基于單片機(jī)的智能磁力啟動(dòng)器設(shè)計(jì) 預(yù)覽

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

廣泛應(yīng)用于煤礦井下的機(jī)電、風(fēng)機(jī)、照明等用電設(shè)備上，進(jìn)行漏電、短路、過載、過壓、欠壓、斷相等故障保護(hù)，其性能好壞直接關(guān)系到礦井的安全生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益。隨著煤礦現(xiàn)代化程度的不斷提高，對(duì)煤礦的可靠性、安全性也提出越來越高的要求在實(shí)際工作中，有時(shí)要準(zhǔn)確的判斷出是哪種類型的故障，從而有針對(duì)性的檢修，或者在設(shè)備正常運(yùn)行之前對(duì)設(shè)備的線路進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，或者在運(yùn)行期間需要對(duì)整個(gè)設(shè)備的線路進(jìn)行試驗(yàn)，從而判斷系統(tǒng)設(shè)備的完好和安全性。另外，目前使用的磁力啟動(dòng)器控制系統(tǒng)性能不可靠，誤動(dòng)、拒動(dòng)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(shè)備綜合保護(hù)的控制系統(tǒng)對(duì)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(hù)系統(tǒng)中，引進(jìn)了大量的國外

電

氣設(shè)備，其可靠的工作性能促進(jìn)了我國煤炭事業(yè)的發(fā)展。但國外產(chǎn)品價(jià)格高，配件供應(yīng)周期長，已成為制約我國煤炭行業(yè)的一個(gè)主要因素。國內(nèi)一些公司也相繼開發(fā)出了智能性開關(guān)設(shè)備。目前根據(jù)相關(guān)調(diào)查以往的磁力啟動(dòng)器保護(hù)裝置不滿足當(dāng)前井下的需要，啟動(dòng)器保護(hù)裝置處于大量更換期。因此，開發(fā)一種性能穩(wěn)定、保護(hù)種類齊全、動(dòng)作速度快、可靠性好、方便實(shí)用的磁力啟動(dòng)器綜合保護(hù)裝置很有必要。近年來，隨著人工智能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，人工智能技術(shù)開始逐漸應(yīng)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(yù)測(cè)，未來智能技術(shù)在控制領(lǐng)域?qū)?huì)得到更為廣泛的應(yīng)用，這是礦井供電線路保護(hù)技術(shù)發(fā)展的方向之一。智能化電器具有諸多優(yōu)點(diǎn)：1）功能更全面，靈活強(qiáng)度更大2）高性能高可靠性3）操作自動(dòng)化4）“硬件軟化”，能有效降低成本5）有自診斷能力6）有對(duì)外接口功能，可以實(shí)現(xiàn)遙控功能62電氣保護(hù)漏電保護(hù)過載保護(hù)短路保護(hù)過壓保護(hù)欠壓保護(hù)斷相保護(hù)782.1漏電保護(hù)在電氣故障檢測(cè)中，系統(tǒng)的絕緣電阻屬于保護(hù)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容，漏電動(dòng)作的電阻大小一般依照所在電網(wǎng)的電壓等級(jí)來確定，當(dāng)絕緣水平不斷下降，達(dá)到限定值，系統(tǒng)閉鎖磁力啟動(dòng)器無法合閘。如何計(jì)算人身觸電電流、單相接地電流時(shí)，只需考慮電網(wǎng)對(duì)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(duì)地的分布絕緣電阻。圖1

礦下線路和電氣設(shè)施之間常常會(huì)出現(xiàn)不正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，

這就是過載現(xiàn)象。由于過載電流導(dǎo)致溫度升高，從而損害導(dǎo)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(zāi)。因此，磁力啟動(dòng)器應(yīng)當(dāng)具備過載保護(hù)功能，才能有效避免電機(jī)和電網(wǎng)的損壞。

如圖2所示，保護(hù)閾值為k，此時(shí)過載時(shí)間短，其后恢復(fù)為正常狀態(tài)。此情況不宜動(dòng)作保護(hù)器。92.2過載保護(hù)圖22.3

