基于單片機(jī)的智能漏電保護(hù)器

哈 爾 濱 理 工 大 學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題 目：基于單片機(jī)的智能漏電保護(hù)器 院、 系： 榮成學(xué)院 電氣工程系 姓 名： 指導(dǎo)教師： 系 主 任： 王哈力 2015年6月20日哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文基于單片機(jī)的智能漏電保護(hù)器摘 要近幾年隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對(duì)用電量的需求也越來越大，怎么安全用電成為大家關(guān)心的問題。當(dāng)前主流的保護(hù)原理是剩余電流動(dòng)作原理。但在有些情況下的漏電保護(hù)存在死區(qū)問題，因此不能有效的實(shí)施漏電保護(hù)，存在著極大的安全隱患。這些問題在國內(nèi)外尚未有效地解決，因此需要研究新的漏電保護(hù)原理，適應(yīng)不同情況下的保護(hù)要求。電子技術(shù)日新月異，單片機(jī)長(zhǎng)足的發(fā)展和應(yīng)用也帶動(dòng)了漏電保護(hù)器的進(jìn)步，將單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用到漏電保護(hù)器中會(huì)有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，借助單片機(jī)技術(shù)能夠提高漏電保護(hù)器的可靠性、靈敏性，實(shí)現(xiàn)多功能的保護(hù)。本論文以漏電保護(hù)技術(shù)為研究對(duì)象，先了解漏電保護(hù)器的基本結(jié)構(gòu)，然后分析不同類型保護(hù)器的漏電保護(hù)原理，采用單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行軟件和硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)漏電流的檢測(cè)，快速處理和顯示，設(shè)計(jì)出高可靠性、低價(jià)位的新型漏電保護(hù)器。關(guān)鍵詞 漏電保護(hù)器；單片機(jī)；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(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)21.3課題內(nèi)容31.4課題研究目的及意義4第2章 漏電保護(hù)器概述52.1漏電保護(hù)器52.1.1漏電保護(hù)器簡(jiǎn)介52.1.2漏電保護(hù)器的分類52.1.3漏電保護(hù)器工作原理62.2 智能漏電保護(hù)器72.2.1 智能漏電保護(hù)器的主要特點(diǎn)72.2.2 智能漏電保護(hù)器工作原理82.3本章小結(jié)8第3章 漏電保護(hù)器的硬件設(shè)計(jì)93.1硬件設(shè)計(jì)整體思路93.2零序電流互感器的選擇103.3單片機(jī)的選擇113.4硬件電路設(shè)計(jì)133.4.1 接口按鍵電路設(shè)計(jì)133.4.2 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)133.4.3 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)143.4.4 相位同步電路設(shè)計(jì)153.4.5 控制執(zhí)行電路設(shè)計(jì)153.5 液晶顯示模塊設(shè)計(jì)173.6 電源部分設(shè)計(jì)173.7 本章小結(jié)18第4章 漏電保護(hù)器的軟件設(shè)計(jì)194.1軟件設(shè)計(jì)整體思想194.2主程序設(shè)計(jì)194.3中斷服務(wù)模塊224.3.1 INT上升沿中斷224.3.2 TMR2定時(shí)器中斷224.4 漏電信號(hào)分析模塊244.4.1 漏電緩變電流計(jì)算模塊244.4.2 漏電突變電流計(jì)算模塊254.5 本章小結(jié)28結(jié)論29致謝30參考文獻(xiàn)31附錄3240 第1章 緒論1.1課題研究背景傳統(tǒng)的保護(hù)器保護(hù)功能是利用了某些物理效應(yīng)，通過機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)的，因而體積較大，效果也不夠理想。用電設(shè)備發(fā)生故障或供電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常時(shí)將會(huì)影響整個(gè)供電線路。為了避免這一情況，有必要在傳統(tǒng)保護(hù)器的基礎(chǔ)上研究更可靠的和具有更多功能的新型保護(hù)器。比方說，可以對(duì)短路進(jìn)行保護(hù)，電流過載時(shí)保護(hù)，漏電保護(hù)，電壓偏低或偏低時(shí)的保護(hù)等1。智能化、人性化、信息化和自動(dòng)化是現(xiàn)代供電系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，漏電保護(hù)器向著多用途化方向的發(fā)展也是必然的。智能保護(hù)器和傳統(tǒng)保護(hù)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(hù)器上運(yùn)用單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理、微處理單元等微處理器芯片，這種技術(shù)能讓保護(hù)器具有快速處理、識(shí)別故障，還能完成相關(guān)參數(shù)顯示和通信功能。未來的智能型保護(hù)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(yù)警并且可以測(cè)量數(shù)據(jù)參數(shù)，這樣的舉措提高了智能型漏電保護(hù)的保護(hù)精度，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)備、線路真正的精確保護(hù)。微電子技術(shù)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(chǔ)的多功能保護(hù)器也應(yīng)運(yùn)而生。此時(shí)的保護(hù)雖比機(jī)械保護(hù)進(jìn)步了不少，但還不能稱為智能化。對(duì)于快速發(fā)展的當(dāng)今社會(huì)來說，傳統(tǒng)的漏電保護(hù)器根本滿足不了電力系統(tǒng)自動(dòng)化的要求，人們希望單臺(tái)保護(hù)器就能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化和模塊化。對(duì)于電力供電線路中的多臺(tái)保護(hù)器，人們希望能夠具有集中監(jiān)測(cè)控制、聯(lián)網(wǎng)通信的特點(diǎn)，此時(shí)可以稱作是智能化。微處理器的快速進(jìn)步，給智能化保護(hù)器的進(jìn)步提供了前提。微處理器技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了電氣開關(guān)的進(jìn)步。當(dāng)電氣開關(guān)具有智能特點(diǎn)后，除了有傳統(tǒng)電器的功能特點(diǎn)外，還能夠隨時(shí)隨地顯示電路中的電流、電壓、功率、功率因數(shù)等參數(shù)。