【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 壓信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后由多路選擇開關(guān)送入 PIC16F877A 自帶的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。 CPU 根據(jù)這些信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算與處理，將運(yùn)算結(jié)果與整定值比較后輸出符合預(yù)設(shè)保護(hù)特性的邏輯信號(hào)；邏輯信號(hào)經(jīng)放大后可直接驅(qū)動(dòng)斷路器的電操機(jī)構(gòu)使斷路器動(dòng)作 [15]。 PIC16F877A 單元電路 微控制器芯片選型 基于程序存 儲(chǔ)空間、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間、運(yùn)行速度、性能價(jià)格比、系統(tǒng)可靠性、軟件實(shí)現(xiàn)難易程度等綜合因素考慮，本系統(tǒng)采用高效可靠的 PIC(Periphery Interface Chip)16F877A 單片機(jī)。它是美國(guó) Microchip 公司生產(chǎn)的中檔單片機(jī)，采用全新的流水線結(jié)構(gòu)、單字節(jié)指令體系，嵌入 Flash 以及看門狗定時(shí)器，指令精減 (只有 35 條指令 )，ICSP (在線編程 )方便可調(diào)； I/O 端口驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，可以直接驅(qū)動(dòng) LED 顯示；其端口的電平變化中斷功能，提高了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)性。另外， PIC16F877A 單片機(jī) 同時(shí)具有 SPI 同步串行模塊和 USART 異步串行模塊，系統(tǒng)選用 PIC16F877A 單片機(jī)，將使控制系統(tǒng)的硬件電路簡(jiǎn)單可靠、軟件編制方便，系統(tǒng)整體性能得以提高 [13~14]。 PIC16F877A 引腳功能設(shè)計(jì) PIC16F877A 芯片引腳如圖 所示。 PIC16F877A 單片機(jī)引腳分成兩大類，即 7 根系統(tǒng)配置引腳和 33 根輸入 /輸出引腳。 9 圖 PIC16F877A 芯片引腳 （ 1）電源和接地引腳（ 2 組） P1 P32 電源配置引腳，接＋ 5V電源信號(hào)； P1 P31 接地； （ 2）時(shí)鐘、復(fù)位引腳 P13：時(shí)鐘振蕩器晶體連接端 /1 外部時(shí)鐘源輸入端； P14：時(shí)鐘振蕩器晶體連接端 /2 外部時(shí)鐘源輸出端； （ 3）主復(fù)位引腳 P1 主復(fù)位引腳，最大用途為供使用者從外部輸入復(fù)位信號(hào)來復(fù)位單片機(jī)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中保持該引腳信號(hào)為高電平。 /輸出功能引腳 PIC16F877A 單片機(jī)配置有 A、 B、 C、 D、 E5 個(gè)端口，共 33 根雙向輸入 /輸出引腳。主要接法如附錄一。 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 為了獲取相對(duì)比較穩(wěn)定的振蕩時(shí)序信號(hào)，時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)采用 XT 方式，選用 4MHz晶體振蕩器和兩 個(gè) 20PF 電容，將晶體振蕩器和兩個(gè)電容連到 OSC1 和 OSC2 引腳上，結(jié)合 PIC16F877A 單片機(jī)內(nèi)部的振蕩電路構(gòu)成完整振蕩電路，時(shí)鐘電路如圖 所示。 10 圖 時(shí)鐘電路 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 依據(jù) PIC16F877A 單片機(jī)低電平復(fù)位和引腳 P1 的硬件設(shè)置，本系統(tǒng)采用上電復(fù)位，P1 引腳始終為高電平，復(fù)位電路如圖 所示。上電復(fù)位是在單片機(jī)加電， Vdd 上升到～ ，上電復(fù)位電路提供一個(gè)復(fù)位脈沖直接復(fù)位。 