【文章內(nèi)容簡介】 壓信號，該信號經(jīng)信號調(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。 CPU 根據(jù)這些信號進行邏輯運算與處理，將運算結(jié)果與整定值比較后輸出符合預(yù)設(shè)保護特性的邏輯信號；邏輯信號經(jīng)放大后可直接驅(qū)動斷路器的電操機構(gòu)使斷路器動作 [15]。 PIC16F877A 單元電路 微控制器芯片選型 基于程序存 儲空間、數(shù)據(jù)存儲空間、運行速度、性能價格比、系統(tǒng)可靠性、軟件實現(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。它是美國 Microchip 公司生產(chǎn)的中檔單片機，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)動能力強，可以直接驅(qū)動 LED 顯示；其端口的電平變化中斷功能，提高了實時監(jiān)測性。另外， PIC16F877A 單片機 同時具有 SPI 同步串行模塊和 USART 異步串行模塊，系統(tǒng)選用 PIC16F877A 單片機，將使控制系統(tǒng)的硬件電路簡單可靠、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 PIC16F877A 芯片引腳如圖 所示。 PIC16F877A 單片機引腳分成兩大類，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； P1 P31 接地； （ 2）時鐘、復(fù)位引腳 P13：時鐘振蕩器晶體連接端 /1 外部時鐘源輸入端； P14：時鐘振蕩器晶體連接端 /2 外部時鐘源輸出端； （ 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)位信號來復(fù)位單片機，本系統(tǒng)設(shè)計中保持該引腳信號為高電平。 /輸出功能引腳 PIC16F877A 單片機配置有 A、 B、 C、 D、 E5 個端口，共 33 根雙向輸入 /輸出引腳。主要接法如附錄一。 時鐘電路設(shè)計 為了獲取相對比較穩(wěn)定的振蕩時序信號，時鐘電路設(shè)計采用 XT 方式，選用 4MHz晶體振蕩器和兩 個 20PF 電容，將晶體振蕩器和兩個電容連到 OSC1 和 OSC2 引腳上，結(jié)合 PIC16F877A 單片機內(nèi)部的振蕩電路構(gòu)成完整振蕩電路，時鐘電路如圖 所示。 10 圖 時鐘電路 復(fù)位電路設(shè)計 依據(jù) PIC16F877A 單片機低電平復(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)位是在單片機加電， Vdd 上升到～ ，上電復(fù)位電路提供一個復(fù)位脈沖直接復(fù)位。 外圍設(shè)備接口電路設(shè)計 人機交互電路設(shè)計 為適應(yīng)系統(tǒng)各種工作環(huán)境，人機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 三 個按鍵：漏電選擇按鍵 SW1，漏電設(shè)定按鍵 SW2，運行 /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，當按下 SW2 鍵，額定漏電動作電流 200mA， 400mA， 800mA 分檔可選，用 SW1 鍵選擇需要的額定漏電動作電流，選好后按下 SW2 鍵鎖定選定值，此時 SW1 鍵無效。 SW3 鍵為運行 /停止按鍵，與控制器 PIC16F877A 的 RA4/T0CK1 連接，乒乓鍵作用，按下時為低電平。 11 圖 人機交互接口電路 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 LED 顯示。當鎖存允許端LE 為高電平時， Q0－ Q7 隨數(shù)據(jù) D0－ D7 而變。當 LE 為低電 平時， 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、運行 LDE 顯示；第三片 74LS373 接負載指示 1－ 8。 圖 LED 顯示電路 12 遠程監(jiān)控模塊設(shè)計 遠程監(jiān)控模塊電路如圖 所示。 圖 遠程監(jiān)控模塊電路 漏電報警器可對電氣線路的過壓、缺相、短路、漏電、故障、過載等進行實時遠程監(jiān)控，通過 RS485 總線或通信網(wǎng)絡(luò)，向 上位機發(fā)送現(xiàn)場的各種運行參數(shù)和工作狀態(tài)，同時接受上位機下傳的數(shù)據(jù)和命令，即具有遙測、遙信、遙控、遙調(diào)“四遙”功能；具有與電腦通訊的功能，可實現(xiàn)與用戶聯(lián)網(wǎng)，在一臺電腦上能對 1～ 250 臺漏電火災(zāi)報警器實現(xiàn)在線遠程監(jiān)控，隨時可檢查各用戶安全用電情況、隨時可接通或分斷各用戶供電線路 [16]。 4 漏電報警器軟件設(shè)計與實現(xiàn) 對采用微處理器設(shè)計的硬件系統(tǒng)，軟件是整個 報警器 的靈魂，軟件設(shè)計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)計遵循結(jié)構(gòu)化和模塊化的原則，將軟件劃分為若干個獨立的功能模塊（即系統(tǒng)用戶任務(wù)）， 連接時力求模塊內(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)合了高級語言的基本結(jié)構(gòu)和低級語言的高效性，很適合單片機的開發(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。