智能型保護(hù)器可以根據(jù)人們的需要隨時(shí)對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和修改。運(yùn)用微處理技術(shù)可以把動(dòng)作保護(hù)參數(shù)儲(chǔ)存在不易失性儲(chǔ)存單元中2。智能保護(hù)器除了具有各種保傳統(tǒng)保護(hù)器的功能外，還能實(shí)時(shí)顯示電流、電壓、功率因數(shù)等電路參數(shù)，當(dāng)然了這些參數(shù)可以根據(jù)用戶的需要對(duì)其設(shè)置和修改。前者與傳統(tǒng)的保護(hù)器相比，它的優(yōu)點(diǎn)是很明顯的，具體如下所示：1.可靠性好，靈敏度高 2.適應(yīng)性強(qiáng)，功能靈活多變3.性價(jià)比高，能很好地滿足現(xiàn)代復(fù)雜配電電網(wǎng)的要求。 1.2國內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)漏電保護(hù)器經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)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(xiàn)了漏電保護(hù)器的工作電壓，這是一歷史性變革，為以后的漏電保護(hù)器提供了基礎(chǔ)。在1960年以電流作為動(dòng)作參數(shù)的漏電保護(hù)器問世。電流型保護(hù)器和電壓型保護(hù)器相比，前者可靠性更高，電流型的保護(hù)器已成為當(dāng)今保護(hù)裝置的主流，后者已經(jīng)被社會(huì)摒棄。1964年日本研發(fā)出了以電壓作為動(dòng)作參數(shù)的漏電保護(hù)裝置，西德在1966年開發(fā)出了以磁效應(yīng)為參數(shù)的電流動(dòng)作漏電保護(hù)器，在1976年開始集成電路技術(shù)被應(yīng)用到漏電保護(hù)器中，開啟了漏電保護(hù)器的新篇章。美國在1967年開始就使用了以電流為參數(shù)的漏電保護(hù)器，并率先開始發(fā)展，但還需要大小為5mA的開始時(shí)漏電流。我們國家對(duì)電壓型漏電保護(hù)器的研究是從1966年起步的，我國第一臺(tái)電磁漏電保護(hù)器在1976年問世，于1985年左右開發(fā)出以集成電路為基礎(chǔ)的漏電保護(hù)器。雖然起步晚但發(fā)展迅速3。漏電保護(hù)器的使用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程對(duì)它的應(yīng)用和拓展有著重要的作用，為其發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。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(chǎng)合必須設(shè)置漏電保護(hù)器。日本的電氣設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和勞動(dòng)省的安全衛(wèi)生規(guī)則這兩個(gè)文件對(duì)工作電壓超過60V的電氣設(shè)備在潮濕場(chǎng)所提出了明確要求，在這種場(chǎng)所一定要安裝漏電保護(hù)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(hù)工作的實(shí)施條例，條例規(guī)定施工現(xiàn)場(chǎng)的電氣設(shè)備必須無條件安裝保護(hù)設(shè)施。GJJ641988施工現(xiàn)場(chǎng)安全用電技術(shù)法規(guī)于1988年在建設(shè)部的倡導(dǎo)下制定，在此文件中要求用電建筑機(jī)械必須設(shè)置漏電保護(hù)設(shè)施，還規(guī)定了二級(jí)漏電保護(hù)，就是說某些特殊場(chǎng)合在一級(jí)漏電保護(hù)設(shè)置后還必須增設(shè)二級(jí)漏電保護(hù)4。通過以上對(duì)智能保護(hù)器的了解，通過國內(nèi)外各低壓電器供應(yīng)商的產(chǎn)品現(xiàn)狀以及研究動(dòng)態(tài)來分析，低壓智能保護(hù)器的發(fā)展趨勢(shì)可概括為以下幾個(gè)方面：1.智能化及功能多樣化所謂智能化就是采用先進(jìn)的微處理器(MCU/DSP)或其他大規(guī)?？删幊虜?shù)字處理器件為控制核心，從而使低壓智能保護(hù)器實(shí)現(xiàn)微機(jī)保護(hù)的功能。與傳統(tǒng)的低電壓保護(hù)器相比，低壓智能漏電保護(hù)器能根據(jù)用戶需要整合多種功能，如運(yùn)行各種現(xiàn)場(chǎng)采樣和處理，實(shí)時(shí)顯示各種運(yùn)行參數(shù)的參數(shù)，電源設(shè)備和線路過載，短路，單相接地，電壓浮動(dòng)，漏電等保護(hù)功能。低壓智能保護(hù)也具有豐富的用戶界面，不僅可以通過數(shù)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(shí)間參數(shù)等，還可以通過鍵盤，手持編程器保護(hù)設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整。此外，它應(yīng)該有一個(gè)自我診斷測(cè)試，負(fù)載監(jiān)控功能，同時(shí)也有一定的保障電能質(zhì)量分析能力，一些高端低壓智能保護(hù)還提供無線通信。2.可通信化可通信化就是把計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)、通訊優(yōu)勢(shì)引進(jìn)到低壓保護(hù)器領(lǐng)域中來。智能低電壓保護(hù)器以及其他職能電器可以作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，采用現(xiàn)場(chǎng)分步技術(shù)，作為低壓配電SCADA系統(tǒng)的構(gòu)成，完善的網(wǎng)絡(luò)管理信息傳輸設(shè)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?xì)要求可在“四遙”一遙測(cè)，遙信，遙控，遙調(diào)來體現(xiàn)溝通，以實(shí)施改造計(jì)算機(jī)集群控制和配電系統(tǒng)自動(dòng)化項(xiàng)目。3.模塊化、通用性和小型化所謂模塊化的結(jié)構(gòu)就是將低壓智能保護(hù)器的控制部分、動(dòng)作部分、觸頭系統(tǒng)等各部分組成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立和能滿用戶不同要求的整體。模塊化設(shè)計(jì)不僅有助于降低復(fù)雜性和產(chǎn)品開發(fā)的成本，易于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，同時(shí)也便于擴(kuò)容和日常維護(hù)功能。低壓智能保護(hù)器各個(gè)部件也應(yīng)該具有通用性的特點(diǎn)，可滿足用戶不同廠家的要求來生產(chǎn)同類型的可互換零件，總資源達(dá)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(shí)現(xiàn)量大體積小的要求，為用戶節(jié)約經(jīng)濟(jì)5。