永磁型欠壓脫扣器的設(shè)計(jì) 本科畢業(yè)論文

1、KC021-1CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書題目： 永磁型欠壓脫扣器的設(shè)計(jì) 二級學(xué)院（直屬學(xué)部）： 延陵 專業(yè)： 自動(dòng)化 班級： 07自Y 學(xué)生姓名： 顧文斌 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師姓名： 高敏 職稱： 講師 評閱教師姓名： 職稱： 2011年 6月摘 要隨著電力事業(yè)的發(fā)展以及大量的新型高性能的電子元件、控制器件的出現(xiàn)，一些新的控制方法也隨之而產(chǎn)生。這種發(fā)展反應(yīng)在各個(gè)領(lǐng)域，使得智能化技術(shù)發(fā)展十分迅速。斷路器是電力系統(tǒng)中一種非常重要的電氣設(shè)備。其操作性能對電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著十分重要的作用。作為斷路器中的最重要的元件，欠壓脫扣器的

2、高可靠性可以極大的提高斷路器的可靠性。本文在對永磁型脫扣器的優(yōu)點(diǎn)做了分析的基礎(chǔ)上，首先對永磁型機(jī)構(gòu)的工作原理做了研究，然后對關(guān)鍵電路和軟件設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的介紹。綜合軟硬件的設(shè)計(jì)，在2個(gè)月來反復(fù)的調(diào)試和改進(jìn)的基礎(chǔ)上，最終完成了對本課題的研究。最后對本課題提出總結(jié)，提出不足和改進(jìn)的目標(biāo)。關(guān)鍵詞：永磁結(jié)構(gòu)；脫扣器；單片機(jī)AbstractAccompany with electric power industry and massive new highperformance electronic components，control devices being inventedTherefore，it

3、 brings control method and control performance to reality which was extremely difficult to achieve beforeThis development is reflected in various fieldsThat makes intellectuallization technological growing dramaticallyThe circuit breaker is the most importantelectrical equipment in electrical power

4、systemIts serviceability ensures electrical networks security，stability and economic movementAs a corn element in circuit breakerundervoltages highreliability design cangreatly improve thereliability ofcircuit breakersBasedon the analysis of permanentmagnet releasers advantagesfirstly research on th

5、e principle of work，then to the essential hardware and software circuit design,made a detailed introductionIntegrated the design of hardware and softwaredebug and ireprove in repeated basis in two months，and ultimately complete the setFinally，a summary of the design and bring up with the disadvantag

6、es and improvement goals.Keywords: permanent magnetic structure; Tripping device; microcontroller目錄摘要 Abstract 目錄 第一章 緒論 11.1概述 11.2脫扣器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 11.3課題研究的目的和意義 21.4論文的主要研究內(nèi)容31.5論文結(jié)構(gòu)安排3第二章 永磁機(jī)構(gòu)的原理與分析42.1永磁機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)42.2永磁機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)52.3永磁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)5 2.3.1脫扣器的結(jié)構(gòu)52.3.2控制線圈的設(shè)計(jì)7第三章 總體方案論證與設(shè)計(jì)93.1系統(tǒng)方案93.2設(shè)計(jì)處理器的選擇9 3.2.1單

7、片機(jī)AT89S52的簡介93.3系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖143.4硬件電路設(shè)計(jì)153.4.1A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)153.4.2信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)163.4.3電源電路的設(shè)計(jì)183.4.4整流電路的設(shè)計(jì)183.4.5顯示電路的設(shè)計(jì)203.4.6電容充電電路的設(shè)計(jì)213.4.7通信口模塊設(shè)計(jì)213.4.8電磁閥電路設(shè)計(jì)23第四章系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)254.1概要254.1.1軟件開發(fā)工具的介紹254.2軟件的總體框圖274.3電網(wǎng)參數(shù)的測量方法274.4電壓的測量284.5設(shè)計(jì)功能指標(biāo)294.5.1電流保護(hù)功能294.5.2電壓保護(hù)功能304.6軟件設(shè)計(jì)的總體方案304.6.1遠(yuǎn)程處理子程序314.6.2通

