基于單片機的智能漏電保護器

哈 爾 濱 理 工 大 學畢 業(yè) 設 計 題 目：基于單片機的智能漏電保護器 院、 系： 榮成學院 電氣工程系 姓 名： 指導教師： 系 主 任： 王哈力 2015年6月20日哈爾濱理工大學學士學位論文基于單片機的智能漏電保護器摘 要近幾年隨著我國經濟的迅速發(fā)展，對用電量的需求也越來越大，怎么安全用電成為大家關心的問題。當前主流的保護原理是剩余電流動作原理。但在有些情況下的漏電保護存在死區(qū)問題，因此不能有效的實施漏電保護，存在著極大的安全隱患。這些問題在國內外尚未有效地解決，因此需要研究新的漏電保護原理，適應不同情況下的保護要求。電子技術日新月異，單片機長足的發(fā)展和應用也帶動了漏電保護器的進步，將單片機技術應用到漏電保護器中會有較強的優(yōu)勢，借助單片機技術能夠提高漏電保護器的可靠性、靈敏性，實現多功能的保護。本論文以漏電保護技術為研究對象，先了解漏電保護器的基本結構，然后分析不同類型保護器的漏電保護原理，采用單片機技術進行軟件和硬件設計，實現對漏電流的檢測，快速處理和顯示，設計出高可靠性、低價位的新型漏電保護器。關鍵詞 漏電保護器；單片機；智能 Intelligent leakage protection device based on SCMAbstractIn recent years, due to the scale of Chinas economic construction continues to expand, the rapid growth of the use of electricity, electrical safety issue is very important. In everyday life the principle of power protection equipment due to improper use of electrical or electronic circuit turn is caused by residual current principle. But the presence of the dead zone leakage protection in some cases can not be effectively implemented leakage protection, there is a great security risk. These problems at home and abroad has not been effectively addressed, and therefore need to study new leakage protection principles, adapt the protection requirements of different situations. Electronic technology advances, considerable development and application of SCM also contributed to the progress of leakage protection, single-chip technology will be applied to the residual current protection device may improve reliability, achieve more suitable for users of multi-functional protection. Therefore, the use of residual current protection chip technology has a strong advantage in terms of function realization.In this paper, the leakage protection technology for the study, through the study of residual current transformer for different types of leakage currents theoretical analysis, uses chip technology hardware and software design, implementation, detection of leakage current, fast processing and display, design of new leakage protection and high reliability, low price.Keywords Leakage protection; intelligent; SCM目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1課題研究背景11.2國內外發(fā)展動態(tài)21.3課題內容31.4課題研究目的及意義4第2章 