機(jī)電一體化論文-單片機(jī)漏電保護(hù)控制器研制

-PAGE4-論文題目：單片機(jī)漏電保護(hù)控制器研制專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化摘要

漏電保護(hù)是煤礦井下供電系統(tǒng)保護(hù)的重要保護(hù)之一，隨著煤礦現(xiàn)代化程度的不斷提高，對煤礦井下供電系統(tǒng)的可靠性、安全性和連續(xù)性的要求越來越高。煤礦井下工作環(huán)境惡劣，經(jīng)常出現(xiàn)漏電故障，漏電故障如不及時(shí)排除會(huì)存在較大的危害，如可引起瓦斯爆炸，煤塵的爆炸，提前點(diǎn)燃雷管等事故，直接危及人身安全，因此煤礦井下電網(wǎng)必須裝設(shè)漏電保護(hù)裝置。本文利用附加直流電源檢漏的原理，針對煤礦井下不同的電壓等級(jí)，設(shè)計(jì)出了基于51單片機(jī)的漏電保護(hù)控制器。該控制器硬件漏電信號(hào)的采集與處理單元、信息的顯示單元、報(bào)警與跳閘的執(zhí)行單元；軟件并采用模塊化的軟件設(shè)計(jì)思路，包括系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、顯示這些模塊。該控制器可對煤礦井下低壓系統(tǒng)漏電故障迅速準(zhǔn)確的作出判斷，發(fā)出跳閘和報(bào)警信號(hào)，切除干線故障。經(jīng)過硬件和軟件的調(diào)試達(dá)到了預(yù)期要求。關(guān)鍵詞：單片機(jī)，附加直流，絕緣電阻，漏電保護(hù)目錄第1章前言 11.1 課題研究的背景及意義 11.2 井下低壓電網(wǎng)漏電保護(hù)的發(fā)展及現(xiàn)狀 11.3課題研究的主要內(nèi)容 2第2章設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ) 42.1煤礦井下低壓電網(wǎng)漏電故障分析 42.2附加直流電源漏電保護(hù)原理 5第3章設(shè)計(jì)方案 63.1硬件設(shè)計(jì)方案 63.1.1控制器的硬件設(shè)計(jì)要求 63.1.2設(shè)計(jì)思路 63.1.3主回路 73.1.4信號(hào)處理 73.1.5A/D轉(zhuǎn)換電路 93.1.6單片機(jī)芯片STC89C52RC 103.1.7顯示電路 123.1.8控制、驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行電路 133.1.9電源部分 133.2 軟件設(shè)計(jì) 143.2.1初始化設(shè)置 143.2.2信號(hào)采集模塊 143.2.3數(shù)據(jù)處理模塊 153.2.4顯示模塊 16第4章系統(tǒng)調(diào)試 174.1硬件調(diào)試 174.1.1主回路的調(diào)試 174.1.2信號(hào)采集單元的調(diào)試 174.1.3顯示單元調(diào)試 174.1.4數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元調(diào)試 184.1.5控制、驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行單元調(diào)試 184.1.6硬件綜合調(diào)試 184.2軟件調(diào)試 18第5章總結(jié) 19致謝 20參考文獻(xiàn) 21附錄Ⅰ系統(tǒng)硬件圖 22附錄Ⅱ系統(tǒng)軟件 23前言課題研究的背景及意義漏電保護(hù)是煤礦井下供電系統(tǒng)的三大保護(hù)（過流保護(hù)、漏電保護(hù)、接地保護(hù)）之一[1]。漏電故障不但會(huì)導(dǎo)致人身觸電，還會(huì)形成單相接地故障，如不及時(shí)排除還會(huì)發(fā)展為相間短路故障，產(chǎn)生的電弧還有可能造成瓦斯和煤塵的爆炸。所以為了確保人身安全，避免因漏電引起的瓦斯、煤塵爆炸，《煤礦安全規(guī)程》[2]規(guī)定，在煤礦井下低壓電網(wǎng)必須漏電或選擇性漏電保護(hù)裝置。設(shè)置完善的漏電保護(hù)裝置，在漏電時(shí)有效的切除故障，可以避免因此產(chǎn)生的人身或生產(chǎn)事故，大大提高供電系統(tǒng)的安全性和可靠性。因此，研究高可靠性的漏電保護(hù)裝置對煤礦井下人身及生產(chǎn)安全有著深遠(yuǎn)的影響和巨大的應(yīng)用價(jià)值。井下低壓電網(wǎng)漏電保護(hù)的發(fā)展及現(xiàn)狀漏電保護(hù)技術(shù)是確保生命安全和設(shè)備安全的一項(xiàng)重要電力技術(shù)。漏電保護(hù)裝置的發(fā)展大約經(jīng)歷了三個(gè)階段[3]。1912年德國正式發(fā)明了電壓型漏電保護(hù)器標(biāo)志著漏電保護(hù)器進(jìn)入了初始發(fā)展階段[4]。