基于单片机漏电保护器的研究潘稳成.doc

基于单片机的漏电保护器研究 网络高等教育本 科 生 毕 业 论 文（设 计） 题 目： 基于单片机的漏电保护器研究 学习中心： 贵州黔南奥鹏学习中心层 次： 专科起点本科 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 2014 年 秋 季 学 号： 141470409128 学 生： 潘稳成 指导教师： 刘晓艳 完成日期： 2016 年 5 月 26 日内容摘要PIC16F877单片机在8位单片机中脱颖而出，它采用精简指令集计算机RISC、哈佛双总线、指令流水线结构。其抗干扰能力强，性能价格比高，完全可以满足对漏电信号进行实时监测的要求，并可以根据用户要求进行延时和非延时的要求，对于其他外围电路，比如零序电流互感器的选择，信号处理电路，相位同步电路，漏电显示电路，动作执行电路，都进行优化设计，实时性更高，反应更加准确迅速。 本篇毕业论文（设计）主要介绍了漏电保护器的工作原理、分类、功能、用途，以及着重介绍了基于单片机的智能型电流漏电保护器的设计原理及应用前景。 其主要对PIC16F877型单片机在漏电保护器的应用进行了设计。 关键词：漏电保护器；电流型；单片机目 录内容摘要2目 录3引 言4绪 言51 漏电保护器发展现状及前景62 漏电保护器简介72.1 漏电保护器的主要功能72.1.1 防止人身触电72.1.2 防止漏电引起的火灾92.1.3 防止漏电造成的设备损坏92.1.4 降低对保护接地电阻的要求92.2 漏电保护器的分类92.3 漏电保护器的工作原理113 总设计方案124 硬件电路设计134.1 零序电流互感器的选择134.2 低通滤波器设计144.3 相位同步电路的设计154.4 单片机接口电路设计164.4.1 PIC单片机介绍164.4.2 PIC16F877单片机I/O脚分配184.4.3 单片机接口按键设计204.4.4 单片机复位电路设计214.4.5 单片机振荡电路设计224.5 液晶显示部分硬件设计234.6 控制执行部分硬件设计244.7 电源部分设计255 软件部分的设计265.1 软件设计总体思想265.2 主程序的设计275.3 中断服务模块295.3.1 INT上升沿中断295.3.2 TMR2定时器中断305.4 漏电信号分析模块315.4.1 缓变电流计算模块315.4.2 漏电突变电流计算模块335.5 漏电动作记忆和显示模块356 结论和展望36参考文献37引 言电，是现代经济的命脉，它与工农业生产、科学研究、国防建设，以及人们日常生活休戚相关。现代社会的各个领域中如果没有了“电”这个基本能源；那么产生的后果和损失是急剧震撼性的。但是，使用电也潜伏着危险，特别是低压电网和低压用电设备安装、使用或检修处理不当时，就可能引起电气事故，甚至威胁人身安全。发生触电主要有两种形式：一是由于人体直接触及带电的裸露导体，既所谓的直接接触；二是人体触及劣化、破损或浸沾导电液体而使外壳带电的设备，既所谓的间接接触。漏电保护器，用以对低压电网直接触电和间接触电进行有效保护，也可以作为三相电动机的缺相保护。它有单相的，也有三相的。 根据保护器的工作原理，可分为电压型、电流型和脉冲型三种。电压型保护器接于变压器中性点和大地间，当发生触电时中性点偏移对地产生电压，以此来使保护动作切断电源，但由于它是对整个配变低压网进行保护，不能分级保护，因此停电范围大，动作频繁，所以已被淘汰。脉冲型电流保护器是当发生触电时使三相不平衡漏电流的相位、幅值产生的突然变化，以此为动作信号，但也有死区。目前应用广泛的是电流型漏电保护器。绪 言随着单片机技术的发展，单片机在电器领域内得到广泛应用，使电器具有智能化功能。漏电保护器是低压电器的一个重要系列产品，但由于漏电保护的特殊性，日前对漏电保护的智能化在理论上和技术上还需要人们进行深入研究与探讨。本项目在以下几个方面开展研究工作。1) 对漏电保护检测原理进行分析。 2) 以Microchip公司的PIC单片机为硬件基础，设计出漏电保护器硬件模块。3) 对PIC16877芯片编程，实现软件控制。1 漏电保护器发展现状及前景漏电保护器的发展大约经历了三个阶段，即初始阶段、发展阶段和成熟阶段。1912年德国正式发明了电压型保护器，保护电机外壳漏电。1930年欧洲国家开始采用电压型保护器。1940年法国人发明了电流型保护器。1956年，德国开始生产电流型保护器。在1962年美国研制成功灵敏度为5mA的电流型保护器，标志漏电保护器开始进入发展阶段，德、日、法等国也相继研制成功灵敏度为30mA的电流型保护器。到二十世纪七十年代，各国开始制定规程，强制在一些场所安装漏电保护器，标志漏电保护器的发展进入成熟阶段。我国研究漏电保护器起步要晚于国外，进入二十世纪七十年代以来，我国用电量逐年增加，触电事故也逐年增加，因此引起各部门的相当重视。