8、訊子程序31 4.6.3脫扣子程序324.7軟件可靠性設(shè)計(jì)33 4.7.1提高軟件可靠性設(shè)計(jì)34 4.7.2軟件可靠性的保護(hù)手段35結(jié)束語36參考文獻(xiàn)37致謝39附錄A40附錄B 49第一章 緒論1.1概述近年來，隨著社會(huì)的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電力在工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越重要的作用，并且與人民的生活息息相關(guān)。如何確保電力系統(tǒng)能夠高效、穩(wěn)定的運(yùn)行，能夠提高供電質(zhì)量，保護(hù)用電設(shè)備的穩(wěn)定及人身財(cái)產(chǎn)的安全，一直是電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)所面臨的最重要問題。為了滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要，出現(xiàn)了用于電力線路接通和分?jǐn)嗫刂频钠骷?斷路器。 斷路器是指一類能夠關(guān)合、承載和開斷正?；芈窏l件下的電流，并能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)關(guān)合、

9、承載和開斷異?；芈窏l件(包括短路條件)下的電流的開關(guān)裝置。斷路器作為電力系統(tǒng)中一種非常重要的開關(guān)器件，廣泛的應(yīng)用于各類電網(wǎng)的供配電系統(tǒng)的生產(chǎn)中，其核心的器件即為脫扣器。脫扣器在斷路器中負(fù)責(zé)采集信號(hào)與控制執(zhí)行元件來完成線路接通和斷開的操作，所以脫扣器的性能關(guān)系著斷路器是否能夠以準(zhǔn)確、高效的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)對線路的控制和保護(hù)作用。早期的斷路器是在一般的刀開關(guān)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加裝過電流的保護(hù)裝置-脫扣器而來的。那時(shí)的脫扣器是電磁式過電流脫扣器，其具有斷電自復(fù)位功能，該脫扣器還只能實(shí)現(xiàn)對電路的瞬時(shí)保護(hù)功能。由于電磁型脫扣器的線圈始終處于通電狀態(tài)，控制電路始終輸出功率，且復(fù)位彈簧始終處于受力狀態(tài)，線圈發(fā)熱、電子元

10、件易于老化和彈簧早期疲軟失效是電磁型脫扣器的致命弱點(diǎn)。在這種情況下，永磁機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)改變了這些，本課題就是圍繞這些來展開研究的。1.2脫扣器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀脫扣器的發(fā)展基本上經(jīng)歷了以下幾代：第一代脫扣器是電磁式過電流脫扣器，這種脫扣器功能非常的簡單，精度比較低，動(dòng)作單元為熱繼電器，靠雙金屬片由于溫度升高彎曲變形來發(fā)出脫扣信號(hào)，但在通過過大電流或機(jī)械碰撞時(shí)容易使雙金屬片易產(chǎn)生永久不可逆轉(zhuǎn)的變形，這樣讓脫扣器工作非常的不穩(wěn)定，在生產(chǎn)中容易出現(xiàn)事故。第二代脫扣器即為電子式脫扣器，其出現(xiàn)在70年代，它是通過阻容回路的充放電來調(diào)整動(dòng)作時(shí)間，通過調(diào)整電位器來設(shè)定動(dòng)作電流的整定值在很大程度上提高了斷路器的保護(hù)

11、性能，但其動(dòng)作時(shí)間的整定精度不高而且也不具備顯示、聯(lián)網(wǎng)通信和監(jiān)控等功能，所以它很快就被市場所淘汰了。第三代脫扣器出現(xiàn)在80年代后期到90年代初期，它不僅具有第二代脫扣器（電子式脫扣器）的保護(hù)功能，還增加了顯示和網(wǎng)絡(luò)通信和監(jiān)控等功能，用戶可以借助網(wǎng)絡(luò)通信的功能來實(shí)現(xiàn)對脫扣器進(jìn)行遠(yuǎn)程的控制(第三代脫口器中的網(wǎng)絡(luò)通信功能只能完成單一主機(jī)和單一脫扣器之間的通信，無法實(shí)現(xiàn)單一主機(jī)與多個(gè)脫扣器之間的通信)。同時(shí)由于微處理器在脫扣器中的應(yīng)用，使得脫扣器能夠更加智能化，脫扣器的功能也越來越強(qiáng)大，它可以實(shí)時(shí)顯示電路中的各種參數(shù)：可以監(jiān)視、設(shè)定和修改各種保護(hù)功能的動(dòng)作參數(shù)；也可以保存電路動(dòng)作時(shí)的故障值。具有代表性

