基于51单片机的电源漏电检测保护装置硬件设计毕业设计.docx
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基于51单片机的电源漏电检测保护装置硬件设计毕业设计
基于51单片机的电源漏电检测保护装置硬件设计
摘要：
本设计采用的是ATEML公司生产的AT89C51单片机为核心来设计智能电源漏电检测保护装置。
本文在分析了漏电检测模块工作原理的基础上，设计出一种基于单片机实时采样漏电信号并可接收上一级控制系统的参数要求，自动检测漏电参数，一旦检测到漏电就能达到实时断电的功能。
在软件方面，采用的是C语言编程，具有良好的可移植性。
关键词：
AT89C51单片机；漏电检测；保护；硬件
BasedOn51Single-chipPowerLeakageDetectionandProtectionDeviceHardwareDesign
Abstract:
ThisdesignusestheAT89C51microcontrollerasthecoretheATEMLcompanytodesignintelligentpowerleakagedetectionprotectiondevice.Inthispaper,analyzedonthebasisoftheprincipleoftheleakagedetectionmodule,designamicrocontroller-basedreal-timesamplingleakagesignalcanbereceivedontheparametersofacontrolsystemrequirements,automaticdetectionofleakageparameters,upondetectionofleakagecanachievereal-timepowerfunction.Onthesoftwareside,usingtheCprogramminglanguage,hasgoodportability.
Keywords:
AT89C51single-chip；Leakagedetection；Protection；Hardware
1绪论
漏电保护在电气安全领域属还未完全成熟的技术。
最近的几十年来，随着电子技术的发展，快速动作、高灵敏度型漏电保护装置取得了令人满意的进步。
美国、日本、德国、法国、英国等国乃至国际电工委员会都先后关于漏电建立和修订了关于漏电保护装置中不同产品的标准及其关联标准和法规。
由于我国的漏电保护装置生产厂家和产品的数量很多，所以说国家因此制订了国家标准《漏电电流动作保护器》（GB6829-86），这个标准对漏电保护器的特性、分类、结构与性能要求、试验方法、检验规则、工作条件和安装条件等方面作出了明确的规定。
因此，我们为了提高其性能的稳定性，就需要对漏电的检测级报警保护进行相关的研究。
1.1背景、目的及意义
产生漏电的原因有很多，但主要原因可以归为以下几种：
配电系统的安装人员不专业，素质高地不齐，所以很难保证质量，表现在：
当在酸碱腐蚀性或潮湿的环境中，电线直接外露，且未做直接保护的设备进行安装；设备或电气线路长时间未检修，使用年限较长或者因超负荷等原因绝缘劣化；选用不合格的伪劣或者假冒电气商品；当人员进行安装布线时，锤、钳、刀等的绝缘层损坏后没有处理；安装不规范，绝缘层的质量有问题和导线的包扎有漏洞；外部因素：
腐蚀、潮湿、水份浸人、挤压等。
漏电的防范措施：
按照规章制度办事，非电气专业人员不准从事其工作，平时要多注意检查漏洞。
严格执行相关的规定，尽量不用易燃易爆的材料，当电气线路不可避免的经过可燃物的时候，一定要阻燃硬塑料管或者穿金属管对其进行相关的保护，为防止漏电；采用相关金属管布线的时候，一定不能把绝缘层刮伤。
配电装置如配电
箱、开关、插座等装置和易燃物与用电设备要保持较远的的安全距离，但当确实不可分开或者远离的时候，我们就应具体问题具体分析，做好相关的隔热保护措施，防止意外发生。
1.1.1接地电阻值应符合设计要求
所用设备的相关的接地电阻尽量不应超过4Q这个值，但是为了解决某些电设备的熔体的熔断电流较大、容量也较大的这个问题，我们应并联接地体以充分减小接地电阻值或者增加接地线截面这两种类似的方法解决，增大漏电短路电流，这样就对于保护装置的动作产生有利作用。
1.1.2保护措施
必须通过相关的计算后才能确定保护所接地及保护接零的有效截面积，并用用相关的方法对其校正。
保证其接线所有相关的端子具有可靠性，保证它们不会轻易松动，最后我们要经常对其进行检查，及时的发现问题。
1.1.3安装漏电保护器
现在我国的的配电系统中设置的过流和过零相关的保护装置等措施不能保证完全的有效性以防止事故的发生，因此，我们应该设置专用的漏电保护器在建筑物电源的总进线处。