近年来，我国在漏电保护器方面的科研、生产、应用有了较大的发展，国家标准主管部门先后组织编制了保护器产品标准、使用标准；此外，原国家机械委还制订了相关的产品行业标准；此外，国家建设部在GB50054低压配电设计规范和GB50096住宅设计规范等国家标准中，对低压配电系统和住宅中漏电保护器的应用均作了规定。国家标准要求漏电保护器在投入运行后，使用单位应建立运行记录及相应的管理制度，每月需在通电状态下，按动实验按钮，检查漏电保护器动作是否可靠。雷雨季节应增加检查次数。但是该试验只能用来检查漏电保护器的脱扣功能，不能用来校核额定漏电动作电流和分断时间的数值。所以国家标准还规定应定期进行漏电保护器的动作特性试验，测试漏电动作电流值、漏电不动作电流值和分断时间，而且，对上述试验中采用的检测仪表的精度等级做出了明确的规定。随着微电子技术的不断发展，单片机的集成度越来越高，功能越来越丰富。以单片机为主体，取代传统仪器仪表的常规测量电子线路，可以容易地将计算机技术与测量控制技术结合在一起，组成新一代的所谓“智能化测量控制系统”。在数据采集系统中采用单片机技术，能够解决许多传统仪表不能或不易解决的问题。这种新型的智能仪表在测量过程自动化，测量结果的数据处理以及功能多样化方面，都取得了巨大的进展。2 漏电保护器简介漏电电流动作保护器，简称漏电保护器，又叫漏电保护开关，主要是用来在设备发生漏电故障时以及对有致命危险的人身触电进行保护。2.1 漏电保护器的主要功能2.1.1 防止人身触电漏电保护器对有致命危险的人身触电提供间接接触保护；额定剩余动作电流不超过0.03A的漏电保护器在其他保护措施失效时，也可作为直接接触的补充保护，但不能作为唯一的直接接触保护。在发生触电事故时，流过身体的电流越大，人体所能承受的时间越短；而触电时间越长，所能承受的流过身体的电流越小。为了分析触电电流和触电动作时间的规律，有人作了以下试验(用狗作为触电对象):1） 固定触电时间为0.1秒、0.2秒、0.4秒、0.5秒，改变电流大小，电流从10mA起每次增加10mA试验。结果是:0.1秒时，电流达到220mA时，动物仍未有死亡危险；0.2秒时，电流达到14OmA时，动物就有心室纤颤和心跳过速；0.4秒时，电流达到10OmA时，就能使心室纤颤；0.5秒时，电流达到10OmA时，使动物心室纤颤，电流达到16OmA时即可使动物死亡。2) 固定触电电流为30mA、80mA、100mA、140mA，时间从0.1秒起每次按倍时增加进行试验。结果是:30mA时，时间达60秒；80mA时，时间达12秒；100mA时，时间达六秒，对动物均无死亡危险。140mA时，时间达0.2秒就有心室纤颤。从上面试验结果分析可以知道:在发生触电事故时，流过身体的电流越大，人体所能承受的时间越短。而触电时间越长，所能承受的流过身体的电流越小。那么人体到底能承受多大的电流和作用时间呢?经过反复试验，国际电工委员会(IEC)明确规定:人体能够承受的最大电流时间是30mA.s(30毫安.秒)。图2-1 心室颤动电流和通电时间的关系德国柯宾（S.Koeppen）的研究曲线It=50mAs，即当通电电流在50mA以下时，通电时间的长短对人的安全几乎没有影响。在考虑了安全系数后（取安全系数为1.67）得到曲线2-3，即It=30mAs。在曲线的左方及左下方区域为安全区域，在发生触电事故时无感觉反应和生理效应。因此具有30 mAs的漏电保护器可以满足触电保护的需要，具有足够的安全性 注：漏电保护器只对相与地间的触电或漏电提供保护，而对人体的相与相间触电、相与中性线间触电不提供保护。2.1.2 防止漏电引起的火灾低压配电系统线路的漏电、用电设备的漏电或者接地电流流过金属焊缝发热，都可能导致火灾。一般错误的认为漏电电流不大，因而忽视了发生火灾的可能性。实际上只要接触发热面积小，即使较小的漏电电流，热能密度也会很大，就有发生火灾的可能。此时若遇到易燃易爆品，将导致火灾或爆炸事故的发生。一般来说，作为防止漏电引起火灾事故的漏电保护器的额定动作电流的选择应不小于100mA。 2.1.3 防止漏电造成的设备损坏2.1.4 降低对保护接地电阻的要求用电设备的保护接地电阻值按国家标准GBJ65工业与民用电力装置的接地设计规范规定为4和10，这一要求在高土壤电阻率的地区是很难达到的。而安装了漏电保护器之后，保护接地电阻的最大允许值变为：保护接地电阻() 安全电压(V) 额定漏电动作电流(A)例如，选定漏电保护器的额定动作电流200mA，按安全电压50V计算，则接地电阻为：50V / 0.2A = 250。可见，与安装漏电保护器之前的4或10相比，保护接地电阻的要求大大降低了。2.2 漏电保护器的分类漏电保护器经过几十年的发展，已经形成了一个品种非常齐全、非常庞大的产品系列，下面将根据不同的方法将其进行分类。