1.3課題內(nèi)容隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量也提出了更高的要求，因此保護(hù)人身及財(cái)產(chǎn)的安全也越來越受重視。國家也在許多場(chǎng)合明確要求必須無條件的安裝剩余電流保護(hù)器，即漏電保護(hù)器，以保障人身財(cái)產(chǎn)安全。漏電保護(hù)器主要用來防止漏、觸電，提高漏電保護(hù)器的可靠性，可以有效地減少漏電火災(zāi)和人身觸電事故，因此人們非常重視剩余電流保護(hù)器技術(shù)及應(yīng)用的研究。本文研究的漏電保護(hù)器主要用在低壓電網(wǎng)中。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)在電器領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，使電器具有智能化功能。漏電保護(hù)器是低壓電器的一個(gè)重要系列產(chǎn)品，但由于漏電保護(hù)的特殊性，目前對(duì)漏電保護(hù)的智能化在理論上和技術(shù)上還需要人們進(jìn)行深入研究與探討。本課題在以下方面開展研究工作：1.對(duì)漏電保護(hù)檢測(cè)原理進(jìn)行分析；2.以PIC單片機(jī)為硬件基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出漏電保護(hù)器硬件模塊；3.通過對(duì)PIC16877芯片編程，實(shí)現(xiàn)軟件控制。1.4課題研究目的及意義隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，使電氣設(shè)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(dǎo)致的火災(zāi)事故在各類傷亡事故中占相當(dāng)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(shí)及用電設(shè)備保護(hù)裝置不完善。傳統(tǒng)的漏電保護(hù)器已不能滿足現(xiàn)代化的需求，因此研究新型漏電保護(hù)器勢(shì)在必行。智能型漏電保護(hù)器除了具備傳統(tǒng)漏電保護(hù)器的功能外還有如下優(yōu)勢(shì)：控制信號(hào)更加可靠，可以實(shí)時(shí)的檢測(cè)線路中各種參數(shù)，參數(shù)的整定和設(shè)置更加方便快捷。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)能迅速切斷電源并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，還可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)通信，讓其更加人性化。論文所研究的智能型漏電保護(hù)器，能有效地減少觸電傷亡和漏電引起的火災(zāi)事故，對(duì)以后漏電保護(hù)器智能化的發(fā)展具有一定的指導(dǎo)和現(xiàn)實(shí)意義。第2章 漏電保護(hù)器概述2.1漏電保護(hù)器2.1.1漏電保護(hù)器簡(jiǎn)介漏電保護(hù)器，簡(jiǎn)稱漏電開關(guān)，它的主要功能是當(dāng)設(shè)備發(fā)生漏電故障時(shí)以及人身觸電時(shí)進(jìn)行斷閘保護(hù)，當(dāng)線路或電器出現(xiàn)負(fù)荷的過載和短路時(shí)，也能起到保護(hù)作用，另外在一般場(chǎng)合中可以作為線路的轉(zhuǎn)換開關(guān)使用，在許多場(chǎng)合中有著廣泛的應(yīng)用。漏電保護(hù)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(diǎn)為動(dòng)作反應(yīng)性較高、性能相對(duì)穩(wěn)定6。2.1.2漏電保護(hù)器的分類漏電保護(hù)器經(jīng)過多年的開發(fā)，其技術(shù)越來越好，產(chǎn)品質(zhì)量越來越穩(wěn)定可靠，產(chǎn)品的種類已經(jīng)十分完善，范圍幾乎涉及到各種場(chǎng)合。以下將依據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)展開分類。1.根據(jù)運(yùn)行方式可分為：輔助電源的漏電保護(hù)器、非助電源的漏電保護(hù)器；2.根據(jù)安裝形式可分為：固定安裝漏電保護(hù)器和非固定安裝漏電保護(hù)器；3.根據(jù)極數(shù)可分為：?jiǎn)螛O兩線、兩極、兩極三線、三級(jí)、三極四線、四極漏電保護(hù)器(其中單極兩線、二極三線和三級(jí)四線漏電保護(hù)器均有一根直接穿過檢測(cè)元件而不能斷開的中性線)；4.根據(jù)保護(hù)的種類可分為：?jiǎn)我挥猛韭╇姳Ｗo(hù)器和多用途漏電保護(hù)器；5.根據(jù)接線方式分為：接入式的漏電保護(hù)器、非接入式漏電保護(hù)器；6.根據(jù)結(jié)構(gòu)分為：組合漏電保護(hù)器和機(jī)械開關(guān)漏電保護(hù)器。7.根據(jù)額定剩余動(dòng)作電流可調(diào)性分為：額定剩余動(dòng)作電流不可調(diào)的漏電保護(hù)器、額定剩余動(dòng)作電流可調(diào)的漏電保護(hù)器；8.根據(jù)故障信號(hào)，可以將漏電保護(hù)器分為電壓動(dòng)作型和電流動(dòng)作型漏電保護(hù)器7。2.1.3漏電保護(hù)器工作原理 本文以分立電子式漏電保護(hù)器為研究對(duì)象，運(yùn)用零序電流互感器對(duì)線路中的漏電交流電流進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)電氣設(shè)備發(fā)生漏電時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩種異常現(xiàn)象，一是，三相電流的平衡遭到破壞，出現(xiàn)零序電流；二是，正常時(shí)不帶電的金屬外殼出現(xiàn)對(duì)地電壓。零序電流互感器的作用是將檢測(cè)到的異常信號(hào)，經(jīng)中間機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換傳遞，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，通過開關(guān)裝置斷開電源。漏電保護(hù)器工作原理將漏電保護(hù)器安裝在線路中，一次線圈與電網(wǎng)的線路相連接，二次線圈與漏電保護(hù)器中的脫扣器連接。當(dāng)用電設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，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(huì)感應(yīng)二次線圈，漏電保護(hù)器的開關(guān)裝置處于閉合狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備外殼發(fā)生漏電并有人觸及時(shí)，致使互感器流入、流出的電流出現(xiàn)了不平衡，一次線圈產(chǎn)生剩余電流，此時(shí)便會(huì)感應(yīng)二次線圈，當(dāng)這個(gè)電流值達(dá)到該漏電保護(hù)器限定的動(dòng)作電流值時(shí)，自動(dòng)開關(guān)脫扣，切斷電源。