毕业设计（论文）基于8051单片机的家庭安全用电控制系统设计

家庭安全用电控制系统设计摘要本设计是利用8051单片机芯片技术，结合8255可编程并行I/O接口扩展芯片和HD44780字符液晶显示模块及ISD2560语音芯片的家庭安全用电控制装置。以电磁感应线圈和变压器的输出电压为检测用电发生漏电、过载、短路和超压故障时的电压信号，由TA7666 电压比较集成电路把信号电压分为5个级别，利用8051单片机芯片进行电压PID控制，运用HD44780字符液晶显示模块和ISD2650语音芯片，使其具有字符显示和语音提示功能，在严重故障时又能自动提前跳闸。该设计可实现家庭用电的安全状态监测，非安全状态下的字符和语音提示以及严重故障时自动提前跳闸的功能。关键词： 8051单片机芯片；HD44780字符液晶显示模块；ISD2560语音芯片Home security to use electric control system designAbstractThis design is the use of the 8051 MCU technology, combined with HD44780 character LCD module and the ISD2560 speech chip power control device home security. Uses output voltage of the electromagnetic induction coil and transform -er as voltage signal of the examination family has the leakage, the overload, the short circuit and presses when the breakdown, voltage comparator integrated cir -cuits to the TA7666 is divided into five levels of signal voltage, through 8051 MCU controlling, utilizes the HD44780 character LCD module and the ISD2560 speech chip, enables it to prompt the character and the voice, when serious failu -re can automaticly advance trip. To change the unitary function of leakage pro -tector and the overload protector, the breakdown appears when short comings and so on any prompt, make the family electricity safer and reliabler.Keywords：8051 MCU controlling; HD44780 character LCD module; ISD2560 speech chip目录1 绪论11.1 安全用电控制系统的定义11.2 家庭安全用电控制系统的介绍11.3 传感器技术的应用、发展现状及本设计的意义21.3.1 传感器技术的应用和发展现状21.3.2 本设计的意义32 家庭安全用电控制系统硬件设计32.1 硬件组成及原理图32.1.1 8051单片机42.1.2 8255可编程接口扩展芯片52.1.3 ISD2560语音芯片72.1.4 HD44780字符液晶显示模块72.1.5 磁感线圈92.2 检测系统设计102.3 5V稳压电源102.4过载故障保护电路工作原理132.4.1 升压变压器142.4.2 电磁开关142.5 超压保护电路工作原理153 家庭安全用电控制电路设计163.1 系统电路原理总图163.2 语音芯片与8051 相结合的设计与实现173.3 HD44780与单片机的接口电路193.4 电压信号的PID控制214 软件设计214.1 主程序设计总述214.2 过载保护电压比较软件设计234.3 超压保护电压比较软件设计24结 论25参考文献26谢 辞271 绪论1.1 安全用电控制系统的定义安全用电控制系统是一种安装在家庭用电线路上，用来检测家庭用电的安全性，自动检测并控制的装置，是家庭用电的保护神。它与家庭用电的电路配接在一起，从而可以起到检测安全隐患、自动控制断电，以达到保护电路的目的。1.2 家庭安全用电控制系统的介绍对于电网短路和线路故障检测保护已有不少研究，市面上的电器短路、过载、超压的保护器功能单一，容易损坏，没有提示功能，不够人性化。随着人们生活水平的不断提高，用电设备也不断增加，产生了盲目用电现象，这给人们造成极大的安全隐患。其中危害性最大的用电故障有三种：输入电压过高、室内线路严重过载、用电器短路。本文设计的家庭安全用电控制系统的目的就是为了防止这三种故障带来的危害，并且克服了以往保护器功能单一的缺点，电气线路的常见故障有：绝缘损坏、接触不良、过负荷、断线、间距不足、保护导体带电等，这些故障都有可能导致停电、触电、火灾等多种事故。