基于单片机的安全用电保护器的

目录前言第一章概述-41-1 家庭用电安全保护器简介-41-2 家庭用电安全保护器的结构和特点-41-3 家庭用电安全保护器现状与发展趋势-5第二章总体电路设计-62-1 系统方框图及总体思路-62-2 系统原理图-7第三章单元电路的设计与思考 -93-1 防雷装置的设计-93-2 数据采集电路的设计与思考-103-2-1 基于电磁感应定律的电压电流互感器-103-2-2 被测信号的处理-153-2-3 现场参量的误差-203-3 单片机控制电路的设计与思考-203-3-1 模数转换电路的设计-203-3-2 CPU控制电路-233-3-3 显示电路-253-3-3 报警电路-263-3-4 漏电保护电路-273-3-5 执行单元-27第四章 软件设计 -29 4-1软件构思-294-2软件流程图-304-3软件程序-31第五章 安装调试中的有关问题 -35设计总结 -36参考文献-37前言随着人民生活水平不断的提高,各种家用电器走进每个人的生活,特别是大功率的电器,如冰箱、空调等正逐渐普及,给人们的生产生活带来巨大的便利。但电器设备的应用也给人们带来了经济损失以及血的教训,因过流、过压引起的设备损坏不计其数,因漏电、触电身亡的也不少见。由此,人们在不停探索着电能的安全合理应用,各种电能保护器相继产生。传统的保护电路用分立元件制作,制作成本高,调试安装难度大,虽然能起到保护的作用,但由于速度及精度达不到要求,往往电器虽然保护了但有些元件却被损坏。本设计从安全用电、节约电能出发充分考虑了设计对象的保护时间,利用单片机技术实现对设备及人身安全进行保护,具有保护围广,保护精度高、安装调试简单的优点,并且容易实现与计算机的联机,实现智能化,前景广阔。在本设计过程中,得到了方宁老师和顺科老师的细心指导,在此本人表示衷心的感。第一章概述11家庭用电安全保护器简介1、家庭用电安全保护器设计的必要性据不完全统计,我国每耗电1亿KW/h,触电死亡3人,另外电气火灾也给人们带来极大威胁和损失,它的危害并不亚于电气灾害。例如1986年的火灾次数达3876次,死亡人数共2865人,经济损失达3.24亿元,这些火灾中电气火灾占15%,由此可见加强电气设备的保护与管理,消除电气火灾对保障经济建设,安定人民的生活有着极为重要的意义。电气设备或电力绕路绝缘损坏,电气设备负载的过载,短路是造成电气火灾的常见原因。引起漏电火灾的原因则是接地故障电流,这些故障在发生灾害之前自动检测出并进行相应的保护是十分有必要的。另外雷电所引起的电气故障也占相当大的比例,往往表现形式是过压,其瞬间电压高达上万伏,破坏力极强,因此也要有相应的设备进行隔离。12家庭用电安全保护器的结构和特点1本系统主要由如下几大部分电路构成,如图所示：传感器数据采集CPU控制电路显示电路保护电路模拟量传感部分：将大幅度的模拟信号变为小信号数据采集部分：将传感器变换的信号进行放大中央处理部分：将模拟信号转换为数字信号,与设定值相比较,完成数据处理,传送,显示任务显示部分：显示电压数据,及报警情况执行部分：执行过压,过流,漏电保护动作2、家庭安全用电单片机保护器的特点本系统采用单片机技术、现代传感技术、模拟量数字处理技术,具有自动监测和识别故障类型及操作命令类型的功能,能根据故障和操作命令来控制操作机构动作,这也是现代智能电器的最基本的特征,本系统也可称作为智能保护器因为它与一般采用集成电路实现控制的电器设备有着根本区别,不仅有它们过压,过流,漏电保护的功能,同时也具有它们没有的功能：a 现场参量处理数字化这是智能电器区别于其他采用集成电路实现控制功能的电器设备的最重要标志。由于采用微机处理技术,电器设备运行现场的各种现场参量全部用数字处理,不仅大大提高了保护精度,减小产品保护的分散性,而且可以通过软件改变处理算法,不需修改硬件电路的结构,就可以实现不同的保护功能。b 电器设备的多功能化采用单片机对电器设备运行现场的各种参量进行采样与处理,智能电器可以集成用户需要的各种功能,如数字化仪表,可以实时显示各种参数；可以根据现场具体情况设置保护类型、保护值；按用户要求保存历史数据等。C电器设备的网络化智能电器监控单元以微处理为核心,实际上就是独立的计算机控制设备,可以把它当成网络中的通信节点,采用数字通信技术实现网络化管理、设备资源的共亨。 