基于單片機的低壓智能斷路器的設計

張振濤 王娟

【摘要】本文對低壓智能斷路器系統(tǒng)的原理和硬件組成進行了分析和設計;通過對系統(tǒng)所要實現(xiàn)的保護功能進行分析，對系統(tǒng)用到的器件進行選擇，并且設計系統(tǒng)總體方案，重點是單片機通過A/D轉(zhuǎn)換器對現(xiàn)場的各種參量進行處理，實時顯示各種運行參數(shù)并且實現(xiàn)對系統(tǒng)的多重保護功能。

【關(guān)鍵詞】斷路器;A/D;單片機

1.引言

在低壓配電系統(tǒng)中，低壓斷路器是應用最為廣泛保護裝置之一，主要應用于要求實現(xiàn)保護且不頻繁操作的場合。它不僅能在正常工作情況下接通、分斷負載電流，而且允許在故障或不正常的情況下自動切斷電路，從而保護變壓器、用電設備和供電線路;同時通過上下級線路的選擇性配合，能夠避免非故障區(qū)域的停電，減少不必要的損失。鑒于此設計一款智能的低壓斷路器具有很大的現(xiàn)實意義[1]。

2.總體方案設計

論文所設計的系統(tǒng)包括參量中央處理控制模塊、信號采集模塊、信號調(diào)理模塊、人機交互模塊、通信模塊以及電源模塊等。圖1為硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖：

圖1 整體結(jié)構(gòu)框圖

本論文所設計的智能斷路器控制單元所要實現(xiàn)的基本保護功能包括：三段電流保護（過載長延時保護、短路短延時保護及短路瞬時保護）和單相接地保護，用戶可根據(jù)實際需要選用過電壓保護、低電壓保護。

3.電路設計

3.1 單片機I/O口擴展

圖2 AT89C51RC2單片機接口擴展原理圖

AT89C51RC2單片機最小系統(tǒng)如圖2所示，本論文所實際的智能控制系統(tǒng)是以AT89C51RC2片上系統(tǒng)為核心的單片機應用系統(tǒng)。

3.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊

由于AT89C51RC2單片機內(nèi)部并沒有集成ADC模塊，因此必須外接ADC芯片，這里我們選用了一種美國TI公司生產(chǎn)的TLC1543芯片。TLC1543是一款11模擬輸入通道，高性價比，采用CMOS工藝的10位開關(guān)電容逐次逼近原理實現(xiàn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該芯片內(nèi)置3路自測方式，片內(nèi)集成系統(tǒng)時鐘，固有的采樣和保持功能，具有轉(zhuǎn)換速度快、誤差小的特點[2]。TLC1543芯片采用串行通信接口，與單片機接線簡單，引線很少，能夠很好節(jié)省單片機的I/O資源。TLC1543芯片與單片機接線如圖3所示。

3.3 電源模塊

常用的電壓源設計有電流源供電和電壓源供電。由于電流互感器裝設在裝置的出線端，一旦斷路器跳閘，控制單元就將失去電壓，所以必須設置備用電源來保證電源模塊失去供電電壓之后單片機、LCD顯示器等電子元件的正常工作，電源電路設計較為復雜。因此，我們采用電壓源供電的方式，即任意取一相電壓經(jīng)電源變壓器變壓、整流單元整流后，采用DC-DC模塊轉(zhuǎn)換為所需電壓。電壓源供電是由裝置進線端饋電線路供電，只要饋電線路不失去電壓，即使斷路器跳閘，也能保證控制單元的正常供電。系統(tǒng)電源電路如圖4所示。

圖3 TLC1543芯片與單片機接線原理圖

圖4 電源輸出原理圖

3.4 通信模塊

為了對測量數(shù)據(jù)顯示、后續(xù)數(shù)據(jù)處理及測量信號校正，可利用單片機的串行口與PC機進行串行通信，將單片機采集的數(shù)據(jù)傳送到PC機中，由PC機的高級語言對數(shù)據(jù)進行整理及統(tǒng)計等復雜處理。在實現(xiàn)計算機與單片機之間的串行通信時，通常采用標準通信接口進行串行通信。美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）正式公布的通信標準總線包括：RS-232、RS-449、RS-422、RS-423、RS-485等[3]。在串行通信中，應用最廣泛的標準總線是RS-485，其通信距離約為1219m，最高速率10Mbps。SN65LBC184芯片與單片機AT89C51RC2的接線如圖5所示。