20世紀(jì)50年代，美、德、日、法相繼研制出來靈敏度為30mA的電流型漏電保護(hù)器，漏電保護(hù)裝置技術(shù)進(jìn)入發(fā)展階段[5]。20世紀(jì)70年代，各國開始制定規(guī)程，強(qiáng)制在一些場所安裝漏電保護(hù)器，標(biāo)志著漏電保護(hù)裝置的發(fā)展進(jìn)入成熟階段[6]。我國研究漏電保護(hù)器起步晚于國外，進(jìn)入20世紀(jì)70年代我國用電量逐年增加，觸電事故也隨之增加，為了適應(yīng)新形勢的發(fā)展需要，煤炭工業(yè)部于1982年，在江蘇省徐州市中國礦業(yè)學(xué)院召開了煤炭系統(tǒng)的第二次全國性漏電保護(hù)會(huì)議，總結(jié)了前一段時(shí)間的漏電保護(hù)科研工作，并為今后繼續(xù)開展漏電保護(hù)指出了方向[7]。會(huì)議認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)開展低壓電網(wǎng)選擇性漏電保護(hù)裝置的研究、超前切斷電源裝置的研究、漏電保護(hù)安全參數(shù)的研究、直流架線式電網(wǎng)漏電保護(hù)裝置的研究以及礦井低壓電網(wǎng)絕緣阻抗值的測定等項(xiàng)工作。1986年我國制定了國家標(biāo)準(zhǔn)GB6829《漏電電流動(dòng)作保護(hù)器（剩余電流動(dòng)作保護(hù)器）》，1995年進(jìn)行了重新修訂，明確規(guī)定了漏電保護(hù)器產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)要求、工作條件和試驗(yàn)方法，從此我國漏電保護(hù)器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)進(jìn)入科學(xué)化、規(guī)范化階段，產(chǎn)品系列逐步齊全，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)步提高，并逐步強(qiáng)制規(guī)定用戶安裝漏電保護(hù)器[8]。我國在20世紀(jì)50年代初，引進(jìn)了蘇聯(lián)的漏電保護(hù)裝置，并在礦井中推廣應(yīng)用。同時(shí)研制成JY82型隔爆檢漏繼電器產(chǎn)品，一直沿用到80年代末，甚至有的礦井現(xiàn)在還在使用，隨著煤炭生產(chǎn)機(jī)械化程度的提高，這種產(chǎn)品逐漸不能適應(yīng)生產(chǎn)的要求。因此，60年代我國自行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了JL80、JL82型隔爆檢漏繼電器[9]。70年代又研制生產(chǎn)了JJKB30型隔爆檢漏繼電器，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和礦井電網(wǎng)電壓等級(jí)的升高，我國自行研制了多種類型的漏電保護(hù)裝置[10]。隨著計(jì)算機(jī)、微電子技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)功能也越來越豐富，價(jià)格低廉，以單片機(jī)為核心的保護(hù)系統(tǒng)具有全面采集，快速分析，實(shí)時(shí)監(jiān)控等特點(diǎn)，可以獨(dú)立的完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能；能夠取代以前利用復(fù)雜電子線路或數(shù)字電路構(gòu)成的控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在，單片機(jī)控制范疇無所不在，例如通信產(chǎn)品、家用電器、智能儀器儀表、過程控制和專用控制裝置等，單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。單片機(jī)在漏電保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用能有效的解決漏電保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)，監(jiān)控不可靠的缺陷，安全性、可靠性、自動(dòng)化程度顯著提高[11]。從北京國際煤炭博覽會(huì)上看，1995年國外防爆開關(guān)實(shí)現(xiàn)微機(jī)測控的僅有英國Allenwest公司等少數(shù)幾個(gè)廠家，到1997年國，大部分國外廠家的饋電開關(guān)與磁力啟動(dòng)器均已采用微機(jī)測控[12]。例如，英國Brush變壓器公司生產(chǎn)的移動(dòng)變電站和Baldwin&Francis公司生產(chǎn)的磁力控制站，均采用微型計(jì)算機(jī)作為中央控制單元，實(shí)現(xiàn)了漏電、短路、過載、欠壓等多項(xiàng)保護(hù)功能；德國西門子公司生產(chǎn)的Siprotec4系列多功能保護(hù)繼電器，不僅具有完善的保護(hù)功能，而且能夠提供友好的人機(jī)界面[13]。