（1） 根据运行方式可分为：不用辅助电源的漏电保护器、用辅助电源的漏电保护器；（2） 根据安装型式可分为：固定安装和固定接线的漏电保护器、带有电缆的可移动使用的漏电保护器（通过可移动的电缆接到电源上）；（3） 根据极数和电流回路数可分为：单极两线、两极、两极三线、三级、三极四线、四极漏电保护器（其中单极两线、二极三线和三级四线漏电保护器均有一根直接穿过检测元件而不能断开的中性线）；（4） 根据保护功能分为：只有漏电保护功能的漏电保护器、带过载保护的漏电保护器、带短路保护的漏电保护器、带过载和短路保护的漏电保护器、带过电压保护的漏电保护器及多功能保护（例如欠电压、断相、过电流、过电压等）的漏电保护器；（5） 根据额定剩余动作电流可调性分为：额定剩余动作电流不可调的漏电保护器、额定剩余动作电流可调的漏电保护器；（6） 根据接线方式分为：用螺钉或螺栓接线的漏电保护器、插入式漏电保护器；（7） 根据脉冲电压作用下防止误动作的性能分为：在脉冲电压作用下能动作的漏电保护器、在脉冲电压作用下不动作的漏电保护器(简称脉冲电压不动作型漏电保护器)；（8） 根据结构分为：组合电器（如漏电继电器与低压断路器或低压接触器组成的组合装置）和机械开关电器（如漏电断路器）。（9） 根据故障信号的形式是漏电故障电流还是漏电故障电流在接地装置或检测元件上产生的电压降，可以将漏电保护器分为电压动作型漏电保护器和电流动作型漏电保护器。（10）根据剩余电流是否含有直流分量可分为：AC型漏电保护器（对突然施加或缓慢上升的交流正弦波剩余电流能可靠脱扣）、A型漏电保护器（对突然施加或缓慢上升的交流正弦波剩余电流，脉动直流剩余电流和脉动直流剩余电流迭加0.006A平滑直流电流均能可靠脱扣）。2.3 漏电保护器的工作原理漏电保护器的种类繁多，形式各异，但基本结构和工作原理相同。漏电保护器主要由三个基本环节组成，即检测元件、中间环节和执行机构，其组成方框图如图2-2所示。 图2-2 智能型漏电保护器原理框图1）检测元件采用漏电电流互感器，它由封闭的环形铁心和一次、二次绕组构成，一次绕组有被保护电路的相、线电流流过，其作用是将采集到的漏电流信号转换成中间环节可以接受的电压或功率信号。2）中间环节采用运算放大器和单片机控制系统，对漏电信号进行处理（变换、放大和比较）和动作控制。因此通常包括放大器、比较器和脱扣器等。3）执行机构一般为触点系统，采用低压断路器或交流接触器，根据中间环节发出的指令，来切断保护电路的电源。电流型漏电保护器工作原理如图2-3所示。图2-3电流型漏电保护器工作原理图当被保护电路无触电、漏电故障时，通过漏电电流互感器的一次侧电流的向量和等于零。这样，各相工作电流在此电流互感器中所产生的磁通向量和也为零。因此电流互感器的二次侧线圈没有感应电动势产生，漏电保护器不动作，系统正常供电。当被保护电路中有人触电或出现漏电故障时，由于漏电电流的存在，使得通过漏电电流互感器一次侧的各相负载电流（包括中性线电流）向量和不再为零，这一向量和就是漏电电流。此时在电流互感器的环形铁心上将有励磁磁势存在，电流互感器的二次侧线圈在磁通向量和的作用下，有感应电动势产生，此信号电压经过中间环节的处理和比较，当达到预期时，使主开关的励磁线圈TL通电，驱动主动开关动作，迅速切断被保护电路的供电电源，从而达到防止触电事故发生的目的。 3 总设计方案图3-1 智能漏电保护器硬件结构设计图智能化漏电保护器的硬件可以划分为五大部分,即漏电检测电路、相位同步电路、漏电动作电流和时间延时设定电路、漏电数字显示电路和动作执行单元。漏电检测电路由零序电流互感器和信号处理单元组成,这部分电路将检测出漏电信号送到单片机的A/D输入通道,转换为单片机可以处理的数字信号，相位同步电路负责将电网的电压信号与漏电信号的相位进行比较,单片机根据它们的相位差来判断各相漏电电流，漏电动作电流和时间设定电路是来设定额定漏电动作电流及动作时间,根据需要也可以设定为单片机自动选择额定漏电动作电流，漏电数字显示电路是由单片机控制,显示电网的漏电电流动值和动作原因，动作执行单元直接由单片机控制，完成漏电保护功能。智能化漏电保护器是在PIC16F877单片机的控制下完成的,其控制软件由四部分组成,即上电初始化模块、漏电信号分析模块、漏电电流显示模块、漏电动作输出模块。上电初始化模块主要完成上电后的初始化,对PIC16F877的端口进行初始化,还包括根据外部设置状态确定额定漏电动作电流和动作时间。漏电信号分析模块主要通过A/D转换后,将漏电模拟信号转换为数字信号,对于三相电网来说,还要将各相漏电电流分离出来。漏电电流显示模块采用动态扫描输出方式，交替显示总漏电电流、A相漏电电流、B相漏电电流、C相漏电电流当漏电电流大于设定值时,单片机发出动作信号。4 硬件电路设计4.1 零序电流互感器的选择 零序电流是整个系统的原始信号，它的准确程度决定了整个系统的精度，所以零序电流互感器的选择就颇为重要。一般的零序电流互感器在原方电流小于2-5安培时它的变比和相角误差均较大，不能满足微机检测设备的要求。所以选择高精度零序电流互感器采用LJWZ-3型，它的优点是即使原方电流很小(0.2A-0.5A)时也能保证足够的准确度。其输出信号接负载电阻后送低通滤波器进一步处理。