毕业论文---利用单片机制作家用电器漏电检测报警器.docx
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本科毕业论文（设计）
（理工类）
题 目：
利用单片机制作家用电器漏电检测报警器专 业：
物理学
作者 姓名：
指导教师姓名：
指导教师职称：
教授
2011年5月
摘要
随着科技和电子产品的广泛应用，特别是家电的普及，给我们方便的同时也伴随着家电的用电安全问题。
家电漏电轻者可导致受伤重者就有生命危险。
其中的泄漏电流，尤其是家电工作温度下的泄漏电流是1个最能确切反映实际工作状态的安全电系数;也是一个对人安全有着直接影响的电参数。
因为，当电源线一端接地，人体接触电器外壳时，电器泄漏电流会通过人体流向大地，这会是我们的生命受到威胁。
因此，漏电检测并报警无论是对家电还是对人体的自身安全都具有重要的意义，通过对漏电的检测并报警，我们可以防患于未然，从而保护电器及人身财产安全。
关键词：
单片机;AT89S51;报警器
V
Abstract
Alongwithtechnicalandtheelectronicproductswidespreadapplication,speciallytheelectricalappliancespopularization,atthesametimewhichfacilitatesforusalsofollows
theelectricalappliancestouseelectricitythesecurityproblem.Theelectricalappliancesleaklighttobepossibletocausetobeinjuredheavytohavethelifedanger.Divulgingelectriccurrent,undertheelectricalappliancesoperatingtemperaturedivulgingelectriccurrentisinparticular1mostcanexactlyreflectthepracticalworkconditionthesecurityelectricalsystemnumber;Alsoisonehassafelytothehumanthedirectinfluenceelectricalparameter.Because,whenpowerlineterminationplace,humanbodycontactelectricapplianceoutercovering,theelectricappliancedivulgingelectriccurrentcanflowtotheearththroughthehumanbody,thiscanbeourlifeisthreaten.Therefore,regardlessoftheleakageexaminesandreportstothepoliceisallhasthevitalsignificancetotheelectricalappliancesortohumanbodyownsecurity,throughandreportstothepolicetotheleakageexamination,wemaypreventaccidentsbeforetheyoccur,thusprotectstheelectricapplianceandthepersonpropertysecurity.
Keywords:
singlechip;AT89S51;alarm
长春师范学院本科毕业论文（设计）
目录
中文摘要 Ⅲ
英文摘要„ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ Ⅳ
第1章 家用电器漏电检测报警器的总设计方案 1
1．1家用电器漏电报警器的设计思想„„„„„„„„„„„„„„„„„„„
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1.2家用电器漏电报警器的设计方案„„„„„„„„„„„„„„„„„„
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1．3家电漏电检测报警器的总框图„„„„„„„„„„„„„„„„„
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1．4单片机最小系统的总框图及详细说明„„„„„„„„„„„„„„„„„
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1．4设计目的„„„„„„„„„„„„„„„„
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第2章 工作原理与设计方法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„
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2．1漏电检测原理„„„„„„„„„„„„„
