基于單片機的智能磁力啟動器設計 預覽

基于單片機的智能磁力啟動器設計畢業(yè)答辯1課題主要研究內容2了解磁力啟動器的背景、現(xiàn)狀以及智能化前景；敘述各類故障保護并完成系統(tǒng)的硬件電路設計；學習ATmega128單片機對外圍電路的操作，掌握其核心用法；給出系統(tǒng)軟件部分設計，用C語言完成程序代碼的編寫、調試；系統(tǒng)部分功能的仿真。答辯內容1介紹2電氣保護3硬件設計4軟件設計5總結34背景發(fā)展目前國內煤礦井下大量使用磁力啟動器控制系統(tǒng)，它

廣泛應用于煤礦井下的機電、風機、照明等用電設備上，進行漏電、短路、過載、過壓、欠壓、斷相等故障保護，其性能好壞直接關系到礦井的安全生產及經(jīng)濟效益。隨著煤礦現(xiàn)代化程度的不斷提高，對煤礦的可靠性、安全性也提出越來越高的要求在實際工作中，有時要準確的判斷出是哪種類型的故障，從而有針對性的檢修，或者在設備正常運行之前對設備的線路進行預試驗，或者在運行期間需要對整個設備的線路進行試驗，從而判斷系統(tǒng)設備的完好和安全性。另外，目前使用的磁力啟動器控制系統(tǒng)性能不可靠，誤動、拒動現(xiàn)象多。為了避免事故的發(fā)生、保障人身安全和提高供電可靠性，研究高性能礦井線路和電氣設備綜合保護的控制系統(tǒng)對煤礦事業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。5智能化前景在我國礦井供電線路保護系統(tǒng)中，引進了大量的國外

電

氣設備，其可靠的工作性能促進了我國煤炭事業(yè)的發(fā)展。但國外產品價格高，配件供應周期長，已成為制約我國煤炭行業(yè)的一個主要因素。國內一些公司也相繼開發(fā)出了智能性開關設備。目前根據(jù)相關調查以往的磁力啟動器保護裝置不滿足當前井下的需要，啟動器保護裝置處于大量更換期。因此，開發(fā)一種性能穩(wěn)定、保護種類齊全、動作速度快、可靠性好、方便實用的磁力啟動器綜合保護裝置很有必要。近年來，隨著人工智能技術的進一步發(fā)展，人工智能技術開始逐漸應用到電力系統(tǒng)中，如絕緣在線檢查、故障類型判斷等。專家預測，未來智能技術在控制領域將會得到更為廣泛的應用，這是礦井供電線路保護技術發(fā)展的方向之一。智能化電器具有諸多優(yōu)點：1）功能更全面，靈活強度更大2）高性能高可靠性3）操作自動化4）“硬件軟化”，能有效降低成本5）有自診斷能力6）有對外接口功能，可以實現(xiàn)遙控功能62電氣保護漏電保護過載保護短路保護過壓保護欠壓保護斷相保護782.1漏電保護在電氣故障檢測中，系統(tǒng)的絕緣電阻屬于保護系統(tǒng)的監(jiān)測內容，漏電動作的電阻大小一般依照所在電網(wǎng)的電壓等級來確定，當絕緣水平不斷下降，達到限定值，系統(tǒng)閉鎖磁力啟動器無法合閘。如何計算人身觸電電流、單相接地電流時，只需考慮電網(wǎng)對地絕緣電阻的影響。如圖1所示供電系統(tǒng)。其中RA、RB和RC分別為各相對地的分布絕緣電阻。圖1

礦下線路和電氣設施之間常常會出現(xiàn)不正常運轉狀態(tài)，

這就是過載現(xiàn)象。由于過載電流導致溫度升高，從而損害導體的絕緣、接頭、端子等，因此在此之前需要切斷過載電流。由于線路過載使得絕緣被損壞，容易引發(fā)電氣火災。因此，磁力啟動器應當具備過載保護功能，才能有效避免電機和電網(wǎng)的損壞。

如圖2所示，保護閾值為k，此時過載時間短，其后恢復為正常狀態(tài)。此情況不宜動作保護器。92.2過載保護圖22.3

短路保護：當輸電線路絕緣老化，機械損傷使

得導線短接形成電流突變，因此需要進行短路保護。過壓保護：電動機為電感性儲能元件，加之電

力電容和線路中的對地電容的影響，會形成振蕩回

路。在正常的分合閘操作時，會呈現(xiàn)瞬間的過電壓，會損壞用電設備的絕緣性能，此時有必要進行過壓

保護。欠壓保護：欠電壓是指電網(wǎng)電壓低于正常工作時額定電壓的75%以下大電流會使輸電線路的絕緣老化，因此必須采取措施來進行保護。斷相保護：電源斷相或繞組斷線對電動機斷相運行有害，所以需要對異步電動機進行斷相保護，否則會由于電動機過流過載被損壞。103硬件設計11系統(tǒng)硬件分為：核心MCU（微控制單元）、信號處理、A/D采樣、輸入