其具體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，其中 TAN 代表零序電流互感器，YA 表示電動(dòng)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(dòng)機(jī)。圖2-1分立電子式漏電保護(hù)器結(jié)構(gòu)圖當(dāng)電流不發(fā)生人身觸電或其他漏電事故時(shí)，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(cè)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(chǎn)生的磁通量和也為零，公式為 F+ = (1-2)因此，這時(shí)零序電流互感器的二次線圈沒有感應(yīng)電壓輸出，漏電斷路器不動(dòng)作，對(duì)被保護(hù)電路保持正常供電。當(dāng)被保護(hù)電流有人觸電或出現(xiàn)其他接地捅電故障時(shí)，由于漏電電流的存在，使得通過電流互感器一次側(cè)的各相負(fù)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(hù)電路中，如果被保護(hù)的電路中電流相量和不為零，那么磁通就會(huì)在其鐵心中產(chǎn)生，公式如下 (1-4)此時(shí)漏電脫扣器會(huì)收到其二次繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)，當(dāng)這信號(hào)達(dá)到一定值時(shí)，電子控制的漏電脫扣器動(dòng)將會(huì)發(fā)出相應(yīng)操作，此操作會(huì)使漏電保護(hù)器主開關(guān)斷開，從而在極短的時(shí)間內(nèi)主動(dòng)切開電源，避免事故的發(fā)生8。2.2 智能漏電保護(hù)器2.2.1 智能漏電保護(hù)器的主要特點(diǎn)當(dāng)線路發(fā)生漏電情況以及人身觸電時(shí)，漏電保護(hù)器能夠斷閘保護(hù)，當(dāng)發(fā)生短路和電流過載時(shí)也可以派上用場(chǎng)，另外在一般情況下亦可以當(dāng)做線路的轉(zhuǎn)換開關(guān)使用，其在許多場(chǎng)合中有著廣泛應(yīng)用。漏電保護(hù)器主要由放大器、零序電流互感器和漏電動(dòng)作脫扣器等部分組成，其可靠性良好，性能相對(duì)穩(wěn)定。智能型漏電保護(hù)器除了具備傳統(tǒng)保護(hù)器的各種用途外，而且還可以顯現(xiàn)各種電路指標(biāo)，例如電流，電壓，功率，功率因數(shù)，這些指標(biāo)根據(jù)需要可以隨時(shí)顯現(xiàn)，設(shè)置和修改。前者較后者來說，它擁有許多領(lǐng)先的地方：1.可靠性高，靈敏度好2.用途靈活多變，適應(yīng)性高3.性價(jià)比高，更適合現(xiàn)代復(fù)雜配電電網(wǎng)的要求。2.2.2 智能漏電保護(hù)器工作原理智能漏電保護(hù)器的工作原理為將零序電流互感器測(cè)到的信號(hào)送到運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，再由帶A/D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)對(duì)漏電電流信號(hào)進(jìn)行高速采樣和數(shù)字轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)結(jié)果與規(guī)定的額定動(dòng)作值進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)際電流值達(dá)到額定動(dòng)作值時(shí)，根據(jù)用戶的延時(shí)要求，驅(qū)動(dòng)斷路器斷開，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)重合閘和漏電電流跟蹤和記憶功能9。漏電保護(hù)器主要由檢測(cè)單元、中間環(huán)節(jié)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三個(gè)部分組成。檢測(cè)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(gòu)成，一次繞組有被保護(hù)電路的相、線電流流過，其作用是將采集到的漏電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成中間環(huán)節(jié)可以接受的電壓或功率信號(hào)。中間環(huán)節(jié)采用運(yùn)算放大器和單片機(jī)控制系統(tǒng)，對(duì)漏電信號(hào)進(jìn)行處理(變換、放大和比較)和動(dòng)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(hù)器或交流接觸器的器件組成。根據(jù)中間環(huán)節(jié)發(fā)出的指令，來切斷保護(hù)電路的電源。圖2-2表示智能型漏電保護(hù)器的動(dòng)作原理：圖2-2智能型漏電保護(hù)器的原理展示圖2.3本章小結(jié)當(dāng)線路發(fā)生漏電情況以及人身觸電時(shí)，漏電保護(hù)器能夠斷閘保護(hù)，當(dāng)發(fā)生短路和電流過載時(shí)也可以派上用場(chǎng)，另外在一般情況下亦可以當(dāng)做線路的轉(zhuǎn)換開關(guān)使用，其在許多場(chǎng)合中有著廣泛應(yīng)用。漏電保護(hù)器主要由放大器、零序電流互感器和漏電動(dòng)作脫扣器等部分組成，其可靠性良好，性能相對(duì)穩(wěn)定。智能型漏電保護(hù)器除了具備傳統(tǒng)保護(hù)裝置的各種用途外，而且還可以顯示各種電路指標(biāo)，各種指標(biāo)也可以顯示，設(shè)置和修改。具有穩(wěn)定性高，功能靈活，自適應(yīng)強(qiáng)，性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。第3章 漏電保護(hù)器的硬件設(shè)計(jì)3.1硬件設(shè)計(jì)整體思路 圖3-1智能漏電保護(hù)器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖智能型漏電保護(hù)器的硬件主要由漏電檢測(cè)電路、相位同步電路、漏電動(dòng)作電流和延時(shí)設(shè)定電路、液晶顯示電路、單片機(jī)控制單元和動(dòng)作執(zhí)行單元等部分組成。漏電檢測(cè)電路由零序電流互感器和信號(hào)處理單元組成,這部分電路將檢測(cè)出漏電信號(hào)送到單片機(jī)的A/D輸入通道，轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)。相位同步電路負(fù)責(zé)將電網(wǎng)的電壓信號(hào)與漏電信號(hào)的相位進(jìn)行比較,單片機(jī)根據(jù)它們的相位差來判斷各相漏電電流。漏電動(dòng)作電流和時(shí)間設(shè)定電路是來設(shè)定額定漏電動(dòng)作電流及動(dòng)作時(shí)間,根據(jù)需要也可以設(shè)定為單片機(jī)自動(dòng)選擇額定漏電動(dòng)作電流。