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2．2单片机报警器的声音产生与方法„„„„„„
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2．3 程序框图与程序„„„„„„„„„„„„
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第3章 程序调试„„„„„„„„„„„„„„„„
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3．1软件调试„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7
3．2硬件调试„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8
第4章 PCB结构设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 10
4．1 PCB设计平台„ „„ „„ „„ „„ „„ „„ „„ 10
4．2 元件布局及PCB整体结构工艺„„„ „„„„„ 11
4．3 布线工艺与准则„„„„„„„„„„„„„„„„..11
4．4 PCB制作流程与注意事项„„„„„„„„„„„11
总结„ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ „ 12
参考文献„„„„ „„„ „„„ „„„ „„„ „„„ „„„ 12
致谢
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附录
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附图1源程序„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13
附图2 电子元器件清单„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14
附图3 3D效果图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16
附图4 实物图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17
第1章家用电器漏电检测报警器的总设计方案
1.1家用电器漏电报警器的设计思想
目前市场上的声光报警器，安全插排和漏电检测装置的种类很多，但是要是把这几项功能结合在一起，市面上几乎是没有的，如果需要的话我们要去订购，而且成本很高，根基单片机的电路特性，它能把报警漏电检测结合起来，而且使用方便，漏电检测属于检测元件的一种，利用单片机的I/O的功能,对漏电装置进行检测，从而我们对家电排除故障，从而保护我们的人身安全，带漏电保护的插排就需要花费上百元，我们做的安全插排仅仅需要几十元的成本就可以完成，而其功能要比市面上的插片排要更健全，此设备有很好的经济效益和发展前景。
利用单片机控制方便，成本低，精度高，体型小等性能和特点设计为核心的一种多功能检测报警电路，利用单片机的实时控制和数据处理功能，完成对漏电的检测，进行光电报警，该多功能报警器有着经济又实惠的特点符合普通百姓的消费水平，能被众多家庭接受。
１.２家用电器漏电报警器的设计方案
该漏电报警器，采用了AT89S51单片机和传感器光敏三极管的组合，构成光电报警系统。
其系统主要包括以下几个部分组成：
探针、信号检测电路、单片机处理电路、声光报警电路。
本设计的家用电器漏电检测并报警器的工作原理：
家用电器接入电源以后，光电报警系统在休眠状态，若家用电器漏电，这时家用电器的金属外壳和底线都有电压，我们利用整流二极管和光敏三极管对家用电器进行信号采集，当有信号传入AT89S51,AT89S51立即对信号进行处理，从而进行光电报警，以提醒用户及时处理，避免事故发生。
1.3家电漏电检测报警器的总体框图
家用电器漏电检测报警器由探针、信号检测电路、单片机处理电路、声光报警电路单片机电源部分组成。
如下图：
18
图1.3-1家用电器漏电检测报警器的总框图
1.4单片机最小系统的总框图及详细说明
最小系统就是单片机在发挥具体测控功能时所必须的组成部分。
它由：
复位电路、震荡电路、输入输出设备、电源构成。
如下图所示：
图1.4-1单片机最小系统方框图
电源电路：
实际使用中，将近一半的故障或制作失败都与电源有关，因而我们需要高度重视电源部分，只有电源部分做的好才能保证电路的正常工作。
单片机系统电源电路：
如下图引脚ＧＮＤ（２０脚）和ＶＣＣ（４０脚）。
时钟电路：
单片机内部每个部件之间协调一致地工作，必须在时钟信号的控制下
进行。
单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益放大器，引脚XTAL1（19脚）和XTAL2
（18脚）分别是此放大器的输入端和输出端，只需在片外接一个晶振构成自激振荡器，为单片机系统提供时钟，如下图所示。