12、的第三代產(chǎn)品包括國外梅蘭日蘭的M系列、ABB的F2系列、三菱的AE系列和西門子的3WN系列等，我國上海電氣科學(xué)研究所與其他廠商聯(lián)合研制并自行設(shè)計(jì)的DW45和S系列產(chǎn)品也屬于第三代脫扣器。第四代脫扣器還處于發(fā)展的初期階段。第四代脫扣器的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是網(wǎng)絡(luò)化，可實(shí)現(xiàn)單一主機(jī)與多個(gè)脫扣器的聯(lián)網(wǎng)通信功能。國外對第四代脫扣器的研究起步較早，已有第四代脫扣器產(chǎn)品應(yīng)用于電力、石油和化工工業(yè)等行業(yè)中。例如，ABB公司的SACE Emax系列和SIMENS公司的3WL系列。國內(nèi)也在致力于第四代脫扣器的研發(fā)，部分廠商已經(jīng)推出自己的第四代脫扣器產(chǎn)品。但是與國外產(chǎn)品相比，國內(nèi)脫扣器的質(zhì)量不高，運(yùn)行的可靠性較差。但我

13、們相信，只要我們認(rèn)真學(xué)習(xí)和研究前人所留下的知識(shí)，再通過我們自己不斷的實(shí)踐，我們一定會(huì)開發(fā)出更完美的產(chǎn)品的。 1.3課題研究的目的和意義傳統(tǒng)的裝有電磁式欠壓脫扣器的斷路器在電力系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用，但電磁型脫扣器的線圈始終處于通電狀態(tài)，體積龐大，控制電路始終輸出功率，且復(fù)位彈簧始終處于受力狀態(tài)，線圈發(fā)熱、電子元件易于老化和彈簧早期疲軟實(shí)效，是致命缺點(diǎn)。抗諧波能力差，不能實(shí)現(xiàn)通訊功能。本課題是在對國內(nèi)外同類技術(shù)進(jìn)行分析和對比的基礎(chǔ)上提出的與電磁型脫扣器大不相同的“永磁型”脫扣器，其主要技術(shù)優(yōu)勢是僅在需要?jiǎng)幼鲿r(shí)，電路輸出瞬時(shí)功率，驅(qū)動(dòng)線圈（吸合或釋放）動(dòng)作，并有永磁磁場保持銜鐵工作位置。采用一定

14、技術(shù)措施后，整個(gè)電路處在mW級功耗水平。實(shí)現(xiàn)了無發(fā)熱、高可靠之目的。這對提高低壓斷路器的高可靠性水平和發(fā)展我國電力工業(yè)有重要的實(shí)際意義。此類功能的產(chǎn)品前景非常的大，對其的研究非常符合目前低壓電器的發(fā)展方向。此類產(chǎn)品在我國存在的巨大的潛力市場，尤其是在石油，化工等產(chǎn)業(yè)上。因此，開發(fā)和研究新一代的永磁型欠壓脫扣器具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.4論文的主要研究內(nèi)容控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：包括硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)，另外對永磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)及其優(yōu)越性等。硬件設(shè)計(jì)的主要研究內(nèi)容包括整個(gè)系統(tǒng)的硬件組成，混合電路的設(shè)計(jì)技術(shù)等。其中每一個(gè)技術(shù)的實(shí)施都直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)抗強(qiáng)干擾與高可靠性。軟件設(shè)計(jì)主要通過AD轉(zhuǎn)換采集電壓進(jìn)行有效計(jì)算判

