【正文】 異，但基本結(jié)構(gòu)和工作原理相同。漏電保護(hù)器主要由三個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即檢測(cè)元件、中間環(huán)節(jié) 和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其組成方框圖如圖 22所示。 零 序 電 流 互感 器放 大 單 元單片機(jī)動(dòng) 作執(zhí) 行單 元電 源 圖 22 智能型漏電保護(hù)器原理框圖 1）檢測(cè)元件采用漏電電流互感器，它由封閉的環(huán)形鐵心和一次、二次繞組構(gòu)成，一次繞組有被保護(hù)電路的相、線電流流過(guò)，其作用是將采集到的漏電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成中間環(huán)節(jié)可以接受的電壓或功率信號(hào)。 2）中間環(huán)節(jié)采用運(yùn)算放大器和單片機(jī)控制系統(tǒng)，對(duì)漏電信號(hào)進(jìn)行處理（變換、放大和比較）和動(dòng)作控制。因此通常包括放大器、比較器和脫扣器等。 3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般為觸點(diǎn)系統(tǒng)，采用低壓斷路器或交流接觸器 ，根據(jù)中間環(huán)節(jié)發(fā)出的指令，來(lái)切斷保護(hù)電路的電源。 電流型漏電保護(hù)器工作原理如圖 23 所示。 基于單片機(jī)的漏電保護(hù)器的研究 12 圖 23 電流型漏電保護(hù)器工作原理圖 當(dāng)被保護(hù)電路無(wú)觸電、漏電故障時(shí)，通過(guò)漏電電流互感器的一次側(cè)電流的向量和等于零。這樣，各相工作電流在此電流互感器中所產(chǎn)生的磁通向量和也為零。因此電流互感器的二次側(cè)線圈沒(méi)有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，漏電保護(hù)器不動(dòng)作，系統(tǒng)正常供電。當(dāng)被保護(hù)電路中有人觸電或出現(xiàn)漏電故障時(shí)，由于漏電電流的存在，使得通過(guò)漏電電流互感器一次側(cè)的各相負(fù)載電流（包括中性線電流）向量和不再為零，這一向量和就是漏電電流 。此時(shí)在電流互感器的環(huán)形鐵心上將有勵(lì)磁磁勢(shì)存在，電流互感器的二次側(cè)線圈在磁通向量和的作用下，有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，此信號(hào)電壓經(jīng)過(guò)中間環(huán)節(jié)的處理和比較，當(dāng)達(dá)到預(yù)期時(shí)，使主開(kāi)關(guān)的勵(lì)磁線圈 TL 通電，驅(qū)動(dòng)主動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，迅速切斷被保護(hù)電路的供電電源，從而達(dá)到防止觸電事故發(fā)生的目的。 基于單片機(jī)的漏電保護(hù)器的研究 13 3 總設(shè)計(jì)方案 延 時(shí) 和 動(dòng) 作 電 流 設(shè)定相 位 同 步零 序 電 流互 感 器信 號(hào) 處 理漏 電電 流電 源單片機(jī)液 晶顯 示執(zhí) 行 機(jī)構(gòu) 圖 31 智能漏電保護(hù)器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 智能化漏電保護(hù)器的硬件可以劃分為五大部分 ,即漏電檢測(cè)電路、相位同步電路、漏電動(dòng)作電流和時(shí)間延時(shí)設(shè)定電路、漏電數(shù)字顯示電路和動(dòng)作執(zhí)行單元。 漏電檢測(cè)電路由零序電流互感器和信號(hào)處理單元組成 ,這部分電路將檢測(cè)出漏電信號(hào)送到單片機(jī)的 A/D 輸入通道 ,轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)，相位同步電路負(fù)責(zé)將電網(wǎng)的電壓信號(hào)與漏電信號(hào)的相位進(jìn)行比較 ,單片機(jī)根據(jù)它們的相位差來(lái)判斷各相漏電電流，漏電動(dòng)作電流和時(shí)間設(shè)定電路是來(lái)設(shè)定額定漏電動(dòng)作電流及動(dòng)作時(shí)間 ,根據(jù)需要也可以設(shè)定為單片機(jī)自 動(dòng)選擇額定漏電動(dòng)作電流， 漏電數(shù)字顯示電路是由單片機(jī)控制 ,顯示電網(wǎng)的漏電電流動(dòng) 值和動(dòng)作原因，動(dòng) 作執(zhí)行單元直接由單片機(jī)控制 ，完成漏電保護(hù)功能。 