d 可以真正的组成全开方式系统采用计算机通信网络中的分层模型建立起来的电器智能化通信网络,可以把不同生产厂商、不同类型的产品但具有相同通信协仪的智能电器互连,达到最优组合,实现全国乃至全世界的开放式系统。13家庭用电安全保护器的现状与发展趋势传统的保护器以及现在市面上的大多数保护电器都属于模拟电子式,这种保护电路精度低,结构复杂,不易安装调试,并且不易实现智能化及网络化。随着单片机的高速发展,保护器已经从简单的继电控制功能的单一封闭式装置,发展到具有完整的理论体系和多字科性质的电器智能化系统,能实现电器设备的网络化,分布式管理与控制,真正实现全开放式系统。第二章总体电路设计21总体思路及系统方框图一、总体思路电压感器,电流互感器采集的电压电流信号经过运放放大后由绝对值电路将交流信号变为直流信号,该直流信号经滤波后送给模数转换电路转换为数字信号,在中央处理与设定值比较,如若超过过流、过压值则发出相应信号使主电路切断,同时发出报警信号,如若没有超过设定值则将电压值送往显示电路电路。从而实现了过压过流保护另外主电路由零序电流互感器监测漏电与窃电情况,一旦有漏电窃电的情况,系统通过中断方式自动判断,适时切断主电路,如若故障不排处,主电路不得电,从而对人生安全起到保护作用,由于单片机速度很快,如若外接12M晶振,第条指令只要1US的时间,而负载过压、过流或人体触电都属于毫秒级1ms=1000us单片机完全可以胜任,而且单片机灵活性很大,只要修改程序便可以进行扩展,适应未来发展趋势,它有着模拟电子不可比拟的优越性。二、系统方框图：2-2系统原理图详细电路见最后附图第三章单元电路的设计与思考31防雷电路的设计雷电波沿电力绕路作用到电气设备上时,设备往往承受不了过高的冲击而损坏,电子设备的耐压水平比电气设备的低得多,损坏率更大,为防止雷电波的这种损害,我们使用避雷器。避雷器接在被保护设备的零线与火线间,当雷电波沿电力线路入侵进首先加在避雷器两端,无间隙避雷器以称为压敏电阻,通过压敏电阻对电器设备进行防雷保护。氧化锌压敏电阻是一种新颖的瓷半导体器件,它是用氧化锌为主材料,加入少量的氧化铋,氧化钴,氧化锑等金属氧化物,经配制炼制而成的半导体非线性元件,是一种伏安特性为非线性的敏感元件。在正常工作时压敏电阻处于高阻态,只有很小的泄漏电流,当线路中产生瞬间高压时,压敏电阻阻值急剧下降,工作电流增至几个数量级,过电压以放电电流的形式被压敏电阻泻放掉,这样设备得到保护,浪涌电压过后,线路电压正常,压敏电阻以很快恢复高阻状态。根据保护要求通常采用MYL型压敏电阻,其电气特性如下表参数型号电压围V通流容量KA漏电流KA电压温度%C线压比 VMYL1-147-1000 150100V-0.1 52.2220VMYL1-347-1000 3MYL1-547-1000 5MYL1-1056-820 10MYL1-5100-680 15MYL1-20330-680 20 根据表21所示压敏电阻的电气特性,选择MYL12DK400V/3KA作为避雷元件。32数据采集电路的设计与思考数据采集电路的好坏直接影响着保护的精度,它也是本电路的核心之一一、其原理图如下：其各部分电路的作用将在下面作详细介绍321基于电磁感应定律的电压与电流互感器一、电压互感器常见的电压互感器有电磁式和电容式,两者原理基本相同。但电容式电压互感器广泛用于110KV高压电力系统中,动态响应没有铁芯好,而且它只有在电压越高时才能体现它的价值与经济性。另外根据其接线图可知,C1,C2只要有一个被击穿便导制事故的发生。据此本系统采用铁芯电磁式电压互感器。c1CAPc2CAPL?INDUCTOR1L?INDUCTOR1L?INDUCTOR1L?INDUCTOR1L?INDUCTOR1R?RES2铁芯电磁式电压互感器铁芯电磁式电压互感器与普通变压器听工作原理相似,仅在结构形式,材料,误差围有所差别。电压互感器正常运行时,二次侧负载基本不变,且电流很小,接近于空载状态,这与空变压器十分相似。当变压器二次侧开路时,它的一次电流全部变为激磁电流Ia,对应的激磁磁势和交变磁通分别为 ,二次侧绕组两端产生感应电压即空载电压U20。下图揭示了空载变压器电压、电流相量图。图中Ioy和Iow分别 为Ia的有功分量和无功分量,磁化 电流Ic与主磁通同相位,铁芯损耗电流I0y与一次绕组自感电势E0反相,因此Ioy超前Iow 90度。