單片機(jī)在電動(dòng)機(jī)保護(hù)中應(yīng)用探討分析

單片機(jī)即單片微型計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)稱，它是將CPU、ROM、RAM、TIMER/COUNTER以及輸入/輸出接口（I/O）等集成在一塊超大規(guī)模集成電路芯片上而制成的，有些單片機(jī)還集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、脈寬調(diào)制模塊（PWM）、通訊接口等，使用者只需用少量的外圍電路就可組成各種應(yīng)用系統(tǒng)。單片機(jī)可分為8位機(jī)和16位機(jī)，其中8位機(jī)在市場(chǎng)中占主導(dǎo)地位。生產(chǎn)單片機(jī)的半導(dǎo)體廠家很多，包括：INTEL、PHILIPS、SIEMENS、ADM、ATAIEL、MICROCHIP等。近年來(lái)，MICROCHIP公司生產(chǎn)的單片機(jī)以其簡(jiǎn)約的指令系統(tǒng)、納秒級(jí)的指令周期、強(qiáng)大的外圍接口功能深受電子工程師們的青睞，筆者曾使用過(guò)PIC16CXXX和PIC16FXXX系列的產(chǎn)品，覺(jué)得使用非常方便。

電動(dòng)機(jī)保護(hù)器實(shí)現(xiàn)的功能主要包括：三相電流顯示、聲音報(bào)警、故障脫扣、故障記憶、過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)、漏電保護(hù)、缺相保護(hù)、相失衡保護(hù)、相序保護(hù)、過(guò)欠壓保護(hù)等

。用傳統(tǒng)的模擬線路要實(shí)現(xiàn)如此綜合的功能，其線路將會(huì)變得非常復(fù)雜，整個(gè)裝置的體積也會(huì)非常龐大。因此目前一些模擬電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器能實(shí)現(xiàn)的功能都比較單一。例如：過(guò)流保護(hù)器、缺相保護(hù)器、漏電保護(hù)器等，而單片機(jī)的出現(xiàn)，使得電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的發(fā)展有了質(zhì)的飛躍，在智能化、功能多樣化、小型化、模塊化、性能可靠性等方面達(dá)到前所未有的水平。

用單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)保護(hù)的功能，在硬件方面主要由三相電流信號(hào)采樣、漏電流采樣、電壓信號(hào)采樣、鍵盤(pán)接口、顯示部分、控制輸出、報(bào)警輸出、通信接口等幾部分構(gòu)成，下面分別對(duì)其中的關(guān)鍵部分作簡(jiǎn)要分析。

一、三相電流采樣部分

這部分設(shè)計(jì)直接關(guān)系到電流的采樣精度。因此，必須通過(guò)理論分析、反復(fù)實(shí)驗(yàn)方能確定。這部分線路可采用整流線路，也可采用直接交流比例變換電路，采用哪種線路則直接決定了程序是采用直流采樣還是交流采樣，程序設(shè)計(jì)將完全不同。

若采用直流采樣則線路需采用整流線路，整流線路包括半波整流、橋式全波整流、精密半波整流、精密全波整流等幾種形式，二極管半波整流和橋式全波整流都存在二極管的導(dǎo)通壓降影響整流線路線性的問(wèn)題，特別是在信號(hào)電壓較低的時(shí)候，影響更大。為了減小二極管導(dǎo)通壓降的影響，應(yīng)選擇肖特基二極管作整流器件，如IN5819，但需要注意的是IN5819耐壓值較低（只有40V），因而采樣電壓信號(hào)不宜過(guò)大。精密半波或全波整流線路在許多資料中皆有介紹，在此無(wú)庸贅述。這種線路的優(yōu)點(diǎn)是避免了整流二極管正向?qū)▔航档挠绊?，但同時(shí)增加了線路的復(fù)雜程度，而且還需要為放大器提供正負(fù)電源，增加了電源部分的成本。在實(shí)際使用中應(yīng)權(quán)衡利弊，綜合考慮才能作出選擇。