但是又为防止一旦一家漏电就导致大面积的停电，所以我们必须在各个用户分别设置自己的漏电保护器，要求相关的动作额定电流和额定动作时间应合理配合，让他们具有分级保护的能力。
1.1.4安装漏电报警系统
在低压电气线路上安装漏电报警就就是一种很好的保护方法。
可以通过漏电报警系统，准确地监控电气线路的故障和异常状态，还可以提早预警发现漏电的隐患，及时报警提醒人员去消除这些隐患，避免漏电给国家经济和人民生命财产造成巨大损失，消灭其安全隐患。
1.1.5实施等电位联结
考虑到漏电保护器对于单相的220V线路只提供相关接触保护，所以还有很多其他方面的隐患会导致漏电保护装置的失灵，如因接触不良，质量不稳定、机件磨损、寿命较短等相关的原因，所以说不能让它成为一种单独的、可靠的保护方式，我们必须实施等电位联结，这样才能才能保证可靠地消除漏电的设备或者电气线路与金属的器件之间产生电火花和电弧，消除因为各种漏电电压而引起可能发生的事故。
将保护接零的总线与各个用户里其他管道的线连接的措施称其电位联结。
如总煤气管、总水管、暖通管等一些容易产生电火花的金属管道或设备，这样我们就能使各个用户的点位均衡，对易燃易爆场所更为重要。
伴随着我国经济建设规模的不断扩大，我国的电量也迅速增长起来，电力事业也就迅速发展了，所以说安全用电问题也就越来越突出了。
日常生活中，经常会发生因各种原因而产生的漏电情况，比如说用电设备的漏电、过载或者短路、低压配置系统线路的漏电甚至接地电流所流过的金属焊缝引而起发热都可能导致火灾的发生。
所以说防止漏电而引起的人身触电，或者因接地故障使供电线路损毁甚至引起火灾的发生，十分的重要。
根据不完全统计的显示，我国每年因触电而死亡的人数有千人之多，而因漏电引起火灾造成的经济损失更为严重后果，达到了数亿元人民币。
因此，我们要把可以防止漏电火灾及人身触电的漏电保护器进行广泛的应用。
由于漏电保护器主要由电子元件（或电磁器件）构成,材料、电子元件、电磁器件、环境、温度、生产工艺、技术要求等都可以影响其特性。
我们为了保证漏电保护器在漏电保护反应和触电方面具高灵敏性和有动作快速性，这是其他自动开关、熔断器等无法吵赶的。
因为熔断器和自动开关正常时要通过一定量的电流，所以说它们的动作保护值要考虑到正常时候的电流量，因此它们的主要作用是一旦发现漏电可以及时的切断系统电流。
而漏电保护器是
利用系统的剩余电流反应和动作，正常运行的时候的电流很微小，故它的动作整定值可以整定得很小，当系统发生漏电时，比如设备外壳带电或人身触电时，出就会出现较大电流，漏电保护器则通过检测和处理这个较大电流后可靠地动作，就可以马上切断电源。
现国内的漏电保护器型号如表1.1所示。
表1.1漏电保护器型号
型号
名称
原理
极数
额定
电压（V）
额定
电流（A）
额定漏电
动作电流
（mA）
漏电动
作时间
（S）
保护功能
VigiC45
漏电
保护器
电子式
电磁式
1
2
3
4
240/
415
1～
40
30
100
300
≤0.1
milti9系列断路器附件
VigiC63
漏电
保护器
电子式
电磁式
1
2
3
4
240/
415
1～
63
30
100
300
≤0.1
DZL18-
20
漏电自动开关
电流动作型（集成电路）
2
220
20
10
15
30
≤0.1
漏电或兼有漏电与过载保护两种，选用时注意
YLC-1
移动式漏电保护插座
电流动作型
单相
2极
3极
10
漏电保护专用
CBQ-A
触电保安器
电磁式
2
16
30
≤0.1
LDB-1
漏电自动开关
电流动作型
3
5
10
30
（漏电不动作电流15mA）
<0.1
DZL16
漏电开关
电磁式
2
6
10
16
25
15
30
≤0.1
漏电保护专用
JC
漏电开关
电磁式
2
6
10
16
25
30
≤0.1
漏电保护专用
CDB-A
CDB-B
触电保安器
2
5
10
20
≤0.1
1、分断能力；C45N型单极为6.0KA，2、3、4极为4.5KA；C45AD型为6.0KA。
2、极限分断能力；有条件短路电流1500A；尺寸；85mm×65mm×42mm；重量；0.2Kg。
3、耐短路能力；220V3000A；尺寸；72mm×76mm×80mm；重量；0.4kg。
1.3研究思路和设计方案
AT89C51提供以下标准功能：
4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
在系统工作的时候，漏电检测模块工作原理的基础上，设计出一种基于单片机实时采样漏电信号并可接收上一级控制系统的参数要求，自动检测漏电参数，一旦检测到漏电就能达到实时断电的功能。
设计方案：
AT89C51采用+5电源供电，设计要求制作一直流稳压电源，采用220V市电供电，经桥式整流电路送入滤波电路，再经稳压CW7805输出+5V电压。
系统工作时，检测漏电信号。
当检测出持续的漏电信号时。
输出高电平，使电路断开，并且是蜂鸣器报警。
2系统设计
2.1系统设计要求
