电子电路]基于单片机的漏电报警器的设计

电子电路]基于单片机的漏电报警器的设计内容摘要：

压信号，该信号经信号调理电路处理后由多路选择开关送入 PIC16F877A 自带的 A/D 转换模块将其转换为数字信号。 CPU 根据这些信号进行逻辑运算与处理，将运算结果与整定值比较后输出符合预设保护特性的逻辑信号；逻辑信号经放大后可直接驱动断路器的电操机构使断路器动作 [15]。 PIC16F877A 单元电路 微控制器芯片选型 基于程序存 储空间、数据存储空间、运行速度、性能价格比、系统可靠性、软件实现难易程度等综合因素考虑，本系统采用高效可靠的 PIC(Periphery Interface Chip)16F877A 单片机。 它是美国 Microchip 公司生产的中档单片机，采用全新的流水线结构、单字节指令体系，嵌入 Flash 以及看门狗定时器，指令精减 (只有 35 条指令 )，ICSP (在线编程 )方便可调； I/O 端口驱动能力强，可以直接驱动 LED 显示；其端口的电平变化中断功能，提高了实时监测性。 另外， PIC16F877A 单片机 同时具有 SPI 同步串行模块和 USART 异步串行模块，系统选用 PIC16F877A 单片机，将使控制系统的硬件电路简单可靠、软件编制方便，系统整体性能得以提高 [13~14]。 PIC16F877A 引脚功能设计 PIC16F877A 芯片引脚如图 所示。 PIC16F877A 单片机引脚分成两大类，即 7 根系统配置引脚和 33 根输入 /输出引脚。 9 图 PIC16F877A 芯片引脚 （ 1）电源和接地引脚（ 2 组） P1 P32 电源配置引脚，接＋ 5V电源信号； P1 P31 接地； （ 2）时钟、复位引脚 P13：时钟振荡器晶体连接端 /1 外部时钟源输入端； P14：时钟振荡器晶体连接端 /2 外部时钟源输出端； （ 3）主复位引脚 P1 主复位引脚，最大用途为供使用者从外部输入复位信号来复位单片机，本系统设计中保持该引脚信号为高电平。 /输出功能引脚 PIC16F877A 单片机配置有 A、 B、 C、 D、 E5 个端口，共 33 根双向输入 /输出引脚。 主要接法如附录一。 时钟电路设计 为了获取相对比较稳定的振荡时序信号，时钟电路设计采用 XT 方式，选用 4MHz晶体振荡器和两 个 20PF 电容，将晶体振荡器和两个电容连到 OSC1 和 OSC2 引脚上，结合 PIC16F877A 单片机内部的振荡电路构成完整振荡电路，时钟电路如图 所示。 10 图 时钟电路 复位电路设计 依据 PIC16F877A 单片机低电平复位和引脚 P1 的硬件设置，本系统采用上电复位，P1 引脚始终为高电平，复位电路如图 所示。 上电复位是在单片机加电， Vdd 上升到～ ，上电复位电路提供一个复位脉冲直接复位。 外围设备接口电路设计 人机交互电路设计 为适应系统各种工作环境，人机交互接口采用按键和 LDE 显示方式，分别如图 和图 所示。 系统共设计 三 个按键：漏电选择按键 SW1，漏电设定按键 SW2，运行 /停止按键 SW3。 其中漏电选择按键 SW1 和漏电设定按键 SW2 为组合按键，当按下 SW2 键，额定漏电动作电流 200mA， 400mA， 800mA 分档可选，用 SW1 键选择需要的额定漏电动作电流，选好后按下 SW2 键锁定选定值，此时 SW1 键无效。 SW3 键为运行 /停止按键，与控制器 PIC16F877A 的 RA4/T0CK1 连接，乒乓键作用，按下时为低电平。 11 图 人机交互接口电路 LED 显示电路如图 所示。 