智能化漏電保護(hù)器是在 PIC16F877 單片機(jī)的控制下完成的 ,其控制軟件由四部分組成 ,即上電初始 化模塊、漏電信號(hào)分析模塊、漏電電流顯示模塊、 漏電動(dòng)作輸出模塊。上電初始化模塊主要完成上電后的初始化 ,對(duì) PIC16F877 的端口進(jìn)行初始化 ,還包括根據(jù)外部設(shè)置狀態(tài)確定額定漏電動(dòng)作電流和動(dòng)作時(shí)間。漏電信號(hào)分析模塊主要通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換后 ,將漏電模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào) ,對(duì)于三相電網(wǎng)來(lái)說(shuō) ,還要將各相漏電電流分離出來(lái)。漏電電流顯示模塊采用動(dòng)態(tài)掃描輸出方式 ， 交 替顯示總漏電電流、 A相漏電電流、 B相漏電電流、 C 相漏電電流。漏電動(dòng)作輸出模塊主要是將漏電電流與漏電動(dòng)作值進(jìn)行比較 ， 當(dāng)漏電電流大于設(shè)定值時(shí) ,單片機(jī)發(fā)出動(dòng)作信號(hào)。 基于單片機(jī)的漏電保護(hù)器的研究 14 4 硬件電路 設(shè)計(jì) 零序電流互感器的 選擇 零序電流是整個(gè)系統(tǒng)的原始信號(hào)，它的準(zhǔn)確程度決定了整個(gè)系統(tǒng)的精度，所以零序電流互感器的選擇就頗為重要。一般的零序電流互感器 在原方電流小于 25 安培時(shí)它的變比和相角誤差均較大，不能滿(mǎn)足微機(jī)檢測(cè)設(shè)備的要求。所以選擇高精度零序電流互 感器采用 LJWZ3 型，它的優(yōu)點(diǎn)是即使原方電流很小 ()時(shí)也能保證足夠的準(zhǔn)確度。其輸出信號(hào)接負(fù)載電阻后送低通濾波器進(jìn)一步處理。 低通濾波器設(shè)計(jì) 由于電力系統(tǒng)中存在大量的諧波成分，特別是三次和五次諧波的存在將會(huì)給數(shù)字系統(tǒng)帶來(lái)極大的危害，為了避免諧波影響，必須有濾波電路將各次諧波濾除。濾波電路實(shí)際上是一種選頻網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)阻帶的不同可分為低通、高通、帶通、帶阻濾波電路，工頻電網(wǎng)中的諧波絕大多數(shù)是高次奇次諧波，因而需要低通濾波器。按照所用元件的不同，濾波器分為有源濾波器和無(wú)源論波器兩大類(lèi)。 濾波的效果是由輸出幅值的大小來(lái)決定的，無(wú)源濾波器是用 元件構(gòu)成的，電路比較簡(jiǎn)單，但由于電阻的分壓，使濾波輸出信號(hào)幅值變小，濾波效果不好。使用運(yùn)算放大器的濾波電路是有源濾波電路，由于運(yùn)放的存在，高輸入阻抗、低輸出阻抗和一定程度的反饋，消除了因電阻分壓而造成的輸出信號(hào)幅值變小的缺點(diǎn)是一種理想的濾波電路。本文采用有源濾波。常用的濾波器有巴特沃斯型、切比雪夫型。切比雪夫型濾波器在通頻帶輸出信號(hào)幅值以某一值為中心，上下波動(dòng)一個(gè)小范圍，這個(gè)范圍的大小用紋波系數(shù)來(lái)表示。其通頻帶與帶阻之間的變化曲線比較陡峭，截止特 性好。巴特沃斯型濾波器在通頻帶比較平坦，但截止特性緩慢。本文的目的在于濾除工頻電流中的諧波，一般諧波的次數(shù)為三次、五次、七次，設(shè)計(jì)了四階切比雪夫模擬濾波器用以消除三次以上諧波對(duì)系統(tǒng)造成的影響。其設(shè)計(jì)性能要求達(dá)到三次諧波衰減達(dá)到 40dB，其電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)如圖 41。 基于單片機(jī)的漏電保護(hù)器的研究 15 1K 1K1K 1K1 u F3 .6 u F1 0 u F4 .7 u F321411L M 2 2 4 AC A P321411L M 2 2 4 A 5 V5V5V 5 V5 u F1K5K 圖 41 低通濾波器電路原理圖 相位同步電路的設(shè)計(jì) 在三相電網(wǎng)中的漏電保護(hù)器能夠分別顯示三相漏電電流。在三相電網(wǎng)中，只單純地顯示三相漏電矢量和 ,還不能完全滿(mǎn)足用戶(hù)的需要。分別顯示出各相漏電電流，更便于用戶(hù)故障分析，判斷究竟是哪一相 線路發(fā)生了漏電。 漏電信號(hào)分析模塊中在對(duì)漏電信號(hào)進(jìn)行處理時(shí) ,需要將漏電信號(hào)分為三相漏電電流 ,以便輸出顯示。我們利用 A 相電壓作為相位參考基準(zhǔn)，檢測(cè)出漏電電流為 I,其滯后相位為θ ,由此將漏電信號(hào)復(fù)原為各相不平衡漏電電流。 