绝缘损坏后依据损坏程度的不同，可能出现短路、漏电这两种危害。绝缘完全损坏将导致短路。短路时，流过线路的电流增大为正常工作电流的数倍到数10倍，而导线的发热量又与电流的平方成正比，导致发热量急剧增加，短时间就可能起火燃烧；发生弧光放电，高温电弧可能灼伤附近的人员，也可能直接引起火灾；此外，在短路状态下，一些裸露导体将带有危险的故障电压，可能给人以致命的电击。如绝缘未完全损坏，将导致漏电，漏电是电击事故最常见的原因。此外，漏电处局部发热，局部温度过高可能直接导致火灾，也可能使绝缘进一步损坏，形成短路，引起火灾。如果导体接地，由接地电流产生的热量和电弧，在接地处有可能导致起火燃烧。接触不良造成连接处接触电阻增大，在电流的作用下产生热量，可以使金属变色甚至熔化，很容易成为火源，引发电气线路的绝缘层、附近的可燃物及积沉的可燃粉尘的燃烧。过负荷时，由于电线的发热量与电流的平方成正比，发热量往往超过允许限度，轻则加速绝缘老化，重则会使绝缘层燃烧而引起火灾事故。过载还会增大线路上的电压损失。断线可能造成接地、混线及短路等多种事故，导线断落在地面或接地导体上，可能导致电击事故；导线断开或拉脱时产生的电火花以及架空线路导线摆动跳动时产生的电火花，均可引燃邻近的可燃物。此外，三相线路断开一相将造成三相设备不对称运行，可能烧坏设备；中性线(工作零线)断开也可能造成负载三相电压不平衡，烧坏用电设备。1.3 传感器技术的应用、发展现状及本设计的意义1.3.1 传感器技术的应用和发展现状传感器技术是实现测试和自动控制的重要环节。它的主要特征是能准确地传递和检测出某一形态的信息，并将它转换成另一形态的信息。随着科学技术的迅猛发展,其越来越广泛的应用于科学技术的各个领域。传感器是一种检测装置，是实现自动检测和自动控制的首要环节。它能感受到被测量的信息，将检测感受到的信息，并按照一定的规律转换成可用输出信号，来满足信息的传输、处理、存储、显示、记录以及控制等的要求。随着人类探知领域的不断深入，各种信息的传递速度将越来越快，处理信息的能力也将越来越强，因此，就要求相对应的信息采集传感技术也要跟上发展的步伐，这也就决定了传感器将越来越被广泛运用、无处不在。在国外，光电传感器技术已广泛地运用到各国军事技术、航空航天、检测技术以及车辆工程等诸多领域。例如，军事上，国外激光制导技术迅猛发展，使导弹发射的精度和射中目标的准确性大幅度提高；美国在航空航天领域，研制出了新型高精度高耐性红外测温传感器，使其在恶劣的环境中仍能高精度测量出运行中的飞行器各部分温度；国外的城市交通管理也大多运用电子红外光电传感器进行路段事故检测和故障排解的指挥；同时，国外现有汽车中常装载有新型光电传感器，如激光防撞雷达、红外夜视装置、测量发动机燃料特性、压力变化并用于导航的光纤陀螺等。我国在传感器技术研究方面，正在逐渐缩小与国外的差距，一批基于MEMS技术的新型传感器正在进入市场，在各领域中不断拓宽应用范围，设计技术、材料控制技术、生产技术、可靠性技术和测试技术不断发展成熟，量产能力逐步提高。在市场竞争日趋激烈的条件下，我国生产的传统传感器，如力学量传感器、气体传感器、温度传感器、光学传感器、电压敏传感器，产销形势稳中有升，不仅在国内市场的份额逐步增长，还同时满足了部分国外市场的需求。在实际的工业生产中，在各个需要监控的指标点安装传感器可以更加方便的监控所需要的指标，并且通过中控系统来进行调节，在生产上实现自动化得目的。在国内传感器产业中形成了一批骨干研发及生产单位。同时，由于改革开放，国内巨大的传感器应用市场，引来了各国厂商，如西门子、日本横河公司、美国霍尼韦尔公司、日本欧姆龙公司、美国邦纳、芬兰维萨拉公司等，这些国外公司占据了中国传感器市场重要份额。当前，我国传感器产业正处于由传统型向新型传感器发展的关键阶段，它体现了新型传感器向微型化、多功能化、数字化、智能化、系统化和网络化发展的总趋势。1.3.2 本设计的意义本设计避免了复杂的传感器，而选用了较为简单且方便处理的硬件集成传感器系统，其原理是在供电的电线旁安置两个串联的电磁感应线圈（形状为矩形）来获取由导线电流变化产生的信号电压。该系统能较方便且灵敏的检测出电压变化，简单易行。2 家庭安全用电控制系统硬件设计2.1 硬件组成及原理图家庭安全用电控制系统的硬件分别是：由降压变压器、二个相互串联的感应线圈、升压变压器、电磁开关、5V稳压电源、超压过流信号获取比较电路、可编程接口扩展芯片8255、HD44780字符液晶显示模块、ISD2560语音芯片、扬声器和电容电阻等元器件组成，系统使用一片8051为控制芯片。控制和提示系统的基本电路如图2.1所示。图2.1 家庭安全用电控制系统原理2.1.1 8051单片机8051系列单片机的内部结构是各种逻辑单元及其之间的互连构成的。其主要由中央处理器（CPU）、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、串行接口、并行I/O接口、定时/计数器、中断系统等几大单元，以及数据总线、地址总线和控制总线组成。