【正文】 天津大學(xué)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院 專 科 生 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計） 題 目： 基于單片機的漏電保護器的設(shè)計 學(xué)習(xí)中心： 福建共贏 層 次： 高起專 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 年 級： 2021 級 學(xué) 號： 121211433047 學(xué) 生： 李興達 指導(dǎo)教師： 安玲玲 完成日期： 2021 年 3 月 24 日 基于單片機的漏電保護器的研究 2 摘 要 本篇畢業(yè)論文（設(shè)計）主要介紹了漏電保護器的工作原理、分類、功能 、用途 ，以及著重介紹了基于單片機的智能型電流漏電保護器的設(shè)計原理及應(yīng)用前景。 其主要對PIC16F877 型單片機 在漏電保護器的應(yīng)用 進行了設(shè)計 。 關(guān)鍵詞： 漏電保護器；電流型；單片機 基于單片機的漏電保護器的研究 3 目 錄 內(nèi)容摘要 2 引 言 4 緒 言 5 1 漏電保護 器發(fā)展現(xiàn)狀及前景 6 2 漏電保護器簡介 7 漏電保護器的主要功能 8 防止人身 觸電 8 防止漏電引起的火災(zāi) 9 防止漏電造成的設(shè)備損壞 9 降低對保護接地 電阻的要求 9 漏電保護器的分類 10 漏電保護器的工作原理 11 3 總設(shè)計方案 13 4 硬件電路設(shè)計 14 零序電流互感器的選擇 14 低通濾波器設(shè)計 14 相位同步電路的設(shè)計 15 單片機接口電路設(shè)計 16 PIC 單片機原理 16 PIC16F877 單片機 I/O 腳分配 18 單片機接口接鍵設(shè)計 20 單片機復(fù)位電路設(shè)計 20 單片機震蕩電路設(shè)計 21 液晶顯示部分硬件設(shè)計 22 控制執(zhí)行部分硬件設(shè)計 24 電源部分設(shè)計 25 26 軟件設(shè)計總體思想 26 主程序的設(shè)計 27 基于單片機的漏電保護器的研究 4 中斷服務(wù)模塊 30 INT 上升沿中斷 30 TMR2 定時器中斷 31 漏電信號分模塊 33 緩變電流計算模塊 33 漏電突變電流計算模塊 34 漏電動作記憶和顯示模塊 37 6 結(jié)論與展望 38 7 參考文獻 39 基于單片機的漏電保護器的研究 5 引 言 電，是現(xiàn)代經(jīng)濟的命脈，它與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、國防建設(shè)，以及人們?nèi)粘Ｉ钚萜菹嚓P(guān)?，F(xiàn)代社會的各個領(lǐng)域中如果沒有了“電”這個基本能源；那么產(chǎn)生的后果和損失是急劇震撼性的。但是，使用電也潛伏著危險，特別是低壓電網(wǎng)和低壓用電設(shè)備安裝、使用或檢修處理不當(dāng)時，就可能引起電氣事故，甚至威脅人身安全。 發(fā)生觸電主要有兩種形式：一是由于人體直接觸及帶電的裸露導(dǎo)體，既所謂的直接接觸；二是人體觸及劣化、破損或浸沾導(dǎo)電液體而使外殼帶電的設(shè)備，既所謂的間接接觸。 漏電保護器，用以對低壓電網(wǎng)直接觸電和間接觸電進行有 效保護，也可以作為三相電動機的缺相保護。它有單相的，也有三相的。 根據(jù)保護器的工作原理，可分為電壓型、電流型和脈沖型三種。電壓型保護器接于變壓器中性點和大地間，當(dāng)發(fā)生觸電時中性點偏移對地產(chǎn)生電壓，以此來使保護動作切斷電源，但由于它是對整個配變低壓網(wǎng)進行保護，不能分級保護，因此停電范圍大，動作頻繁，所以已被淘汰。脈沖型電流保護器是當(dāng)發(fā)生觸電時使三相不平衡漏電流的相位、幅值產(chǎn)生的突然變化，以此為動作信號，但也有死區(qū)。目前應(yīng)用廣泛的是電流型漏電保護器。 基于單片機的漏電保護器的研究 6 緒 言 隨著單片機技術(shù)的發(fā)展 ，單片機在電器領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，使電器具有智能化功能。漏電保護器是低壓電器的一個重要系列產(chǎn)品，但由于漏電保護的特殊性，日前對漏電保護的智能化在理論上和技術(shù)上還需要人們進行深入研究與探討。本項目在以下幾個方面開展研究工作。 1) 對漏電保護檢測原理進行分析。 2) 以 Microchip 公司的 PIC 單片機為硬件基礎(chǔ)，設(shè)計出漏電保護器硬件模塊。 3) 對 PIC16877 芯片編程，實現(xiàn)軟件控制。 