毕业设计（论文）-智能型交流电动机缺相保护器.doc

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1、兰州大学毕业设计说明书 1 摘 要 随着经济与社会的不断发展，各种各样的电动机已经在现在工业生产，产业部门 以及我们日常生活中得到广泛应用。它们已是当今生产活动和日常生活中最重要的原 动力和驱动装置。电动机的数量之多，应用范围之广，地位之重要，几乎没有其他设 备与之相比。电动机的类型很多，应用环境千差万别，其使用要求也是各不相同。恶 劣的使用环境常常造成电动机的性能下降而导致故障。特别是在煤炭企业，随着煤矿 双高矿井建设的使用环境常常造成电动机的性能下降而导致故障。作为煤矿主要原动 力的电动机，在煤矿安全生产中的作用至关重要。但是，由于煤矿井下环境条件恶劣， 电动机经常遭受水，潮气，高温，煤尘

2、的侵害，特别是生产运输区域的电动机时常被 煤或杂物掩埋，使电动机运行条件严重恶化，各种性能下降，诱发各种事故，并且电 动的烧毁也时有发生，给安全生产带来较大损失。 本文针对目前存在的问题,提出了改变传统的电动机保护和控制模式，采用先进的 工业级芯片基于 32 位 ARM2104 设计，集全面的电动机数字保护，综合电量测量及现场 /远方启停操作控制，运行状态监视，故障记录及网络通讯于一体，具有过负载，电流 不平衡，接地/漏电，欠电流，堵转，短路，温度，欠压，过压，欠功率，启动加速超 时等多种数字式保护功能，满足直接启动双相，星/三角启动等启动方式，实现电动机 回路的三相电流，接地电流等多种电参数

3、的测量，可与 RTU，PLC 及多种微机工控组态 软件（iFIX,WinCC,Intouch,组态王，MCGS）实现网络通讯，构成分布式综合电力监控 系统。 关键词关键词: :交流电动机；保护器；缺相；交流电动机；保护器；缺相；ARMARM 芯片芯片 兰州大学毕业设计说明书 2 Abstract With the development of the economy and society, a wide range of motor industry has been in production now, it has been widely applied in industrial se

4、ctors and our everyday life . They are the most important motivation and drive in todays production activities and daily life. There are almost no comparison with other equipment in motor number of people, and the application scope, status important. There are many types of motors, and application e

5、nvironment are vastly different, their use of the requirement is not the same. Poor use of the environment often leads to declining motor performance and lead to a malfunction. Particularly in the coal enterprises, With the high use of the environment in coal-mine construction ,the harsh environment

6、al conditions often leads to declining motor performance and lead to a malfunction. As a major driving force behind the Mine motor, it plays the vital role in coal mine production. However, motor is frequently violated by water, humidity, high temperature and coal dust in harsh environmental conditi

7、ons of the coal mine. Particularly the production of regional motor transport are often buried coal or junk, and the motor running condition are seriously deteriorated, various properties decrease induced accidents, and the electrical burn will occur from time to time, to bring greater safety in pro

8、duction losses. Based on the existing problems, a change from the traditional electrical protection and control mode has been advanced based on the industrial grade 32 ARM2104 design, a comprehensive set of Digital Motor protection, Comprehensive measurement of electricity consumption and Field / af

9、ar COMMITMENT operational control, running and monitoring, fault recording and communications network integration unduly load, the current imbalance, grounding / leakage, less current, blocking, and short circuit, temperature, undervoltage, overvoltage, less power, accelerate the start of overtime a

10、nd other digital protection functions to meet directly activated duplex, star / delta starter, and other start-up mode, Implementation of the three-phase electrical circuit current, current grounding various parameters measured with RTU, PLC and a variety of industrial computer configuration softwar

11、e (iFIX, WinCC, Intouch, Kingview. MCGS) network communication, distributed constitute an integrated power control system. Key Words：AC motor, protection device, phase missing, ARM Chip 兰州大学毕业设计说明书 3 目录 第一章 绪论.1 1.1 智能型交流电动机缺相保护器选题背景和目的意义.1 1.1.1 交流电动机缺相保护器选题背景.1 1.1.2 交流电动机缺相保护器选题目的和意义.1 1.2 主要技术指标

