變壓器微機保護裝置的設計原理

1、變壓器微機保護裝置的設計原理設計方案根據(jù)方案所需要實現(xiàn)的功能，我們將系統(tǒng)構建成信號輸入一信號處理T信號輸出的模 式，其系統(tǒng)框圖下列圖所示。右邊邊為信號輸入輸出局部，可分為幾個小模塊進行設計；中 間是信號處理局部，為80C196kc最小系統(tǒng)；左邊為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，也可分為幾個小模塊進 行設計。1 PT r一交流接口f電壓形成卜模擬濾波T'CT*I交流接口電壓形成卜模擬濾波卜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多 路 轉 換 開 關80C196 KCERROM. E2PROM RMAICPU系統(tǒng)i 8255 PIO卜*|光電隔離 T 出口k11/O卜T顯示器/鍵盤輸入輸出系統(tǒng)IqI|圖2-1 保護系統(tǒng)框圖鍵盤輸入和

2、液晶顯示模塊又稱為人機接口模塊，主要負責參數(shù)的輸入和狀態(tài)的顯示， 這里采用的是小鍵盤輸入和 LCD1602液晶模塊。電流檢測模塊采用的是 Maxim公司生產(chǎn)的Max471芯片，電壓檢測模塊采用 AD736 在電壓、電流分別通過電壓互感器和電流互感器后，再經(jīng)過電流、電壓監(jiān)測模塊，進行對 數(shù)據(jù)的采集與轉換；變壓器的溫度直接通過溫度監(jiān)測模塊進行收集，接著把轉換過的數(shù)據(jù) 通入單片機中進行處理，最后報警并顯示變壓器當前的參數(shù)值并自動地控制、調(diào)整變壓器 的運行。三、系統(tǒng)模塊的設計從總體上看，變壓器智能保護系統(tǒng)可以分為以下模塊： CPU莫塊、電流信號監(jiān)測處理模 塊、電壓信號監(jiān)測處理模塊及顯示輸出模塊、通信模

3、塊。下面我們就一一進行較為詳 細的闡述。1、CPU模塊在本設計中采用的微處理器CPU是AT89C51它是美國ATME公司生產(chǎn)的低電壓、 高性能CMOS位單片機，片含4k bytes可編程可電擦除的只讀存儲器PEROJVI和128bytes 的隨機存儲器RAM，片置通用8位中央處理器，和FLASH存儲單元，功能強大，可供許 多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。在本系統(tǒng)中，只需一片89C51并少許擴展外圍信號調(diào)理電路，即可出色地實現(xiàn)本系統(tǒng)功能。下列圖便是本設計所用到的單片機：-H0X13NmKa>8aIs5ZWE w oj 0H0<004 gv'od交二>oo

4、rw><> 4T3vzlmxx3、r>oofw/70bleACH5/PMOOE.f/ro.5CACM4/PW&OC.5/P0.4CAMGNOC v«rC v$sE tjnh»/rxw/r. C irc wo/mr/p2.f cTX0/fViB/P2.0CRl.OCri.i CPI.2C PVMl/fV.SCHSI.OCHSI.1 CHSI.2/HSO.4C1150125813S714S621t68-PIN PLCC254IT1BN8XC196KC, TN8XC196KC535219SI20SO21TOP VIEW4922Down mi4823

5、C«iv*pOA4n< o< PC Boord472446234S2t44 P3.O/AO0 «.1/aD1 P3.2/AD2 P5.5/AO33 r3.4/AD4 rs.</AD« P3.7/AO7 P4.0/AD8 F4.1/A0S M.2/AD10 W.5/ADI1 M.4/AO12 M.5/AD13 M.S/W14 M.7/AO15 2.3/T2CIX5ig、os=2、lzag.CO2£f 咯、/a>SOSHZOSM zd、M3Ad3、N0ldmrsr、aw<9 -d'WIHIs-OSH0.0?匚X27094

6、2-2PIN DESCRIPTIONSSymbolName and FunctionVocMain supply voltago (5V)VssD»gital c><cuit grouM(QV)，丁曲0rmi»tiple Vss P'ns. an of wtiich must be connected.VREFReference vottage for the A/D converter (5V). Vref is also the supply voltage to the analogi portion of the A/D converter an

7、d the logic used to read Port 0. Must be connected 1<x A/D and Port 0 to function.ANGNDReference ground for the A/D converter. Must be held at nominally tlie nrn令 potential as VssVppTiming pin fdr the return frdcn powerdown brCmt. This pin also suppled the tHdramming voltage on the EPROM deviceXT