漏電保護器概述52.1漏電保護器52.1.1漏電保護器簡介52.1.2漏電保護器的分類52.1.3漏電保護器工作原理62.2 智能漏電保護器72.2.1 智能漏電保護器的主要特點72.2.2 智能漏電保護器工作原理82.3本章小結8第3章 漏電保護器的硬件設計93.1硬件設計整體思路93.2零序電流互感器的選擇103.3單片機的選擇113.4硬件電路設計133.4.1 接口按鍵電路設計133.4.2 復位電路的設計133.4.3 檢測電路設計143.4.4 相位同步電路設計153.4.5 控制執(zhí)行電路設計153.5 液晶顯示模塊設計173.6 電源部分設計173.7 本章小結18第4章 漏電保護器的軟件設計194.1軟件設計整體思想194.2主程序設計194.3中斷服務模塊224.3.1 INT上升沿中斷224.3.2 TMR2定時器中斷224.4 漏電信號分析模塊244.4.1 漏電緩變電流計算模塊244.4.2 漏電突變電流計算模塊254.5 本章小結28結論29致謝30參考文獻31附錄3240 第1章 緒論1.1課題研究背景傳統(tǒng)的保護器保護功能是利用了某些物理效應，通過機械系統(tǒng)的動作來實現的，因而體積較大，效果也不夠理想。用電設備發(fā)生故障或供電網絡出現異常時將會影響整個供電線路。為了避免這一情況，有必要在傳統(tǒng)保護器的基礎上研究更可靠的和具有更多功能的新型保護器。比方說，可以對短路進行保護，電流過載時保護，漏電保護，電壓偏低或偏低時的保護等1。智能化、人性化、信息化和自動化是現代供電系統(tǒng)的主要特點，漏電保護器向著多用途化方向的發(fā)展也是必然的。智能保護器和傳統(tǒng)保護器最大區(qū)別是前者具有智能控制處理模塊，所謂的智能模塊就是在保護器上運用單片機、數字信號處理、微處理單元等微處理器芯片，這種技術能讓保護器具有快速處理、識別故障，還能完成相關參數顯示和通信功能。未來的智能型保護器將向著更多功能的方向發(fā)展，其脫扣器除了有傳統(tǒng)的功能外，還可以提前預警并且可以測量數據參數，這樣的舉措提高了智能型漏電保護的保護精度，能夠實現對設備、線路真正的精確保護。微電子技術的快速發(fā)展，給集成電路也帶來了革命性變化，大大減小了電子電路的尺寸，以集成電路為基礎的多功能保護器也應運而生。此時的保護雖比機械保護進步了不少，但還不能稱為智能化。對于快速發(fā)展的當今社會來說，傳統(tǒng)的漏電保護器根本滿足不了電力系統(tǒng)自動化的要求，人們希望單臺保護器就能實現自動化、智能化和模塊化。對于電力供電線路中的多臺保護器，人們希望能夠具有集中監(jiān)測控制、聯(lián)網通信的特點，此時可以稱作是智能化。微處理器的快速進步，給智能化保護器的進步提供了前提。微處理器技術的發(fā)展也促進了電氣開關的進步。當電氣開關具有智能特點后，除了有傳統(tǒng)電器的功能特點外，還能夠隨時隨地顯示電路中的電流、電壓、功率、功率因數等參數。智能型保護器可以根據人們的需要隨時對一些參數進行設定和修改。運用微處理技術可以把動作保護參數儲存在不易失性儲存單元中2。智能保護器除了具有各種保傳統(tǒng)保護器的功能外，還能實時顯示電流、電壓、功率因數等電路參數，當然了這些參數可以根據用戶的需要對其設置和修改。前者與傳統(tǒng)的保護器相比，它的優(yōu)點是很明顯的，具體如下所示：1.可靠性好，靈敏度高 2.適應性強，功能靈活多變3.性價比高，能很好地滿足現代復雜配電電網的要求。 1.2國內外發(fā)展動態(tài)漏電保護器經歷了一個漫長的發(fā)展歷程，目前已為全世界普遍使用。1930年在歐洲發(fā)現了漏電保護器的工作電壓，這是一歷史性變革，為以后的漏電保護器提供了基礎。在1960年以電流作為動作參數的漏電保護器問世。電流型保護器和電壓型保護器相比，前者可靠性更高，電流型的保護器已成為當今保護裝置的主流，后者已經被社會摒棄。1964年日本研發(fā)出了以電壓作為動作參數的漏電保護裝置，西德在1966年開發(fā)出了以磁效應為參數的電流動作漏電保護器，在1976年開始集成電路技術被應用到漏電保護器中，開啟了漏電保護器的新篇章。美國在1967年開始就使用了以電流為參數的漏電保護器，并率先開始發(fā)展，但還需要大小為5mA的開始時漏電流。我們國家對電壓型漏電保護器的研究是從1966年起步的，我國第一臺電磁漏電保護器在1976年問世，于1985年左右開發(fā)出以集成電路為基礎的漏電保護器。雖然起步晚但發(fā)展迅速3。漏電保護器的使用標準、規(guī)程對它的應用和拓展有著重要的作用，為其發(fā)展做出了巨大貢獻。美國的美國國家電氣條例1971年版規(guī)定，自1973年1月1日起居民的居住樓和施工工地這兩種場合必須設置漏電保護器。日本的電氣設備技術標準和勞動省的安全衛(wèi)生規(guī)則這兩個文件對工作電壓超過60V的電氣設備在潮濕場所提出了明確要求，在這種場所一定要安裝漏電保護器，電壓超過400V電路的中也必須全部無條件安裝。我們國家在1981年制定了漏電保護工作的實施條例，條例規(guī)定施工現場的電氣設備必須無條件安裝保護設施。