由于变压器空载时的二次电压为U20W2为二次组匝数,f为一次侧输入电压频率Ku即为变压器变比,它是变压器一次与二次绕组的匝数比。近似于一次电压与二次空载电压之比。如上所述,电压互感器基本上是一个空载变压器,其电压比就是电压 互感器一次与二次绕组的匝数比。特别是要注意的是电压互感器在接线时, 二次侧不能短路。二、电流互感器 电流互感器是一种将供电线 路大电流变换为小电流的电气设备,用于对线路和供电用电设备的测量与保护,分为铁心式手空心式两大类。1铁心电磁式电流互感器铁心电磁式电流互感器的基本工作原理与铁心电磁式电压互感器相似,仍基于电磁感应定律。不同的是,其一次绕组串联在供电路中,二次绕组则与测量和保护设备的电流约线圈串联,此外,电流互感器副边必须工作于接近短路状态,而电压互感器的副边应接近开路状态。铁心电磁式电流互感器的原理如图所示：电流互感器副边绕组的磁势： 由此可得电流互感器原、副边电流比为：通用电流互感器原边的工作 I1一般较大,绕组匝数W1很少,甚至只有一匝。在额定工作条件下,副边电流I2仅有5A,所以副边绕组的匝数W2较多。额定工作状态下,原、副边 之比定义为额定电流比。 使用电流互感器时必须维持I1W1=I2W2。因此,在原边绕组中有电流I1时,副边绕组 中也一定有电流I2,它两端的电压。当副边开路时,R2接近无穷大,副边电压U2会变得非常大,导致电流互感器的绕组绝缘击穿。 目前电力系统使用的铁心电流互感器都是上述标准互感器。由于二次负载必须近似短路,不能提供监控单元对模拟量采样所需要的电压,通常需要增加一级专用的电流互感器。专用电流互感器的一绕组作为负载连接在通用互感器的二次绕组中,将05A电流变换为毫安数量级的电流。专用电流互感器最大的特点是二次绕组可接较高电阻 的值 ,就可满足监控单元模拟输入端的要求。选取采样电阻时,还需要注意电阻元件的功率的选择,保证电阻承受的功率Wr=I2R小于电阻的额定功率。 2空心电流互感器 迄今为止,铁心电磁式电流互感器一直是电力系统主要的电流检测工具,在继电保护应用中占主导地位,但是它本身有着难以克服的缺点。首先,这类互感器的体积,重量随电流等级升高而增加,价格上升也很快。其次, 在高压输电里中使用的铁心式互感器中必须充油,防爆困难,安全系数 下降。第三,在传统的电器设备二次设备测量和保护电路中采用了各种电磁式或电动式仪表用电磁式继电器,它们的线圈都需要从互感器中汲取能量,所以铁心电磁式互感器都必须有相应的负载能力,。但对于智能电器而言,其二次侧电路已全部由智能监控单元取代,监控单元本身所需要的功率比传统设备大大降低,不再需要互感器输出较高的功率。此外,互感器铁心的磁化曲线线性围有限,在智能电器应用环境下,被 的电流变化围往往很大,当原边电流很大时,铁心会饱和,这将使副边电流波形发生畸变,影响测量和保护精度。在有些场合下,如低压框架式断路器中,流过主接点的电流围可从几安培到短路时的几千安培,要在这样在的围 进行测量检测,用传统的铁心电磁式电流互感器根本无法实现,必须采用新的电流互感器。 空心电流互感器具有结构简单,输入电流变化围宽,线性度好,性能价格比好等特点,是目前市场应用比较多的一种传感器,下面将介绍它的原理和特点。 空心电流互感器是基于电磁感应原理实现电流的测量,其工作原理如下图所示：设线圈的匝数为N绕制在横截面积为A的非磁性材料骨FR架上, 磁通密度为B,根据 感应原理,线圈两端的感应电势为： 式1 因此,在绕组两端接上合适的电阻R0就可以测量了。由于绕组本身与主电流回路完全通过磁场耦合,没有直接的电联系,所以与主回路间有很好的电气隔离。式1中,由被测量电流产生。若设线圈的平均半径为r,则有式2式中为真空磁导率。合并式1与式2可得： 图给出了图所示测量回路的等效电路。在线圈骨架的横截面积均匀时,由等效电路可得：式中,i2流过线圈的电流, 由于线圈的绕线绕线框架为大是大非磁性材料,自感量L很小,当或时,可得可见,输出电压正比于被 测电流的微分。对于工频电而言,输出电压的有效值将正比于被测量的有效值。与传统的铁心式电流互感器相比,以空心线圈为基础的电流互感器具有以下优点：1、测量围宽,精度高。同一互感器的被测电流围从数十安培到数万安培 ,精度高达0.2%。