基于单片机三相电路保护装置的设计.doc
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1、目 录1 概述11.1三相保护电路装置的背景11.2 三相保护电路装置的意义11.3 方案的选择12 硬件设计22.1系统介绍22.2设计的硬件结构框图33 软件设计113.1软件设计的总体思路113.2主程序的介绍结构及其功能113.3按键调整123.4液晶显示163.5定时器中断程序194调试结果及数据分析224.1已完成的功能224.2调试过程234.3调试结果254.4更新方向26致 谢27参考文献28附 录29附录A29附录B30III1 概述1.1三相保护电路装置的背景三相电机在工业生产中是很多机械设备的重要动力来源。在工业生产为保证三相电动机的正常工作,我们必须对电动机电路进行保
2、护。三相电动机的传统保护电路是以断路器、交流接触器、热继电器、自动空气开关等件器组成的电路保护系统。这些经典的三相电动机保凝结着很多人的心血,也为我们的工业生产提供了安全保证,但是随着工业自动化的深入发展,传统的三相电动机保护电路已经不能满足工业自动化生产的要求。1.2 三相保护电路装置的意义目前,工业自动化正向着计算机化,网络化,智能化,保护、控制、测量和数据通信一体化方向发展。而这次设计的一个目的就是为实现自动化生产打下基础。另外,在设计中使用的是ST7920液晶显示器,这种显示器画面显示质量比较高、不会闪烁、显示面积较大降低了眼睛的疲劳程度,且ST7920液晶显示器带有中文字库能够更好的
3、、更方便的显示中文,给操作人员监测带来了很大方便。1.3 方案的选择STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟,机器周期(1T)的单片机,是高速,低功耗,超强抗干扰的新一代8051 单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12 倍。内部集成MAX810 专用复位电路,2路PWM,8路高速,10位A/D 转换,针对电机控制,强干扰场合,并且价格便宜。272 硬件设计2.1系统介绍本次设计是围绕着保护三相电动机的安全运行而设计的。STC12C5A60S2单片机三相电路电流测试仪的原理是,自动检测三相电源的电流,并根据电流的大小进行显示和控制。用单片机对三相电源的电流进行采集、处
4、理、显示和控制。首先是电流采集对电源的模拟信号进行采集和处理,传到单片机进行判断,从而控制电源继电器。其次是显示电路(包括二极管显示和LCD液晶显示),它可以根据单片机和按键的控制来显示,它可以显示电流电压的大小、电路是否异常及时间等。复位是计算机的一个重要工作状态。在单片机工作时,接电时要复位,断电后要复位,发生故障后要复位。单片机在开关时都需要复位,以便中央处理器CPU及其他功能部件都处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。单片机复位的条件是:必须使RST/Vpd或RST引脚加上持续两个机器周期(即24个振荡周期)的高电平。若单片机时钟频率为12MHz,则复位脉冲宽度至少应为2us。
5、复位方式有上电复位、手动复位、自动复位三个方式。按键电路本设计采用了3个独立式按键,在整个程序设计中采用了一键多功能的作用,在软件中实现一个按键依据按下次数的不同实现不同的功能。还有采用了循环动态扫描方法在使用时必须反复调用循环显示,在调整时间的按键程序中也应当常调显示子程序。晶振电路:CPU功能总的来说是以不同的方式执行各种命令,不同的指令器功能各异。有的指令涉及CPU各寄存器之间的关系;有的指令涉及单片机核心电路内部各功能部件之间的关系;有的则与外部器件如外部程序存储器发生联系。事实上,CPU是通过复杂的时序电路完成不同指令功能的。所谓时序是指控制器按照指令功能发出一系列在时间上有一定次序
6、的信号,控制和启动一部分电路,完成某种操作。本设计采用外部振荡脉冲输入。本设计是通过电流采集到单片机,通过单片机显示电流的大小来控制继电器的动作,来保护三相电源正常的工作。又通过软件程序和按键来控制显示的内容及调整。图2.1 系统总体框图在整个系统中各部分采用的处理方法如下:三相电动机主电路中的电动机采用降压方式启动;三相电路的电流采集使用三个电流互感器对各相电流进行采集;采集到的电流信号经过处理电路被转换成为单片机可以采样的电压信号;单片机处理部分是对采集到的信号进行分析和处理,并根据处理结果输出控制信号;继电器控制部分接收到单片机的输出控制信号后对主电路进行控制。整个系统构成一个闭环的检测