輸出和人機接口模塊。利用互感器，將高壓電信號轉化為低壓信號，再由經(jīng)信號調理電路輸入單片機內部集成AD轉換器中。經(jīng)過單片機的運算處理得出實際電信號參數(shù)并加以保護措施。圖3單片機選型

控制單元要求計算機具有實時性、快速性、準確性和多

功能性。因此采用ATmega128微型計算機作為整個系統(tǒng)的控制器。

ATmega128單片機是在線可編程8位微控制器，基于AVRRISC結構的8位低功耗CMOS微處理器，由于其先進的指令集及單周期指令執(zhí)行時間，數(shù)據(jù)吞吐率高達1M，從而以緩解系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。如圖4為單片機的引腳圖12圖4ATmega128單片機優(yōu)點1采用哈佛結構的流水線技術。在執(zhí)行一條指令的同時，CPU就已經(jīng)去的下一條指令；2采用RISC指令系統(tǒng)，具有32個通用工作寄存器；3具有較寬的工作電壓范圍，工作電壓在1.8-6V之間，電源的抗干擾能力強。4集成了豐富的外設，包括看門狗定時器，片內振蕩器等，大大方便了產品開發(fā)。I/O驅動能力強，可直接驅動LED；5器件是以Atmel的高密度非易失性內存技術生產的；6通過將8位RISC

CPU與系統(tǒng)內可編程的Flash集成在一個芯片內，ATmega128為許多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的方案。7軟件開發(fā)方便，支持匯編和高級語言源程序調試的模擬和仿真環(huán)境；有整套的開發(fā)工具，包括C編譯器，宏匯編，程序調試器/仿真器和評估板。13單片機端口14圖5管腳分配圖端口A

（B、C、D、E同理）為8位雙向I/O

口擁有可編程的內部上拉電阻。輸出緩沖器擁有對稱的驅動特性，可輸出、吸收大電流。作為輸入使用時，若內部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低，此時時輸出電流。復位發(fā)生時端口A（B、C、D、E）為三態(tài)。端口F

為ADC的模擬輸入引腳。作為輸入使用時特性和上述四個端口一樣。如果使能了JTAG接口，則復位發(fā)生時引腳PF7(TDI)、PF5(TMS)和PF4(TCK)的上拉電阻使能。端口F也可以作為JTAG接口。端口G為5位雙向I/O口，除了和其他端口的共同特性外，有其特殊功能。在ATmega103

兼容模式下，端口G只能作為外部存儲器的所存信號以及32

kHz振蕩器的輸入。復位輸入引腳為RESET?！TAL1（XTAL2）為反向振蕩器放大器及片內時鐘操作電路的輸入(輸出）?！VCC為端口F及ADC轉換器的電源,VCC相連接?！REF為ADC的模擬基準輸入引腳?！EN是SPI串行下載的使能引腳。端口資源分配定時器0：作為實時時鐘定時器，最小定時單位為秒；定時器1：定時周期為1ms，用于AD采樣的觸發(fā)；定時器2：用于通信；

AD轉換器：需要7路AD采樣，分別用于三相電流、電壓和漏電阻檢測；USART模塊：用于啟動器與PC機之間的通信；I/O端口分配:PA0-PA7：12864液晶屏數(shù)據(jù)口PB5、PB6、PB7分別為液晶模塊RS、RW、EN端口PC0：主回路接觸器控制端口PC1：漏電阻檢測開關控制端口

PB4：接觸器開關狀態(tài)檢測輸入端口PF0、PF1、PF2分別為A相、B相、C相電流檢測AD轉換輸入端

PF3—AB相線電壓檢測AD轉換入端PF4—BC相線電壓檢測AD轉換輸入端

PF5—CA相線電壓檢測AD轉換輸入端

PF6—漏電阻檢測AD轉換輸入端PB2、PB3、PD4、PD5、PD6、PD7分別為菜單進入鍵端口、確認(復位)鍵端口、啟動鍵輸入端口、停止鍵輸入端口、向上鍵輸入端口、向下鍵輸入端口PD2、PD3—USART通信端口PB4—485芯片TX、DE端口PE0—ISP下載模塊MOSI端口