短路保護(hù)：當(dāng)輸電線路絕緣老化，機(jī)械損傷使

得導(dǎo)線短接形成電流突變，因此需要進(jìn)行短路保護(hù)。過壓保護(hù)：電動(dòng)機(jī)為電感性儲(chǔ)能元件，加之電

力電容和線路中的對(duì)地電容的影響，會(huì)形成振蕩回

路。在正常的分合閘操作時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)瞬間的過電壓，會(huì)損壞用電設(shè)備的絕緣性能，此時(shí)有必要進(jìn)行過壓

保護(hù)。欠壓保護(hù)：欠電壓是指電網(wǎng)電壓低于正常工作時(shí)額定電壓的75%以下大電流會(huì)使輸電線路的絕緣老化，因此必須采取措施來進(jìn)行保護(hù)。斷相保護(hù)：電源斷相或繞組斷線對(duì)電動(dòng)機(jī)斷相運(yùn)行有害，所以需要對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行斷相保護(hù)，否則會(huì)由于電動(dòng)機(jī)過流過載被損壞。103硬件設(shè)計(jì)11系統(tǒng)硬件分為：核心MCU（微控制單元）、信號(hào)處理、A/D采樣、輸入

輸出和人機(jī)接口模塊。利用互感器，將高壓電信號(hào)轉(zhuǎn)化為低壓信號(hào)，再由經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路輸入單片機(jī)內(nèi)部集成AD轉(zhuǎn)換器中。經(jīng)過單片機(jī)的運(yùn)算處理得出實(shí)際電信號(hào)參數(shù)并加以保護(hù)措施。圖3單片機(jī)選型

控制單元要求計(jì)算機(jī)具有實(shí)時(shí)性、快速性、準(zhǔn)確性和多

功能性。因此采用ATmega128微型計(jì)算機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制器。

ATmega128單片機(jī)是在線可編程8位微控制器，基于AVRRISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器，由于其先進(jìn)的指令集及單周期指令執(zhí)行時(shí)間，數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)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(jī)的引腳圖12圖4ATmega128單片機(jī)優(yōu)點(diǎn)1采用哈佛結(jié)構(gòu)的流水線技術(shù)。在執(zhí)行一條指令的同時(shí)，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(gè)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(qiáng)。4集成了豐富的外設(shè)，包括看門狗定時(shí)器，片內(nèi)振蕩器等，大大方便了產(chǎn)品開發(fā)。I/O驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，可直接驅(qū)動(dòng)LED；5器件是以Atmel的高密度非易失性內(nèi)存技術(shù)生產(chǎn)的；6通過將8位RISC

CPU與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash集成在一個(gè)芯片內(nèi)，ATmega128為許多嵌入式控制應(yīng)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(jí)語言源程序調(diào)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(diào)試器/仿真器和評(píng)估板。13單片機(jī)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(nèi)部上拉電阻。輸出緩沖器擁有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可輸出、吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低，此時(shí)時(shí)輸出電流。復(fù)位發(fā)生時(shí)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(shí)特性和上述四個(gè)端口一樣。如果使能了JTAG接口，則復(fù)位發(fā)生時(shí)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(chǔ)器的所存信號(hào)以及32

kHz振蕩器的輸入。復(fù)位輸入引腳為RESET。·XTAL1（XTAL2）為反向振蕩器放大器及片內(nèi)時(shí)鐘操作電路的輸入(輸出）?！VCC為端口F及ADC轉(zhuǎn)換器的電源,VCC相連接?！REF為ADC的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。·PEN是SPI串行下載的使能引腳。端口資源分配定時(shí)器0：作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘定時(shí)器，最小定時(shí)單位為秒；定時(shí)器1：定時(shí)周期為1ms，用于AD采樣的觸發(fā)；定時(shí)器2：用于通信；

AD轉(zhuǎn)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(cè)；USART模塊：用于啟動(dòng)器與PC機(jī)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(cè)開關(guān)控制端口

