電器設(shè)備漏電保護(hù)及防護(hù)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、畢 業(yè) 論 文 (設(shè) 計(jì)) 論文(設(shè)計(jì))題目：電器設(shè)備漏電保護(hù)及防護(hù)設(shè)計(jì)姓 名 潘海貝 學(xué) 號(hào) 12161010214 院 系 物理與電子工程學(xué)院 專 業(yè) 電子信息科學(xué)與技術(shù) 年 級(jí) 2012 級(jí) 指導(dǎo)教師 劉增平 2016年4月27日新鄉(xiāng)學(xué)院本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))目 錄摘 要1ABSTRACT2第1章 緒論31.1 引言31.2 漏電保護(hù)器的發(fā)展?fàn)顩r及前景3第2章 漏電保護(hù)器52.1 漏電保護(hù)器的工作原理52.2 漏電保護(hù)器的主要功能62.2.1 可以防止人身觸電62.2.2 可以防止漏電引發(fā)的火災(zāi)72.2.3 可以降低對(duì)保護(hù)接地電阻值的要求82.2.4 可以防止漏電造成的設(shè)備損壞82.3 漏

2、電保護(hù)器的分類8第3章 漏電保護(hù)器的硬件電路設(shè)計(jì)83.1 總體設(shè)計(jì)方案93.2 檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)93.3 相位同步電路的設(shè)計(jì)103.4 單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)113.4.1 單片機(jī)的選擇113.4.2 單片機(jī)接口按鍵設(shè)計(jì)133.4.3 單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì)143.5 顯示部分硬件設(shè)計(jì)143.6 控制執(zhí)行部分硬件設(shè)計(jì)16第4章 漏電保護(hù)器的軟件部分設(shè)計(jì)174.1 軟件設(shè)計(jì)總體思路174.2 主程序的設(shè)計(jì)174.3 中斷服務(wù)模塊204.3.1 INT上升沿中斷204.3.2 TMR2定時(shí)器中斷214.4 漏電信號(hào)分析模塊234.4.1 緩變漏電電流計(jì)算模塊234.4.2 突變漏電電流計(jì)算模塊244.5 漏電動(dòng)

3、作記憶及顯示模塊27第5章 結(jié)論28參考文獻(xiàn)29致 謝30摘 要由于市場(chǎng)上電器產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，而且，電器產(chǎn)品已經(jīng)與人們的日常生活緊密關(guān)聯(lián)，因此，一些帶有質(zhì)量隱患的產(chǎn)品就會(huì)威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。漏電保護(hù)器可以防止火災(zāi)造成的重大經(jīng)濟(jì)損失以及人體觸電導(dǎo)致死亡的情況發(fā)生。目前在國(guó)內(nèi)外普遍采用的是電流動(dòng)作型的漏電保護(hù)器，在設(shè)計(jì)漏電保護(hù)器時(shí)將其與單片機(jī)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，不僅提高了其可靠性又實(shí)現(xiàn)了對(duì)使用人員的全方面的保護(hù)。關(guān)鍵詞：漏電保護(hù)器；單片機(jī)；可靠性1ABSTRACTBecause of the uneven quality of electrical products,and electrical

4、products are closely related to peoples daily life,therefore ,some products with quality problems will threaten peoples life and property safety. Leakage protection device can prevent the fire caused by the significant economic losses and the human body contact with the current cause of death occurr

5、ed.Now what commonly used at home and abroad is current motion of the earth leakage protection device,when we design the leakage protection we can let it connect with the single-chip microcontroller technique together,it not only improves the reliability but also realizes the protection of all aspec

6、ts of the personnel use.Key words:Leakage protection; Single-chip microcontroller; Reliability第1章 緒論1.1 引言在人類文明剛剛興起時(shí)，我們的祖先就已經(jīng)通過(guò)對(duì)自然天氣的觀察認(rèn)識(shí)了電，然而，人類真正開始對(duì)電的研究和使用，還是從18世紀(jì)的本杰明·富蘭克林開始。自從電力能源進(jìn)入人們的世界，我們就越來(lái)越離不開它，無(wú)論是生活還是工作，我們都需要電力的支持，我們的衣食住行都需要電力維持正常。如果地球上沒有了電的存在，只怕整個(gè)世界都要崩潰。電是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，它不僅是正常生活的基礎(chǔ)，還要為工業(yè)現(xiàn)代化生

