【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(jì)） 題 目： 基于單片機(jī)的漏電保護(hù)器的設(shè)計(jì) 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(dòng)化 年 級(jí)： 2021 級(jí) 學(xué) 號(hào)： 121211433047 學(xué) 生： 李興達(dá) 指導(dǎo)教師： 安玲玲 完成日期： 2021 年 3 月 24 日 基于單片機(jī)的漏電保護(hù)器的研究 2 摘 要 本篇畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）主要介紹了漏電保護(hù)器的工作原理、分類、功能 、用途 ，以及著重介紹了基于單片機(jī)的智能型電流漏電保護(hù)器的設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用前景。 其主要對(duì)PIC16F877 型單片機(jī) 在漏電保護(hù)器的應(yīng)用 進(jìn)行了設(shè)計(jì) 。 關(guān)鍵詞： 漏電保護(hù)器；電流型；單片機(jī) 基于單片機(jī)的漏電保護(hù)器的研究 3 目 錄 內(nèi)容摘要 2 引 言 4 緒 言 5 1 漏電保護(hù) 器發(fā)展現(xiàn)狀及前景 6 2 漏電保護(hù)器簡(jiǎn)介 7 漏電保護(hù)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(duì)保護(hù)接地 電阻的要求 9 漏電保護(hù)器的分類 10 漏電保護(hù)器的工作原理 11 3 總設(shè)計(jì)方案 13 4 硬件電路設(shè)計(jì) 14 零序電流互感器的選擇 14 低通濾波器設(shè)計(jì) 14 相位同步電路的設(shè)計(jì) 15 單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì) 16 PIC 單片機(jī)原理 16 PIC16F877 單片機(jī) I/O 腳分配 18 單片機(jī)接口接鍵設(shè)計(jì) 20 單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì) 20 單片機(jī)震蕩電路設(shè)計(jì) 21 液晶顯示部分硬件設(shè)計(jì) 22 控制執(zhí)行部分硬件設(shè)計(jì) 24 電源部分設(shè)計(jì) 25 26 軟件設(shè)計(jì)總體思想 26 主程序的設(shè)計(jì) 27 基于單片機(jī)的漏電保護(hù)器的研究 4 中斷服務(wù)模塊 30 INT 上升沿中斷 30 TMR2 定時(shí)器中斷 31 漏電信號(hào)分模塊 33 緩變電流計(jì)算模塊 33 漏電突變電流計(jì)算模塊 34 漏電動(dòng)作記憶和顯示模塊 37 6 結(jié)論與展望 38 7 參考文獻(xiàn) 39 基于單片機(jī)的漏電保護(hù)器的研究 5 引 言 電，是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的命脈，它與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、國(guó)防建設(shè)，以及人們?nèi)粘Ｉ钚萜菹嚓P(guān)?，F(xiàn)代社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域中如果沒(méi)有了“電”這個(gè)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(xiǎn)，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(shí)，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(hù)器，用以對(duì)低壓電網(wǎng)直接觸電和間接觸電進(jìn)行有 效保護(hù)，也可以作為三相電動(dòng)機(jī)的缺相保護(hù)。它有單相的，也有三相的。 根據(jù)保護(hù)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(hù)器接于變壓器中性點(diǎn)和大地間，當(dāng)發(fā)生觸電時(shí)中性點(diǎn)偏移對(duì)地產(chǎn)生電壓，以此來(lái)使保護(hù)動(dòng)作切斷電源，但由于它是對(duì)整個(gè)配變低壓網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)，不能分級(jí)保護(hù)，因此停電范圍大，動(dòng)作頻繁，所以已被淘汰。