基于单片机的漏电保护器的研究.docx

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基于单片机的漏电保护器的研究

网络高等教育

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：

辽宁东港奥鹏学习中心

层次：

专科起点本科

专业：

电气工程及其自动化

年级：

2012年春季

学号：

************

学生：

崔英勋

***************************

完成日期：

2013年12月10日

内容摘要

随着单片机技术的发展，单片机在电器领域内得到广泛应用，使电器具有智能化功能。

漏电保护器是低压电器的一个重要系列产品，但由于漏电保护的特殊性，日前对漏电保护的智能化在理论上和技术上还需要人们进行深入研究与探讨。

本篇毕业论文（设计）主要介绍了漏电保护器的分类、作用、工作原理，以及着重介绍了基于单片机的智能型电流漏电保护器的设计原理及应用前景。

其主要对PIC16F877型单片机在漏电保护器的应用进行了设计。

关键词：

漏电保护器；电流型；单片机

内容摘要2

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

4漏电保护器的硬件设计14

6结论和展望22

引言

自上世纪60年代以来，漏电保护器大大减少了人身触电和电器设备的漏电事故。

漏电保护器不仅用在工业生产中，在日常生活中的应用也越来越广泛。

发生触电主要有两种形式：

一是直接接触，即由于人体直接触及带电的裸露导体；二是间接接触，即人体触及劣化、破损或浸沾导电液体而使外壳带电的设备。

漏电保护器，用以对低压电网直接触电和间接触电进行有效保护，也可以作为三相电动机的缺相保护。

漏电保护器是对用电电路实施保护的装置,它检测三相交流电的电压、电流和漏电,当三相交流电的电压、电流和漏电出现故障时,切断电源电路,从而保护用电电器,减少火灾的可能。

它广泛应用于建筑、电力、消防、通讯等行业,其中在民用住宅和商用住宅中有着广泛的应用,其产品应用的场合决定了其可靠性尤为重要。

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

为了提高其性能的稳定性，需要对漏电特性及其检测技术进行深入的研究。

本文对漏电保护器特性的检测技术进行了理论研究和实践探索。

首先对漏电检测技术的发展状况进行了分析，还对国家标准中的相关规定进行详细的分析，在此基础上，对漏电保护器的硬件和软件进行了研究。

本设计以PIC16F877单片机为处理器，并对单片机系统单元、试验电流的产生和调节单元、电流信号采集单元、人机接口单元等硬件电路进行了研究和分析，并针对特性检测的特点提出了模块化的软件设计方案，以实现对漏电时间和漏电电流的精确检测和显示。

1.1漏电保护器的研究背景及意义

随着我国经济建设规模的不断扩大，用电量迅速增长，电力事业迅速发展，安全用电这一问题显得越来越重要。

日常生活中，因电气设备使用不当或线路漏电造成的电气事故时有发生，低压配电系统线路的漏电、用电设备的漏电、过载及短路或者接地电流流过金属焊缝引起发热都可能导致安全隐患。

据不完全统计，我国每年有数千人死于触电事故，因漏电引起火灾造成的经济损失达数亿元。

防止漏电引起的人身触电，以及因接地故障而使供电线路损坏甚至发生火灾，己成为当务之急，因此，可以防止漏电火灾及人身触电的漏电保护器得到广泛应用。

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。

1.2国内外发展情况

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。

目前在研制高精度，高性能，多功能的测量仪表时，大多考虑采用微处理器作为控制单元，而在仪器仪表中使用最多的微处理器就是单片机。

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单片机简介

单片机（SingleChipMicroController）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（MicroControllerUnit）。

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（CentralProcessingUnit）、随机存取存储器RAM（RandomAccessMemory）,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PIC16CXX系列PICI7CXX系列以及PIC1400系列、Motorola公司的M68HC05系列和M68HC11系列、Zilog公司的z8系列；Intel公司的MCS-96/98系列、Motorola公司的M68HC16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。

（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）。

3.2漏电保护器的作用

3.2.1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6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）。

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。

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。

3.2.2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。

3.2.3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。

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

如图3.3.1，虚线框所包围的是漏电保护器的主体部分，它包括主开关、互感器、脱扣器三部分。

正常工作时，火线、用电器和零线构成一个闭合电路。

可以想象：

火线中的电流和零线中的电流是大小相等、方向相反的，火线和零线对互感器所产生的效果完全抵消，互感器中没有电流流过，脱扣器接在互感器上的线圈“感觉”什么事情都没有发生，脱扣器不动作，开关保持接通状态。

图3.3.2l漏电脱扣器动作框图

　　如图3.3.2，如果地面上的人触摸到火线，就有电流从火线经过人体流向大地。

这时互感器中火线和零线中电流的大小出现差异，使互感器上的线圈感应出电流（以后将会学到这方面的知识），这个电流使脱扣器动作，把开关断开从而切断了电路，保护了人身安全。

　　触电电流对人体的危害程度跟触电电流的大小、触电时间的长短等因素有关，触电电流在0.5mA以下时，人体没有反应；触电电流为30mA、触电时间为1s以下时，不会造成死亡事故；触电电流为200mA时，即使触电时间为0.2s，也有可能造成生命危险。

因此，对漏电保护器来说，多大的漏电电流就应该引起断电保护动作以及动作时间是多少，这是两个重要的技术指标。

用于一般场所防止触电事故的漏电保护器，当漏电电流达到60mA时，通常要求漏电保护器必须在0.2s内断开电路，当漏电电流为250mA时，要求在0.04s内断开电路。