在一些比較高檔的儀器儀表中，人們普遍采用交流采樣。采樣方式是按一定周期（稱為采樣周期）連續(xù)實(shí)時(shí)采樣被測(cè)信號(hào)一個(gè)完整的波形（對(duì)于正弦波只需采樣半個(gè)周期即可），然后將采樣得到的離散信號(hào)進(jìn)行真有效值運(yùn)算，從而得到電流信號(hào)的真有效值，這樣就避免了被測(cè)信號(hào)波形畸變對(duì)采樣值的影響。交流采樣的關(guān)鍵技術(shù)有幾個(gè)方面：1.采樣周期應(yīng)遠(yuǎn)小于被測(cè)信號(hào)周期，這對(duì)于工頻電流信號(hào)是不成問(wèn)題的，因?yàn)槟壳皢纹瑱C(jī)的處理速度已經(jīng)足夠。 2.要從硬件上避免采樣信號(hào)畸變，這就需要從幾個(gè)方面來(lái)努力:①保證電流互感器在測(cè)量范圍內(nèi)輸出的電壓信號(hào)波形失真小。②電流互感器的采樣信號(hào)到單片機(jī)輸入接口往往需要比例放大，這就要求信號(hào)變換電路失真要小。③防止噪聲干擾，一般的做法是在單片機(jī)輸入口加一個(gè)高頻旁路電容。交流采樣線路中除去了阻容濾波電容，因而在響應(yīng)速度方面比直流采樣有極大改善，特別對(duì)于那些對(duì)響應(yīng)特性要求較高的隨動(dòng)系統(tǒng)非常有益。盡管交流采樣有很多直流采樣無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但因其會(huì)增加軟件編程的難度并要占據(jù)較大的存儲(chǔ)空間而在一些較簡(jiǎn)單的小型系統(tǒng)中較少使用。

二、顯示部分

在工控儀表中常常使用LED數(shù)碼管作為用戶界面，其優(yōu)點(diǎn)是亮度高、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，但只能顯示有限的幾個(gè)字符，要想表達(dá)比較豐富的信息十分困難。目前，一些高檔儀表中開(kāi)始采用字符型液晶顯示器或圖形液晶顯示器，有的還含有中文字庫(kù)模塊，直接用中文顯示，從而使界面十分直觀，易于理解和操作。但同時(shí)增加了線路的成本，特別是圖形液晶顯示模塊價(jià)格太高，一般低價(jià)位的儀表無(wú)法接受。

單片機(jī)與LED數(shù)碼管接口一般采用串行通訊方式，配接移位寄存器來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管工作，設(shè)計(jì)不同的驅(qū)動(dòng)程序可實(shí)現(xiàn)不同的顯示方式。例如：數(shù)碼管閃爍、小數(shù)點(diǎn)位數(shù)自動(dòng)變換，特殊字符顯示等。為了減小數(shù)碼管的功耗，一般采用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)方式，也就是在一個(gè)周期（T）內(nèi)只在（1/3—1/2）T的時(shí)間內(nèi)顯示，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比可改變數(shù)碼管的亮度。另外需注意數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)電壓不能太高，如果用+5V電源驅(qū)動(dòng)就需加限流電阻或降壓二極管。其中用降壓二極管較好，可防止因數(shù)碼管點(diǎn)亮的筆數(shù)發(fā)生變化而造成的電壓波動(dòng)，從而保證數(shù)碼管亮度穩(wěn)定。

單片機(jī)與字符型LCD模塊接口的數(shù)據(jù)線仍可采用串行接口方式，而控制信號(hào)可直接由單片機(jī)I/O口控制。如果數(shù)據(jù)線采用并行方式，將占用單片機(jī)大量的資源，因而不宜使用。在編制驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，在性能許可的情況下應(yīng)注意盡量減小數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線的信號(hào)頻率，這樣可減小電磁干擾。

三、控制輸出

控制輸出部分可采用機(jī)電式繼電器或固體繼電器。前者價(jià)格便宜，市場(chǎng)產(chǎn)品豐富，驅(qū)動(dòng)線路也比較簡(jiǎn)單，但可靠性和使用壽命有限，且在觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生“火花”，嚴(yán)重時(shí)可影響系統(tǒng)的正常工作。因此，在PCB板布局時(shí)應(yīng)將繼電器盡量遠(yuǎn)離單片機(jī)并靠近儀表的輸出端口。另外，在繼電器線圈兩端應(yīng)并聯(lián)續(xù)流二極管，否則在繼電器線圈斷電瞬間會(huì)產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓，從而破壞電路。固態(tài)繼電器具有壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定，無(wú)火花等特點(diǎn)，隨著其價(jià)格的逐漸降低和性能的完善已開(kāi)始被廣泛使用，但小功率的固態(tài)繼電器價(jià)格仍比普通繼電器高很多倍，因此，在電機(jī)保護(hù)器中絕大部分均采用普通繼電器。在很多應(yīng)用場(chǎng)合，人們希望有兩個(gè)獨(dú)立的控制輸出，一個(gè)作為主回路控制輸出，另一個(gè)為輔助輸出，作為報(bào)警或其它功能的控制。

單片機(jī)系統(tǒng)中，軟件是一個(gè)非常重要部分，這部分能充分體現(xiàn)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思想，通過(guò)程序可實(shí)現(xiàn)電機(jī)保護(hù)器的智能化控制以及遠(yuǎn)程通訊等功能。