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基于单片机的低压智能断路器的设计张振涛王娟【摘要】本文对低压智能断路器系统的原理和硬件组成进行了分析和设计;通过对系统所要实现的保护功能进行分析，对系统用到的器件进行选择，并且设计系统总体方案，重点是单片机通过A/D转换器对现场的各种参量进行处理，实时显示各种运行参数并且实现对系统的多重保护功能。【关键词】断路器;A/D;单片机1.引言在低压配电系统中，低压断路器是应用最为广泛保护装置之一，主要应用于要求实现保护且不频繁操作的场合。它不仅能在正常工作情况下接通、分断负载电流，而且允许在故障或不正常的情况下自动切断电路，从而保护变压器、用电设备和供电线路;同时通过上下级线路的选择性配合，能够避免非故障区域的停电，减少不必要的损失。鉴于此设计一款智能的低压断路器具有很大的现实意义[1]。2.总体方案设计论文所设计的系统包括参量中央处理控制模块、信号采集模块、信号调理模块、人机交互模块、通信模块以及电源模块等。图1为硬件系统结构框图：图1整体结构框图本论文所设计的智能断路器控制单元所要实现的基本保护功能包括：三段电流保护（过载长延时保护、短路短延时保护及短路瞬时保护）和单相接地保护，用户可根据实际需要选用过电压保护、低电压保护。3.电路设计3.1单片机I/O口扩展图2AT89C51RC2单片机接口扩展原理图AT89C51RC2单片机最小系统如图2所示，本论文所实际的智能控制系统是以AT89C51RC2片上系统为核心的单片机应用系统。3.2A/D转换模块由于AT89C51RC2单片机内部并没有集成ADC模块，因此必须外接ADC芯片，这里我们选用了一种美国TI公司生产的TLC1543芯片。TLC1543是一款11模拟输入通道，高性价比，采用CMOS工艺的10位开关电容逐次逼近原理实现的模数转换器。该芯片内置3路自测方式，片内集成系统时钟，固有的采样和保持功能，具有转换速度快、误差小的特点[2]。TLC1543芯片采用串行通信接口，与单片机接线简单，引线很少，能够很好节省单片机的I/O资源。TLC1543芯片与单片机接线如图3所示。3.3电源模块常用的电压源设计有电流源供电和电压源供电。由于电流互感器装设在装置的出线端，一旦断路器跳闸，控制单元就将失去电压，所以必须设置备用电源来保证电源模块失去供电电压之后单片机、LCD显示器等电子元件的正常工作，电源电路设计较为复杂。因此，我们采用电压源供电的方式，即任意取一相电压经电源变压器变压、整流单元整流后，采用DC-DC模块转换为所需电压。电压源供电是由装置进线端馈电线路供电，只要馈电线路不失去电压，即使断路器跳闸，也能保证控制单元的正常供电。系统电源电路如图4所示。图3TLC1543芯片与单片机接线原理图图4电源输出原理图3.4通信模块为了对测量数据显示、后续数据处理及测量信号校正，可利用单片机的串行口与PC机进行串行通信，将单片机采集的数据传送到PC机中，由PC机的高级语言对数据进行整理及统计等复杂处理。在实现计算机与单片机之间的串行通信时，通常采用标准通信接口进行串行通信。美国电子工业协会（EIA）正式公布的通信标准总线包括：RS-232、RS-449、RS-422、RS-423、RS-485等[3]。在串行通信中，应用最广泛的标准总线是RS-485，其通信距离约为1219m，最高速率10Mbps。SN65LBC184芯片与单片机AT89C51RC2的接线如图5所示。图5串口通信电路3.5温度检测、时钟输入电路为了防止因温度过高导致断路器误动作甚至损坏设备本身，采用MAXIM公司微型化、高性能的1-Wire数字温度传感器DS18B20对智能控制单元工作环境温度进行检测与控制。现代化的配电系统往往要求能够记录故障发生、人员登录、设备操作等的具体时间，以便在事后进行故障分析。这就要求我们给智能控制单元配备实时时钟输入电路。DS1302芯片是MAXIM公司推出的一款性能较好、功耗低的实时时钟芯片。单片机与DS1302芯片、DS18B20芯片的接线原理如图6所示。图6DS1302、DS18B20与单片机的接线原理图图7主程序流程图4.系统主程序主程序是整个软件系统的中枢，它不仅指挥着程序流程，而且将各功能子模块有效地连接起来，因此主程序的设计对于整个软件设计起着至关重要的作用。系统上电或复位后，首先进行系统自检，判断硬、軟件有无故障，如果有故障则报警，然后开中断，判断是否需要设定整定值，随后进行信号采样，一周期采样完成后计算有效值，所计算的有效值与事先设置的整定值进行比较，判断有无故障或不正常工作状态发生，随即判断是否需要脱扣，如果系统发出脱扣信号则系统推出，如果无故障发生或不需要脱扣，则返回到采样环节循环。本文设计了如图7所示的整体程序流程图。图8显示功能界面5.仿真本设计所用的仿真软件为英国L