12、、要求及内容：.2 1.3 本设计（研究）思想：2 第二章 交流电动机保护器总体方案.3 2.1 电动机综合保护控制方案研究3 2.1.1 电动机起动过程的保护.3 2.1.2 过载(过流)保护4 2.1.3 断相运行保护方案.5 2.1.4 短路保护5 2.1.5 电动机的电压保护5 2.1.6 电动机漏电保护6 2.1.7 温度保护.6 2.1.8 电动机星三角起动.7 2.1.9 电动机启动正反转控制8 2.2 方案分类：9 2.3 方案比较论证和确定9 2.3.1 方案比较论证.10 2.3.2 方案确定.10 第三章 硬件设计.11 3.1 电路设计、元器件及设备选型.12 3.1.

13、1 电路设计12 3.1.2 各功能模块简介13 3.2 各芯片概述14 3.2.1 LPC 2104 的简介.14 3.2.2 ADE7758 的简介.18 3.3 各模块介绍20 3.3.1 电源模块的设计20 兰州大学毕业设计说明书 4 3.3.2 频率、电压和电流测量电路.21 3.3.3 人机交互和复位电路.24 3.3.4 LCD 指示电路26 3.3.5 通讯接口电路26 3.3.6 双通道 AD 转换模块27 3.3.7 PT100 温度测量27 3.3.8 蜂鸣电路.29 3.3.9 系统时钟电路.29 3.3.10 闭锁保护.29 第四章 软件设计.31 4.1 软件结构概

14、述31 4.2 各模块流程图 31 第五章结论.45 参考文献.46 外文原文.47 译文.66 致谢.79 附录.80 兰州大学毕业设计说明书 1 第一章 绪论 1.1 智能型交流电动机缺相保护器选题背景和目的意义 1.1.1 交流电动机缺相保护器选题背景 智能型交流电动机缺相保护器设计，是按 IEC 国际标准开发的智能化，网络化，数 字化低压电动机保护控制器；其改变了传统的电动机保护与控制模式，取代了热继电 器，电流互感器，中间电动机，变送器等常规电器元件，在全面实现保护，测量，控 制一体化的同时，将先进的网络通讯技术和分布式智能技术溶入 MCC 控制提供了科学 有效的现场级保护，测控单元

15、。这样做的优越性如下： (1) 可以经济运行 由于某相线路发生缺相故障,给工作中的电动机造成缺相运行,继 而烧毁电动机,中断正常生活,给大家的工作、生活带来许多不便。通过电动机缺相保 护器的设计，我们可以使得电动机正常运行，不会因缺相之后及时停止运行。 (2) 可以保持运行可靠性 在三相电动机运行当中,无论缺任何一相或两相电源, 电动机均能自动停运,避免了电动机缺相时运行被损坏的目的。 (3) 可以提高电动机的运行质量 大大提高电动机的运行质量，不会因为缺相造 成电动机的自动停转，可以继续运行。 1.1.2 交流电动机缺相保护器选题目的和意义 电动机已经在现在工业生产，产业部门以及我们日常生活

16、中得到广泛应用。它们 已是当今生产活动和日常生活中最重要的原动力和驱动装置。电动机的数量之多，应 用范围之广，地位之重要，几乎没有其他设备与之相比。电动机的类型很多，应用环 境千差万别，其使用要求也是各不相同。恶劣的使用环境常常造成电动机的性能下降 而导致故障。 造成这种现象的原因是多方面的，除了管理措施不完善等因素外，关键的问题是 电动机保护技术尚有不尽人意之处，误动、拒动的情况时有发生，常影响正常使用， 以致出现多数用户不用或将保护装置甩掉的严重现象。 为了避免电动机事故的发生，我们应该适时地对电动机进行保护，保障电动机的 安全，从而防止电动机因过载，缺相，过流，漏电等造成的事故。 断相引

