畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于MSP430的漏電觸電保護(hù)軟件計(jì)

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文論文) 題目題目：基于基于 msp430 的漏電觸電保護(hù)軟件計(jì)的漏電觸電保護(hù)軟件計(jì) 系系 別：別： 專(zhuān)專(zhuān) 業(yè)：業(yè)： 班班 級(jí)：級(jí)： 學(xué)學(xué) 生：生： 學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 2011 年 06 月 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) 系（部）電子信息系 專(zhuān)業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化 班姓名 學(xué)號(hào) 1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目 基于 msp430 的漏電觸電保護(hù)軟件設(shè)計(jì) 2.題目背景和意義：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，用電量迅速增長(zhǎng)，安全用電這一 問(wèn)題顯得更為重要。低壓電網(wǎng)的漏電保護(hù)已經(jīng)引起我國(guó)各用電部門(mén)及勞動(dòng)保護(hù)部門(mén)的高度 重視，建立科學(xué)的完善的漏

2、電保護(hù)體系已迫在眉睫。漏電保護(hù)器主要用來(lái)防止漏電火災(zāi)造 成的經(jīng)濟(jì)損失及人身觸電造成的傷亡，因此得到廣泛應(yīng)用。 3.設(shè)計(jì)(論文)的主要內(nèi)容：本畢業(yè)設(shè)計(jì)在了解電網(wǎng)漏電觸電產(chǎn)生的原因以及漏電觸電的檢測(cè) 原理之下，基于 msp430f149 單片機(jī)研究區(qū)分漏電電流中緩變電流和突變電流的方法，對(duì) 不同信號(hào)區(qū)別處理，從而減少保護(hù)器的動(dòng)作和誤動(dòng)作發(fā)生，提高漏電觸電保護(hù)器的安全性 和可靠性。設(shè)計(jì)指標(biāo)：緩變電流額定動(dòng)作值 in：100ma，突變電流額定動(dòng)作值 i n：8ma。 4.設(shè)計(jì)的基本要求及進(jìn)度安排（含起始時(shí)間、設(shè)計(jì)地點(diǎn)）(1)了解觸漏電的概念及其檢測(cè)工 作原理；(2)研究緩變電流和突變電流檢測(cè)的算法；(

3、3)編寫(xiě)相關(guān)程序，并調(diào)試之；(4)進(jìn)行軟 硬聯(lián)調(diào)。進(jìn)度安排：第一學(xué)期 11-14 周：完成設(shè)計(jì)資料的收集、整理等前期工作和開(kāi)題報(bào) 告；14-18 周：確定檢測(cè)算法，畫(huà)出流程圖；第二學(xué)期 1-2 周：準(zhǔn)備中期答辯；3-7 周: 編 寫(xiě)相關(guān)程序，并進(jìn)行調(diào)試；8-12 周：進(jìn)行軟硬聯(lián)調(diào)；13-14 周：完善設(shè)計(jì)，整理資料，并 撰寫(xiě)設(shè)計(jì)論文，準(zhǔn)備答辯。畢業(yè)設(shè)計(jì)工作自 2010 年 11 月 20 日起至 2011 年 5 月 20 日止。 畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行地點(diǎn)： 學(xué)校 5.畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的工作量要求 撰寫(xiě) 15000 字論文 實(shí)驗(yàn)（時(shí)數(shù)）*或?qū)嵙?xí)（天數(shù)）： 不少于 200 學(xué)時(shí) 圖紙（幅面和張數(shù)）*：

4、無(wú) 其他要求： 外文翻譯字?jǐn)?shù)不少于 3000 字;參考文獻(xiàn)篇數(shù) 15 篇 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 學(xué)生簽名： 年 月 日 系主任審批： 年 月 日 說(shuō)明：1 本表一式二份，一份由各系集中歸檔保存，一份學(xué)生留存。 2 帶*項(xiàng)可根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)選填 基于基于 msp430 的漏電觸電保護(hù)軟件設(shè)計(jì)的漏電觸電保護(hù)軟件設(shè)計(jì) 摘摘 要要 電能是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的命脈，它與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)，是 一種便于傳輸、使用方便、最為潔凈的能源。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò) 大，用電量迅速增長(zhǎng)，安全用電這一問(wèn)題顯得更為重要。低壓電網(wǎng)的漏電保護(hù) 已經(jīng)引起我國(guó)各用電部門(mén)及勞動(dòng)保護(hù)部門(mén)的高度重視，建立科學(xué)的完善的漏

5、電 保護(hù)體系已迫在眉睫。漏電保護(hù)器主要用來(lái)防止漏電火災(zāi)造成的經(jīng)濟(jì)損失及人 身觸電造成的傷亡，因此得到廣泛應(yīng)用。在了解電網(wǎng)漏電觸電產(chǎn)生的原因及漏 電觸電的檢測(cè)原理的前提下，利用 msp430f149 單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)電路，研究 一種檢測(cè)方法，對(duì)漏電電流進(jìn)行檢測(cè)，區(qū)分其中的緩變和突變電流，從而進(jìn)行 緩變電流和突變電流處理，根據(jù)經(jīng)過(guò)處理的緩變電流和突變電流電控制相應(yīng)的 繼電器動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電器設(shè)備和人員的保護(hù)。經(jīng)過(guò)研究，這種方法提高漏 電電流檢測(cè)的可靠和準(zhǔn)確性。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：漏電觸電保護(hù)；msp430；漏電電流；繼電器 msp430-based software design leakage

6、electric shock protection abstract energy is the lifeblood of the modern economy, industrial and agricultural production, and it is closely related to people daily life. that is an easy to transport, easy to use, and is a kind of clean energy. as the chinas economy continues to expand, the scale of

7、construction, the rapid growth of the electricity consumption, the safe use of electricity more important issue. protection of low-voltage power grid has caused leakage of the electricity sector and labor protection departments attach great importance to establish a scientific sound leakage protecti

8、on system is imminent. the leakage protection device is to prevent the leakage of fire caused major economic losses and personal injuries caused by electric shock, so widely used. the main graduation to understand the causes of electric shock, leakage power and leakage detection principle of electri

9、c shock, using msp430 microcontroller to design a protection system leakage, leakage current protection system to achieve real-time detection, according to the size of test values to control the corresponding relay to achieve the protection of electrical equipment and personnel. leakage current prot

10、ection can also set the time the action, to ensure electrical safety and supply reliability. key words: leakage current; msp430; leakage protection; relay 目目 錄錄 1 緒論緒論.1 1.1 引言.1 1.2 漏電保護(hù)的原理.1 1.3 漏電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀.3 1.3.1 國(guó)外漏電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展.3 1.3.2 國(guó)內(nèi)各種剩余電流保護(hù)器的性能及發(fā)展動(dòng)向.3 1.4 論文結(jié)構(gòu)安排.5 2 漏電電流的分析方法漏電電流的分析方法.6 2.1

11、漏電流檢測(cè)分析法.6 2.1.1 脈沖鑒幅法.6 2.1.2 脈沖鑒幅鑒相法.8 2.1.3 峰值檢測(cè)電流法.9 2.1.4 逐值檢測(cè)法.9 2.2 漏電檢測(cè)方案的確定.11 3 漏電觸電保護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)漏電觸電保護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì).12 3.1 軟件設(shè)計(jì)方法.12 3.1.1 結(jié)構(gòu)化方法分析與設(shè)計(jì).13 3.1.2 面向?qū)ο蟮姆椒ǚ治雠c設(shè)計(jì).13 3.2 軟件設(shè)計(jì)原則.13 3.2.1 程序的總體設(shè)計(jì).14 3.2.2 程序的編寫(xiě).14 3.2.3 程序的檢查和修改.14 3.2.4 程序的調(diào)試.14 3.3 功能模塊程序設(shè)計(jì).14 3.3.1 主程序設(shè)計(jì).15 3.3.2 漏電信號(hào)分析模塊