GJJ641988施工現場安全用電技術法規(guī)于1988年在建設部的倡導下制定，在此文件中要求用電建筑機械必須設置漏電保護設施，還規(guī)定了二級漏電保護，就是說某些特殊場合在一級漏電保護設置后還必須增設二級漏電保護4。通過以上對智能保護器的了解，通過國內外各低壓電器供應商的產品現狀以及研究動態(tài)來分析，低壓智能保護器的發(fā)展趨勢可概括為以下幾個方面：1.智能化及功能多樣化所謂智能化就是采用先進的微處理器(MCU/DSP)或其他大規(guī)?？删幊虜底痔幚砥骷榭刂坪诵?，從而使低壓智能保護器實現微機保護的功能。與傳統(tǒng)的低電壓保護器相比，低壓智能漏電保護器能根據用戶需要整合多種功能，如運行各種現場采樣和處理，實時顯示各種運行參數的參數，電源設備和線路過載，短路，單相接地，電壓浮動，漏電等保護功能。低壓智能保護也具有豐富的用戶界面，不僅可以通過數碼管或液晶顯示模塊，可顯示三相電流，電壓，頻率，環(huán)境溫度和時間參數等，還可以通過鍵盤，手持編程器保護設定值進行調整。此外，它應該有一個自我診斷測試，負載監(jiān)控功能，同時也有一定的保障電能質量分析能力，一些高端低壓智能保護還提供無線通信。2.可通信化可通信化就是把計算機網絡優(yōu)勢、通訊優(yōu)勢引進到低壓保護器領域中來。智能低電壓保護器以及其他職能電器可以作為一個網絡節(jié)點，采用現場分步技術，作為低壓配電SCADA系統(tǒng)的構成，完善的網絡管理信息傳輸設備，真正做到不同于集中控制或分布式控制分布式管理和控制?？梢杂迷敿氁罂稍凇八倪b”一遙測，遙信，遙控，遙調來體現溝通，以實施改造計算機集群控制和配電系統(tǒng)自動化項目。3.模塊化、通用性和小型化所謂模塊化的結構就是將低壓智能保護器的控制部分、動作部分、觸頭系統(tǒng)等各部分組成一個相對獨立和能滿用戶不同要求的整體。模塊化設計不僅有助于降低復雜性和產品開發(fā)的成本，易于實現規(guī)?；a，同時也便于擴容和日常維護功能。低壓智能保護器各個部件也應該具有通用性的特點，可滿足用戶不同廠家的要求來生產同類型的可互換零件，總資源達到最優(yōu)組合系統(tǒng)的杭靈活選擇。另外，安裝系統(tǒng)的空間是有限的，要盡可能的實現量大體積小的要求，為用戶節(jié)約經濟5。1.3課題內容隨著我國經濟的迅速發(fā)展，人們對生活質量也提出了更高的要求，因此保護人身及財產的安全也越來越受重視。國家也在許多場合明確要求必須無條件的安裝剩余電流保護器，即漏電保護器，以保障人身財產安全。漏電保護器主要用來防止漏、觸電，提高漏電保護器的可靠性，可以有效地減少漏電火災和人身觸電事故，因此人們非常重視剩余電流保護器技術及應用的研究。本文研究的漏電保護器主要用在低壓電網中。隨著單片機技術的發(fā)展，單片機在電器領域內得到廣泛應用，使電器具有智能化功能。漏電保護器是低壓電器的一個重要系列產品，但由于漏電保護的特殊性，目前對漏電保護的智能化在理論上和技術上還需要人們進行深入研究與探討。本課題在以下方面開展研究工作：1.對漏電保護檢測原理進行分析；2.以PIC單片機為硬件基礎，設計出漏電保護器硬件模塊；3.通過對PIC16877芯片編程，實現軟件控制。1.4課題研究目的及意義隨著我國經濟的迅速發(fā)展，使電氣設備和家用電器大量增加，隨之帶來了與安全用電的矛盾。因觸電死亡事故以及漏電導致的火災事故在各類傷亡事故中占相當大的比重，給國家和人民帶來巨大的損失。從各種原因分析，大都缺乏安全用電知識及用電設備保護裝置不完善。傳統(tǒng)的漏電保護器已不能滿足現代化的需求，因此研究新型漏電保護器勢在必行。智能型漏電保護器除了具備傳統(tǒng)漏電保護器的功能外還有如下優(yōu)勢：控制信號更加可靠，可以實時的檢測線路中各種參數，參數的整定和設置更加方便快捷。當發(fā)生故障時能迅速切斷電源并發(fā)出報警信號，還可以實現聯(lián)網通信，讓其更加人性化。論文所研究的智能型漏電保護器，能有效地減少觸電傷亡和漏電引起的火災事故，對以后漏電保護器智能化的發(fā)展具有一定的指導和現實意義。第2章 漏電保護器概述2.1漏電保護器2.1.1漏電保護器簡介漏電保護器，簡稱漏電開關，它的主要功能是當設備發(fā)生漏電故障時以及人身觸電時進行斷閘保護，當線路或電器出現負荷的過載和短路時，也能起到保護作用，另外在一般場合中可以作為線路的轉換開關使用，在許多場合中有著廣泛的應用。漏電保護器主要由放大器、零序電流互感器和漏電脫扣器等部分組成，特點為動作反應性較高、性能相對穩(wěn)定6。2.1.2漏電保護器的分類漏電保護器經過多年的開發(fā)，其技術越來越好，產品質量越來越穩(wěn)定可靠，產品的種類已經十分完善，范圍幾乎涉及到各種場合。以下將依據不同的標準展開分類。1.根據運行方式可分為：輔助電源的漏電保護器、非助電源的漏電保護器；2.根據安裝形式可分為：固定安裝漏電保護器和非固定安裝漏電保護器；3.根據極數可分為：單極兩線、兩極、兩極三線、三級、三極四線、四極漏電保護器(其中單極兩線、二極三線和三級四線漏電保護器均有一根直接穿過檢測元件而不能斷開的中性線)；4.