17、起缺相时引起电动机烧毁的一个主要原因，约占电动机烧毁的 10%以上。从 广义上讲，输入电动机绕组电流不对称达到一定程度，就是故障状态。电动机断相运 兰州大学毕业设计说明书 2 行则是一种严重的电动机绕组电流不对称的故障状态。 对称三相电路的一种良好的特性是瞬间功率的平衡，这种特性反映到三相电动机 的运行上，就是电动机机轴所受到的转矩平衡，没有振动。但电动机绕组断相，启动 电动机时就会有嗡嗡不能启动的现象。电动机三相电流不对称运行，将要烧毁电机。 电动机的断相造成的缺相毕竟是一种状态，虽然未对电动机造成伤害，但电动 机的转速，功率因数，效率等随之下降，且使电动机振动积聚，对电动机的安全是一 种隐

18、患，应尽早排除。 1.2 主要技术指标、要求及内容： .采用先进的工业级芯片基于 32 位 ARM2104 设计，电气隔离和电磁屏蔽设计符合国 际标准，使装置的硬件系统具有高抗干扰能力的工作可靠性； .集全面的电动机数字保护，综合电量测量及现场/远方启停操作控制，运行状态监 视，故障记录及网络通讯于一体； .具有过负载，电流不平衡，接地/漏电，欠电流，堵转，短路，温度，欠压，过压， 欠功率，启动加速超时等多种数字式保护功能，满足直接启动双相，星/三角启动等启 动方式； .保护控制模块与现实操作单元采用分体安装结构，安装/维护及为灵活； .实现电动机回路的三相电流，接地电流等多种电参数的测量；

19、. 可与 RTU，PLC 及多种微机工控组态软件（iFIX,WinCC,Intouch,组态王，MCGS） 实现网络通讯，构成分布式综合电力监控系统。 1.3 本设计（研究）思想：（研究）思想： 采用先进的工业级芯片基于 32 位 ARM2104 设计，集全面的电动机数字保护，综合 电量测量及现场/远方启停操作控制，运行状态监视，故障记录及网络通讯于一体，具 有过负载，电流不平衡，接地/漏电，欠电流，堵转，短路，温度，欠压，过压，欠功 率，启动加速超时等多种数字式保护功能，满足直接启动双相，星/三角启动等启动方 式，实现电动机回路的三相电流，接地电流等多种电参数的测量，可与 RTU，PLC 及

20、多 种微机工控组态软件（iFIX,WinCC,Intouch,组态王，MCGS）实现网络通讯，构成分布 式综合电力监控系统。 兰州大学毕业设计说明书 3 第二章 交流电动机保护器总体方案 2.1 电动机综合保护控制方案研究 2.1.1 电动机起动过程的保护 电机起动的瞬间，起动电流非常大，高达电机额定电流的 78 倍。但随着电机的转速 增大，电流逐步减小，在额定负荷下，起动电流最终稳定在额定电流上，这一过程称 为电机的起动过程。在上述起动过程中我们可以看出，在电机起动的瞬间，电动机实 际上处于堵转运行状态，而此后的过程中电机一直处于过电流运行状态，但这过程是 必须经过的，是正常现象。为了提高保

21、护器的实用性，我们采用“起动特性曲线上移 法”来解决这个问题。 每个电机都有一个正常最大起动电流，电机起动电流是一条随时间变化的曲线， 如图 2-1 中的实线部分。如果将电机起动特性曲线进行适当的上移，如图 图 2-1 电动机起动的电流反时曲线 2.1 中的虚线部分。图中 q I 为起动电流， e I 为额定电流。上移的目的是增强抗干扰能 力，以防止其超时起动。 2.1.2 过载(过流)保护 过载(过流)保护:电动机过载是指其运行电流超过其额定电流的 1.2 倍以上。短时 超载仍属正常运行，只有热量积累到使电动机绕组的实际温升达到会显著降低绝缘寿 命的程度时，才要求保护电器给予保护。 兰州大学

22、毕业设计说明书 4 我们采用了反时限特性保护法。它是依据启动特性曲线，按时间轴反向计算，计 算各过流下的时间延时值。若出现过载故障 ,微处理器执行过载程序 ,根据设定的电 流值运算比较过载倍数,根据过载倍数进入相应的运行程序,并启动相应的定时器。如 果过载时间达到该定时器的定时时间,微处理器发出指令,执行继电器动作,停止电动机 运行,并记忆过载故障,在一定时间内自动恢复。如果过载倍数超过 8 倍,程序则判定为 短路故障,微处理器执行断路程序。 在设计电动机的保护方案前首先对对电动机升温的容量进行计算。 11 11 tt TT fin ss W ee H A 11 11 tt TT fin ss