12、.15 4 系統(tǒng)調(diào)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果系統(tǒng)調(diào)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果.17 4.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具.17 4.2 漏電保護(hù)的實(shí)驗(yàn).18 4.2.1 漏電流的檢測(cè).18 4.2.2 漏電流的檢測(cè)結(jié)果及分析.20 5 總結(jié)與展望總結(jié)與展望.21 5.1 全文工作總結(jié).21 5.2 未來(lái)工作展望.21 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).22 致致 謝謝.23 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明.24 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明.25 附錄附錄 1.26 1 緒論緒論 1.1 引言引言 電是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的命脈，它與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)，是一 種便于傳輸、使用方便、最為潔凈的能源。隨

13、著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大 和人民生活水平的提高，各經(jīng)濟(jì)、政治、文化部門(mén)重要用電設(shè)備不斷增加，尤 其是工礦企業(yè)、航空航天等。這些重要用電設(shè)備和人畜的保護(hù)已成為一項(xiàng)至關(guān) 重要的任務(wù)，其因素包括三個(gè)方面：過(guò)電壓、過(guò)電流和漏電觸電。根據(jù)不完全 統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年有數(shù)千人死于觸電事故，因漏電引起的火災(zāi)和重要電氣設(shè)備損 壞造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)億元，防止因漏電而引起人身觸電以及因接地故障而導(dǎo) 致的設(shè)備損壞甚至發(fā)生火災(zāi)已成為當(dāng)務(wù)之急，建立科學(xué)完善的觸電、漏電保護(hù) 體系已迫在眉睫。所以在檢測(cè)低壓設(shè)備的三個(gè)電氣參數(shù)中，電壓電流的諧波檢 測(cè)和漏電觸電是本文研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。 目前國(guó)內(nèi)外普遍采用剩余電流動(dòng)作的保護(hù)方法，

14、但其設(shè)定動(dòng)作值較大，誤 動(dòng)作較多，影響了設(shè)備的連續(xù)工作。且在有些情況下仍然存在死區(qū)問(wèn)題1，導(dǎo) 致漏電保護(hù)系統(tǒng)發(fā)生拒動(dòng)作，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)正確的漏電保護(hù)，還存在極大的安 全隱患。究其原因，主要在于漏電死區(qū)的存在，這些問(wèn)題在國(guó)內(nèi)外尚未有效地 解決，需要研究新的漏電保護(hù)原理，本文就以這個(gè)方面為切入點(diǎn)，提高漏電保 護(hù)器工作的可靠性和安全性。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展和單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，在國(guó)內(nèi)外低壓電器領(lǐng)域， 單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的應(yīng)用和發(fā)展，將單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用到剩余電流保護(hù) 器使得其保護(hù)特性更準(zhǔn)確、更可靠，取得了較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。因此， 采用單片機(jī)技術(shù)的漏電保護(hù)系統(tǒng)在功能的實(shí)現(xiàn)方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，

15、解決了以 往不能或不易解決的問(wèn)題。 同時(shí)，近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力 系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應(yīng)用日益廣泛，諧波所造成的危害也日趨嚴(yán)重， 產(chǎn)生諧波的設(shè)備類(lèi)型及數(shù)量均已劇增，如：電源本身諧波、鐵磁飽和型設(shè)備和 用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波。 1.2 漏電保護(hù)的原理漏電保護(hù)的原理 漏電保護(hù)器(剩余電流動(dòng)作保護(hù)器)是指能同時(shí)完成檢測(cè)剩余電流，將剩余 電流與基準(zhǔn)值相比較，以及當(dāng)剩余電流超過(guò)基準(zhǔn)值時(shí)斷開(kāi)被保護(hù)電路的裝置。 漏電保護(hù)器主要包括檢測(cè)元件(零序電流互感器)、中間環(huán)節(jié)(包括放大器、 比較器、脫扣器等)、執(zhí)行元件(主開(kāi)關(guān))三個(gè)基本環(huán)節(jié)。 圖 1.1 是三相四線制供電系統(tǒng)的漏

16、電保護(hù)器工作原理示意圖。ta 為漏電電 流互感器，gf 為主開(kāi)關(guān)，tl 為主開(kāi)關(guān)的分勵(lì)脫扣器線圈4。 在被保護(hù)電路工作正常，沒(méi)有發(fā)生漏電或觸電故障的情況下，由克希荷夫 定律可知，通過(guò)漏電電流互感器 ta 一次側(cè)的電流相量和等于零，即 (1.1) 123 0 llln iiii 這使得 ta 鐵中心的磁通的相量和也為 0，即 中間環(huán)節(jié) m tl ?l1 ?l2 ?l3 ?n l1 l2 l3 ta gf ?k 圖 1.1 漏電保護(hù)原理圖 (1.2)1230llln 這樣電流互感器的二次側(cè)沒(méi)有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，漏電保護(hù)器不動(dòng)作，系統(tǒng) 保持正常供電3。 當(dāng)被保護(hù)電路發(fā)生漏電故障或有人觸電時(shí)，由于漏電電

17、流的存在，使得通 過(guò)電流互感器一次側(cè)各相電流的相量和不再等于零，產(chǎn)生了漏電電流。 k i (1.3) 123lllnk iiiii 這使得 ta 鐵中心的磁通的相量和也不等于 0，即 (1.4)123lllnk 在鐵心中出現(xiàn)了交變磁通。電流互感器的二次側(cè)在交變磁通作用下，就有感應(yīng) 電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，此漏電信號(hào)經(jīng)中間環(huán)節(jié)進(jìn)行處理和比較，當(dāng)達(dá)到預(yù)定值時(shí)，使主 開(kāi)關(guān)分勵(lì)脫扣器線圈 tl 通電，驅(qū)動(dòng)主開(kāi)關(guān) gf 自動(dòng)跳閘，切斷故障電路，從 而實(shí)現(xiàn)保護(hù)。用于單相回路的漏電保護(hù)的工作原理與此相同，不再贅述。 1.3 漏電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀漏電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 1.3.1 國(guó)外漏電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展國(guó)外漏電保護(hù)

18、技術(shù)的發(fā)展 漏電保護(hù)技術(shù)是從二十世紀(jì)初在西歐國(guó)家發(fā)展起來(lái)的。漏電保護(hù)器的發(fā)展 大約經(jīng)歷了三個(gè)階段，即初始階段、發(fā)展階段和成熟階段。1921 年德國(guó)正式發(fā) 明了電壓動(dòng)作型漏電保護(hù)器，主要保護(hù)設(shè)備外殼漏電，自此，德國(guó)的 vde 規(guī)程 及英國(guó)的 bs 規(guī)程均制定了有關(guān)電壓動(dòng)作型漏電保護(hù)器的標(biāo)準(zhǔn)。1930 年歐洲國(guó) 家開(kāi)始采用電壓型保護(hù)器。電壓型保護(hù)器有不可克服的缺點(diǎn)，只能保護(hù)單臺(tái)用 電設(shè)備，且過(guò)電壓容易損壞漏電保護(hù)器，現(xiàn)在已經(jīng)被淘汰使用了。電力系統(tǒng)的 諧波問(wèn)題在 20 世紀(jì) 20 年代和 30 年代才引起了人們的注意，所以人們對(duì)諧波影 響漏電檢測(cè)的這一意識(shí)還比較模糊。 根據(jù) 1928 年提出的專(zhuān)利，

19、法國(guó)人在 1940 年制成了世界上第一臺(tái)靈敏度為 10ma，切斷時(shí)間為 0.1s 的電流型漏電保護(hù)器。但由于當(dāng)時(shí)磁性材料的發(fā)展尚 未達(dá)到一定的水平，并且制造靈敏的脫扣機(jī)構(gòu)的技術(shù)也不完善。因此在第二次 世界大戰(zhàn)之前，漏電保護(hù)器未能大批量生產(chǎn)并用于工程實(shí)際中去。 第二次世界大戰(zhàn)以后，隨著電氣化進(jìn)程的加快，電氣設(shè)備用量日趨增加， 觸電及電氣火災(zāi)的可能性也與日俱增。因此，人們對(duì)漏電保護(hù)器寄予很大的希 望。 西德在 50 年代就開(kāi)始批量生產(chǎn)漏電開(kāi)關(guān)，但是將漏電保護(hù)器真正作為觸電 保護(hù)手段用于實(shí)際工程，則是在 60 年代以后的事情6。1956 年德國(guó)開(kāi)始批量生 產(chǎn)電流型保護(hù)器，1962 年美國(guó)研制成功了靈