15、斷是否控制輸出等。永磁機(jī)構(gòu)的優(yōu)越性：主要研究其比前面幾代脫扣器的優(yōu)點(diǎn)。1.5論文結(jié)構(gòu)安排論文整體共分為六部分，其結(jié)構(gòu)具體安排如下： 第一章為緒論，簡述了脫扣器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、課題的研究目的和意義、課題的主要研究內(nèi)容，論文的結(jié)構(gòu)安排。第二章為永磁機(jī)構(gòu)的原理與分析，詳細(xì)的介紹了永磁機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu) ，永磁機(jī)構(gòu)與彈簧機(jī)構(gòu)之間的優(yōu)點(diǎn)第三章為總體方案的論證與設(shè)計(jì)，處理器的選擇AT89S52，課題的設(shè)計(jì)的功能是對用電的電源模塊、信息顯示模塊和RS232通信電模塊設(shè)計(jì)以及其他一些電路的分析設(shè)計(jì)第四章為系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，介紹了開發(fā)軟件、電網(wǎng)參數(shù)的測量、電流和電壓的保護(hù)、軟件可靠性以及重要模塊的軟件流程圖的

16、內(nèi)容。最后是結(jié)束語，附錄和致謝等內(nèi)容 第二章 永磁機(jī)構(gòu)的原理與分析永磁機(jī)構(gòu)就是利用永磁體實(shí)現(xiàn)線圈的吸合和釋放的一種新型的電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)。與傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)相比較，永磁機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)運(yùn)動(dòng)部件通常只有1個(gè)，安全可靠性很高。其分類只要有單線圈式永磁機(jī)構(gòu)，雙線圈式永磁機(jī)構(gòu)和分磁路式永磁機(jī)構(gòu)其中最常見的就是前面兩種永磁機(jī)構(gòu)。永磁機(jī)構(gòu)作為一個(gè)新生的事物，還有一些不足與缺陷，最顯著的缺陷是儲(chǔ)能電容器的質(zhì)量問題。但是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，永磁機(jī)構(gòu)也必將從新生走向成熟，最終在中壓領(lǐng)域占有一席之地，就如同真空斷路器取代少油斷路器一樣，它的出現(xiàn)必將推動(dòng)現(xiàn)代工業(yè)飛速發(fā)展。2.1永磁機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)下面以雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)為例 ，其結(jié)

17、構(gòu)原理圖如圖2-1所示圖2-1雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖1-靜鐵芯 2-動(dòng)鐵芯 3 4-永磁體5-吸合線圈 6-釋放線圈 7-驅(qū)動(dòng)桿從圖中我們可以看出，永磁機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)可以分為以下六大類：1是靜鐵芯，為永磁機(jī)構(gòu)提供磁路通道，圓形結(jié)構(gòu)一般采用電工純鐵或者低碳鋼，方形結(jié)構(gòu)我們一般采用硅鋼片疊形結(jié)構(gòu)。2是動(dòng)鐵芯，其實(shí)整個(gè)永磁機(jī)構(gòu)最主要的運(yùn)動(dòng)部件，一般采用電工純鐵或者低碳鋼結(jié)構(gòu)。3,4是永久磁體，能夠長期保持其磁性的磁體。如天然的磁石(磁鐵礦)和人造磁鋼（鐵鎳鈷磁鋼)等。永磁體是硬磁體，不易失磁，也不易被磁化。而作為導(dǎo)磁體和電磁鐵的材料大都是軟磁體。永磁體極性不會(huì)變化，而軟磁體極性是隨所加磁場極性而變

