张振涛 王娟

【摘要】本文对低压智能断路器系统的原理和硬件组成进行了分析和设计;通过对系统所要实现的保护功能进行分析，对系统用到的器件进行选择，并且设计系统总体方案，重点是单片机通过A/D转换器对现场的各种参量进行处理，实时显示各种运行参数并且实现对系统的多重保护功能。

【关键词】断路器;A/D;单片机

1.引言

在低压配电系统中，低压断路器是应用最为广泛保护装置之一，主要应用于要求实现保护且不频繁操作的场合。它不仅能在正常工作情况下接通、分断负载电流，而且允许在故障或不正常的情况下自动切断电路，从而保护变压器、用电设备和供电线路;同时通过上下级线路的选择性配合，能够避免非故障区域的停电，减少不必要的损失。鉴于此设计一款智能的低压断路器具有很大的现实意义[1]。

2.总体方案设计

论文所设计的系统包括参量中央处理控制模块、信号采集模块、信号调理模块、人机交互模块、通信模块以及电源模块等。图1为硬件系统结构框图：

图1 整体结构框图

本论文所设计的智能断路器控制单元所要实现的基本保护功能包括：三段电流保护（过载长延时保护、短路短延时保护及短路瞬时保护）和单相接地保护，用户可根据实际需要选用过电压保护、低电压保护。

3.电路设计

3.1 单片机I/O口扩展

图2 AT89C51RC2单片机接口扩展原理图

AT89C51RC2单片机最小系统如图2所示，本论文所实际的智能控制系统是以AT89C51RC2片上系统为核心的单片机应用系统。

3.2 A/D转换模块

由于AT89C51RC2单片机内部并没有集成ADC模块，因此必须外接ADC芯片，这里我们选用了一种美国TI公司生产的TLC1543芯片。TLC1543是一款11模拟输入通道，高性价比，采用CMOS工艺的10位开关电容逐次逼近原理实现的模数转换器。该芯片内置3路自测方式，片内集成系统时钟，固有的采样和保持功能，具有转换速度快、误差小的特点[2]。TLC1543芯片采用串行通信接口，与单片机接线简单，引线很少，能够很好节省单片机的I/O资源。TLC1543芯片与单片机接线如图3所示。

3.3 电源模块

常用的电压源设计有电流源供电和电压源供电。由于电流互感器装设在装置的出线端，一旦断路器跳闸，控制单元就将失去电压，所以必须设置备用电源来保证电源模块失去供电电压之后单片机、LCD显示器等电子元件的正常工作，电源电路设计较为复杂。因此，我们采用电压源供电的方式，即任意取一相电压经电源变压器变压、整流单元整流后，采用DC-DC模块转换为所需电压。电压源供电是由装置进线端馈电线路供电，只要馈电线路不失去电压，即使断路器跳闸，也能保证控制单元的正常供电。系统电源电路如图4所示。

图3 TLC1543芯片与单片机接线原理图

图4 电源输出原理图

3.4 通信模块

为了对测量数据显示、后续数据处理及测量信号校正，可利用单片机的串行口与PC机进行串行通信，将单片机采集的数据传送到PC机中，由PC机的高级语言对数据进行整理及统计等复杂处理。在实现计算机与单片机之间的串行通信时，通常采用标准通信接口进行串行通信。美国电子工业协会（EIA）正式公布的通信标准总线包括：RS-232、RS-449、RS-422、RS-423、RS-485等[3]。在串行通信中，应用最广泛的标准总线是RS-485，其通信距离约为1219m，最高速率10Mbps。SN65LBC184芯片与单片机AT89C51RC2的接线如图5所示。

图5 串口通信电路

3.5 温度检测、时钟输入电路

为了防止因温度过高导致断路器误动作甚至损坏设备本身，采用MAXIM公司微型化、高性能的1-Wire数字温度传感器DS18B20对智能控制单元工作环境温度进行检测与控制。

现代化的配电系统往往要求能够记录故障发生、人员登录、设备操作等的具体时间，以便在事后进行故障分析。这就要求我们给智能控制单元配备实时时钟输入电路。DS1302芯片是MAXIM公司推出的一款性能较好、功耗低的实时时钟芯片。

单片机与DS1302芯片、DS18B20芯片的接线原理如图6所示。

图6 DS1302、DS18B20与单片机的接线原理图

图7 主程序流程图

4.系统主程序

主程序是整个软件系统的中枢，它不仅指挥着程序流程，而且将各功能子模块有效地连接起来，因此主程序的设计对于整个软件设计起着至关重要的作用。系统上电或复位后，首先进行系统自检，判断硬、軟件有无故障，如果有故障则报警，然后开中断，判断是否需要设定整定值，随后进行信号采样，一周期采样完成后计算有效值，所计算的有效值与事先设置的整定值进行比较，判断有无故障或不正常工作状态发生，随即判断是否需要脱扣，如果系统发出脱扣信号则系统推出，如果无故障发生或不需要脱扣，则返回到采样环节循环。本文设计了如图7所示的整体程序流程图。

图8 显示功能界面

5.仿真

本设计所用的仿真软件为英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件，它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。智能断路器不仅能够显示三相电流、三相电压、频率、温度参数，而且还具有时间显示的功能，由于1602是显示字符的液晶显示屏，一共能显示2行，每行能显示16个字符。所以参数的显示需要通过键盘进行切换。显示功能界面如图8所示。在试验中，我们采用一个继电器代替脱扣电路，当仿真开始时，继电器闭合。当系统出现故障时，继电器断开以保护设备。

6.结论

本文结合具体设计要求，系统能够实现三段电流保护、单相接地保护、过电压保护、短路保护、欠电压保护以及过温保护，保护精度控制在正常的范围之内。本文为实现断路器的智能化和可通信等功能。经仿真调试结果表明，该系统不仅实现了较好的保护功能，还实现了测量和监控等功能。所设计的控制器可靠性高，实时性好，特别是实现了现场通信，应用前景广阔。

参考文献

[1]卢丽君.基于TLC1543的单片机多路采样监测系统的设计[J].仪器仪表与分析监测，2007（4）：5-6，40.

[2]傅启国.低压断路器智能控制器设计与研究[D].硕士学位论文.南京：南京理工大学，2008.

[3]朱清慧，张凤蕊，翟天嵩，王志奎.PROTEUS教程-电子线路设计、制版与仿真[M].北京：清华大学出版社，2008：1-8.

作者简介：张振涛（1984—），男，河北唐山人，吉林化工学院助教，主要从事信号检测、虚拟仪器等方面的研究。