基于单片机的漏电保护器设计方案.docx
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基于单片机的漏电保护器设计方案
基于单片机的漏电保护器设计方案
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=50mA·s，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=30mA·s。
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30mA·s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4Ω和10Ω，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（Ω）≤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=250Ω。
可见，与安装漏电保护器之前的4Ω或10Ω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。
漏电动作输出模块主要是将漏电电流与漏电动作值进行比较，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θ,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
4.4.1PIC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（callerID）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]。
4.4.2PIC16F877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/mA
500/mA
延时0.2S
0000
0010
非延时
0001
0011
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/mA
50/mA
100/mA
不动作
延时0.2S
0100
0110
1000
1010
非延时
0101
0111
1001
1011
4）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4-3PIC16F877的引脚图
表4-3PIC16F877引脚功能图
引脚名称
引脚号
引脚类型
引脚功能
OSC1
13
I
时钟振荡器输入端，也是晶体连接端
OSC2
14
O
时钟振荡器输出端，也是晶体连接端
MCLR
1
I/P
人工复位输入端（低电平有效）/编程电压输入端
RA0-RA5
2-7
I/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-RB7
33-40
I/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-RC7
15-18,23-26
I/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-RD7
19-22,27-30
I/O
RD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-RE2
8-10
I/O
RE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
VSS
12,31
P
接地端
VDD
11,32
P
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4-5PIC16F877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
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