1、本科生毕业设计（论文）学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学 生： 指导教师： 完成日期 2015 年 5 月某煤矿供电系统的保护设计The protection design of coal mine power supply system总 计： 26 页表 格： 1 个插 图： 12 幅某煤矿供电系统的保护设计The protection design of coal mine power supply system学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 某煤矿供
2、电系统的保护设计某煤矿供电系统的保护设计电气工程及其自动化专业 摘 要本系统是利用 STC89C52 单片机为控制芯片，设计出的一煤炭供电系统保护设计。本文以 STC89C52 单片机为核心器件， ADC0808、LED 显示器、ISD1760，利用单片机 I/O 端口进行编程，由其控制的准确性通过软件程序来控制整个系统实现不供电保护的基本功能,从而实现了完成了 LCD 液晶显示部分电路设计，单片机的控制电路设计部分，过压保护、过流保护、短路保护等数据采集的部分，最后利用 Proteus 仿真软件进行仿真，把各个部分的功能能够实现，根据实际需要和对器件特性的了解，分别对各部分进行了相应的器件选
3、择，以保证系统运行时达到最佳的效果，并最大限度的节省成本开支。关键词: 单片机；A/D 转换器；液晶显示器；Proteus 仿真Protection Design of Coal Mine Power Supply SystemElectrical Engineering and Automation Specialty Abstract: this system is a design of coal power supply system which is designed by STC89C52 microcontroller as the control chip. This pape
4、r uses STC89C52 microcontroller as the core device, ADC0808, LED, ISD1760 display, microcontroller programming with the I/O port, by the accuracy of the control by the software program to control the whole system to achieve the basic functions of protection without power supply, in order to achieve
5、a complete LCD LCD display circuit, control MCU circuit design, data acquisition part of overvoltage protection, overcurrent protection, short-circuit protection, finally carries on the simulation using the Proteus simulation software, the function of each part can be realized, according to the actu
6、al needs and characteristics of the device, respectively on various parts of the corresponding device selection, to ensure the operation of the system to achieve the best effect, and the maximum save the cost.Keywords: Microcontroller; A/D converter; liquid crystal display; Proteus simulation某煤矿供电系统
7、的保护设计I目 录1 引言 .11.1 国内煤矿供电系统的发展 .11.2 国内煤矿供电系统的保护设施 .22 某煤矿供电系统的保护总体方案设计 .32.1 煤矿供电系统的保护设计原理 .32.2 煤矿供电系统的保护设计 .42.2.1 过压设计 .42.2.2 过流设计 .42.2.3 短路设计 .52.3 煤矿供电系统的保护设计的四大部分 .53 软件设计 .53.1 C 语言简介 .53.2 Keil4 程序编辑软件简介 .63.3 程序流程图 .63.4 电压采集程序 .73.5 液晶显示程序 .73.6 语音模块程序 .84 硬件设计 .94.1 主控电路 .94.2 电压采集电路