8、AL1Input of the oscillator inverter and of the m temal clock generator.XTAL2Output of the oscillator inverter.CLKOUTOutput of the internal clock generator. The frequency of CLKOUT is y2 the oscillator frequency.Reset input and ope«n drain output.BUSWIDTHInput for txjswidth selecbon. If CCR bit

9、1 ts a one. this pin selects the bus width <<x tho bus cycle in progress. If BUSWIDTH isa 1. a 16-blt bus cycle occurs. If BUSWIDTH is a 0 an 8-bit cycle occurs. If CCR bt 1 is a 0. the bus rs afw*ays an B-bit bus.NMIA positive transition causes a voctor through 203EH.INSTOutput high during an

10、 extomai memory read indicates the read is an instruction fetch. INST is vafed ttvoughout the bus cycle. INST is activaled onty during external memory accesses and output low for a data fetch.EAInput for memory select (External Access). EA equal high causes memory accesses to locations 200OH through

11、 5FFFH to be directed to on-chip ROM/E PROM EA equal to low causes accewes to thow locations to be Gee*列 to Qffchp memory.人Iso uT to enter programming mode.ALE/ADVAddress Latch Enable or Address Valid output as selected by CCR. Both pin options provide qtp demultiplex th© addrRg from thetxj$ Wh

12、en the pin i$ADV. it goes inactrvo high at the end of the bus cycld. ALE/ADV is activated only during external memory accesses甌Read signal output to external memory RD is activated only during external memory readsWR/TOLWnte and Write Low output to external memory, as selected by the CCR WR will go

13、low for every external writ©, whilo WRL vwll go lov only tor externa wntesan oven byto tsbemg written. Wfi/WRL is activated only during external msnnory wntes6H?/WRHBus Hbgh Enable or Wnle High output to external memory.as selected by the CGR. BRE will go low for external writes to th« hgh

14、 byte of the» data bus. WflH will go low for external writes where an odd byte is being written. BHE/WRH is acWated only dunng external memory writes.READYReady input to lengthen external menwry cycl«. for interfacing to slow or dynamic memory. or for bus sharing. When the external memory

15、is not being jsed. READY has no effect.HSIInputs to High Speed Input Unit Four HSI pins are available HSI 0. HSI .1 HSI 2 and HSI.3. Two of them (HSI.2 and HSI.3> are shared with the HSO Unit.HSOOutputs froni High Speed Output Unit Six HSO pins are available HSO 0. HSO.1, HSO 2. HS1.3. HSO.4 and

16、HSO.5 Two of them (HSO 4 and HSO. 5)are shared with The HSI UnitPortO9-bit high impedance input-only pext. Thes© pins can be used as digital inputs and/or as analog inputs to the on-chip A/D converter.Portl8-bit quasi-txlif«:thonal I/O portPort 2ft-bit mulb-funcbonal port. All of rts pins

17、aro shared with other functions in tho S0C196KC. Pins 2.6 and 2.7 are quasHbidi<ectionaLPdrts 9 and 48-bit bldireeborkftll/O pom with open drain outputs. Those prtsam shared 財也 the (rulUpl«K»d ftddress/data bus which has strortg interna puliua.HOLDBus Hold inputng contpoi of th* busHLDA

18、&U5 Hold ficknowlde output iniiicating電目su of rhe busBREQHuyautpul activfiT<t whftn Mfi t hs tanfroliftr hns 睪 pending external mamorycyclePMODEelonnifios Iho EPROM p«jgramiTnng rrw-ScPACTA 療* signal im Aula Programming mod右 mdicaEes lhal programming i$ m process. A high signal Indicates

19、 progriEimming is ccmiete.PVERCumrmulatnrp Program Output VenfitUon. Pin is high it ell locabons have priiqrammed STitMirig丄口心牛色的力<帕"|"已也一PATEAJ謝hwg odQdid Slaveh怡白© ahd A.uaPr6i dm hfur ModsnttacaLBS that ports 3 and 4 contain ¥倒對 programming addrass/command Inlcrmatlon (ihpu

20、t ta 右也舊-PROQA lallbng sdge in Sila vs Programming M ode i ndica 伯各 that ports Sand 4 contain valid pfogrammingi data, (mpuii lo si-aveLPVEFtA hign s.ignal in Slapfe Pragir.a.mmng Node and Auto Gonliguralioni Byle Programmiir>g Mode indicates the byte prografTimed cociectly.AIMCAuto Incremnl Acti