用于防止发生火灾的漏电保护器的灵敏程度可以适当放宽，动作时间在0.1s到2s之间。

　　为经常检查漏电保护器的动作性能，漏电保护器上必须装一个试验按钮，按下按钮时，可以模拟一个漏电电流，以检查漏电保护器的开关能否正常脱扣。

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

以下是各部分电路的简要说明:

（1）供电电源电路

电源电路主要是为电机控制电路、单片机控制、电压电流漏电检测电路、声音报警和液晶显示电路提供+12V和+5V电源，+12V和+5V电源由220V交流电经过变压器、整流滤波电路和LM7812和LM7805芯片产生，电路框图见图4.2。

（2）单片机电路

单片机是漏电保护器的核心,完成漏电保护器的控制功能,包括交流电压、电流和漏电电流的采样、采样数据处理、选项设置、声音报警、液晶显示控制和电机控制等功能。

单片机采用的是STC公司的STC89C51RC/RD系列单片机，该系列单片机是新一代超强抗干扰/低功耗/高速的单片机，它的指令集完全兼容传统5单片机，在设计中选用该系列的89LE516AD单片机，该单片机具有8路A/D采样端口，作为三相交流电的电压、电流和漏电的采样端。

该单片机是3.3v供电，在电路中采用5v电压串联两个二极管（1N4007）实现。

（3）电机控制电路

图4.3电机控制电路

在保护器中,用交流电机的正反转控制保护器转到相应的位置来实现供电电路的通断。

交流电机的正反转由三根线（O,A,B）控制，一根（O）接零线，其余两根中的一根（A）接火线，另一根（B）悬空时正转,反之反转。

A、B两根线由单片机的I/O口通过三极管控制继电器的常开节点与火线连接,框图见图4.3。

同时检测位置信号,当到达指定位置是,切断信号,使电机停转（如交流电出现故障，电机转动开关使电源断路,检测位置信号,到达断路位置,单片机使单片机停转）。

图4.4三相交流电电压检测电路

三相交流电电压电流漏电检测电路实现对三相交流电电压、电流和漏电的检测，以实现对过压、欠压、过流和漏电的保护（见图4.4）。

电压检测由三相交流变压器、整流滤波电路和分压电路组成。

其中三相交流变压器把220v的电压变为低电压的交流电，对应比例为300/5，整流滤波电路完成交直流转换，分压电路完成电压调整,保证在300v交流电对应3.3v电压,实际调节为220v交流输入对应2.42v。

电流检测由三相交流互感器、整流滤波电路和分压电路组成。

其中三相交流互感器把电流转换为电压信号,整流滤波电路完成交直流转换,分压电路完成电压调整,保证在额定工作电流的120%时对应3.3v。

漏电检测电路由漏电电流互感器（检测零线和地线之间的电流）、分压电路组成。

其中漏电电流互感器把电流转换为电压信号,分压电路完成电压调整,保证在最大漏电电流的120%时对应3.3v。

（4）按键设置、液晶显示和声音报警电路

按键设置和液晶显示电路一起设置电压的过压和欠压值,过电流值和漏电电流值。

采用4个按键,分别为设置键,加减控制键和退出键。

液晶电路显示三相交流电压和电流值,同时用7个发光二极管表示三相电压、电流和漏电报警。

声音报警电路采用语音芯片完成对过压、欠压、过流和漏电的声音报警,语音芯片为API8108。

5漏电保护器的软件设计

图5.1软件整体框图

漏电保护器的核心控制器是单片机,采用STC公司的89LE516AD单片机,采用keilC51编程,软件完成整个控制器的功能,包括电压、电流漏电采样接口、采样数据处理、选项设置、液晶显示接口以及对电机正反转的控制功能。

软件的整体框图见图5.1。

以下部分是对软件各部分的介绍。

（1）上电初始化

上电初始化主要完成定时器初始化、端口初始化和位置检测功能。

在控制器的设计中,交流电压的数据采集是500ms采一次数据,数据采集的定时是通过单片机的定时器1中断完成。

定时器初始化完成定时器初值、工作模式的设置。

位置检测完成对漏电保护器开关位置的检测。

（2）设置状态

通过对设置按钮的采样,决定控制器处于设置状态还是工作状态,高为工作状态,低为设置状态。

在对按钮的采样过程中,需要对按键进行去抖处理,在程序中采用最常用的去抖方法,当按键采样为低时,延时2毫秒,再检测按键,如果还是低，认为是低信号,否则认为是抖动,不预考虑。

（3）设置状态机

图5.2设置状态机状态图

图5.3数据处理及控制软件框图

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。

6结论和展望

经过实际工作的测试,本文中的漏电保护器的设计,达到预期的目的,完成了欠压、过压、过流及漏电值的设置,检测欠压、过压、过流及漏电值情况,并根据设置和检测情况使用电电路得到保护,防止出现触电及火灾等情况。

该漏电保护器达到了产品生产的要求,可以投入批量生产。

本文作者创新点：

采用STC公司带有8路A/D采样的单片机89LE516AD，简化硬件电路，使软件编程更简单，采用液晶与按键相配合的方法，设置电压、电流和漏电的额定值,用液晶显示采样数据,使显示更直观,采用语音报警,使监控人员得到更确定的报警信息。

参考文献

[1]王丽.基于单片机的漏电保护器动作特性检测技术的研究.2007.

[2]李全利.单片机原理及应用技术.北京：

高等教育出版社,2005.

[3]封岸松,谢迪,魏立峰.基于单片机