基于單片機的漏電保護器的研究 7 1 漏電保護器發(fā)展現(xiàn)狀及前景 漏電保護器的發(fā)展大約經(jīng)歷了三個階段，即初 始階段、發(fā)展階段和成熟階段。 1912 年德國正式發(fā)明了電壓型保護器，保護電機外殼漏電。 1930 年歐洲國家開始采用電壓型保護器。 1940 年法國人發(fā)明了電流型保護器。 1956 年，德國開始生產(chǎn)電流型保護器。在 1962年美國研制成功靈敏度為 5mA的電流型保護器，標(biāo)志漏電保護器開始進入發(fā)展階段，德、日、法等國也相繼研制成功靈敏度為 30mA 的電流型保護器。到二十世紀(jì)七十年代，各國開始制定規(guī)程，強制在一些場所安裝漏電保護器，標(biāo)志漏電保護器的發(fā)展進入成熟階段。 我國研究漏電保護器起步要晚于國外，進入二十世紀(jì)七十年代以來，我國 用電量逐年增加，觸電事故也逐年增加，因此引起各部門的相當(dāng)重視。近年來，我國在漏電保護器方面的科研、生產(chǎn)、應(yīng)用有了較大的發(fā)展，國家標(biāo)準(zhǔn)主管部門先后組織編制了保護器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、使用標(biāo)準(zhǔn)；此外，原國家機械委還制訂了相關(guān)的產(chǎn)品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；此外，國家建設(shè)部在GB50054《低壓配電設(shè)計規(guī)范》和 GB50096《住宅設(shè)計規(guī)范》等國家標(biāo)準(zhǔn)中，對低壓配電系統(tǒng)和住宅中漏電保護器的應(yīng)用均作了規(guī)定。國家標(biāo)準(zhǔn)要求漏電保護器在投入運行后，使用單位應(yīng)建立運行記錄及相應(yīng)的管理制度，每月需在通電狀態(tài)下，按動實驗按鈕，檢查漏電保護器動作是否可靠。 雷雨季節(jié)應(yīng)增加檢查次數(shù)。但是該試驗只能用來檢查漏電保護器的脫扣功能，不能用來校核額定漏電動作電流和分?jǐn)鄷r間的數(shù)值。所以國家標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定應(yīng)定期進行漏電保護器的動作特性試驗，測試漏電動作電流值、漏電不動作電流值和分?jǐn)鄷r間，而且，對上述試驗中采用的檢測儀表的精度等級做出了明確的規(guī)定。 隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機的集成度越來越高，功能越來越豐富。以單片機為主體，取代傳統(tǒng)儀器儀表的常規(guī)測量電子線路，可以容易地將計算機技術(shù)與測量控制技術(shù)結(jié)合在一起，組成新一代的所謂“智能化測量控制系統(tǒng)”。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采用單片機技 術(shù)，能夠解決許多傳統(tǒng)儀表不能或不易解決的問題。這種新型的智能儀表在測量過程自動化，測量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理以及功能多樣化方面，都取得了巨大的進展。 基于單片機的漏電保護器的研究 8 2 漏電保護器簡介 漏電電流 動作保護器，簡稱漏電保護器，又叫漏電保護開關(guān)，主要是用來在設(shè)備發(fā)生漏電故障時以及對有致命危險的人身 觸電 進行保護。 漏電保護器的主要功能 防止人身觸電 漏電保護器對有致命危險的人身觸電提供間接接觸保護；額定剩余動作電流不超過 的漏電保護器在其他保護措施失效時，也可作為直接接觸的補充保護，但不能作為唯一的直接接觸保護。在發(fā)生觸電事故時，流過身體的電流越大，人體所能承受的時間越短；而觸電時間越長，所能承受的流過身體的電流越小。為了分析觸電電流和觸電動作時間的規(guī)律，有人作了以下試驗 (用狗作為觸電對象 ): 1） 固定觸電時間為 秒、 秒、 秒、 秒，改變電流大小，電流從 10mA起每次增加 10mA 試驗。 結(jié)果是 : 秒時，電流達到 220mA 時，動物仍未有死亡危險； 秒時，電流達到 14OmA 時，動物就有心室纖顫和心跳過速； 秒時，電流達到 10OmA 時，就能使心室纖顫； 秒時，電流達到 10OmA 時，使動物心室纖顫，電流達到 16OmA 時即可使動物死亡。 2) 固定觸電電流為 30mA、 80mA、 100mA、 140mA，時間從 秒起每次按倍時增加進行試驗。 結(jié)果是 : 30mA 時，時間達 60秒； 80mA 時，時間達 12 秒； 100mA 時，時間達六秒，對動物均無死亡危險。 140mA 時，時間達 秒就有心室纖顫。 