7、產(chǎn)保駕護(hù)航。它不僅使用方便，還便于傳輸，而且，它不像煤炭那樣，使用后會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)，電非常潔凈，是一種十分環(huán)保的能源。雖然電力有許多優(yōu)點(diǎn)，但它的缺點(diǎn)同樣不容忽視，在生活中因?yàn)殡娖髟O(shè)備使用方法不得當(dāng)，或者線路長(zhǎng)時(shí)間沒有檢查更換造成的線路老化，或者是電器過(guò)多都有可能引發(fā)漏電事故，導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生。查看統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，我國(guó)每年因觸電造成的死亡人數(shù)約有幾千人，另外，漏電引起的火災(zāi)也給經(jīng)濟(jì)帶來(lái)了巨大的損害。而漏電保護(hù)器的研究和使用就是盡量在最大程度上防止此類事件的發(fā)生，保護(hù)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全不受損害，而它的功能也獲得了人們的肯定，因此得到了人們的大力推廣和廣泛使用1。漏電保護(hù)器根據(jù)其工作原理可大致分為兩類，

8、電壓動(dòng)作型的漏電保護(hù)器在測(cè)量時(shí)容易受到外界環(huán)境的干擾，導(dǎo)致其工作性能不穩(wěn)定，而且它的保護(hù)范圍也較小，目前已經(jīng)逐步被市場(chǎng)淘汰掉，而電流型漏電保護(hù)器因其優(yōu)點(diǎn)突出，可靠性高且局限性較小，得到了人們的推廣應(yīng)用。1.2 漏電保護(hù)器的發(fā)展?fàn)顩r及前景漏電保護(hù)器經(jīng)過(guò)大力發(fā)展，已在全球各地使用。二十世紀(jì)初，德國(guó)率先發(fā)明并使用電壓型漏電保護(hù)器，用以防止電器設(shè)備的外殼漏電，保障操作人員的安全2。大約在二十世紀(jì)五十年代，法國(guó)又研發(fā)出電流型漏電保護(hù)器，因?yàn)殡娏餍偷谋入妷盒褪褂梅秶鼜V，可靠性更好，一經(jīng)出現(xiàn)便得到人們的重視并對(duì)其進(jìn)行了深入的研究。到了六十年代，美國(guó)成功研制出一款新型的電流型漏電保護(hù)器，這種保護(hù)器的電流靈敏

9、度可以達(dá)到5mA的，與之前的研究成果相比，又有了更大的進(jìn)步。隨后歐洲的幾個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家也相繼研究出電流靈敏度為30mA的電流型漏電保護(hù)器，自此開始電流型漏電保護(hù)器深入人們的生活，改變?nèi)藗兊纳罘绞剑瑸槿藗兊挠秒姲踩峁┠乇Ｗo(hù)。自1970年開始，全球許多國(guó)家逐步完善了各種規(guī)章制度，強(qiáng)制在一些特殊場(chǎng)合，如大型用電場(chǎng)所，公共娛樂地點(diǎn)等人流密度較大的地方，安裝漏電保護(hù)器，至此，漏電保護(hù)技術(shù)已大體發(fā)展成熟3。因?yàn)榻F(xiàn)代以來(lái)我國(guó)的科技發(fā)展明顯落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，因此我們國(guó)家對(duì)于漏電保護(hù)技術(shù)的研究相比較外國(guó)來(lái)說(shuō)起步較晚，自七十年代開始，隨著電燈、電話、電視機(jī)等家用電器逐步進(jìn)入老百姓的家庭生活，我國(guó)的用電量也

10、開始逐年遞增，觸電事故發(fā)生的次數(shù)也呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì)，這才引起有關(guān)部門的重視。這些年來(lái)，電網(wǎng)水平的發(fā)展也促進(jìn)了漏電保護(hù)器的應(yīng)用，我國(guó)在研究、生產(chǎn)和使用漏電保護(hù)器方面都有了巨大的進(jìn)步，國(guó)家的一些電力電器相關(guān)部門先后組織、審查、制定了漏電保護(hù)器的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和使用標(biāo)準(zhǔn)4。這些標(biāo)準(zhǔn)要求漏電保護(hù)器在安裝并開始使用后，使用單位應(yīng)該建立相應(yīng)的管理檔案，對(duì)每臺(tái)設(shè)備運(yùn)行中的情況進(jìn)行備案記錄，并且每個(gè)月份都需要進(jìn)行測(cè)試，查看其工作性能是否可靠，確保它的保護(hù)性能沒有降低，可以發(fā)揮正常的保護(hù)功能，并且應(yīng)增加潮濕環(huán)境中的檢測(cè)次數(shù)。單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展是與微電子技術(shù)的發(fā)展結(jié)合起來(lái)的，微電子的集成電路設(shè)計(jì)研究方向使得單片機(jī)的集成

