利用现代技术优化改革电子信息类课程的应用研究

陈哲

引言

　　由发动机拖动发电机的独立发电机组应用广泛。如果装置出了故障却没能被及时发现并且妥善处理，将会酿成事故。因此，设计出合理的发电机检测及保护系统是非常必要的。本系统是专为三相四线制、额定电流300A以下、额定电压为220伏的发电机组设计的。在以前的发电机监测系统中，电压电流和频率的指示都是用指针式仪表，用热继电器保护过载，用熔断器保护短路。本装置出能完成这些功能外还有以下优点：①价格较低②直观③具有报警功能④可根据需要，方便地扩展其他功能。所以有较高实用性。

　　一、设计依据的要求

　　l、能显示发电机的转速，正常值为2000转／分，当转速超过2100转／分(过频)时，或低于1900转／分(欠频)时，延时3秒报警并切负载。

　　2．能分别显示A相或B相或C相电压的值，当超过240伏或低于200伏时，延时3秒报警并切负载。

　　3．当负载电流在300A～400A之间时，延时5分报警并切负载。

　　4．当负载电流在400A～500A之间时，延时l0秒报警并切除负载。

　　5．当负载电流在500A～600A之间时，延时3秒报警并切除负载。

　　6. 当负载电流过600A时，认为发生了短路故障，立即报警并切除负载。

　　二、主电路的选择

　　选用功能较强的8031单片机，它应用资料丰富，价格便宜。由于它没有内部程序存储器，所以扩展了一片2764 EPROM。由于需要监测三个相电压和三个相电流，故选用八路的模数转换器ADC0809。

　　三、 辅助电路的设计

　　1 、电压和转速显示共八位数字，其中电压为三位数；提示符一位；转速为四位。采用静态LED显示，数字由八个串行输入，并行输出移位寄存器74164锁存。每个164的七位对LED的七段，剩下一位用来驱动某个报警指示灯。

　　2 、采用一个八位拨码开关，由P1口输入，作为定时时间的微调偏移量。

　　3、显示三个相电压和相电流，共占用六路模数转换。还剩下两路模数转换，接在可调电压端，作为各路电压和电流的偏差量，以补偿输入通道上的门坎阀值。

　　4、切负载的电路采用额定电压为5伏的中间继电器，由P2.6控制。当P2.6为高电平时，继电器线圈得电，其常闭触点断开，发出切除负载信号。

　　四、模拟通道的设计

　　1．在发电机的轴上，接有一个有齿的厚铁盘，盘上有159个齿。在盘边上一毫米处固定一个缠有线圈的开口铁心。每一个齿扫过时，都在线圈两端产生一个正弦波。电机每转一圈，线圈两端就会产生159个正弦电压波。其最大值不超过20伏。将其负半周削去，再用稳压管限幅后输送给单片机内的计数器T0进行计数。根据单位时间内的计数值可知其转速。因电机有12对极，再把分换成秒后，可知转速是频率的5倍,知道转速也就得出频率的值了。

　　2．先由变压器将相电压降为峰值10伏左右的低压，再由电位器调成5伏的电压，最后由二极管和电容组成的峰值检波器检波后送入模数转换器的一个通道中。稳压管的Uz为6伏，正常时不导通，当故障时击穿稳压，以防损坏模数转换器。另外，它还担当负半周的削波作用。通道中10K的电位器是为了调节放电时间常数的，时间常数太大的话，当发电机电压下降后，电容上电压不能很快下降，会使响应变慢。

　　3． 三相电流信号分别由三个电流互感器取出。当负载电流为600A时，互感器二次电流为6安，电压为0.6伏。经运放放大和二极管削去负半周后，变为峰值为5伏的输出电压送给模数转换器。10K电位器也是给电容放电的，稳压管是防止过高电压损坏模数转换器的。

　　五、定时器所需定时时间和初值的计算

　　根据电机每转159个齿，每分200转，得每秒产生脉冲数==5300个，若想得到2000个脉冲（即50Hz）的结果，需要的定时时间= =0.377秒，由于显示不需要更新太快，也为了使转速的显示更稳定，采用将实测脉冲数除2的方法，所以定时时间扩大二倍，变为2× =0.755秒。定时器采用16位，晶振用6MHZ的，最大定时时间为216/6M=1.31毫秒。因为是增量定时，为了在调整过程中，不致出现突变，定为每七次定时读一次转速，每次定时时间相等。每次定时时间为0.755/7=0.108秒。相应的定时器初值=（216–0.018/2×10-6）=11536=2D10H。为了校正因晶振频率不准而产生的转速误差，特设了8位拨码开关，取值范围为-128～+127之间。将其乘以16后与定时常数相加，故拨码开关每增减1相当于定时时间变化16×7×2=244μS，相当于244×10-6×2000÷0.755=0.59转。总的调整量为127×0.59=75转，为总转速的± 3.75％。