21、ve 艸 input signal indicates thail Ihe auto incrcimertt mod母 i$ 曲nbled Auto Iricremern wi ll altow reading or writing of sequentLal EPROM locaHons wiuhool address tran3actian3 across ihe PBUS for each read or write.另外我們還采用了 6N137光耦合器，以求對繼電器信號進行采集。這是一款用于單通道的高速光耦合器，其部有一個 850 nm波長AlGaAs LED和一個集成檢測器組成，其檢

22、測器由一個光敏二極管、高增益線性運放及一個肖特基鉗位的集電極開路的三極管組成。 6N137光耦合器原理圖：ZDIM JGM 1 37圖3-56N137廣耦合原理圖在具體的設計電路中，本芯片由模擬電源提供 3.3V電壓，并且接地點與模擬地 AGND 相連，AGNDf數(shù)字地DGND口通信地CGN等通過單點跟系統(tǒng)外殼上圖中用粗黑線畫出的 共地，最后接入真正的。采取模擬電壓供電和單獨接入模擬地AGND勺原因是為了防止數(shù)字電路的信號噪聲干擾模擬信號采集電路，導致對模擬信號的采在集出錯。其中MAX6674W數(shù)字系統(tǒng)的通信采用高速通信光耦隔離。通過Protel繪制的溫度信號處理電路如下列圖所示。3、電壓、電

23、流信號處理模塊AD736采用雙列直插式8腳封裝，其管腳排列如下圖：各管腳的功能如下：-Vs :負電源端，電壓圍為 -3.2-16.5V ;Cc:低阻抗輸入端，用于外接低阻抗的輸入電壓< 200mV,通常被測電壓需經(jīng)耦合電容Cc與此端相連，通常Cc的取值圍為1020譏當此端作為輸入端時，第 2腳VIN應接到COM ;VIN :高阻抗輸入端，適合于接高阻抗輸入 電壓，一般以分壓器作為輸入級，分壓器的總輸入電阻 可選10MQ，以減少對被測電壓的分流。該端有兩種工作方式可選擇：第一種為輸出AC+DC方式。該方式將1腳Cc 與8腳COM 短接，其輸出電壓為效流真有效值與直流分量之和；第二種方式為

24、AC方式。該方式是將1腳經(jīng)隔直電容 Cc接至8腳，這種方式的輸出電壓為真有效值，它不包含直流分量。COM :公共端；Vo :輸出端；CF :輸出端濾波電容，一般取 10 yF;CAV :平均電容。它是 AD736的關鍵外圍元件，用于進行平均值運算。其大小將直接響應到有效 值的測量精度，尤其在低頻時更為重要。多數(shù)情況下可選33 yF.接著，對于電流信號處理模塊，我們采用 Maxim公司生產(chǎn)的MAX471芯片，有一個電 流輸出端，可以用一個電阻來簡單的實現(xiàn)以為參考點的電流轉換，并可工作在較寬的電壓 圍。擁有完美的高端電流監(jiān)測功能，部含有精密的部監(jiān)測電阻，在工作圍，精度為2%。在測量電流時，也需要先

25、將大電流轉換為小電流，再通過電流監(jiān)測轉換模塊。弓I胃酗區(qū)1麗.沁02北腳酣穌°51Dii1.LSE&yh 1取+內(nèi)c艙 輔,2 詡站SKY皓出旬姍觸訪* 期曰佢痔丄卻拄匚一孟-33iC316(并券沖砂fiK宜電卻首:肘妁出勻車冬亍勻吟從杠:離F屮討于附":* ft 11= 弋遼$ E 7JG胡FICYD 土晨匸鈿 、；不rg無氐-蕩T旅警可箱山品三醒7臍忙阱鱒咗n啟府匕新傳廠"-7筈L與制:盂導勺總1|士危.If劇已特*紂玆-起-RC訐冬工電亞喘j mwviiu?!-論1BOUT匚科FFI-T篤三用E冊:ift.£孑冃廳，T世為抱之間竝一比皿電瓶

26、的一記腳隨觀產(chǎn)生光小尊孑1 丫的電fiXT?電:換黠匚出札而可示就巴歎眄叵“'館碾F5、鍵盤與顯示鍵盤模塊：當維修人員修復好燒壞的變壓器線路時，按鍵以提示系統(tǒng)可以重新啟動。圖3-12鍵盤模塊電路圖 顯示模塊：在電力變壓器智能保護裝置中，我們采用 LCD1602液晶顯示模塊，它具有微功耗，體 積小，顯示豐富，超薄輕巧的諸多有點，在各類儀表和低功耗系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。 此外，程序簡單，如果用數(shù)碼管動態(tài)顯示，會占用很多時間來刷新顯示，而這里用到的 LCD1602能夠自動完成此功能。顯示模塊引腳圖：1602采用標準的16腳接口，其中:第1腳：VSS為電源地 第2腳：VCC接5V電源正極82