23、 KW eKe H A 2 11 2 lnln 11 Kk tTT Kk 图 2-1 所示的曲线是一个非线性的、反时限的曲线，动作时间随电流增大而变小。根 据标准过载保护特性曲线和反时限曲线得出时间计算公式： 1 set op II K TMt 当 00.1 set I I 式中：top动作时间， （秒） ； TM曲线时间倍数整定值； I测量电流值。该值可以是一次或二次实际测量值，也可以是以电动机额定电流、 整定电流或电流互感器二次额定电流为基准的标幺值； Iset整定电流值；K常数，见下表典型过负荷保护特性曲线数据表；常 数，见表 21； 曲线形式 KL 极端反时限 28.220.1217

24、非常反时限 19.6120.491 适度反时限 0.05150.020.114 表 21 典型过负荷保护特性曲线数据表 标准过载反时限曲线计算公式： L II KTD t set op 17 当 0.1 set I I 式中：L标准过载常数，见表 21； TD标准过载曲线时间刻度整定值。 GE 标准过负荷保护特性曲线计算公式： 兰州大学毕业设计说明书 5 10.0505475810.02530337 2.2116623 2 opop op II SCM t 式中： SCM标准曲线倍数；Iop动作电流。 2.1.3 断相运行保护方案 断相产生的不对称电流对电动机的损害不仅仅是电流增加引起定子发热

25、，会导致 电动机端部发热、转子振动，以及启动力矩降低等一系列问题，造成电动机的严重损 坏。断相电流的测量与判断依据：当电动机绕组以丫形连接时，无论断相发生在线路 上或 A 者绕组内部，所断相的线电流均为零。对于形连接的电动机，发生外部线路 断相时，同样所断相的线电流为零。若形连接的电机发生绕组内部断相时，电动机 的线电流不为零，线电流最大值和最小值的比为 3，断相时仍采用(2.6)式计算各相 的电流值。断相保护的判据:某相电流为零;三相严重不平衡，形连接的电机发 生绕组内部断相时，断相特性参数值: 22 maxmin 6 2 min 31 2 2 II C I 式中: max I 电动机三相电

26、流中最大值; min I 电动机三相电流中最小值 考虑到三相不平衡情况，断相特性参数几可设置为 0.5-1.8。采用 max I 和 min I 计算可 以省去开放运算。断相保护动作时间选择断相或不平衡故障采用定时限保护。 2.1.4 短路保护 短路故障时不同相的导线间或相对地发生金属性的接连或经较小阻抗的连接。电 动机出现短路后，短路电流通常大于 8 倍额定电流以上，短路电流使绕组迅速产生高 热，以致绝缘变色、焦脆、直至烧毁。短路后果严重，因此出现短路电流后应当迅速 切断电源。在第一次检测到有短路电流产生后再经过一个周期后就切断电源，即 0.04 秒。 2.1.5 电动机的电压保护 我们在保

27、护器中还设计了过、欠压保护电路。工作原理为:保护器的工作电源直接 取自给电机供电的线电压，A 相、B 相和 C 相。这样在给保护器提供交流 380 V 工作电 源的同时，还实现了对该两相的供电情况进行监测。一旦这两相电源有一相过压或电 压明显降低，保护器电路中的电压传感器接受的信号就会变化，从而整流滤波输入到 单片机的电压信号将会发生变化，CPU 就会续做出相应的判断。 兰州大学毕业设计说明书 6 电动机的电源电压是难以保证恒定、不出现波动或其它异常情况，当电动机的端 电压低于额定值时，由于电磁转矩与电压的平方成正比，因此其转矩下降更多，从而 导致负荷电流增大，电动机发热增加，绝缘老化速度加快