8051是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh ProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的8051是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。此外，8051设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P3.0（RXD）（串行输入口）P3.1（TXD）（串行输出口）P3.2（/INT0）（外部中断0）P3.3（/INT1）（外部中断1）P3.4（T0）（记时器0外部输入）P3.5（T1）（记时器1外部输入）P3.6（/WR）（外部数据存储器写选通）P3.7（/RD）（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出11。2.1.2 8255可编程接口扩展芯片8255是一种通用的可编程并行I/O接口芯片，它是为Intel系列微处理器设计的配套电路，也可用于其他微处理器系统中。通过对它进行编程，芯片可以工作于不同的工作方式。在微型计算机系统中，用8255作为接口时，通常不需要附加外部逻辑电路就可以直接为CPU与外设之间提供数据通道，因此它得到极为广泛的应用。8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为3个部分：与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。 (1)一个并行输入/输出的LSI芯片，多功能的I/O器件，可作为CPU总线与外围的接口。 (2)具有24个可编程设置的I/O口，即3组8位的I/O口为PA口，PB口和PC口.它们又可分为两组12位的I/O口，A组包括A口及C口(高4位，PC4PC7)，B组包括B口及C口(低4位，PC0PC3).A组可设置为基本的I/O口，闪控(STROBE)的I/O闪控式，双向I/O3种模式；B组只能设置为基本I/O或闪控式I/O两种模式，而这些操作模式完全由控制寄存器的控制字决定。RESET:复位输入线，当该输入端处于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。 CS:芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时，即/CS=0时，表示芯片被选中，允许8255与CPU进行通讯;/CS=1时，8255无法与CPU做数据传输。RD:读信号线，当这个输入引脚为低电平时，即/RD=0且/CS=0时，允许8255通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。 WR:写入信号，当这个输入引脚为低电平时，即/WR=0且/CS=0时，允许CPU将数据或控制字写入8255。 D0D7:三态双向数据总线，8255与CPU数据传送的通道，当CPU 执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。 PA0PA7:端口A输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个8位的数据输入锁存器。 PB0PB7:端口B输入输出线，一个8位的I/O锁存器， 一个8位的输入输出缓冲器。 PC0PC7:端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个8位的数据输入缓冲器。端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口， 每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。 A1,A0:地址选择线，用来选择8255的PA口，PB口，PC口和控制寄存器。当A1=0,A0=0时,PA口被选择；当A1=0,A0=1时,PB口被选择； 当A1=1,A0=0时,PC口被选择； 当A1=1,A0=1时,控制寄存器被选择。2.1.3 ISD2560语音芯片单片机系统可以实现输入输出、显示以及对外围设备的控制功能， 然而这些方法使得人机交流并不够便利， 在智能仪器仪表或自动控制设备中， 增加语音功能能极大地提高人机界面的友好性， 方便用户操作。在许多场合，需要将语音系统和单片机结合在一起， 解决上述问题。目前语音服务行业越来越广， 如电脑语音钟、语音型数字万用表、手机话费查询系统、排队机以及公共汽车报站器等。美国ISD公司生产的ISD 系列语音芯片采用模拟数据在半导体存储器直接存储的专利技术(DSAST) ， 即将模拟语音数据直接写入单个存储单元，不需经过A/D 或D/A 转换， 因此能够较好地真实再现语音的自然效果， 避免了一般固体语音电路因为量化和压缩所造成的量化噪声和失真现象。ISD2560 具有28 脚DIP 封装形式，其基本功能如下：( 1) ISD 系列具有抗断电、音质好、使用方便、无需专用的语音开发系统的特点。( 2) 片内EEPROM容量480KB， 所以录放时间长， 录放时间为90s。