基于单片机的漏电保护器的研究

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本科生毕业论文（设计）

题目：基于单片机的漏电保护器的研究

学习中心：重庆万州奥鹏学习中心

层次：专科起点本科

专业：电气工程及其自动化

年级： 2013年秋季

学号： 131511409632

学生：

指导教师：王莹

完成日期： 2014年05月20日

内容摘要

基于单机片技术以中性点接地供电系统为例，阐述了漏电保护的概念及其重要性；通过对漏电保护特性的研究分析，给出了单片机实现漏电保护系统的信号采集、处理与控制保护的硬件电路实现，提出了切实可行的软件设计方案，并通过对漏电动作电流和时间等相关参数的整定与输出控制，最终达到安全用电的目的。

关键词：漏电保护器；电流型；单片机

目录

内容摘要 (2)

引言 (4)

1 绪论 (5)

1.1 漏电保护器的研究背景及意义 (6)

1.2 国内外发展情况 (6)

2 单片机简介 (8)

2.1 单片机及其应用系统 (8)

2.2 单片机的分类 (8)

2.2.1 按字长分 (8)

2.2.2 按控制要求分 (9)

2.2.3 按制造工艺分 (9)

3 漏电保护器简介 (10)

3.1 漏电保护器的分类 (10)

3.2 漏电保护器的作用 (11)

3.2.1 防止人身触电 (11)

3.2.2 防止漏电引起的火灾 (12)

3.2.4 降低对保护接地电阻的要求 (12)

3.3 漏电保护器的工作原理 ............................................ 1错误！未定义书签。

4 漏电保护器的硬件设计 (14)

5 漏电保护器的软件设计 (18)

6 结论和展望 (22)

参考文献 (23)

引言

目前国家已经制定相应标准, 要求在建筑中必须使用漏电保护器。低压电网的触电、漏电保护已经引起我国各用电部门及劳动保护部门的高度重视，建立科学的完善的触电、漏电保护体系已迫在眉睫。

1 绪论1.1 漏电保护器的研究背景及意义

1.2 国内外发展情况

2 单片机简介

单片机(Single Chip Micro Controller)是单片微型计算机的简称。微型计算机的两大分支之一，是以发展面向对象的用于实时测控领域的微控器(Micro Controller Unit)。单片机是20世纪70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，几乎把微型计算机系统的各功能模块都集成在同一块芯片上，完成整个系统的功能，实现“系统单片机”。其最基本特征是体积小、功耗低、运行可靠和价格低廉，使其得到了广阔的应用前景及更强的生命力。近些年来，单片机发展迅速，涌现出了许多高性能新型机种。在智能机器人、数控车床、工业控制、智能仪表仪器、信息通信、交通、航运、家电、汽车等诸多领域中取得了广泛的应用。几乎很难找到哪个领域没有单片机的足迹。特别是单片机嵌入(隐藏或埋藏之意)式系统的开发与应用，标志着计算机技术发展史上又一个新的里程碑。

通过本章的学习应熟悉计算机中的数制和编码，了解80C51系列单片机的概念、特点、发展及应用领域，理解典型单片机系列的基本情况。

2.1 单片机及其应用系统

单片机是指集成在一个芯片上的微型计算机，也就是把组成微型计算机的各种功能部件，包括CPU (Central Processing Unit )、随机存取存储器RAM ( Random Access Memory ) ,只读存储器ROM (Read-OnlyMemory)、基本输入/输出(Input/Output)接口电路、定时器/计数器等部件都制作在一块集成芯片上，构成一个完整的微型计算机，从而实现微型计算机

的基本功能。

单片机应用系统是以单片机为核心，配以输入/输出、显示、控制等外围电路和软件，能实现一种或多种功能的实用系统。单片机应用系统由硬件和软件两部分组成，硬件是应用系统的基础，软件则在硬件的基础上对其资源进行调配和使用，从而完成应用系统所要求的控制任务，二者缺一不可。

2.2 单片机的分类

目前单片机品种很多，至少有五十多个系列、三百多个品种。可按以下方式进行分类:

2.2.1 按字长分

NEC公司的UPD75XX系列、NS公司的COP400系列、夏普公司的SMXX系列；Intel公司的MCS-48系列和MCS-51系列列、Microchip公司的PIC 16CXX系列PICI7CXX系列以及PIC1400系列、Motorola公司的M68HC05系列和M68HC 11系