只时钟电路中的电容一般取30pF左右，晶体的震荡频率范围是1.2~24MHz。
在通常情况下51系列的单片机使用震荡频率为6MHz或12MHz，在通讯系统则常用11.0592MHz。
复位电路：
复位是指单片机内各寄存器的值变为初始状态。
例如，复位后单片机会从程序的第一条指令运行，避免出现混乱。
单片机的复位条件：
当RST（9脚）端出现高电平并保持两个机器周期以上时，单片机内部就会执行复位操作。
复位包括上电复位和手动复位，如下图所示。
上电复位是指在上电瞬间，RST端和Vcc端电位相同，随着电容的充电，电容两端电压逐渐上升，RST端电压逐渐下降，完成复位；手动复位是指在单片机运行中，按下RESET键，RST端点位即为高电平，完成复位。
复位后单片机进行初始化，PC=0000H，单片机从0000H单元开始执行程序。
片内RAM为随机值。
图1.4-2单片机各个引脚及最小系统的详细电路（AT89S51）
１.4设计目的
随着电子仪器、电子设备的广泛使用，特别是家用电器的普及，家用电器的用电安全性问题不可忽视。
泄漏电流、绝缘电阻、电气强度并称为电气安全性能中的3大
电参数。
其中泄漏电流，尤其是工作温度下的泄漏电流是1个最能确切反映实际工作状态的安全电参数;也是一个对人体安全有着直接影响的电参数。
因为，当电源线一端接地，人体触及电器外壳的情况下，电器泄漏电流会通过人体流人大地，可能导致人身伤亡。
因此，漏电检测无论是对家用电器还是对人的自身安全都具有十分重要的意义，通过对漏电的检测，可以根据漏电的情况作出具体的反应，从而保护电路及人身财产安全。
第2章工作原理与设计方法
2.1漏电检测原理
有些家用电器，如洗衣机、电热水器、电风扇、电饭煲、微波炉灯因机体绝缘不良而漏电，轻者麻手，重者造成人身事故。
本电路系统可有效地判断家电产品是否漏电，如有漏电现象，它会发出声光报警信号，告诫电器主人提高警惕或检查漏电故障，确保人身安全。
本电路系统由地线漏电整流电路、光电耦合器和单片机控制电路等组成，如下图所示。
2.1-1原理图（proteus）
电源地线漏电检测电路由D1、光电耦合器和降压电阻R1组成。
平时，三相插座上不插家用电器的电源插头，电路不消耗电能。
当有漏电的家用电器时，泄露电流便会由插座CZ的电线孔或电器的外壳经探针、D1、4N25的1、2脚及R1与地线构成闭合回路，使4N25内的发光二极管发光，且4N25中的光敏三极管由截止状态转呈导通状态，使P1.7有电压输入从而使报警器和指示灯发出报警指示。
使用光电耦合器4N25，是为了将交流电（漏电）与报警电路隔离开来，即采用电
/光隔离方式防止电器使用者发生触电事故。
如果家电不漏电，三相插座的中孔（地线）和家电的金属外壳不会带点，发光二极管因无电不会发光，即光电耦合器不工作，
4N25的4脚及与之相连的AT89C51的P1.7脚呈地电位，则AT89C51无信号输入，则
P1.0无信号输出，蜂鸣器和二级管无电路经过从而不工作。
需要说明的是D1应采用反向击穿电压400V以上的整流二极管（如 1N4004、
1N4005）；4N25宜选用正品的光电耦合器，如4N~4N28，TIL117等。
我们安装和检测时，一定注意供电电线的插座的相线和插座的相线、零线、地线对号连接，千万不能搞错。
在安装无误的条件下，当家电产品有150KΩ的漏电电阻时，电路便能可靠报警。
这时的动作电流为220V/（150+151）ΩK=1.1mA
2.2单片机报警器声音产生的方法
1）用单片机P1.0输出1KHz和500Hz的音频信号驱动扬声器输出报警器声音，作报警信号，要求1KHz信号响100ms，500Hz信号响200ms,交替进行，P1.7接一开关进行控制，当开关合上响报警信号，当开关断开告警信号停止，编出程序。
电路原理图
2.2原理图（protel99se）
2）系统板上硬件连线
（1．把“单片机系统”区域中的P1.0端口用导线连接到“音频放大模块”区域中的SPKIN端口上；
（2．在“音频放大模块”区域中的SPKOUT端口上接上一个8欧的或者是16欧的喇叭；
（3．把“单片机系统”区域中的P1.7/RD端口用导线连接到“四路拨动开关”区域中的K1端口上；
程序设计内容
（1．信号产生的方法
500Hz信号周期为2ms，信号电平为每1ms变反1次，1KHz的信号周期为1ms，信号电平每500us变反1次；
2.3程序框图与程序
报警器的程序框图：
图2.3-1报警器的程序框图
汇编源程序
（本系统的主要设计是软件设计，详细的源程序清单见附录1。
）
第3章系统调试
3.1软件调试
打开keilC51开发软件，调试程序，步骤如下。
先建立工程项目并选择芯片确定选项；
新建文件并在编辑窗口输入源程序（上面的参考程序）；将源程序文件添加到当前项目组中；
重建所有目标文件（编译），并根据输出窗口给出的提示，检查是否有语法错误，如有错，根据提示修改源程序并重新编译，直至显示0错误为止；
进行软件模拟仿真调试（出错）或硬件仿真看程序是否能满足设计要求，如若不能，也要修改源程序，并重新编译、仿真，直到最终达到设计要求为止。
3.2硬件调试
3.1-1keil调试界面
烧录程序将编程器与计算机连接好，并插上电源，运行计算机的stc89单片机烧写软件，步骤如下：