4.2 低通滤波器设计由于电力系统中存在大量的谐波成分，特别是三次和五次谐波的存在将会给数字系统带来极大的危害，为了避免谐波影响，必须有滤波电路将各次谐波滤除。滤波电路实际上是一种选频网络，根据阻带的不同可分为低通、高通、带通、带阻滤波电路，工频电网中的谐波绝大多数是高次奇次谐波，因而需要低通滤波器。按照所用元件的不同，滤波器分为有源滤波器和无源论波器两大类。滤波的效果是由输出幅值的大小来决定的，无源滤波器是用R.L.C元件构成的，电路比较简单，但由于电阻的分压，使滤波输出信号幅值变小，滤波效果不好。使用运算放大器的滤波电路是有源滤波电路，由于运放的存在，高输入阻抗、低输出阻抗和一定程度的反馈，消除了因电阻分压而造成的输出信号幅值变小的缺点是一种理想的滤波电路。本文采用有源滤波。常用的滤波器有巴特沃斯型、切比雪夫型。切比雪夫型滤波器在通频带输出信号幅值以某一值为中心，上下波动一个小范围，这个范围的大小用纹波系数来表示。其通频带与带阻之间的变化曲线比较陡峭，截止特性好。巴特沃斯型滤波器在通频带比较平坦，但截止特性缓慢。本文的目的在于滤除工频电流中的谐波，一般谐波的次数为三次、五次、七次，设计了四阶切比雪夫模拟滤波器用以消除三次以上谐波对系统造成的影响。其设计性能要求达到三次谐波衰减达到40dB，其电路结构和参数如图4-1。图4-1 低通滤波器电路原理图4.3 相位同步电路的设计在三相电网中的漏电保护器能够分别显示三相漏电电流。在三相电网中，只单纯地显示三相漏电矢量和,还不能完全满足用户的需要。分别显示出各相漏电电流，更便于用户故障分析，判断究竟是哪一相线路发生了漏电。漏电信号分析模块中在对漏电信号进行处理时,需要将漏电信号分为三相漏电电流,以便输出显示。我们利用A相电压作为相位参考基准，检测出漏电电流为I,其滞后相位为,由此将漏电信号复原为各相不平衡漏电电流。相位同步电路设计方案如图4-2所示:图4-2 相位同步电路原理图本电路可以检测电力网的电压和电流之间0-180度的相位差，而且不需要切断被测电路。比较器LM339做过零检测器，其灵敏度为10mv。RP和C一起作为钳形头的负载并取得与i（t）成比例的电压。74LS74用于超前-退后提示。或门4070将电流电压方波信号合成相位差波形p（t），经低通滤波和A/D转换后，由LCD显示出来。4.4 单片机接口电路设计4.4.1 PIC单片机介绍提到单片机的应用，有人这样说，“凡是能想到的地方，单片机都可以用得上”，这并不是个夸张。由于全世界单片机的年产量以亿计，应用范围之广，花样之多。一时难以律述，这里仅列举一些典型的应用领域或场合供读者参考15。1）电信电话机、无绳电话机、投币电话机、磁卡电话饥、光卡电话机、数字或汉字子呼机、模拟或数字蜂窝移动通信手待机、无线对讲机、业余无线电台、传真机、调制解调器、通话计费器、电话密码锁、来电显示器(caller ID)等。2）家用电器 遥控电视机、录像机、摄像机、VCD、CD、卫星电视接收机、音响音调控制器、卡拉OK点唱机、数字照相机、全自动洗衣机、冰箱、空调、洗碗机、微波炉、热水器、万年历、智能充电器、各种报警器、电卡电度表等。3）计算机外围设备键盘、打印机、绘图仪、扫描仪、智能终端、智能扩充卡等。4）办公自动化复印机、智能打字机、传真机、个人数字助理PDA等。5）工业控制数控机床、智能机器人、可编程顺序控制、电机控制、过程控制、温度控制、智能传感器等机电一体化系统中。6）商用电子自动售货机、自动柜员机、电子收款机、电子砰、智能卡、IC卡读写器。7）玩具袖珍游戏机、电子宠物、智能玩具、遥控玩具、学习玩具等。8）仪器仪表用于医疗、化工、电子、计量等领域的各种智能仪器仪表。9）汽车电子点火控制、变速控制、防滑控制、防撞控制、排气控制、最佳燃烧控制、防盗报警、电子地图、车载通信装置等。10）军用电子各种导弹和鱼雷的精确制导控制、智能武器、雷达系统、电子战飞机等。单片机应用的意义不仅仅限于它的广阔范围以及所带来的经济效益，更重要的还在于它从根本上改变了传统的控制系统设计恩想和设计方法。从前，必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片机通过软件方法实现了。这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术称之为微控制技术。微控制技术标志着一种全新概念，随着单片机应用的推广普及，微控制技术必将不断发展和日趋完善，而单片机的应用则必将更加深人、更加广泛。 PIC单片机是美国Microchip公司所生产的单片机系列产品型号的前缀。PIC系列单片机的硬件系统设计简洁，指令系统设计精炼。在所有的单片机品种当中，它是最容易学习、最容易应用的单片机品种之一。对于单片机的初学者来说，若选择PIC单片机作为攻入单片机王国的“突破口”，将是一条最轻松的捷径，定会取得事半功倍的功效。 世界上有一些著名计算机芯片制造公司，其单片机产品是在其原有的微型计算机CPU基础上改造而来的，在某种程度上自然存在一定的局限性。