　　六、RAM存储单元的分配

　　8031有28字节的片内存储单元，地址从00H至07FH。其中：78H至07FH单元共8个字节，用于显示缓存。他们的D7——D1 位储存七段码，D0位存指示灯的状态。67H至76H是16字节的堆栈区；00H至48H是61字节的数据暂存区；00H单元（R0）用作数据指针；其余存储单元内容如表中所示。

　　表1 存储单元分配表

　　七、软件设计：程序流程图（略）

　　1．初始化部分

　　每次上电或按下复位钮后，就从0000H开始执行初始化程序。程序首先判断60H单元的内容是否为10101010，如果是的话则跳过自检测部分；不然，则先写入10101010然后使八个数码管分别亮个8字，每位亮1秒；使八个指示灯分别亮一下，每个1秒。由操作人员来观察有否缺划或不亮现象。然后读拨码开关两次，看结果是否一样，不一样则说明这部分有毛病，并给出相应的提示符。然后是读按钮的值，看是否为零，如果为零，则说明键卡住了，给出相应提示符。再往后是把8031各单元读写一遍，看所读是否为所写，否则给出相应的提示符。对2764的检查方法是读一下它的某几个单元，看是否为预先写入的数。检查模数转换器的方法是先把各路都转换两遍，看是否一样，且三个电压、电流都近似为零，因为此时还未发电。如果各路都不正常，则说明模数转换器有故障，给出相应提示符；如果有一路或几路不正常，说明是个别通有故障。自检到此完毕。

　　然后要设定保护禁止标志，因为刚开始发电机没发电，是欠频和欠压状态，保护环节不应工作。然后取来电压和电流在未发电时的模数转换值，这个数如果不为零，会产生误差所以要将其减去。后来是取参数，用来校正转速、电压和电流。

　　2．判断按键部分

　　显示器只显示一相的电压值，如想显示另两相需按一下按钮，每按一次换一相。程序在每更新一次转速后，定时器未开始定时前判断是否有按下，如有就将77H单元加1，如果为3则清零。然后就等待键抬起后再进下去，每过0.755秒判断一次，所以转换显示电压需按键1秒左右才能保证有效。

　　3．电压、电流检测与判断部分

　　在开始就设定T1为定时器，定时初值为2D10H，定时时间为0.108秒，时间到后发出中断申请。在这段时间里，顺序转换电压电流共6×6=36次，每次延时等待1毫秒，共36毫秒，加上程序执行时间也用不了50毫秒，然后就原地等待中断。

　　在每转换完一次电压后，就判断是否过、欠压。如果是的话，先看是否是第一次；不是的话则把相应的定时单元加1，也就是累计了0.1秒，如果凑够时间的话就报警。如果正常的话，就要清第一次标志，看是否为要显示的相。

　　然后转换B、C两相，方法同A相电压相同。

　　接着输入电流A相。如果超过600安，立即报警。如果超过500安，把相应定时单元加1，看够不够3秒，不够再判断是否超过400安，如超过，再加1。最后判断超过300不，如不超过则把300安定时单元减1。

　　4. 中断服务部分

　　定时器T1中断后，进入中断服务程序。先将中断计次单元加1，不够七次则转去进行下一个0.108秒定时。如果够七次，则先清零。然后取T0计数值，翻成十进制数，找出字形码送入显示缓冲区。然后把4位转速值和3位电压值加提示符都从串行口输出给显示器。再判断是否过、欠频。有则把相应单元加1，无则减1。然后调整堆栈指针，返回到判断按键部分。

　　5．报警和切除负载部分

　　如果发生过、欠压，过、欠频或过流，则相应的指示灯亮；如果时间累积够了的话才进入这部分程序。首先要看哪个定时单元够了，使相应的指示灯闪烁，并且从P2.6端发个高电平信号，把负载切除，以保护发电机或负载。然后是原地等待，直到操作人员排除故障并按下复位按钮后，才从0000单元重新开始。

　　八、结论

　　通过以上分析，本系统能够准确地显示发电机的转速，并且能够分别显示A相或者B相或者C相电压及电流的值。当发电机的转速、电压值、负载电流发生不符和设计要求的情况时，系统能够根据需要，自动延时报警并切除负载，从而达到对发电机进行实时检测和保护的目的。

　　（作者：沈阳大学信息学院 ）