根據保護的種類可分為：單一用途漏電保護器和多用途漏電保護器；5.根據接線方式分為：接入式的漏電保護器、非接入式漏電保護器；6.根據結構分為：組合漏電保護器和機械開關漏電保護器。7.根據額定剩余動作電流可調性分為：額定剩余動作電流不可調的漏電保護器、額定剩余動作電流可調的漏電保護器；8.根據故障信號，可以將漏電保護器分為電壓動作型和電流動作型漏電保護器7。2.1.3漏電保護器工作原理 本文以分立電子式漏電保護器為研究對象，運用零序電流互感器對線路中的漏電交流電流進行檢測。當電氣設備發(fā)生漏電時，會出現兩種異?，F象，一是，三相電流的平衡遭到破壞，出現零序電流；二是，正常時不帶電的金屬外殼出現對地電壓。零序電流互感器的作用是將檢測到的異常信號，經中間機構轉換傳遞，使執(zhí)行機構動作，通過開關裝置斷開電源。漏電保護器工作原理將漏電保護器安裝在線路中，一次線圈與電網的線路相連接，二次線圈與漏電保護器中的脫扣器連接。當用電設備正常運行時，線路中電流呈平衡狀態(tài)，互感器中電流矢量之和為零。由于一次線圈中沒有剩余電流，所以不會感應二次線圈，漏電保護器的開關裝置處于閉合狀態(tài)。當設備外殼發(fā)生漏電并有人觸及時，致使互感器流入、流出的電流出現了不平衡，一次線圈產生剩余電流，此時便會感應二次線圈，當這個電流值達到該漏電保護器限定的動作電流值時，自動開關脫扣，切斷電源。其具體結構如圖2-1所示，其中 TAN 代表零序電流互感器，YA 表示電動執(zhí)行單元，主要組成部分是電子控制漏電脫扣器。M代表電動機。圖2-1分立電子式漏電保護器結構圖當電流不發(fā)生人身觸電或其他漏電事故時，由克希荷夫電流定律可知，正常情況下通過零序電流互器TAN的一次側電流的相量和等于零，公式如下 += (1-1) 這樣，各相線工作電流在零序電流互感器環(huán)形鐵心中所產生的磁通量和也為零，公式為 F+ = (1-2)因此，這時零序電流互感器的二次線圈沒有感應電壓輸出，漏電斷路器不動作，對被保護電路保持正常供電。當被保護電流有人觸電或出現其他接地捅電故障時，由于漏電電流的存在，使得通過電流互感器一次側的各相負荷電流(包括中性線電流)的相量不再為零，也就是D (1-3)它為剩余電流，在本文中表示漏電電流。一般在被保護電路中，如果被保護的電路中電流相量和不為零，那么磁通就會在其鐵心中產生，公式如下 (1-4)此時漏電脫扣器會收到其二次繞組中產生的感應電勢信號，當這信號達到一定值時，電子控制的漏電脫扣器動將會發(fā)出相應操作，此操作會使漏電保護器主開關斷開，從而在極短的時間內主動切開電源，避免事故的發(fā)生8。2.2 智能漏電保護器2.2.1 智能漏電保護器的主要特點當線路發(fā)生漏電情況以及人身觸電時，漏電保護器能夠斷閘保護，當發(fā)生短路和電流過載時也可以派上用場，另外在一般情況下亦可以當做線路的轉換開關使用，其在許多場合中有著廣泛應用。漏電保護器主要由放大器、零序電流互感器和漏電動作脫扣器等部分組成，其可靠性良好，性能相對穩(wěn)定。智能型漏電保護器除了具備傳統(tǒng)保護器的各種用途外，而且還可以顯現各種電路指標，例如電流，電壓，功率，功率因數，這些指標根據需要可以隨時顯現，設置和修改。前者較后者來說，它擁有許多領先的地方：1.可靠性高，靈敏度好2.用途靈活多變，適應性高3.性價比高，更適合現代復雜配電電網的要求。2.2.2 智能漏電保護器工作原理智能漏電保護器的工作原理為將零序電流互感器測到的信號送到運算放大器對信號進行放大，再由帶A/D轉換的單片機對漏電電流信號進行高速采樣和數字轉換，求得直流漏電電流平均值、緩變交流漏電電流有效值，并以此有效值求出突變漏電電流值，最后將處理得到的數據結果與規(guī)定的額定動作值進行比較，當實際電流值達到額定動作值時，根據用戶的延時要求，驅動斷路器斷開，并實現自動重合閘和漏電電流跟蹤和記憶功能9。漏電保護器主要由檢測單元、中間環(huán)節(jié)和執(zhí)行機構三個部分組成。檢測元件為零序電流互感器，它由封閉的環(huán)形鐵心和一次、二次繞組構成，一次繞組有被保護電路的相、線電流流過，其作用是將采集到的漏電流信號轉換成中間環(huán)節(jié)可以接受的電壓或功率信號。中間環(huán)節(jié)采用運算放大器和單片機控制系統(tǒng)，對漏電信號進行處理(變換、放大和比較)和動作控制。因此通常包括放大器、比較器和脫扣器等。執(zhí)行單元通常由脫扣器的保護器或交流接觸器的器件組成。根據中間環(huán)節(jié)發(fā)出的指令，來切斷保護電路的電源。圖2-2表示智能型漏電保護器的動作原理：圖2-2智能型漏電保護器的原理展示圖2.3本章小結當線路發(fā)生漏電情況以及人身觸電時，漏電保護器能夠斷閘保護，當發(fā)生短路和電流過載時也可以派上用場，另外在一般情況下亦可以當做線路的轉換開關使用，其在許多場合中有著廣泛應用。漏電保護器主要由放大器、零序電流互感器和漏電動作脫扣器等部分組成，其可靠性良好，性能相對穩(wěn)定。智能型漏電保護器除了具備傳統(tǒng)保護裝置的各種用途外，而且還可以顯示各種電路指標，各種指標也可以顯示，設置和修改。