一种新的多功能智能化照明信号综合保护装置设计

摘要： 本文主要介绍了一种新的智能化多功能的照明综合保护装置，采用了16位PIC单片机，配以高精度的数据处理及先进的保护算法，性能可靠，动作准确，具有过压、欠压、短路，漏电闭锁、漏电动作、及电缆绝缘危险指示等多种保护功能。

Abstract： This paper introduces a new kind of comprehensive protective device of intelligent multifunctional lighting， uses a 16—bit PIC MCU， mixed with data processing and advanced protection algorithm with high precision， whose performance is reliable and whose action is exact. 16—bit PIC MCU has several protection features to indicate the overvoltage， undervoltage， short circuit， leakage locking， Creepage action， and cable insulation risk.

关键词： 照明信号；智能保护；PIC单片机

Key words： lighting signal；intelligent protection；PIC Microcontroller

中图分类号：TM92文献标识码：A 文章编号：1006—4311（2012）28—0082—03

0 引言

照明信号综合保护装置是一种用于煤矿井下127V照明及信号负载的供电电源，并具有短路、漏电保护等功能的保护装置，传统的照明保护电路采用模拟电路构成，主要包括主回路、控制回路、保护插件三大部分。其存在的问题主要包括：①在保护插件损坏或者脱落、控制变压器、继电器损坏的时候，虽然继电器不会吸合，但同时也会使得处于常闭状态，所以保护装置在出现以上故障的时候，如按下送电按钮接触器仍会吸合送电。②容易造成负载不平衡，如其中一相负载过重，其他的空相。③随着煤矿自动化水平和通信能力的提高，模拟电路与其他设备难以通信、衔接、集成。

由于存在以上问题，本文提出一种新的多功能智能化照明综合保护装置设计，采用PIC单片机作为整个系统的控制核心，高精度的数据采集、处理并采取多种抗干扰措施使得整个系统工作可靠、准确。

1 硬件组成

如图1所示，本系统包括了PIC单片机、电源电路、信号调理电路、光耦隔离输出电路、lcd显示电路、可切换CAN/485通信接口，整体硬件框图如图1所示。

1.1 PIC单片机 本文设计的装置采用dsPIC30F 6014A—30I—PF单片机，它是一款数字信号控制器，集成了单片机的控制功能以及数字信号处理器的计算能力和数据吞吐能力，具备16位宽度数据通道和DSP性能。

1.2 电源电路 电源电路如图2所示，采用MORNSUN LH10—10C0512—02开关电源模块，它是一款PCB板上安装方式的小体积开关模块电源，与传统的通过线圈式变压器降压后再整流滤波获得直流的方式比较，该开关模块电源可以提供低功耗、高效率、高可靠性、安全隔离的直流电源。在全球通用电压：85—264VAC，50/60Hz工作，稳压输出、低纹波、噪声，效率可达85%，交直流两用，并具有输出短路、过流、过温保护等功能保证系统电路安全工作，相对于传统方式接线减少，提高集成度与可靠性提高，产品体积缩小。

在电源滤波电路中除了采用电解电容和瓷片电容滤波外还增加了TVS二极管构成的EMC电路，用以吸收一次侧交流电源不稳定时产生的浪涌脉冲，提高系统的工作可靠性。CP105为三端电容，它与普通电容器的区别在于，它有三根引线，其中一个电极上有两根引线，通过这样的改变，原来普通电容对高频滤波有负面作用的引线电感，被三端电容巧妙利用，构成了一个T型低通滤波器。在这里使用三端电容的高频滤波效果比普通电容改善了很多。电源电路输出±12V为信号调理电路提供电源，+5V为单片机提供电源。

1.3 信号调理电路 信号调理电路是整个设计中非常重要的一个环节，传统的照明综合保护电路工作时通过把三相交流信号变换后通过比较器与设定值进行比较，当超过设定值时判定为故障状态，则触发继电器动作，对回路进行保护，如果交流电路中有持续的高频干扰出现，比较器极有可能产生误判断，进而导致继电器误动作，影响照明电路正常工作。传统的保护系统在应用中，如所需的整定参数变化，那么硬件电路必须调整以适应要求，适应面小，不够灵活。本智能系统中继电器保护功能基本上由软件确定，可以在不更改或少量更改硬件的条件下，只需对软件改写就可以对不同对象实现保护，具有高度灵活性，单片机强大的逻辑判断和运算能力可以实现传统保护电路不能实现或者需要大量复杂硬件才能实现的一些算法较为复杂的保护功能。

