山东科技大学学士学位论文 微机保护装置硬件设计
①8051CPU；
②4KB的快速擦写Flash存储器，用于程序存储，可擦写次数为1000次；
③256字节的RAM，其中高128字节地址被特殊功能寄存器SFR占用；
④32根可编程I/O端口线：P0，P1，P2，P3；
⑤2个可编程16位定时器，一个可编程的全双工串行通信：3口的第二功能；
⑥具有6个中断源，5个中断矢量，两级优先权的中断系统； ⑦1个数据指针DPTR；
⑧具有“空闲”和“掉电”两种低功耗工作方式； ⑨可编程的3级程序锁定位； ⑩工作电源的电压为（5±0.2V）； AT89C51芯片引脚图如图3- 2 所示
1234567891011121314151617181920p1.0p1.1p1.2p1.3p1.4p1.5p1.6p1.7RST/VPDP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDXTAL2XTAL1VSSVCCP0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7EA/VPPALE/PROGPSENP2.7/A15P2.6/A14P2.5/A13P2.4/A12P2.3/A11P2.2/A10P2.1/A9P2.0/A84039383736353433323130292827262524232221 图3- 2 AT89C51 引脚排列图
3.3.2 AT89C51存储器的扩展
由于AT89C51只有一个256B RAM可能无法满足整个系统对程序
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存储、数据存储的要求，所以必须对AT89C51存储器扩展。电路图如图3- 3所示。
P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A1210987654325242123226222027111121315161718191234567891011121314151617181920p1.0VCCp1.1P0.0/AD0p1.2P0.1/AD1p1.3P0.2/AD2p1.4P0.3/AD3p1.5P0.4/AD4p1.6P0.5/AD5p1.7P0.6/AD6RST/VPDP0.7/AD7P3.0/RXDEA/VPPP3.1/TXDALE/PROGP3.2/INT0PSENP3.3/INT1P2.7/A15P3.4/T0P2.6/A14P3.5/T1P2.5/A13P3.6/WRP2.4/A12P3.7/RDP2.3/A11XTAL2P2.2/A10XTAL1P2.1/A9VSSP2.0/A8AT89C514039383736353433323130292827262524232221D0D1D2D3D4D5D6D7ALEPSENP2.6P2.7P2.5A12A11A10A9A8123RDA0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13OECEPGMVPP27128D0D1D2D3D4D5D6D7A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A1210987654325242123222272620A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12OEWECS2CS16264D0D1D2D3D4D5D6D71112131516171819P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7P4WRP574LS138ABCY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y71413121110987P0P1P2P3P4P5P6P7+5456E1E2E3 图3- 3 AT89C51 扩展电路图
3.3.3电源模块的设计
电源是系统必不可少的组成部分，一个良好的电源对于系统的正常
工作至关重要，其设计的性能优劣直接关系到系统的技术指标和能否安全可靠的工作。如何保持电源的稳定性、减少系统的功耗和外界的干扰往往成为工程师最为头疼的问题。目前常用的直流稳压电源分为两种，一种是线性稳压电源，另一种是开关稳压电源。本设计采用开关稳压电源，从而可以减少系统的体积和降低功耗[14]。+5V开关稳压电源的电路原理图如图3- 4所示。