28、，使电机的使用寿命缩短， 因此必须装设低电压保护。另一方面，如果电动机带负载运行时电源电压升高，则电 动机电流降低，但铁损和铜损变大，引起电动机温度上升。因此，针对电源电压的变 化，可以分别配置低电压和过电压保护。 2.1.6 电动机漏电保护 电路中无触电、漏电等接地故障时,无论三相三线制还是三相四线制电路,各相与 零线上电流的矢量和等于零,即 0 abcN IIII 同时, 各相电流在铁心中产生的 磁通的矢量和亦为零。漏电等接地故障时,零序互感器中有漏电流通过,这时穿过互感 器的电流矢量和不等于零( 0 abcN IIII ),因此互感器中磁通量的变化不等于 零。这样就可以利用零序电流互感器

29、就可以检测出来。漏电保护器是由于电路中有触 电、漏电等接地故障时, 引起回路合成电流的改变, 最终导致保护器动作, 从而切断 故障回路, 为了保证人身安全。 2.1.7 温度保护 电动机在运行时，总有一定能量损耗，损耗包括铜耗、铁耗和机械损耗，其中铜 耗与电流的平方成正比，而铁耗和机械损耗几乎不变的，这些损耗将全部转变成热能， 使电动机自身温度升高，超过周围环境温度。电动机温度比环境温度高出的值就称为 温升。电机本身是一个由多种材料组成的组合体，其发热情况比较复杂，电机的发热 曲线与均质发热体的发热曲线只有较小的差别。为了便于计算和分析，一般将实际电 机认为是一个均质发热体。对于电动机的发热过

30、程，其温度随时间成指数关系变化如 下图 2-2 所示： 图 2-2 电动机的温升特性曲线 温度传感器过负荷保护的报警和跳闸动作整定值取决于电动机温度的高低，以及 兰州大学毕业设计说明书 7 电动机所处的环境温度和海拔位置，其计算公式如下： setchchset IKI . 式中： .set ch I 修正后的电流整定值，并以该值取代 set I ch K 环境温度修正系数； ch K = 1 当 40 T 时； ch K = 1.40.01T 当 65 T 40时； ch K = 0.75 当 T 65时。 2.1.8 电动机星三角起动 异步电动机直接起动的控制电路，是利用继电器闭合交流接触器

31、线圈 KM 通电，其 主触点闭合，使电动机 M 起动。KM 动合（常开）辅助触点起自锁作用，以保证继电器 信号过后，电动机仍能继续运转。 图 2-3 电动机星三角起动原理接线图 星-三角起动法适用于正常运行时绕组为三角形联接的的电动机，电动机的三相绕 组的六个出线端都要引出，并接到转换开关上。起动时，将正常运行时三角形接法的 定子绕组改接为星形联接，起动结束后再换为三角形连接。这种方法只适用于中小型 兰州大学毕业设计说明书 8 鼠笼式异步电动机。图 2-3 所示的是这种方法的原理接线图。起动时，电机定子绕组 星形连接，当电机接近额定速度时，电机定子绕组改为三角形连接。 2.1.9 电动机启动正

32、反转控制 异步电动机正反转控制电路，利用 KM1 和 KM2 两个交流接触器使 A，C 两相电互换。 为防止接触器同时工作，而使电源通过它们的主触点发生短路，所以在控制电路中， KM1 和 KM2 不能同时接通。在这里交流接触器都是由继电器控制器电磁线圈进行控制 的。如图 2-4 所示： 图 2-4 电动机正反转原理接线图 2.2 方案分类： 方案 1：使用热继电器。传统的机电式继电器为主，包括:熔断器、热继电器、电 动机保护用自动开关及双金属片式温度继电器等。 方案 2：采用 555 时基电路等电子元件,可自行调节设定参数。保护装置可以划分 为三个环节,其中中心环节是一个 555 时基电路,

33、另两个环节分别是控制线路的电源和控 制信号电路。 方案 3：多功能智能化电动机保护器采用数字集成电路和运算放大器,集过流，断 相，过载，过热，欠压保护于一体,实现了对电动机多功能，智能化，全方位保护。 1DSP 采用 DSP，DSP 以其高速度见长，特别是用于多媒体信息处理。同样，DSP 有多 个厂家的多个产品供选用，在嵌入式操作系统基础上进行设计。 2单片机 微机控制系统是整个状态监测与数据采集系统的核心，它不但处理的数据量大、 计算和管理功能复杂，且必须具有优良实时性，有多种字长，多种型号的单片机供选 兰州大学毕业设计说明书 9 择。 3PLC 或 CPLD 可编程逻辑控制器特别适用于工程

