变压器微机保护装置的设计原理

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。

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AT89C51，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，其管脚排列如图所示：

各管脚的功能如下：

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(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7～14脚：D0～D7为8位双向数据端。

第15～16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

与多种外设连接时的中间接口电路。8255

位并行数据。8255 8255

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8255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。

D0～D7:三态双向数据总线，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；

PA0～PA7: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；

PB0～PB7: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；

PC0～PC7: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,PC口被选择;

当A1=1.A0=1时,控制寄存器被选择.