27、55是Intel公司生產(chǎn)的可編程并行 作方式的可編程 并行接口芯片40引腳作為單片機與多種外設連接時的中間接口電路。113w u謝*耳住口TAJ U1M 口11 E厚UII：Hi E沖 f-1-MT： Br'1IT 屮JKIjii "匸in；3tl>8255芯片第3腳：VO為液晶顯示器比照度調(diào)整端，接正電源時比照度最弱，接地電源時比照度最高對比度過高時會 產(chǎn)生“鬼影，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整比照度。第4腳：RS為存放器選擇，高電平 1時選擇數(shù)據(jù)存放器、低電平 0時選擇指令存放器。第5腳：RW為讀寫信號線，高電平1時進行讀操作，低電平0時進行寫操作。第6腳：E

28、或EN端為使能enable端，高電平時讀取信息，負跳變時執(zhí)行指令。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。第1516腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負極。6、RS485串行口通信模塊在綜合了傳輸距離，傳輸本錢等多種因素后我們選擇串行口通信，進行數(shù)據(jù)的創(chuàng)送。為了防止外界干擾，首先采用高速光耦將單片機的UART口和RS-485通信器件隔離，單片機和RS-485通信器件單獨供電，這樣由通信線路從外界引入的干擾將止于高速光耦處，不 會從光耦進入單片機，大大提高了單片機的穩(wěn)定性。單片機異步通信口與76176之間采用光電隔離8255簡介I/O接口芯片，有3個8位并行I/O 口。具有3個通道3種

29、工 其各口功能可由軟件選擇，使用靈活，通用性強。8255可8255作為主機與外設的連接芯片，必須提供與主機相連的3個總線接口，即數(shù)據(jù)線、地址線、控制線接口。同時必須具有與外設連接的接口 A、B、C 口。由于8255可編程，所以必須具有邏輯控制局部， 因而8255部結構分為3個局部：與CPU連接局部、與外設連接局部、控制局部。1 )與CPU連接局部根據(jù)定義，8255能并行傳送8位數(shù)據(jù)，所以其數(shù)據(jù)線為8根DOD7。由于8255具有3個通道A、 B、C,所以只要兩根地址線就能尋址 A、B、C 口及控制存放器，故地址線為兩根 A0A1。此外CPU要 對8255進行讀、寫與片選操作，所以控制線為片選、復

30、位、讀、寫信號。各信號的引腳編號如下：(1) 數(shù)據(jù)總線DB:編號為DOD7,用于8255與CPU傳送8位數(shù)據(jù)。(2) 地址總線AB:編號為A0A1，用于選擇A、B、C 口與控制存放器。(3) 控制總線CB:片選信號、復位信號RST、寫信號、讀信號。當 CPU要對8255進行讀、寫操 作時，必須先向8255發(fā)片選信號選中8255芯片，然后發(fā)讀信號或?qū)懶盘枌?8255進行讀或?qū)憯?shù)據(jù)的操 作。2)與外設接口局部根據(jù)定義，8255有3個通道A、B、C與外設連接，每個通道又有8根線與外設連接，所以8255rEjltelrondriJ叵：ltadEgIAllGHlalifirs津8255可以用24根線與外

31、設連接，假設進行 開關量控制，那么8255可同時控制24路開關。各通道的引腳編號如 下：(1) A 口：編號為PA0PA7,用于8255向外設輸入輸出8位并行數(shù)據(jù)。心片(2) B 口：編號為PBOPB7,用于8255向外設輸入輸出 8位并行數(shù)據(jù)。(3) C 口：編號為PCOPC7,用于8255向外設輸入輸出8位并行數(shù)據(jù)，當8255工作于應答I/O 方式時，C 口用于應答信號的通信。3)控制器8255將3個通道分為兩組，即 PA0PA7與PC4PC7組成A組，PBOPB7與PCOPC3組成B組。如圖7.5所示，相應的控制器也分為A組控制器與B組控制器，各組控制器的作用如下：(1) A組控制器：控制 A 口與上C 口的輸入與輸出。(2) B組控制器：控制 B 口與下C 口的輸入與輸出。laJlgETTru'njs息:Hit M8255芯片2特性一個并行輸入/輸出的LSI芯片，多功能的I/O器件,可作為CPU總線與外圍的接口