列、Zilog公司的z8系列；Intel公司的MCS-96/98系列、Motorola公司的M68HC 16系列、NS公司的783XX系列；Hitachi公司的SuperH(简称SH)系列等等。

2.2.2 按控制要求分

(1) 通用型——通用型单片机是一种基本芯片，它内部资源比较丰富，性能全面且适用性强，能覆盖多种应用需求。用户根据需要，可设计一个以通用单片机芯片为核心再配以其他外围电路的测控系统。

(2) 专用型——专门针对某些产品的特定用途而制作的单片机，例如，电度表和IC卡读写器上的单片机等。专用型单片机针对性强且数量巨大，对系统结构的最简化、可靠性和成本的最佳化等方面都作了全面的考虑，所以专用单片机具有十分明显的综合优势。

2.2.3 按制造工艺分

(1) HMOS工艺—高密度短沟道MOS工艺，具有高速度、高密度的特点。

(2) CHMOS(或HCMOS)工艺——互补的金属氧化物的HMOS工艺，是CMOS与HMOS 的结合，具有高密度、高速度、低功耗的特点。

3 漏电保护器简介

漏电保护器，又称剩余电流动作保护器，是指在规定条件下，当剩余电流达到或超过给定值时能自动断开电路的机械开关电器或组合电器。它可以同时完成三个功能，即检测剩余电流、将剩余电流与基准值相比较、执行机构断开被保护电路。

3.1 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。

（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)；

（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）。

3.2 漏电保护器的作用

3.2.1 防止人身触电

3.2.2 防止漏电引起的火灾

3.2.3 降低对保护接地电阻的要求

3.3漏电保护器的工作原理

限于我们现有的物理知识，要详细、准确地理解漏电保护器的工作原理，目前还有一定的困难，但粗略地、大概地了解它的工作情况，以使我们能知道它铭牌上所标技术指标的含义还是可能的。

图3.3.1 漏电保护器主体框图

4 漏电保护器的硬件设计

图4.1 硬件电路主框

漏电保护器的硬件部分主要由供电电源电路、三相交流电电压电流检测电路、漏电检测电路、单片机电路、液晶报警显示电路、电机控制电路和按键设置电路组成, 见图 4.1。

图 4.2 电源电路

5 漏电保护器的软件设计

图5.1 软件整体框图

设置状态机实现整个系统的设置, 包括过压、欠压值和过流值的设定。状态机的状态图见图5.2。状态机在4个按键的控制下, 完成各个状态之间的转换, 详细的状态转换关系见图5.3。在过压设置、欠压设置、电流设置及漏电设置状态中, 按设定键进入数值设定状态, 在此状态可通过+/-控制键设定相应的设定值, 按确定键, 设定值被设置, 并保存在EEPROM中, 再按退出键返回原状态, 如果在数值设定状态下, 按+/-控制键设定相应的设定值后, 按退出键则退还到原状态, 设定值并不改变。之后通过按退出键, 直至返回空闲状态, 完成设置。在设定状态下, 其它功能不起作用。

(4) 采样数据

漏电保护器采用500ms采样一次数据, 即采7路数据包括3路电压、3路电流和漏电电流信号。电路中用单片机本身自带的A/D转换器实现，A/D采样的程序可参考STC89C51RC/RD系列单片机应用手册。

(5) 数据处理及控制

图5.4 电机控制软件框图

根据采集的数据判断电压、电流和漏电流是否正常, 如果不正常, 则控制电机使电源电路断开, 同时声音报警电路报警出错状况, 相应的故障指示灯亮。框图如图7所示。在电机控制中, 需要对位置信号采样, 通过对位置的检测，判断电机是否到达预定的位置，以停止电机的转动, 框图见图5.4。

(6) 液晶显示

液晶显示电路显示采样电路的电压、电流值, 同时和键盘配合设置过压、欠压、过流和漏电值。实际中采用的是122x32位的点阵式液晶(TG12232G), 可以显示两行汉字, 本部分程序主要为该液晶模块的接口程序, 具体参考产品手册。在液晶显示的同时, 设计中还采样发光二级管对过压、欠压和漏电进行报警, 软件实现非常简单, 只要对相应端口置低(共阳极)就可以了。同时通过语音芯片编程, 通过声音报警。