34、上的过程控制。经常见到用一台高档微型机作 为上位（主控机） ，经网络连接若干个 PLC（下位机）构成嵌入式系统。所以许多厂家 为系统设计者提供多种型号的 PLC，供使用者使用选择。 4ARM ARM 具有比较强的管理功能，优势主要体现在控制方面。 嵌入式微控制器有许多种流行的处理器核，芯片生产厂家一股都基于这些处理器 核生产不同型号的芯片。ARM 系列微处理器是目前应用最广泛的:32 位高性能嵌入式 RISC 处理器。 2.3 方案比较论证和确定 2.3.1 方案比较论证方案比较论证 方案 1 中继电器的在电动机过流保护设计中： 1 适用于电动机的短路保护。 2 不能用于电动机的过载保护。 3

35、 在保护三相异步电动机时，也常常由于某一相熔断器熔体熔断而造成三相异步 电动机断相运行。故国际电工委员会规定，凡安装熔断器的场合，必须加设断相保护。 4 该保护装置的缺点在于它只能反映以过电流为特征的故障，而对于那些电流增 加不明显的故障，常发生拒动现象，且存在起动时退出保护的问题。设计要求保护器 具有过负载、电流不平衡、接地、欠电流、堵转、短路、温度保护、启动加速超时等 多种数字式保护功能，所以不使用方案 1。 方案 2 中电子式电动机综合保护装置是由电子元器件组成，基本上无可动部件 （故称静止型)，不存在机械误差和磨损。因此，动作速度快、精度和灵敏度高，寿命 较长，耐冲击和振动，整定简便。

36、由于电子式电动机综合保护装置属于纯硬件电路结 构，各种功能特别是它的保护特均是由相应的硬件电路实现的。所以，仍存在着扩展 功能不够灵活，保护特性不易改变，灵敏度及电流的整定范围受到硬件的限制和电动 机运行状态的监控不够完善等一些缺陷。其缺点是抗干扰能力不强,安装时要远离强振 动，磁场等环境。 前两种方案都存在诸多弊病,不能很好地保护电动机,因此开发新型的微机保护装置 具有重要意义。 方案 3 兰州大学毕业设计说明书 10 （1）中 DSP 有较高的运行速度但主要用于数据处理，优势不在于控制。考虑到 开发工具与软件支持等方面的原因，和仪器环境，故本系统不采取此方案。 （2）中单片机的结构简单，使

37、用方便，价格便宜，特别适合处理速度要求不高的 应用，是嵌入式系统的首选部件。所以 80C51 或 80C196 系列单片机和传统的编程方 式将不能胜任。 （3）中复杂的可编程逻辑器件随着微细加工技术的发展，CPLD 的构成度已经达 到一片内集成 1000 万个器件，1000 条引脚。对其编程可可以实现各种接口，内存， CPU 等功能，也可以实现单片机的功能。因此，可以用它实现嵌入式系统中的专用处 理器。 （4）中 ARM 即 Advanced RISC Machines 的缩写，由英国 Advanced RISC Machines (ARM) Limited 公司设计。ARM7 系列处理器是低

38、功耗的 32 位 RISC 处理器。其最 高频率可以达到 130MIPS。ARM7 系列处理器支持 16 位的 Thumb 指令集，使用 Thumb 指令集可以以 16 位的系统开销得到 32 位的系统性能。三星公司生产的 S3C44BOX, PHILIPS 公司的 LPC2104RISC 微处理器就属于此类。 2.3.2 方案确定 于是在此设计中采用基于 ARM 架构 32 位 LPC2014 作系统核心的解决方案，并设 计硬件系统和软件系统。硬件设计的目标力求在结构简单，成本合理的前提下，尽量 完善其功能。软件系统运用 C 语言，基于程序功能模块话的思想，设计系统各个模块， 实现设计要求功