在本智能保护系统中采集的信号先经调理电路进行滤波整流，经A/D后再送给单片机，单片机通过软件滤波算法进一步增强系统抗干扰性能，即使交流回路中出现浪涌脉冲或持续高频干扰也不会导致保护系统误判断，影响正常工作，并且该保护系统适应面宽，在不同的条件下工作时，一般只需修改软件参数即可达到要求，无需硬件改动，省时高效。

整个信号调理电路由电压、电流、附加直流信号调理电路构成。现以电压信号调理电路为例进行介绍，电压信号调理电路包括了降压电路、二阶有源滤波、EMC电路、精密整流电路、稳压二极管。电压信号调理电路负责采集A、B、C三相交流信号，并将其转换成为合适的直流电压范围，以便单片机进行A/D转换。

在信号调理电路图3中由RUC1和RUC8构成降压电路，将127V交流电压降至合适电压水平。TVS二极管构成EMC电路，当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，会以10—12S量级速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，同时吸收高达数千瓦的浪涌功率。使两极间的电压箝位于一个安全值，有效地保护电子线路中的精密元器件免受浪涌脉冲的破坏。再由UUCA与外围电路构成的有源二阶低通滤波电路，其传递函数典型表达式为A（s）=■。

其中ω■=1/（RC）为特征角频率，Q为等效品质因数，幅频响应和相频响应分别为

20lg■=20lg■

φ（ω）=—arctg■

通过计算获得截止频率为100Hz的电阻电容参数，构成二阶低通有源滤波电路滤除100Hz以上干扰。

在图4中，UUCB和UUCC构成精密整流电路，可以克服二极管整流桥电路在小信号检波时输出端将得不到原信号或使原信号失真很大的缺点。由二极管和运放构成的精密整流电路将降压后的交流电整流为直流，在输入信号小于0.01V的时候也能进行线性整流滤波，其精度和效率大大提高。此电路分析如下：

当Ui>0，D1导通，D2截止，这时有

Uo=（1+■）Ui—■Ui=Ui

当Ui<0，D1截止，D2导通，这时有

Uo=（1+■）Ui—■Ua

Ua=（1+■）Ui

精密整流后的信号再进行一次二阶有源滤波，之后将信号送给单片机进行A/D采样转换。在单片机引脚处还会接入一只稳压二极管，当输入的电压过大时，将电压钳位在4.3V，防止电压过大烧毁单片机。

1.4 光耦隔离输出电路 采用光耦隔离电路实现了信号单向传输，使得输入端与输出端完全电气隔离，输出信号对输入端无影响，增强系统抗干扰能力，并且光耦还有工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高等优点。

1.5 CAN/RS485可切换通信电路 CAN/RS485可切换通信电路预留出了485通信芯片和CAN通信芯片接口，通过拨码开关可以实现通信方式的切换。系统中采用RSM485和CTM8251芯片。

RSM485系列隔离收发器模块，将电源隔离、电气隔离、RS—485接口芯片，总线保护器件集成于一身，方便嵌入设备，使产品具有连接RS—485网络的功能。该系列模块采用灌封工艺，具有很好的隔离特性，隔离电压高达2500V DC。

CTM8251是一款带隔离的通用CAN收发器芯片，该芯片内部集成了所有必需的CAN隔离及CAN收、发器件，这些都被集成在不到3平方厘米的芯片上。芯片的主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平并且具有DC功能。

另外，整个系统中还包括时钟电路、继电器电路，这些电路皆为常见电路，此处不再一一赘述。

2 实际应用与测试（表1和表2）

3 结语

通过测试和实际应用，通过以PIC单片机为控制核心，由电源电路、信号调理电路、光耦隔离输出电路共同构成的照明信号综合保护装置，达到实际使用要求，工作可靠，性能良好，消除了传统保护装置的安全隐患，对外界信息采集准确，智能判断程度高，并且具备LCD显示电路，人机界面友好，显示信息丰富，易于调试，并能准确显示当前电路故障，为排除故障带来极大方便。可切换CAN/485通信接口与外界通信方便，与传统保护装置相比，无论工作可靠性、稳定性及扩展功能都有较大优越性，推广应用前景广泛。

参考文献：

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[4]康华光，陈大钦等.电子技术基础（模拟部分）第四版[M].武昌：高等教育出版社，1998.

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