圖5 串口通信電路

3.5 溫度檢測、時鐘輸入電路

為了防止因溫度過高導致斷路器誤動作甚至損壞設備本身，采用MAXIM公司微型化、高性能的1-Wire數(shù)字溫度傳感器DS18B20對智能控制單元工作環(huán)境溫度進行檢測與控制。

現(xiàn)代化的配電系統(tǒng)往往要求能夠記錄故障發(fā)生、人員登錄、設備操作等的具體時間，以便在事后進行故障分析。這就要求我們給智能控制單元配備實時時鐘輸入電路。DS1302芯片是MAXIM公司推出的一款性能較好、功耗低的實時時鐘芯片。

單片機與DS1302芯片、DS18B20芯片的接線原理如圖6所示。

圖6 DS1302、DS18B20與單片機的接線原理圖

圖7 主程序流程圖

4.系統(tǒng)主程序

主程序是整個軟件系統(tǒng)的中樞，它不僅指揮著程序流程，而且將各功能子模塊有效地連接起來，因此主程序的設計對于整個軟件設計起著至關(guān)重要的作用。系統(tǒng)上電或復位后，首先進行系統(tǒng)自檢，判斷硬、軟件有無故障，如果有故障則報警，然后開中斷，判斷是否需要設定整定值，隨后進行信號采樣，一周期采樣完成后計算有效值，所計算的有效值與事先設置的整定值進行比較，判斷有無故障或不正常工作狀態(tài)發(fā)生，隨即判斷是否需要脫扣，如果系統(tǒng)發(fā)出脫扣信號則系統(tǒng)推出，如果無故障發(fā)生或不需要脫扣，則返回到采樣環(huán)節(jié)循環(huán)。本文設計了如圖7所示的整體程序流程圖。

圖8 顯示功能界面

5.仿真

本設計所用的仿真軟件為英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件，它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前比較好的仿真單片機及外圍器件的工具。智能斷路器不僅能夠顯示三相電流、三相電壓、頻率、溫度參數(shù)，而且還具有時間顯示的功能，由于1602是顯示字符的液晶顯示屏，一共能顯示2行，每行能顯示16個字符。所以參數(shù)的顯示需要通過鍵盤進行切換。顯示功能界面如圖8所示。在試驗中，我們采用一個繼電器代替脫扣電路，當仿真開始時，繼電器閉合。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，繼電器斷開以保護設備。

6.結(jié)論

本文結(jié)合具體設計要求，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)三段電流保護、單相接地保護、過電壓保護、短路保護、欠電壓保護以及過溫保護，保護精度控制在正常的范圍之內(nèi)。本文為實現(xiàn)斷路器的智能化和可通信等功能。經(jīng)仿真調(diào)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了較好的保護功能，還實現(xiàn)了測量和監(jiān)控等功能。所設計的控制器可靠性高，實時性好，特別是實現(xiàn)了現(xiàn)場通信，應用前景廣闊。

參考文獻

[1]盧麗君.基于TLC1543的單片機多路采樣監(jiān)測系統(tǒng)的設計[J].儀器儀表與分析監(jiān)測，2007（4）：5-6，40.

[2]傅啟國.低壓斷路器智能控制器設計與研究[D].碩士學位論文.南京：南京理工大學，2008.

[3]朱清慧，張鳳蕊，翟天嵩，王志奎.PROTEUS教程-電子線路設計、制版與仿真[M].北京：清華大學出版社，2008：1-8.

作者簡介：張振濤（1984—），男，河北唐山人，吉林化工學院助教，主要從事信號檢測、虛擬儀器等方面的研究。