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

PF3—AB相線電壓檢測(cè)AD轉(zhuǎn)換入端PF4—BC相線電壓檢測(cè)AD轉(zhuǎn)換輸入端

PF5—CA相線電壓檢測(cè)AD轉(zhuǎn)換輸入端

PF6—漏電阻檢測(cè)AD轉(zhuǎn)換輸入端PB2、PB3、PD4、PD5、PD6、PD7分別為菜單進(jìn)入鍵端口、確認(rèn)(復(fù)位)鍵端口、啟動(dòng)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(shè)計(jì)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(zhuǎn)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(yùn)放供電，此外，在漏電阻檢測(cè)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(zhuǎn)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(fù)載電流較大，采用兩塊7805芯片可增大負(fù)載能力。17系統(tǒng)硬件電路原理圖設(shè)計(jì)圖7

5V直流電源電路電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的過載、短路保護(hù)等功能，需實(shí)時(shí)檢測(cè)其工作時(shí)的三相電流。圖8所示電路為系統(tǒng)的A相交流電流檢測(cè)電路，由電流互感器引出交流電流，經(jīng)整流器轉(zhuǎn)換為直流電流信號(hào)，后經(jīng)滑動(dòng)變阻器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再由有源低通濾波器調(diào)理信號(hào)輸入單片機(jī)中具有AD功能的IO口。18圖8電流檢測(cè)電路19電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)圖9所示電路為UAB檢測(cè)電路圖。線路線電壓經(jīng)變壓器、整流器轉(zhuǎn)化為低壓直流信號(hào)，再經(jīng)電位器分壓至低通濾波器，輸入AD轉(zhuǎn)換輸入端PF3.集成運(yùn)放型號(hào)為LM224，其中二極管部分電路作用是防止單片機(jī)IO口輸入電壓超過5V造成對(duì)單片機(jī)的損害。圖9電壓檢測(cè)電路4軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)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(shì)是編寫流程清晰、易實(shí)現(xiàn)模塊化，程序移植性好和易于維護(hù)。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(diǎn)：自動(dòng)生成對(duì)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(diǎn)數(shù)運(yùn)算，在線匯編，和單獨(dú)的匯編模塊進(jìn)行接口；擁有ANSIC庫函數(shù)和針對(duì)特定目標(biāo)訪問片上E2PROM和各種片上外設(shè)的庫函數(shù)；可以生成用于AVR

STUDIO源碼級(jí)調(diào)試的目標(biāo)文件；包含了對(duì)項(xiàng)目的管理、源文件的編輯、編譯和鏈接源的設(shè)置。20主程序設(shè)計(jì)21系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換模塊、采樣數(shù)據(jù)的計(jì)算模塊、故障判斷及保護(hù)模塊、鍵盤掃描模塊、LCD液晶顯示模塊和與上位機(jī)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(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊本系統(tǒng)需要檢測(cè)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(shè)計(jì)部分所示，它們經(jīng)一定的變換處理之后輸入到單片機(jī)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(shè)計(jì)很多因素會(huì)影響微機(jī)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(huì)影響保護(hù)系統(tǒng)性能，抗干擾設(shè)計(jì)是磁力啟動(dòng)器保護(hù)裝置研制過程中一個(gè)非常重要環(huán)節(jié)。諸如電磁干擾的傳導(dǎo)與輻射。傳導(dǎo)：經(jīng)過電線、信號(hào)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(chǎng)、電場(chǎng)、電磁波的方式傳播電磁干擾。硬件抗干擾措施：每個(gè)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(zhuǎn)換的模擬輸入端設(shè)置嵌位二極管，防止過電壓對(duì)AD轉(zhuǎn)換模塊造成損壞；采用隔離技術(shù)：接觸器開關(guān)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(qiáng)電電路與弱電電路的作用。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)微控制器與執(zhí)行元件嚴(yán)格分開，系統(tǒng)工作時(shí)會(huì)因?yàn)榻佑|器關(guān)合及斷開工作