,在智能电器设备监控单元中广泛应用。因为不用铁心进行增耦合,消除了磁饱和,铁磁谐振现象,使其过、运行稳定性好,保证系统运行的可靠性。2、频率响应围宽,一般可设计到0-1MHZ3、重量轻,成本较低,性能价格比高,更符合环保要求。4、易实现互感器数字化输出。综上所述,本设计选用空心电感线圈。322 被测量信号的处理信号类型和幅值的调理所谓信号类型的调理,就是用集成运算放大器组成的电路,把传感器输出的不同类别,不同大小的电信号变换成幅值和极性符合A/D变换器模拟输入的电压。集成放大器是一种线性放大器件,通过不同的电路设计,可改变模拟信号幅值,极性：可以把电流、电荷 输入变成电压输出,还可以设计成绝对值电路,把双极性的模拟信号变成单极性的。集成放大器还有体积不、功耗小、电路设计简单等优点,因此,集成运放是模拟信号类型和幅值调理电路最合适、最常用的器件。本系统设计到的电路有：一、电流/电压变换电路 图1 如上图1所示是采用无源电阻元件器件,变送器输出电流iIN 直接流过电阻R,输出电压即为电阻两端的电压,电路中电阻Ri和电容器C构成一阶滤波,平滑Uout波形。 图2如上图2所示,这种电路由一个带反馈电阻R的集成运放组成。电流直接通过反馈电阻,输出 这种电路输入端的电流经过反馈后全部流入运算放大器的输出端因而适用于现场信号的电流电压转换。它与无源电路相比,具有转换波形好的特点,而且没有延迟的现象,综上两种电路,本设计选用图2所示的电路。二、被测量信号的极性变换电路 现场的电流电压基本上是交流的,在经过各种变换后,输出仍是交流的,极性正负交替,但目前大量使用的A/D转换器的模拟输入只接受正极性的电压,在这种情况下,必须把电压,电流互感器或传感器输出的双极性电压变换成正极性的电压。下面选出了两种极性变换电路。 图a 如图a所示,电路是把双极性电压与一个标准直流正电压串联,直流正电压,直流幅值与交流电压 幅值相等,显然,这种电路把峰峰值为正负Um的交流电压变成了在02Um之间变化的单极性的电压,交流电压 的零点变成了Um。 如图b所示：该电路为绝对值电路。该电路包括两部分,由集成运放器U1A为核心的精密检波器和U2A组成的 反相加法器。当输入电压Uin0时,二极管VD1反向阻断,VD2导通,检波器输出电压 当输入电压UIN0时,二极管VD1导通,VD2阻断,检波器输出电压U1=0。建于由A2组成的反相加法器来说,其输出电压 当选择电路 中的电阻值,使R1=R2,R3=R5=2R4,代入上式中可得到该电路的输出电压 Uout=/Uin/ 根据分析图A中,当中央处理器,通过A/D转换器采样并进行有效值运算时,必须根据输入设备A/D转换器的单极性电压来判断被测电压、电流的正负。这就是说,A/D转换器输出的数字量中的最高位应当作符号位,这就使得有效数据减少了一位,这必然影响到对被测量的处理精度,而图b则避免了上述问题,得到的直流电压正比于被测交流电压的有效值。因此本设计采用图b所示电路三、幅值调理电路 在模拟量测量中,幅值调理电路就是各种电压的放大。最基本,也是最常用的有反相比例放大器,同相比例器放大器和差动放大器。本电路主要涉及反相比例运放,现就反相器介绍一下： 如图所示,输入信号U1通过电阻R1加到集成运放的反相输入端,而输出信号通过电阻Rf出回送到反相输入端,Rf为反馈电阻,构成深度电压并联负反馈。同相端通过电阻R2接地, R2称为直流平衡电阻,其作用是使集成运放两输入端的对地流电阻相等,从而避免运放输入偏置电流在两输入端之间产生附加的差模输入电压,故要求, 根据运放输入端虚断可得i+0,故U+0,根据运放两端虚短可得U+U-0,因此由图可求得：根据运放输入端虚断,可知i-0,故有i1if,所以,故可得输出电压与输入电压的关系为 可见,UO与UI成比例,输出与输入电压成反相,因此称为反相比例运放,其比例系数为由于U0,由图可得该反相比例电路的输入电阻为：RifR1因此,反相比例运放电路主要有如下工作特点：1、它是深度电压并联负反馈电路,可作为反相放大器,调节Rf、R12比值即可调节放大倍数Auf。2、输入电阻等于R1较小。3、对集成运放Kcmr的要求较低。这出是所有反相运放电路的特点。四、信号波形的滤波信号从现场到监控单元,一般都有一定的距离,往往会使波形畸变,对检测精度带来严重影响。