基于STC12C5A60S2單片機(jī)防爆電抗器控制器的設(shè)計(jì)

　　摘要：本文主要介紹一種基于STC12C5A60S2單片機(jī)控制智能型防爆電抗器控制器的設(shè)計(jì)，可對(duì)電流、電壓、溫度等多個(gè)信號(hào)進(jìn)行采集，具有時(shí)間型、電流型、時(shí)間和電流型等多種起動(dòng)控制方式，起動(dòng)完成后監(jiān)控正常運(yùn)行狀態(tài)下的電流以及電抗器本體溫度的情況．完全充當(dāng)開關(guān)來控制電抗器實(shí)時(shí)動(dòng)作，并可實(shí)時(shí)將起動(dòng)電抗器各種數(shù)據(jù)通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)到地面監(jiān)控室，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

　　1、防爆電抗器控制器的硬件設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)采用STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心．由傳感器完成對(duì)電流信號(hào)、電壓信號(hào)、溫度信號(hào)等多個(gè)模擬信號(hào)的采樣．模擬信號(hào)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行處理由于單片機(jī)的處理速度是S級(jí)，所以對(duì)系統(tǒng)保護(hù)和控制更準(zhǔn)確更快速．能保證電動(dòng)機(jī)以多種方式進(jìn)行起動(dòng)，同時(shí)還可以通過485通訊接口和電力電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)機(jī)通訊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)井下電網(wǎng)的集成化控制?？刂破鞯挠布到y(tǒng)如圖2所示。

　　1.1硬件選型設(shè)計(jì)

　?。?）系統(tǒng)控制核心

　　控制器的系統(tǒng)控制核心采用宏晶的單時(shí)鐘單片機(jī)STC12C5A60S2。它具有高速度、低功耗、超強(qiáng)抗干擾等特點(diǎn)．是一款基于8051內(nèi)核的SOC．內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路、2路PWM、8路高速l0位A／D、60K的F1ash、1280BSRAM、2個(gè)16位定時(shí)器、32個(gè)I／O接口、2個(gè)PCA定時(shí)器、2個(gè)DR。同時(shí)具有看門狗、外部實(shí)時(shí)低壓檢測(cè)中斷、EEPROM、獨(dú)立波特率發(fā)生器、外部可調(diào)門檻電壓等，是一款針對(duì)強(qiáng)干擾場(chǎng)合的電機(jī)控制型單片機(jī)．非常適合井下粉塵多、濕度大的惡劣工作環(huán)境。

　?。?）溫度采集模塊

　　對(duì)溫度信號(hào)的采集采用DALLAS的DS18B20。該模塊具有小體積、單總線、強(qiáng)抗干擾、高精度等優(yōu)點(diǎn)．可直接將溫度轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供處理器處理該模塊與單片機(jī)通過單線連接，電路簡(jiǎn)單。

　?。?）液晶顯示模塊

　　為了給現(xiàn)場(chǎng)工作人員提供一個(gè)方便的人機(jī)界面．控制器采用HS12864—15液晶顯示模塊。該模塊采用3線串行多種接口方式．顯示分辨率為128x64．內(nèi)置8192個(gè)16“16點(diǎn)漢字和128個(gè)16”8點(diǎn)ASCII字符集．顯示8x4行16x16點(diǎn)陣的漢字或16x4行16x8點(diǎn)陣的ASCII碼字符．還可完成圖形顯示。利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令．可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。并且低電壓、低功耗、低價(jià)格，是一款性價(jià)比較高的模塊。