20、敏度為 5ma 的電流型保護(hù)器，英 國(guó)生產(chǎn)了額定漏電動(dòng)作電流為 30ma，額定動(dòng)作時(shí)間為 30ms 高靈敏度快速型漏 電保護(hù)器。60 年代后期，西歐各國(guó)漏電保護(hù)器的發(fā)展已趨于完善。到二十世紀(jì) 七發(fā)十年代各國(guó)開(kāi)始制定規(guī)程強(qiáng)制在一些場(chǎng)所安裝漏電保護(hù)器。 1.3.2 國(guó)內(nèi)各種剩余電流保護(hù)器的性能及發(fā)展動(dòng)向國(guó)內(nèi)各種剩余電流保護(hù)器的性能及發(fā)展動(dòng)向 我國(guó)研究漏電保護(hù)器起步遲于國(guó)外。進(jìn)入二十世紀(jì)七十年代，我國(guó)用電量 逐年增加，觸電事故也逐年增加，因此引起了各部門(mén)的高度重視。在各部門(mén)的 努力下，開(kāi)始研制漏電保護(hù)器。1986 年制定了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) gb6829漏電電流動(dòng) 作保護(hù)器(剩余電流動(dòng)作保護(hù)器)44，1995

21、 年進(jìn)行了重新修訂，明確規(guī)定了漏 電保護(hù)器產(chǎn)品的質(zhì)量要求、工作條件和實(shí)驗(yàn)方法，從此我國(guó)漏電保護(hù)器產(chǎn)品的 設(shè)計(jì)和生產(chǎn)進(jìn)入科學(xué)化、規(guī)范化階段，產(chǎn)品系列逐步齊全，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)步提高， 并逐步強(qiáng)制規(guī)定用戶(hù)安裝漏電保護(hù)器。我國(guó)漏電保護(hù)器的生產(chǎn)和應(yīng)用起步較晚， 從 70 年代中期開(kāi)始發(fā)展，并首先在農(nóng)村低壓電網(wǎng)中推廣應(yīng)用。經(jīng)過(guò) 80 年代和 90 年代的自行研制、開(kāi)發(fā)，引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，取得了較大的進(jìn)展，已形成一 個(gè)品種完善，規(guī)格齊全，符合 iec 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的漏電電流保護(hù)器的產(chǎn)品系列7。 在低壓電網(wǎng)的安全保護(hù)中，尤其是農(nóng)村低壓電網(wǎng)的安全保護(hù)中發(fā)揮了重要的作 用。我國(guó)生產(chǎn)的剩余電流保護(hù)器絕大部分為電子式的，約占

22、剩余電流保護(hù)器總 產(chǎn)量的 90%左右。電磁式剩余電流保護(hù)器因制造成本高、價(jià)格貴，使用量較少， 目前僅占 10%左右8。主要種類(lèi)有：家用及類(lèi)似用途剩余電流斷路器、剩余電 流斷路器(主要由低壓塑殼斷路器派生而成)、移動(dòng)式剩余電流保護(hù)器和剩余電 流繼電器等9。 a. 家用及類(lèi)似用途剩余電流斷路器家用及類(lèi)似用途剩余電流斷路器 家用及類(lèi)似用途剩余電流斷路器可分為帶過(guò)電流保護(hù)和不帶過(guò)電流保護(hù)兩 種，適合于非專(zhuān)業(yè)人員使用。主要使用在商店、辦公樓、飯店及城鄉(xiāng)居民住宅 等建筑物中，對(duì)低壓線路和用電設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。 b. 剩余電流斷路器剩余電流斷路器 由低壓塑殼斷路器派生的剩余電流斷路器，適合于專(zhuān)業(yè)人員使用，基本上

23、 都是電子式的剩余電流斷路器。這類(lèi)產(chǎn)品額定電流較大，除了漏電保護(hù)外，還 具有過(guò)載和短路保護(hù)，可作為工廠車(chē)間、農(nóng)村等配電裝置主干線、分支線的漏 電和過(guò)載短路保護(hù)裝置。 c. 剩余電流繼電器剩余電流繼電器 脈沖型保護(hù)器的誕生曾經(jīng)在我國(guó)漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)行業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響，其 原理的先進(jìn)性及現(xiàn)場(chǎng)的方便性、適應(yīng)性確立了它在我國(guó)現(xiàn)階段農(nóng)村電網(wǎng)中廣泛 使用的地位，為我國(guó)保護(hù)器行業(yè)的發(fā)展發(fā)揮了積極的作用。 d. 基于單片機(jī)的剩余電流保護(hù)繼電器基于單片機(jī)的剩余電流保護(hù)繼電器 這種剩余電流保護(hù)繼電器以單片機(jī)為平臺(tái)，在檢測(cè)判斷的速度和精度上更 勝于前幾種類(lèi)型的繼電器。 綜上所述，我國(guó)目前剩余電流繼電器主要是在農(nóng)村低壓

24、電網(wǎng)中使用，剩余 電流繼電器與交流接觸器組合成剩余電流保護(hù)器作為主干線或分支線路的漏電 保護(hù)裝置。脈沖型、鑒相鑒幅型剩余電流繼電器專(zhuān)門(mén)適應(yīng)于我國(guó)農(nóng)村低壓電網(wǎng) 泄漏電流比較大的情況，把緩變的動(dòng)作電流值設(shè)定在 200300ma 之間，避開(kāi)電 網(wǎng)正常泄漏電流的誤動(dòng)作；把突變的動(dòng)作電流值設(shè)定在 40ma 左右，這在一定 程度上提高了農(nóng)村低壓電網(wǎng)剩余電流保護(hù)器的投運(yùn)率。既保證在較大漏電流情 況下正常運(yùn)行，大漏電故障時(shí)動(dòng)作，又能對(duì)突發(fā)的觸電信號(hào)實(shí)行可靠動(dòng)作，滿 足了現(xiàn)場(chǎng)的要求。目前在農(nóng)村電網(wǎng)中有一定的市場(chǎng)，但相應(yīng)地帶來(lái)誤動(dòng)作增多， 影響了供電的連續(xù)性，降低了供電質(zhì)量，因而在城市電網(wǎng)中至今未見(jiàn)使用。工 業(yè)生

25、產(chǎn)中剩余電流繼電器的使用主要是在石油化工、鋼鐵企業(yè)等。 1.4 論文結(jié)構(gòu)安排論文結(jié)構(gòu)安排 第一章論述了研究課題的背景、概述了漏電保護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展歷程及其分類(lèi)， 簡(jiǎn)述了諧波來(lái)源、危害及研究意義，強(qiáng)調(diào)了安裝設(shè)備運(yùn)行電氣參數(shù)檢測(cè)與保護(hù) 裝置的重要性，最后提出了論文結(jié)構(gòu)安排。 第二章介紹了漏電檢測(cè)的的理論和各種檢測(cè)處理算法，理論分析了漏電死 區(qū)的存在， ，確定了本系統(tǒng)采用的漏電流和出電流檢測(cè)方法。 第三章闡述了軟件設(shè)計(jì)的一些方法和原則，主要介紹了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的總 流程，闡述了各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)。 第四章介紹了系統(tǒng)的軟件調(diào)試。 第五章為課題總結(jié)和展望部分，總結(jié)了前面所做的工作，對(duì)未來(lái)工作進(jìn)行 了展望，并分