18、的。5是吸合線圈，當(dāng)斷路器處于分閘位置時(shí)，動(dòng)鐵芯處于上部，動(dòng)鐵芯與上部的靜鐵芯之間間隙較小，相對應(yīng)的磁阻也較小，而動(dòng)鐵芯與下部的靜鐵芯之間間隙較大，相對應(yīng)的磁阻也較大，故永久磁鐵所形成的磁力線大部分集中在上部，從而產(chǎn)生很大的向上吸引力，將動(dòng)鐵芯緊緊地吸附在上面。6是釋放線圈，當(dāng)動(dòng)鐵芯到達(dá)下部時(shí)，永久磁鐵和合閘線圈兩者產(chǎn)生的磁場將動(dòng)鐵芯牢牢地吸附在下部。幾秒鐘以后，合閘電流消失，此時(shí)永久磁鐵產(chǎn)生的磁場將動(dòng)鐵芯保持在下部位置。至此，斷路器完成合閘操作。7是驅(qū)動(dòng)桿，是永磁機(jī)構(gòu)和脫扣器之間連接的通道。2.2永磁機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)永磁機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)主要從結(jié)構(gòu)和使用情況來分析，其與彈簧機(jī)構(gòu)相比有以下優(yōu)點(diǎn)：1 永磁機(jī)構(gòu)

19、結(jié)構(gòu)比較簡單，體積較??；彈簧機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大。2 其運(yùn)動(dòng)部件較少，傳動(dòng)簡單，安全可靠性較高，噪音較小。3 永磁機(jī)構(gòu)磁性材料性能非常穩(wěn)定，幾乎不會(huì)出現(xiàn)機(jī)械磨損現(xiàn)象，機(jī)構(gòu)動(dòng)作次數(shù)較高，壽命長，免維護(hù)，非常適合生產(chǎn)的需求。4 其能夠穩(wěn)定的保持分合閘狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生開關(guān)偷跳現(xiàn)象。5 可以與現(xiàn)代化的電子控制軟件相結(jié)合，適應(yīng)了時(shí)代的發(fā)展。2.3永磁機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.3.1脫扣器的結(jié)構(gòu)永磁型脫扣器主要有正向繞組、反向繞組、永磁體和動(dòng)鐵芯組成。當(dāng)正反向線圈通電時(shí)，電流會(huì)激發(fā)動(dòng)鐵芯產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，再依靠永磁體產(chǎn)生磁場來保證動(dòng)鐵芯的動(dòng)作，從而達(dá)到我們需要的效果。這種結(jié)構(gòu)非常的簡單而且實(shí)用，且適合大規(guī)模的生產(chǎn)。永磁型脫扣

20、器的結(jié)構(gòu)如圖2-2所示：永磁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)最主要的工作是動(dòng)鐵芯截面積的確定，下面我們就對此做些研究。圖2-2永磁型脫扣器的結(jié)構(gòu)磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般可采用兩種材料：用硅鋼片作導(dǎo)磁材料的磁系統(tǒng)，可以降低渦流的影響，但會(huì)使外部磁軛變厚，外形變大；用整塊鐵磁材料作導(dǎo)磁材料，可以大幅度減小磁軛的厚度，對渦流的影響不是很大。在本課題中我們一般采用的是整塊導(dǎo)磁材料的結(jié)構(gòu)。在圖2-2中，動(dòng)鐵芯被磁通發(fā)出的吸力吸在了后端位置，這就是脫扣器處于吸合的的位置。動(dòng)鐵芯與靜鐵芯之間必須產(chǎn)生20N的吸力根據(jù),F=20N(2.04kgf)由公式可知，B值取高了，會(huì)使動(dòng)鐵芯的截面積變小，導(dǎo)致整個(gè)電磁系統(tǒng)的尺寸減小。反之亦然，提高參考