1.3課題研究的主要內(nèi)容針對我國煤礦井下低壓供電系統(tǒng)的漏電保護(hù)的現(xiàn)狀，在查閱大量國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，確定本文課題的研究內(nèi)容如下：分析電網(wǎng)漏電故障的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)漏電信號(hào)提取電路。（1）設(shè)計(jì)漏電信號(hào)的采集和處理電路，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電路的可行性。（2）設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，編寫相應(yīng)的軟件，并給出系統(tǒng)框圖。（3）設(shè)計(jì)相關(guān)信息的顯示單元，提供人機(jī)交互界面。本論文的結(jié)構(gòu)如下：第1章論述了本文研究的背景和意義，漏電保護(hù)國內(nèi)外的發(fā)展歷史及現(xiàn)在的發(fā)展趨勢。第2章分析我國煤礦井下低壓電網(wǎng)的漏電特性和附加直流電源檢漏法漏電保護(hù)的原理。第3章介紹該控制器的硬件以及軟件設(shè)計(jì)思路，給出了具體電路和軟件流程，分析出漏電保護(hù)的整定值。第4章介紹系統(tǒng)的調(diào)試工作，包括硬件和軟件調(diào)試，在線調(diào)試和脫機(jī)運(yùn)行。第5章總結(jié)了本次研究過程的成果和不足，并提出以后的改進(jìn)方向。設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)煤礦井下低壓供電網(wǎng)的漏電保護(hù)多采用零序電流方向（選擇性）保護(hù)和附加直流電源保護(hù)這兩種方式[14]。選擇性漏電保護(hù)只適用于放射式多支路的接線方式，用于斷開發(fā)生漏電故障的支路，如果在干線或單一支路發(fā)生漏電故障，由于零序電流的方向由母線流向支路，選擇性漏電保護(hù)就不起作用了，降低了可靠性。而附加直流電源漏電保護(hù)適用于干線總饋電開關(guān)處，能夠可靠的斷開漏電故障。本章主要分析煤礦井下低壓電網(wǎng)漏電故障的特征和附加直流電源漏電保護(hù)實(shí)現(xiàn)的原理，為漏電保護(hù)控制器的研制提供理論基礎(chǔ)。2.1煤礦井下低壓電網(wǎng)漏電故障分析我國煤礦井下為中性點(diǎn)不接地的工作方式，當(dāng)只考慮電網(wǎng)對地的絕緣電阻時(shí)，其供電系統(tǒng)原理圖如圖2.1所示圖2.1煤礦井下低壓供電系統(tǒng)原理如圖2.1所示，===，分別為各相對地絕緣電阻。當(dāng)人觸及A相或A相的對地絕緣電阻損壞后(設(shè)A相對地阻抗為),當(dāng)時(shí)，則三相電網(wǎng)的對地電壓不再對稱，于是電網(wǎng)上就出現(xiàn)了零序電壓。設(shè)為流過人體的電流，則有(2-1)一般認(rèn)為30mA為人身觸電電流的極限電流，在煤礦井下，通常取人身電阻值＝1k?。由式(2-1)可知在相電壓和人身電阻確定的條件下，當(dāng)人觸及A相或A相的對地絕緣電阻損壞后，提高絕緣電阻就可以減小流過人身的電流或入地電流，由以上條件可知，對于煤礦井下相電壓分別為380V、660V、1140V的電網(wǎng)，為了保障流過人體的電流值不超過安全極限值，則每相對地的絕緣電阻最少為19k?、35k?和63k?。因此通過檢測電網(wǎng)絕緣電阻的大小可以實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)[15]。2.2附加直流電源漏電保護(hù)原理如圖2.2所示，直流電源加在電網(wǎng)上，電流從正極經(jīng)電網(wǎng)對地的絕緣電阻、電抗器、千歐表、直流繼電器回到負(fù)極。則電流的大小為圖2.2附加直流電源檢漏原理（2-2）式中是附加直流電源電壓，V；電抗器的直流電阻，?；直流繼電器線圈的直流電阻，?；千歐表的直流電阻，?；電網(wǎng)對地絕緣電阻，?；當(dāng)、、一定時(shí)，電流將隨的變化而變化，當(dāng)KD選定后，動(dòng)作值就一定了。當(dāng)下降到一定程度（發(fā)生漏電故障），使>時(shí)，KD便動(dòng)作，其常開或常閉接點(diǎn)，將接通自動(dòng)饋電開關(guān)的分勵(lì)脫扣線圈或斷開其無壓釋放線圈，使自動(dòng)饋電開關(guān)跳閘，達(dá)到漏電保護(hù)的目的。