在图中，C1=220μF，C2=0.47μF，C3=0.1μF，C4=200μF。为了达到最佳的滤波效果，除了选择合理的电路结构以外，在安装时，应尽量将滤波器的输入和输出端远离开始端。经验表明，电源的接地阻抗越小，负载间的耦合就越少。较为经济的做法是采用负载分离供电的方法。也就
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是说，如果是单纯的最小系统，应尽量减少电源接地阻抗，否则，就应当将其他负载与最小系统分离供电。
VINVD1~VD4C1220uC2D20.47uC30.1uGNDT+5V+5VAC220MC78M05CTC4220uD3电源电路
图 3- 4 电源电路原理
3.3.4开关量输入及输出电路设计
开关量分为开关量输入和开关量输出两个部分，在本系统中，开关
量主要是断路器，刀闸的合、分闸信号，开关状态等信号，由于开关信号传输的距离比较远，容易受到外界的干扰，确保开关动作的可靠性至关重要，所以开关量的输入输出应确保可靠，并具有良好的抗干扰的能力，本系统通过采用电容滤波和光电隔离的方法来提高输入输出信号抗干扰能力[15]。开关量输入原理如图3- 5 所示。
+24vSR4.7KUDRGND4.7KC0.1uOPTOISO1P1.5+5 图3- 5 开关量输入原理图
从控制器端子箱引入的开关量（常开）图中的S表示，在输入端接有电阻与二极管并联的电路主要起保护作用，经光电隔离进入单片机的输入接口，由CPU读取，当开关打开时，光敏三极管关闭，输出为高电平，对应位为1，当开关闭合时，光敏三极管导通，输出为低电平，对应位为0。CPU可以通过软件查询，随时知道外部开关量的状态。开关
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量保护信号和闭锁信号经光电隔离后输入单片机的高速输入口，每个高速输入口电平的跳变都可以产生中断，这可以使CPU对保护信号和闭锁信号做出快速反应，最大限度地提高控制器的可靠性。
开关量输出原理如图3- 6所示。开关量输出主要包括保护的跳闸出口以及本地和中央信号等，一般都采用并行接口的输出来控制有触点继电器（干簧或密封小中间继电器）的方法，但为提高抗干扰能力，最好也经过一级光电隔离。
只要光敏三极管导通，驱动继电器动作，从而产生输出接点的动作，同时要有效消除由于干扰问题而产生的误动作。此外，在动作指令发出之后，CPU要监测动作的执行情况，一方面是看动作指令是否产生了相应继电器接点的动作，另一方面是看控制对象（线路上的开关）是否正确动作，如有异常情况立即闭锁装置并报警。
+5R10K+5SUK-5Y6OPTOISO1D220V1N98A
图3- 6 开关量输出原理图
3.3.5模拟量输入模块
模拟量输入电路的结构框图如图3- 7所示。主要包括电压形成回路、低通滤波电路、采样保持、多路转换开关及A/D变换芯片五部分。下面分别叙述这五部分的工作原理及作用。
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模拟量输入（电压、电流等）
电压形成低通滤波器采样保持器多路转换开关主机模数转换器电压形成低通滤波器采样保持器
图3- 7 模拟量输入电流结构框图
3.3.5.1电压形成电路[16]
系统要从电流互感器(TA)和电压互感器(TV)取得信息，但这些互感器的二次侧电流或电压量不能适应模／数变换器的输入范围要求，故需对它们进行变换。电压变换器将由电压互感器二次侧引来的电压进一步降低。电流变换器将电流互感器二次侧的电流变换成电压信号，并进一步降低电压。一般模数转换芯片要求输入电压?5V或?10V。由此可以决定上述电压变换器、电流变换器的变比。
电压形成电路除了起电量变换作用外，另一个重要作用是将一次设备的电流互感器TA、电压互感器TV的二次回路与微机A／D转换系统完全隔离，提高抗干扰能力。 3.3.5.2 低通滤波（ALF)[17]
为了使信号被采样后不失真，采样频率必须不小于2倍的输入信号的最高频率，这是采样定理的要求。电力系统在故障的暂态期间，电压和电流含有较高的谐波成分。如果要对所有的高次谐波成分均不失真地采样，那么其采样率就要取得很高，这就对硬件速度提出很高要求，使成本增高，这是不现实的。实际上，大多数的模拟量输入回路都在采集之前将最高信号频率分且限制在一定频带以内，即限制输入信号的最高频率，以降低采样频率。这样，只需要在采样前用一个模拟低通滤波器
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