單片機在電力系統過電流保護中的應用

（1.南昌理工學院，江西南昌 330044；2.南昌工學院，江西南昌 330108；3.江西科技學院附屬中學，江西南昌 330029）

0 引言

隨著電力工業智能化的發展，微處理器芯片的智能控制在電力工業中的應用越來越廣泛，微處理器芯片克服了傳統機電控制的反應慢、控制精度較低的缺點。本文設計的由微處理器芯片89S51單片機電力系統的過流保護系統正是基于此意義進行的。在電力系統中該模塊是一個能保護變壓器、母線、電機和其他需要過電流保護的用電設備。該模塊可根據用電設備的要求對過電流保護進行設定，通用性好，并可進行擴容和功能升級改進，使用性價比高。本設計包括硬件電路和相應的軟件程序。

1 89S51單片機的特點

89S51單片機是8 bit單片機，40個外部引腳，采樣雙列直插式結構。片內有4 kB的電可擦除ROM、128 B的RAM和一定數量的SFR，儲存空間能滿足本設計的要求。該單片機設有4個P0-P3的I/O口，完成與外部設備的信息交換。片內設有2個定時器T0、T1用于完成定時，同時設有中斷系統，可完成5個中斷源提出的中斷處理工作。該單片機性能穩定，工作可靠，性價比高[1-3]。

2 硬件系統的設計

2.1 硬件系統整體結構

圖1 硬件系統整體結構

硬件系統整體結構如圖1所示。包括單片機最小工作系統、電壓取樣、設定限流值輸入按鍵、限流檔位LED顯示、輸出電流放大、繼電器控制及其他輔助電路組成。單片機最小工作系統包括+5 V的供電直流電源、外部時鐘電路和復位電路。由于89S51單片機的集成度高，故配備的外部電路少，使用方便。89S51單片機片內集成了4 kB容量的Flash程序存儲器用于存放工作控制程序，128 B容量的RAM用于存放數據，18個SFR用于完成系統工作狀態的設定和相應的控制。89S51單片機片有4組I/O口線，能連接人機交互的鍵盤完成輸入、同時也可通過這些口線完成控制信號的輸出，如LED顯示控制、對繼電器的控制等[4-7]。

2.2 電壓取樣電路的設計

電壓取樣電路如圖2所示。包括電流互感器、取樣電阻R、全橋整流、濾波、取樣電壓放大電路組成。工作過程如下：通過電流互感器取的用電設備的電流，取樣電阻上的電壓和流經用電設備的電流成正比，取樣后的電壓信號經全橋整流和濾波后通過集成運放LM324進行電壓放大，得到0-5 V的直流電壓，最后將放大后的電壓取樣信號送模數轉換集成芯片ADC0809進行數字轉換[8-10]。

圖2 電壓取樣電路

2.3 其他電路

包括A/D轉換電路，外部時鐘電路，復位電路，開關電路，+5 V電源電路，限流檔位LED顯示電路，輸出電流放大電路，繼電器控制電路等。其中：+5 V電源用來提供單片機和繼電器工作電源。按鍵AN1-AN10用來提供給用戶設定限流值，限流檔位LED顯示電路用來指示當前設定的限流值。由三極管BG組成的輸出電流放大電路用來給繼電器提供驅動電流，繼電器控制電路用來控制接通或斷開用電設備的供電電源。外部時鐘電路、復位電路和其他輔助電路用來提供給單片機和其他芯片正常工作。A/D轉換電路用來將放大后的采樣電壓信號轉換成八位二進制數，通過單片機處理系統將該八位二進制數和設定值進行比對，根據比對結果發出相應的控制信號從而來達到限流的控制。

2.4 硬件電路

系統硬件電路如圖3所示。

圖3 系統硬件電路

2.5 系統工作原理

工作時用戶首先通過按鍵AN1-AN10對限流值進行設定，設定值分別為1~10 A，相應的發光二極管LED1-LED10會點亮顯示。設定完成后，按下按鍵AN11系統即開始正常工作。

工作開始后系統反復將放大后的電壓取樣信號送模數轉換集成芯片ADC0809進行數字轉換，并將轉換后的結果送單片機，單片機對結果進行限流比對，若小于設定的限流，則不啟動繼電器工作，若達到設定的限流，則通過I/O控制引腳P3.5輸出高電平，通過三極管電流放大電路，啟動繼電器工作，使繼電器常閉觸點開關斷開切斷系統供電電源，保護用電設備。

電路中，集成芯片74LS244用于提供發光二極管的驅動電流。集成芯片74LS74用于對單片機提供的ALE控制信號進行二分頻，二分頻后的信號用于ADC0809的時鐘脈沖。集成芯片LM7805用于穩壓，確保系統的+5 V直流工作電壓的穩定。

2.6 系統功能說明

2.6.1 安全性

為了確保該系統的安全性，本方案的取樣電路采用了電流互感器，實現了強弱電分離。通過電流互感器B2，將N3的原邊電流1:1的互感到副邊N4，這樣取樣電阻R上的電壓就和用電設備通過的電流成正比。

2.6.2 可靠性

本系統設計的限流最大值為10 A，當電流達到最大值時，取樣電阻R上的電壓為0.5 V，該電壓經過整流濾波后轉換成直流電壓，經過LM324集成運放（通過調節R100K，可以調節電壓放大倍數）將電壓放大到5 V，這樣就可以和ADC0809協調使用，確保了轉換值在有效范圍內，該轉換值提供給單片機進行數字比對，從而確保了系統工作的可靠性，避免了系統的誤動作和不動作等不正常情況。

可靠性的另一個指標是系統響應時間。系統的響應時間包括取樣時間、轉換時間、單片機對信號的處理時間和繼電器動作時間。和傳統的電控繼電器過流保護系統相比，本系統增加了轉換時間和單片機對信號的處理時間。本系統ADC0809的轉換時間不超過128 us，單片機對信號的處理時間（處理程序的執行時間）約為100 us，這樣增加的時間僅為228 us左右，對系統幾乎沒有影響。

2.6.3 通用性

本系統的限流值用戶可以根據用電設備進行自行設定，分為十檔，從1 A開始，每檔增加1 A電流。這樣系統具有一定的通用性，滿足不同用電設備的需求。如對限流值有不同的需要，只需相應地更改軟件程序即可。

3 軟件設計

根據限流分為十檔的要求，從限流值1 A開始到10 A，經采樣放大后每檔對應的送ADC0809進行轉換的電壓值從0.5 V開始每檔增加0.5 V，最大為5 V。這樣設計可使采樣系統和模數轉換集成芯片ADC0809之間工作更可靠，轉換精度更高，同時方便編程。編程時對應限流10 A的轉換電壓為5 V，經ADC0809轉換后的值為FFH，對應限流9 A的轉換電壓為4.5 V，經ADC0809轉換后的值為E6H，以此類推對應限流1 A的轉換電壓為0.5 V，經ADC0809轉換后的值為1 AH，每檔轉換值平均相差25.6，采樣四舍五入，最大誤差值不超過1.6%，基本能滿足使用要求。

系統的軟件設計采用了匯編語言程序設計。

主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

參考程序如下：

4 結語

本系統的主要特點是經濟性和實用性，采用市場上普及的單片機芯片89S51即實現了微處理器智能化的過流保護系統，性價比高，該系統具有精度高，限流電流可調的特點。

該系統也存在一些不足之處，如系統的動作時間仍受繼電器相應動作時間的影響，在轉換精度方面仍存在一些誤差。這些都是今后需進一步改進的地方。