第3章設(shè)計(jì)方案前面已經(jīng)已經(jīng)介紹了附加直流電源檢漏法漏電保護(hù)的原理，但是當(dāng)電網(wǎng)的交流電流進(jìn)入繼電器直流線圈時(shí)，使其正常工作受到干擾，電容對動(dòng)作值也有影響，這些明顯不利于漏電保護(hù)裝置，因此本章考慮這些因素，通過合理的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，完成了基于單片機(jī)的附加直流電源漏電保護(hù)控制器的研制，下面分別介紹硬件和軟件設(shè)計(jì)方案。3.1硬件設(shè)計(jì)方案3.1.1控制器的硬件設(shè)計(jì)要求以51單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)漏電信號(hào)的模擬和采集，漏電保護(hù)控制器的硬件電路的設(shè)計(jì)、制作，以LCD1602顯示電網(wǎng)的工作電壓、絕緣電阻和保護(hù)器工作狀態(tài)，保護(hù)動(dòng)作后能發(fā)出故障報(bào)警顯示及告警信號(hào)。3.1.2設(shè)計(jì)思路因?yàn)槁╇娦盘?hào)是從低壓電網(wǎng)中采集而來，所以要經(jīng)過分壓、隔離和模數(shù)轉(zhuǎn)換才能送入單片機(jī)，數(shù)據(jù)采集入單片機(jī)后，經(jīng)過軟件的計(jì)算、處理，在LCD液晶上顯示電網(wǎng)電壓、絕緣電阻整定值和檢測值、系統(tǒng)工作狀態(tài)，通過檢測值和整定值的比較，顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，若發(fā)生漏電故障則發(fā)出報(bào)警信號(hào)和跳閘信號(hào)。單片機(jī)發(fā)出的信號(hào)經(jīng)過外圍的驅(qū)動(dòng)電路來執(zhí)行報(bào)警和跳閘信號(hào)。按照設(shè)計(jì)思路所設(shè)計(jì)的硬件框圖如圖3.1所示。圖3.1硬件框圖3.1.3主回路附加直流電源（電壓為）的正極接地,直流電流經(jīng)三相絕緣電阻（設(shè)并聯(lián)等效電阻為）、電抗器SK、分壓電阻和后回到直流電源的負(fù)極,為上的電壓。圖3.2檢漏單元電路圖從圖3.2可知電網(wǎng)的對地絕緣電阻為(3-1)式中：為三相電抗器SK的等效電阻。為了保證人身安全,結(jié)合式(2-1)，對于相電壓分別為380V、660V和1140V的井下低壓供電網(wǎng)來說，最少分別為6.33k?、11.7k?和21k?。對于直流回路來說，為三相電網(wǎng)對地的并聯(lián)等效電阻。由并聯(lián)電路可知，若三相中的一相或兩相對地絕緣電阻下降時(shí)，的值小于三相絕緣電阻同時(shí)下降時(shí)的值。因此，檢測的值就可以檢測電網(wǎng)對地的絕緣電阻值，從而可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)電網(wǎng)對地絕緣電阻的變化實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)。3.1.4信號(hào)處理信號(hào)處理模塊包括分壓電路、隔離電路和穩(wěn)壓電路。電路原理圖如圖3.3所示圖3.3信號(hào)處理電路光耦合器（Opticalcoupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器或光電耦合器，簡稱光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號(hào)的器件，通常把發(fā)光器（紅外線發(fā)光二極管LED）與受光器（光敏半導(dǎo)體管）封裝在同一管殼內(nèi)。當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)發(fā)光器發(fā)出光線，受光器接受光線之后就產(chǎn)生光電流，從輸出端流出，從而實(shí)現(xiàn)了“電—光—電”轉(zhuǎn)換。以光為媒介把輸入端信號(hào)耦合到輸出端的光電耦合器，由于它具有體積小、壽命長、無觸點(diǎn)，抗干擾能力強(qiáng)，輸出和輸入之間絕緣，單向傳輸信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字電路上獲得廣泛的應(yīng)用[15]。管腳圖如圖3.4所示。圖3.4光耦管腳圖1腳是發(fā)光二極管的陽極，2是陰極；3是光敏半導(dǎo)體的發(fā)射極，4是集電極。EL817是一種新型的光電隔離器件，能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或電流信號(hào)，這樣隨著輸入信號(hào)的強(qiáng)弱變化會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的光信號(hào)，從而使光敏晶體管的導(dǎo)通程度也不同，輸出的電壓或電流也隨之不同。