8、.104.3 液晶显示设计 .124.4 语音录放模块 .134.5 某煤矿供电系统保护仿真图 .15结束语 .17参考文献 .18附录 .19致谢 .26某煤矿供电系统的保护设计01 引言煤矿开采工作对于国家的工业，农业以及我们的生活的重要性不言而喻。煤矿供电系统的保护设计对于煤矿开采工作显得格外的重要，我们知道煤矿供电系统一般都是几千伏高压，属于强电部分。我们日常生活中常说电是老虎，那只不过是 220V 低压，危害就是如此之大；对于高压保护工作显得尤其重要。煤矿供电系统的保护一般采用继电器保护，但是继电器保护一般需要智能的设备及时的给它发出指令，让它能够及时切断电源，以减少和避免安全事故的
9、发生以及大型设备的损坏。而这个智能设备可以是单片机。单片机是一种可通过编程控制的微处理器，但是单片机本身不能单独运用于某项工程或产品上，它必须用外围数字器件或者模拟器件以及驱动电路才可发挥自身更加强大的功能 1。单片机已经运用到很多方面包括工业自动化，智能仪器仪表，电子电器产品，专用设备的智能化管理及过程控制甚至国防方面武器装备。通过电压变换，AD 采集，单片机处理，继电器断电将会使煤矿供电系统更加安全，可靠。这也是自己通过大学的学习应用到生活中。1.1 国内煤矿供电系统的发展我国采煤采煤工作面供电系统经历了由 380V 到 3300V 的发展阶段。即是从低压到高压，从小功率到大功率，从小规模
10、到大规模的阶段。20 世纪中期，由于我国煤矿采用炮采落煤方式生产，采煤工作面的供电电压为 380V ，配备了相应的开关等设施，构成了采煤工作面 380V 供电系统。随着 8O 机组的使用，380 V 的煤矿系统供电电压已经难以适应。1964 年，原煤炭工业部组织人员成立了煤矿工作面升压工作组，经过各方面多次尝试，决定将煤矿供电系统的电压由 380V 提高到 660V，并组织煤矿供电厂商生产专供井下使用的电压等级为 660 V 的电机及相应的自动化控制设备，构建了煤矿供电 660V 供电系统体系。7O 年代，以液压支架和滚筒式采煤机为导向的综合采煤机械化设施的引进并投入煤矿生产，进一步提高煤矿供
11、电工作面供电电压，为了适应煤矿生产需要的问题又被提到议事日程。虽然，当时正处于文革之中，我国煤矿战线的科研人员和煤矿发电机制造厂商在政府有关部门的支持和帮助下，经历近十年的探索，研发出了千伏级的开采煤矿工作方面供电系统的所有设备，然后立即进行使用，实现了我国煤矿供电系统的又一次升级换代。自上个世纪 80 年代以来，在原煤炭工业生产部的组织和领导下，我国煤炭生产以增加煤炭生产量、实现资源优化配置和减少人原量和工作量的目标迈进，加紧创新煤炭生产的现金设备，使综合采矿设备的装机容量不断增加，又创新研制出了一批总装机容量已达 2000KW 左右的高产新型采煤装机装备。1988 年原煤炭工业部明确提出了
12、建设高产高效煤矿的目标，同时，组织专业人士研究进一步提高井下煤矿开采系统供电电压，经过调查研究和反复论证，并学习了外国井下煤矿供电电压升级的技术，1991 年 l1 月确定将我国煤矿开采供电电压从 1140 V 提某煤矿供电系统的保护设计1高到 3300V，并将“井下采区 3300 V 供电系统”作为国家“八五”期间重点项目“日产万吨综采设备”的一个子项目，组织煤矿科研机构和煤企业人士开展相关的研究工作。20 世纪 90 年代决定将我国煤矿供电系统电压由 1140 V 提高为 3300V，1998 年 7月我国第一套自主知识产权的 3300 V 煤矿综采供电系统在山西省晋城矿务局古书院煤矿场地
13、试验成功，标志着我国井下煤矿开采供电系统高电压升级工作的胜利完成，为我国煤炭生产实现高产高效矿井建设奠定了坚实的基础，同时，大大缩小了我国井下煤矿开采供电系统与欧美发达国家先进水平的差距。目前，国内多采用几千伏高压交流电对于大型设备进行供电，用大功率电机作为驱动开采设备，并且加以防爆设施来保障安全。1.2 国内煤矿供电系统的保护设施国内煤矿供电系统的保护设施按功能有绝缘监视、漏电保护、过压欠压、过载短路等保护方法；按材料有热继电器，低电压电流继电器，低电压熔断器，还有就是电子电气综合保护装置。煤矿供电系统保护的设施有继电保护装置，接触器，熔断器，其中包括测试装置，现场信号输入装置，执行装置，逻
14、辑判断装置。现场信号输入装置包括对于干扰信号的处理，高压信号的降压，还有模拟信号变为数字信号，现场信号送入继电保护装置一般要进行必要的前置处理，如采用光电隔离技术，消除干扰信号；电平转换电路使低信号变为强信号易于处理；低通波除高频信号及纹波电压等，使继电器能有效地检测各现场物理量。测试装置包括对于处理好的信号的采集，分析，它是检测经现场信号输入电路处理后与被保护对象有关的物理量，并与已给定的设定值或自动实时生成的判据进行比较，根据比较结果给出“是”或“非” ，即“0”或“1”性质的一组逻辑信号或电平信号，经判断确定保护是否启动。而逻辑判断装置一般用单片机等智能装置对信号进行比较，处理最后传递给