漏電數(shù)字顯示單元主要呈現(xiàn)發(fā)生故障時(shí)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(jī)控制。動(dòng)作執(zhí)行單元直接由單片機(jī)控制，完成漏電保護(hù)功能。本文采用PIC16F877系列單片機(jī)，在智能型漏電保護(hù)器中起著“大腦”的作用。智能化漏電保護(hù)器是在PIC16F877單片機(jī)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(hào)分析模塊、漏電電流顯示模塊、漏電動(dòng)作輸出模塊。上電初始化模塊主要完成上電后的初始化,對(duì)PIC16F877的端口進(jìn)行初始化,還包括根據(jù)外部設(shè)置狀態(tài)確定額定漏電動(dòng)作電流和動(dòng)作時(shí)間。漏電信號(hào)分析模塊主要通過A/D轉(zhuǎn)換后,將漏電模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),對(duì)于三相電網(wǎng)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(dòng)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(dòng)作輸出模塊主要是將漏電電流與漏電動(dòng)作值進(jìn)行比較，當(dāng)漏電電流大于設(shè)定值時(shí),單片機(jī)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)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(gè)系統(tǒng)的最原始信號(hào)，它直接決定了系統(tǒng)的精確與否，是一個(gè)很關(guān)鍵的參數(shù)。不同類型的零序電流互感器的零序電流范圍以及指標(biāo)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(shí)有較大的變化和相位差別，滿足不了微處理器檢測(cè)裝置的要求，LWJZ-3型的零序電流互感器的精準(zhǔn)度比較高，即使原方零序電流在0.200.50A時(shí)，也能保證所需要的精度，電流超過2.5A時(shí)更為精準(zhǔn)，變比誤差小于1%，角誤差在1度以下。輸出信號(hào)還要通過平波電抗器進(jìn)一步操作。3.3單片機(jī)的選擇PIC系列單片機(jī)由美國Micrchip科技公司生產(chǎn)的，公司主要從事和生產(chǎn)各類型，功能的單片機(jī)，性價(jià)比高，在單片機(jī)領(lǐng)域影響巨大。PIC采用了RISC結(jié)構(gòu)的嵌入式微處理器，PIC系列的單片機(jī)的指令更為精簡(jiǎn)，硬件可靠性高，制作獨(dú)特。相對(duì)于初學(xué)者來說它是最方便入門學(xué)習(xí)的，同時(shí)它也是使用最廣泛的單片機(jī)品種之一11。PIC16F877單片機(jī)內(nèi)部資源很多，在工業(yè)生產(chǎn)制造方面應(yīng)用很廣。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.數(shù)據(jù)總線和地址總線采用分離的哈佛總線結(jié)構(gòu)。2.指令集短小精悍，僅僅有35條，絕大數(shù)為單周期指令，執(zhí)行速度快。3.低功耗，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。PIC采取全靜態(tài)CMOOS設(shè)計(jì)，功損很小很小。片內(nèi)有上電復(fù)位電路、跟蹤顯示電路、RC振蕩器電路選擇等，不必再增設(shè)外圍電路，節(jié)約經(jīng)濟(jì)，損耗小。4.代碼壓縮率高。1K字節(jié)的存儲(chǔ)器空間， PIC系列的單片機(jī)能夠存放的指令數(shù)可達(dá)1024條，而MCS-51這樣的單片機(jī)，大約只能存放600條指令。可見比51單片機(jī)優(yōu)越的多。5.驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。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(qū)動(dòng)。6.尋址方式簡(jiǎn)單。PIC系列單片機(jī)采用相對(duì)獨(dú)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(fù)位電路、I/O引角上拉電路、看門狗定時(shí)器等上面都有集成。8.開發(fā)方便。對(duì)于PIC系列中的任一款單片機(jī)的來說，任何一套免費(fèi)軟件綜合開發(fā)環(huán)境，都能實(shí)現(xiàn)程序編寫和模擬仿真。9.程序可移植性強(qiáng)。PIC 單片機(jī)不搞簡(jiǎn)單的功能堆積。眾多型號(hào)的單片機(jī)其運(yùn)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(shè)計(jì)工程師就可以在最初定方案時(shí)挑選一款功能最恰當(dāng)?shù)男酒?，隨著開發(fā)的深入，能夠隨時(shí)方便的將整個(gè)設(shè)計(jì)移植到其他型號(hào)的單片機(jī)上，保證最終產(chǎn)品中使用的單片機(jī)不會(huì)有太多的資源浪費(fèi)，提高了產(chǎn)品的性價(jià)比。通過以上的羅列，PIC系列單片機(jī)有很多獨(dú)具的優(yōu)勢(shì)，因此本論文用這一系列的單片機(jī)作為微控制單元，具體型號(hào)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(hào)類型引腳功能OSC113I時(shí)鐘振蕩器輸入端，也是晶體連接端OSC214O時(shí)鐘振蕩器輸入端，也是晶體連接端MCLR1I/P 人工復(fù)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(gè)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(gè)輸入/輸出可編程的雙向端口，做輸入時(shí)內(nèi)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(gè)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(gè)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(gè)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(shè)計(jì)3.4.1 接口按鍵電路設(shè)計(jì)按鍵部分包括設(shè)置、數(shù)字加、數(shù)字減、確定四個(gè)功能鍵，用于設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)，及試驗(yàn)開始按鍵。按鍵的硬件電路結(jié)構(gòu)組成圖如圖3-4所示。當(dāng)某個(gè)按鍵為低電平時(shí)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作(低電平代表鍵按下)。圖3-4按鍵電路原理圖3.4.2 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)復(fù)位是使單片機(jī)初始化，然后從程序存儲(chǔ)器的復(fù)位單元 0000H 開始執(zhí)行指令。