從上面試驗結(jié)果分析可以知道 :在發(fā)生觸電事故時，流過身體的電流越大，人體所能承受的時間越短。而觸電時間越長，所能承受的流過身體的電流越小。那么人體到底能承受多大的電流和作用時間呢 ?經(jīng)過反復(fù)試驗，國際電工委員會 (IEC)明確規(guī)定 :人體能夠承受的最大電流時間是 (30 毫安 .秒 )。 基于單片機的漏電保護器的研究 9 圖 21 心室顫動電流和通電時間的關(guān)系 德國柯賓（ ）的研究曲線 It=50mA s，即當(dāng)通電電流在 50mA 以下時，通電時間的 長短對人的安全幾乎沒有影響。在考慮了安全系數(shù)后（取安全系數(shù)為 ）得到曲線 23，即 It=30mA s。在曲線的左方及左下方區(qū)域為安全區(qū)域，在發(fā)生觸電事故時無感覺反應(yīng)和生理效應(yīng)。因此具有 30 mA s 的漏電保護器可以滿足觸電保護的需要，具有足夠的安全性 注：漏電保護器只對相與地間的觸電或漏電提供保護，而對人體的相與相間觸電、相與中性線間觸電不提供保護。 防止漏電引起的火災(zāi) 低壓配電系統(tǒng)線路的漏電、用電設(shè)備的漏電或者接地電流流過金屬焊縫發(fā)熱，都可能導(dǎo)致火災(zāi)。一般錯誤的認(rèn)為漏電電流不大，因 而忽視了發(fā)生火災(zāi)的可能性。實際上只要接觸發(fā)熱面積小，即使較小的漏電電流，熱能密度也會很大，就有發(fā)生火災(zāi)的可能。此時若遇到易燃易爆品，將導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸事故的發(fā)生。一般來說，作為防止漏電引起火災(zāi)事故的漏電保護器的額定動作電流的選擇應(yīng)不小于 100mA。 防止漏電造成的設(shè)備損壞 降低對保護接地電阻的要求 基于單片機的漏電保護器的研究 10 用電設(shè)備的保護接地電阻值按國家標(biāo)準(zhǔn) GBJ65《工業(yè)與民用電力裝置的接地設(shè)計規(guī)范》規(guī)定為 4Ω和 10Ω，這一要求在高土壤電阻率的地區(qū)是很難達到的。而安裝了漏電保護器之后，保護接地電阻的最大允許值變 為：保護接地電阻 (Ω ) ≤ 安全電壓 (V) ／ 額定漏電動作電流 (A) 例如，選定漏電保護器的額定動作電流 200mA，按安全電壓 50V 計算，則接地電阻為：50V / = 250Ω?？梢?，與安裝漏電保護器之前的 4Ω或 10Ω相比，保護接地電阻的要求大大降低了。 漏電保護器的分類 漏電保護器經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一個品種非常齊全、非常龐大的產(chǎn)品系列，下面將根據(jù)不同的方法將其進行分類。 （ 1） 根據(jù)運行方式可分為： 不用輔助電源的漏電保護器、用輔助電源的漏電保護器； （ 2） 根據(jù)安裝型式可分 為： 固定安裝和固定接線的漏電保護器、帶有電纜的可移動使用的漏電保護器（通過可移動的電纜接到電源上）； （ 3） 根據(jù)極數(shù)和電流回路數(shù)可分為： 單極兩線、兩極、兩極三線、三級、三極四線、四極漏電保護器（其中單極兩線、二極三線和三級四線漏電保護器均有一根直接穿過檢測元件而不能斷開的中性線）； （ 4） 根據(jù)保護功能分為： 只有漏電保護功能的漏電保護器、帶過載保護的漏電保護器、帶短路保護的漏電保護器、帶過載和短路保護的漏電保護器、帶過電壓保護的漏電保護器及多功能保護（例如欠電壓、斷相、過電流、過電壓等）的漏電保護器 ； （ 5） 根據(jù)額定剩余動作電流可調(diào)性分為： 額定剩余動作電流不可調(diào)的漏電保護器、額定剩余動作電流可調(diào)的漏電保護器； （ 6） 根據(jù)接線方式分為： 用螺釘或螺栓接線的漏電保護器、插入式漏電保護器； （ 7） 根據(jù)脈沖電壓作用下防止誤動作的性能分為：在脈沖電壓作用下能動作的漏電保護器、在脈沖電壓作用下不動作的漏電保護器 (簡稱脈沖電壓不動作型漏電保護器 )； （ 8） 根據(jù)結(jié)構(gòu)分為：組合電器（如漏電繼電器與低壓斷路器或低壓接觸器組成的組合裝置）和機械開關(guān)電器（如漏電斷路器）。 基于單片機的漏電保護器的研究 11 （ 9） 根據(jù)故障信號的形式是漏電故障電流還 是漏電故障電流在接地裝置或檢測元件上產(chǎn)生的電壓降，可以將漏電保護器分為電壓動作型漏電保護器和電流動作型漏電保護器。 （ 10）根據(jù)剩余電流是否含有直流分量可分為： AC 型漏電保護器（對突然施加或緩慢上升的交流正弦波剩余電流能可靠脫扣）、 A型漏電保護器（對突然施加或緩慢上升的交流正弦波剩余電流，脈動直流剩余電流和脈動直流剩余電流迭加 平滑直流電流均能可靠脫扣）。 漏電保護器的工作原理 漏電保護器的種類繁多，形式各