EL817不但可以起到反饋?zhàn)饔眠€可以起到隔離作用可以隔離電網(wǎng)和控制器的地。OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。其管腳圖如圖3.5所示圖3.5OP07管腳圖1，8腳為偏置調(diào)零端；2腳為反相輸入端，3腳為同相輸入端，6腳為輸出端；4為負(fù)電源輸入端，7為正電源輸入端；5為空腳。OP07在這里主要起一個(gè)電壓跟隨作用。OP07的輸出接ADC0809的IN0模擬輸入通道。3.1.5A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換采用帶有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組件的ADC0809。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。其與單片機(jī)的連接關(guān)系圖如圖3.6所示圖3.6ADC0809與單片機(jī)連接關(guān)系圖ADC0809各腳功能如下：OUT7~OUT0：8位數(shù)字量輸出引IN0~IN7：8位模擬量輸入引腳。VCC：+5V工作電壓，GND：地。REF（+）：參考電壓正端。REF（-）：參考電壓負(fù)端。START：A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)輸入端。ALE：地址鎖存允許信號(hào)輸入端。（以上兩種信號(hào)用于啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換）。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電平。OE：輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。CLK：時(shí)鐘信號(hào)輸入端（一般為500KHz）。ADC0809允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A、B、C3個(gè)地址位進(jìn)行譯碼輸出用于通道選擇，其轉(zhuǎn)換結(jié)果通過三態(tài)輸出鎖存器存放、輸出，因此可以直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連，通道選擇如表3.1。表3.1ADC0809模擬通道選擇ABC通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7因?yàn)橹挥玫絀N0通道，所以將ABC都接地，全為0選通IN0。3.1.6單片機(jī)芯片STC89C52RC做為控制器的控制中樞，單片機(jī)的選取很重要。經(jīng)過多次對比，我選擇了STC公司生產(chǎn)的STC89C52RC，它是一種標(biāo)準(zhǔn)型單片機(jī)，而且程序擦寫容易，價(jià)格便宜。其采用40引腳雙列直插式封裝（DIP），這40個(gè)引腳可分為電源線、外接晶體線、控制線、I/O端口線四部分[16]。引腳圖如圖3.7所示。圖3.7單片機(jī)管腳圖電源線：VCC（40引腳）：接＋5V電源正端。GND（20引腳）：接電源地端。外接晶振線：XTAL1（19引腳）和XTAL2（18引腳）。I/O端口線：P0口（32～39引腳）；P1口（1～8引腳）；P2口（21～28引腳）；P3口（10～17引腳）；控制線：RST/VPD（9引腳）單片機(jī)復(fù)位/備用電源引腳。PSEN（29引腳）片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)，低電平有效。ALE（30引腳）地址鎖存允許信號(hào)。EA/VPP（31引腳）片外程序存儲(chǔ)器選用端。3.1.7顯示電路顯示電路利用LCD1602來顯示電網(wǎng)電壓、絕緣電阻整定值和絕緣電阻檢測值。其與單片機(jī)的連接圖如圖3.8所示。圖3.8LCD1602與單片機(jī)連接關(guān)系圖LCD1602管腳定義為：第1腳：VSS為電源地第2腳：VDD接5V電源正極第3腳：V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對比度最弱，接地電源時(shí)對比度最高（對比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整對比度）。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時(shí)選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號(hào)線，高電平(1)時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平(0)時(shí)進(jìn)行寫操作。第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。