26、析了本系統(tǒng)需要改進(jìn)的地方。 2 漏電電流的分析方法漏電電流的分析方法 2.1 漏電流檢測(cè)分析法漏電流檢測(cè)分析法 我國(guó)的低壓電網(wǎng)主要采用中性點(diǎn)直接接地的三相四線制電網(wǎng)。當(dāng) a、b、c 三相電壓相等，且三相漏電阻抗完全對(duì)稱(chēng)時(shí)，三相對(duì)地漏電電流的矢量和為零。 通常漏電阻抗是不平衡的，故漏電流總是存在的。漏電流隨氣候變化、設(shè)備老 化或其他條件變化而發(fā)生的變化是比較緩慢的，漏電流從一個(gè)值過(guò)渡到另一個(gè) 值需要較長(zhǎng)的時(shí)間，即緩變電流，其額定動(dòng)作值 in一般整定為 100220ma12- 13。而突變電流總是突然變化，在人畜觸電或設(shè)備突然損壞時(shí)產(chǎn)生，它在瞬間 達(dá)到其額定動(dòng)作值 in，in一般設(shè)定在 30ma。

27、由于緩變電流和突變電流的額 定動(dòng)作值不同(inin)，在漏電保護(hù)時(shí)就需要對(duì)這兩者區(qū)分處理，保證漏電保 護(hù)的可靠性和安全性。 2.1.1 脈沖鑒幅法脈沖鑒幅法 針對(duì)這種緩變電流和突變電流的額定動(dòng)作值不同的情況，電流脈沖鑒幅漏 電保護(hù)方式是比較可取的，機(jī)械式的脈沖鑒幅漏電保護(hù)器通常設(shè)有兩個(gè)漏電檢 測(cè)通道，一路用來(lái)檢測(cè)突變電流，另一路用來(lái)檢測(cè)緩變電流，兩路的動(dòng)作整定 值不同，緩變動(dòng)作電流一般整定為 100200ma，突變動(dòng)作電流一般整定為 30ma。但是，從整定值我們卻不難看出這種機(jī)械式漏電保護(hù)的一個(gè)不足，整定 值過(guò)大，我們國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：一般條件下，交流允許安全電流值為 10ma。 由于機(jī)械式保護(hù)

28、受靈敏度、機(jī)械脫扣延時(shí)、保證不誤動(dòng)作和死區(qū)問(wèn)題等因素的 影響，導(dǎo)致其理論整定值遠(yuǎn)大于交流允許安全電流，從而使人身傷亡依然以大 概率出現(xiàn)。另外一個(gè)不足在于保護(hù)死區(qū)問(wèn)題。 線路總的緩變電流是三相緩變電流的矢量和。若三相電壓的相電壓的相l(xiāng)i 角為=0，由于各相漏電電流的大小是隨機(jī)的，因而合a120b 240c 成的總漏電流的大小和相位也是隨機(jī)的，其相位角可處于間的任一角度。0 360 漏電流合成矢量圖如圖 2.1 所示。 圖 2.1 合成漏電流矢量圖 我們知道，漏電流互感器檢測(cè)到的信號(hào)電流為電網(wǎng)緩變電流和突變電流 l i 的相量和，即 (2.1)ri r l iii lr ii lr i ei e

29、設(shè)觸電發(fā)生在 a 相，并以 a 相電壓為參考相量，設(shè)突變電流與線路 au ri 總緩變電流間的相位差角為，就有，所以li 0 r l i lr ii ei cossin llr iiii (2.2)(cos)sin lrl iiii 大小為 22 (cos )(sin ) rll iiii (2.3) 22 2cos rlrl iii i 對(duì)于電流脈沖鑒幅式漏電保護(hù)，當(dāng)觸電發(fā)生時(shí)，突變電流與線路總緩變r(jià)i 電流疊加形成新的漏電電流，其前后的變化量為li i (2.4) l iii 取這個(gè)變化量作為漏電保護(hù)的動(dòng)作信號(hào)，當(dāng)達(dá)到整定值時(shí)，推動(dòng)保ii 護(hù)裝置動(dòng)作。 將式(2.1)代入式(2.2)得 (

30、2.5) 22 2cosl rlrl iiii ii 從而解出 (2.6) 222 2cos(180)lhlllliiiii 這樣，存在以下幾種情況。 a. 情況一情況一 理想情況下，電路中無(wú)觸電、漏電等接地故障時(shí)，漏電電流矢量和為 =0，由觸電產(chǎn)生的脈沖突變電流=0。lili b. 情況二情況二 若有漏電，且與同相，即=0，觸電體為純阻性負(fù)載，漏電電流值增 lili 大。 li c. 情況三情況三 若有漏電，且與反相，即=。漏電電流值減小。有 lili 180 li (2.7) lhlliii 從以上分析可以看出，由脈沖漏電引起的漏電幅值變化在和之間，lili 當(dāng)兩者相位差處于某一特殊角度時(shí)

31、，幅值變化可能為零，即 (2.8) 2222 2cos(180)lhllllliiiiii 此時(shí) (2.9) 2 2cos(180)0llliii 故 (2.10)cos(180)/ 2llii 從而得到 (2.11)180arccos(/ 2llii 這樣對(duì)于漏電流脈沖，由于角不同，因而合成的漏電流對(duì)于原漏電流幅值li 變化量可為間的任何值，當(dāng)時(shí)，幅值不發(fā)生變化，但卻li)arccos(/ 2llii 引起了漏電流相位的變化。而實(shí)際上，由于漏電保護(hù)器有一定的保護(hù)靈敏度， 所以在附近一定范圍內(nèi)保護(hù)器都不會(huì)動(dòng)作，即在這一)180arccos(/ 2llii 范圍內(nèi)漏電保護(hù)器不起保護(hù)作用，稱(chēng)這一區(qū)

32、域?yàn)楸Ｗo(hù)死區(qū)。動(dòng)作整定值越大， 死區(qū)越小，脈沖鑒幅型保護(hù)器的靈敏度和死區(qū)之間存在矛盾，要想彌補(bǔ)這一缺 陷，必須對(duì)漏電保護(hù)器從原理上進(jìn)行改造。 2.1.2 脈沖鑒幅鑒相法脈沖鑒幅鑒相法 由前可知，在保護(hù)死區(qū)，與合成矢量的大小可能與相同，合成lililhili 的漏電流對(duì)原漏電流的幅值變化量可能為 0，但合成的的相位不會(huì)等于的lhili 相位，即出現(xiàn)了相位變化，基于這種考慮，在漏電保護(hù)器中加入鑒相電路。鑒 相型保護(hù)器的工作原理可參照?qǐng)D 2.1，三相漏電電流的相位角為 0，設(shè)為觸li 1 電產(chǎn)生的漏電電流的相位角，為與合成的相位角。顯然不會(huì)li 2 lililhi 2 等于 0，即存在相位角的變化，

33、這就是說(shuō)，此種脈沖漏電流引起了原漏電流相 位的變化。鑒相器識(shí)別出這種相位的變化，即可驅(qū)動(dòng)保護(hù)器動(dòng)作，切斷電源， 起到漏電保護(hù)的作用。脈沖鑒幅鑒相式保護(hù)器工作原理如圖 2.2 所示，可以看 出這種漏電保護(hù)組合了脈沖鑒幅法漏電保護(hù)和鑒相法漏電保護(hù)，有效地解決了 保護(hù)死區(qū)的問(wèn)題。 鑒幅器 鑒相器 執(zhí)行機(jī)構(gòu)加法器 il il 圖2.2 脈沖鑒幅鑒相式保護(hù)器的工作原理 由于鑒幅器和鑒相器的同步誤差大、抗干擾能力弱，且鑒相器自身靈敏度 不高等，使這種方法在實(shí)現(xiàn)時(shí)有待改進(jìn)。尤其是出現(xiàn)大量電網(wǎng)諧波時(shí)，這種方 法的誤差更大。 所以在現(xiàn)在的用電設(shè)備和人員安全的保護(hù)要求下很難保證用電安全和用電 的可靠性。在實(shí)際的生