11、度可以更高，在同樣大小的一張芯片上可以集中更多的元件，使其性能更加優(yōu)越，功能也往多樣化發(fā)展起來(lái)，它們彼此相輔相成共同促進(jìn)共同發(fā)展。把單片機(jī)作為元器件主體，可以優(yōu)化傳統(tǒng)的測(cè)量方式，如果將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用在測(cè)量控制技術(shù)中，可以發(fā)展出智能化測(cè)量控制系統(tǒng)5。這種新的智能系統(tǒng)可以在測(cè)量過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，能準(zhǔn)確快速的處理各種測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)功能的多樣化。智能化發(fā)展是現(xiàn)代科技的發(fā)展主題，所以漏電保護(hù)器的發(fā)展也必將順應(yīng)發(fā)展的時(shí)代潮流。第2章 漏電保護(hù)器2.1 漏電保護(hù)器的工作原理市面上投入使用的漏電保護(hù)器種類繁多，形狀樣式也都不一樣，但它們基本的硬件結(jié)構(gòu)還有其工作原理卻是大致相同的6。電流型漏電保護(hù)器的工作原理大

12、致來(lái)說(shuō)，就是對(duì)火線和零線的電流進(jìn)行測(cè)量，分辨出期間的微小差值，再經(jīng)過(guò)放大電路的放大，當(dāng)達(dá)到額定動(dòng)作值時(shí)，就切斷電路，它主要是由三個(gè)環(huán)節(jié)組成，即檢測(cè)電路和綜合處理環(huán)節(jié)還有執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其組成框圖如圖1所示。 圖1 組成結(jié)構(gòu)圖(1)檢測(cè)電路的主體是漏電電流互感器，它由一次、二次繞組和閉環(huán)鐵心按照一定的方式組合構(gòu)成，而其中相線、中性線組合為一次繞組，其中有電流流過(guò)，如果流過(guò)電流的矢量和不為零，二次繞組中就會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，然后這個(gè)信號(hào)就會(huì)被送到中間環(huán)節(jié)進(jìn)行處理。(2)綜合處理環(huán)節(jié)組成比較復(fù)雜，由于漏電電流較小需先由放大器進(jìn)行放大、再送到比較器與預(yù)先設(shè)定值進(jìn)行比較，最后是由單片機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)處理結(jié)果進(jìn)

13、行判斷，然后將判斷結(jié)果輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)7。(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)多采用觸點(diǎn)系統(tǒng)，主體利用的是交流接觸器，這個(gè)系統(tǒng)能根據(jù)上一個(gè)環(huán)節(jié)給出的執(zhí)行信號(hào)，將主開關(guān)由閉合狀態(tài)轉(zhuǎn)換為斷開狀態(tài)，將被保護(hù)電路的電源切斷，使其脫離電網(wǎng)。工作原理圖如圖2所示。試驗(yàn)按鈕 RW.零序互感器圖2 工作原理示意圖當(dāng)被檢測(cè)電路中沒有觸電、漏電情況時(shí)，那么零序電流互感器中通過(guò)電流的矢量和為零，磁通量的矢量和也為零，線圈中不會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，所以漏電保護(hù)器不會(huì)產(chǎn)生切斷電路的信號(hào)，系統(tǒng)維持正常運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)被檢測(cè)電路中存在觸電漏電情況時(shí)，線路中的動(dòng)作電流會(huì)使線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，然后該信號(hào)會(huì)被送到中間環(huán)節(jié)，中間環(huán)節(jié)的各種器件會(huì)對(duì)其進(jìn)行綜合比較和處

