D7，和RS、R/W、EN三个控制端口，工作电压为5V，并且带有字符对比度调节和背光。温度传感器的信号经过处理被送
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到LCD上显示。
（3）蜂鸣报警器、警示灯模块工作原理 设置监测温度上下限（上限+40℃，下限-15℃）警报的参数，当传感器检测到外界实时温度比设定值高或低时，通过预先的程序设置，使蜂鸣器、警示灯通电从而报警。此为二级警报，接到报警信号后，接到报警信号后，现场
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