脈沖型電流保護(hù)器是當(dāng)發(fā)生觸電時(shí)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(dòng)作信號(hào)，但也有死區(qū)。目前應(yīng)用廣泛的是電流型漏電保護(hù)器。 基于單片機(jī)的漏電保護(hù)器的研究 6 緒 言 隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展 ，單片機(jī)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(hù)器是低壓電器的一個(gè)重要系列產(chǎn)品，但由于漏電保護(hù)的特殊性，日前對(duì)漏電保護(hù)的智能化在理論上和技術(shù)上還需要人們進(jìn)行深入研究與探討。本項(xiàng)目在以下幾個(gè)方面開(kāi)展研究工作。 1) 對(duì)漏電保護(hù)檢測(cè)原理進(jìn)行分析。 2) 以 Microchip 公司的 PIC 單片機(jī)為硬件基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出漏電保護(hù)器硬件模塊。 3) 對(duì) PIC16877 芯片編程，實(shí)現(xiàn)軟件控制。 基于單片機(jī)的漏電保護(hù)器的研究 7 1 漏電保護(hù)器發(fā)展現(xiàn)狀及前景 漏電保護(hù)器的發(fā)展大約經(jīng)歷了三個(gè)階段，即初 始階段、發(fā)展階段和成熟階段。 1912 年德國(guó)正式發(fā)明了電壓型保護(hù)器，保護(hù)電機(jī)外殼漏電。 1930 年歐洲國(guó)家開(kāi)始采用電壓型保護(hù)器。 1940 年法國(guó)人發(fā)明了電流型保護(hù)器。 1956 年，德國(guó)開(kāi)始生產(chǎn)電流型保護(hù)器。在 1962年美國(guó)研制成功靈敏度為 5mA的電流型保護(hù)器，標(biāo)志漏電保護(hù)器開(kāi)始進(jìn)入發(fā)展階段，德、日、法等國(guó)也相繼研制成功靈敏度為 30mA 的電流型保護(hù)器。到二十世紀(jì)七十年代，各國(guó)開(kāi)始制定規(guī)程，強(qiáng)制在一些場(chǎng)所安裝漏電保護(hù)器，標(biāo)志漏電保護(hù)器的發(fā)展進(jìn)入成熟階段。 我國(guó)研究漏電保護(hù)器起步要晚于國(guó)外，進(jìn)入二十世紀(jì)七十年代以來(lái)，我國(guó) 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(lái)，我國(guó)在漏電保護(hù)器方面的科研、生產(chǎn)、應(yīng)用有了較大的發(fā)展，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)主管部門先后組織編制了保護(hù)器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、使用標(biāo)準(zhǔn)；此外，原國(guó)家機(jī)械委還制訂了相關(guān)的產(chǎn)品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；此外，國(guó)家建設(shè)部在GB50054《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》和 GB50096《住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)低壓配電系統(tǒng)和住宅中漏電保護(hù)器的應(yīng)用均作了規(guī)定。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求漏電保護(hù)器在投入運(yùn)行后，使用單位應(yīng)建立運(yùn)行記錄及相應(yīng)的管理制度，每月需在通電狀態(tài)下，按動(dòng)實(shí)驗(yàn)按鈕，檢查漏電保護(hù)器動(dòng)作是否可靠。 雷雨季節(jié)應(yīng)增加檢查次數(shù)。但是該試驗(yàn)只能用來(lái)檢查漏電保護(hù)器的脫扣功能，不能用來(lái)校核額定漏電動(dòng)作電流和分?jǐn)鄷r(shí)間的數(shù)值。所以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定應(yīng)定期進(jìn)行漏電保護(hù)器的動(dòng)作特性試驗(yàn)，測(cè)試漏電動(dòng)作電流值、漏電不動(dòng)作電流值和分?jǐn)鄷r(shí)間，而且，對(duì)上述試驗(yàn)中采用的檢測(cè)儀表的精度等級(jí)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(jī)的集成度越來(lái)越高，功能越來(lái)越豐富。