14、理，當(dāng)判斷該信號(hào)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，就能通過(guò)線圈通電使開關(guān)立即切斷線路的連接電源，從而實(shí)現(xiàn)電器設(shè)備的漏電保護(hù)8。2.2 漏電保護(hù)器的主要功能2.2.1 可以防止人身觸電漏電保護(hù)器最重要的一項(xiàng)功能就是對(duì)人身觸電提供保護(hù)9。人們?cè)谌粘Ｉ钪械弥?，通過(guò)人體的電流越大對(duì)人體造成的傷害就越嚴(yán)重，那么人體能承受的電流和承受的時(shí)間到底有何關(guān)系呢？為此科學(xué)家進(jìn)行過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，我們由此可以知道:流過(guò)人體卻對(duì)人體的健康功能不會(huì)造成太大損害的電流時(shí)間最大值是30mA·s。圖3 人體能承受的電流和作用時(shí)間長(zhǎng)短關(guān)系圖德國(guó)一位科學(xué)家得到的結(jié)果是當(dāng)通過(guò)人體的電流不超過(guò)50mA時(shí)，不會(huì)影響人的生命安全。在將安全系數(shù)的因素

15、考慮進(jìn)去后（安全系數(shù)值大約為1.7），我們得出，電流時(shí)間值為30mA·s時(shí)，參考圖3中的折線，我們可以知道，曲線的左邊為安全區(qū)域，就是說(shuō)人體在發(fā)生觸電時(shí)，身體幾乎感覺不到，不會(huì)對(duì)人身安全造成影響。因此只要設(shè)計(jì)出限制剩余動(dòng)作電流為30 mA·s的智能漏電保護(hù)器，就可以在觸電時(shí)及時(shí)斷開開關(guān)，保護(hù)人的生命安全10。 2.2.2 可以防止漏電引發(fā)的火災(zāi)電器設(shè)備的漏電、配送電系統(tǒng)中因線路安裝不正確或者電流流過(guò)金屬縫產(chǎn)生熱量，都有很大概率引起火災(zāi)。一些人認(rèn)為漏電電流很大的情況下才會(huì)引發(fā)火災(zāi)，就會(huì)自動(dòng)忽略小范圍的漏電，覺得危險(xiǎn)不大，事實(shí)上面積決定了密度，相同大小的漏電電流，當(dāng)接觸面積足夠

16、小時(shí)，單位面積上產(chǎn)生的熱能密度同樣會(huì)很大，因此就有很大可能引發(fā)火災(zāi)。此時(shí)旁邊若有大量的干燥易燃易爆物，就會(huì)導(dǎo)致大規(guī)?；馂?zāi)或者爆炸的發(fā)生，威脅附近人員的生命安全。所以，普遍情況下，安裝漏電保護(hù)器是可以防止漏電引起火災(zāi)事故的發(fā)生11。2.2.3 可以降低對(duì)保護(hù)接地電阻值的要求電氣設(shè)備生產(chǎn)時(shí)都會(huì)規(guī)定一個(gè)接地電阻值，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定這個(gè)值應(yīng)不大于4或者10，然而，在土壤電阻率很高的地方，這一要求卻難能達(dá)到。根據(jù)計(jì)算公式可知，若線路中安裝有漏電保護(hù)器，那么接地電阻的最大值是小于安全電壓和額定漏電電流的比率。因此，安裝漏電保護(hù)器可以降低對(duì)保護(hù)接地電阻的要求12。2.2.4 可以防止漏電造成的設(shè)備損壞電器

17、設(shè)備在使用時(shí)對(duì)于電壓和電流值的大小都會(huì)有一定的要求，如果用電設(shè)備在使用中發(fā)生了漏電事故，那么漏電瞬間其電壓和電流值就會(huì)發(fā)生改變，突然增大的電流會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量熱能，如果散發(fā)不及時(shí)就會(huì)燒壞線路，造成電器設(shè)備的損壞。 2.3 漏電保護(hù)器的分類漏電保護(hù)器從出現(xiàn)以來(lái)便得到人們的青睞，經(jīng)過(guò)不斷地研究和快速發(fā)展，市面上漏電保護(hù)器的種類十分繁多、它所具有的各項(xiàng)功能也已經(jīng)趨于完善，我們按照不同的方法將它們分門別類13。（1）依據(jù)運(yùn)行方式可以分為：需要電源進(jìn)行幫助的和不需要電源幫助的；（2）依據(jù)安裝方式可以分為：固定安裝使用的、可以移動(dòng)使用的；（3）依據(jù)保護(hù)功能可以分為：只能進(jìn)行漏電保護(hù)的、具有其他功能的（