第15～16腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負(fù)極3.1.8控制、驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行電路控制電路利用按鈕來實(shí)現(xiàn)手動(dòng)跳閘和電網(wǎng)電壓等級(jí)的選擇，驅(qū)動(dòng)電路主要是放大單片機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)給執(zhí)行單元，為了保證控制器的可靠性，在驅(qū)動(dòng)繼電器時(shí)也加上光耦進(jìn)行地間的隔離。具體電路如圖3.9所示圖3.9控制、驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行電路驅(qū)動(dòng)電路采用ULN2003A芯片設(shè)計(jì)，ULN2003A是一個(gè)7路反向器電路，即當(dāng)輸入端為高電平時(shí)ULN2003A輸出端為低電平，當(dāng)輸入端為低電平時(shí)ULN2003A輸出端為高電平。前面7路輸入，后面七路對應(yīng)輸出。功能特點(diǎn)：高電壓輸出50V;輸出鉗位二極管;輸入兼容各種類型的邏輯電路;應(yīng)用繼電器驅(qū)動(dòng)器。3.1.9電源部分各個(gè)部分要正常工作還需要提供正確的電壓。主回路部分要36V的直流電源，單片機(jī)，ADC0809，LCD1602使用5V電源，繼電器采用的是12V直流繼電器，因此需要12V的電源。為了控制器的穩(wěn)定運(yùn)行，不同電壓源的接地采用光耦進(jìn)行了隔離。軟件設(shè)計(jì)軟件要根據(jù)硬件電路接線，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、顯示以及各種控制指令的讀取和發(fā)出，實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)控制器所要求的功能。此次設(shè)計(jì)采用C語言編程，易于模塊化編程的實(shí)現(xiàn)，以及檢查和修改。軟件包括以下幾個(gè)模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊。流程圖如圖3.10所示圖3.10軟件組成模塊3.2.1初始化設(shè)置初始化包括IO口初始化、定時(shí)器初始化、LCD初始化和變量初始化。IO口初始化完成各端口高低電平的狀態(tài)設(shè)置定時(shí)器初始化完成中斷寄存器的開啟及清零，準(zhǔn)備計(jì)時(shí)，為ADC0809提供時(shí)鐘信號(hào)。LCD初始化完成LCD1602的基本設(shè)置，包括清除屏幕，雙行顯示5*7字符，開顯示，關(guān)光標(biāo)。3.2.2信號(hào)采集模塊流程圖如圖3.11所示對照圖3.6，信號(hào)采集執(zhí)行過程如下：圖3.11信號(hào)采集流程圖START=0，下跳沿開始A/D轉(zhuǎn)換；EOC=0，轉(zhuǎn)換進(jìn)行中，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束；OE＝1，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，允許ADC0809數(shù)據(jù)輸出，然后讀取數(shù)據(jù)到單片機(jī)；OE=0，讀完數(shù)據(jù)后關(guān)閉輸出，數(shù)據(jù)鎖存。YY<預(yù)警值跳閘信號(hào)<整定值計(jì)算數(shù)據(jù)預(yù)警信號(hào)3.2.3數(shù)據(jù)處理模塊YY<預(yù)警值跳閘信號(hào)<整定值計(jì)算數(shù)據(jù)預(yù)警信號(hào)圖3.12數(shù)據(jù)處理流程圖流程圖如圖3.12所示，該模塊主要完成采集的數(shù)字量計(jì)算為實(shí)際絕緣電阻，然后和設(shè)定值比較（可由外部按鈕1選擇不同的值），發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，分別對應(yīng)為正常狀態(tài)指示信號(hào)，預(yù)警信號(hào)，報(bào)警信號(hào)（外部按鈕2手動(dòng)跳閘控制），供驅(qū)動(dòng)電路完成相應(yīng)動(dòng)作。3.2.4顯示模塊NYNY字符數(shù)組m<16顯示首地址顯示第m個(gè)字符m+1顯示地址+1結(jié)束圖3.13字符串顯示流程圖寫入字符串就是取出每一個(gè)字符循環(huán)寫入LCD1602的對應(yīng)位上第4章系統(tǒng)調(diào)試硬件電路設(shè)計(jì)完成后，購買元器件進(jìn)行各單元焊接，下來就要進(jìn)行硬件調(diào)試和軟件調(diào)試，本章主要介紹系統(tǒng)的調(diào)試方法，以及遇到的問題。