34、產(chǎn)應(yīng)用中，這樣的漏電流檢測(cè)方法已經(jīng)逐漸被人們所忽 略。 2.1.3 峰值檢測(cè)電流法峰值檢測(cè)電流法 峰值檢測(cè)法是基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的。漏電信號(hào)分析模塊根據(jù) a/d 轉(zhuǎn)換的結(jié)果， 運(yùn)用此法分析計(jì)算其中突變電流和緩變電流的大小。 如圖 2.3 的(a)、(b)、(c)圖所示，漏電流互感器檢測(cè)到的信號(hào)(包括緩變電流 和突變電流)總是在峰值時(shí)刻(5ms，即 1/4 周期的時(shí)刻)達(dá)到很大值，此時(shí)是發(fā)生 危險(xiǎn)最嚴(yán)重的時(shí)刻。峰值檢測(cè)方法就是具有針對(duì)性地在最有可能發(fā)生漏電危險(xiǎn) 的峰值時(shí)刻 5n(n=1，3，5，7，)ms 來(lái)檢測(cè)判斷，具體是指在檢測(cè)到信號(hào)的過(guò) 零點(diǎn)后延時(shí) 5ms 再進(jìn)行檢測(cè)，所得到信號(hào)值即峰值(電網(wǎng)

35、供電周期為 20ms)。其 優(yōu)點(diǎn)在于采樣的數(shù)據(jù)少，占用存儲(chǔ)空間小，但是只檢測(cè)峰值時(shí)刻，然后作比較 來(lái)判斷是否大于突變或緩變電流設(shè)定值，這在精度上是不夠的，會(huì)出現(xiàn)拒動(dòng)作 的現(xiàn)象，因?yàn)樵谶^(guò)零點(diǎn)和 5ms 之間，假設(shè)在 2ms、3ms、4ms 已經(jīng)出現(xiàn)了漏電 流，但這種方法檢測(cè)不到漏電發(fā)生的第一時(shí)刻(此時(shí)刻的漏電流可能已超過(guò)人體 和設(shè)備能承受的電流值)，不能在第一時(shí)刻做出判斷，使繼電器切斷設(shè)備電源； 另外，實(shí)際電網(wǎng)周期不穩(wěn)定、集成運(yùn)放電路檢測(cè)電流信號(hào)過(guò)零點(diǎn)時(shí)存在誤差等 因素對(duì)峰值時(shí)刻的判斷影響很大，這樣會(huì)導(dǎo)致某一周期零點(diǎn)過(guò) 5ms 后的時(shí)刻并 非峰值出現(xiàn)的時(shí)刻，要檢測(cè)的值也可能并非峰值，從而影響裝置

36、中漏電保護(hù)模 塊的正常分析判斷，導(dǎo)致人體和設(shè)備未能得到保護(hù)。 (a) 2ms 時(shí) (b) 3ms 時(shí) (c) 4ms 時(shí) 圖 2.3 漏電流出現(xiàn)在不同時(shí)刻的示意 2.1.4 逐值檢測(cè)法逐值檢測(cè)法 這種方法也是基于單片機(jī)進(jìn)行漏電流檢測(cè)的，是針對(duì)上述峰值檢測(cè)方法存 在的問(wèn)題提出來(lái)的。逐值檢測(cè)法是指整流后的信號(hào)在一個(gè)周期(10ms)內(nèi)逐點(diǎn)采 樣信號(hào)值，利用各點(diǎn)幅值和相角的變化來(lái)判定緩變電流和突變電流的情況，從 而正確動(dòng)作，解決上述問(wèn)題。詳細(xì)分析如下。 具體來(lái)講，找準(zhǔn)信號(hào)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)刻而且解決電網(wǎng)周期不穩(wěn)定等問(wèn)題后，在 每個(gè)周期內(nèi)確定的時(shí)刻采樣得到有效的信號(hào)值，然后進(jìn)行處理。這里已第二個(gè) 采樣點(diǎn)為例作以

37、闡述：如圖 2.4 的(a)圖當(dāng)前采樣時(shí)刻 t21值與前一周期相應(yīng)采樣 值相減，然后與設(shè)定值作比較，大于設(shè)定的差值 in(突變電流額定動(dòng)作值)，若 此時(shí)再采樣后續(xù)兩個(gè)周期相對(duì)應(yīng)時(shí)刻 t22和 t23的信號(hào)值，均大于突變電流設(shè)定 動(dòng)作值，則確定是突變電流，發(fā)出執(zhí)行信號(hào)，使繼電器動(dòng)作；若再采樣后續(xù)兩 個(gè)周期相對(duì)應(yīng)時(shí)刻 t22和 t23的信號(hào)值，如圖 2.4 的(b)圖，均小于突變電流設(shè)定 動(dòng)作值，則確定為緩變電流，更新原來(lái)緩變電流的記錄 a 為(a+h2)，而差值 h1 是干擾信號(hào)。一直這樣進(jìn)行下去，記錄的緩變電流值達(dá)到設(shè)定額定值 in時(shí)，應(yīng) 發(fā)出執(zhí)行信號(hào)，繼電器動(dòng)作，否則危及被保護(hù)的設(shè)備。此檢測(cè)

38、方案是每三個(gè)周 期進(jìn)行一次比較和處理的，事實(shí)上，比較的周期數(shù)越多，判斷的準(zhǔn)確性越高， 但是這會(huì)使觸電動(dòng)作時(shí)間更長(zhǎng)，對(duì)人身保護(hù)起到反作用，所以三個(gè)周期共 30ms 的時(shí)間是比較合理的。這種方案的缺點(diǎn)在于占用空間較大，在一些要求設(shè)備重 量不能太大的場(chǎng)合，會(huì)有一點(diǎn)不便。 (a) 漏電情況一 (b) 漏電情況二 圖 2.4 連續(xù)三周期漏電檢測(cè)示意 如圖 2.5 所示，是測(cè)得的緩變電流，是觸電發(fā)生時(shí)的合成電流曲線， l i l i 其每一時(shí)刻的電流值都是緩變電流和突變電流的矢量和，由于在較短的一段時(shí) 間內(nèi)，緩變電流是相對(duì)不變的，大小可以等于前一時(shí)刻的緩變電流，即圖 l i 2.5 虛線所示，所以在 t1

39、 到 t3 的每時(shí)刻電流突增值即突變電流就可以計(jì)算出來(lái)， 從而繪制出一條電流突增的曲線。重要的一點(diǎn)就是要設(shè)計(jì)過(guò)零點(diǎn)測(cè)電路，準(zhǔn)確 檢測(cè)相位差。一般觸電體是純阻性體時(shí)，漏電流和工作電壓之間的相位差為零， 即同時(shí)出現(xiàn)信號(hào)過(guò)零點(diǎn)；一旦觸電體為非純阻性體時(shí)，漏電流和電壓之間的相 位差非零，漏電流的過(guò)零點(diǎn)可能是突變電流和緩變電流在這個(gè)時(shí)刻的矢量和恰 好為零形成的，那么必須檢測(cè)到這兩者先后過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間差，然后計(jì)算出相位 差，應(yīng)用公式得到此刻的突變電流值，進(jìn)行判斷。 ll iii r 這種檢測(cè)方法提高了安全運(yùn)行保護(hù)裝置的可靠性和安全性，并解決了死區(qū) 問(wèn)題。出于安全可靠和應(yīng)用場(chǎng)合的考慮，此法是比較可取的，可以預(yù)