外圍設(shè)備接口電路設(shè)計(jì) 人機(jī)交互電路設(shè)計(jì) 為適應(yīng)系統(tǒng)各種工作環(huán)境，人機(jī)交互接口采用按鍵和 LDE 顯示方式，分別如圖 和圖 所示。系統(tǒng)共設(shè)計(jì) 三 個(gè)按鍵：漏電選擇按鍵 SW1，漏電設(shè)定按鍵 SW2，運(yùn)行 /停止按鍵 SW3。其中漏電選擇按鍵 SW1 和漏電設(shè)定按鍵 SW2 為組合按鍵，當(dāng)按下 SW2 鍵，額定漏電動(dòng)作電流 200mA， 400mA， 800mA 分檔可選，用 SW1 鍵選擇需要的額定漏電動(dòng)作電流，選好后按下 SW2 鍵鎖定選定值，此時(shí) SW1 鍵無效。 SW3 鍵為運(yùn)行 /停止按鍵，與控制器 PIC16F877A 的 RA4/T0CK1 連接，乒乓鍵作用，按下時(shí)為低電平。 11 圖 人機(jī)交互接口電路 LED 顯示電路如圖 所示。 74LS373 是地址鎖存器，使用 3 片 74LS373 接 LED顯示，微控制器 PIC16F877A 的引腳 RB RB RB0 分別接這 3 片 74LS373 的 LE 腳，引腳 RD0－ RD7 接 3 片 74LS373 的 D0－ D7 腳。 3 片 74LS373 的三態(tài)允許控制端 OE 腳接地，始終為低電平， Q0－ Q7 為正常邏輯狀態(tài)，用來驅(qū)動(dòng) LED 顯示。當(dāng)鎖存允許端LE 為高電平時(shí)， Q0－ Q7 隨數(shù)據(jù) D0－ D7 而變。當(dāng) LE 為低電 平時(shí)， Q0－ Q7 被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。第一片 74LS373 接過壓、缺相、故障、短路、設(shè)定 LDE 顯示；第二片 74LS373 接 A 相過載、 B 相過載、 C 相過載、漏電、漏電 、漏電 、漏電、運(yùn)行 LDE 顯示；第三片 74LS373 接負(fù)載指示 1－ 8。 圖 LED 顯示電路 12 遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊設(shè)計(jì) 遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊電路如圖 所示。 圖 遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊電路 漏電報(bào)警器可對(duì)電氣線路的過壓、缺相、短路、漏電、故障、過載等進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過 RS485 總線或通信網(wǎng)絡(luò)，向 上位機(jī)發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)的各種運(yùn)行參數(shù)和工作狀態(tài)，同時(shí)接受上位機(jī)下傳的數(shù)據(jù)和命令，即具有遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)“四遙”功能；具有與電腦通訊的功能，可實(shí)現(xiàn)與用戶聯(lián)網(wǎng)，在一臺(tái)電腦上能對(duì) 1～ 250 臺(tái)漏電火災(zāi)報(bào)警器實(shí)現(xiàn)在線遠(yuǎn)程監(jiān)控，隨時(shí)可檢查各用戶安全用電情況、隨時(shí)可接通或分?jǐn)喔饔脩艄╇娋€路 [16]。 4 漏電報(bào)警器軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 對(duì)采用微處理器設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)，軟件是整個(gè) 報(bào)警器 的靈魂，軟件設(shè)計(jì)的好壞直接影響到硬件系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)遵循結(jié)構(gòu)化和模塊化的原則，將軟件劃分為若干個(gè)獨(dú)立的功能模塊（即系統(tǒng)用戶任務(wù)）， 連接時(shí)力求模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的緊湊性以及模塊之間數(shù)據(jù)關(guān)系的松散性，盡可能減少各功能模塊的相互影響。軟件采用 C 語言和匯編語言混合編程方式編寫。 C 語言結(jié)合了高級(jí)語言的基本結(jié)構(gòu)和低級(jí)語言的高效性，很適合單片機(jī)的開發(fā)，可移植性好；匯編語言具有高效性、直接面向硬件操作的優(yōu)點(diǎn)。