21、產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們選取了B=8000G，則動(dòng)鐵芯表面導(dǎo)磁面積驅(qū)動(dòng)桿取直徑為4mm故動(dòng)鐵芯面積 動(dòng)鐵芯我們一般采用的是圓柱體，其直徑為1.08cm,我們近似的取其直徑為11mm，則動(dòng)鐵芯磁極表面積 動(dòng)鐵芯的直徑，動(dòng)鐵芯截面積 吸氣時(shí)氣隙磁通 則設(shè)計(jì)要求的吸力 2.3.2控制線圈的設(shè)計(jì)在動(dòng)鐵芯吸合和釋放的過程中，我們要求向15mm氣隙中提供磁密B=7000G，讓其產(chǎn)生反向的吸力 那么要求控制線圈向氣隙提供磁勢 根據(jù)此公式設(shè)計(jì)控制線圈線圈的實(shí)際內(nèi)徑11+10.5=12mm外徑取22mm線圈的繞線平均直徑線圈的電壓U=220V線圈的直徑 （為電阻系數(shù)）我們按線規(guī)取d=0.19mm，漆包線外徑為0.22

22、8mm,瞬時(shí)操作電流I=2A線圈匝數(shù) 線圈的厚度= 可繞的層數(shù)=每層可繞匝數(shù)=線圈長度=127+22=33mm.第三章 總體方案論證與設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)方案本課題的設(shè)計(jì)的功能是對用電的電源模塊、信息顯示模塊和RS232通信電模塊設(shè)計(jì)。電源設(shè)計(jì)：直流電源是電子設(shè)備中供給能量的部分。本次設(shè)計(jì)中的電源為PROTEUS提供的模擬電源；RS232通信電：RS232通信口用于與掌上電腦相連，使掌上電腦可以設(shè)置采集器的地址，各個(gè)標(biāo)的脈沖當(dāng)量、底數(shù)，按掌上電腦的要求將采集的電能數(shù)據(jù)發(fā)送給掌上電腦。本設(shè)計(jì)采用MAX232芯片為主體完成RS232串口電路；3.2 設(shè)計(jì)處理器的選擇隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)已成為

23、計(jì)算機(jī)技術(shù)中的一個(gè)獨(dú)立的分支，單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，特別是在工業(yè)控制和儀器儀表智能化中扮演著極其重要的角色。從應(yīng)用領(lǐng)域看，單片機(jī)主要用于控制，所以也稱它為微控制器。單片機(jī)是這樣一種芯片，它把微機(jī)的三大組成部分（CPU+存儲(chǔ)器+I/O接口）和一些實(shí)時(shí)控制所需要的功能器件集成在該芯片上。實(shí)時(shí)控制器件包括A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、脈沖調(diào)制器等。實(shí)時(shí)控制器件配置的多少也是衡量單片機(jī)性能的重要方面。不同系列或型號(hào)的單片機(jī)，其實(shí)時(shí)控制器件的配置可能不同。大多數(shù)單片機(jī)芯片上都集成有定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。由于知識(shí)水平有限，我選擇了比較熟悉的單片機(jī)AT89S52。3.2.1單片機(jī)AT89S52的簡介AT89

24、S52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的高性能COMS八位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATME公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89S52單片機(jī)適用于高性價(jià)比的場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。1.AT89S52的主要性能參數(shù)和功能特性AT89S52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能的CMOS 8位單片機(jī)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，芯片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和F

25、lash存儲(chǔ)單元，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，并且具有邏輯加密的功能。AT89S52單片機(jī)適合用于較為復(fù)雜的控制應(yīng)用場合。AT89S52提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，256字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，三個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量兩極中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89S52降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。AT89

26、S52與AT89C51相比增加了一個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器T2，與T0、T1一樣，既可用于定時(shí)，也可作為計(jì)數(shù)使用。T2具有3種操作方式：捕獲方式、16位自動(dòng)裝載方式和串行口波特率發(fā)生器方式。通過T2CON寄存器為T2的方式控制寄存器，通過對它進(jìn)行編程，設(shè)置定時(shí)/計(jì)數(shù)器T2的工作方式 。2. AT89S52的引腳及引腳圖的描述AT89S52的引腳圖如圖3-1所示：圖3-1 AT89S52的引腳圖AT89S52的各個(gè)引腳的功能如下：VCC：電源電壓GND：接地P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路，對端口寫“

27、1”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。 P1口：P1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4 個(gè)TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。Flash編程和程序校驗(yàn)期間，P1接收低8位地址。P2口：P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，

