【導讀】單片機的出現，使得電動機保護器的發展有了質的飛躍，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。本文將詳解單片機在電動機保護中的作用和應用。
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模集成電路芯片上而制成的，有些單片機還集成了模數轉換器(ADC)、脈寬調制模塊(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用系統。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地位。生產單片機的半導體廠家很多，包括：INTEL、PHILIPS、SIEMENS、ADM、ATAIEL、MICROCHIP等。近年來，MICROCHIP公司生產的單片機以其簡約的指令系統、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系列的產品，覺得使用非常方便。
電動機保護器實現的功能主要包括：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。用傳統的模擬線路要實現如此綜合的功能，其線路將會變得非常復雜，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，使得電動機保護器的發展有了質的飛躍，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。
用單片機系統實現電動機保護的功能，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成，下面分別對其中的關鍵部分作簡要分析。
一、 三相電流采樣部分
這部分設計直接關系到電流的采樣精度。因此，必須通過理論分析、反復實驗方能確定。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。為了減小二極管導通壓降的影響，應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。這種線路的優點是避免了整流二極管正向導通壓降的影響，但同時增加了線路的復雜程度，而且還需要為放大器**正負電源，增加了電源部分的成本。在實際使用中應權衡利弊，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。交流采樣的關鍵技術有幾個方面：1.采樣周期應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，因而在響應速度方面比直流采樣有極大改善，特別對于那些對響應特性要求較高的隨動系統非常有益。盡管交流采樣有很多直流采樣無法比擬的優點，但因其會增加軟件編程的難度并要占據較大的存儲空間而在一些較簡單的小型系統中較少使用。
二、顯示部分
在工控儀表中常常使用LED數碼管作為用戶界面，其優點是亮度高、驅動電路簡單，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數碼管接口一般采用串行通訊方式，配接移位寄存器來驅動數碼管工作， 設計不同的驅動程序可實現不同的顯示方式。例如：數碼管閃爍、小數點位數自動變換，特殊字符顯示等。為了減小數碼管的功耗，一般采用動態驅動方式，也就是在一個周期(T)內只在(1/3—1/2)T的時間內顯示，通過調節占空比可改變數碼管的亮度。另外需注意數碼管的驅動電壓不能太高，如果用+5V電源驅動就需加限流電阻或降壓二極管。其中用降壓二極管較好，可防止因數碼管點亮的筆數發生變化而造成的電壓波動，從而保證數碼管亮度穩定。
單片機與字符型LCD模塊接口的數據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。如果數據線采用并行方式，將占用單片機大量的資源，因而不宜使用。在編制驅動程序時，在性能許可的情況下應注意盡量減小數據線和時鐘線的信號頻率，這樣可減小電磁干擾。
三、控制輸出
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，市場產品豐富，驅動線路也比較簡單，但可靠性和使用壽命有限，且在觸點動作時會產生“火花”，嚴重時可影響系統的正常工作。因此，在PCB板布局時應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并聯續流二極管，否則在繼電器線圈斷電瞬間會產生較高的感應電壓，從而破壞電路。固態繼電器具有壽命長、性能穩定，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。
單片機系統中，軟件是一個非常重要部分，這部分能充分體現設計者的設計思想，通過程序可實現電機保護器的智能化控制以及遠程通訊等功能。