74LS373 是地址锁存器，使用 3 片 74LS373 接 LED显示，微控制器 PIC16F877A 的引脚 RB RB RB0 分别接这 3 片 74LS373 的 LE 脚，引脚 RD0－ RD7 接 3 片 74LS373 的 D0－ D7 脚。 3 片 74LS373 的三态允许控制端 OE 脚接地，始终为低电平， Q0－ Q7 为正常逻辑状态，用来驱动 LED 显示。 当锁存允许端LE 为高电平时， Q0－ Q7 随数据 D0－ D7 而变。 当 LE 为低电 平时， Q0－ Q7 被锁存在已建立的数据电平。 第一片 74LS373 接过压、缺相、故障、短路、设定 LDE 显示；第二片 74LS373 接 A 相过载、 B 相过载、 C 相过载、漏电、漏电 、漏电 、漏电、运行 LDE 显示；第三片 74LS373 接负载指示 1－ 8。 图 LED 显示电路 12 远程监控模块设计 远程监控模块电路如图 所示。 图 远程监控模块电路 漏电报警器可对电气线路的过压、缺相、短路、漏电、故障、过载等进行实时远程监控，通过 RS485 总线或通信网络，向 上位机发送现场的各种运行参数和工作状态，同时接受上位机下传的数据和命令，即具有遥测、遥信、遥控、遥调“四遥”功能；具有与电脑通讯的功能，可实现与用户联网，在一台电脑上能对 1～ 250 台漏电火灾报警器实现在线远程监控，随时可检查各用户安全用电情况、随时可接通或分断各用户供电线路 [16]。 4 漏电报警器软件设计与实现 对采用微处理器设计的硬件系统，软件是整个 报警器 的灵魂，软件设计的好坏直接影响到硬件系统的性能和稳定性。 系统软件设计遵循结构化和模块化的原则，将软件划分为若干个独立的功能模块（即系统用户任务）， 连接时力求模块内部数据结构的紧凑性以及模块之间数据关系的松散性，尽可能减少各功能模块的相互影响。 软件采用 C 语言和汇编语言混合编程方式编写。 C 语言结合了高级语言的基本结构和低级语言的高效性，很适合单片机的开发，可移植性好；汇编语言具有高效性、直接面向硬件操作的优点。 此外，为了提高系统测量的精度和增强系统的抗干扰能力，在软件设计上采用了数字滤波、软件监视定时器 WDT 等抗干扰措施 [16]。 PIC16F877A 漏电报警器软件设计 漏电报警器软件流程如图 所示，漏电报警器软件设计 [15]： （ 1）开机：正确安装完毕后，合上供电系统总开关，此时控制器输入指示亮，表明供电正常； （ 2）“报警 /静音”开关扳到“报警”状态； 13 （ 3）打开本机电源开关，主机进入自检状态，主机自检完毕后发出“滴”的一声，并且点亮“漏电选择”的 800mA 指示，提示主机控制系统进入待机状态。 延时 5S 后自动合闸接通用户电源，点亮输出指示。 （ 4）通过“漏电选择”与“漏电设定”可改变漏电动作电流设定值： 800mA、 400mA、200mA。 默认值为 800mA。 故障报警指示设计：当供电系统出现故障，进行故障报警，提示用户 尽快查明原因排除故障。 （ 1）漏电报警：在供电线路发生漏电，其漏电电流超过漏电动作电流设定值时，在 内发出指令切断电源，并发出报警声音，提醒用户供电线路出现漏电现象。 此时应关断本机电源，待故障排除后，再打开本机电源，再按一下“运行 /停止”键，即可回复正常运行； （ 2）过载指示报警：在三相四线制供电中有任何一相出现过载时，经延时 5S10S后仍在过载，控制器自动切断用户供电线路，并发出报警声音，提醒用户供电线路出现过载现象。 此时应关断本机电源，待故障排除后，再打开本机电源，再按一下“运行 /停止”键，即可回复正常运行； 图 漏电报警器软件流程图 14 （ 3）欠压报警：当供电线路中有任何一相（ A 相不能缺相）电压欠压时，经延时 5S10S后仍在欠压时，控制器发出指令切断供电线路，并发出报警声音，提醒用户供电线路出现欠压现象。 