3.3 键盘、显示模块

人机接口是本电动机保护器的重要组成部分，通过它可以实现人机交互，进行电动机参数设定，显示电动机运行状态以及报警等功能。

3.3.1 键盘设计

键盘是典型的输入设备，其功能是为了输入数据、命令以及查询系统的工作状态，实现简单的人机通信。键盘由选择键和功能键组成。

本装置键盘采用2 x 3矩阵式非编码键盘，共6键，分别为：

（1）1～2为左键（在定制输入确认键按下后作为数字的减小键)和右键(在定制输入确认键按下后作为数字的增大键)；

（2）3～4为上下选择键，用于选择菜单以及在输入设定数据时用于选择数据位的位置；

（3）5为功能选择（返回）键，6为确认键。 P2口的低3位作为输入口，P2.4，P2.5口作为输出口。

确定矩阵式键盘上何键被按下运用“行扫描法”。行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，

1、判断键盘中有无键按下将全部行线key1，key2，key3置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与3根行线相交叉的3个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘 中无键按下。

2、判断闭合键所在的位置：在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。键盘的设计电路如图3.3所示：

19

3.3.2 显示设计

本装置中人机接口的显示采用点阵式液晶显示模块，带中文字库图形液晶模块 12864 控制器7920，带中文字库的图形点阵液晶模块克服了以往装置采用数码管显示器存在的显示功能少，不美观和功耗高等缺点。

3.3.2.1 液晶显示原理

液晶显示器(LCD)是一种新型的低功耗显示器，其基本原理是：在正常情况下，液晶对光具有旋光作用，使光的偏振方向旋转90。，当光线通过两个偏振片和液晶盒后，能沿原路经反射极返回，此时液晶盒呈透明状态；当液晶盒的电极上加一定的电压后，电极连接部分的液晶就失去旋光性，导致不能通过两个偏振片，从而显示黑色。按不同需要组合液晶电极通电方式或把液晶电极做成各种需要的形状，就能实现功能多样、形态各异的显示。

3.3.2.2 液晶显示器的特点

LCD作为电子信息产品的主要显示器件，相对于其它类型的显示部件来说，有其自身的特点：

（1）低电压微功耗：LCD的工作电压一般是3～5V，每平方厘米的液晶显示屏的工作电流为微安级，所以液晶显示器件是要求低功耗设备的首选显示器件。

(2)平板型结构：LCD的基本结构就是由两片玻璃组成的很薄的盒子。这种结构具有使用方便，生产工艺简单等优点，特别是在生产上，适宜采用集成化生产工艺，通过自动生产流水线可以快速大批量生产。

(3)使用寿命长：LCD器件本身几乎没有劣化问题。若注意器件防潮、防压、防止划伤、防止紫外线照射、防静电等，同时注意使用温度，LCD可以使用很长一段时间。

(4)被动显示：对LCD来说，环境光线越强显示内容越清楚。人眼所感受的外部信息的90％以上是外部物体对光的反射，而不是物体本身发光，所以被动显示更适合人的视觉习惯，更不容易引起疲劳。这在信息量大、显示密度高、观看时间长的场合更显得重要。

(5)显示信息量大且易于彩色化：LCD和CRT相比，由于LCD没有荫罩限制，像素可以做的很小，这对于高清晰电视是一种理想的解决方案。同时，由于液晶易于彩色化，因此方法也很多，特别是液晶电视的色彩可以做的十分逼真。

24

3.4 电源模块

本系统需四路供电电源，即+5V的单片机主电源和模拟参考电压以及相关芯片的电源电压、运算放大器+15V和-15V直流电源。本装置都是通过三端集成稳压器获得各路直流电源，如图3.5所示：

图3.5电源电路

3.5 数据采集模块

本系统故障检测信号取自于电动机三相线电压和线电流，共六路模拟输入信号，其中三路用于线电流检测，三路用于线电压检测。由于STC90C58AD单片机内置A／D转换器的模拟输入通道要求输入信号为O～5V的单极性电压信号，因此压／电流传感器采样的交流信号必需转换为O～5V的单极性电压信号。图3.6为其中一路电流采样及其调理电路图，其余两路相同。

图3.6电流采样及调理电路

图3.7中R1为采样电阻，其主要作用是将电流互感器CT2的感应交流电流转

换为交流电压。利用运放1的高输入阻抗，来抑制负载对采样精度的影响。电组R2、R4、Rf和运放ARl组成加法器，电阻R7、Ro和运放AR2组成反向器，电阻R9和电容

26

Cl组成简单低通滤波器。VMF为STC90C58AD内置A／D转换器的模拟输入参考电压，

VD2分别为Dl、二级管D1和D2主要起嵌位作用，可保证VO2在-VD2～(VMF+VD1)(VD1、D2的正向压降)之间波动。

Rf根据运算放大器相关原理，可列出如下方程：VO1V R??O2?VO1?1V1?VfRO R2R4 R7RV?Ve?VfV令R2=f=R4=Ra,R7=Ro=Rb,则可得O2。若取f=2.5V,当Ve在区间-2.5V～＋2.5V取值时，则VO2为0～5V的单极性电压信号，满足STC90C58AD单片机内置A/D转换器对模拟输入信号的要求。当单片机模拟输入通道输入电压VO2为0～5V时，A/D转换器的输出结果为： V?ANGNDADO?1024?O2VREF?ANGND

电压采样是通过电压互感器来实现的，其调理原理同电流信号调理原理，电路图如图3.7所示。

图3.7电压采样及其调理电路

3.6 报警和保护动作执行模块

本装置为电动机故障提供蜂呜器发声报警，报警电路如图3.8所示。其工作原理是：电动机处于正常运行状态时，置P3.7为低电平，三极管Q2基极无电流处于截止状态，蜂鸣器也处于截止状态，报警失效；当电动机出现故障时，置P3.7为高电平，由于三极管Q2的导通而导致蜂鸣器导通发声，从而实现保护装置的故障自动报警功能。

当电动机发生故障时需要一个急停的保护动作，图3.9为保护装置的动作执行保护电路。当电动机发生故障时，置P2．5为高电平，三极管Q1导通，继电器K5断开，进而交流接触器K7断开，电动机失电停转，从而实现电动机故障自动掉电保护。

24

图

图3.9

3.8

3.7 通信模块

目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5~+15V，负电平在-5~-15V电平。当无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平再返回TTL电平。接收器典型的工作电平在+3~+12V与-3~-12V。RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为3kΩ~7kΩ。所以RS-232适合本地设备之间的通信。

3.8 本章小结

本章主要介绍了使用STC90C58AD单片机实现电动机智能保护器的硬件电路设计方法，整个设计以宏晶科技推出的高性能基于8051内核的STC单片机为设计核心。

论文首先从总体上介绍了保护装置的硬件设计，然后从系统的六大模块出发，首先介绍了系统的核心MCU芯片STC90C58AD单片机，详细描述了该处理器的的基本性能、编程结构，给出了该单片机系统的硬件原理图以及单片机程序下载电路；然后介绍了人机接口模块，其中重点详细描述了液晶显示模块的结构、显示方法以及显示命令等；介绍了保护装置的电源模块、通信模块的硬件设计；专门设计了与片上AD模块相配合的信号处理电路来采集外部模拟信号量，设计了系统的报警和保护动作电路。

24