7、控制系统。2.2设计的硬件结构框图本设计以宏晶的单片机STC12C5A60S2为核心部件,同时还有模拟信号采集系统、按键调整电路、复位电路、晶振电路、程序下载模块、输出控制和ST7920 LCD图文显示模块等外围电路组成,其框图如图2.2:图2.2 基于STC12C5A60S2单片机的硬件处理结构图2.2.1按键介绍设计中所用的按键为轻触机械开关,正常情况下按键的接点是断开的,当我们按压按钮时,由于机械触点的弹性作用,一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通,在断开时也不会一下子断开。因而机械触点在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动,按键的时序如下图2.3所示,抖动时间的长短由按键的机械特性及
8、操作人员按键动作决定,一般为5ms20ms;按键稳定闭合时间的长短是由操作人员的按键按压时间长短决定的,一般为零点几秒至数秒不等。图2.3 按键过程示意图从上面图中我们可以看到,一次完整的击键过程,包含以下5个阶段:1、等待阶段: 此时按键尚未按下,处于空闲阶段。前沿(闭合)抖动阶段:此时按键刚刚按下,但按键信号还处于抖动状态,这个时间一般为520ms。为了确保按键操作不会误动作,此时必须有个前沿消抖动延时。2、键稳定阶段:此时抖动已经结束,一个有效的按键动作已经产生。系统应该在此时执行按键功能;或将按键所对应的键值记录下来,待按键释放时再执行。3、后沿(释放)抖动阶段:一般来说,考究一点的程
9、序应该在这里再做一次消抖延时,以防误动作。但是,如果前面“前沿抖动阶段”的消抖延时时间取值合适的话,可以忽略此阶段。4、按键释放阶段:此时后沿抖动已经结束,按键已经处于完全释放状态。2.2.2复位电路介绍复位是计算机的一个重要工作状态。在单片机工作时,接电时要复位,断电后要复位,发生故障后要复位。单片机复位后单片机内的中央处理器CPU及其他功能部件都处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。单片机的复位电路有:上电复位电路、手动复位电路和自动复位电路。本次设计所用的复位电路是手动复位,手动复位的电图如图2.4所示:图2.4 手动复位电路2.2.3晶振电路1、晶体振荡器的作用 石英晶体振荡器
10、也称石英晶体谐振器,它用来稳定频率和选择频率,是一种可以取代LC谐振回路的晶体谐振元件。 2、本设计所用的晶体振荡电路如图2.5所示:图2.5 晶体振荡电路此晶体电路所选用的石英晶振频率为6MHZ。时钟周期就是单片机外接晶振的倒数,例如6M的晶振,它的时间周期是1/6 us,是计算机中最基本的、最小的时间单位。在一个时钟周期内,CPU仅完成一个最基本的动作。对于某种单片机,若采用了1MHZ的时钟频率,则时钟周期为1us;若采用4MHZ的时钟频率,则时钟周期为0.25us。由于时钟脉冲是单片机的基本工作脉冲,它控制着单片机的工作节奏(使单片机的每一步都统一到它的步调上来)。显然,对同一种机型的单
11、片机,时钟频率越高,单片机的工作速度就越快。但是,由于不同的单片机的硬件电路和器件不完全相同,所以其需要的时钟频率范围也不相同。设计中用的STC12C5A60S2单片机的时钟范围是1.2MHz-12MHz。2.2.4LCD液晶显示1、LCD液晶显示的型号及功能1)HS1286415的硬件特性如下:提供8位,4位并行接口及串行接口可选;并行接口适配M6800时序;自动电源启动复位功能;6416位字符显示RAM(DDRAM最多16字符4行,LCD显示范围162行);2M位中文字型ROM(CGROM),总共提供8192个中文字型(1616点阵);16K位半宽字型ROM(HCGROM),总共提供126
12、个西文字型(168点阵)。2)HS1286415T软件特性如下文字与图形混合显示功能;画面清除功能;显示开/关功能;光标显示/隐藏功能;显示字体闪烁功能;光标移位功能;垂直画面旋转功能;反白显示功能;休眠模式。3)中文字库选择ST7920-0A内建BIG-5码繁体中文文字型库;ST7920-0A内建GB码简体中文字型库。2、液晶显示模块HS1286415与单片机的串行接线电路图。图2.6 液晶显示模块与单片机的串行接线图2.2.5光耦输入电路光耦合器的结构相当于把发光二极管和光敏(三极)管封装在一起。发光二极管把输入的电信号转换为光信号传给光敏管转换为电信号输出,由于没有直接的电气连接,这样既