本课题是基于AT89C51单片机的自动检测漏电信号硬件设计，要达到的要求是：
1、持续扫描电源漏电信号采集
2、判断是否漏电
3、对漏电电路进行断电保护
4、漏电后，蜂鸣器发出警报
5、警报解除后，恢复供电
2.2系统研究思路
根据系统的设计要求，首先要用电磁线圈把检测的信号引出。
然后将引出信号用过零电压比较器传到单片机内。
单片机的判断出电源是否漏电。
若漏电，输出高电平，通过2个继电器使电源断开，并且使蜂鸣器发出警报。
稳压电路采用CW7805芯片，输出+5V和12V。
2.3系统设计图
系统结构设计图如图1所示，采用12v直流电源对系统供电。
其中漏电检测模块是应用了电磁感应原理，变化的电流产生磁场，可获得检测的电压信号。
电压信号通过过零比较器，与零电压比较。
若高于零电压，则输出高电平给AT89C51。
当AT89C51接收到信号后对信号进行计数判断是否真的漏电。
若判断漏电则启动断电保护模块与报警模块。
图1系统设计
具体硬件设计摆放如图2所示。
电路图用Mulitisim软件绘制，由于软件内没有电感线圈的模块。
所以用椭圆代替所示。
过零比较器的负比较器接地，这样保证若有漏电信号产生，则产生高电平。
图中的继电器X1为断开的，继电器X2为闭合的。
当断电保护模块接收到高电平时，继电器X1闭合，继电器X2断开，已达到断电保护的目的。
开关J1为手动控制，当闭合的时候电路则产漏电，此时小灯泡点亮。
开关J1断开时，则不产生漏电信号。
图2系统设计
3系统硬件设计
3.1过零比较器
过零比较器是将信号电压Ui与参考电压零进行比较。
如图3（a）所示，电路由集成运放构成。
对于高质量的集成运放而言，其开环电压放大倍数很大，输入偏置电流、失调电压都很小。
若按理想情况（Aod=无穷大，IBI=0,Uio=0）考虑时，则集成运放开环工作时当Ui>0时，Uo为低电平Ui<0时，Uo为高电平集成运放输出的高低电平值一般为最大输出正负电压值Uom。
输出电压如图3（b）所示。
（a）
（b）
图3过零比较器
3.2漏电信号检测
根据霍尔磁式原理检测漏电状态，如图4所示，当我们在实际应用中，把火线与中线，也就是输出电流如输入电流的导线同时穿过一个环形磁芯，我们可以把这个线圈作为初级互感线圈，根据变化的电流产生磁场，如果系统漏电，漏电次级线圈可以输出漏电信号。
从电源输入的电流，流经全部负载的系统后，返回电源中线端的支路电流，当该支路没有接地电流时，输出电流应该与输入电流相等，次级线圈无漏电信号输出，换句话说如果电源输入线中的输入端电流和输出端电流完全相等，则没有漏电信号产生。
而当系统发生漏电的时候，假设系统出现的接地漏电电流时，则此时的输入电流与输出电流将不相等，其合成电流就是漏电电流，输出的漏电程度和漏电信号的大小成正比。
图4信号检测图
3.3断电保护
系统的漏电保护断电电路由继电器J1、J2和晶体电阻R1、R2、三极管Q1、二极管D1组成，如图5所示。
当单片机检测到漏电信号时，产生高电输出到晶体三极管Q1，三极管Q1把信号放大后可以导通继电器J1闭合，进一步导通继电器J2通电，这样可以保证在0.1秒钟内迅速切断整个系统的供电，保证可迅速切断电流放置发生危险，确保人身安全。
图5断电保护电路图
3.4报警电路
系统报警电路图如图5所示。
当系统漏电时，漏电信号输入单片机，经判断后，对报警电路产生高电平，使其发出警报。
只有当系统排出故障，重新启动时，才能正常工作。
如图6所示。
图6报警电路图
4元器件功能介绍
4.1AT89C51单片机
4.1.1功能特性描述
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash
Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
主要特性：
1、与MCS-51兼容
2、4K字节可编程闪烁存储器
寿命：
1000写/擦循环
数据保留时间：
10年
3、全静态工作：
0Hz-24Hz
4、三级程序存储器锁定
5、128*8位内部RAM
6、32可编程I/O线
7、两个16位定时器/计数器
8、5个中断源
9、可编程串行通道
10、低功耗的闲置和掉电模式
11、片内振荡器和时钟电路
4.1.2管脚描述
管脚如图7所示
图7AT89C51管脚图
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如表4.1所示。
表4.1特殊功能接口
口管脚
备选功能
P3.0RXD
串行输入口
P3.1TXD
串行输出口
P3.2/INT0
外部中断0
P3.3/INT1
外部中断1
P3.4T0
记时器0外部输入
P3.5T1
记时器1外部输入
P3.6/WR
外部数据存储器写选通
P3.7/RD
外部数据存储器读选通
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