具有穩(wěn)定性高，功能靈活，自適應強，性價比高的優(yōu)點。第3章 漏電保護器的硬件設計3.1硬件設計整體思路 圖3-1智能漏電保護器硬件結構設計圖智能型漏電保護器的硬件主要由漏電檢測電路、相位同步電路、漏電動作電流和延時設定電路、液晶顯示電路、單片機控制單元和動作執(zhí)行單元等部分組成。漏電檢測電路由零序電流互感器和信號處理單元組成,這部分電路將檢測出漏電信號送到單片機的A/D輸入通道，轉換為單片機可以處理的數字信號。相位同步電路負責將電網的電壓信號與漏電信號的相位進行比較,單片機根據它們的相位差來判斷各相漏電電流。漏電動作電流和時間設定電路是來設定額定漏電動作電流及動作時間,根據需要也可以設定為單片機自動選擇額定漏電動作電流。漏電數字顯示單元主要呈現發(fā)生故障時線路中的漏電電流的大小以及執(zhí)行操作的原因，通常由單片機控制。動作執(zhí)行單元直接由單片機控制，完成漏電保護功能。本文采用PIC16F877系列單片機，在智能型漏電保護器中起著“大腦”的作用。智能化漏電保護器是在PIC16F877單片機的控制下完成的,其控制軟件由四部分組成,即上電初始化模塊、漏電信號分析模塊、漏電電流顯示模塊、漏電動作輸出模塊。上電初始化模塊主要完成上電后的初始化,對PIC16F877的端口進行初始化,還包括根據外部設置狀態(tài)確定額定漏電動作電流和動作時間。漏電信號分析模塊主要通過A/D轉換后,將漏電模擬信號轉換為數字信號,對于三相電網來說,還要將各相漏電電流分離出來。漏電電流顯示模塊采用動態(tài)掃描輸出方式，交替顯示總漏電電流、A相漏電電流、B相漏電電流、C相漏電電流。漏電動作輸出模塊主要是將漏電電流與漏電動作值進行比較，當漏電電流大于設定值時,單片機發(fā)出動作信號10。電路基本原理圖如3-2所示：圖3-2硬件電路基本原理圖3.2零序電流互感器的選擇零序電流為整個系統(tǒng)的最原始信號，它直接決定了系統(tǒng)的精確與否，是一個很關鍵的參數。不同類型的零序電流互感器的零序電流范圍以及指標也不一樣，那么就有必要挑選合適的零序電流互感器。通常的零序電流互感器的原方零序電流小于25A時有較大的變化和相位差別，滿足不了微處理器檢測裝置的要求，LWJZ-3型的零序電流互感器的精準度比較高，即使原方零序電流在0.200.50A時，也能保證所需要的精度，電流超過2.5A時更為精準，變比誤差小于1%，角誤差在1度以下。輸出信號還要通過平波電抗器進一步操作。3.3單片機的選擇PIC系列單片機由美國Micrchip科技公司生產的，公司主要從事和生產各類型，功能的單片機，性價比高，在單片機領域影響巨大。PIC采用了RISC結構的嵌入式微處理器，PIC系列的單片機的指令更為精簡，硬件可靠性高，制作獨特。相對于初學者來說它是最方便入門學習的，同時它也是使用最廣泛的單片機品種之一11。PIC16F877單片機內部資源很多，在工業(yè)生產制造方面應用很廣。它具有以下優(yōu)點：1.數據總線和地址總線采用分離的哈佛總線結構。2.指令集短小精悍，僅僅有35條，絕大數為單周期指令，執(zhí)行速度快。3.低功耗，驅動能力強。PIC采取全靜態(tài)CMOOS設計，功損很小很小。片內有上電復位電路、跟蹤顯示電路、RC振蕩器電路選擇等，不必再增設外圍電路，節(jié)約經濟，損耗小。4.代碼壓縮率高。1K字節(jié)的存儲器空間， PIC系列的單片機能夠存放的指令數可達1024條，而MCS-51這樣的單片機，大約只能存放600條指令?？梢姳?1單片機優(yōu)越的多。5.驅動能力強。發(fā)光二極管LED、光電耦合器或者微型繼電器等可以通過I/O端口直接驅動。6.尋址方式簡單。PIC系列單片機采用相對獨立的尋址方式。7.PIC可以最大程度地減少或免用外接器件，常用的電復位電路、I/O引角上拉電路、看門狗定時器等上面都有集成。8.開發(fā)方便。對于PIC系列中的任一款單片機的來說，任何一套免費軟件綜合開發(fā)環(huán)境，都能實現程序編寫和模擬仿真。9.程序可移植性強。PIC 單片機不搞簡單的功能堆積。眾多型號的單片機其運行性能有高有低，片上功能資源有多有少，但始終保持了高度一致的可移植性。這樣，設計工程師就可以在最初定方案時挑選一款功能最恰當的芯片，隨著開發(fā)的深入，能夠隨時方便的將整個設計移植到其他型號的單片機上，保證最終產品中使用的單片機不會有太多的資源浪費，提高了產品的性價比。通過以上的羅列，PIC系列單片機有很多獨具的優(yōu)勢，因此本論文用這一系列的單片機作為微控制單元，具體型號為PIC16F877，引腳圖如圖3-3所示：圖3-3 PIC16F877引腳功能圖表3-1 引腳功能引腳名稱引腳號類型引腳功能OSC113I時鐘振蕩器輸入端，也是晶體連接端OSC214O時鐘振蕩器輸入端，也是晶體連接端MCLR1I/P 人工復位輸入端（低電平有效）編程電壓輸入端RA0-RA52-7I/O 端口A是一個輸入/輸出可編程的雙向5線端口。