( 3) 有10 个地址输入端，寻址能力可达1024 位。( 4) 语音最多能分600 段，设有OVF溢出端， 便于多个器件级联。2.1.4 HD44780字符液晶显示模块本设计中，系统选用了HD44780字符液晶显示模块， HD44780有11条指令，单片机只需通过RS、R/W、DBODB7送入数据或指令便可显示其指定内容或显示方式，表2.1为 HD44780的指令一览表。表中的*为任意值，实际使用时通常取0。液晶显示模块在各类测量及控制仪表中由于其功耗低、寿命长、价格低、接口控制方便等优点而被广泛的应用。其中字符型液晶显示模块是一类专用于显示字母、数字、符号的点阵式液晶显示模块。以HD44780为主控制驱动电路及其扩展驱动电路HD44100的液晶显示模块是以若干个58或511点阵块组成的字符块集。该字符块集中的每一个字符块为一个字符位，字符间的点距和行距均为一个点的宽度。HD44780控制部分的时序发生电路主要用来产生计算机的响应时序、DDRA M和CGRAM的存取时序以及光标和闪烁的产生时序等，时钟频率范围为125k350kHz，典型值为250kHz地址指针计数器AC是DDRAM和CGRAM共用的地址指针计数器，可用于指示当前DDRAM和CGRAM的地址；字符发生器包括CGROM已固化好的字模库（含有208种58点阵和32种511点阵字符字模数据）和可随时定义的字模库；80个字节的显示存储器DDRAM，可用于存储当前所要显示的字符代码；其地址由AC提供，并可通过单片机直接对DDRAM进行读写操作。表2.1 HD44780的指令一览表指令名称控制信号控制代码功 能RS R/WD7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 清屏000 0 0 0 0 0 0 1 清DDRAM和AC值归HOME位0 00 0 0 0 0 0 1 *AC=0，光标画面归HOME位输入方式设置0 0 0 0 0 0 0 1 1/D SI/D=1增量方式S=1移位I/D=0增量方式S=0不移显示状态设置00 0 0 0 0 1 D C BD:显示开关.D=1开D=0关C:光标开关.C=1开C=0关B:闪烁开关.B=1开B=0关光标画面滚动0 0 0 0 0 1 S/C R/L * *S/C=1:画面平移一个字符S/C=0:光标平移一个字符R/L=1:右移 R/L=0:左移工作方式设置0 0 0 0 1 DL N F * *DL=1：8位数据接口DL=0：4位数据接口N=1：两行显示N=0：一行显示F=1：5*10点阵F=0：5*7点阵CGRAM地址0 0 0 1 A5 A4 A3 A2 A1 A0CGRAM地址：A5-A0=00-3FHDDRAM地址0 01 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0一行显示A6-A0=00-4FH两行显示A6-A0=40-67H读BF和AC值0 1BF AC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 AC0BF=1：忙 BF=0：准备好写数据1 0数据读数据1 1数据它的内部具有字符发生器ROM以及可显示192种字符和64个字节的自定义字符RAM,因而可自定义8个58点阵字符或4个511点阵字符。而且模块的接口信号和操作指令具有广泛的兼容性，并能直接与单片机接口。另外，它还具有专用指令，可方便地实现各种不同的操作。2.1.5 磁感线圈电流流过线圈时，其磁力线将穿过线圈本身，因而给线圈提供了磁通。如果电流随时间而变化，线圈中就会因磁通量变化而产生感生电动势，这种现象叫自感现象。线圈中电流激发的穿过每匝的磁通近似相等，叫自感磁通。线圈的自感电动势为：令，称为线圈的自感磁链，则：根据毕萨定律：写成等式：比例系数叫做线圈的自感系数，简称自感，依赖线圈本身的形状、大小及介质的磁导率而与电流无关。若回路几何形状、尺寸不变，周围介质的磁导率不变，则：自感单位：亨利。两个邻近的线圈分别通有电流，当其中一个线圈的电流发生变化时，在另一个线圈中会产生感生电动势。这种因两个载流线圈中的电流变化而相互在对方线圈中激起感应电动势的现象叫互感现象。两线圈的形状、相互位置保持不变时，有：式中，称为两线圈的互感系数。互感电动势为：自感线圈的串联：顺接等效的自感线圈的自感为：逆接等效的自感线圈的自感为：2.2 检测系统设计信号采集是利用通电导线周围有磁场产生的电磁学理论，对有效信号进行检测与采集，并报告中央处理器进行判断处理以达到感知电流突变状况的目的。通常安全用电隐患有以下几种形式：（1）输入电压过高造成的安全隐患；（2）室内线路严重过载造成的安全隐患；（3）电气线路受损，导致无法正常用电；（4）火灾引起的用电线路故障；（5）家用电器功率过大造成的用电线路故障。根据以上用电安全隐患的几种形式，本设计特采用获取故障检测电压、电压信号的PID控制、过在故障保护电路和超压故障信号传输来检测家庭用电的安全状况，因此做到了某一线路的损坏不会影响系统正常的工作。在本安全用电控制系统中，传感器是系统中的关键器件，起着感知电流电压变化状况的重要作用。