PIC16F877 單片機(jī)的實(shí)現(xiàn)復(fù)位或引起復(fù)位的條件和原因可以歸納為以下4類： 1.手動(dòng)復(fù)位。單片機(jī)無論是在正常運(yùn)行程序，還是處在睡眠狀態(tài)或者出現(xiàn)死機(jī)狀態(tài)，只要在人工復(fù)位端加入低電平信號(hào)，就會(huì)令其無條件復(fù)位。 2.上電復(fù)位。每次單片機(jī)上電時(shí)，上電復(fù)位電路都要對(duì)電源電壓VDD的上升過程進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)VDD上升到規(guī)定值 1.61.8V時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)有效的復(fù)位信號(hào)，經(jīng)過 72ms+1024 個(gè)時(shí)鐘周期Tm的延時(shí)周期，使單片機(jī)復(fù)位。 3.看門狗復(fù)位。因程序不能正常運(yùn)行等原因，或在程序執(zhí)行過程中沒有對(duì)看門狗定時(shí)器 WDT 進(jìn)行及時(shí)清 0，WDT 就會(huì)出現(xiàn)超時(shí)溢出，這時(shí)就會(huì)引發(fā)單片機(jī)復(fù)位。 4.欠壓復(fù)位。由于系統(tǒng)原因或其他故障，會(huì)造成電源電壓跌落。當(dāng)電壓低于 4V 后，將引起單片機(jī)復(fù)位并一直保持在復(fù)位狀態(tài)，直到電源恢復(fù)正常。低電位時(shí)按下按鍵有效，單片機(jī)手動(dòng)復(fù)位。圖3-5 PIC16F877復(fù)位電路原理圖3.4.3 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)交流試驗(yàn)電流的檢測(cè)原理，是使用電流互感器對(duì)試驗(yàn)電流進(jìn)行采樣，再將電流互感器的二次側(cè)輸出信號(hào)經(jīng)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(hào)(05V)，最后送入PIC16F877 單片機(jī)。 在檢測(cè)電流的大小時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)電流的周期(工頻)按照每個(gè)周期 40 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行采樣，采樣一個(gè)周期后，根據(jù)電流互感器的衰減倍數(shù)以及提升電壓的數(shù)值，通過軟件算法計(jì)算出實(shí)際的電流有效值。本文的檢測(cè)電路具體原理如下圖3-6所示：圖3-6 PIC16F877檢測(cè)電路原理圖3.4.4 相位同步電路設(shè)計(jì)智能化主要是為了更好服務(wù)人類，在三相電路中當(dāng)故障發(fā)生時(shí)能判斷出漏電流是哪一相發(fā)出的。智能漏電保護(hù)器可以完成這一工作，它可以顯示三相漏電電流，可以簡(jiǎn)單的顯示出三相漏電的矢量和，更具人性化。在三相電網(wǎng)中的漏電保護(hù)器能夠分別顯示三相漏電電流。在三相電網(wǎng)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(hào)分析模塊中在對(duì)漏電信號(hào)進(jìn)行處理時(shí),需要將漏電信號(hào)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(zhǔn)，檢測(cè)出漏電電流為I,其滯后相位為,由此將漏電信號(hào)復(fù)原為各相不平衡漏電電流。本電路可以檢測(cè)電力網(wǎng)的電壓和電流之間0-180度的相位差，而且不需要切斷被測(cè)電路。比較器LM339做過零檢測(cè)器，其靈敏度為10mv。RP和C一起作為鉗形頭的負(fù)載并取得與i(t)成比例的電壓，經(jīng)低通濾波和A/D轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)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(jī)來實(shí)現(xiàn)，通過對(duì)漏電流的檢測(cè)、分析后作出相應(yīng)的動(dòng)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(dòng)分合閘組成，自動(dòng)分合閘由單片機(jī)控制完成。以下主要講控制模塊。漏電保護(hù)器控制部分很重要，它的可靠性直接影響漏電保護(hù)器的可靠性。圖3-8表示的是漏電保護(hù)器的動(dòng)作執(zhí)行電路。RC5是PIC16F877一個(gè)設(shè)置為輸出的I/O端口，后面整個(gè)對(duì)繼電器的控制，完全由對(duì)該I/O口的控制來實(shí)現(xiàn)。JP1代表保護(hù)器控制信號(hào)輸入端。保護(hù)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(dá)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(shè)計(jì)要求。PC817在本設(shè)計(jì)中用于將單片機(jī)控制部分與后面的繼電器動(dòng)作部分相隔離，提高系統(tǒng)的安全性。開關(guān)管N1采用的是三極管2N222A。正常情況下，RC5端輸出低電平，經(jīng)光電隔離后使C、E兩點(diǎn)之間“斷開”。此時(shí)，作為開關(guān)管使用的的三極管N1導(dǎo)通，繼電器的輸入回路接入12V、12V電源，所以繼電器吸合。當(dāng)漏電電流動(dòng)作條件滿足時(shí)，RC5處輸出高電平，經(jīng)光電隔離后使C、E兩點(diǎn)之間“導(dǎo)通”。此時(shí)，作為開關(guān)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(dòng)作執(zhí)行電路原理圖二極管D3(單向?qū)ㄐ?是為了防止N1等驅(qū)動(dòng)元器件被擊穿損壞而設(shè)置，起到保護(hù)的作用。當(dāng)晶體管N1從導(dǎo)通變成截止的瞬間，根據(jù)法拉第電磁定律可知，通過保護(hù)器線圈的電流會(huì)瞬時(shí)下降，此時(shí)的線圈將產(chǎn)生極高的自感電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)自感電動(dòng)勢(shì)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(huì)導(dǎo)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?qū)妷海誓芊乐筃1管等驅(qū)動(dòng)元件被損壞。接入D3時(shí)極性務(wù)必接正，不能接倒，要不然起不到任何保護(hù)效果。3.5 液晶顯示模塊設(shè)計(jì)液晶顯示屏，由于具有顯示信息豐富、功耗低、體積小、壽命長(zhǎng)、不產(chǎn)生電磁輻射污染等優(yōu)點(diǎn)而成為單片機(jī)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(shù)據(jù)，以及配合按鍵進(jìn)行控制參數(shù)的設(shè)置。