單片機即單片微型計算機的簡稱，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)。單片機可分為8位機和16位機，其中8位機在市場中占主導(dǎo)地位。生產(chǎn)單片機的半導(dǎo)體廠家很多，包括：INTEL、PHILIPS、SIEMENS、ADM、ATAIEL、MICROCHIP等。近年來，MICROCHIP公司生產(chǎn)的單片機以其簡約的指令系統(tǒng)、納秒級的指令周期、強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PIC16CXXX和PIC16FXXX系列的產(chǎn)品，覺得使用非常方便。

 

電動機保護器實現(xiàn)的功能主要包括：三相電流顯示、聲音報警、故障脫扣、故障記憶、過載保護、短路保護、漏電保護、缺相保護、相失衡保護、相序保護、過欠壓保護等。用傳統(tǒng)的模擬線路要實現(xiàn)如此綜合的功能，其線路將會變得非常復(fù)雜，整個裝置的體積也會非常龐大。因此目前一些模擬電子式電動機保護器能實現(xiàn)的功能都比較單一。例如：過流保護器、缺相保護器、漏電保護器等，而單片機的出現(xiàn)，使得電動機保護器的發(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到前所未有的水平。

 

用單片機系統(tǒng)實現(xiàn)電動機保護的功能，在硬件方面主要由三相電流信號采樣、漏電流采樣、電壓信號采樣、鍵盤接口、顯示部分、控制輸出、報警輸出、通信接口等幾部分構(gòu)成，下面分別對其中的關(guān)鍵部分作簡要分析。

 

 

這部分設(shè)計直接關(guān)系到電流的采樣精度。因此，必須通過理論分析、反復(fù)實驗方能確定。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題，特別是在信號電壓較低的時候，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)，因而采樣電壓信號不宜過大。精密半波或全波整流線路在許多資料中皆有介紹，在此無庸贅述。這種線路的優(yōu)點是避免了整流二極管正向?qū)▔航档挠绊懀瑫r增加了線路的復(fù)雜程度，而且還需要為放大器**正負電源，增加了電源部分的成本。在實際使用中應(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)實時采樣被測信號一個完整的波形(對于正弦波只需采樣半個周期即可)，然后將采樣得到的離散信號進行真有效值運算，從而得到電流信號的真有效值，這樣就避免了被測信號波形畸變對采樣值的影響。交流采樣的關(guān)鍵技術(shù)有幾個方面：1.采樣周期應(yīng)遠小于被測信號周期，這對于工頻電流信號是不成問題的，因為目前單片機的處理速度已經(jīng)足夠。2.要從硬件上避免采樣信號畸變，這就需要從幾個方面來努力:①保證電流互感器在測量范圍內(nèi)輸出的電壓信號波形失真小。②電流互感器的采樣信號到單片機輸入接口往往需要比例放大，這就要求信號變換電路失真要小。③防止噪聲干擾，一般的做法是在單片機輸入口加一個高頻旁路電容。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，特別對于那些對響應(yīng)特性要求較高的隨動系統(tǒng)非常有益。盡管交流采樣有很多直流采樣無法比擬的優(yōu)點，但因其會增加軟件編程的難度并要占據(jù)較大的存儲空間而在一些較簡單的小型系統(tǒng)中較少使用。

 

在工控儀表中常常使用LED數(shù)碼管作為用戶界面，其優(yōu)點是亮度高、驅(qū)動電路簡單，但只能顯示有限的幾個字符，要想表達比較豐富的信息十分困難。目前，一些高檔儀表中開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。但同時增加了線路的成本，特別是圖形液晶顯示模塊價格太高，一般低價位的儀表無法接受。

 

單片機與LED數(shù)碼管接口一般采用串行通訊方式，配接移位寄存器來驅(qū)動數(shù)碼管工作， 設(shè)計不同的驅(qū)動程序可實現(xiàn)不同的顯示方式。例如：數(shù)碼管閃爍、小數(shù)點位數(shù)自動變換，特殊字符顯示等。為了減小數(shù)碼管的功耗，一般采用動態(tài)驅(qū)動方式，也就是在一個周期(T)內(nèi)只在(1/3—1/2)T的時間內(nèi)顯示，通過調(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)動電壓不能太高，如果用+5V電源驅(qū)動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)碼管點亮的筆數(shù)發(fā)生變化而造成的電壓波動，從而保證數(shù)碼管亮度穩(wěn)定。

 

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

 

 

控制輸出部分可采用機電式繼電器或固體繼電器。前者價格便宜，市場產(chǎn)品豐富，驅(qū)動線路也比較簡單，但可靠性和使用壽命有限，且在觸點動作時會產(chǎn)生“火花”，嚴重時可影響系統(tǒng)的正常工作。因此，在PCB板布局時應(yīng)將繼電器盡量遠離單片機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、性能穩(wěn)定，無火花等特點，隨著其價格的逐漸降低和性能的完善已開始被廣泛使用，但小功率的固態(tài)繼電器價格仍比普通繼電器高很多倍，因此，在電機保護器中絕大部分均采用普通繼電器。 在很多應(yīng)用場合，人們希望有兩個獨立的控制輸出，一個作為主回路控制輸出，另一個為輔助輸出，作為報警或其它功能的控制。

 

單片機系統(tǒng)中，軟件是一個非常重要部分，這部分能充分體現(xiàn)設(shè)計者的設(shè)計思想，通過程序可實現(xiàn)電機保護器的智能化控制以及遠程通訊等功能。