PE1—ISP下載模塊MISO端口PB1—ISP下載模塊SCK端口

PD0—I2C總線器件SCL端口PD1—I2C總線器件SDA端口15系統(tǒng)硬件電路原理圖設計16圖6

12V直流電壓電路系統(tǒng)電源系統(tǒng)工作需要的電源如下：12V直流電源、5V直流電源、18V交流電源、30V交流電源。其中，18V、30V交流電源直接取自18V、30V變壓器。12V直流電源電路如圖6，主干線路線電壓經(jīng)過變壓器，轉換為18V交流電壓，經(jīng)過整流、濾波后輸入穩(wěn)壓器7812，7812輸出端再次濾波得到12V直流電源。12V直流電源主要為運放供電，此外，在漏電阻檢測中也用到12V直流電源。5V電源的電路如圖7，主干線路電壓經(jīng)過變壓器后轉換為12V交流電，經(jīng)過整流、濾波后送入7805穩(wěn)壓器，輸出再次濾波得到5V直流電壓。由

于控制板的負載電流較大，采用兩塊7805芯片可增大負載能力。17系統(tǒng)硬件電路原理圖設計圖7

5V直流電源電路電流檢測電路設計為實現(xiàn)對電機的過載、短路保護等功能，需實時檢測其工作時的三相電流。圖8所示電路為系統(tǒng)的A相交流電流檢測電路，由電流互感器引出交流電流，經(jīng)整流器轉換為直流電流信號，后經(jīng)滑動變阻器轉換為電壓信號，再由有源低通濾波器調理信號輸入單片機中具有AD功能的IO口。18圖8電流檢測電路19電壓檢測電路設計圖9所示電路為UAB檢測電路圖。線路線電壓經(jīng)變壓器、整流器轉化為低壓直流信號，再經(jīng)電位器分壓至低通濾波器，輸入AD轉換輸入端PF3.集成運放型號為LM224，其中二極管部分電路作用是防止單片機IO口輸入電壓超過5V造成對單片機的損害。圖9電壓檢測電路4軟件設計單片機軟件開發(fā)環(huán)境本系統(tǒng)使用C語言作為開發(fā)軟件，優(yōu)勢是編寫流程清晰、易實現(xiàn)模塊化，程序移植性好和易于維護。本系統(tǒng)軟件采用的開發(fā)環(huán)境為ICCAVR。ICCAVR包含了C編譯器和IDE集成編譯環(huán)境，具有以下特點：自動生成對I/O寄存器操作的I/O指令；其編譯器支持32位的長整數(shù)和32位的單精度浮點數(shù)運算，在線匯編，和單獨的匯編模塊進行接口；擁有ANSIC庫函數(shù)和針對特定目標訪問片上E2PROM和各種片上外設的庫函數(shù)；可以生成用于AVR

STUDIO源碼級調試的目標文件；包含了對項目的管理、源文件的編輯、編譯和鏈接源的設置。20主程序設計21系統(tǒng)軟件的設計采用了模塊化的設計思路，如圖為本控制系統(tǒng)主程序的軟件流程圖，包括系統(tǒng)初始化模塊、AD轉換模塊、采樣數(shù)據(jù)的計算模塊、故障判斷及保護模塊、鍵盤掃描模塊、LCD液晶顯示模塊和與上位機的通信模塊。主程序流程圖如圖10所示圖10主程序流程圖功能模塊程序設計數(shù)據(jù)采集模塊本系統(tǒng)需要檢測七路模擬量包括三相相電流，三路線電壓及一路漏電阻。如前面硬件設計部分所示，它們經(jīng)一定的變換處理之后輸入到單片機具有A/D功能的PF口。數(shù)據(jù)采集模塊流程圖如圖11所示圖11數(shù)據(jù)采集流程圖22系統(tǒng)抗干擾設計很多因素會影響微機系統(tǒng)工作可靠性，很重要其一就是系統(tǒng)抗干擾能力。由于干擾信會影響保護系統(tǒng)性能，抗干擾設計是磁力啟動器保護裝置研制過程中一個非常重要環(huán)節(jié)。諸如電磁干擾的傳導與輻射。傳導：經(jīng)過電線、信號電纜憑電壓、電流的方式傳播電磁干擾能量。輻射：通過空間磁場、電場、電磁波的方式傳播電磁干擾。硬件抗干擾措施：每個IC芯片的電源端并聯(lián)濾波電容，防止芯片因脈沖電壓而工作異常；在按鍵輸入端口接消抖電容，除起到消抖作用外，也起到抗干擾作用；在AD轉換的模擬輸入端設置嵌位二極管，防止過電壓對AD轉換模塊造成損壞；采用隔離技術：接觸器開關狀態(tài)的輸入通道采用光電耦合器；數(shù)字量輸出端口采用固態(tài)繼電器，起到隔離強電電路與弱電電路的作用。該系統(tǒng)設計時將現(xiàn)場微控制器與執(zhí)行元件嚴格分開，系統(tǒng)工作時會因為接觸器關合及斷開工作