4.1硬件調(diào)試4.1.1主回路的調(diào)試試驗(yàn)中用100K?的電位器來模擬電網(wǎng)對地的絕緣電阻，取＝0.30K?,==10K?，=36V，根據(jù)圖3.2分析得：（5-1）測得的變化范圍是2.99V～17.73V。4.1.2信號(hào)采集單元的調(diào)試如圖3.3所示，采用線性光耦來隔離主回路與控制器的接地，（輸入IN0的電壓）跟隨線性變化，假設(shè)兩者比例為，則有：（5-2）實(shí)驗(yàn)測得部分在光耦線性區(qū)的數(shù)據(jù)如表5.1所示：表5.1線性光耦實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)3.004.005.006.007.001.091.451.822.182.56測得計(jì)算得k=2.75；4.1.3顯示單元調(diào)試如圖3.8所示接好連線后，按圖3.13給單片機(jī)一個(gè)測試程序，看LCD1602是否能夠正確顯示出測試字符。如果顯示一行黑塊，說明與單片機(jī)的連接有問題或程序有錯(cuò)，檢查連線重新連接，再從載程序測試4.1.4數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元調(diào)試如圖3.6所示，在IN0通道上加上電壓，按圖3.11所示流程圖編寫測試程序，然后測試P0口有無高低電平的變化，然后和LCD1602結(jié)合到一塊測試，看能否顯示出采集的數(shù)字量。4.1.5控制、驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行單元調(diào)試如圖3.9所示，在驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003A的輸入端輸入高電平，查看后端的繼電器是否跳閘，LED等是否能點(diǎn)亮，來檢測驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行單元的好壞。4.1.6硬件綜合調(diào)試將各單元連接到一塊，加上電源，編寫相應(yīng)程序，調(diào)節(jié)電位器，減小絕緣電阻值，看小于預(yù)警值和整定值時(shí)是否預(yù)警和報(bào)警、跳閘。表5.1為LCD1602顯示的絕緣電阻和實(shí)際值與的對應(yīng)關(guān)系，可以看出該控制器的對大誤差小于4%，可以滿足要求。表5.2采樣所對應(yīng)的絕緣電阻值/V1.201.802.403.003.60計(jì)算/K?62.2032.7020.9512.707.20實(shí)際/K?63.3231.9520.4612.457.06誤差/％-1.82.22.31.91.94.2軟件調(diào)試程序的編寫是在keil環(huán)境中進(jìn)行的，結(jié)合偉福單片機(jī)仿真器在線調(diào)試。按照軟件模塊化逐個(gè)進(jìn)行調(diào)試，首先用斷點(diǎn)運(yùn)行的方式對顯示、A/D、控制及輸出各部分分別進(jìn)行調(diào)試，各子程序調(diào)試完成后，就可進(jìn)行系統(tǒng)的綜合調(diào)試。綜合調(diào)試采用全速運(yùn)行的方式進(jìn)行，主要是排除系統(tǒng)中遺留的錯(cuò)誤，以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和精度。預(yù)期的功能調(diào)試完成后就可將程序固化，脫機(jī)運(yùn)行，整個(gè)控制器就算研制成功了。第5章總結(jié)針對我國煤礦井下低壓電網(wǎng)漏電保護(hù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，結(jié)合單片機(jī)和傳統(tǒng)的附加直流電源漏電保護(hù)原理，設(shè)計(jì)出這款用于干路漏電保護(hù)的控制器，較好的解決了傳統(tǒng)直流檢測式漏電保護(hù)的部分缺陷。以下為課題研究過程中得出的結(jié)論：了解了國內(nèi)外煤礦井下低壓電網(wǎng)漏電保護(hù)技術(shù)發(fā)展及趨勢，確定了研制該控制器的方向及意義；分析了我國煤礦井下漏電的電氣參數(shù)，以及附加直流電源漏電保護(hù)實(shí)現(xiàn)的原理；以單片機(jī)為核心，附加直流電源漏電保護(hù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了該控制器的硬件電路以及相應(yīng)的軟件模塊；對硬件、軟件進(jìn)行檢測和調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定功能。