以單片機(jī)為主體，取代傳統(tǒng)儀器儀表的常規(guī)測(cè)量電子線路，可以容易地將計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量控制技術(shù)結(jié)合在一起，組成新一代的所謂“智能化測(cè)量控制系統(tǒng)”。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采用單片機(jī)技 術(shù)，能夠解決許多傳統(tǒng)儀表不能或不易解決的問(wèn)題。這種新型的智能儀表在測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化，測(cè)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(jìn)展。 基于單片機(jī)的漏電保護(hù)器的研究 8 2 漏電保護(hù)器簡(jiǎn)介 漏電電流 動(dòng)作保護(hù)器，簡(jiǎn)稱漏電保護(hù)器，又叫漏電保護(hù)開(kāi)關(guān)，主要是用來(lái)在設(shè)備發(fā)生漏電故障時(shí)以及對(duì)有致命危險(xiǎn)的人身 觸電 進(jìn)行保護(hù)。 漏電保護(hù)器的主要功能 防止人身觸電 漏電保護(hù)器對(duì)有致命危險(xiǎn)的人身觸電提供間接接觸保護(hù)；額定剩余動(dòng)作電流不超過(guò) 的漏電保護(hù)器在其他保護(hù)措施失效時(shí)，也可作為直接接觸的補(bǔ)充保護(hù)，但不能作為唯一的直接接觸保護(hù)。在發(fā)生觸電事故時(shí)，流過(guò)身體的電流越大，人體所能承受的時(shí)間越短；而觸電時(shí)間越長(zhǎng)，所能承受的流過(guò)身體的電流越小。為了分析觸電電流和觸電動(dòng)作時(shí)間的規(guī)律，有人作了以下試驗(yàn) (用狗作為觸電對(duì)象 ): 1） 固定觸電時(shí)間為 秒、 秒、 秒、 秒，改變電流大小，電流從 10mA起每次增加 10mA 試驗(yàn)。 結(jié)果是 : 秒時(shí)，電流達(dá)到 220mA 時(shí)，動(dòng)物仍未有死亡危險(xiǎn)； 秒時(shí)，電流達(dá)到 14OmA 時(shí)，動(dòng)物就有心室纖顫和心跳過(guò)速； 秒時(shí)，電流達(dá)到 10OmA 時(shí)，就能使心室纖顫； 秒時(shí)，電流達(dá)到 10OmA 時(shí)，使動(dòng)物心室纖顫，電流達(dá)到 16OmA 時(shí)即可使動(dòng)物死亡。 2) 固定觸電電流為 30mA、 80mA、 100mA、 140mA，時(shí)間從 秒起每次按倍時(shí)增加進(jìn)行試驗(yàn)。 結(jié)果是 : 30mA 時(shí)，時(shí)間達(dá) 60秒； 80mA 時(shí)，時(shí)間達(dá) 12 秒； 100mA 時(shí)，時(shí)間達(dá)六秒，對(duì)動(dòng)物均無(wú)死亡危險(xiǎn)。 140mA 時(shí)，時(shí)間達(dá) 秒就有心室纖顫。 從上面試驗(yàn)結(jié)果分析可以知道 :在發(fā)生觸電事故時(shí)，流過(guò)身體的電流越大，人體所能承受的時(shí)間越短。而觸電時(shí)間越長(zhǎng)，所能承受的流過(guò)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(shí)間呢 ?經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，國(guó)際電工委員會(huì) (IEC)明確規(guī)定 :人體能夠承受的最大電流時(shí)間是 (30 毫安 .秒 )。 基于單片機(jī)的漏電保護(hù)器的研究 9 圖 21 心室顫動(dòng)電流和通電時(shí)間的關(guān)系 德國(guó)柯賓（ ）的研究曲線 It=50mA s，即當(dāng)通電電流在 50mA 以下時(shí)，通電時(shí)間的 長(zhǎng)短對(duì)人的安全幾乎沒(méi)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?yàn)榘踩珔^(qū)域，在發(fā)生觸電事故時(shí)無(wú)感覺(jué)反應(yīng)和生理效應(yīng)。因此具有 30 mA s 的漏電保護(hù)器可以滿足觸電保護(hù)的需要，具有足夠的安全性 注：漏電保護(hù)器只對(duì)相與地間的觸電或漏電提供保護(hù)，而對(duì)人體的相與相間觸電、相與中性線間觸電不提供保護(hù)。 