相位同步電路設(shè)計(jì)方案如圖 42 所示 : 542312L M 3 39 A4 uF5 K M2 002 005K5K505 K M542312L M 3 39 A1234 07 0 AC L K3D2SD4CD1Q5Q6AVD1 VD2L E D 1L E D 25V5V5V4 70 P F0 .4 u F2 4K 2 4K321411AL M 1 02 5 VLAi（ t）1M5V 基于單片機(jī)的漏電保護(hù)器的研究 16 圖 42 相位同步電路 原理圖 本電路可以檢測(cè)電力網(wǎng)的電壓和電流之間 0180 度的相位差，而且不需要切斷被測(cè)電路。比較器 LM339 做過(guò)零檢測(cè)器，其靈敏度為 10mv。 RP 和 C 一起作為鉗形頭的負(fù)載并取得與 i（ t）成比例的電壓。 74LS74 用于超前 退后提示。 或門(mén) 4070 將電流電壓方波信號(hào)合成相位差波形 p（ t），經(jīng)低通濾波和 A/D 轉(zhuǎn)換后，由 LCD 顯示出來(lái)。 單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì) PIC 單片機(jī)介紹 提到單片機(jī)的應(yīng)用，有人這樣說(shuō)，“凡是能想到的地方，單片機(jī)都可以用得上”，這并不是個(gè)夸張。由于全世界單片機(jī)的年產(chǎn)量以?xún)|計(jì)，應(yīng)用范圍之廣，花樣之 多。一時(shí)難以律述，這里僅列舉一些典型的應(yīng)用領(lǐng)域或場(chǎng)合供讀者參考 [15]。 1） 電信 電話機(jī)、無(wú) 繩電話機(jī)、投幣電話機(jī)、磁卡電話饑、光卡電話機(jī)、數(shù)字或漢字子呼機(jī)、模擬或數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信手待機(jī)、無(wú)線對(duì)講機(jī)、業(yè)余無(wú)線 電臺(tái)、傳真機(jī)、調(diào)制解調(diào)器、通話計(jì)費(fèi)器、電話密碼鎖、來(lái)電顯示器 (caller ID)等。 2） 家用電器 遙控電視機(jī)、錄像機(jī)、攝像機(jī)、 VCD、 CD、衛(wèi)星電視接收機(jī)、音響音調(diào)控制器、卡拉 OK 點(diǎn)唱機(jī)、數(shù)字照相機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)、冰箱、空調(diào)、洗碗機(jī)、微波爐、熱水器、萬(wàn)年歷、智能充電器、各種報(bào)警器、電卡電度表等。 3） 計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備 鍵盤(pán)、打印機(jī)、繪圖儀、掃描儀、智能終端、智能擴(kuò)充卡等。 4） 辦公自動(dòng)化 復(fù)印機(jī)、智能打字機(jī)、傳真機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理 PDA 等。 5） 工業(yè)控制 數(shù)控機(jī)床、智能機(jī)器人、可編程順序控制、電機(jī)控 制、過(guò)程控制、溫度控制、智能傳感器等機(jī)電一體化系統(tǒng)中。 6） 商用電子 自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)柜員機(jī)、電子收款機(jī)、電子砰、智能卡、 IC卡讀寫(xiě)器。 7） 玩具 袖珍游戲機(jī)、電子寵物、智能玩具、遙控玩具、學(xué)習(xí)玩具等。 基于單片機(jī)的漏電保護(hù)器的研究 17 8） 儀器儀表 用于醫(yī)療、化工、電子、計(jì)量等領(lǐng)域的各種智能儀器儀表。 9） 汽車(chē)電子 點(diǎn)火控制、變速控制、防滑控制、防撞控制、排氣控制、最佳燃燒控制、防盜報(bào)警、電子地圖、車(chē)載通信裝置等。 10） 軍用電子 各種導(dǎo)彈和魚(yú)雷的精確制導(dǎo)控制、智能武器、雷達(dá)系統(tǒng)、電子戰(zhàn) 飛機(jī) 等。 單片機(jī)應(yīng)用的意義不僅僅限于 它的廣闊范圍以及 所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，更重要的還在于它 從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)恩想和設(shè)計(jì)方法。從前，必須由模擬電路或數(shù)字 電路實(shí)現(xiàn)的大部分控制功能，現(xiàn)在已能使用單片機(jī)通過(guò)軟件方法實(shí)現(xiàn)了。這種以軟件取代硬件并能 提高系統(tǒng)性能的控制 技術(shù)稱(chēng)之為微 控制 技術(shù)。