因此,在对模拟信号进行调理时必须进行滤波来去除干扰,使其达到原来波形。常用滤波器有无源和有源两种。无源滤波器由无源的电路无任,如电阻、电容、电感组成。但其频率特性较差,而且会产生相移,应此一般采用有源滤波器来滤波,有源滤波器电路中一定包含有源器件,有源器件就是集成运放大器,这种滤波器最大的优点就是对不同的滤波要求,可以有不同的电路设计。正确选择电路中的无源元件的参数,在满足滤波要求的情况下,可以使输出电压的幅值和相位与输入电压基本相同,所以本电路采用集成运放来进行滤波,如图所示：该电路接成射极跟随器,能更好与后级电路进行配合。电路的滤波截止频率,在选择电阻R1和C时应使FC远大于被测频率。五、常用集成运放简介由于整个信号采集都是以集成运放为核心,所以本节介绍常用的集成运放芯片。双电源供电低噪声高精度单运放OP07IN-：反相输入端IN+：同相输入端OUT：输出端OA1,OA2：调零V+、V-：电源 NC: 空脚主要参数：电压围：正负318V。差模输入极限：正负13V。共模输入极限：正负14V。开环电压放大倍数：4105共模抑制比：126dB差模输入电阻：80M静态功耗：120mw单位增益带宽：1.2MHZ输入失调电流：0.8nA323 现场参量的误差一、传感器的误差传感器把智能电器工作现场一次侧的高电压、大电流变换成低电压、小电流,由于传感器本身存在非线性、相位移等,会使变换有一定的误差。因此在选用传感器时应根据实际情况来选取,本系统选用普通变压器作电压传感器,电流互感器采用空心电流互感器。调理电路的误差调理电路的误差主要由运算放大器及其外部,无源电路元件引起。放大器的误差主要上由环境和工作温度变化引起的漂移和失调电压,失调电流产生的。因此在选用时这此元件要经过老化处理。二、采样误差采样误差包括采样保持器和A/D转换器的误差。采样保持器工作时的误差主要是由器件的捕捉时间和保持电容漏电引起的。因引以在选用捕捉时间不的器件和外接保持电容时,用钽电容等漏电电路小的电容,可以减小误差。33单片机控制电路的设计与思考331模数转换电路由于单片机只能处理数字信号,所以模拟信号必须以过模数转换后送给CPU进行处理,本系统采用ADC0809进行转换,在介绍模数转换电路之前首先了解一下ADC0809模数转换集成块A/D0809在单片机的实时测控应用系统中,我们需将连续变化的模拟量转换成离散的数字量,才能输入到CPU AT89C51进行处理。然后再将处理结果。实行控制等。经过前级电压与电流的采集,得到的参考电压与电流。A/D0809转换器芯片与AT89C51连接。图是8路8位逐次逼迫式A/D转换器是一种单片CMOS器件,包括8位的模/数转换器、8通道多路转换器和微处理器兼容的控制逻辑。8通道多路转换器能直接通8个单端模拟信号中的任何一个。A/D0809片带有锁存功能的8路模拟多路开关,可对8路0-5V的输入模拟电压信号分时进行转换,片具有多路开关的地址译码和锁存电路、比较器、256R电阻T型网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器SAR、控制与时序电路等。输出具有TTL三态锁存缓冲器,可直接连到单片机数据总线上。为了使A/D0809硬件设计更简单、方便、特将其综合功能总结如下：1、分辨率为8位。2、最大不可调误差小于 1 LSB。3、单一+5V供电,模拟输入围为0V至5V。4、具有锁存控制的8路模拟多路开关。5、可锁存三态输出,输出与TTL兼容。6、功耗为15mW。 不必进行零点和满度调整。7、转换速度取决于芯片的时钟频率围。时钟频率围：10-1280KHZ,当CLK=500KHZ,转换速度为12US。ADC0809 芯片引脚功能IN0 IN7 相对应脚 26、27、28、1、2、3、4、5脚 8路输入通道的模拟量输入端口 msb2-1 lsb2-8 相对应脚21、20、19、18、8、15、 14、1脚 8位数字量输出端口START ALE STARTO为启动控制输入端口,ALE为地址锁存控制端口。这两个端口可连接在一起,当通过软件输入一个正脉冲,便立即启动模/数转换。EOC、OEEOC为转换结束脉冲输出,OE为地址锁存允许控制端口。这两个信号亦可连接在一起表示模/数转换结束。OE端的电平由低变高,打开三态输出锁存器,将转换结果的数字量输出到数据总线上。