18、如過(guò)壓、過(guò)載、斷相、過(guò)負(fù)荷等）；（4）依據(jù)接線方式可以分為：插孔插入式、接線安裝式；（5）依據(jù)結(jié)構(gòu)可以分為：組合電器、機(jī)械開關(guān)電器；（6）依據(jù)故障信號(hào)的形式可以分為：電流引起動(dòng)作的、電壓引起動(dòng)作的。第3章 漏電保護(hù)器的硬件電路設(shè)計(jì)3.1 總體設(shè)計(jì)方案圖4 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖智能漏電保護(hù)器的結(jié)構(gòu)包括五個(gè)部分：漏電信號(hào)檢測(cè)、相位同步、漏電電流綜合處理、液晶顯示和結(jié)果執(zhí)行14。漏電信號(hào)檢測(cè)電路包含了零序電流互感器、漏電繼電器以及信號(hào)處理模塊等部分,該電路的作用是追蹤電路情況，檢測(cè)漏電信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行合適的轉(zhuǎn)換然后傳入單片機(jī)。相位同步電路的作用是將正常電壓信號(hào)和漏電信號(hào)進(jìn)行對(duì)比,觀察兩個(gè)信號(hào)的相位差差別

19、，然后由單片機(jī)進(jìn)行比對(duì)，判斷該漏電電流的具體情況。之后單片機(jī)控制液晶顯示模塊,方便顯示出電網(wǎng)的漏電電流大小及其漏電區(qū)域，最終的結(jié)果由執(zhí)行模塊進(jìn)行，漏電保護(hù)的工作至此完成。3.2 檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)零序電流是發(fā)生故障時(shí)流過(guò)互感器的感應(yīng)電流，也是整個(gè)系統(tǒng)要檢測(cè)的信號(hào)，它決定了系統(tǒng)的精確程度，所以選擇合適的零序電流互感器對(duì)要設(shè)計(jì)的漏電保護(hù)器起著決定性作用。一般的零序電流互感器誤差較大，不能滿足檢測(cè)要求，所以我的設(shè)計(jì)采用的互感器是LJWZ-3型的，它具備很高的精確程度。零序電流互感器與負(fù)載電阻相連，之后的信號(hào)傳入低通濾波器中，由其進(jìn)行進(jìn)一步的處理15。濾波電路是一種選頻網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)阻帶的不同進(jìn)行選擇，由于晶

20、閘管整流設(shè)備在開關(guān)電源、充電裝置等方面的應(yīng)用，電網(wǎng)中會(huì)存在大量的高次奇次諧波，諧波會(huì)對(duì)整個(gè)電路產(chǎn)生危害，因此我們需要低通濾波器清除此類諧波。輸出幅值的大小決定了濾波效果的好壞，無(wú)源濾波器由于電阻的分壓和電路簡(jiǎn)單，輸出信號(hào)幅值變小，最終結(jié)果不太合適。有源濾波電路使用了運(yùn)算放大器，因此不會(huì)造成輸出信號(hào)的幅值變化，使用情況相對(duì)較好。本文為了設(shè)計(jì)合理和使用方便采用有源濾波。常用的切比雪夫型濾波器的輸出信號(hào)會(huì)在某一數(shù)值上下小范圍波動(dòng)，我們用紋波系數(shù)來(lái)表示該范圍大小。切比雪夫型濾波器與巴特沃斯型濾波器相比，變化曲線陡峭，有較好的截止特性，和理想濾波器最為接近。我們選擇濾波器是為了清除電網(wǎng)中的諧波，三次諧波

21、的大小只要降低到40dB就能滿足電路的設(shè)計(jì)需要，因此選擇四階的切比雪夫?yàn)V波器就可以清除高次奇次諧波對(duì)電路造成的危害16。其原理圖如圖5。圖5 濾波電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖3.3 相位同步電路的設(shè)計(jì)本課題的相位同步電路設(shè)計(jì)要求漏電保護(hù)器能把各相的漏電電流分別顯示，方便使用者分析漏電情況，判斷是哪一條線路發(fā)生漏電事故。 設(shè)計(jì)圖如圖6所示:圖6 相位同步電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖本電路可以在不切斷被測(cè)電路的情況下，檢測(cè)出電網(wǎng)的電壓、電流間180度以內(nèi)的相位差。當(dāng)檢測(cè)出漏電電流的大小以及滯后相位的實(shí)時(shí)情況時(shí),我們選擇A相電壓作為基準(zhǔn)，對(duì)漏電信號(hào)進(jìn)行復(fù)原，觀察是哪相的不平衡電流。比較器LM339可以看作過(guò)零檢測(cè)器，用來(lái)判斷

