AT89C2051单片机实现冲击继电器功能的实验

周志荣

【摘 要】针对早期修建的某小水电站中央信号装置设计上存在的缺陷，以及后来运行中出现的动作不可靠等问题。本着不增加电站运行成本和不过度改变原有接线的原则，使用89C2051单片机最小系统和少量元器件构成的电路，进行单片机编程后实现冲击继电器的基本功能，替代原电路电磁式元件改造中央信号装置。达到通过低成本改造提高电站运行可靠性及延长使用寿命的目的。

【关键词】小水电站 中央信号 单片机 冲击继电器

1前言

在发电厂和变电站中为了及时掌握电气设备的工作状态，须用信号显示当时的情况。若发生事故时，应发出各种灯光信号及音响信号，提醒运行人员迅速判明事故性质、范围和地点，以便作出相应处理。[2]

中央信号装置，是对全厂主要电气设备的信号起先集中时监控的装置。常规的电磁式中央信号装置的基本工作原理是：当发生事故或异常情况时，相应的辅助触点或信号继电器触点闭合，使相应光字牌点亮，并使事故音响母线（以下用SYM）或预告信号母线（以下用YBM）上电，冲击继电器检测到SYM或YBM上电压的瞬时变化（即电平跳变）启动电笛或警铃发出音响报警。[2]

某小水电站建于1985年，装机容量3750kW（3×1250kW）。基于当时的经济、技术条件继电保护采用电磁型。但中央信号装置设计时音响信号启动没有采用常规的冲击继电器，采用几只继电器构成简单音响信号启动电路，只有手动解除音响。实际运行中的表现是：发生事故或异常情况时，不按解除按钮电笛响不停。但有时按下解除按钮后放开电笛又响起来，此时并没有发生新的事故和异常情况，属于误动作。分析电路后发现出现这种情况的原因是：这种采用电压继电器的电路只能检测SYM和YBM上有无电压而不能检测电压的瞬时变化。由于磁滞现象电压继电器返回电压低于启动电压，只要相关辅助触点不复位，SYM和YBM上都有电压且电压值可能高于电压继电器的返回电压，音响信号启动电路就不能复位。加上原设计音响信号只用一个电笛，电笛声停了又起很烦人，直接影响到运行人员正在进行的处理工作。

2电路硬件设计

基于上述运行状况，用美国ATMEL公司生产的AT89C2051单片机设计一个小装置，替代原设计中的信号启动装置。

设计思路是： AT89C2051单片机有2个外部中断源，对应 和 引线。 和 引线上的有效外部中断请求信号，分别置位外部中断请求位IE0和IE1，中断请求信号的触发方式有电平触发方式和边沿触发方式两种，可通过外部中断触发方式控制位IE0和IE1的定义进行规定，电平触发方式是低电平有效，边沿触发方式是由高到低负跳变有效，即单片机AT89C2051在两相邻机器周期对 和 的相继采样中，前一次为高电平，后一次为低电平，就置位于外部中断请求位IE0和IE1，向单片机AT89C2051的CPU申请中断。【1】正好和冲击继电器工作原理相似，也是选用AT89C2051单片机替代冲击继电器的关键。用一片AT892051可以实现两只冲击继电器启动事故音响和预告信号的功能。

电路构成：脉冲变压器T1、T2原边端接SYM、YBM和-MX，同时又起到强电弱电隔离的作用，副边端接NPN型三极管Q1、Q2的基极；单片机 和 输入端接Q1、Q2的集电极，集电极电阻同时是 和 提供上拉电阻。按钮AN1和AN2为试验按钮，按钮AN3为复位按钮，复位单片机和手动解除报警音响，K为音响持续时间设定开关，设定时间为2s、4s、8s。端口P1.0、P1.1、P1.2作为输出口分别接3只发光二极管LED1～LED3、PNP型三极管Q3、Q4和2只继电器J1、J2，作为状态指示和启动电笛、警铃发出声响。电路见图。