而Microchip公司是一家专门致力于单片机开发、研制和生产的制造商，其产品设计起点高，技术领先，性能优越，独树一帜。目前，已有好几家著名半导体公司仿照PIC系列单片机，开发出与之引脚兼容的系列单片机。例如，美同SCENIX公司的5X系列、台湾EMC公司的EM78P系列、台湾MDT公司的MDT系列等。可以说，PIC系列单片机代表着单片机发展的新动向。它具有以下优点：a. 数据总线和指令总线分离的哈佛总线结构。b. 只有35条指令的精简指令集，而MCS-51单片机的指令系统共有111条指令。c. PIC系列单片机只有4种寻址方式，而MCS-51单片机则为7种寻址方68HC05单片机为6种。d. 代码压缩率高1K字节的存储器空间，对于像MCS-51这样的单片机，大约只能存放600条指令，而对于PIC系列的单片机能够存放的指令数可达1024条。e. 驱动能力强。I/O端口驱动负载能力较强，能够直接驱动发光二极管LED、光电耦合器或者微型继电器等。f. PIC系列单片机的程序、堆栈、数据三者各自采用互相独立的寻址（或地址编码）空间，寻址空间设计简洁。g. PIC系列单片机内集成了上电复位电路、I/O引角上拉电路、看门狗定时器等，可以最大程度地减少或免用外接器件。h. 开发方便。对于PIC系列中的任一款单片机的开发，都可以借助于一套免费软件综合开发环境，实现程序编写和模拟仿真，在用任意一种廉价的烧写器完成程序的固化烧写，便形成一套最经济实用的开发系统16。4.4.2 PIC16F877单片机I/O脚分配选择PIC微控制器芯片型号时要考虑到各个方面的因素，这些因素包括所需的I/O引脚的数目，所需的外围设备(例如A/D转换模块、CCP模块，USART等) ，记忆存储空间的大小，控制器速度，芯片的实际尺寸(封装形式等)17。选择PIC微控制器时，还有一点需特别注意，就是造价和以上所列因素之间的平衡。我们希望能够选择到的芯片具有最少的I/O引脚，外围，记忆存储空间和速度。结合本课题的实际，根据上述因素，列出需求如下:计算所需I/O引脚的最少数目：l) 漏电检测电路1个漏电电流采集的输入端口。2) 相位同步电路1个方波输入端口为漏电电流采集和检测提供周期。3) 漏电动作电流设定电路通过开关量输入，设定额定缓变动作电流值、额定突变动作电流值、额定直流动作电流值及额定动作延时时间。a. 缓变动作电流值:300mA、500mA；b. 突变额定动作值可设定为突变电流动作和突变电流不动作，当突变电流动作时，有：30mA、50mA、100mA；c. 额定动作延时时间:分非延时和延时两种情况。在延时情况下，延时时间为0.2S。我们将上述四项分别由开关S1和开关S4、S3、S2的状态控制。额定缓变动作电流的值由开关S1的状态决定，额定突变动作电流值和额定动作延时间对应的开关量由S4、S3、S2设定。开关量和额定动作值及延时时间的对应关系如表4-1，表4-2所示：所以共需4个开关输入端口，由4个开关的状态指示不同的设定值组合。表4-1 额定缓变电流值以及额定动作延时的开关量（S1， S2）设定缓变电流300/mA500/mA延时0.2S00000010非延时00010011表4-2 突变动作电流值以及额定动作延时的开关量（S4，S3，S2）设定突变电流30/mA50/mA100/mA不动作延时0.2S0100011010001010非延时01010111100110114) 漏电数字显示电路漏电参数采用LM020L液晶显示，需设7个I/O口。5) 动作执行单元动作执行单元需设1个I/O输出控制端口本次设计选择PIC16F877单片机，引脚图见图4-3：图4-3 PIC16F877的引脚图表4-3 PIC16F877引脚功能图引脚名称引脚号引脚类型引脚功能OSC113I时钟振荡器输入端，也是晶体连接端OSC214O时钟振荡器输出端，也是晶体连接端MCLR1I/P人工复位输入端（低电平有效）/编程电压输入端RA0-RA52-7I/O端口A是一个输入/输出可编程的双向5线端口。全部引脚有第二功能，部分引脚有第三功能RB0-RB733-40I/O端口B是一个输入/输出可编程的双向端口，做输入时内部有可编程的弱上拉电路，此外部分引脚有第2功能RC0-RC715-18,23-26I/O端口C是一个输入/输出可编程的双向端口此外还有第2第3功能RD0-RD719-22,27-30I/ORD端口是一个输入/输出可编程的双向端口；此外全部引脚都有第2功能RE0-RE28-10I/ORE端口是一个输入/输出可编程的双向端口；此外全部引脚都有第2第3功能VSS12,31P接地端VDD11,32P正电源端4.4.3 单片机接口按键设计按键部分用于设置动作电流和时间参数，按键的硬件接口电路图如图4-4所示。当某个按键电位为低电位时，表示按键按下，此时进行相应的操作。