AT89C2051單片機實現沖擊繼電器功能的實驗

周志榮

【摘 要】針對早期修建的某小水電站中央信號裝置設計上存在的缺陷，以及后來運行中出現的動作不可靠等問題。本著不增加電站運行成本和不過度改變原有接線的原則，使用89C2051單片機最小系統和少量元器件構成的電路，進行單片機編程后實現沖擊繼電器的基本功能，替代原電路電磁式元件改造中央信號裝置。達到通過低成本改造提高電站運行可靠性及延長使用壽命的目的。

【關鍵詞】小水電站 中央信號 單片機 沖擊繼電器

1前言

在發電廠和變電站中為了及時掌握電氣設備的工作狀態，須用信號顯示當時的情況。若發生事故時，應發出各種燈光信號及音響信號，提醒運行人員迅速判明事故性質、范圍和地點，以便作出相應處理。[2]

中央信號裝置，是對全廠主要電氣設備的信號起先集中時監控的裝置。常規的電磁式中央信號裝置的基本工作原理是：當發生事故或異常情況時，相應的輔助觸點或信號繼電器觸點閉合，使相應光字牌點亮，并使事故音響母線（以下用SYM）或預告信號母線（以下用YBM）上電，沖擊繼電器檢測到SYM或YBM上電壓的瞬時變化（即電平跳變）啟動電笛或警鈴發出音響報警。[2]

某小水電站建于1985年，裝機容量3750kW（3×1250kW）。基于當時的經濟、技術條件繼電保護采用電磁型。但中央信號裝置設計時音響信號啟動沒有采用常規的沖擊繼電器，采用幾只繼電器構成簡單音響信號啟動電路，只有手動解除音響。實際運行中的表現是：發生事故或異常情況時，不按解除按鈕電笛響不停。但有時按下解除按鈕后放開電笛又響起來，此時并沒有發生新的事故和異常情況，屬于誤動作。分析電路后發現出現這種情況的原因是：這種采用電壓繼電器的電路只能檢測SYM和YBM上有無電壓而不能檢測電壓的瞬時變化。由于磁滯現象電壓繼電器返回電壓低于啟動電壓，只要相關輔助觸點不復位，SYM和YBM上都有電壓且電壓值可能高于電壓繼電器的返回電壓，音響信號啟動電路就不能復位。加上原設計音響信號只用一個電笛，電笛聲停了又起很煩人，直接影響到運行人員正在進行的處理工作。

2電路硬件設計

基于上述運行狀況，用美國ATMEL公司生產的AT89C2051單片機設計一個小裝置，替代原設計中的信號啟動裝置。

設計思路是： AT89C2051單片機有2個外部中斷源，對應 和 引線。 和 引線上的有效外部中斷請求信號，分別置位外部中斷請求位IE0和IE1，中斷請求信號的觸發方式有電平觸發方式和邊沿觸發方式兩種，可通過外部中斷觸發方式控制位IE0和IE1的定義進行規定，電平觸發方式是低電平有效，邊沿觸發方式是由高到低負跳變有效，即單片機AT89C2051在兩相鄰機器周期對 和 的相繼采樣中，前一次為高電平，后一次為低電平，就置位于外部中斷請求位IE0和IE1，向單片機AT89C2051的CPU申請中斷。【1】正好和沖擊繼電器工作原理相似，也是選用AT89C2051單片機替代沖擊繼電器的關鍵。用一片AT892051可以實現兩只沖擊繼電器啟動事故音響和預告信號的功能。

電路構成：脈沖變壓器T1、T2原邊端接SYM、YBM和-MX，同時又起到強電弱電隔離的作用，副邊端接NPN型三極管Q1、Q2的基極；單片機 和 輸入端接Q1、Q2的集電極，集電極電阻同時是 和 提供上拉電阻。按鈕AN1和AN2為試驗按鈕，按鈕AN3為復位按鈕，復位單片機和手動解除報警音響，K為音響持續時間設定開關，設定時間為2s、4s、8s。端口P1.0、P1.1、P1.2作為輸出口分別接3只發光二極管LED1～LED3、PNP型三極管Q3、Q4和2只繼電器J1、J2，作為狀態指示和啟動電笛、警鈴發出聲響。電路見圖。