REF、REF、VCC、GND：REF、REF为参考电压输入端,VCC为主电源输入端,GND为按地端。一般REF与VCC连接在一起,REF与GND连接在一起。CLK： 时钟输入端ADDA、ADDB、ADDC 8路模拟开关的三位地址选通输入端,以选择对应的输入通道。其对应关系如下表4-1所示地址码相对应的输入通道CBA000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表4-1 地址码与输入通道对应的关系ADC0809与单片机接口电路如图：如上图所示,电流电压信号到达0809后,并没有转换,而是等待CPU发出转换的指令,当CPU发出转换的指令后,ADC0809才进行转换,一旦转换完后,ADC0809的第7脚变成高电平用以通知CPU转换完毕,这时CPU将转换的数据读入存进行处理。其中74HC373是ADC0809的一个地址锁存器,用以区别转换的是电流信号还是电压信号,74HC160在这里作一个分频器,将系统时钟作4分频后给ADC0809提供时钟信号。332 CPU控制系统AT89C51单片机芯片MSC51系列中各类型单片机芯片的引脚是互相兼容的,此芯片用HMOS工艺制造,采用DIP封装。当然,在不同芯片之间引脚功能仍有所差异,当用户在使用时应当注意这些差异点。图47是高档的8位单片机。但由于受引脚数量受限,不少引脚都具第二功能。可分为1、电源 40脚与20脚2、时钟19脚与18脚3、控制总线ALE/30脚地址锁存允许信号PSEN29脚外部程序存储器读选通信号RST/Vpd 复位信号输入端图4-7 AT89C51功能图EA/Vpp 外部程序存储器地址允许输入端4、并行I/O口P0口3239脚P1口18脚P2口2128脚P3口1017脚P3口的第二功能表P3.0/RXD串行口输入端P3.1/TXD串行口输出端P3.2/INT0外部中断0请求输入端P3.3/INT1外部中断1请求输入端P3.4/T0定时器/计数器0外部输入端P3.5/T1定时器/计数器1外部输入端P3.6/WR外部数据存储器写选通信号输出P3.7/RD外部数据存储器读选通信号输出333显示电路如图所示为本系统的电压显示电路：本系统的显示电路采用了静态显示方式,它主要是利用了串入并出移位寄存器74HC164。显示的方法有很多种,一般有静态与动态之分,它们没有什么好坏之分,需要根据具体情况来选择。动态扫描速度快,但占用I/O口多,且要不停的对数据进行刷新,所以一般适用于较多的数据显示,而利用串行实现静态显示则有很多优点。第一,它不用时刻扫描,节约了处理时间。第二,节省I/O口,动态通常要8根线,而串行只要二根线。另外本设计之所以采用静态显示还因为本系统涉及到电压等的采样,为了保证精度而采用静态显示,节约更多的时间来采样。虽然静态有这么多的优点,但因为是串行发送,每一次只能发送一位,所以速度只有并行的八分之一,但对于本设计的要求及功能完全能满足了。334报警电路如图所示为本系统的报警电路：本电路采用74HC244作为驱动。74HC244是一个八路同相驱动器,具有一定的驱动能力,在这里主要是驱动发光二极管与一只警笛来做为过流过压等的报警信号。只要一出现安全隐患,电路检查到后发出相应的指令,如上图所示,有过流信号,P1.0由低电平变为高电平,经74HC244驱动后使发光二极管发光,指示电路因过流而断电,同时P1.3由低电平变为高电平使警笛发出响亮的报警声提醒人们线路现以发生了过流故障,请处理。其它报警类似。334漏电保护电路如图为漏电保护电路的原理图当流经火线和零线的电流不等时,零序电流互感器感应出电流,这一个电流与电压比较器的阀值相比较,如高于这个值便输出一个高电平,这个高电平反相后触发CPU的中断,系统进入中断执行中断程序,起到了漏电保护作用。335执行机构系统的保护最终由执行机构来执行,执行的目的是切断电源,而执行这种操作的电路很多,典型的电路有两种,如图一,图二所示：图一如图一所示,该电路采用传统的继电器作为操作部件,它最大的特点是操作简单,保护可靠,但是它也有很大的缺点,如若有瞬间过流过压等,由于继电器反应很慢,待继电器动作后,负载有可能被烧毁。这样便没有达到真正保护的目的。