22、電路中的過(guò)零點(diǎn)。74LS74作用是用來(lái)提示信號(hào)的超前或退后?；蜷T的作用是對(duì)接受到的信號(hào)進(jìn)行合成，并且進(jìn)行濾波和轉(zhuǎn)換，最終結(jié)果由LCD液晶顯示器顯示出來(lái)，方便人們的觀看和分析17。3.4 單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)3.4.1 單片機(jī)的選擇選擇單片機(jī)時(shí)要考慮各個(gè)方面的因素，比如引腳數(shù)目的多少，存儲(chǔ)空間的大小，控制器的運(yùn)行速度，芯片的實(shí)際大小等。結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際情況，列出如下需求:所需I/O引腳的數(shù)目：（l） 漏電檢測(cè)電路：1個(gè)采集端口。（2） 相位同步電路：1個(gè)輸入端口。（3） 漏電動(dòng)作電流設(shè)定電路：，對(duì)突變的大小、額定的大小以及額定分別進(jìn)行設(shè)定。如下表1、2所示：表1 電路中的緩變電流值與動(dòng)作延時(shí)的組合緩變

23、電流300/mA500/mA延時(shí)0.2S00000010非延時(shí)00010011表2 電路中的突變電流值與動(dòng)作延時(shí)的組合突變電流30/mA50/mA100/mA不動(dòng)作延時(shí)0.2S0100011010001010非延時(shí)0101011110011011我們將開關(guān)S1、S2、S3、S4的狀態(tài)組合分別控制上面四項(xiàng)內(nèi)容，所以共需4個(gè)輸入端口，當(dāng)這4個(gè)開關(guān)變換不同的狀態(tài)時(shí)，其對(duì)應(yīng)的設(shè)定組合也進(jìn)行不同的變換。 （4） 漏電數(shù)字顯示電路：顯示漏電參數(shù)，需要7個(gè)輸入口。（5） 動(dòng)作執(zhí)行單元：需設(shè)1個(gè)I/O輸出端口。 本課題的設(shè)計(jì)選擇PIC16F877單片機(jī)圖7 PIC16F877單片機(jī)的引腳圖3.4.2 單片機(jī)接

24、口按鍵設(shè)計(jì)時(shí)間參數(shù)和動(dòng)作電流的設(shè)置可以由按鍵部分控制，當(dāng)某一部位的按鍵被按下時(shí)，則該電位顯示為低電位，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的操作，原理圖如下：圖8 按鍵電路結(jié)構(gòu)原理圖3.4.3 單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì)一個(gè)完整的電路都會(huì)具備復(fù)位功能，為使本電路更合理需增加一個(gè)人工復(fù)位，單片機(jī)上一般都會(huì)有專門的引腳，用來(lái)進(jìn)行外部復(fù)位，復(fù)位意思是清零，回到初始狀態(tài)，本電路中的復(fù)位低電平有效18。如圖9所示：圖9 單片機(jī)復(fù)位電路示意圖按下按鍵即代表單片機(jī)進(jìn)入人工復(fù)位狀態(tài)。3.5 顯示部分硬件設(shè)計(jì)本課題使用LM020L液晶屏為顯示主體，顯示各項(xiàng)數(shù)據(jù)和配合按鍵調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，單片機(jī)與液晶屏的連接構(gòu)造電路如圖10所示：圖10 顯示部分