图4-4 按键电路原理图4.4.4 单片机复位电路设计 PICl6F87x系列单片机的复位功能设计得比较完善，导致单片机内部复位的方式，或者说，引起单片机内部复位的条件和原因可以大致归纳成以下5种：1） 上电复位：每次单片机加电时，上电复位电路都要对电源电压VDD的上升过程进行检测，当VDD上升到规定值1.6-1.8V，就产生一个有效的复位信号，需经72mS=1024个时钟周期的延时。才会使单片机复位。2） 人工复位(单片机在执行程序期间)：无论是单片机在按顶先设定的正常顺序远行程序，还是出现单片机进入不可预知的某一个死循环(形成死机现象)，都得认作单片机在执行程序。单片机在执行程序期间，只需在人工复位端MCLR加入一个低电平信号，就会令其复位。3） 看门狗复位：不论何种原因，只要没有对看门狗定时器WDT进行周期性地及时地清0，WDT就会出现超时溢出，也就会引发单片机复位。依据单片机在看门狗超时溢出之前所处的状态是在睡眠还是在执行程序，又可以将看门狗超时溢出分为两种情况。其实只有在单片机执行程序期间，看门狗发出超时溢出，才会引发单片机的复位，而另一种情况对于PIC16F87X单片机而言则不会引发单片机的复位。4） 电源欠压复位：在上电延时之后，该电路再提供1024个时钟周期的延迟，目的是让振荡电路有足够的时间产生稳定的时钟信号。为了满足上述人工复位的需要，通常单片机都设置一个外接复位引脚，来接收外部输人的人工复位信号，在PIC系列单片机的技术文档中称该脚为“MCLR”，英文原意是人工清除的意思。低电平有效。PIC16F877复位功能如图4-5所示：按下按键低电平有效，单片机人工复位。图4-5 PIC16F877复位电路原理图4.4.5 单片机振荡电路设计在标准晶体振荡XT、低功耗振荡LP和高速晶体振荡HS三种方式中，PIC芯片可以使用已集成在片内的振荡器，亦可使用由其他电路构成的振荡器电路。当外接振荡器时，外部振荡信号从OSC1端输入，OSC2端开路。如图4-6所示：图4-6 PIC16F877振荡电路原理图图4-6所示的是典型的外部并行谐振振荡电路，应用晶体的基频来设计。74HC04反相器用来实现振荡器所需的180度相移， 的电阻用来提供负反馈给反相器，的电位器用来提供偏压，从而使反相器74HC04工作在线性范围内。4.5 液晶显示部分硬件设计图形点阵液晶显示模块简称液晶显示屏，由于具有显示信息丰富、功耗低、体积小、寿命长、不产生电磁辐射污染等优点而成为单片机系统中理想的显示器件，并被广泛应用于单片机控制的智能仪器仪表、工业控制领域。本设计中液晶显示屏的主要作用是显示数据，以及配合按键进行控制参数的设置。采用HITACHI公司生产的LM020L液晶屏，可显示一行16个字符，并内置HD44780主控制驱动电路。液晶屏与PIC16F877单片机硬件接口电路如图4-7所示。图4-7 PIC16F877液晶显示电路原理图表4-3 LM020L液晶显示屏引脚功能图引脚号 符号 状态 功能1 VSS 电源地2 VDD +5V电源3 VEE 对比度调整端4 RS 输入寄存器选择端： 1数据寄存器；0指令寄存器5 R/W 输入 读写控制端：1读；0写6 E 输入 使能端7-14 D0-D7 三态数据总线当RS和RW都为低电平时可以写入指令或显示的地址；当RS为高电平、RW为低电平时，可以写入要显示的数据；当RS为低电平、RW为高电平时，可以读出忙信号和地址计数器的值。当使能端E由高电平变为低电平时，液晶模块执行写操作（写入命令或要显示的数据、地址）；D0D7为双向数据线。4.6 控制执行部分硬件设计剩余电流保护器所实现的主要功能就是在剩余电流值超过当前档位的剩余电流动作值，并在相应的延时时间到达后触发继电器分闸来控制故障线路的切除。继电器控制部分作为动作的执行机构，其作用非常关键，它工作的的可靠性也决定了剩余电流保护器工作的可靠性。该部分的设计如图4-8所示。SSR1连接至PIC16F877的一个设置为输出的I/O口RC5，后面整个对继电器的控制，完全由对该I/O口的控制来实现，PC817是常用的线性光电隔离器件，输入回路与输出回路之间相隔离，能够承受5000V的暂态冲击电压，在输入回路电流为5mA，电流传输比CTR大于50，完全能够满足设计要求。PC817在本设计中用于将单片机控制部分与后面的继电器动作部分相隔离，提高系统的安全性。开关管N1采用的是三极管2N222A。正常情况下，SSR1输出低电平，经光电隔离后使C、E两点之间“断开”。此时，作为开关管使用的的三极管N1导通，继电器的输入回路接入12V、12V电源，所以继电器吸合。当剩余电流动作条件满足时，SSR0输出高电平，经光电隔离后使C、E两点之间“导通”。此时，作为开关管使用的的三极管N1截止，继电器的输入回路脱离12V、12V电源，故继电器分闸。图4-8 动作执行电路原理图Fig.4-8 Action to implement electric principle chart二极管D3主要是为了保护三极管N1等驱动元器件。当三极管N1由导通变成截止时，流经继电器线圈的电流将迅速减少，这时线圈会产生很高的自感电动势与电源叠加后加在三极管N1的c、e两极之间，会导致三极管N1被击穿。