39、能。 兰州大学毕业设计说明书 11 第三章 硬件设计 硬件电路是智能保护器工作的基础，其设计的好坏是，将直接影响到职能控制器 单元功能的实现。 硬件电路的设计要求围绕智能控制器单元功能的要求进行，本控制器集侧量、具有过 负载，电流不平衡，接地/漏电，欠电流，堵转，短路，温度，欠压，过压，欠功率， 启动加速超时等多种数字式保护功能于一体的，为此控制器必须对电压、电流等模拟 量进行采样，采样开关量，并输出各种控制和报警信号。同时可以通过以太网进行通 信。 智能型交流电动机缺相保护器的硬件设计围绕其功能进行，同时要求遵守以下准 则： 软硬件合理划分：系统中软件和硬件在逻辑功能上等效的。具有相同功能微

40、机应用系 统，其软硬件功能分配可以在很宽的范围内变化。系统的软硬件功能分配要根据系统 的要求而定，提高硬件系统的功能比例可以提高速度、减少所需的存储量。有利于检 测的实时性。 （1） 简化设计：硬件设计时尽可能得选用集成电路，少用分立元件，这样有利于提 高系统的集成度，减少元器件相互之间的连线、接点和封装数目，从而大大提 高系统的可靠性。 （2） 模块化设计：硬件设计根据预期实现的功能划分为若干功能模块，尽可能选用 模块化结构的典型电路，各模块间的联系力求松散，以便于硬件发生故障时的 检修。 （3） 防干扰设计：智能型保护器单元工作现场环境比较恶劣。为了避免电动机事故 的发生，我们应该适时地对

41、电动机进行保护，保障电动的安全，从而防止电动 机因过载，缺相，过流，漏电等造成的事故。 兰州大学毕业设计说明书 12 3.1 电路设计、元器件及设备选型 3.1.1 电路设计 LPC2104 嵌入式处理器 断相 脉冲 电源模块 蜂鸣器JTAG 端口 RS-232 RS-487 串行接口 键盘LCD 显示 图 3-1 系统总体结构功能模块 系统总体结构中芯片的选择与功能分析，根据实际的需要，系统采用可增减优化 的硬件设计和软件 100%兼容的方法，使用户可以通过实际需要合理的选择相应的模块， 同时功能模块部分可以现场通过串口进行组态。 功能模块: CPU 采用 PHILIPS 公司的 LPC21

42、04，该 CPU 也是 ARM 32 位入式 CPU。该 CPU 可以很方便的外接 A/D 转换、EEPROM、数字电位器等器件。 3.1.2 各功能模块简介 3.1.2.1 CPU 模块 该模块中，CPU 为采用基于 ARM 架构 32 位 LPC2014 作系统核心，采用 12MHZ 的 晶振，使用片内 128KB 片内 Flash 程序存储器和 64/32/16KB 静态 RAM，该单片机具有 32 个 I/O 端口，以便 P0 口地址、数据共用。ARM 外部设置了上电复位电 路和按键复 位电路。另外，模块中的 ADE7758 将输入模块输入的模拟量转换成数字量送入单片机 进行处理。 3

43、.1.2.2 综合电能表模块 ADE7758 是一种高精确度三相电能测量IC，带有一个串行口，两路脉冲输出。 ADE7758 集成了数字积分、参考基准电压源、温度敏感元件等，有可用于有功功率、 兰州大学毕业设计说明书 13 复功率、视在功率、有效值的测量以及以数字方式校正系统误差(增益、相位和失调等)所 必须的信号处理电路。该芯片适用于各种三相电路（不论三线制或者四线制）中测量 有功功率、复功率、视在功率。 3.1.2.3 人机交互模块 该模块的核心器件为 FYD12864-0402B 和包含 4 个按键的键盘组成，主要完成参数 的设定：电动机的电压和电流，电动机的功率因数，启动方式，可以显示