4.1.3引脚功能
1、电源引脚
Vcc（40脚）：
典型值＋5V。
Vss（20脚）：
接低电平。
2、外部晶振
X1、X2分别与晶体两端相连接。
当采用外部时钟信号时，X2接振荡信号，X1接地。
3、输入输出口引脚：
P0口：
I/O双向口。
作输入口时，应先软件置“1”。
P1口：
I/O双向口。
作输入口时，应先软件置“1”。
P2口：
I/O双向口。
作输入口时，应先软件置“1”。
P3口：
I/O双向口。
作输入口时，应先软件置“1”。
4、控制引脚：
RST/Vpd、ALE/-PROG、-PSEN、-EA/Vpp组成了MSC-51的控制总线。
RST/Vpd（9脚）：
第一功能复位信号输入端（高电平有效）。
第二功能：
加+5V备用电源，可以实现掉电保护RAM信息不丢
失。
ALE/-PROG（30脚）：
第一功能地址锁存信号输出端。
第二功能：
编程脉冲输入。
-PSEN（29脚）：
外部程序存储器读选通信号。
-EA/Vpp（31脚）：
第一功能：
外部程序存储器使能端。
第二功能：
编程电压输入端（+21V）。
98c2051外部引脚图：
可以直接拷入ASM程序文件中，作注释使用，十分方便
4.2过零比较器
过零比较器是将信号电压Ui与参考电压零进行比较。
如图1（a）所示，电路由集成运放构成。
对于高质量的集成运放而言，其开环电压放大倍数很大，输入偏置电流、失调电压都很小。
若按理想情况（Aod=无穷大，IBI=0,Uio=0）考虑时，则集成运放开环工作时当Ui>0时，Uo为低电平Ui<0时，Uo为高电平集成运放输出的高低电平值一般为最大输出正负电压值Uom。
4.3继电器
4.3.1继电器的工作原理和特性
电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。
只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。
当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。
这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：
继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
继电器一般有两股电路，为低压控制电路和高压工作电路。
4.3.2继电器主要产品技术参数
1、额定工作电压：
继电器正常工作时线圈所需要的电压。
根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。
2、直流电阻：
继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。
3、吸合电流：
继电器能够产生吸合动作的最小电流。
在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。
而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。
4、释放电流：
继电器产生释放动作的最大电流。
当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。
这时的电流远远小于吸合电流。
5、触点切换电压和电流：
继电器允许加载的电压和电流。
它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。
4.4稳压电源
工频交流电源经过变压器降压、整流、滤波后成为一稳定的直流电。
图中其余部分是起电压调节，实现稳压作。
用的控制部分。
电源接上负载后，通过采样电路获得输出电压，将此输出电压和基准电压进行比较。
如果输出电压小于基准电压，则将误差值经过放大电路放大后送入调节器的输入端，通过调节器调节使输出电压增加，直到和基准值相等；如果输出电压大于基准电压，则通过调节器使输出减小。
CW7805是单电压+5V稳压集成块。
5程序设计
本程序采用C语言编写，而C语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。
C语言有功能丰富的库函数、运算速度快、编译效率高、有良好的可移植性，而且可以直接实现对系统硬件的控制。
C语言是一种结构化程序设计语言，它支持当前程序设计中广泛采用的由顶向下结构化程序设计技术。
此外，C语言程序具有完善的模块程序结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保障。
因此，使用C语言进行程序设计已成为软件开发的一个主流。
用C语言来编写目标系统软件，会大大缩短开发周期
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