本設(shè)計(jì)中采用 HITACHI 公司生產(chǎn)的 LM020L 液晶屏，可顯示一行 16 個(gè)字符，并內(nèi)置 HD44780 主控制驅(qū)動(dòng)電路。液晶屏與 PIC16F877 單片機(jī)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(dāng)RS和RW都為低電平時(shí)可以寫入指令或顯示的地址；當(dāng)RS為高電平、RW為低電平時(shí)，可以寫入要顯示的數(shù)據(jù)；當(dāng)RS為低電平、RW為高電平時(shí)，可以讀出忙信號(hào)和地址計(jì)數(shù)器的值。當(dāng)使能端E由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，液晶模塊執(zhí)行寫操作，D0D7 為雙向數(shù)據(jù)線。3.6 電源部分設(shè)計(jì)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(hào)，經(jīng)過全橋整流后變換為直流后為后續(xù)電源轉(zhuǎn)換電路供電。信號(hào)調(diào)理電路需要中的集成運(yùn)算放大器需要5V和5V電源，LED數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)器芯片需要5V電源，單片機(jī)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(duì)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(hào)經(jīng)整流橋進(jìn)行全波整流之后通過電容進(jìn)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(shè)計(jì)的5V和-5V的電源電路如圖3-10所示。圖3-10 5V電源電路設(shè)計(jì)3.7 本章小結(jié)本章主要介概述了智能漏電保護(hù)器硬件構(gòu)成以及用到的電路。智能化漏電保護(hù)器的硬件一般由漏電檢測(cè)電路、相位同步電路、單片機(jī)控制單元、漏電數(shù)字顯示模塊、動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成。對(duì)PIC單片機(jī)作了簡(jiǎn)單的介紹和分析，對(duì)各個(gè)應(yīng)用到的電路的原理進(jìn)行了必要的分析。硬件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的“軀干”，是漏電保護(hù)系統(tǒng)的根基，因此對(duì)硬件的設(shè)計(jì)是很關(guān)鍵的。第4章 漏電保護(hù)器的軟件設(shè)計(jì)4.1軟件設(shè)計(jì)整體思想硬件和軟件是一個(gè)實(shí)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(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)和可靠運(yùn)行的最基本的條件，在硬件構(gòu)思實(shí)現(xiàn)后，再由軟件引導(dǎo)和控制，漏電保護(hù)器才能達(dá)到保護(hù)的目標(biāo)。軟件一般由上電初始化、中斷程序、漏電信號(hào)處理、漏電電流顯示等部分組成。對(duì)于軟件的編程，一般常用的程序設(shè)計(jì)方法有三種：模塊化設(shè)計(jì)、自上而下逐步求精設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。對(duì)漏電信號(hào)進(jìn)行采集和處理是保護(hù)器智能模塊的主要功能。對(duì)于變化不快的的漏電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤顯示，來切換漏電流的動(dòng)作檔位。面對(duì)突然變化的漏電信號(hào)來說，其要與此時(shí)的漏電電流動(dòng)作值進(jìn)行對(duì)比，依據(jù)用戶延時(shí)要求，使控制器下斷開，實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)的目的，還能保護(hù)過程中實(shí)現(xiàn)反時(shí)限、自動(dòng)重合閘及自鎖功能。因控制系統(tǒng)是很復(fù)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(shè)計(jì)可以把復(fù)雜的問題轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單的問題，然后再用計(jì)算機(jī)執(zhí)行。模塊化構(gòu)思已成為大型程序設(shè)計(jì)的一種必然發(fā)展方向，模塊化程序設(shè)計(jì)就是把一個(gè)大程序拆分成可以處理的模塊程序的一種先進(jìn)理念。模塊是指某個(gè)程序按作用被分成多個(gè)彼此之間既不相互影響又有一定關(guān)聯(lián)的單體。模塊內(nèi)部的關(guān)聯(lián)和模塊之間的關(guān)聯(lián)不相同，前者關(guān)聯(lián)密切，后者相反。各個(gè)模塊都有與外部聯(lián)系的端口，各個(gè)模塊可被單獨(dú)處理和調(diào)試，最終組裝成一個(gè)完整的系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)需要的用途。由于該方案的核心理念就是把復(fù)雜的問題簡(jiǎn)單化，把一個(gè)集體分解為互不影響的個(gè)體，每個(gè)個(gè)體都能獨(dú)自編輯、操作和處理，進(jìn)而整合到一起調(diào)試，最后實(shí)現(xiàn)一個(gè)能完成某些用途，具備實(shí)用意義的程序的目標(biāo)。當(dāng)然在硬件處理上也有類似的體現(xiàn)，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(shè)計(jì)13。4.2主程序設(shè)計(jì)本部分要完成的主要目標(biāo)有：1.檢測(cè)緩變漏電電流2.檢測(cè)突變漏電電流3.漏電電流動(dòng)作分析和處理4.動(dòng)作原因、記錄分合閘次數(shù)，數(shù)據(jù)的顯示本論文的控制軟件部分由為上電初始化、中斷服務(wù)、漏電信號(hào)處理、漏電動(dòng)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(shí)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(shí)現(xiàn)。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(wù)模塊4.3.1 INT上升沿中斷每個(gè)上升脈沖在INT接口發(fā)生終止，當(dāng)作數(shù)模轉(zhuǎn)換開始和結(jié)束的信息，把首次采集的漏電電流作為首次變換。當(dāng)電頻f改變時(shí)會(huì)讓漏電動(dòng)作特性變化，這種情況可通過采用自主檢測(cè)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(zhǔn)度。