40、先檢測(cè)到 重大設(shè)備和人身處于危險(xiǎn)狀態(tài)，使設(shè)備免于受損，減少經(jīng)濟(jì)損失。 圖 2.5 漏電流分析示意圖 2.2 漏電檢測(cè)方案的確定漏電檢測(cè)方案的確定 經(jīng)過(guò)以上幾種漏電檢測(cè)方法的介紹，脈沖鑒幅法，緩變動(dòng)作電流一般整定 為 100200ma，突變動(dòng)作電流一般整定為 30ma。但是，從整定值我們卻不難 看出這種機(jī)械式漏電保護(hù)的一個(gè)不足，整定值過(guò)大，我們國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：一 般條件下，交流允許安全電流值為 10ma。由于機(jī)械式保護(hù)受靈敏度、機(jī)械脫扣 延時(shí)、保證不誤動(dòng)作和死區(qū)問(wèn)題等因素的影響，導(dǎo)致其理論整定值遠(yuǎn)大于交流 允許安全電流，從而使人身傷亡依然以大概率出現(xiàn)。另外一個(gè)不足在于保護(hù)死 區(qū)問(wèn)題。脈沖鑒幅鑒相

41、法在出現(xiàn)電網(wǎng)諧波時(shí)存在較大同步誤差，基于單片機(jī)系 統(tǒng)的峰值檢測(cè)法可以克服上述問(wèn)題，但是只在峰值出現(xiàn)時(shí)刻做出判斷，采樣點(diǎn) 數(shù)過(guò)少，會(huì)出現(xiàn)漏檢漏判而發(fā)生拒動(dòng)作現(xiàn)象。而逐值漏電檢測(cè)法，也基于單片 機(jī)系統(tǒng)，反映速度快，采樣點(diǎn)數(shù)多，對(duì)死區(qū)范圍內(nèi)的漏電流可以給出準(zhǔn)確的判 斷，實(shí)現(xiàn)了漏電保護(hù)動(dòng)作無(wú)死區(qū)，本文將采用逐值檢測(cè)法進(jìn)行漏電流檢測(cè)法。 這種檢測(cè)方法提高了安全運(yùn)行保護(hù)裝置的可靠性和安全性，并解決了死區(qū)問(wèn)題。 出于安全可靠和應(yīng)用場(chǎng)合的考慮，此法是比較可取的，可以預(yù)先檢測(cè)到重大設(shè) 備和人身處于危險(xiǎn)狀態(tài)，使設(shè)備免于受損，減少經(jīng)濟(jì)損失。 綜上幾種方法的分析和討論，本畢設(shè)最終采用了漏電流逐值的檢測(cè)方法來(lái) 完成本次

42、畢業(yè)設(shè)計(jì)。 3 漏電觸電保護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)漏電觸電保護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 根據(jù)需求設(shè)計(jì)出特定的應(yīng)用功能系統(tǒng)，是每一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該達(dá)到 的目標(biāo)。本課題所涉及的低壓設(shè)備運(yùn)行參數(shù)檢測(cè)與保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包含硬件系 統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)部分，這兩部分的設(shè)計(jì)是互相關(guān)聯(lián)、密不可分的， 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)常需要在硬件和軟件的設(shè)計(jì)之間進(jìn)行權(quán)衡與折中。系統(tǒng)所有功能 的實(shí)現(xiàn)和可靠運(yùn)行，都依賴(lài)于完整的軟件設(shè)計(jì)，軟件是設(shè)計(jì)任務(wù)的關(guān)鍵，是整 個(gè)系統(tǒng)的靈魂。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的指揮下，低壓設(shè)備運(yùn)行參數(shù)檢測(cè)與保護(hù)系統(tǒng)才能 夠完成一系列的保護(hù)工作。本章將從軟件入手，介紹系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)。 3.1 軟件設(shè)計(jì)方法軟件設(shè)計(jì)方法 在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

43、領(lǐng)域中存在各種各樣的系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)方法， 其中結(jié)構(gòu) 化方法與面向?qū)ο蠓椒ㄊ擒浖_(kāi)發(fā)程序設(shè)計(jì)中的兩個(gè)核心思想。以下是對(duì)兩種 設(shè)計(jì)方法的概述。 3.1.1 結(jié)構(gòu)化方法分析與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)化方法分析與設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)化方法承襲了傳統(tǒng)的編程思想與編程方法，結(jié)構(gòu)化方法只是對(duì)傳統(tǒng)程 序結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。模塊是結(jié)構(gòu)化編程的基本單位，計(jì)算方法(簡(jiǎn)稱(chēng)為算法)是程序 的核心，結(jié)構(gòu)化分析和結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)化方法軟件開(kāi)發(fā)最關(guān)鍵的兩個(gè)時(shí)期。 a. 結(jié)構(gòu)化方法的基本思想結(jié)構(gòu)化方法的基本思想 結(jié)構(gòu)化方法程序設(shè)計(jì)的基本思想是：自頂向下，采用模塊化技術(shù)，分而治 之，逐步求精地將信息系統(tǒng)按功能分解為若干模塊進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，應(yīng)用子程 序?qū)崿F(xiàn)模塊化，

44、模塊內(nèi)部由順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)等三大基本控制結(jié) 構(gòu)組成。即從代表目標(biāo)系統(tǒng)整體功能的單個(gè)處理著手，自頂向下不斷地把復(fù)雜 的處理分解為子處理，這樣一層一層地分解下去，直到僅剩下若干個(gè)容易實(shí)現(xiàn) 的處理為止，并寫(xiě)出各個(gè)最低層處理的描述。 b. 結(jié)構(gòu)化分析結(jié)構(gòu)化分析 結(jié)構(gòu)化分析是一種面向數(shù)據(jù)流而基于功能分解的分析方法，在該階段主要 通過(guò)采用數(shù)據(jù)流程圖、編制數(shù)據(jù)字典等工具，描述邊界和數(shù)據(jù)處理過(guò)程的關(guān)系， 力求尋找功能及功能之間的說(shuō)明。通常所說(shuō)的“結(jié)構(gòu)化分析”就是“數(shù)據(jù)流分 析”。 數(shù)據(jù)流分析的核心特征是“分解”與“抽象”。“分解”和“抽象”是兩個(gè)相 互有機(jī)聯(lián)系的概念，下層是上層的分解，上層是下層的

45、抽象。例如，假設(shè)系統(tǒng) 很復(fù)雜，為了理解它，將它分成了5個(gè)子系統(tǒng)，如果子系統(tǒng)仍然比較復(fù)雜還可以 再繼續(xù)分解它，如此下去，直到每個(gè)子系統(tǒng)足夠簡(jiǎn)單，能清楚地被理解和表達(dá) 為止。典型的結(jié)構(gòu)化分析方法可以描述為：功能分解=功能+子功能+功能接口。 問(wèn)題域映射為功能和子功能，規(guī)格說(shuō)明間接反映問(wèn)題域。分析的結(jié)果是系統(tǒng)、 子系統(tǒng)、功能、子功能層次結(jié)構(gòu)的建立。 c. 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)通常與結(jié)構(gòu)化分析方法銜接起來(lái)使用，以數(shù)據(jù)流圖為基礎(chǔ)，將 數(shù)據(jù)流圖表示的信息轉(zhuǎn)換成程序結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)描述，在該階段力求尋找功能的實(shí) 現(xiàn)方法，完成軟件層次圖或軟件結(jié)構(gòu)圖。結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)通常表述為:結(jié)構(gòu)圖+關(guān)系 數(shù)據(jù)模式，其中，結(jié)

46、構(gòu)圖描述軟件系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)，關(guān)系數(shù)據(jù)模式描述軟件系 統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)。因此，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)工作主要包括程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過(guò)程分兩步完成，第一步構(gòu)造出一個(gè)具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，決定系 統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)(包括決定模塊的劃分、模塊間的數(shù)據(jù)傳遞及調(diào)用關(guān)系)；第二步 在總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將實(shí)體聯(lián)系圖轉(zhuǎn)換成關(guān)系數(shù)據(jù)模式，確定每個(gè)模塊的內(nèi) 部結(jié)構(gòu)和算法，產(chǎn)生每個(gè)模塊的程序流程圖，最終在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)建立外模式。 3.1.2 面向?qū)ο蟮姆椒ǚ治雠c設(shè)計(jì)面向?qū)ο蟮姆椒ǚ治雠c設(shè)計(jì) a. 面向?qū)ο蟮幕舅枷朊嫦驅(qū)ο蟮幕舅枷?面向?qū)ο蠓椒ǖ某霭l(fā)點(diǎn)是盡可能模擬人類(lèi)習(xí)慣的思維方式，使開(kāi)發(fā)軟件的 方法與過(guò)程盡可能接近人

