基于单片机漏电保护器的研究潘稳成

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研究 学习中心： 贵州黔南奥鹏学习中心层 次： 专科起点本科 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 2014 年 秋 季 学 号： 141470409128 学 生： 潘稳成 指导教师： 刘晓艳 完成日期： 2016 年 5 月 26 日基于单片机的漏电保护器研究1内容摘要PIC16F877单片机在 8位单片机中脱颖而出，它采用精简指令集计算机RISC、哈佛双总线、指令流水线结构。其抗干扰能力强，性能价格比高，完全可以满足对漏电信号进行实时监测的要求，并可以根据用户要求进行延时和非延时的要求，对于其他外围电路，比如零序电流互感器的选择，信号处理电路，相位同步电路，漏电显示电路，动作执行电路，都进行优化设计，实时性更高，反应更加准确迅速。本篇毕业论文（设计）主要介绍了漏电保护器的工作原理、分类、功能、用途，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；单片机基于单片机的漏电保护器研究2目 录内容摘要 .2目 录 .3引 言 .4绪 言 .51 漏电保护器发展现状及前景 .62 漏电保护器简介 .72.1 漏电保护器的主要功能 .72.1.1 防止人身触电 .72.1.2 防止漏电引起的火灾 .92.1.3 防止漏电造成的设备损坏 .92.1.4 降低对保护接地电阻的要求 .92.2 漏电保护器的分类 .92.3 漏电保护器的工作原理 .113 总设计方案 .124 硬件电路设计 .134.1 零序电流互感器的选择 .134.2 低通滤波器设计 .144.3 相位同步电路的设计 .154.4 单片机接口电路设计 .164.4.1 PIC单片机介绍 .164.4.2 PIC16F877单片机 I/O脚分配 .184.4.3 单片机接口按键设计 .204.4.4 单片机复位电路设计 .214.4.5 单片机振荡电路设计 .224.5 液晶显示部分硬件设计 .234.6 控制执行部分硬件设计 .244.7 电源部分设计 .255 软件部分的设计 .265.1 软件设计总体思想 .265.2 主程序的设计 .275.3 中断服务模块 .295.3.1 INT上升沿中断 .295.3.2 TMR2定时器中断 .305.4 漏电信号分析模块 .315.4.1 缓变电流计算模块 .315.4.2 漏电突变电流计算模块 .335.5 漏电动作记忆和显示模块 .356 结论和展望 .36参考文献 .37基于单片机的漏电保护器研究3引 言电，是现代经济的命脉，它与工农业生产、科学研究、国防建设，以及人们日常生活休戚相关。现代社会的各个领域中如果没有了“电”这个基本能源；那么产生的后果和损失是急剧震撼性的。但是，使用电也潜伏着危险，特别是低压电网和低压用电设备安装、使用或检修处理不当时，就可能引起电气事故，甚至威胁人身安全。发生触电主要有两种形式：一是由于人体直接触及带电的裸露导体，既所谓的直接接触；二是人体触及劣化、破损或浸沾导电液体而使外壳带电的设备，既所谓的间接接触。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。它有单相的，也有三相的。 根据保护器的工作原理，可分为电压型、电流型和脉冲型三种。电压型保护器接于变压器中性点和大地间，当发生触电时中性点偏移对地产生电压，以此来使保护动作切断电源，但由于它是对整个配变低压网进行保护，不能分级保护，因此停电范围大，动作频繁，所以已被淘汰。脉冲型电流保护器是当发生触电时使三相不平衡漏电流的相位、幅值产生的突然变化，以此为动作信号，但也有死区。目前应用广泛的是电流型漏电保护器。基于单片机的漏电保护器研究4绪 言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。本项目在以下几个方面开展研究工作。1) 对漏电保护检测原理进行分析。2) 以 Microchip公司的 PIC单片机为硬件基础，设计出漏电保护器硬件模块。3) 对 PIC16877芯片编程，实现软件控制。基于单片机的漏电保护器研究51 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。基于单片机的漏电保护器研究62 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。基于单片机的漏电保护器研究7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=50mAs，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=30mAs。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 30 mAs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基于单片机的漏电保护器研究8100mA。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 4 和 10，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() 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 = 250。可见，与安装漏电保护器之前的 4 或 10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基于单片机的漏电保护器研究9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