单片机在电力系统过电流保护中的应用

2019-01-11

江西电力 2018年12期

（1.南昌理工学院，江西南昌 330044；2.南昌工学院，江西南昌 330108；3.江西科技学院附属中学，江西南昌 330029）

0 引言

随着电力工业智能化的发展，微处理器芯片的智能控制在电力工业中的应用越来越广泛，微处理器芯片克服了传统机电控制的反应慢、控制精度较低的缺点。本文设计的由微处理器芯片89S51单片机电力系统的过流保护系统正是基于此意义进行的。在电力系统中该模块是一个能保护变压器、母线、电机和其他需要过电流保护的用电设备。该模块可根据用电设备的要求对过电流保护进行设定，通用性好，并可进行扩容和功能升级改进，使用性价比高。本设计包括硬件电路和相应的软件程序。

1 89S51单片机的特点

89S51单片机是8 bit单片机，40个外部引脚，采样双列直插式结构。片内有4 kB的电可擦除ROM、128 B的RAM和一定数量的SFR，储存空间能满足本设计的要求。该单片机设有4个P0-P3的I/O口，完成与外部设备的信息交换。片内设有2个定时器T0、T1用于完成定时，同时设有中断系统，可完成5个中断源提出的中断处理工作。该单片机性能稳定，工作可靠，性价比高[1-3]。

2 硬件系统的设计

2.1 硬件系统整体结构

图1 硬件系统整体结构

硬件系统整体结构如图1所示。包括单片机最小工作系统、电压取样、设定限流值输入按键、限流档位LED显示、输出电流放大、继电器控制及其他辅助电路组成。单片机最小工作系统包括+5 V的供电直流电源、外部时钟电路和复位电路。由于89S51单片机的集成度高，故配备的外部电路少，使用方便。89S51单片机片内集成了4 kB容量的Flash程序存储器用于存放工作控制程序，128 B容量的RAM用于存放数据，18个SFR用于完成系统工作状态的设定和相应的控制。89S51单片机片有4组I/O口线，能连接人机交互的键盘完成输入、同时也可通过这些口线完成控制信号的输出，如LED显示控制、对继电器的控制等[4-7]。

2.2 电压取样电路的设计

电压取样电路如图2所示。包括电流互感器、取样电阻R、全桥整流、滤波、取样电压放大电路组成。工作过程如下：通过电流互感器取的用电设备的电流，取样电阻上的电压和流经用电设备的电流成正比，取样后的电压信号经全桥整流和滤波后通过集成运放LM324进行电压放大，得到0-5 V的直流电压，最后将放大后的电压取样信号送模数转换集成芯片ADC0809进行数字转换[8-10]。

图2 电压取样电路

2.3 其他电路

包括A/D转换电路，外部时钟电路，复位电路，开关电路，+5 V电源电路，限流档位LED显示电路，输出电流放大电路，继电器控制电路等。其中：+5 V电源用来提供单片机和继电器工作电源。按键AN1-AN10用来提供给用户设定限流值，限流档位LED显示电路用来指示当前设定的限流值。由三极管BG组成的输出电流放大电路用来给继电器提供驱动电流，继电器控制电路用来控制接通或断开用电设备的供电电源。外部时钟电路、复位电路和其他辅助电路用来提供给单片机和其他芯片正常工作。A/D转换电路用来将放大后的采样电压信号转换成八位二进制数，通过单片机处理系统将该八位二进制数和设定值进行比对，根据比对结果发出相应的控制信号从而来达到限流的控制。

2.4 硬件电路

系统硬件电路如图3所示。

图3 系统硬件电路

2.5 系统工作原理

工作时用户首先通过按键AN1-AN10对限流值进行设定，设定值分别为1~10 A，相应的发光二极管LED1-LED10会点亮显示。设定完成后，按下按键AN11系统即开始正常工作。

工作开始后系统反复将放大后的电压取样信号送模数转换集成芯片ADC0809进行数字转换，并将转换后的结果送单片机，单片机对结果进行限流比对，若小于设定的限流，则不启动继电器工作，若达到设定的限流，则通过I/O控制引脚P3.5输出高电平，通过三极管电流放大电路，启动继电器工作，使继电器常闭触点开关断开切断系统供电电源，保护用电设备。

电路中，集成芯片74LS244用于提供发光二极管的驱动电流。集成芯片74LS74用于对单片机提供的ALE控制信号进行二分频，二分频后的信号用于ADC0809的时钟脉冲。集成芯片LM7805用于稳压，确保系统的+5 V直流工作电压的稳定。

2.6 系统功能说明

2.6.1 安全性

为了确保该系统的安全性，本方案的取样电路采用了电流互感器，实现了强弱电分离。通过电流互感器B2，将N3的原边电流1:1的互感到副边N4，这样取样电阻R上的电压就和用电设备通过的电流成正比。

2.6.2 可靠性

本系统设计的限流最大值为10 A，当电流达到最大值时，取样电阻R上的电压为0.5 V，该电压经过整流滤波后转换成直流电压，经过LM324集成运放（通过调节R100K，可以调节电压放大倍数）将电压放大到5 V，这样就可以和ADC0809协调使用，确保了转换值在有效范围内，该转换值提供给单片机进行数字比对，从而确保了系统工作的可靠性，避免了系统的误动作和不动作等不正常情况。

可靠性的另一个指标是系统响应时间。系统的响应时间包括取样时间、转换时间、单片机对信号的处理时间和继电器动作时间。和传统的电控继电器过流保护系统相比，本系统增加了转换时间和单片机对信号的处理时间。本系统ADC0809的转换时间不超过128 us，单片机对信号的处理时间（处理程序的执行时间）约为100 us，这样增加的时间仅为228 us左右，对系统几乎没有影响。

2.6.3 通用性

本系统的限流值用户可以根据用电设备进行自行设定，分为十档，从1 A开始，每档增加1 A电流。这样系统具有一定的通用性，满足不同用电设备的需求。如对限流值有不同的需要，只需相应地更改软件程序即可。

3 软件设计

根据限流分为十档的要求，从限流值1 A开始到10 A，经采样放大后每档对应的送ADC0809进行转换的电压值从0.5 V开始每档增加0.5 V，最大为5 V。这样设计可使采样系统和模数转换集成芯片ADC0809之间工作更可靠，转换精度更高，同时方便编程。编程时对应限流10 A的转换电压为5 V，经ADC0809转换后的值为FFH，对应限流9 A的转换电压为4.5 V，经ADC0809转换后的值为E6H，以此类推对应限流1 A的转换电压为0.5 V，经ADC0809转换后的值为1 AH，每档转换值平均相差25.6，采样四舍五入，最大误差值不超过1.6%，基本能满足使用要求。

系统的软件设计采用了汇编语言程序设计。

主程序流程图如图4所示。