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(guò)金屬焊縫發(fā)熱，都可能導(dǎo)致火災(zāi)。一般錯(cuò)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(shí)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(huì)很大，就有發(fā)生火災(zāi)的可能。此時(shí)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(lái)說(shuō)，作為防止漏電引起火災(zāi)事故的漏電保護(hù)器的額定動(dòng)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(duì)保護(hù)接地電阻的要求 基于單片機(jī)的漏電保護(hù)器的研究 10 用電設(shè)備的保護(hù)接地電阻值按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GBJ65《工業(yè)與民用電力裝置的接地設(shè)計(jì)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(dá)到的。而安裝了漏電保護(hù)器之后，保護(hù)接地電阻的最大允許值變 為：保護(hù)接地電阻 (Ω ) ≤ 安全電壓 (V) ／ 額定漏電動(dòng)作電流 (A) 例如，選定漏電保護(hù)器的額定動(dòng)作電流 200mA，按安全電壓 50V 計(jì)算，則接地電阻為：50V / = 250Ω?？梢?jiàn)，與安裝漏電保護(hù)器之前的 4Ω或 10Ω相比，保護(hù)接地電阻的要求大大降低了。 漏電保護(hù)器的分類 漏電保護(hù)器經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一個(gè)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(jìn)行分類。 （ 1） 根據(jù)運(yùn)行方式可分為： 不用輔助電源的漏電保護(hù)器、用輔助電源的漏電保護(hù)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(hù)器、帶有電纜的可移動(dòng)使用的漏電保護(hù)器（通過(guò)可移動(dòng)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(jí)、三極四線、四極漏電保護(hù)器（其中單極兩線、二極三線和三級(jí)四線漏電保護(hù)器均有一根直接穿過(guò)檢測(cè)元件而不能斷開(kāi)的中性線）； （ 4） 根據(jù)保護(hù)功能分為： 只有漏電保護(hù)功能的漏電保護(hù)器、帶過(guò)載保護(hù)的漏電保護(hù)器、帶短路保護(hù)的漏電保護(hù)器、帶過(guò)載和短路保護(hù)的漏電保護(hù)器、帶過(guò)電壓保護(hù)的漏電保護(hù)器及多功能保護(hù)（例如欠電壓、斷相、過(guò)電流、過(guò)電壓等）的漏電保護(hù)器 ； （ 5） 根據(jù)額定剩余動(dòng)作電流可調(diào)性分為： 額定剩余動(dòng)作電流不可調(diào)的漏電保護(hù)器、額定剩余動(dòng)作電流可調(diào)的漏電保護(hù)器； （ 6） 根據(jù)接線方式分為： 用螺釘或螺栓接線的漏電保護(hù)器、插入式漏電保護(hù)器； （ 7） 根據(jù)脈沖電壓作用下防止誤動(dòng)作的性能分為：在脈沖電壓作用下能動(dòng)作的漏電保護(hù)器、在脈沖電壓作用下不動(dòng)作的漏電保護(hù)器 (簡(jiǎn)稱脈沖電壓不動(dòng)作型漏電保護(hù)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(jī)械開(kāi)關(guān)電器（如漏電斷路器）。 基于單片機(jī)的漏電保護(hù)器的研究 11 （ 9） 根據(jù)故障信號(hào)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(cè)元件上產(chǎn)生的電壓降，可以將漏電保護(hù)器分為電壓動(dòng)作型漏電保護(hù)器和電流動(dòng)作型漏電保護(hù)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(hù)器（對(duì)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(hù)器（對(duì)突然施加或緩慢上升的交流正弦波剩余電流，脈動(dòng)直流剩余電流和脈動(dòng)直流剩余電流迭加 平滑直流電流均能可靠脫扣）。 漏電保護(hù)器的工作原理 漏電保護(hù)器的種類繁多，形式各