　?。?）電流采集模塊

　　控制器的電流采集選擇使用TR0142—2SB雙屏蔽抗干擾型電流變換器．它具有電路簡(jiǎn)單。無須外接工作電源；過載能力強(qiáng)，能承受額定電流1060倍瞬時(shí)沖擊不飽和：電流電壓一次變換到位．直接將被測(cè)電流隔離轉(zhuǎn)換成電壓輸出的特點(diǎn)。選用TRO142—2SB的規(guī)格為150A／3．53V．輸入電流額定值5A，精度0．1．角差《10，最大過載電流150A。工作環(huán)境一25～+65℃．外殼材料為阻燃PBT／阻燃ABS．抗干擾能力強(qiáng)．適合井下復(fù)雜惡劣的環(huán)境。

　　1.2I/o分配設(shè)計(jì)

　　由于控制器電路中有多路外部I／O開關(guān)量信號(hào)以及多路電流電壓模擬信號(hào)，同時(shí)還有液晶顯示、通訊信號(hào)和按鍵．所以對(duì)其I／O口使用情況設(shè)計(jì)如表1所示

　　1.3按鍵電路設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用3個(gè)獨(dú)立按鍵，功能分別為：確定（SI）、移位（S2）、取消（S3），用于對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。由于按鍵少。設(shè)計(jì)中采用獨(dú)立按鍵，按鍵輸入采用低電平有效

　　1.4輸出電路設(shè)計(jì)

　　輸出電路要控制高壓真空接觸器斷開或閉合對(duì)輸出電路的設(shè)計(jì)采用光電耦合器進(jìn)行隔離．保證輸人端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)電氣隔離輸出電路如圖3所示。

　　2、軟件設(shè)計(jì)

　　主程序是控制器軟件結(jié)構(gòu)的示意圖主程序流程如圖4所示電抗器控制器上電工作后．進(jìn)入主程序人口．完成程序初始化。主要是一些外圍設(shè)備的初始化初始化完成后設(shè)置按鍵進(jìn)行電流、溫度、時(shí)間等參數(shù)的設(shè)定工作，進(jìn)入起動(dòng)初始屏。將采集到的溫度、絕緣性能、電壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、判斷是否達(dá)到起動(dòng)條件，如果達(dá)到起動(dòng)條件時(shí)．控制主接觸器吸合，控制電動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)。同時(shí)對(duì)起動(dòng)過程中的電機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，程序?qū)Σ杉碾娏?、溫度、時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、處理、分析和顯示，同時(shí)判斷電流、時(shí)間、溫度是否超限，一旦超限．控制器控制主接觸器KM1對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)。若正常起動(dòng)后，控制器實(shí)時(shí)測(cè)量電流、電壓、溫度、絕緣性能并對(duì)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行保護(hù)。

　　3、輸出電路

　　圖中電路中單片機(jī)輸出控制信號(hào)經(jīng)緩沖器7407放大后送入光耦。電阻R2為光耦輸出光敏晶體管的負(fù)載電阻，R2的選取應(yīng)保證：光耦內(nèi)部的LED發(fā)光使輸出光敏晶體管導(dǎo)通可靠飽和：而在光耦晶體管截止時(shí)，T1可靠飽和。由于光耦響應(yīng)速度慢使開關(guān)延遲時(shí)間加長(zhǎng)。限制了光耦使用頻率。注意：直流電源Vcc考慮必須另外采用一組獨(dú)立的直流電源．不可與單片機(jī)的直流電源共享。

　　4、結(jié)語

　　本文中幾種輸出電路通過廣泛的應(yīng)用表明．設(shè)計(jì)合理、可以可靠地實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與電氣控制系統(tǒng)的連接．具有較高的工程實(shí)用價(jià)值。在設(shè)計(jì)單片機(jī)輸出電路時(shí)，電路的結(jié)構(gòu)及參數(shù)選擇是致關(guān)重要的，一旦被疏忽。往往會(huì)使輸出電路工作不可靠，造成系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。正確的選擇和使用輸出電路對(duì)合理地設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)，提高電路的接口驅(qū)動(dòng)能力增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力有實(shí)際指導(dǎo)意義。在實(shí)際使用中應(yīng)根據(jù)控制系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)等情況綜合考慮，來選擇合適的輸出電路。