44、 84 行 1616 点阵的汉字. 也可完成图形显示。 3.1.2.4 输入模块 该模块实时采集电动机的频率、PT 电压以及相位差信号，并提供与 CPU 模块的电 压输入接口电路以及 ADE 模块的频率、相位差输入接口电路。这部分由整流滤波电路、 限幅电路、光电隔离电路以及整形电路组成。电网和电动机 PT 的电压信号通过变压器 和由集成运放构成的精密整流电路进行全波整流，然后通过有源滤波电路变成较平稳 的直流信号，输入 CPU 模块的 AD 转换器变成数字量，被单片机读入，实现电压测量。 另外，光耦输出端输出的方波通过 74HCl4(带施密特触发的反相器)进行沿整形。输出 到 CPU 模块，进

45、行频率和相位差的测量。单片机利用采集到的电压、频率和相位差数 据进行准同期条件的判断，确定合闸脉冲的发出时机，实现准确合闸。 3.1.2.5 输出模块 该模块完成系统控制输出功能，实现电动机回路的三相电流，接地电流等多种电 参数的测量，可与 RTU，PLC 及多种微机工控组态软件（iFIX,WinCC,Intouch,组态王， MCGS）实现网络通讯，构成分布式综合电力监控系统。键盘输入、可报警的状态指示。 3.1.2.6 RS-232/485 通信模块 该模块的核心器件为 MAX232，另外还有光电耦合器和 DC-DC 变换器，提供了良好 的隔离，增强了抗干扰能力。采用工业用 232 通讯接

46、口，可实现与 PC 机的全双工通讯。 MAX485 是一款低功耗、适用于 RS-485/RS-422 的通信联络的收发器，包含一个驱 动器和一个接收器，驱动器传输的转换速率可达 2.5Mbps。 3.1.2.7 电源模块 提供+5V，+24V 的直流电源。 3.2 各芯片概述 3.2.1 LPC 2104 的简介 3.2.1.1 LPC2104 的功能特性描述 兰州大学毕业设计说明书 14 LPC2104/2105/2106 基于一个支持实时仿真和跟踪的 ARM7TDMI-S CPU，并带有 128k 字节(kB)嵌入的高速 Flash 存储器。128 位宽度的存储器接口和独特的加速结构 使

47、32 位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用 16 位 Thumb 模式将代码规模降低超过 30%，而性能的损失却很小。 其主要的特性如下： ARM7TDMI-S 处理器 128KB 片内 Flash 程序存储器，具有 ISP 和 IAP 功能。 Flash 编程时间：1ms 可编程 512 字节，扇区擦除或整片只需 400ms。 64/32/16KB 静态 RAM。 向量中断控制器。 方针跟踪模块，支持实时跟踪。 RealMonitor 模块支持实时调试。 标准 ARM 测试/调试接口，兼容现有工具。 极小封装：TQFP48（7mm*7mm）。 双 UART，其中一

48、个带有完全的调制解调器接口。 串行接口。 2C I SPI 串行接口。 两个定时器，分别具有 4 路捕获/比较通道。 多达 6 路输出的 PWM 单元。 实时时钟。 看门狗定时器。 通用 I/O 口。 CPU 操作频率可达 60MHz。 双电源： -CPU 操作电压范围：1.65-1.95V,即 1.8(1+/-8.3%)V; I/O 电源电压范围：3.0V3.6V(3.3V10%)。 两个低功耗模式：空闲和掉电。 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。 外设功能可单独使能/禁止，实现功耗最优化。 片内晶振的操作频率范围：10MHz25MHz。 片内 PLL 允许 CPU 以最大速度运行，可以

49、在超过整个晶振操作频率范围的情 况下使用。 3.2.1.2 LPC2104 的引脚及功能 LPC2104 的引脚如图 3-2 所示。 兰州大学毕业设计说明书 15 各引脚的功能如下 VCC：电源 GND: 地 P0 口：P0 口是一个 32 位漏极开路的双向 I/O 口。每个位都有独立的方向控制。 P0 口引脚的操作取决于引脚连接模块所选择的功能。在 flash 编程时，P0 口也用来接 收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 （1）P0.0/TXD0/PWM1 13 P0.0 P0 口位 0，TXD0 UART0 的发送输出，PWM1 脉宽调制输出 1 （2）P0.1/RXD0/PWM3 14 P0.1 P1 口位 1，RXD0 UAR