并联上二极管后，即可将线圈的自感电动势钳位于二极管的正向导通电压，硅管约0.7V，锗管约0.2V，从而避免击穿三极管等驱动元件。并联二极管时一定要注意极性不可接反，否则起不到任何保护作用。4.7 电源部分设计我们采用多绕组变压器，将220V的相电压变换为12V的交流电压信号，经过全桥整流后变换为直流后为后续电源转换电路供电。信号调理电路需要中的集成运算放大器需要5V和5V电源，LED数码管显示驱动器芯片需要5V电源，单片机需要5V电源，继电器控制部分需要12V和12V电源。由于继电器对于其电源的要求不高，出于节约成本的考虑，将12V的交流电压信号经整流桥进行全波整流之后通过电容进行平波，然后直接作为12V和12V的直流电源。采用线性稳压器件LM7805和LM7905设计的5V和-5V的电源电路如图4-9所示。图4-9 +5V电源设计LM7805和LM7905虽然片子本身功耗比开关电源功耗大，但是输出电压波形比开关电源输出电压纹波小，而且LM7805和LM7905均可以稳定输出1A电流。所以采用LM7805和LM7905的设计能够满足系统需求，并且在价格上也比较便宜。5 软件部分的设计5.1 软件设计总体思想对于一个实际应用系统来说，往往需要从硬件和软件两个方面进行设计。硬件部分是系统的躯干部分，但是系统功能的实现和可靠运行，还依赖于完整的软件设计，即软件设计是设计任务的关键，是系统的灵魂。在硬件基础上，通过软件的指挥，剩余电流保护器才能完成一系列的保护工作。在进行软件设计的时候，常用的设计方法有三种：模块化程序设计、自顶向下逐步求精程序设计、结构化程序设计。剩余电流保护器的主要任务是对剩余电流信号进行采集，并对采集出来的剩余电流信号进行处理。对于缓慢变化的剩余电流信号进行实时跟踪显示，并据此切换剩余电流的动作档位。对于突变的剩余电流信号与当前档位的剩余电流动作值进行比较，根据用户的延时要求，驱动控制继电器断开，达到剩余电流保护的目的，并在保护动作中实现反时限、自动重合闸及重合闸闭锁功能。整个单片机控制系统的功能复杂、信息量大、程序较长，所以选择切合实际的程序设计方法就显得相当重要。程序设计是把复杂问题的求解转换为计算机能执行的简单操作的过程。对大型程序设计而言，模块化是一种必然的趋势。模块化程序设计就是把一个大程序按一个人能理解的大小规模进行分解的一种方法。模块化指的是把一个程序按功能分解成若干彼此具有一定独立性同时也具有一定联系的组成部分，这些组成部分称为模块。在按功能划分模块时,根据所需完成的功能的明显差异，划分组成系统的各个模块。模块的内部联系应该紧密，而各模块之间的联系应尽量少，每个模块通过所提供的接口与外界联系，各模块可以单独设计调试，然后拼装成为一个整体以完成系统所需要的功能。模块化程序设计具有如下的优点：1) 模块间的接口关系简单，且每个模块的复杂度都是人的智力能控制的。这种程序的可读性及可理解性比较好。2) 各模块的功能单一，当需要修改某一功能时，只涉及一个模块，不会影响到全局。这种程序的可修改性及可维护性比较好。3) 人们可以单独地验证一个模块的正确性，即脱离程序的上下文关系验证该模块的正确性。所以程序的可验证性较好。因此，我们采用模块化的设计方法来完成软件部分的设计，并且在前面硬件部分的设计中采用的就是总体规划分块设计的方法，这实际上也是一种模块化的设计方法。5.2 主程序的设计1.本项目要实现的主要功能有：1）检测缓变漏电电流2）检测突变漏电电流3）漏电电流动作判断和控制4）动作原因、分合闸次数记忆，数据的显示本课题的控制软件由五部分组成，为上电初始化模块、中断服务模块、漏电信号分析模块、漏电动作输出模块、漏电电流显示模块。主程序流程如图5-1所示。图5-1 主程序流程图图5-2 主程序延时子程序流程图上电后的初始化模块上电初始化模块主要完成上电后的初始化工作。流程图如下所示:图5-3 初始化子程序流程图5.3 中断服务模块5.3.1 INT上升沿中断每个上升沿在INT端口产生中断，作为A/D转换起始的标志，开始对漏电电流进行采样，并作第一次转换。为保证周期的精确度，自动检测电网频率，并自动跟踪电网频率的变化，避免因电网频率改变而使漏电动作特性改变。上电开始后，我们首先用TMR1对电流的第一个周波计时，得到漏电电流的准确周期，用两个标志位Edg_Fisrt，Edg_Second控制实现。并在第二个周波期间内计算出供TMR2定时采样的时间间歇。INT上升沿和TMR2中断服务程序流程图如下所示:图5-4 INT上升沿中断流程图图5-5 上升沿中断服务1流程图图5-6 上升沿中断服务2流程图图5-7上升沿中断服务程序流程图5.3.2 TMR2定时器中断在每个电流周期即两个上升沿之间，我们采用40倍工频的频率定时对漏电电流进行采样和转换。即将电流周期等分为40份，由TMR2定时产生中断，在每个TMR2中断周期内进行一次采样并作相应的数据处理。