上電進(jìn)行后，我們優(yōu)先用TMR1對(duì)電流的首個(gè)周波記錄時(shí)間，用Fisrt，Second兩個(gè)標(biāo)志位控制完成漏電電流的周期T，同時(shí)在第二個(gè)周波內(nèi)核算出供TMR2定時(shí)器定時(shí)采樣的時(shí)間間隔14。INT上升脈沖和TMR2中斷服務(wù)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(shí)器中斷在每?jī)蓚€(gè)上升沿來臨時(shí)，我們使用40倍工業(yè)頻率定點(diǎn)對(duì)漏電流采集和變換，電流周期被相等地劃分為40份時(shí)，TMR2定時(shí)器中斷，在一個(gè)中斷T內(nèi)每個(gè)TMR2采樣一次，同時(shí)作相關(guān)的數(shù)據(jù)操作。該采集間隔定時(shí)器TMR2中斷時(shí)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(gè)參數(shù)如下：T：電流周期值 40：采樣點(diǎn)數(shù)T1_Count-TMR1的計(jì)數(shù)值RP2-TMR2定時(shí)值 0.2us-指令周期4-TMR1預(yù)分頻 16-TMR2預(yù)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(hào)分析模塊4.4.1 漏電緩變電流計(jì)算模塊以上討論了幾種處理緩變漏電電流方法優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，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(qiáng)度大，但最主要的是它的測(cè)量結(jié)果誤差小，可以提高精度與準(zhǔn)確性，所以我們用均方根方法。數(shù)據(jù)結(jié)果的論證解決由兩個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)，程序框圖如圖4-5和4-6所示。圖4-5 緩變電流數(shù)據(jù)計(jì)算模塊一圖4-6 緩變漏電電流數(shù)據(jù)計(jì)算模塊二模塊一的任務(wù)為在每次采集的間隔完成電流采樣值平方和的累加，用計(jì)算公式同時(shí)記下第19個(gè)、第20個(gè)采樣處的數(shù)值，把上述記錄下的電流值作為40個(gè)采樣點(diǎn)的最后兩個(gè)樣點(diǎn)，也就是第39、第40個(gè)采樣點(diǎn)的電流值。模塊二主要的作用是在電流周期T的最后2個(gè)采集周期內(nèi)，人工添加最后2個(gè)采樣處數(shù)據(jù)的平方，核算出平方和取平均，然后再開方計(jì)算出有效值，進(jìn)入漏電動(dòng)作控制輸出模塊15。4.4.2 漏電突變電流計(jì)算模塊我們利用A相電壓作為相位參考基準(zhǔn)，檢測(cè)出漏電電流為I,其滯后相位為,由此將漏電信號(hào)復(fù)原為各相不平衡漏電電流。本電路可以檢測(cè)電力網(wǎng)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(dòng)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(jì)算突然變化的電流工作量比較大，一時(shí)半會(huì)完成不了，基于此可以將它分割成幾個(gè)小的計(jì)算模塊來實(shí)現(xiàn)，通過對(duì)一個(gè)計(jì)數(shù)存儲(chǔ)器的控制，在下一個(gè)采集周期T的間隔完成緩變電流的預(yù)處理，通過相關(guān)的執(zhí)行操作，再進(jìn)行分部計(jì)算。本文在這里采取A相電壓作為相位參考標(biāo)準(zhǔn)，把漏電電流滯后相位檢測(cè)出來，確定此電流的相位基本信息，進(jìn)而將漏電信號(hào)I復(fù)原為各相不平衡漏電電流，通過求得此電流來進(jìn)一步執(zhí)行相關(guān)的后續(xù)操作，具體的程序計(jì)算框圖如圖4-7和4-8表示：圖4-7 突變漏電電流計(jì)算模塊一圖4-8 突變漏電電流計(jì)算模塊二圖4-9突變漏電電流計(jì)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(gè)T內(nèi)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(nèi)，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(jù)式子4-1求算，然后進(jìn)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(jì)算公式如下 (4-1)突變電流的相位為： (4-2)4.5 本章小結(jié)軟件一般由上電初始化、中斷服務(wù)、漏電信號(hào)處理、漏電電流顯示等部分組成。對(duì)于軟件的編程，一般常用的程序設(shè)計(jì)方法有三種：模塊化設(shè)計(jì)、自上而下逐步求精設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。對(duì)漏電信號(hào)進(jìn)行采集、處理是保護(hù)器智能部分的主要功能。對(duì)于變化不快的的漏電信號(hào)，可以實(shí)時(shí)跟蹤顯示，從而根據(jù)情況切換漏電電流的動(dòng)作范圍。對(duì)突然變化的漏電信號(hào)來說，其要與用戶的預(yù)先整定的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，依據(jù)用戶預(yù)先設(shè)定的延時(shí)期望，保護(hù)器在控制器的作用下斷開，從而實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)的目的，還能保護(hù)過程中實(shí)現(xiàn)反時(shí)限、自動(dòng)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(dāng)關(guān)鍵。結(jié)論漏電保護(hù)器能有效的避免因漏電，觸電引發(fā)的安全事故，在現(xiàn)代生活中有著重要的作用。但傳統(tǒng)的漏電保護(hù)器在某些情形下的保護(hù)存在死區(qū)問題，故不能很好的完成漏電保護(hù)，存在著很大的安全隱患。本文主要探討了以單片機(jī)為控制核心的智能漏電保護(hù)器，對(duì)硬件和軟件展開了分析和構(gòu)想?，F(xiàn)對(duì)本論文的主要工作情況進(jìn)行總結(jié)：1.對(duì)漏電保護(hù)器的國內(nèi)外發(fā)展概況展開了論述，對(duì)智能漏電保護(hù)器的保護(hù)原理展開了分析和論證。2.分析了漏電信號(hào)的檢測(cè)原理和單片機(jī)智能保護(hù)技術(shù)將檢測(cè)到的漏電電流信號(hào)先進(jìn)行放大處理，然后通過單片機(jī)的數(shù)模變換功能對(duì)漏電信號(hào)進(jìn)行采集和數(shù)字變換操作，把得到的數(shù)據(jù)結(jié)果與預(yù)先設(shè)定的執(zhí)行參數(shù)實(shí)行比對(duì)，如果前者數(shù)值超過后者設(shè)定的數(shù)值時(shí)，驅(qū)動(dòng)保護(hù)器執(zhí)行分?jǐn)嗝睿瑥亩鴮?shí)現(xiàn)漏電保護(hù)的目標(biāo)。3.研究了漏電保護(hù)的數(shù)字整合技術(shù)把檢索到的漏電流處理后送到單片機(jī)的數(shù)模輸入端，實(shí)施數(shù)字操作。計(jì)算出交流情形下的有效值，通