3软件设计流程

（1）初始化（设置堆栈、外部中断及中断请求方式）。设P1.0低电平，延时0.5s，设P1.0高电平，延时0.5s，无条件循环。

（2）中断，判断设定时间，P1.1或P1.2低电平，延时，P1.1或P1.2高电平，中断返回。

单片机源程序：

ORG 0000H

AJMP MAIN

ORG 0003H

AJMP SGYX

ORG 0013H

AJMP YGYX

ORG 0100H

MAIN： MOV SP，#7BH ；设置堆栈

MOV IE，#85H

SETB IT0

SETB IT1

SETB PX0

SD： CLR P1.0 ；P1.0低电平

ACALL DELT ；延时0.5s

SETB P1.0 ；P1.0高电平

ACALL DELT ；延时0.5s

AJMP SD

SGYX： JNB P1.4， 2S

JNB P1.5， 4S

JNB P1.6， 8S

RETI

YGYX： JNB P1.4， 2S

JNB P1.5， 4S

JNB P1.6， 8S

RETI

2S： CLR P1.1 ；延时2s

ACALL DELN

SETB P1.1

RET

4S： CLR P1.1 ；延时4s

ACALL DELN

ACALL DELN

SETB P1.1

RET

8S： CLR P1.1 ；延时8s

ACALL DELN

ACALL DELN

ACALL DELN

ACALL DELN

SETB P1.1

RET

DELT： MOV R5，#04H ；0.5s子程序

DELT1： MOV R6， #0FFH

DELT2： MOV R7， #0FFH

DELT3： DJNZ R7， DELT3

DJNZ R6， DELT2

DJNZ R5， DELT1

RET

DELN： MOV R5，#28H ；2s子程序

DELN1： MOV R6， #09EH

DELN2： MOV R7， #09EH

DELN3： DJNZ R7， DELN3

DJNZ R6， DELN2

DJNZ R5， DELN1

RET

END

工作原理：上电后，单片机运行主程序。正常运行时，P1.0口的绿色LED1以0.5s的间隔闪烁，作为单片机电源及准备就绪指示。此时SYM或YBM上无论有无电压，只要电压值没有起伏变化，脉冲变压器T1、T2原边线中没有电流或流过恒定不变电流，次级端无互感电压输出，Q1、Q2截止， 和 输入端高电平，单片机电路保持原状。如果发生事故或异常情况时，相应的触点闭合， SYM或YBM瞬间上电，脉冲变压器T1、T2原边线有电流瞬间流过，次级端有互感电势，在电势作用下Q1或Q2导通，集电极高电平变低电平，相应的 和 输入端由高电平变低电平负跳变，从 和 向单片机CPU发中断请求，CPU立即中断正在执行的绿色LED1闪烁并熄灭， P1.1或P1.2口输出低电平，红色LED2或黄色LED3点亮，同时Q3或Q4导通驱动继电器J1或J2启动电笛或警铃，单片机读取I/O端口P1.4、P1.5、P1.6电平，运行相应的延时循环程序，经过延时，P1.1或P1.2口输出高电平，红色LED2或黄色LED3熄灭、继电器J1或J2释放，电笛或警铃停止，从而实现音响信号的延时自动复归（此前按AN3能手动复归），单片机回到中断前状态，绿色LED1继续以0.5s的间隔闪烁，准备再一次的启动。正常运行时如按下AN1或AN2时， 或 输入端由高电平变低电平负跳变，单片机电路同样动作，达到实验的目的。由于本电路使用一片AT89C2051单片机执行SYM和YBM两路信号检测，且受单片机硬件性能的限制，SYM和YBM同一时刻出现电压变化时单片机只能响应其中一个信号。考虑到事故信号比预告信号紧急，事故信号应优先响应。所以设定 最优先级，只要 输入端有负跳变，CPU优先处理，优先发事故音响信号。

本电路通过Proteus仿真实验，证明思路可行。应用延伸：充分利用单片机资源，比如RX、TX接口加装通信模块可实现和上位机的互联等。

5结语

通过用AT89C2051单片机电路替代小水电站中央信号装置中的冲击继电器试验，可以看到单片机的应用范围很大的，只要通过编程和外部的少量连线就可以实现以前电磁式继电保护用多个元件才能实现的逻辑功能。用单片机技术以及单片机低廉的价格在改造老旧设备、实现自动控制方面有很好的现实意义。用较小的投入最大限度的延长小水电站使用寿命。

参考文献：

[1]朱定华，戴汝平.单片微机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，北方交通大学出版社，2003.

[2]范锡普.发电厂电气部分[M].北京：中国电力出版社，1995.