13、耦合传输了信号,又有隔离作用。只要光耦合器质量好,电路参数设计合理,一般故障少见。如果系统中出现异常,使输入、输出两侧的电位差超过光耦合器所能承受的电压,就会使之被击穿损坏。光耦合器一般由三部分组成:光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管(LED),使之发出一定波长的光,被光探测器接收而产生光电流,再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换,从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离,电信号传输具有单向性等特点,因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。本设计用到的光耦输入如图2.7所示:图2.7 光耦输入本设计用到的输出入下图2.8所示:图2.8 输出2
14、.2.6STC12C5A60S2单片机的介绍单片机的介绍STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟,机器周期(1T)的单片机,是高速,低功耗,超强抗干扰的新一代8051 单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12 倍。内部集成MAX810 专用复位电路,2路PWM,8路高速,10位A/D 转换,针对电机控制,强干扰场合。1) 增强型 8051 CPU,1T,单时钟/ 机器周期,指令代码完全兼容传统8051;2)工作电压:STC12C5A60S2工作电压范围为5.5V - 3.3V;3)工作频率范围:0 - 35MHz,相当于普通8051 的 0420MHz;4)用户应用程
15、序空间60K;5)片上集成1280字节 RAM;6)I S P(在系统可编程)/IAP (在应用可编程),无需专用编程器,无需专用仿真器可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序,数秒即可完成;7)时钟源:外部高精度晶体/ 时钟,内部R/C 振荡器(温漂为+/-5% 到+/-10% 以内),用户在下载用户程序时,可选择是使用内部R/C 振荡器还是外部晶体/ 时钟,常温下内部R/C 振荡器频率为:5.0V 单片机为: 11MHz 15.5MHz;8)共4 个16 位定时器:两个与传统8051 兼容的定时器/ 计数器,16 位定时器T0 和T1,没有定时器2,但有独立波特率发生器,做串行通讯
16、的波特率发生器,再加上2 路PCA 模块可再实现2 个16 位定时器;9)2个时钟输出口,可由T0 的溢出在P3.4/T0 输出时钟,可由T1 的溢出在P3.5/T1 输出时钟;10)外部中断I/O 口7 路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断模块, Power Down 模式可由外部中断唤醒;11)A/D 转换, 10 位精度ADC,共8 路,转换速度可达250K/S(每秒钟25 万次);12)通用全双工异步串行口(UART),由于STC12 系列是高速的8051,可再用定时器或PCA 软件实现多串口。3 软件设计3.1软件设计的总体思路整个程序包括主程序、A/D中断和定
17、时器中断三部分。程序初始化后,就开始对按键进行扫描,并在按键扫描程序中调用按键处理程序。在扫描过程中如果A/D转换申请中断,则转入A/D转换处理程序,并在处理完成后将处理结果送给LCD进行显示。如果,A/D转换的结果出现异常情况则开启定时器T0,当定时结束后,检测结果仍处在异常情况,则调用故障处理程序。3.2主程序的介绍结构及其功能图3.1 主程序流程图主程序的结构如图3.1(主程序流程图)所示,其各部分的功能如下:按键初始化的作用是给按键处理程序中的变量赋初值;定时器初始化的作用是选择定时器并根据按键修改过的变量对定时器赋初值;A/D中断的作用是打开A/D中断、开A/D中断电源、设置模拟功能
18、口和设置转换通道;LCD初始化程序的作用是对显示屏进行初始化;按键扫描程序的作用是对按键进行扫描和处理输入的按键命令。主程序如下:void main ()move=no=yes=0;/按键初始化 time();/调用定时器初始化子程序 ad_init();/调用A/D转换初始化程序子程序 st_init_lcd();/液晶初始化 st_command_wr(0x30); st_command_wr(0x80); st_code_wr(64,tab1); /显示初始化屏delay_ms(200);pinghao=1; while(1) key();/按键扫描子程序 3.3按键调整键盘是单片机系统
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- 基于 单片机 三相 电路 保护装置 设计