为了更好的解决时间上以及精度方面的问题采用图二更为合理,电路如下图所示：图二所示的电路采用了可控硅电路,从图中可以看出可控硅为双向可控硅,双向可控硅与一般可控硅一样,非常适用于作交流电路中的无触点开关,但与一般可控硅相比,其触发电路要简单得多,使用更方便,因此应用很广泛。双向可控硅的过零触发方式,使可控硅只在交流电压时获得一个触发脉冲而导通,这时电路的电流将由零逐渐增大。对导通的双向可控硅,如果在交流电压过零时没有触发则双向可控硅会自动判断。因此在过零触发方式下的双向可控硅电路电流的变化不会发生大的波动,从而有效地消除了一般可控硅电流急剧变化而产生的波形畸变及辐射干扰等弊病。综上所述本设计采用图二所示电路第四章软件设计41软件构思本系统是基于单片机的原理而设计的因此软件也是至关重要的,而软件其实也就是一种算法,它要求有很高的实时性、可靠性。此外,监控单元物理结构体积小,存容量有限,程序编制和数据存放都必须精心考虑。与上位机庞大的系统管理软件相比,监控单元的软件必须实时性强、高效、功能语句简单、执行速度快,且便于管理,因此通常采用高效率程序设计语言,如汇编语言和针对实时控制软件设计用的C语言等。两者相比,汇编语言设计的程序高,存空间占有,实时性也更高,但程序设计者必须十分熟悉所用的处理器结构和指令系统,程序的编制和阅读比较困难。在有些设计中,也可采用汇编语言和C语言混合编程,以提高编程的速度,但需要有开发商提供的专用接口软件。由于本系统只是针对于家庭中的用电保护,涉及的容不是很多,程序也相对简单,综合考虑精度、执行速度等采用汇编语言。本系统程序基本构思是采用模块化设计,分别对各种报警信号进行处理,用中断处理程序对漏电窃电进行监控。采集的第一路电压信号经转换后进入CPU与设定值进行比较,如果超过280V则由P1口输出一个低电平使可控硅截止,起到了过压保护,同时P1口输出另一个高电平使指示过压的二极管点亮,指示过压。如果低于150V同样由P1口输出一个低电平使可控硅截止,起到了欠压保护。同样有一个发光管指示欠压。如果第一路无问题则将第二路电流信号送入CPU与设定值比较,如果高于设定值,如20安培则由P1口输出一个低电平使可控硅截止,起到了过电流保护。同样有一个发光管指示过过流。如果两路都无问题则将第一路电压信号送往显示电路显示。如此循环检测是否有情况。在检测过程中如果有漏电或窃电的情况便响应中断,P1口输出一个低电平可控硅截止,起到了漏电或窃电保护,同样有一个光管指示漏电。上述情况如果不解除,不得到解决则电路不供电,从而对家庭用电起到了保护。42软件流程图43软件程序ORG 0000HLJMP MIANORG 0013H ; 外部中断1,漏电处理Ljmp Ldcl ;转漏电处理ORG 0030HMAIN:MOV P1,#80H ;各指示灯置初态、开主电源MOV SCON,#00H ;串行发送设置MOV IE,#84;允许外部中断1LOOP:lcall smzh ；数模转换LCALL DIS；电压显示 LCALL ZHQLA；过电压处理程序LCALL ZHQLB ；过电流处理程序LJMP LOOPSMZH: MOV DPTR,#0FEF8H；数模转换程序MOV A,#00H；指向0通道MOVX DPTR,A ;启动电压转换P3.2,$MOV A,DPTR MOV 30H,A MOV DPTR,#0FEF9HMOV A,#01H MOVX DPTR,A ;启动电流转换 P3.2,$MOVX A,DPTRMOV 31H,ARET DIS:MOV R2,#03 ；显示子程序MOV R0,#30HMOV A,30H ;转换的电压存值放在30h中MOV B,#100DIV A,BMOV 30H,AMOV A,BMOV B,#10DIV A,BMOV 31H,AMOV 32H,BLOOP:MOV DPTR,#TABLEMOV A,R0 ;先发送百位MOVC A,A+DPTRMOV SBUF,AJNB TI,$CLR TI INC R0DJNZ R2,#00H,LOOPMOV R0,#30H RETZHQLA: CLR C ；过电压处理程序 MOV A,#8CH；二伏表示01H SUBB A,30H ;大于280V则C置1 JNCZHFHLCALL DELAY ;延时1毫秒MOV DPTR,#0FEF8H；指向0通道MOV A,#00HMOVX DPTR,A ;启动电压转换,CLR EX0 P3.2,$MOVX A,DPTRMOV 30H,A MOV A,#8CH ;大于280V转过压处理CLR C SUBB A,30H ;大于280V则C置1 JNC ZHFH CLR P1.7；关主电源 SETB P1.1；开过压指示SETB P1.3;开警笛LCALLWAIT；转等待处理ZHFH: RETZHQLB: CLR C ；过电流处理程序 MOV A,#C8H ;0.1安培表示01H SUBB A,31H ;大于20A则C置1 JNCZHFHBLCALL DELAY ;延时1毫秒MOV DPTR,#0FEF9H；指向1通道MOV A,#01HMOVX DPTR,A ;启动电压转换,CLR EX0 P3.2,$MOVX A,DPTRMOV 30H,A MOV A,#C8H ;大于20A转过压处理CLR C SUBB A,30H ;大于20A则C置1 JNC ZHFHBCLR P1.7；关主电源 SETB P1.0；开过流指示SETB P1.3;开警笛LCALLWAITB；转等待处理ZHFHB: RETWAIT: MOV DPTR,#0FEF8H；指向0通道MOV A,#00HMOVX DPTR,A ;启动电压转换CLR EX0 P3.2,$MOVX A,DPTRMOV 30H,A MOV A,#8CH;大于280V转过压处理CLR C SUBB A,30H ;大于280V则C置1JNCWFHAJMP WAIT WFH: RETWAITB: MOV DPTR,#0FEF9H；指向1通道MOV A,#01HMOVX DPTR,A ;启动电压转换CLR EX0 P3.2,$MOVX A,DPTRMOV 31H,A MOV A,#C8H;大于280V转过压处理CLR C SUBB A,31H ;大于280V则C置1 JNCWFHBAJMP WAITB WFHB: RETLDCL:CLR EX0 ;关闭信号采集 CLREX1；将int1口当作普通口 CLR P1.7 ;关闭主电源SETB P1.3；开警笛SETB P1.2；开漏电指示 JNB P3.3,$ ;漏电解除否 SETB EX0SETB EX1CLR P1.3 ；关警笛CLR P1.2 ；关漏电指示SETB P1.7 ；开主电源 RETIDELAY: MOV 50H,#4D1: MOV 51H,#248 DJNZ 51H,$ DJNZ 50H,D1 RETTABLE:DB 3FH,06H,5BH,4FH,66HDB 6DH,7DH,07H,7FH,6FHEND 第五章调试中的有关问题本设计主要涉及的是模拟电子与单片机方面的知识,在模拟电子中主要是考虑的集成运放的选取,集成运放的好坏直接影响到成品的质量,所以选用高质量的运放。另外在调试过程中要用示波器观察第一个运放输入与输出的波形,使之符合要求,最后调节输入电压使模拟量与数字量成一定的对应关系。单片机主要涉及的是程序,程序主要是要及时对各种信号进行处理,然后完成相应的操作,也就是说一定要实时。在调试过程中人为的模拟故障,看程序的执行情况。最后还要考虑的是布线问题,因为本设计的频率及精度的问题,对布线有一定的要求,一定不能错杂无规律,要不然会影响精度。设计总结通过几个月的努力,本次毕业设计基本完成,在本次设计过程中,自己的各方面得到了很好的煅炼与提高,在理论上学到了书本上学不到的东西,在动手方面得到了进一步的提高。本次设计让我感受最深的是作为一名真正的设计与开发人员需要的知识太多了,要真正的完善一个好的设计,需要的精力也太多了,同时让我明白了一名研究人员的辛酸与价值。通过本次设计,也发现自己对各门课程及专业学得还不够扎实,不够透切,虽然有一定的分析问题的能力,但还要不断的煅炼,在今后的工作中一定要虚心请教,使自己创新开拓的意识和能力,进一步加强,活到老学到老。在本设计过程中,得到了方宁老师和顺科老师的细心指导,在此本人表示衷心的感。 总结人：武20XX12月参考文献1、王汝文、宋政湘编著电子工业2、单片机基础广弟、朱月秀、王秀山编著航空天大学3、集成运放大器的使用和应用林萌森编著人民邮电4、数字电子技术志忠主编高等教育5半导变流技术 莫正康主编机械高等专科学校6、漏电开关及其应用凌志主编水力电力7、工厂供电文成主编机械工业27 / 27