由电磁学理论知，通电导线周围有电磁场产生。在供电的电线旁安置两个串联的电磁感应线圈（形状为矩形）来获取由导线电流变化产生的信号电压。由文献【10】得，感应线圈电压计算公式为： 其中，为真空磁导率，为交流电的角频率，为用户总线的最大额定电流（可变值），N为感应线圈的匝数，为感应线圈的长，为感应线圈距导线的距离，为感应线圈的宽。2.3 5V稳压电源具有过压保护的5 V 稳压电路，采用集电极输出串联型稳压方式，具有：成本低、效率高、体积小、重量轻、纹波少和稳定度高等特点。具有扩流和过压保护装置，可用于实验室作电路实验，也可作固态电路和微处理机的供电电源，还可用作专用仪器、仪表等其他电路的电源。电路如图2.2所示：图2.2 带保护的5 V 稳压电源电路图电路工作原理：闭合电源开关S，电网220 V 电压经变压器降压得到11.5 V 交流电，二级管VD1VD4 桥式整流，电容C4 滤波，集成稳压器W7805 的稳压可获得平滑的5 V 直流电压。集成稳压器W7805 的最大输出电流为1.5 A，图中的大功率三极管VT 起扩流作用，可使输出电流大于1.5 A。这是一种并接式扩流方式，即W7805 的脚与VT 的基极相连，W7805 的脚与VT 的集电极相连，这样两输出电流之和可达到1.6 A。如果需要更大的电流，可采用23 只大功率管并联。W7805 集成稳压器内部含有过热和安全区保护电路。尽管如此，由W7805 和三极管VT 等组成的稳压电源输出端仍有可能发生瞬间过压。为确保负载的安全，本电源又增设了过压保护电路，该电路由稳压二极管VD7、电阻R3、晶闸管VS 和快速熔丝管FU 等组成。本电源正常工作时输出电压为5 V，晶闸管VS 呈截止状态。当由于某种原因（如集成电路损坏或调整管击穿）使输出电压超过限定值时（即5.6 V），稳压管VD7 击穿，这样电阻R3 上的电压VR3 升高使晶闸管VS 触发导通，引起熔丝管FU 熔断，从而保护了负载。在扩流管VT 的发射极与集电极间和集成稳压器W7805 的、脚分别并联了二极管VD5 和VD6，用来保护扩流管和集成电路。当输入端发生短路或输出端过压而使晶闸管VS 导通造成输入端短路时，稳压管输入端电压因熔丝熔断立即为零，而输出端电容器C8 上充足的电荷则不能立即释放，因而造成输出端瞬间电压高于输入端电压，为了防止这个反向峰值电压击穿VT 功率管或集成稳压器W7805，利用二极管VD5 和VD6 将此电荷泄放掉。C1 和C2 是二极管VD1VD4 的输入和输出电容器，可抑制高频谐波干扰。电阻R1 为电容C4 提供泄放电流回路。发光二极管VD8 用于工作指示。元器件选择及使用：大功率三极管VT 为2SB683，其特性参数见表3.1所示。整流二极管VD1VD4 选用1N4007 或全桥整流块5 A/400 V 即可。单向晶闸管VS 型号为JCT02，其特性参数见表3.2所示。稳压二极管VD7 为2CW103。对发光二极管VD8 的型号无特殊要求。除电阻R1 标称功率应不小于3 W 外，其余均为1/21/4 金属膜电阻。其他元器件按图中所标注的选用。表2.2 2SB683的特性参数材料极性主要用途主要参考代换型号国外国内硅PNPNF/S-L低频用开关和功率100V、5A、40WBD224C、BD602、2SD7133CA6D表2.3 JCT02晶闸管的主要特征型号同类型号芯片尺寸封装形式JCT022P4M1.56mm*1.56mmTO-202、TO-126F典型应用主要用于小马达控制器、漏电保护器、彩灯控制器、逻辑电路驱动、大功率晶闸管门极驱动、电子点火器及其他开关控制器大功率扩流管2SB683 和稳压集成电路W7805 均属功耗较大的器件，除采用标准大功率三极管外壳封装外，还必须加装足够散热面积的散热器。如果散热不良，稳压器的过热保护电路将会限制正常的电流输出。应将发光二极管VD8 和熔丝管装在本装置的前后面板上，以便于显示和更换。电路全部安装完毕后，用一台自耦变压器接在本电路的输入端，将电压调到大于240 V，此刻，单向晶闸管VS 导通工作，导致保险管FU 熔断，无输出电压，这说明该电路工作可靠。然后，将自耦变压器退出，接入负载即可投入使用。2.4过载故障保护电路工作原理为了提高控制效果和减少感应线圈的匝数，采用升压变压器T1。把信号电压升高的方法进行电压提升，设升压变压器T1的变比为101，当用电过载时，流过进户火线的电流大大增加，由电磁感应定律得，感应线圈两端的感应电压大大增加，通过对这个感应电压的检测就能判断出当前是否出现过载现象，设这个信号电压达到0.15V(升压变压器的次级输出为1.5V)时开始报警提示，当信号电压超过0.159V(升压变压器的次级输出为1.59V)时立即跳闸并报警提示。为了使控制系统获取过载控制的电压信号，采用如图2.3所示的电路。图2.3 过载故障信号电压传输原理图集成电路TA7666原为录音电平led显示驱动集成电路，内部包含5个电压比较器，1脚为信号电压输入端，3、4、5、6和7脚为信号电压输出端。现在采用集成电路TA7666是为了得到5个不同级别的信号电压值。TA7666内部的电压比较器的基准电压是由8051单片机芯片根据用户线的规格来确定，并通过单片机芯片的8脚(P17)输出给TA7666。