微控制技術(shù)標(biāo)志著一種全新概念，隨著單片機(jī)應(yīng)用的推廣普及，微控制技術(shù)必將不斷發(fā)展和日趨完善，而單片機(jī)的應(yīng)用則必將更加深人、更加 廣 泛。 PIC 單片機(jī)是美國(guó) Microchip 公司所生產(chǎn)的單片機(jī)系列產(chǎn)品型號(hào)的前綴。 PIC 系列單片機(jī)的硬件系統(tǒng)設(shè) 計(jì)簡(jiǎn)潔，指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)精煉。在所有的單片 機(jī)品種當(dāng)中，它是最容易學(xué)習(xí) 、最容易應(yīng)用的單片機(jī)品種之一。對(duì)于單片機(jī)的初學(xué)者來(lái)說(shuō)，若選擇 PIC 單片機(jī)作為攻入單片機(jī)王國(guó)的“突破口”，將是一條最輕松的捷徑，定會(huì)取得事半功倍的功效。 世界上有一些著名計(jì)算機(jī)芯片制造公司，其單片機(jī)產(chǎn)品是在其原有的微型計(jì)算機(jī)CPU 基礎(chǔ)上改造而來(lái)的，在某種程度上自然存在一定的局限性。而 Microchip 公司是一家專(zhuān)門(mén)致力于單片機(jī)開(kāi)發(fā)、研制和生產(chǎn)的制造商，其產(chǎn)品設(shè)計(jì)起點(diǎn)高，技術(shù)領(lǐng)先，性能優(yōu)越，獨(dú)樹(shù)一幟。 目前，已有好幾家著名半導(dǎo)體公司仿照 PIC 系列單片機(jī)，開(kāi)發(fā)出與之引腳兼容的系列單片機(jī)。例如，美同 SCENIX 公司的 5X系列、臺(tái)灣 EMC 公司的 EM78P 系列、臺(tái)灣 MDT 公司的 MDT系列等?？梢哉f(shuō)， PIC 系列單片機(jī)代表著單片機(jī)發(fā)展的新動(dòng)向。 它具有以下優(yōu)點(diǎn)： a. 數(shù)據(jù)總線和指令總線分離的哈佛總線結(jié)構(gòu)。 b. 只有 35條指令的精簡(jiǎn)指令集，而 MCS51 單片機(jī)的指令系統(tǒng)共有 111 條 指令 。 c. PIC 系列單片機(jī)只有 4 種尋址方式，而 MCS51 單片機(jī)則為 7種尋址方 68HC05 單片機(jī)為 6種。 d. 代碼壓縮率高 1K 字節(jié)的存儲(chǔ)器空間，對(duì)于像 MCS51 這樣的單片機(jī)，大約只能存放 600條指令，而對(duì) 于 PIC 系列的單片機(jī)能夠存放的指令數(shù)可達(dá) 1024 條。 基于單片機(jī)的漏電保護(hù)器的研究 18 e. 驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。 I/O 端口驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力較強(qiáng)，能夠直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管 LED、光電耦合器或者微型繼電器等。 f. PIC 系列單片機(jī)的程序、堆棧、數(shù)據(jù)三者各自采用互相獨(dú)立的尋址（或地址編碼）空間，尋址空間設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔。 g. PIC 系列單片機(jī)內(nèi)集成了上電復(fù)位電路、 I/O 引角上拉電路、看門(mén)狗定時(shí)器等，可以最大程度地減少或免用外接器件。 h. 開(kāi)發(fā)方便。對(duì)于 PIC 系列中的任一款單片機(jī)的開(kāi)發(fā)，都可以借助 于一套免費(fèi)軟件綜合開(kāi)發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)程序編寫(xiě)和模擬仿真，在用任意一種廉 價(jià)的燒寫(xiě)器完成程序的固化燒寫(xiě)，便形成一套最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的開(kāi)發(fā)系統(tǒng) [16]。 PIC16F877 單片機(jī) I/O 腳分配 選擇 PIC 微控制器芯片型號(hào)時(shí)要考慮到各個(gè)方面的因素，這些因素包括所需的 I/O 引腳的數(shù)目，所需的外圍設(shè)備 (例如 A/D 轉(zhuǎn)換模塊、 CCP模塊， USART 等 ) ， 記憶存儲(chǔ)空間的大小，控制器速度，芯片的實(shí)際尺寸 (封裝形式等 )[17]。 選擇 PIC 微控制器時(shí)，還有一點(diǎn)需特別注意，就是造價(jià)和以上所列因素之間的平衡。我們希望能夠選擇到的芯片具有最少的 I/O 引腳，外圍，記憶存儲(chǔ)空間和速度 。 結(jié)合本課題 的實(shí)際，根據(jù)上述因素，列出需求如下 : 計(jì)算所需 I/O 引腳的