47、類(lèi)認(rèn)識(shí)世界、解決問(wèn)題的方法與過(guò)程，也就是使描述 問(wèn)題的問(wèn)題空間與實(shí)現(xiàn)解法的求解空間在結(jié)構(gòu)上盡可能一致。面向?qū)ο笫且环N 運(yùn)用對(duì)象、類(lèi)、繼承、封裝、聚合、消息傳遞、多態(tài)性等概念來(lái)構(gòu)造系統(tǒng)的軟 件開(kāi)發(fā)方法。它打破了傳統(tǒng)的代碼、數(shù)據(jù)分離做法，將一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作該 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的方法捆在一起，封裝在一個(gè)程序內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)封裝和信息隱藏， 通過(guò)“操作”作為接口實(shí)現(xiàn)信息傳遞。對(duì)外部來(lái)說(shuō)，只知道“它是做什么的”， 而不知道“它是如何做的”，使得數(shù)據(jù)封裝、信息隱藏、抽象代碼共享等軟件 工程思想得到充分體現(xiàn)。 b. 面向?qū)ο蠓治觯嫦驅(qū)ο蠓治觯╫oa） 面向?qū)ο蠓治鍪敲嫦驅(qū)ο筌浖こ谭椒ǖ牡谝粋€(gè)環(huán)節(jié)，ooa 的任務(wù)

48、是把對(duì) 問(wèn)題域和系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)理解，正確地抽象為規(guī)范的對(duì)象(包括類(lèi)、繼承層次)和消 息傳遞聯(lián)系，最終建立起問(wèn)題域的簡(jiǎn)潔、精確、可理解的面向?qū)ο竽Ｐ停瑸楹?續(xù)的面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)和面向?qū)ο缶幊烫峁┲笇?dǎo)。面向?qū)ο蠓治龇椒梢悦枋鰹椋?ooa=對(duì)象+類(lèi)+繼承+消息傳遞。 在本次設(shè)計(jì)中，由于功能簡(jiǎn)單，各模塊相互獨(dú)立，故采用結(jié)構(gòu)化編程的設(shè) 計(jì)方法。首先，根據(jù)工作流程圖，熟悉掌握系統(tǒng)的工作流程，掌握各環(huán)節(jié)工作 的相互關(guān)系，其次，畫(huà)出每個(gè)功能模塊的程序流程圖，最后，根據(jù)流程圖寫(xiě)出 程序。 3.2 軟件設(shè)計(jì)原則軟件設(shè)計(jì)原則 軟件是系統(tǒng)的指揮中心，性能優(yōu)良的軟件是保證系統(tǒng)高效、可靠、安全工 作的技術(shù)保障。在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)

49、，常用的設(shè)計(jì)方法有三種：模塊化程序設(shè)計(jì)、 自頂向下逐步求精程序設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)。由于實(shí)際的單片機(jī)控制系統(tǒng)的 功能復(fù)雜、信息量大、程序較長(zhǎng)，所以選用切合實(shí)際的程序設(shè)計(jì)方法就顯得相 當(dāng)重要。 由于模塊化程序設(shè)計(jì)的中心思想是把一個(gè)復(fù)雜應(yīng)用程序按整體功能劃分成 若干相對(duì)獨(dú)立的程序模塊，各模塊可以單獨(dú)設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試和查錯(cuò)，然后裝 配起來(lái)聯(lián)調(diào)，最終成為一個(gè)完成一定功能、具有使用價(jià)值的程序。實(shí)踐表明采 用模塊化結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)調(diào)試方便，編程效率高。 軟件設(shè)計(jì)包括擬定程序的總體方案并畫(huà)出程序流程圖、編寫(xiě)具體程序、程 序的檢查修改、程序調(diào)試等步驟。 3.2.1 程序的總體設(shè)計(jì)程序的總體設(shè)計(jì) 程序設(shè)計(jì)首

50、先要擬定設(shè)計(jì)的總體方案，由于一個(gè)實(shí)際的控制系統(tǒng)功能復(fù)雜、 信息量大、程序較長(zhǎng)，因此需要選用切實(shí)可行的程序設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)使用結(jié) 構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，把一個(gè)較大的程序劃分為若干個(gè)具有獨(dú)立功能的子程序， 各子程序分別進(jìn)行編譯、調(diào)試，最后鏈接成一個(gè)統(tǒng)一的整體。最后繪制出各功 能模塊和總體設(shè)計(jì)的流程圖。 3.2.2 程序的編寫(xiě)程序的編寫(xiě) 程序流程圖繪制成功后，整個(gè)程序的輪廓和思路已十分清楚。設(shè)計(jì)者就可 以進(jìn)行編程序。首先要統(tǒng)籌考慮和安排一些全局問(wèn)題，如：程序地址空間分配、 輸入/輸出格式等，然后就可以依照程序流程圖來(lái)編出目標(biāo)程序。 3.2.3 程序的檢查和修改程序的檢查和修改 實(shí)際的應(yīng)用程序編好后，往往

51、會(huì)有不少潛在隱患和錯(cuò)誤，這是不足為奇的。 但如果這些隱患和錯(cuò)誤不加排除和修改會(huì)很容易產(chǎn)生并發(fā)癥，使得本來(lái)很好的 程序陷入不可收拾的地步。 3.2.4 程序的調(diào)試程序的調(diào)試 程序經(jīng)過(guò)檢查直到?jīng)]有錯(cuò)誤后，就可以進(jìn)入調(diào)試階段，調(diào)試階段的主要目 的是檢驗(yàn)編寫(xiě)的程序是否符合實(shí)際功能，各模塊子程序之間配合是否協(xié)調(diào)。最 終完成任務(wù)。程序的調(diào)試是軟件編寫(xiě)完成后的最重要的一步，直接影響著后續(xù) 工作的進(jìn)行。 3.3 功能模塊程序設(shè)計(jì)功能模塊程序設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)主要包括通過(guò)按鍵輸入設(shè)定額定緩變動(dòng)作電流值、額定突變 動(dòng)作電流值、額定工作電流，然后以這些設(shè)定值為標(biāo)準(zhǔn)，采集的漏電流、電壓 和電流信號(hào)經(jīng)過(guò)檢測(cè)處理后分別和

52、這些設(shè)定值進(jìn)行比較，如果高于設(shè)定值，則 驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元?jiǎng)幼?。本課題的控制軟件由兩部分組成：主控模塊、漏電信號(hào)分 析模塊。 3.3.1 主程序設(shè)計(jì)主程序設(shè)計(jì) 主控模塊即主程序，它是整個(gè)系統(tǒng)軟件的“總指揮” ，通過(guò)對(duì)各功能模塊的 合理調(diào)用來(lái)完成參數(shù)的檢測(cè)、分析、判斷從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能，在整個(gè)程 序的設(shè)計(jì)中主程序起著重要作用。主程序流程圖如圖 3.1 所示。 開(kāi)始 初始值設(shè)定 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)處理 結(jié)束 圖 3.1 主流程圖 額定工作電壓和工作電流的設(shè)定需要根據(jù)不同被保護(hù)設(shè)備的額定值來(lái)設(shè)定， 額定突變電流值 in的設(shè)定根據(jù)人體所能承受的電流和允許交流安全電流值設(shè) 定為 8ma(一般此值是固定不變的，