当升压变压器输出的电压超过1.5V，整流后的大于1.1V的电压，经R16分压后仍超过1V的电压，经TA7666内部电压比较器比较。3脚由高电变为低电平(低电平为0.3V)，于是，二极管VD14导通，由R58和R59分压得约为2V电压加到8051单片机的P22IO口上。如果输出的电压不断变高，则TA7666的4，5，6，7脚依次由高电平变为低电平。这样在单片机的IO 口：P22，P23，P24，P25，和P26依次检测到低电平输入，由8051单片机芯片内部运算识别从P00P07脚输出过载信号。由D0-D07脚输入到8255扩展电路内，再由8255内部识别，从存储器中调出过载字符显示信号从8255的PA0PA7脚输出给HD44780的714脚，由HD44780字符显示模块显示出过载不安全的文字。同时8255的PB0-PB7脚也输出过载的信号，由A0-A7脚输入到ISD2560内部，ISD2560从存储器中调出过载，不安全的语音信号，由ISD2560的14,15脚输出，于是，扬声器器连续发出五句“过载，不安全”的声音。当过载超过额定5就开始进行安全提示。分五个级别提示(每个级差为10)，最高为45，当过载不是很多，只是语音和文字提示，但没有切断电源，如果过载非常严重(如45，此时集成电路TA7666的7脚高电平变为低电平，8051单片机芯片的IO口P26脚获得低电平输入)，由用电保护电路原理图2.4可见与门电路U8的输人为低电平，输出也为低电平，控制管Q1导通，电磁开关有电流通过而跳闸。当负载短路时，电线电流突然升得很大，磁感线圈的感应电压也很高这会烧坏家庭用电故障提示器。为了防止这种情况发生，仪器上设计有两个保险丝，同时仪器上还设计有两个超压保护电路。短路故障发生时，TA7666的7脚为低电平，经门电路使保护二极管的控制端为高电平，于是二极管短路导通，确保仪器安全。负载短路时，电线电流变得很大，使磁感线圈上产生的感应电压升得很高，这时，磁感线圈获得的电压远远大于0.15V，TA7666的3,4、5,6、7脚同时输出低电平控制过程与前述相同，电磁开关立即切断电源。保证用电户电器设备的安全。2.4.1 升压变压器变压器是一种常见的电气设备，可用来把某一数值的交变电压变换为同频率的另一数值的交变电压。升压变压器就是用来把低数值的交变电压变换为同频率的另一较高数值交变电压的变压器。其在高频领域应用较广，如逆变电源等。变压器-静止的电磁装置，变压器可将一种电压的交流电能变换为同频率的另一种电压的交流电能，变压器的主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕组。与电源相连的线圈，接收交流电能，称为一次绕组；与负载相连的线圈，送出交流电能，称为二次绕组；一次绕组的电压相量 U1、电流相量 I1 、电动势相量 E1、匝数 N1和二次绕组的电压相量 U2 、电流相量 I2 、电动势相量 E2 、匝数 N2 同时交链一次，二次绕组的磁通量的相量为m ,该磁通量称为主磁通。物理公式为：U1/U2=N1/N2 =I2/I1 式中U1、U2为电压，N1、N2为线圈匝数，I1、I2为电流。2.4.2 电磁开关电磁开关，顾名思义就是用电磁铁控制的开关，也就是电磁铁与开关的结合体。当电磁铁线圈通电后产生电磁吸力，活动铁芯推或拉动开关触点闭合，从而接通所控制电路。电磁开关在各行业有广泛的应用，最常见的是工业领域的接触器。如果没有特别说明，电磁开关是指汽车起动机上的控制开关，是起动机（直流电动机、传动啮合机构、电磁开关）三大部件之一，其工作原理是线圈通电后产生电磁吸力，使活动铁芯移动，从而一方面拉动传动啮合机构使起动机小齿轮前移与发动机飞轮齿圈啮合，另一方面推动开关触点接通，使直流电动机通电运转，从而带动发动机起动。在机电传动领域，在实际生产中，常把异步电动机正反转自动控制线路装成为一个成套的电气设备，叫可逆磁力启动器，或称为电磁开关，常用的型号有QC10系列等。2.5 超压保护电路工作原理如果降压变压器T2变比为1/50，降压变压器T2的次级绕组两端电压设定安全值为=5.5V，因此输入用户的相电压也就最高不能大于265V，当干线电压过高时，获取的信号电压超过5.5V，这样单片机用电故障语音提示器就不仅仅提示，而且会使电路跳闸切断电源。开始安全提示的最低电压为250V，超电压分为四个级别，每个级差相差5V，最高为265V。电压在265V以下都只是进行安全提示，没有跳闸断电。只有在大于或等于265V时才立即跳闸断电并安全提示。工作原理为：当干线电压过高时，变压器T2输出的电压超过5V，经整流滤波后加至TA7666，使3脚输出高电平，由PC3输入8255，8255得到干线电压过高信号，从字符存储器中调出原来存储的电压过高的字信息，由PA0PA7输出到HD44780字符液晶显示模块，于是，HD44780字符液晶显示模块开始显示电压过高、不安全的语句。同时，8255也从存储器中调出干线电压过高的语音信息，由PB0PB7输出送到ISD2560语音芯片，此时ISD2560语音芯片驱动扬声器发出5句“电压过高、不安全”的报警声音，提示用户注意用电的安全。但这只是提示。不切断电。