全部引腳有第二功能，部分引腳有第三功能RB0-RB733-40I/O 端口B是一個輸入/輸出可編程的雙向端口，做輸入時內部有弱上拉電路，此外部分引腳有第2功能RC0-RC715-1821-24I/O端口C是一個輸入/輸出可編程的雙向端口此外還有第2第3功能RD0-RD719-2025-30I/ORD端口是一個輸入/輸出可編程的雙向端口；此外全部引腳都有第2功能RE0-RE28-10I/ORE端口是一個輸入/輸出可編程的雙向端口；此外全部引腳都有第2第3功能VSS12，31P接地端VDD11，32P正電源端3.4 硬件電路設計3.4.1 接口按鍵電路設計按鍵部分包括設置、數字加、數字減、確定四個功能鍵，用于設置試驗參數，及試驗開始按鍵。按鍵的硬件電路結構組成圖如圖3-4所示。當某個按鍵為低電平時執(zhí)行相應的動作(低電平代表鍵按下)。圖3-4按鍵電路原理圖3.4.2 復位電路的設計復位是使單片機初始化，然后從程序存儲器的復位單元 0000H 開始執(zhí)行指令。PIC16F877 單片機的實現復位或引起復位的條件和原因可以歸納為以下4類： 1.手動復位。單片機無論是在正常運行程序，還是處在睡眠狀態(tài)或者出現死機狀態(tài)，只要在人工復位端加入低電平信號，就會令其無條件復位。 2.上電復位。每次單片機上電時，上電復位電路都要對電源電壓VDD的上升過程進行檢測。當VDD上升到規(guī)定值 1.61.8V時，就產生一個有效的復位信號，經過 72ms+1024 個時鐘周期Tm的延時周期，使單片機復位。 3.看門狗復位。因程序不能正常運行等原因，或在程序執(zhí)行過程中沒有對看門狗定時器 WDT 進行及時清 0，WDT 就會出現超時溢出，這時就會引發(fā)單片機復位。 4.欠壓復位。由于系統(tǒng)原因或其他故障，會造成電源電壓跌落。當電壓低于 4V 后，將引起單片機復位并一直保持在復位狀態(tài)，直到電源恢復正常。低電位時按下按鍵有效，單片機手動復位。圖3-5 PIC16F877復位電路原理圖3.4.3 檢測電路設計交流試驗電流的檢測原理，是使用電流互感器對試驗電流進行采樣，再將電流互感器的二次側輸出信號經濾波、放大、電壓提升等電路，變換為A/D 模塊可以采集的單極性電壓信號(05V)，最后送入PIC16F877 單片機。 在檢測電流的大小時，根據試驗電流的周期(工頻)按照每個周期 40 個點進行采樣，采樣一個周期后，根據電流互感器的衰減倍數以及提升電壓的數值，通過軟件算法計算出實際的電流有效值。本文的檢測電路具體原理如下圖3-6所示：圖3-6 PIC16F877檢測電路原理圖3.4.4 相位同步電路設計智能化主要是為了更好服務人類，在三相電路中當故障發(fā)生時能判斷出漏電流是哪一相發(fā)出的。智能漏電保護器可以完成這一工作，它可以顯示三相漏電電流，可以簡單的顯示出三相漏電的矢量和，更具人性化。在三相電網中的漏電保護器能夠分別顯示三相漏電電流。在三相電網中，只單純地顯示三相漏電矢量和,還不能完全滿足用戶的需要。分別顯示出各相漏電電流，更便于用戶故障分析，判斷究竟是哪一相線路發(fā)生了漏電。漏電信號分析模塊中在對漏電信號進行處理時,需要將漏電信號分為三相漏電電流,以便輸出顯示。我們利用A相電壓作為相位參考基準，檢測出漏電電流為I,其滯后相位為,由此將漏電信號復原為各相不平衡漏電電流。本電路可以檢測電力網的電壓和電流之間0-180度的相位差，而且不需要切斷被測電路。比較器LM339做過零檢測器，其靈敏度為10mv。RP和C一起作為鉗形頭的負載并取得與i(t)成比例的電壓，經低通濾波和A/D轉換后，由LCD顯示出來。相位同步電路圖如圖3-7所示：圖3-7相位同步電路原理圖3.4.5 控制執(zhí)行電路設計本模塊包括控制模塊和執(zhí)行模塊，控制模塊主要由單片機來實現，通過對漏電流的檢測、分析后作出相應的動作；執(zhí)行模塊就是操作執(zhí)行單元，主要由人工分合閘和自動分合閘組成，自動分合閘由單片機控制完成。以下主要講控制模塊。漏電保護器控制部分很重要，它的可靠性直接影響漏電保護器的可靠性。圖3-8表示的是漏電保護器的動作執(zhí)行電路。RC5是PIC16F877一個設置為輸出的I/O端口，后面整個對繼電器的控制，完全由對該I/O口的控制來實現。JP1代表保護器控制信號輸入端。保護器的輸出回路接于接觸器或斷路器的控制回路中。通過繼電器的分合，以達到操作接觸器或斷路器的跳閘或合閘作用。PC817是常用的線性光電隔離器件，輸入回路與輸出回路之間相隔離，能夠承受5000V的暫態(tài)沖擊電壓，在輸入回路電流為5mA，電流傳輸比CTR大于50，完全能夠滿足設計要求。PC817在本設計中用于將單片機控制部分與后面的繼電器動作部分相隔離，提高系統(tǒng)的安全性。開關管N1采用的是三極管2N222A。正常情況下，RC5端輸出低電平，經光電隔離后使C、E兩點之間“斷開”。此時，作為開關管使用的的三極管N1導通，繼電器的輸入回路接入12V、12V電源，所以繼電器吸合。當漏電電流動作條件滿足時，RC5處輸出高電平，經光電隔離后使C、E兩點之間“導通”。此時，作為開關管使用的的三極管N1截止，繼電器的輸入回路脫離12V、12V電源，故繼電器分閘12。圖3-8動作執(zhí)行電路原理圖二極管D3(單向導通性)是為了防止N1等驅動元器件被擊穿損壞而設置，起到保護的作用。