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1、 变压器微机保护装置的设计原理设计方案根据方案所需要实现的功能，我们将系统构建成信号输入信号处理信号输出的模式，其系统框图下图所示。右边边为信号输入输出部分，可分为几个小模块进行设计；中间是信号处理部分，为80C196kc最小系统；左边为数据采集系统，也可分为几个小模块进行设计。PT交流接口模拟滤波CT多路转换开关A/D数据采集系统8255 PIO光电隔离出口I/O显示器/键盘输入输出系统80C196 KCERROME2PROM RMACPU系统电压形成交流接口模拟滤波电压形成 图2-1 保护系统框图键盘输入和液晶显示模块又称为人机接口模块，主要负责参数的输入和状态的显示，这里采用的是小键盘输
2、入和LCD1602液晶模块。电流检测模块采用的是Maxim公司生产的Max471芯片，电压检测模块采用AD736，。在电压、电流分别通过电压互感器和电流互感器后，再经过电流、电压监测模块，进行对数据的采集与转换；变压器的温度直接通过温度监测模块进行收集，接着把转换过的数据通入单片机中进行处理，最后报警并显示变压器当前的参数值并自动地控制、调整变压器的运行。三、系统模块的设计从总体上看，变压器智能保护系统可以分为以下模块：CPU模块、电流信号监测处理模块、电压信号监测处理模块及（显示）输出模块、通信模块。下面我们就一一进行较为详细的阐述。1、CPU模块在本设计中采用的微处理器（CPU）是AT89
3、C51，它是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes可编程可电擦除的只读存储器（PEROM）和128bytes的随机存储器（RAM），片内置通用8位中央处理器，和FLASH存储单元，功能强大，可供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。在本系统中，只需一片89C51并少许扩展外围信号调理电路，即可出色地实现本系统功能。下图便是本设计所用到的单片机： 另外我们还采用了6N137光耦合器，以求对继电器信号进行采集。这是一款用于单通道的高速光耦合器，其内部有一个850 nm波长AlGaAs LED和一个集成检测器组成，其检测器由一个光敏二极管、高增
4、益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。6N137光耦合器原理图： 图 3-5 6N137广耦合原理图在具体的设计电路中，本芯片由模拟电源提供3.3V电压，并且接地点与模拟地AGND相连，AGND与数字地DGND和通信地CGND等通过单点跟系统外壳（上图中用粗黑线画出的）共地，最后接入真正的大地。采取模拟电压供电和单独接入模拟地AGND的原因是为了防止数字电路的信号噪声干扰模拟信号采集电路，导致对模拟信号的采在集出错。其中MAX6674与数字系统的通信采用高速通信光耦隔离。通过Protel绘制的温度信号处理电路如下图所示。3、电压、电流信号处理模块 AD736采用双列直插式8脚封装
5、，其管脚排列如图所示：各管脚的功能如下：+Vs：正电源端，电压范围为2.816.5V；-Vs：负电源端，电压范围为-3.2-16.5V；Cc：低阻抗输入端，用于外接低阻抗的输入电压（200mV），通常被测电压需经耦合电容Cc与此端相连，通常Cc的取值范围为1020F.当此端作为输入端时，第2脚VIN应接到COM；VIN：高阻抗输入端，适合于接高阻抗输入电压，一般以分压器作为输入级，分压器的总输入电阻可选10M，以减少对被测电压的分流。该端有两种工作方式可选择：第一种为输出AC+DC方式。该方式将1脚（Cc）与8脚（COM）短接，其输出电压为效流真有效值与直流分量之和；第二种方式为AC方式。该方
6、式是将1脚经隔直电容Cc接至8脚，这种方式的输出电压为真有效值，它不包含直流分量。COM：公共端；Vo：输出端；CF：输出端滤波电容，一般取10F；CAV：平均电容。它是AD736的关键外围元件，用于进行平均值运算。其大小将直接响应到有效值的测量精度，尤其在低频时更为重要。多数情况下可选33F.接着，对于电流信号处理模块，我们采用Maxim公司生产的MAX471芯片，有一个电流输出端，可以用一个电阻来简单的实现以大地为参考点的电流转换，并可工作在较宽的电压范围内。拥有完美的高端电流监测功能，内部含有精密的内部监测电阻，在工作范围内，精度为2%。在测量电流时，也需要先将大电流转换为小电流，再通过
7、电流监测转换模块。 5、键盘与显示键盘模块：当维修人员修复好烧坏的变压器线路时，按键以提示系统可以重新启动。 图3-12 键盘模块电路图显示模块： 在电力变压器智能保护装置中，我们采用LCD1602液晶显示模块，它具有微功耗，体积小，显示丰富，超薄轻巧的诸多有点，在各类仪表和低功耗系统中得到了广泛的应用。此外，程序简单 ，如果用数码管动态显示，会占用很多时间来刷新显示，而这里用到的LCD1602能够自动完成此功能。显示模块引脚图：1602采用标准的16脚接口，其中：第1脚：VSS为电源地第2脚：VCC接5V电源正极第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高
8、(对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度)。第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端,高电平(1)时读取信息，负跳变时执行指令。第714脚：D0D7为8位双向数据端。第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。 6、RS485串行口通信模块在综合了传输距离，传输成本等多种因素后我们选择串行口通信，进行数据的创送。为了防止外界干扰，首先采用高速光耦将单片机的UART口和RS-485通信