当干线电压超过270V时，变压器次级输出为5.6V。这时TA7666的5脚由原来高电平变为低电平。这时除字符和语音提示外。同时，或门电路也输出切断电源的控制信号，由电磁开关切断干线电流。当干线电压由220V变为380V时，变压器输出的5V变为8.5V。TA7666的3、4、5、6、7全为低电平，电磁开关立即切断电源以保护用电设备。另外，由于TA7666的7脚是高电平，VD2的控制脚为高电平，VD2导通，保护仪器不受损坏。电路图中的C1，C2为大电解电容，其作用是当干线被切断后，由于C1，C2充有电压，使仪器上的信号保留一定时间，即延迟作用。图2.4超压故障信号传输原理图3 家庭安全用电控制电路设计3.1 系统电路原理总图本系统以8051单片机为控制芯片，由HD44780字符液晶显示模块、ISD2650语音芯片以及必要的辅助电路组成一个基于8051单片机芯片的具有检测及控制功能的系统，其电路原理框图如图8所示。在此系统中8051通过串口对HD44780字符液晶显示模块和ISD2650语音芯片进行控制，在连接使用时，8051单片机利用8255扩展一串口，通过这一串口与HD44780字符液晶显示模块、ISD2650语音芯片进行连接使用。检测控制及其辅助电路都可以直接使用8255的I/O口。HD44780字符液晶显示模块传感器8051单片机可编程接口扩展芯片8255ISD2560语音芯片扬声器图3.1 系统电路原理总框图3.2 语音芯片与8051 相结合的设计与实现具体的接口电路如图3.2所示： 图3.2 语音芯片与8051接口电路图A0A9:作为地址线，与单片机的地址端口连接，共有1024 种组合状态， 通过对A8， A9 的设置单片机可以控制语音芯片的工作方式；/CE:片选， 和单片机的P2.5 口相连，单片机可以选中芯片；PD: 节电控制，和单片机的P2.4 口相连；P/R: 录放模式，和单片机的P2.2 口相连，单片机可以控制芯片处于录音或放音的工作模式。以上三引脚再分别连一跳线，此跳线的一端接地，一端接电源，在软件不变的情况下可以通过该跳线控制语音芯片的工作方式，当然也可通过开关方式控制。EOM: 信息结尾标志，和单片机的P2.3 口相连，EOM在录音时由芯片自动插入该信息的结尾。录音时，连接J5 跳线；单片机通过端口线设置语音段的起始地址，再使PD 端、P/R 端为低电平启动录音；结束时，断开跳线连接，单片机又让P/R 端回到高电平，即完成一段录音的录制。同样的方法可录制第二段，第三段等。值得注意的是，录音时间不能超过预先设定的每段语音的时间。放音时，根据需播放的语音内容，找到相应的语音段起始地址，并通过端口线送出。再将P/R 端设为高电平，PD 端设为低电平即连接跳线J4，并让/CE 端产生一负脉冲启动放音，这时单片机只需等待ISD2560 的信息结束信号。信号为一负脉冲，在负脉冲的上升沿该段语音才播放结束，所以单片机必须要检测到上升沿才能播放第二段，否则播放语音就不连续。单片机控制语音芯片定时播放的程序主要包括两方面的主要内容， 一是单片机对ISD2560 芯片控制字的写入， 二是定时中断的产生。定时播放的主要程序源代码如下：char data BUFFER1=0;/定时器计数变量Sbit PR=P22; /定义播放/录音的控制端口Sbit EOM=P22; /定义结束信号Sbit PD=P24; /定义芯片电源开关Sbit CE=P25; /定义片选Void play(void)PD=1; /打开芯片电源开关CE=0; /选中该芯片PR=1; /开始播放While (! EOM); /等待播放内容结束信号Delays(); /延时PD=0; CE=0; PR=0;Main()EA=1;IT=1;ET0=1; /开中断TMOD=0x01; /T0 方式1 计时1 秒TH0=- 5000/256;TL0=- 5000%256;TR0=1; /开中断, 启动定时For(;);/* 定时计数器0 的中断服务子程序*/Void timer0(void) interrupt 1 using1TH0=- 5000/256; /定时器T0 的高4 位赋值TL0=- 5000%256; /定时器T0 的低4 位赋值BUFFER0=BUFFER0+1; /百分秒进位If(BUFFER0=1000)Play(); /调用播放子程序3.3 HD44780与单片机的接口电路数据线访问方式：字符型LCD与8051单片机的数据线接口电路如图3.3所示，图中，单片机PO口直接与液晶显示模块的数据口相接，P1.5口用于控制RS寄存器选择，P1.6口用于控制R/W读写选择，P1.7口则用来控制E使能信号，使用该方法接口简单，编程方便。地址线访问方式：字符型LCD与8051单片机的地址线接口电路如图3.4所示，图中，单片机P2口直接与液晶显示模块的数据口相接，当P1口被其它操作所占用时，可选用RS寄存器选择，R/W读写选择T1口控制E使能信号。此外，依据HD44780的接口特性，无论计算机对其操作为何种总线形式，计算机操作的流程都是一致的，即首先判断标志，然后再进行写指令或数据以及读数据的操作。液晶显示模块的显示方式有整屏显示或单独显示两种，整屏显示是将所要显示的数据一次性发送到显示数据RAM中。