當晶體管N1從導通變成截止的瞬間，根據法拉第電磁定律可知，通過保護器線圈的電流會瞬時下降，此時的線圈將產生極高的自感電動勢，當自感電動勢與兩端的電源電壓相互疊加后，晶體管N1的c、e兩極之間的電壓將驟然劇增，會導致晶體管N1被擊穿。并聯(lián)上二極管后，即可將線圈的電壓穩(wěn)定于二極管的正向導通電壓，故能防止N1管等驅動元件被損壞。接入D3時極性務必接正，不能接倒，要不然起不到任何保護效果。3.5 液晶顯示模塊設計液晶顯示屏，由于具有顯示信息豐富、功耗低、體積小、壽命長、不產生電磁輻射污染等優(yōu)點而成為單片機系統(tǒng)中理想的顯示器件。這里的液晶顯示屏的主要作用是顯示數據，以及配合按鍵進行控制參數的設置。本設計中采用 HITACHI 公司生產的 LM020L 液晶屏，可顯示一行 16 個字符，并內置 HD44780 主控制驅動電路。液晶屏與 PIC16F877 單片機硬件接口電路如圖 3-9 所示。圖3-9液晶顯示模塊電路圖當RS和RW都為低電平時可以寫入指令或顯示的地址；當RS為高電平、RW為低電平時，可以寫入要顯示的數據；當RS為低電平、RW為高電平時，可以讀出忙信號和地址計數器的值。當使能端E由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，液晶模塊執(zhí)行寫操作，D0D7 為雙向數據線。3.6 電源部分設計我們采用多繞組變壓器，將220V的相電壓變換為12V的交流電壓信號，經過全橋整流后變換為直流后為后續(xù)電源轉換電路供電。信號調理電路需要中的集成運算放大器需要5V和5V電源，LED數碼管顯示驅動器芯片需要5V電源，單片機需要5V電源，繼電器控制部分需要12V和12V電源。由于繼電器對于其電源的要求不高，出于節(jié)約成本的考慮，將12V的交流電壓信號經整流橋進行全波整流之后通過電容進行平波，然后直接作為12V和12V的直流電源。采用線性穩(wěn)壓器件LM7805和LM7905設計的5V和-5V的電源電路如圖3-10所示。圖3-10 5V電源電路設計3.7 本章小結本章主要介概述了智能漏電保護器硬件構成以及用到的電路。智能化漏電保護器的硬件一般由漏電檢測電路、相位同步電路、單片機控制單元、漏電數字顯示模塊、動作執(zhí)行機構等部分組成。對PIC單片機作了簡單的介紹和分析，對各個應用到的電路的原理進行了必要的分析。硬件設計是系統(tǒng)的“軀干”，是漏電保護系統(tǒng)的根基，因此對硬件的設計是很關鍵的。第4章 漏電保護器的軟件設計4.1軟件設計整體思想硬件和軟件是一個實用型系統(tǒng)的兩大組成模塊。軟件是系統(tǒng)的核心，完整的軟件設計是整個系統(tǒng)功能的實現和可靠運行的最基本的條件，在硬件構思實現后，再由軟件引導和控制，漏電保護器才能達到保護的目標。軟件一般由上電初始化、中斷程序、漏電信號處理、漏電電流顯示等部分組成。對于軟件的編程，一般常用的程序設計方法有三種：模塊化設計、自上而下逐步求精設計、結構化設計。對漏電信號進行采集和處理是保護器智能模塊的主要功能。對于變化不快的的漏電信號進行實時跟蹤顯示，來切換漏電流的動作檔位。面對突然變化的漏電信號來說，其要與此時的漏電電流動作值進行對比，依據用戶延時要求，使控制器下斷開，實現漏電保護的目的，還能保護過程中實現反時限、自動重合閘及自鎖功能。因控制系統(tǒng)是很復雜的且控制程序量大，因此選擇合適的編程方法尤為重要。程序設計可以把復雜的問題轉換為簡單的問題，然后再用計算機執(zhí)行。模塊化構思已成為大型程序設計的一種必然發(fā)展方向，模塊化程序設計就是把一個大程序拆分成可以處理的模塊程序的一種先進理念。模塊是指某個程序按作用被分成多個彼此之間既不相互影響又有一定關聯(lián)的單體。模塊內部的關聯(lián)和模塊之間的關聯(lián)不相同，前者關聯(lián)密切，后者相反。各個模塊都有與外部聯(lián)系的端口，各個模塊可被單獨處理和調試，最終組裝成一個完整的系統(tǒng)，來實現需要的用途。由于該方案的核心理念就是把復雜的問題簡單化，把一個集體分解為互不影響的個體，每個個體都能獨自編輯、操作和處理，進而整合到一起調試，最后實現一個能完成某些用途，具備實用意義的程序的目標。當然在硬件處理上也有類似的體現，即先局部后全局。本課題軟件編制使用的就是模塊化程序設計13。4.2主程序設計本部分要完成的主要目標有：1.檢測緩變漏電電流2.檢測突變漏電電流3.漏電電流動作分析和處理4.動作原因、記錄分合閘次數，數據的顯示本論文的控制軟件部分由為上電初始化、中斷服務、漏電信號處理、漏電動作輸出、漏電電流顯示五部分組成。主程序流程如圖4-1所示。a) 主程序流程圖b) 主程序延時子程序流程圖圖4-1主程序和子程序流程圖上電后的初次工作由上電初始化部分來實現。流程圖如下4-2所示:圖4-2初始化子程序框圖4.3 中斷服務模塊4.3.1 INT上升沿中斷每個上升脈沖在INT接口發(fā)生終止，當作數模轉換開始和結束的信息，把首次采集的漏電電流作為首次變換。當電頻f改變時會讓漏電動作特性變化，這種情況可通過采用自主檢測電頻，自我跟隨電頻的變化的手段來躲避，從而提高周期的精準度。