此外，為了提高系統(tǒng)測(cè)量的精度和增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，在軟件設(shè)計(jì)上采用了數(shù)字濾波、軟件監(jiān)視定時(shí)器 WDT 等抗干擾措施 [16]。 PIC16F877A 漏電報(bào)警器軟件設(shè)計(jì) 漏電報(bào)警器軟件流程如圖 所示，漏電報(bào)警器軟件設(shè)計(jì) [15]： （ 1）開機(jī)：正確安裝完畢后，合上供電系統(tǒng)總開關(guān)，此時(shí)控制器輸入指示亮，表明供電正常； （ 2）“報(bào)警 /靜音”開關(guān)扳到“報(bào)警”狀態(tài)； 13 （ 3）打開本機(jī)電源開關(guān)，主機(jī)進(jìn)入自檢狀態(tài)，主機(jī)自檢完畢后發(fā)出“滴”的一聲，并且點(diǎn)亮“漏電選擇”的 800mA 指示，提示主機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。延時(shí) 5S 后自動(dòng)合閘接通用戶電源，點(diǎn)亮輸出指示。 （ 4）通過“漏電選擇”與“漏電設(shè)定”可改變漏電動(dòng)作電流設(shè)定值： 800mA、 400mA、200mA。默認(rèn)值為 800mA。 故障報(bào)警指示設(shè)計(jì)：當(dāng)供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障，進(jìn)行故障報(bào)警，提示用戶 盡快查明原因排除故障。 （ 1）漏電報(bào)警：在供電線路發(fā)生漏電，其漏電電流超過漏電動(dòng)作電流設(shè)定值時(shí)，在 內(nèi)發(fā)出指令切斷電源，并發(fā)出報(bào)警聲音，提醒用戶供電線路出現(xiàn)漏電現(xiàn)象。此時(shí)應(yīng)關(guān)斷本機(jī)電源，待故障排除后，再打開本機(jī)電源，再按一下“運(yùn)行 /停止”鍵，即可回復(fù)正常運(yùn)行； （ 2）過載指示報(bào)警：在三相四線制供電中有任何一相出現(xiàn)過載時(shí)，經(jīng)延時(shí) 5S10S后仍在過載，控制器自動(dòng)切斷用戶供電線路，并發(fā)出報(bào)警聲音，提醒用戶供電線路出現(xiàn)過載現(xiàn)象。此時(shí)應(yīng)關(guān)斷本機(jī)電源，待故障排除后，再打開本機(jī)電源，再按一下“運(yùn)行 /停止”鍵，即可回復(fù)正常運(yùn)行； 圖 漏電報(bào)警器軟件流程圖 14 （ 3）欠壓報(bào)警：當(dāng)供電線路中有任何一相（ A 相不能缺相）電壓欠壓時(shí)，經(jīng)延時(shí) 5S10S后仍在欠壓時(shí)，控制器發(fā)出指令切斷供電線路，并發(fā)出報(bào)警聲音，提醒用戶供電線路出現(xiàn)欠壓現(xiàn)象。此時(shí)應(yīng)關(guān)斷本機(jī)電源，待故障排除后，再打 開本機(jī)電源，再按一下“運(yùn)行/停止”鍵，即可回復(fù)正常運(yùn)行； （ 4）過壓報(bào)警：在三相四線制供電中有任何一相過壓時(shí)，在 內(nèi)發(fā)出指令切斷供電線路，并發(fā)出報(bào)警聲音，提醒用戶供電線路存在短路現(xiàn)象。此時(shí)應(yīng)關(guān)斷本機(jī)電源，待故障排除后，再打開本機(jī)電源，再按一下“運(yùn)行 /停止”鍵，即可回復(fù)正常運(yùn)行。 （ 5）短路報(bào)警：在三相四線制供電中有任何一相出現(xiàn)短路時(shí)，經(jīng)延時(shí) 5S10S 后仍在過載，控制器自動(dòng)切斷用戶供電線路，并發(fā)出報(bào)警聲音，提醒用戶供電線路出現(xiàn)過載現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)關(guān)斷本機(jī)電源，待故障排除后，再打開本機(jī)電源，再按一下“運(yùn)行 /停止”鍵，即可回復(fù)正常運(yùn)行； （ 6）負(fù)載指示：對(duì)三相四線制供電線路的負(fù)荷進(jìn)行指示，當(dāng)供電線路處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，接近報(bào)警值時(shí)，應(yīng)提醒用戶注意用電安全，并采取有效措施減輕負(fù)荷。 軟件設(shè)計(jì)包括初始化子程序、上電電壓檢測(cè)子程序、主機(jī)自檢子程序、漏電檢測(cè)子程序、電壓檢測(cè)子程序、過載及短路檢測(cè)子程序、按鍵掃描子程序等。 