28、P2的輸出緩沖級可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2 口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口線上的內(nèi)容，在整個(gè)訪問期間不改變。Flash編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和其它控制信號(hào)。P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并作為輸入端時(shí)，被

29、外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流。P3口除了作為一般I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表3-1所示：端口引腳第二功能P3.0/ RXD串行數(shù)據(jù)輸入端P3.1/ TXD 串行數(shù)據(jù)輸出端P3.2/外部中斷0申請信號(hào)P3.3/外部中斷1申請信號(hào)P3.4/ T0定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0計(jì)數(shù)輸入端P3.5/ T1定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1計(jì)數(shù)輸入端P3.6/外部數(shù)據(jù)RAM寫控制信號(hào)P3.7/外部數(shù)據(jù)RAM讀控制信號(hào)表3-1 單片機(jī)P3口的第二功能P3口還接收一些用于Flash閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/：當(dāng)

30、訪問外部存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲(chǔ)器，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。需注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。對Flash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入脈沖編程（）。如果有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置后，只有一條MOVX和MOVC指令A(yù)LE才會(huì)被激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE無效。 ：程序存儲(chǔ)允許（）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C51由外部程

31、序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此同時(shí)，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這兩次有效的PSEN信號(hào)不出現(xiàn)。/VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部存儲(chǔ)器（地址為0000HFFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)所存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接VCC端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。Flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程允許電源VPP，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓VPP。XTAL1：振蕩器反相放大器的輸出端及時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端及時(shí)鐘發(fā)生器的

32、輸入端。單片機(jī)是本設(shè)計(jì)的核心器件之一，由它控制其他器件的工作，本設(shè)計(jì)選用Atmel公司的AT89C52作為單片機(jī)芯片，它完全能滿足要求，而且極為常用，價(jià)格便宜，易于獲取。3 AT89S52的工作方式AT89S52中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端，這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷振蕩器一起構(gòu)成自激振蕩器，由于振蕩器電路和單片機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘電路一起構(gòu)成了單片機(jī)的時(shí)鐘方式，時(shí)鐘電路產(chǎn)生的振蕩周期決定了時(shí)鐘周期，而振蕩周期和時(shí)鐘周期又決定了CPU的時(shí)序。本設(shè)計(jì)采用AT89S52的內(nèi)部振蕩器，如圖3-2所示：外接石英晶體以及

33、電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路，接在放大器的反饋回路中，這時(shí)內(nèi)部振蕩器便自激振蕩，我們可以用示波器觀察到XTAL2腳輸出的正弦波。對外接電容C1、C2雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，則電容使用30pF10pF,電容C1和C2的大小對振蕩頻率有微小的影響，可對頻率起微調(diào)的作用。圖3-2 單片機(jī)的振蕩電路AT89S52有兩種可用軟件編程的省電模式，它們是空閑模式和掉電模式。這兩種方式是控制專用寄存器PCON（即電源控制寄存器）中的PD（PCON.1）和IDL（PCON.0）位來實(shí)現(xiàn)的。PD是掉電模式

34、，當(dāng)PD=1時(shí)，激活掉電工作模式，單片機(jī)進(jìn)入掉電工作狀態(tài)。IDL是空閑工作等待方式，當(dāng)IDL=1，激活空閑工作模式，單片機(jī)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。如需同時(shí)進(jìn)入兩種工作模式，即PD和IDL同時(shí)為1，則先激活掉電模式。在空閑工作模式狀態(tài)，CPU保持睡眠狀態(tài)而所有片內(nèi)的外設(shè)仍保持激活狀態(tài)，只種方式由軟件產(chǎn)生。此時(shí)，片內(nèi)RAM和所有特殊功能寄存器的內(nèi)容保持不變。空閑模式可由任何允許的中斷請求或硬件復(fù)位終止。在掉電模式下，振蕩器停止工作，進(jìn)入掉電模式的指令是最后一條被執(zhí)行的指令，片內(nèi)RAM特殊功能寄存器的內(nèi)容在終止掉電模式前被凍結(jié)。退出掉電模式的唯一方法是硬件復(fù)位。復(fù)位后將重新定義全部特殊功能寄存器，但不改變RA