此时应关断本机电源，待故障排除后，再打 开本机电源，再按一下“运行/停止”键，即可回复正常运行； （ 4）过压报警：在三相四线制供电中有任何一相过压时，在 内发出指令切断供电线路，并发出报警声音，提醒用户供电线路存在短路现象。 此时应关断本机电源，待故障排除后，再打开本机电源，再按一下“运行 /停止”键，即可回复正常运行。 （ 5）短路报警：在三相四线制供电中有任何一相出现短路时，经延时 5S10S 后仍在过载，控制器自动切断用户供电线路，并发出报警声音，提醒用户供电线路出现过载现象，此时应关断本机电源，待故障排除后，再打开本机电源，再按一下“运行 /停止”键，即可回复正常运行； （ 6）负载指示：对三相四线制供电线路的负荷进行指示，当供电线路处于满负荷运行状态，接近报警值时，应提醒用户注意用电安全，并采取有效措施减轻负荷。 软件设计包括初始化子程序、上电电压检测子程序、主机自检子程序、漏电检测子程序、电压检测子程序、过载及短路检测子程序、按键扫描子程序等。 PIC16F877a 将采集数字信号的运算结果与整定值比较后输出符合预设保护特性的逻辑信号；逻辑信号经放大后驱动断路器的电操机构使断路器动作。 远程监控模块软件设计 远程监控机每隔 10 秒循环查询 一次，监控机发出指令后等 2051 指令，等待时间最长为 20ms，超过 20ms 则判失败重发，重发 2 次都失败 pc 上显示通讯故障； pc 机发送数据 00h表示查询， 01h表示开机， 02h表示关机，之后都会有信号回传， 2051 数据正常表示 8pin。 引脚定义（参见 图 ）： P1 口检测信号， 作为发送使能， 作为开关机控制， 为开关机状态检测， 作为接受控制。 用户应用程序设计 A/D 采样和数据处理任务 各种测量和保护的数据来源都要依靠现场采集的数据，所以采样转换是整个系统最为 重要的环节之一。 系统利用 PIC16F877A 内嵌的模数转换器进行模数转换，完全可以满足对采集信号的进行轮循采样在时间和精度上的要求。 其采样任务子程序流程见图。 15 图 采样程序流程图 为了计算 50Hz 正弦电流、电压信号的有效值，对各路信号进行频率自适应方式采样，每个周期内（ 20ms）采样 32 个点。 这里利用定时器 1 来进行定时采样，初始时每隔 产生一次中断进行采样，之后利用过零点方法检测得到的频率来修改定时器 1 匹配寄存器（ T1MR1）值，以改变采样间隔，实现 自适应频率采样，这样避免了因电网波动对采样值的影响。 功能保护任务 系统的保护功能包括：漏电或接地保护、短路短延时保护、短路瞬动保护、电流不平衡保护、过载长延时保护、电压保护、电压不平衡保护和负载监控等，根据不同的保护要求，其保护算法有所不同，相应的保护子程序将不同，下面介绍几种保护功能的 C 语言实现方法。 （ 1）漏电或接地保护 接地或漏电保护具有反时限特性，特性公式为 t = tG KIG/ I，故障延时动作时间不小于定时限的设置时间。 公式中 tG为接地定时限设定时间， K 为反时限剪切系数，一般 为 ~6，当 K 被设置为“ OFF”时表示接地为定时限。 接地漏电的选用方案与系统保护要求及接地方式有关，因而控制器分两种不同保护方式：一种为内部互感器矢量和方式（接地保护）。 由于互感器和加法电路的固有误差，特别是空心互感器小电流的灵敏感度较差，因此该方式的接地保护适于金属性接地的场合；另一种是采用外置矩形互感器直接取三相或三相 +N 相电缆信号矢量和的方案或采中性极对地互感器的信号方。