硬件電路各種功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，軟件各種功能也已經(jīng)完成，經(jīng)過模擬實(shí)驗(yàn)和測試，結(jié)果證明該設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)了低壓電網(wǎng)對地絕緣電阻的檢測，可以實(shí)現(xiàn)對漏電故障作出判斷并實(shí)現(xiàn)故障切除該控制器還有以下幾個(gè)方面有待改進(jìn)：（1）可以加入電網(wǎng)電壓、電流的采集模塊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選擇絕緣電阻整定值。（2）還可以加入通訊模塊，實(shí)現(xiàn)各控制器之間的通信。致謝四年的大學(xué)生活即將在這個(gè)季節(jié)畫上一個(gè)句號(hào)，但對我們來說卻只是一個(gè)逗號(hào)，我們就要開始另一個(gè)征程。在這四年的求學(xué)路上，各位老師、同學(xué)和朋友給予我各種支持和幫助，感謝你們?yōu)槲业娜松缆飞贤磕ǖ孽r艷的回憶。老師們知識(shí)淵博，治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，授人以漁，使我學(xué)到了豐富的知識(shí)和生活技巧，使我的生活觀和世界觀愈加宏大。同學(xué)和朋友在學(xué)習(xí)生活中相親相愛，幫助扶持，得到了你們珍貴無比的友情，感受到集體的溫暖。特別感謝高赟老師，從論文題目的選定到論文的撰寫，您一直悉心的對我們進(jìn)行指導(dǎo)，總是及時(shí)的指出我們設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，解決遇到的難題。在您的指導(dǎo)下我才能順利地完成此次設(shè)計(jì)任務(wù)。衷心的感謝您。感謝同學(xué)們在我遇到疑難時(shí)不厭其煩的幫我解決，你們的友情我會(huì)好好珍惜。感謝大學(xué)四年里，所有對我有過幫助的老師、同學(xué)、朋友，在這里請接受我誠摯的謝意。感謝老師們，你們辛苦了。參考文獻(xiàn)[1]高彥，王念彬，王彥文.基于零序功率方向選擇性漏電保護(hù)系統(tǒng)的研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù).2005,33(11):43-45,48.[2]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦安全規(guī)程[S].2005.[3]崔文強(qiáng)，張星榮，李安平，等.煤礦掘進(jìn)工作面供電系統(tǒng)選擇性漏電保護(hù)的實(shí)現(xiàn)[J].繼電器.2001,29(6):28-30.[4]胡天祿.礦井電網(wǎng)的漏電保護(hù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社,1987．[5]聶文龍.應(yīng)用低壓選擇性撿漏繼電器的優(yōu)越性［J］.煤炭科學(xué)技術(shù),1990．[6]宋建成,翟生勤,范世民等.礦井低壓電網(wǎng)漏電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展.2008.[7]唐軼.BJJ4礦用隔爆型帶人為旁路接地的總撿漏繼電器［J］．煤炭科學(xué)技術(shù),1991,20(5):25－30[8]宋建成,耿太榮.具有選擇性漏電保護(hù)的隔爆型真空饋電開關(guān)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù),1991.[9]唐軼,洪順坤.DXL－660Q型分支饋電開關(guān)選擇性漏電保護(hù)器［J］．煤炭科學(xué)技術(shù).[10]宋建成,石宗義,師文林等.單片機(jī)在礦用隔爆型真空饋電開關(guān)中的應(yīng)用［J］．煤炭科學(xué)技術(shù)，1995．[11]王麗.基于單片機(jī)的漏電保護(hù)器動(dòng)作特性檢測技術(shù)的研究.河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文.2006.[12]趙大帥.礦用饋電開關(guān)智能控制器的研制.西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文.[13]梁鎖鋒.基于Intel80C196KB控制的礦用移動(dòng)變電站低壓真空饋電開關(guān)測控系統(tǒng)的研究[J].太原理工大學(xué)碩士學(xué)位論文.2004[14]高赟,一種附加直流電源漏電保護(hù)器的研制,工礦自動(dòng)化,2010.[15]李丹榮,王新第,杜維.光電耦合器的實(shí)用技巧[J].自動(dòng)化儀表.2003,24(6):58-61.[16]柴鈺,單片機(jī)原理與應(yīng)用,西安電子科技大學(xué)出版社,2009.附錄Ⅰ系統(tǒng)硬件圖附