35、M中的內(nèi)容。在VCC恢復(fù)到正常工作電平前，復(fù)位應(yīng)無效，且必須保持一定時(shí)間以使振蕩器重啟并穩(wěn)定工作。本設(shè)計(jì)采用AT89S52主要是它內(nèi)部64K的程序存儲(chǔ)器，地址為0000H到FFFFH，內(nèi)部256B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。3.3系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理為了實(shí)現(xiàn)所要達(dá)到準(zhǔn)確無誤的判斷吸合、釋放狀態(tài)，能夠及時(shí)響應(yīng)吸合、釋放信號(hào)的功能。我們構(gòu)建了如圖圖3-3硬件電路總體圖，本系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)為整個(gè)電路的核心，配以整流濾波電路、電壓采集電路、電容充電電路、顯示電路、電源回路、232通訊接口電路、遠(yuǎn)程控制電路和線圈驅(qū)動(dòng)電路來控制整個(gè)電路。51單片機(jī)整流濾波電路電壓采集電路電容充電電路電磁閥電路232通訊接口電路電

36、源顯示電路圖3-3 硬件電路總體框圖各部分電路功能如下：電壓采集電路：采集電源電壓，以實(shí)現(xiàn)斷路器的分合閘保護(hù)。線圈驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)吸合或釋放線圈。電容充電電路：儲(chǔ)存能力，為永磁機(jī)構(gòu)提供激勵(lì)電路。遠(yuǎn)程輸入電路；利用遠(yuǎn)程開關(guān)控制脫扣器動(dòng)作。232通訊接口電路：實(shí)現(xiàn)與線路上其他設(shè)備的通訊。3.4硬件電路設(shè)計(jì)3.4.1A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。（1）ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)，如圖3-4所示。圖3-4ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)上圖可知，ADC0809由一個(gè)8路模擬開

37、關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。（2） 引腳結(jié)構(gòu) IN0IN7：8條模擬量輸入通道。ADC0809對輸入模擬量要求：信號(hào)單極性，電壓范圍是05V，若信號(hào)太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。 地址輸入和控制線：4條。ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址

38、線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0IN7上的一路模擬量輸入。 ST為轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng)ST上跳沿時(shí)，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時(shí)，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應(yīng)保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)EOC為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號(hào)，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7D0為數(shù)字量輸出線。 CLK為時(shí)鐘輸入信號(hào)線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)必須由外界提供，通常使用頻率為500K

39、HZ，VREF（），VREF（）為參考電壓輸入。圖3-5即為A/D轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)的連接圖圖3-5 A/D轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)的連接圖3.4.2信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)串聯(lián)式峰值檢波器的原理圖（如圖3-6）及檢波波形（如圖3-7）。元件參數(shù)滿足：RCTmaxRdCTmin Rx+ux_VD+C_IR充電放電utUUpuxO圖3-6串聯(lián)式峰值檢波器原理圖圖3-7檢波波形式中，Tmax、Tmin分別表示被測信號(hào)的最大周期和最小周期，Rd包括二極管正向?qū)娮鑂D及被測電路的等效信號(hào)源內(nèi)阻Rx。在被測電壓ux的正半周，二極管VD導(dǎo)通，電壓源通過它對電容C充電，由于充電時(shí)常數(shù)RdC非常小，因此電容C上的電壓迅速達(dá)到ux峰值Up。在ux負(fù)半周，二極管VD截止，電容C通過電阻R放電，由于放電時(shí)常數(shù)RC很大，因此電容上電壓跌落很小，從而使得其平均值Uc或UR 始終接近ux的峰值，即Uc=UR=Up，如圖3-7所示。實(shí)際上檢波器輸出電壓平均值Uc略小于Up，即kd表示峰值檢波器的檢波系數(shù)，有Uc=UR=kdUp 顯然，kd