9、器件隔离，单片机和RS-485通信器件单独供电，这样由通信线路从外界引入的干扰将止于高速光耦处，不会从光耦进入单片机，大大提高了单片机的稳定性。单片机异步通信口与76176之间采用光电隔离 8255 简介8255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。 其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。8255芯片8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。由于82
10、55可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为3个部分：与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。1）与CPU连接部分根据定义，8255能并行传送8位数据，所以其数据线为8根D0D7。由于8255具有3个通道A、B、C，所以只要两根地址线就能寻址A、B、C口及控制寄存器，故地址线为两根A0A1。此外CPU要对8255进行读、写与片选操作，所以控制线为片选、复位、读、写信号。各信号的引脚编号如下：（1）数据总线DB：编号为D0D7，用于8255与CPU传送8位数据。（2）地址总线AB：编号为A0A1，用于选择A、B、C口与控制寄存器。（3）控制总线CB：片选信号、复位信号RST
11、、写信号、读信号。当CPU要对8255进行读、写操作时，必须先向8255发片选信号选中8255芯片，然后发读信号或写信号对8255进行读或写数据的操作。2）与外设接口部分根据定义，8255有3个通道A、B、C与外设连接，每个通道又有8根线与外设连接，所以8255可以用24根线与外设连接，若进行开关量控制，则8255可同时控制24路开关。各通道的引脚编号如下：（1）A口：编号为PA0PA7，用于8255向外设输入输出8位并行数据。8255芯片（2）B口：编号为PB0PB7，用于8255向外设输入输出8位并行数据。（3）C口：编号为PC0PC7，用于8255向外设输入输出8位并行数据，当8255工
12、作于应答I/O方式时，C口用于应答信号的通信。3）控制器8255将3个通道分为两组，即PA0PA7与PC4PC7组成A组，PB0PB7与PC0PC3组成B组。如图7.5所示，相应的控制器也分为A组控制器与B组控制器，各组控制器的作用如下：（1）A组控制器：控制A口与上C口的输入与输出。（2）B组控制器：控制B口与下C口的输入与输出。8255芯片2特性(1)一个并行输入/输出的LSI芯片,多功能的I/O器件,可作为CPU总线与外围的接口.(2)具有24个可编程设置的I/O口,即3组8位的I/O口为PA口,PB口和PC口.它们又可分为两组12位的I/O口,A组包括A口及C口(高4位,PC4PC7)
13、,B组包括B口及C口(低4位,PC0PC3).A组可设置为基本的I/O口,闪控(STROBE)的I/O闪控式,双向I/O3种模式;B组只能设置为基本I/O或闪控式I/O两种模式,而这些操作模式完全由控制寄存器的控制字决定.3引脚功能RESET:复位输入线，当该输入端处于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。CS:芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时,即/CS=0时,表示芯片被选中，允许8255与CPU进行通讯;/CS=1时,8255无法与CPU做数据传输.RD:读信号线，当这个输入引脚为低跳变沿时,即/RD产生一个低脉冲且/CS=0时,允许825
14、5通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。WR:写入信号，当这个输入引脚为低跳变沿时,即/WR产生一个低脉冲且/CS=0时,允许CPU将数据或控制字写入8255。D0D7:三态双向数据总线，8255与CPU数据传送的通道，当CPU 执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。8255具有3个相互独立的输入/输出通道端口，用+5V单电源供电，能在以下三种方式下工作。方式0基本输入输出方式；方式1选通输入/出方式；方式2双向选通输入/输出方式；PA0PA7:端口A输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个8位的数据输入锁存器。 工作于三种方式中的任何一种；PB0PB7:端口B输入输出线，一个8位的I/O锁存器， 一个8位的输入输出缓冲器。 不能工作于方式二；PC0PC7:端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个8位的数据输入缓冲器。端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口， 每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。不能工作于方式一或二。A1,A0:地址选择线,用来选择8255的PA口,PB口,PC口和控制寄存器.当A1=0,A0=0时,PA口被选择;当A1=0,A0=1时,PB口被选择;当A1=1,A0=0时