而单独显示是在屏幕上的指定位置进行。两种方法都是在控制器空闲的条件下才能进行操作，并在操作前都要进行忙读取标志，以判断控制器是否处于忙状态，然后再进行写指令或数据以及读数据的操作。该系统采用自定义符号以及202自动翻屏显示方式，如图3.3和3.4所示。图3.3数据接口方式图3.4 地址接口方式3.4 电压信号的PID控制文中的控制对象是电压信号，对电压信号的每一个数据量都要进行一次PID运算。文中定义：表示目标电压；：表示当前电压；：表示当前电压差(=-)。PID运算表达式如下：PWM-0UT=P-OUT+I-0UT+D-OUT其中P-OUT=*称为比例项，是比例系数，比例项输出等于比例系数乘当前电压差。I-OUT= *称为积分项，是积分系数，积分项用于消除系统稳态误差，由当前起前面N次采样电压差的和。P-OUT= *称为微分项，是微分系数，微分项用于减小系统超调量，增加系统稳定性，(=当前电压差一上次电压差)。控制程序如下：Void PID（）=100；I-OUT=P-OUT；P-OUT=一100；U+ =( *P-OUT+ *(P-OUT一21-OUT+D-OUT)100；If(U255)U=255；PWM-OUT=U；4 软件设计4.1 主程序设计总述本系统主要由中央处理器、信号采集系统和液晶显示及语音提示系统组成，各部分之间的相互关系如图4.1所示。本系统不同于其它保护系统的地方就是增加液晶显示和语音提示系统。它在检测到过压信号时及时给予字符提示和语音提示，以保证用户处于非常安全的状态。另外本系统还装有自动控制装置，当产生严重故障时，控制系统自动提前跳闸且此时不再受人为控制。系统上电初始化电压比较是否过压？N液晶显示、语音提示需断电保护？ YNY切断电源液晶显示、语音提示结束图4.1 系统总流程图从上图我们可以直观的看出各系统之间的关系如下：传感器将检测到的信号传给8051控制器，当处理器检测到信号并判定信号为正常的信号后便会发出命令给液晶显示和语音提示系统，液晶显示和语音提示系统收到命令后便送回信号进行下一次电压比较，同时，传感系统将采集到的信息通知给液晶显示和语音提示系统，系统便会通过8051控制器采取相应的措施，如自动跳闸。运行初始化后，系统将处于不停地接收电压信号的状态中，同时系统也在等待检测状态和接收用户查询的消息中断。一旦有中断产生，控制器就会转移到相应的中断子程序中去处理该程序。若系统的检测信号无效，则控制系统不进行上述操作。4.2 过载保护电压比较软件设计本设计中过载保护电压比较工作流程如图4.2所示：开始系统初始化电压比较是否1.5V?Y液晶显示、语音提示是否1.59V?跳闸电压比较液晶显示、语音提示N结束 图4.2 过载保护电压比较流程图采用升压变压器把信号电压升高的方法进行电压提升，设升压变压器T1的变比为10/1，当用电过载时，流过进户火线的电流大大增加，由电磁感应定律得，感应线圈两端的感应电压大大增加，通过对这个感应电压的检测就能判断出当前是否出现过载现象，设这个信号电压达到V(升压变压器的次级输出为1.5V)时开始报警提示，当信号电压超过0159V(升压变压器的次级输出为1.59V)时立即跳闸并报警提示。4.3 超压保护电压比较软件设计本设计中过载保护电压比较工作流程如图4.3所示：NYY开始系统初始化电压比较是否5V?液晶显示、语音提示电压比较是否5.5V?跳闸液晶显示、语音提示结束图4.3 超压保护电压比较流程图采用降压变压器把信号电压降低的方法进行电压降低，设降压变压器T2的变比为1/50，降压变压器T2的次级绕组两端电压设定安全值为5.5V，因此输入用户的相电压也就最高不能大于265V，当干线电压过高时，获取的信号电压超过5.5V，这样单片机用电故障语音提示器就不仅仅提示，而且会使电路跳闸切断电源。开始安全提示的最低电压为250V，超电压分为四个级别，每个级差相差5V，最高为265V。电压在265V以下都只是进行安全提示，没有跳闸断电。只有在大于或等于265V时才立即跳闸断电并安全提示。结 论本设计是利用8051单片机芯片技术，结合HD44780字符液晶显示模块和ISD2560语音芯片的家庭安全用电控制装置。通过感应线圈与变压器输出电压来获取超压、过载和短路故障的检测电压。由TA7666 电压比较集成电路把信号电压分为5 个级别，运用8051 单片机芯片进行电压PID 控制，使用HD44780 字符液晶显示模块和ISD2560 语音芯片进行文字与语音提示用电故障，并且能适时自动跳闸。该设计可实现家庭用电的安全状态监测，非安全状态下的字符和语音提示，以及严重故障时自动提前跳闸，而且具有用电故障提示和严重故障时跳闸准确率高的优点，为家庭用电提供了一种新的途径与思路。本系统是用8051 单片机实现了一个多功能用电故障控制器，具有字符提示和语音提示功能，改变了目前漏电保护器和过载保护器功能单一，故障出现时没有任何提示等缺点，在本设计的实现过程中遇到了很多想到和想不到困难，在老师和同学的帮助下都一个个得到了圆满的解决，但由于本设计的系统较大，个别部分实现难度较高，时间紧迫等原因，系统的部分流程，如检测系统的实现情况跟预期效果还有一定的差距，起火情况还无法达到有效控制的