采样间歇也就是TMR2的定时中断时间(RP2+l)计算公式如下： T=(T1_Count)x4x0.2us=(RP2+l)x16x0.2usx40 （5-1） RP2+l=T1_Count/160 （5-2）其中各参数为:T-电流周期值T1_Count-TMR1的计数值RP2-TMR2定时值4-TMR1预分频16-TMR2预分频0.2us-指令周期40-采样点数TMR2的中断程序流程图如下所示：图5-8 TMR2中断程序流程图5.4 漏电信号分析模块5.4.1 缓变电流计算模块在2.6章中，我们介绍了几种缓变漏电电流值的处理方法，并分析了他们的优缺点，在本次设计中，我们采用方均根法，尽管方均根法程序复杂，编程工作量大，对微控制器性能要求高，但它的测量误差小，所以我们选用了方均根法。数据的处理由2个模块完成，流程图如图5-9和5-10所示。图5-9 缓变电流数据计算模块1图5-10 缓变漏电电流数据计算模块2模块1的主要功能为在每次采样的间歇完成电流采样值平方和的累加即并记录下第19个、第20个采样点的电流值，作为40个采样点的最后两个样点即第39、第40个采样点的电流值。模块2实现的功能为在电流周期的最后两个采样周期内，加入最后两个采样点数据的平方，计算均值并开方，得到有效值，进入漏电动作控制输出模块。5.4.2 漏电突变电流计算模块由于突变电流的计算量较大，无法在采样的间歇一次性完成，因此我们将它分为几个小的计算模块，通过对一个计数寄存器Num_Break的控制，在下一个电流采样周期的间歇完成缓变电流的预处理后分步进行计算。在第2.7章中，介绍了漏电突变电流的计算方法，我们以A相电压作为相位参考基准，检测出漏电电流滞后相位，由此将漏电信号I复原为各相不平衡漏电电流，程序计算流程图如图5-11和5-12所示：图5-11 突变漏电电流计算模块1图5-12 突变漏电电流计算模块2图5-13 突变漏电电流计算模块3根据每周期的三相不平衡漏电电流，计算出相邻两周期内各相漏电电流的变化值：，求差值可将突变漏电电流换算为两相漏电电流的变化，判断突变漏电电流是否在误差范围内即与突变相的夹角是否小于20度，我们在程序中将这个条件等效为两个突变相电流的数值比较。若此突变电流符合条件，那么我们认定此漏电电流即为该突变相的突变漏电电流。由公式5.3计算出突变电流值，进入动作判断执行单元，处理程序的流程图如图5.13所示： （5-3）突变电流的相位为： （5-4）5.5 漏电动作记忆和显示模块普通的漏电保护器动作后，用户无法知道动作时的情况，不利于故障原因分析。甚至会错误地认为是产品质量问题。将漏电动作的原因记忆下，大大提高用户故障分析的效率。对于三相电网来说，还要显示出漏电动作时各相漏电电流。实现漏电电流数字显示，为用户提供了一个监视电网漏电情况的手段。如果用户发现线路的漏电明显增加，就可以在漏电保护器还没有动作时，检查线路故障并排除故障，从而大大方便了用户的使用。在三相电网中的漏电保护器，能够分别显示三相漏电电流。在三相电网中，只单纯地显示三相漏电矢量和，还不能完全满足用户的需要。分别显示出各相漏电电流，更便于用户故障分析，判断究竟是哪一相线路发生了漏电。漏电动作的原因包括：缓变电流动作、突变电流动作、电压异常、电流值超限、频率超限、电动分闸、人工分闸。动作原因与相应的十六进制数的对应关系如下表5-1所示。表5-1 动作原因及其十六进制代表数动作原因缓变电流动作突变电流动作电压异常电动分闸人工分闸频率超限电流值超限十六进制代表数01H02H03H04H05H06H07H6 结论和展望漏电保护器作为防止火灾和保护人体生命的电气设备，在电网中的地位越来越重要。在日常生活中，因电气设备使用不当或线路漏电造成的电气事故时有发生，低压配电系统线路的漏电、用电设备的漏电、过载及短路或者接地电流流过金属焊缝发热都可能导致火灾。漏电保护器作为一种低压保护电器，可以用于防止漏电火灾造成的经济损失及人身触电造成的伤亡，因此得到广泛应用。本次设计采用PIC16F877单片机作为整个智能漏电保护器的核心，PIC16F877单片机在8位单片机中脱颖而出，它采用精简指令集计算机RISC、哈佛双总线、指令流水线结构。其抗干扰能力强，性能价格比高，完全可以满足对漏电信号进行实时监测的要求，并可以根据用户要求进行延时和非延时的要求，对于其他外围电路，比如零序电流互感器的选择，信号处理电路，相位同步电路，漏电显示电路，动作执行电路，都进行优化设计，实时性更高，反应更加准确迅速，完全可以满足漏电保护的需要。作为整个保护的核心元件，PIC16F877市场供应充足，价格便宜，性能优良，是作为漏电保护器单片机的首选，其他外围电路的使用元件都十分便宜，市场供应充足，完全能够满足漏电保护器的生产需要，智能漏电保护器便宜的价格，良好的性能，必将在今后的电力网络中发挥越来越重要的作用。参考文献1 王丽，基于单片机的漏电保护器动作特性检测技术的研究.2 GB13955-2005,剩余电流动作保护装置安装和运行S3 徐平，漏电保护器的发展与设计.4 武一， 基于单片机的漏电保护智能化技术.36