15、执行装置，它是根据测量部分各输出量的大小、性质、逻辑状态、输出顺序等信息，按一定的逻辑关系组合、运算，最后确定是否应该是断路器跳闸或发出信号，并将有关命令传给执行部分。常用的逻辑一般有“与” 、“或” 、 “非” 、 “延时” 、 “记忆”等功能。执行装置需要进行一些驱动电路进行及时执行命令，尽量减少损失 3。它是根据逻辑判断部分送来的出口信号，完成保护装置的最终任务，主要负责保护装置与现场设备的隔离、电平、连接转换、出口跳闸的功率驱动器，以及现场设备状态信息的返回等，以使继电保护装置能可靠地工作：电气设备和电力设备发生故障时跳闸，不正常运行时发出信号，正常运行时不工作的理想状态。继电保护装置
16、是一种能反应系统正常和不正常状态，并及时动作于断路器跳闸或发出信号的电气自动化设备。熔断器、继电器和接触器等都可以用于保护装置，但由于煤矿系统中正常工作电流和短路电流不断增大，熔断器已不能满足灵敏性和可靠性某煤矿供电系统的保护设计2的要求，继电器和接触器是目前应用较广泛的保护装置。现在，我国积极发展高压直接供电技术，不断的改进煤矿生产设备的自动化水平，运用先进的计算机技术与网络信息技术实现煤矿生产综合自动化 2。2 某煤矿供电系统的保护总体方案设计2.1 煤矿供电系统的保护设计原理由于我国煤矿供电系统供电目前采用 3300V 高压交流电，而单片机使用的 TTL 电平，只认识 0V 与 5V 的
17、二值信号.这就要使用一种转换，把交流变成直流，把高压变成低压，把模拟信号转换成一种单片机认识的数字信号 5。其中高压变低压运用到学习的电路知识中的变压器知识，交流变直流运用到学习的模拟电子技术知识中的直流电源知识。直流电源知识包括整流知识，整流包括半波整流，全波整流，桥式整流知识；滤波包括电容滤波，电感滤波等；还有稳压可以用稳压管或者稳压芯片。但是本次设计采用 ADC0808 模数转换器采集电压，所以不需要稳压管或者稳压芯片进行稳压。即使经过降压，整流，滤波之后的电压仍然是模拟信号 6。但是单片机仍然不能识别直流模拟量，对于本设计使用了 ADC0808 模数采集器芯片采集模拟信号，进行处理后以
18、供单片机处理。用驱动电路驱动继电器及时断电，单片机向 ISD1700 语音模块发出指令进行及时提醒人们出现安全事故，用 LCD 或 OLED 屏进行显示相关故障信息。这种先断电可以直接减少损失，并且紧跟着语音提示工作人员来检查一系列的设备，查找可能出现意外事故隐患，还有 LCD 屏提醒显示相关故障信息。这种既人性化又安全合理快速的设计相信一定能够为人类减少很多的工作和许多的损失。煤矿供电系统的保护包括过压，过流，短路部分的保护。保护设置有继电器断电，提醒设置有 LCD 提醒，语音提醒。煤矿供电系统的保护框图如图 1 所示：高压降压整流滤波AD 采集单片机处理LCD 显示语音提醒过压过流短路继电
19、器某煤矿供电系统的保护设计3图 1 煤矿供电系统的保护框图2.2 煤矿供电系统的保护设计2.2.1 过压设计过压设计采用大功率变压器降压，整流桥整流，电容滤波之后。交流电压降为直流电压 5V。经过电位器和分压电阻合理配置参数后，当交流高压变高或者变低之后，必然输出端电压也就是电位器两端的电压发生同样的变化。当煤矿供电系统供电电压变得超过额定电压。通过 ADC0808 不断地采集电压，由单片机设定的常量对比，并且立即驱动继电器进行断电，LCD 显示屏显示，语音提醒。过压设计如图 2 所示：图 2 过压设计2.2.2 过流设计过流设计也要进行降压，整流之后。然后通过一个采样电阻，当电流过流时，采样
20、电阻两端的电压会很大。利用 ADC0808 两路模拟信号采集传输给单片机，在程序里进行做差，当这个差值很大时超过定义的额定的定量说明过流 7。然后进行相应的操作。过流设计如图 3 所示：某煤矿供电系统的保护设计4图 3 过流设计2.2.3 短路设计短路设计也要经过降压，整流之后，通过 ADC0808 一路模拟通道采集，送给单片机处理与在程序里事先设定的常量 0 进行比较，一样说明短路。通过单片机的一个定时器不停地扫描 ADC0808 的 4 路模拟通道，然后判断是短路，过流还是过压。短路设计电路如图 4 所示：图 4 短路设计2.3 煤矿供电系统的保护设计的四大部分降压部分：降压就是 3300V 交流高压变为 5V 直流低压，使用变压器降压，整流桥整流，电容滤波。电压采集部分：通过降压之后，用 ADC0808 不同通道通过过压设计电路，过流设计电路，短路设计电路不断地采集电压。然后供单片机处理采集数据，判断是过流，过压还是短路，并及时驱动继电器进行断电。