53、可根據(jù)環(huán)境不同來(lái)設(shè)定，原則上不超過(guò) 30ma)，額定緩變電流 in的設(shè)定一般在 100200ma 內(nèi)，在陰雨季節(jié)或氣候潮 濕地區(qū)設(shè)為 200ma，本系統(tǒng)將此值預(yù)設(shè)定為 100ma。根據(jù)環(huán)境和氣候狀況的不 同，也可以通過(guò)軟件自行更改。 3.3.2 漏電信號(hào)分析模塊漏電信號(hào)分析模塊 漏電流信號(hào)經(jīng)過(guò)零點(diǎn)后，開(kāi)始 a/d 采樣轉(zhuǎn)換，根據(jù)定時(shí)器測(cè)得漏電流和工 作電壓之間時(shí)間差計(jì)算相位差，得到漏電流的大小，將連續(xù)三個(gè)周期同一時(shí)刻 的值分別與突變電流和緩變電流的設(shè)定值作比較，判斷當(dāng)前是否發(fā)生漏電、漏 電由緩變電流還是突變電流引起、立刻斷電、漏電流分析流程圖如圖 3.2 所示。 初始化，n=0 開(kāi)始 啟動(dòng)ad

54、采集 定時(shí)器停止計(jì)時(shí) 時(shí)間差轉(zhuǎn)為相位差 n+1 計(jì)算漏電流值i漏 i漏-in8ma? i-1 確定為突變電流 繼電器動(dòng)作 p1.3=1？ n=3? y n y y n n i=0? y n=2? 更新當(dāng)前緩變 電流值i緩 結(jié)束 nn y i緩in? 確定為緩變電流 繼電器動(dòng)作 y n 圖 3.2 漏電信號(hào)處理流程圖 4 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)果 4.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具 本系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境采用由 iar 公司提供的 iar embedded workbench 及調(diào)試器 c-spy。embedded workbench 是一個(gè)適應(yīng)各種不同 cpu 的目標(biāo)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的集成環(huán)

55、境，它提供方便且功能豐富的窗口界面，使開(kāi)發(fā)和調(diào) 試的效率大大提高。它包含的實(shí)用工具有：具有語(yǔ)法突出顯示的文本編輯器； 實(shí)現(xiàn)操作自動(dòng)化的 make 工具；內(nèi)嵌 c 語(yǔ)言級(jí)和匯編級(jí)的調(diào)試器 c-spy。它集 成了所有的工具(編譯、連接等)，采用創(chuàng)建項(xiàng)目(project)的方式來(lái)進(jìn)行軟件的開(kāi) 發(fā)和管理，具有超文本風(fēng)格幫助和直觀的拖放等特性?？梢杂闷鋪?lái)開(kāi)發(fā)、編譯、 調(diào)試包括 c 和匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序。開(kāi)發(fā)環(huán)境界面如圖 4.1 所示，在 iar 環(huán)境 中。 圖 4.1 iar embedded workbench 開(kāi)發(fā)環(huán)境界面 先設(shè)置芯片型號(hào)device projectoptionlinkerextra

56、 outputlinker command file msp430f149a.xcl(匯編語(yǔ)言)或msp430f133c.xcl(c語(yǔ)言)。 projectoption debuggersetupdevice description filemsp430f149.ddf。 仿真模式設(shè)置，在進(jìn)入仿真之前可設(shè)置仿真模式，即軟件模擬仿真和硬件仿真 兩種即 軟件仿真： projectoptiondebuggersetupdriversimulator。 硬件仿真：projectoption debugger setupdriver fet debugger。 下載連接方式選擇 projectoptio

57、n fet debugger setupconnectionlpt-lpt1。 4.2 漏電保護(hù)的實(shí)驗(yàn)漏電保護(hù)的實(shí)驗(yàn) 4.2.1 漏電流的檢測(cè)漏電流的檢測(cè) a. 加入脈沖干擾信號(hào)加入脈沖干擾信號(hào) 定義系統(tǒng)當(dāng)前緩變電流累計(jì)值為 90ma，緩變電流額定動(dòng)作值為 100ma， 突變電流額定動(dòng)作值為 8ma。由于測(cè)量方法是每三個(gè)周期進(jìn)行判斷的，所以只 判斷信號(hào)只在三個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的變動(dòng)，就可以斷定本低壓設(shè)備運(yùn)行參數(shù)檢 測(cè)與保護(hù)裝置是否工作正常，且脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻不影響系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的檢測(cè)和判 斷。以下介紹具體測(cè)試信號(hào)及其檢驗(yàn)結(jié)果。 (1) 測(cè)試信號(hào)一測(cè)試信號(hào)一 給系統(tǒng)加入如圖 4.2 所示的信號(hào)，只在第一

58、個(gè)基波過(guò)零點(diǎn)后的 2ms 時(shí)產(chǎn)生 大小為 5ma 的脈沖信號(hào)。測(cè)試表明：繼電器不動(dòng)作，這個(gè)脈沖信號(hào)被視為干擾 信號(hào)。 圖 4.2 測(cè)試信號(hào)一 (2) 測(cè)試信號(hào)二測(cè)試信號(hào)二 給系統(tǒng)加入如圖 4.3 所示的信號(hào)，在前兩個(gè)基波周期內(nèi)相應(yīng)的時(shí)刻(過(guò)零點(diǎn) 后的 2ms)分別產(chǎn)生大小為 5ma 的脈沖信號(hào)和基波疊加。測(cè)試表明：繼電器不 動(dòng)作，系統(tǒng)正常運(yùn)行，這兩個(gè)脈沖信號(hào)同樣被視為干擾信號(hào)，未出現(xiàn)誤動(dòng)作。 圖 4.3 測(cè)試信號(hào)二 (3) 測(cè)試信號(hào)三測(cè)試信號(hào)三 如圖 4.4 所示，在三個(gè)基波周期內(nèi)相應(yīng)的時(shí)刻(過(guò)零點(diǎn)后的 2ms)分別產(chǎn)生大 小為 5ma 的脈沖信號(hào)和基波疊加。測(cè)試表明：繼電器不動(dòng)作，緩變電流值

59、更新 為 95ma，系統(tǒng)顯示更新后的緩變電流值； 圖 4.4 測(cè)試信號(hào)三 (4) 測(cè)試信號(hào)四測(cè)試信號(hào)四 給本系統(tǒng)繼續(xù)加入信號(hào)，如圖 4.5 所示，在三個(gè)基波周期內(nèi)相應(yīng)的時(shí)刻(過(guò) 零點(diǎn)后的 2ms)分別產(chǎn)生大小為 10ma 的脈沖信號(hào)和基波疊加；測(cè)試表明繼電器 動(dòng)作，系統(tǒng)顯示故障突變電流值 10ma，系統(tǒng)存儲(chǔ)的緩變電流值大小未改變， 仍為 95ma。 圖 4.5 測(cè)試信號(hào)四 (5) 測(cè)試信號(hào)五測(cè)試信號(hào)五 接著第四次的實(shí)驗(yàn)繼續(xù)加入信號(hào)，信號(hào)如圖 4.6 所示，在三個(gè)基波周期內(nèi) 相應(yīng)的時(shí)刻(過(guò)零點(diǎn)后的 2ms)分別產(chǎn)生大小為 5ma 的脈沖信號(hào)和基波疊加；測(cè) 試表明繼電器動(dòng)作，系統(tǒng)顯示故障緩變電流值

60、 100ma。 圖 4.6 測(cè)試信號(hào)五 b. 加入觸電信號(hào)加入觸電信號(hào) 用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)觸電信號(hào)(隨機(jī)相位和大小的正弦波)如圖 4.7 所示， 送入系統(tǒng)中圖(a)、(b)、(c)分別是合成漏電流和緩變電流相位差為、 l i l i 0 和任意角度的示意圖，其中是系統(tǒng)檢測(cè)到的電流信號(hào)，減去后得到180 l i l i 的差值即突變電流值和 8ma 做比較，均可有效判斷有無(wú)人畜觸電，杜絕了拒動(dòng) 作和誤動(dòng)作的發(fā)生。 (a) 同相時(shí) (b)反相時(shí) (c)任意角度時(shí) 圖 4.7 合成漏電流和緩變電流之間的相位示意（虛線為發(fā)生觸電后 的合成漏電流，實(shí)線為被保護(hù)設(shè)備中的緩變電流） 4.2.2 漏電流的檢