PIC16F877a 將采集數(shù)字信號(hào)的運(yùn)算結(jié)果與整定值比較后輸出符合預(yù)設(shè)保護(hù)特性的邏輯信號(hào)；邏輯信號(hào)經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)斷路器的電操機(jī)構(gòu)使斷路器動(dòng)作。 遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊軟件設(shè)計(jì) 遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)每隔 10 秒循環(huán)查詢 一次，監(jiān)控機(jī)發(fā)出指令后等 2051 指令，等待時(shí)間最長(zhǎng)為 20ms，超過 20ms 則判失敗重發(fā)，重發(fā) 2 次都失敗 pc 上顯示通訊故障； pc 機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù) 00h表示查詢， 01h表示開機(jī)， 02h表示關(guān)機(jī)，之后都會(huì)有信號(hào)回傳， 2051 數(shù)據(jù)正常表示 8pin。引腳定義（參見 圖 ）： P1 口檢測(cè)信號(hào)， 作為發(fā)送使能， 作為開關(guān)機(jī)控制， 為開關(guān)機(jī)狀態(tài)檢測(cè)， 作為接受控制。 用戶應(yīng)用程序設(shè)計(jì) A/D 采樣和數(shù)據(jù)處理任務(wù) 各種測(cè)量和保護(hù)的數(shù)據(jù)來源都要依靠現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)，所以采樣轉(zhuǎn)換是整個(gè)系統(tǒng)最為 重要的環(huán)節(jié)之一。系統(tǒng)利用 PIC16F877A 內(nèi)嵌的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，完全可以滿足對(duì)采集信號(hào)的進(jìn)行輪循采樣在時(shí)間和精度上的要求。其采樣任務(wù)子程序流程見圖 。 15 圖 采樣程序流程圖 為了計(jì)算 50Hz 正弦電流、電壓信號(hào)的有效值，對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行頻率自適應(yīng)方式采樣，每個(gè)周期內(nèi)（ 20ms）采樣 32 個(gè)點(diǎn)。這里利用定時(shí)器 1 來進(jìn)行定時(shí)采樣，初始時(shí)每隔 產(chǎn)生一次中斷進(jìn)行采樣，之后利用過零點(diǎn)方法檢測(cè)得到的頻率來修改定時(shí)器 1 匹配寄存器（ T1MR1）值，以改變采樣間隔，實(shí)現(xiàn) 自適應(yīng)頻率采樣，這樣避免了因電網(wǎng)波動(dòng)對(duì)采樣值的影響。 功能保護(hù)任務(wù) 系統(tǒng)的保護(hù)功能包括：漏電或接地保護(hù)、短路短延時(shí)保護(hù)、短路瞬動(dòng)保護(hù)、電流不平衡保護(hù)、過載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)、電壓保護(hù)、電壓不平衡保護(hù)和負(fù)載監(jiān)控等，根據(jù)不同的保護(hù)要求，其保護(hù)算法有所不同，相應(yīng)的保護(hù)子程序?qū)⒉煌旅娼榻B幾種保護(hù)功能的 C 語言實(shí)現(xiàn)方法。 （ 1）漏電或接地保護(hù) 接地或漏電保護(hù)具有反時(shí)限特性，特性公式為 t = tG KIG/ I，故障延時(shí)動(dòng)作時(shí)間不小于定時(shí)限的設(shè)置時(shí)間。公式中 tG為接地定時(shí)限設(shè)定時(shí)間， K 為反時(shí)限剪切系數(shù)，一般 為 ~6，當(dāng) K 被設(shè)置為“ OFF”時(shí)表示接地為定時(shí)限。接地漏電的選用方案與系統(tǒng)保護(hù)要求及接地方式有關(guān)，因而控制器分兩種不同保護(hù)方式：一種為內(nèi)部互感器矢量和方式（接地保護(hù)）。由于互感器和加法電路的固有誤差，特別是空心互感器小電流的靈敏感度較差，因此該方式的接地保護(hù)適于金屬性接地的場(chǎng)合；另一種是采用外置矩形互感器直接取三相或三相 +N 相電纜信號(hào)矢量和的方案或采中性極對(duì)地互感器的信號(hào)方