上電進行后，我們優(yōu)先用TMR1對電流的首個周波記錄時間，用Fisrt，Second兩個標志位控制完成漏電電流的周期T，同時在第二個周波內核算出供TMR2定時器定時采樣的時間間隔14。INT上升脈沖和TMR2中斷服務程序框圖如4-3所示： 圖4-3 INT上升沿中斷流程圖4.3.2 TMR2定時器中斷在每兩個上升沿來臨時，我們使用40倍工業(yè)頻率定點對漏電流采集和變換，電流周期被相等地劃分為40份時，TMR2定時器中斷，在一個中斷T內每個TMR2采樣一次，同時作相關的數據操作。該采集間隔定時器TMR2中斷時間(RP2+ 1)可由如下式子求得： T=(T1_Count)x4x0.2us=(RP2+l)x16x0.2usx40 (4-1) RP2+l=T1_Count/160 (4-2)每個參數如下：T：電流周期值 40：采樣點數T1_Count-TMR1的計數值RP2-TMR2定時值 0.2us-指令周期4-TMR1預分頻 16-TMR2預分頻TMR2的中斷程序流程圖如下所示：圖4-4 TMR2中斷程序流程圖4.4 漏電信號分析模塊4.4.1 漏電緩變電流計算模塊以上討論了幾種處理緩變漏電電流方法優(yōu)勢與劣勢，在本論文中，我們使用方均根法，雖然方均根法編程很繁瑣，工作強度大，但最主要的是它的測量結果誤差小，可以提高精度與準確性，所以我們用均方根方法。數據結果的論證解決由兩個模塊實現，程序框圖如圖4-5和4-6所示。圖4-5 緩變電流數據計算模塊一圖4-6 緩變漏電電流數據計算模塊二模塊一的任務為在每次采集的間隔完成電流采樣值平方和的累加，用計算公式同時記下第19個、第20個采樣處的數值，把上述記錄下的電流值作為40個采樣點的最后兩個樣點，也就是第39、第40個采樣點的電流值。模塊二主要的作用是在電流周期T的最后2個采集周期內，人工添加最后2個采樣處數據的平方，核算出平方和取平均，然后再開方計算出有效值，進入漏電動作控制輸出模塊15。4.4.2 漏電突變電流計算模塊我們利用A相電壓作為相位參考基準，檢測出漏電電流為I,其滯后相位為,由此將漏電信號復原為各相不平衡漏電電流。本電路可以檢測電力網的電壓和電流之間0-180度的相位差漏電電流顯示模塊采用動態(tài)掃描輸出方式，交替顯示總漏電電流、A相漏電電流、B相漏電電流、C相漏電電流?？紤]到計算突然變化的電流工作量比較大，一時半會完成不了，基于此可以將它分割成幾個小的計算模塊來實現，通過對一個計數存儲器的控制，在下一個采集周期T的間隔完成緩變電流的預處理，通過相關的執(zhí)行操作，再進行分部計算。本文在這里采取A相電壓作為相位參考標準，把漏電電流滯后相位檢測出來，確定此電流的相位基本信息，進而將漏電信號I復原為各相不平衡漏電電流，通過求得此電流來進一步執(zhí)行相關的后續(xù)操作，具體的程序計算框圖如圖4-7和4-8表示：圖4-7 突變漏電電流計算模塊一圖4-8 突變漏電電流計算模塊二圖4-9突變漏電電流計算模塊三通過每周期的三相不平衡漏電電流，求出相鄰的兩個T內其各自的變化值：，兩相漏電電流的變化，可由突變漏電電流求差值獲得，把，做差得到，然后分析是否在誤差范圍內，如果與突變相的夾角小于20度，則規(guī)定此漏電電流即為該突變相的突變漏電電流。突變電流值可根據式子4-1求算，然后進入操作判斷執(zhí)行環(huán)節(jié)，程序處理的框圖如圖4-9所示，計算公式如下 (4-1)突變電流的相位為： (4-2)4.5 本章小結軟件一般由上電初始化、中斷服務、漏電信號處理、漏電電流顯示等部分組成。對于軟件的編程，一般常用的程序設計方法有三種：模塊化設計、自上而下逐步求精設計、結構化設計。對漏電信號進行采集、處理是保護器智能部分的主要功能。對于變化不快的的漏電信號，可以實時跟蹤顯示，從而根據情況切換漏電電流的動作范圍。對突然變化的漏電信號來說，其要與用戶的預先整定的數值進行對比，依據用戶預先設定的延時期望，保護器在控制器的作用下斷開，從而實現漏電保護的目的，還能保護過程中實現反時限、自動分合閘及自鎖功能。因控制系統(tǒng)是很繁雜的且編寫程序的工作量大，因此選擇合適的編程方法相當關鍵。結論漏電保護器能有效的避免因漏電，觸電引發(fā)的安全事故，在現代生活中有著重要的作用。但傳統(tǒng)的漏電保護器在某些情形下的保護存在死區(qū)問題，故不能很好的完成漏電保護，存在著很大的安全隱患。本文主要探討了以單片機為控制核心的智能漏電保護器，對硬件和軟件展開了分析和構想?，F對本論文的主要工作情況進行總結：1.對漏電保護器的國內外發(fā)展概況展開了論述，對智能漏電保護器的保護原理展開了分析和論證。2.分析了漏電信號的檢測原理和單片機智能保護技術將檢測到的漏電電流信號先進行放大處理，然后通過單片機的數模變換功能對漏電信號進行采集和數字變換操作，把得到的數據結果與預先設定的執(zhí)行參數實行比對，如果前者數值超過后者設定的數值時，驅動保護器執(zhí)行分斷命令，從而實現漏電保護的目標。3.研究了漏電保護的數字整合技術把檢索到的漏電流處理后送到單片機的數模輸入端，實施數字操作。計算出交流情形下的有效值，通