3軟件設計流程

（1）初始化（設置堆棧、外部中斷及中斷請求方式）。設P1.0低電平，延時0.5s，設P1.0高電平，延時0.5s，無條件循環。

（2）中斷，判斷設定時間，P1.1或P1.2低電平，延時，P1.1或P1.2高電平，中斷返回。

單片機源程序：

ORG 0000H

AJMP MAIN

ORG 0003H

AJMP SGYX

ORG 0013H

AJMP YGYX

ORG 0100H

MAIN： MOV SP，#7BH ；設置堆棧

MOV IE，#85H

SETB IT0

SETB IT1

SETB PX0

SD： CLR P1.0 ；P1.0低電平

ACALL DELT ；延時0.5s

SETB P1.0 ；P1.0高電平

ACALL DELT ；延時0.5s

AJMP SD

SGYX： JNB P1.4， 2S

JNB P1.5， 4S

JNB P1.6， 8S

RETI

YGYX： JNB P1.4， 2S

JNB P1.5， 4S

JNB P1.6， 8S

RETI

2S： CLR P1.1 ；延時2s

ACALL DELN

SETB P1.1

RET

4S： CLR P1.1 ；延時4s

ACALL DELN

ACALL DELN

SETB P1.1

RET

8S： CLR P1.1 ；延時8s

ACALL DELN

ACALL DELN

ACALL DELN

ACALL DELN

SETB P1.1

RET

DELT： MOV R5，#04H ；0.5s子程序

DELT1： MOV R6， #0FFH

DELT2： MOV R7， #0FFH

DELT3： DJNZ R7， DELT3

DJNZ R6， DELT2

DJNZ R5， DELT1

RET

DELN： MOV R5，#28H ；2s子程序

DELN1： MOV R6， #09EH

DELN2： MOV R7， #09EH

DELN3： DJNZ R7， DELN3

DJNZ R6， DELN2

DJNZ R5， DELN1

RET

END

工作原理：上電后，單片機運行主程序。正常運行時，P1.0口的綠色LED1以0.5s的間隔閃爍，作為單片機電源及準備就緒指示。此時SYM或YBM上無論有無電壓，只要電壓值沒有起伏變化，脈沖變壓器T1、T2原邊線中沒有電流或流過恒定不變電流，次級端無互感電壓輸出，Q1、Q2截止， 和 輸入端高電平，單片機電路保持原狀。如果發生事故或異常情況時，相應的觸點閉合， SYM或YBM瞬間上電，脈沖變壓器T1、T2原邊線有電流瞬間流過，次級端有互感電勢，在電勢作用下Q1或Q2導通，集電極高電平變低電平，相應的 和 輸入端由高電平變低電平負跳變，從 和 向單片機CPU發中斷請求，CPU立即中斷正在執行的綠色LED1閃爍并熄滅， P1.1或P1.2口輸出低電平，紅色LED2或黃色LED3點亮，同時Q3或Q4導通驅動繼電器J1或J2啟動電笛或警鈴，單片機讀取I/O端口P1.4、P1.5、P1.6電平，運行相應的延時循環程序，經過延時，P1.1或P1.2口輸出高電平，紅色LED2或黃色LED3熄滅、繼電器J1或J2釋放，電笛或警鈴停止，從而實現音響信號的延時自動復歸（此前按AN3能手動復歸），單片機回到中斷前狀態，綠色LED1繼續以0.5s的間隔閃爍，準備再一次的啟動。正常運行時如按下AN1或AN2時， 或 輸入端由高電平變低電平負跳變，單片機電路同樣動作，達到實驗的目的。由于本電路使用一片AT89C2051單片機執行SYM和YBM兩路信號檢測，且受單片機硬件性能的限制，SYM和YBM同一時刻出現電壓變化時單片機只能響應其中一個信號。考慮到事故信號比預告信號緊急，事故信號應優先響應。所以設定 最優先級，只要 輸入端有負跳變，CPU優先處理，優先發事故音響信號。

本電路通過Proteus仿真實驗，證明思路可行。應用延伸：充分利用單片機資源，比如RX、TX接口加裝通信模塊可實現和上位機的互聯等。

5結語

通過用AT89C2051單片機電路替代小水電站中央信號裝置中的沖擊繼電器試驗，可以看到單片機的應用范圍很大的，只要通過編程和外部的少量連線就可以實現以前電磁式繼電保護用多個元件才能實現的邏輯功能。用單片機技術以及單片機低廉的價格在改造老舊設備、實現自動控制方面有很好的現實意義。用較小的投入最大限度的延長小水電站使用壽命。

參考文獻：

[1]朱定華，戴汝平.單片微機原理與應用[M].北京：清華大學出版社，北方交通大學出版社，2003.

[2]范錫普.發電廠電氣部分[M].北京：中國電力出版社，1995.