程序启动后，会自动检测硬件及连接，状态框中显示“就绪”字样，表示编程器连接和设置均正常。
否则请检查硬件连接和端口设置。
可以按照下面设置端口，这里的端口一定要和你所连接的COM口对应。
（别的参数不要改变）如下图
把单片机芯片正确地放到编程器的相应插座上，芯片第一脚超IC座的手柄方向。
（注意，如果编程器上的红灯亮了，表示芯片方向放置正确；否则请检查方向是否反了！
！
！
）芯片放好后，就可以对芯片进行读写操作了，读写操作按下面的步骤进行：
程序运行，请先选择器件（点下选框），再点检测，运气好的话可以检测到器件。
如果运气不好，可能检测不到器件，原因可能是
您的单片机特征字有点问题，可能性95%（只是有问题，并没有说坏）编程器有问题，可能性5%
检测不到也没关系，可以忽略这个功能。
请直接按照下面的说明操作，对芯片擦除、读、校验等操作。
2、用“打开文件”选择打开要编写的.HEX和.BIN文件。
3、用“保存文件”可以保存读出来的文件。
4、用“擦除器件”擦除芯片。
5、用“写器件”编程。
6、用“读器件”读取芯片中的程序，加密的读不出来。
7、用“校验数据”检查编程的正确与否。
8、用“自动完成”自动执行以上各步骤。
9、松开插座，取下AT89S51，烧录完成。
10、把芯片安装到电路板上，观察是否能正常工作，能工作则大功告成。
第4章PCB 结构设计
4.1 PCB设计平台
本设计是采用Protel99SE作为原理图和PCB的绘制工具。
Protel是目前国内最流行的通用EDA软件，它是将电路原理图设计、PCB板图设计、电路仿真和PLD设计等多个实用工具软件组合后构成的EDA工作平台，是第一个将EDA软件设计成基于Windows的普及型产品。
Protel98率先集成了软件界面，Protel99增加了仿真功能和PLD设计和信号完整性分析。
Protel99SE是Protel公司于2000年推出的一款EDA软件，是Protel家族中性能较为稳定的一个版本。
它不仅是以前版本的升级，更是一个全面、集成、全32位的电路设计系统。
Protel99SE的功能十分强大，在电子电路设计领域占有极其重要的地位。
4.2 元件布局及PCB整体结构工艺
本设计为产品化设计，因此首要考虑元件布局的紧凑性。
对元件布局进行优化，能有效的降低布线难度和生产的工艺要求。
布局要能使各LED点阵模块紧密契合，还要注意各PCB之间的衔接，以便于用户扩展显示单元。
从布线难度、铜膜载流容量、PCB热弯曲效应和机械强度等方面考虑。
本设计采用玻璃纤维1.5mm厚双面PCB板。
生产的时候选择高温阻焊、焊盘喷锡、双面丝印工艺。
这种工艺生产出来的PCB坚固美观，易于焊接和维修。
4.3 布线工艺与准则
布线的时候首先考虑的是正确性，其次逐步修改布局及走线使其美观大方。
在布通的基础上，根据100mil/A的经验载流容量修改高电流路径走线宽度及过孔尺寸。
宁宽勿窄！
为进一步提高条屏系统的电磁兼容性，除了在关键的地方增加旁路电容外，PCB走线也是一个重要的影响因素。
布线的时候要遵照高频电路布线规则：
少走直角线、顶层底层经纬布线、信号线上尽量避免过孔、尽量缩短走线路径、在DGND,AGND网络设置大面积敷铜等等。
具体的生产工艺要求需与PCB生产厂家咨询获知。
目前双面PCB的标准工艺为：
线宽7mil，线距7mil，过孔0.4mm，阻焊、丝印、喷锡、浸银。
4.4PCB板这座流程与注意事项
—使用自动钻孔机注意事项
1把原料板粘在钻孔机上时，一定要把板粘牢，谨防钻孔时板脱落。
2退回原点安装钻头，安装钻头时一定要确保钻头插到位，插紧。
3在确定零点坐标时，调整Z轴时的小心仔细，以免损坏钻头。
确定Z轴零点时，钻头距板面1～2㎜即可。
4换钻头时，一定的退回原点，且要等到主电机停止转动时在换，防止操作人员损伤。
5关闭钻孔机时，先关主动电机电源，在关总电源。
二活化通孔过程中一定要检查是否通孔完全，并且保证每一个小孔中都要有碳膜，确保电镀顺利完成。
三使用油墨固化机烘干固化时，一定要小心操作，谨防烫伤。
（在150℃固化字符油墨时的平放电路板）
四在丝印油膜时，要选择正确丝印网，一定要均匀印刷。
印刷时用力要平衡，谨防划破丝网。
五使用曝光机时，开灯后要等到电流稳定在20A以内在进行曝光。
曝光时电路打印膜一定要对准，对正板孔，且曝光时间要正确。
六显影时，显影时显影时间一定要合适，显完影后水洗时用手指触摸，确保无滑感觉。
七电镀时要选择正确的电镀电流，确保电镀均匀完美。
切记镀铜的板夹和镀锡的板夹不能混用，并且每次电镀完毕后，取出清洗干净存放。
电镀用的铜锭和锡锭也要在电镀完毕后取出清洗干净存放。
总结
通过本次设计，使我认识并了解了基本的设计开发过程，在这过程中，我的身边的同学们给了我很多的启示和帮助，而且我觉的对以前不了解的单片机知识有了一个更高更深的了解。
我相信我所学的东西在以后的工作学习中会起很大的作用。
参考文献
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[14]Donald
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