25、的硬件設(shè)計(jì)電路圖表3 顯示屏的各引腳功能表引腳號(hào) 符號(hào) 狀態(tài) 功能1 VSS 電源地2 VDD +5V電源3 VEE 對(duì)比度調(diào)整端4 RS 輸入寄存器選擇端： 1數(shù)據(jù)寄存器；0指令寄存器5 R/W 輸入 讀寫控制端：1讀；0寫6 E 輸入 使能端7-14 D0-D7 三態(tài)數(shù)據(jù)總線3.6 控制執(zhí)行部分硬件設(shè)計(jì)剩余電流保護(hù)器的主要作用是當(dāng)剩余電流值超過(guò)額定電流動(dòng)作值時(shí)，在軌道的延時(shí)時(shí)間后觸動(dòng)繼電器切斷故障電路的電源，以達(dá)到保護(hù)電路的目的。繼電器控制的電路就是整個(gè)電路的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的可靠性也為剩余電流保護(hù)器的工作提供了安全保障。該電路的設(shè)計(jì)如圖11所示：圖11 控制執(zhí)行電路結(jié)構(gòu)框圖第4章漏電保護(hù)器的

26、軟件部分設(shè)計(jì)4.1 軟件設(shè)計(jì)總體思路一個(gè)完整的電路系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個(gè)方面，硬件是基礎(chǔ)，是系統(tǒng)的主干，軟件卻是系統(tǒng)的靈魂，只有軟件體系和硬件體系完美合作，那么設(shè)計(jì)好的漏電保護(hù)器才能正常運(yùn)行，完成人們?cè)O(shè)置的一系列保護(hù)任務(wù)。漏電保護(hù)器的主要作用就是收集電路中的剩余電流信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行處理，跟蹤變化緩慢的剩余電流信號(hào)，切換到合適的檔位；若遇到剩余電流突變的情況，就將其與當(dāng)前檔位的額定值進(jìn)行比較，然后控制繼電器斷開電源，以保護(hù)電路。由于整個(gè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能較為繁雜，電路中包含了龐大的信息量要處理，所以設(shè)計(jì)切實(shí)可行的程序就很重要19。因此，我們選件部分的設(shè)計(jì)。4.2 主程序的設(shè)計(jì)本課題要達(dá)到的主要目的

27、有：（1）對(duì)電路中的逐漸增加的變化緩慢的漏電電流進(jìn)行檢測(cè)跟蹤；（2）對(duì)電路中的突然出現(xiàn)且數(shù)值快速增加的漏電電流進(jìn)行迅速反應(yīng)處理；（3）根據(jù)電路中的漏電電流進(jìn)行動(dòng)作的判斷和控制；（4）顯示動(dòng)作原因及數(shù)據(jù)，記憶開關(guān)閉合次數(shù)。本課題的軟件由五部分構(gòu)成，為別為默認(rèn)狀態(tài)回歸模塊、信號(hào)檢測(cè)分析綜合單元、中斷服務(wù)模塊、漏電動(dòng)作輸出執(zhí)行單元、數(shù)據(jù)顯示模塊。 主程序的流程圖如下示 NO圖12 主程序的流程框圖圖13 延時(shí)子程序的流程框圖圖14 初始化程序流程框圖4.3 中斷服務(wù)模塊4.3.1 INT上升沿中斷在這個(gè)電路中我們把上升沿看作是數(shù)模轉(zhuǎn)換的標(biāo)志，那么每個(gè)上升沿都可以在INT端口產(chǎn)生一次中斷，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)上升

28、沿在外部中斷端口產(chǎn)生中斷時(shí)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器就開始工作，從而可以對(duì)電網(wǎng)中的漏電電流采樣，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。初始化開始進(jìn)行后，用定時(shí)器TMR1計(jì)算電流波形的第一個(gè)周期用時(shí)時(shí)間，并在第一第二兩個(gè)波形期間計(jì)算出定時(shí)器TMR2采樣需要的間隔時(shí)間。INT上升沿中斷流程圖如下示:圖15 INT上升沿中斷流程圖TMR2中斷程序流程圖如下示:圖16 上升沿中斷服務(wù)1流程圖圖17 上升沿中斷服務(wù)2流程圖圖18 定時(shí)器中斷程序框圖4.3.2 TMR2定時(shí)器中斷在兩個(gè)彼此挨著的上升沿間，我們將一個(gè)完整的時(shí)間周期平均分成40份。由定時(shí)器TMR2產(chǎn)生中斷信號(hào)，在每一個(gè)間隔時(shí)間進(jìn)行一次隨機(jī)采樣，并將得到的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行一

29、系列的綜合處理。采樣間歇(RP2+l)的計(jì)算公式如下： （1） （2） 其中各參數(shù)為:T-T1_Count-TMR1 4-TMR1預(yù)分頻RP2-TMR2定時(shí)值16-TMR2預(yù)分頻40-采樣點(diǎn)數(shù)0.2us-指令周期TMR2的如下所示：圖19 TMR2中斷程序流程框圖4.4 漏電信號(hào)分析模塊4.4.1 緩變漏電電流計(jì)算模塊圖20 緩變漏電電流結(jié)果處理單元1圖21 緩變漏電電流結(jié)果處理單元2模塊1負(fù)責(zé)在兩次相連采樣的間歇期間的依次累加即并按照記錄順序選擇第19、20兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的電流數(shù)值，并把它們作為總數(shù)為40的采樣點(diǎn)中的最后兩個(gè)點(diǎn)的電流數(shù)值。模塊2負(fù)責(zé)在最后兩個(gè)記錄周期內(nèi)加入最后兩點(diǎn)的數(shù)據(jù)的平方后的

30、結(jié)果，然后整體計(jì)算其均值大小并對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行開方，求得最后的有效結(jié)果，然后再將求出的有效結(jié)果輸進(jìn)電路的輸出單元。4.4.2 突變漏電電流計(jì)算模塊因?yàn)橥蝗蛔兓穆╇婋娏鲾y帶很多的數(shù)據(jù)，由此造成的計(jì)算量異常龐大，在一個(gè)間歇時(shí)間內(nèi)不可能結(jié)束運(yùn)算，所以我們對(duì)其進(jìn)行劃分，分為計(jì)算量較小的幾個(gè)單元，通過(guò)借助記數(shù)器，先對(duì)突變漏電電流進(jìn)行早期的簡(jiǎn)單處理，接下來(lái)在進(jìn)行復(fù)雜的分步綜合運(yùn)算。圖22 突變漏電電流結(jié)果處理單元1圖23 突變漏電電流結(jié)果處理單元2圖24 突變漏電電流結(jié)果處理單元3突變電流值的計(jì)算公式為： （3）求出突變電流值后，程序進(jìn)入動(dòng)作判斷執(zhí)行模塊。程序的處理流程結(jié)構(gòu)框圖如上圖24所示。突變電流的相位

31、計(jì)算公式為： （4）4.5 漏電動(dòng)作記憶及顯示模塊市面上在使用的多數(shù)漏電保護(hù)器發(fā)出執(zhí)行動(dòng)作后，使用人員是不能清楚的知道動(dòng)作的詳細(xì)情況。將動(dòng)作產(chǎn)生的原因保持下來(lái)，可以提升使用人員對(duì)于故障的分析效率。顯示模塊方便了使用人員監(jiān)視電路。使用人員若發(fā)現(xiàn)電路漏電次數(shù)有很大提高，就應(yīng)該做到盡早檢查家中線路，排除故障區(qū)域，做到及時(shí)預(yù)防。電路中的漏電保護(hù)器，能顯示漏電電流的具體相位，便于進(jìn)行故障分析，準(zhǔn)確判斷發(fā)生漏電的線路20。第5章 結(jié)論漏電保護(hù)器在防止火災(zāi)發(fā)生和保護(hù)人們生命財(cái)產(chǎn)安全方面發(fā)揮了巨大的作用，在電力系統(tǒng)中的地位愈加重要。PIC16F877單片機(jī)是本課題設(shè)計(jì)的核心，以它為基礎(chǔ)將檢測(cè)單元、相位同步單元、綜合處理單元和結(jié)果執(zhí)行顯示單元組合起來(lái)，構(gòu)成漏電保護(hù)器的硬件部分。軟件部分是電路的程序控制，包括計(jì)算電流周期、處理數(shù)據(jù)、判斷延時(shí)情況及動(dòng)作執(zhí)行。設(shè)計(jì)采用的單片機(jī)具備較高的抗干擾能力，適合多種環(huán)境下的工作，價(jià)位適中，可以滿足對(duì)電網(wǎng)電流信號(hào)進(jìn)行的多種監(jiān)測(cè)，并能根據(jù)使用人員的不同要求進(jìn)行合適的改動(dòng)，對(duì)于外圍電路能夠進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，使反應(yīng)更加迅捷，滿足漏電保護(hù)電路的需要。參考文獻(xiàn)1陸儉國(guó). 低壓斷路器和漏電保護(hù)電器的可靠性研究J. 中國(guó)工程科學(xué),2005(6):