此外，為了提高系統(tǒng)測量的精度和增強系統(tǒng)的抗干擾能力，在軟件設(shè)計上采用了數(shù)字濾波、軟件監(jiān)視定時器 WDT 等抗干擾措施 [16]。 PIC16F877A 漏電報警器軟件設(shè)計 漏電報警器軟件流程如圖 所示，漏電報警器軟件設(shè)計 [15]： （ 1）開機：正確安裝完畢后，合上供電系統(tǒng)總開關(guān)，此時控制器輸入指示亮，表明供電正常； （ 2）“報警 /靜音”開關(guān)扳到“報警”狀態(tài)； 13 （ 3）打開本機電源開關(guān)，主機進入自檢狀態(tài)，主機自檢完畢后發(fā)出“滴”的一聲，并且點亮“漏電選擇”的 800mA 指示，提示主機控制系統(tǒng)進入待機狀態(tài)。延時 5S 后自動合閘接通用戶電源，點亮輸出指示。 （ 4）通過“漏電選擇”與“漏電設(shè)定”可改變漏電動作電流設(shè)定值： 800mA、 400mA、200mA。默認值為 800mA。 故障報警指示設(shè)計：當供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障，進行故障報警，提示用戶 盡快查明原因排除故障。 （ 1）漏電報警：在供電線路發(fā)生漏電，其漏電電流超過漏電動作電流設(shè)定值時，在 內(nèi)發(fā)出指令切斷電源，并發(fā)出報警聲音，提醒用戶供電線路出現(xiàn)漏電現(xiàn)象。此時應(yīng)關(guān)斷本機電源，待故障排除后，再打開本機電源，再按一下“運行 /停止”鍵，即可回復(fù)正常運行； （ 2）過載指示報警：在三相四線制供電中有任何一相出現(xiàn)過載時，經(jīng)延時 5S10S后仍在過載，控制器自動切斷用戶供電線路，并發(fā)出報警聲音，提醒用戶供電線路出現(xiàn)過載現(xiàn)象。此時應(yīng)關(guān)斷本機電源，待故障排除后，再打開本機電源，再按一下“運行 /停止”鍵，即可回復(fù)正常運行； 圖 漏電報警器軟件流程圖 14 （ 3）欠壓報警：當供電線路中有任何一相（ A 相不能缺相）電壓欠壓時，經(jīng)延時 5S10S后仍在欠壓時，控制器發(fā)出指令切斷供電線路，并發(fā)出報警聲音，提醒用戶供電線路出現(xiàn)欠壓現(xiàn)象。此時應(yīng)關(guān)斷本機電源，待故障排除后，再打 開本機電源，再按一下“運行/停止”鍵，即可回復(fù)正常運行； （ 4）過壓報警：在三相四線制供電中有任何一相過壓時，在 內(nèi)發(fā)出指令切斷供電線路，并發(fā)出報警聲音，提醒用戶供電線路存在短路現(xiàn)象。此時應(yīng)關(guān)斷本機電源，待故障排除后，再打開本機電源，再按一下“運行 /停止”鍵，即可回復(fù)正常運行。 （ 5）短路報警：在三相四線制供電中有任何一相出現(xiàn)短路時，經(jīng)延時 5S10S 后仍在過載，控制器自動切斷用戶供電線路，并發(fā)出報警聲音，提醒用戶供電線路出現(xiàn)過載現(xiàn)象，此時應(yīng)關(guān)斷本機電源，待故障排除后，再打開本機電源，再按一下“運行 /停止”鍵，即可回復(fù)正常運行； （ 6）負載指示：對三相四線制供電線路的負荷進行指示，當供電線路處于滿負荷運行狀態(tài)，接近報警值時，應(yīng)提醒用戶注意用電安全，并采取有效措施減輕負荷。 軟件設(shè)計包括初始化子程序、上電電壓檢測子程序、主機自檢子程序、漏電檢測子程序、電壓檢測子程序、過載及短路檢測子程序、按鍵掃描子程序等。 PIC16F877a 將采集數(shù)字信號的運算結(jié)果與整定值比較后輸出符合預(yù)設(shè)保護特性的邏輯信號；邏輯信號經(jīng)放大后驅(qū)動斷路器的電操機構(gòu)使斷路器動作。 遠程監(jiān)控模塊軟件設(shè)計 遠程監(jiān)控機每隔 10 秒循環(huán)查詢 一次，監(jiān)控機發(fā)出指令后等 2051 指令，等待時間最長為 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 機發(fā)送數(shù)據(jù) 00h表示查詢， 01h表示開機， 02h表示關(guān)機，之后都會有信號回傳， 2051 數(shù)據(jù)正常表示 8pin。引腳定義（參見 圖 ）： P1 口檢測信號， 作為發(fā)送使能， 作為開關(guān)機控制， 為開關(guān)機狀態(tài)檢測， 作為接受控制。 用戶應(yīng)用程序設(shè)計 A/D 采樣和數(shù)據(jù)處理任務(wù) 各種測量和保護的數(shù)據(jù)來源都要依靠現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，所以采樣轉(zhuǎn)換是整個系統(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)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，完全可以滿足對采集信號的進行輪循采樣在時間和精度上的要求。其采樣任務(wù)子程序流程見圖 。 15 圖 采樣程序流程圖 為了計算 50Hz 正弦電流、電壓信號的有效值，對各路信號進行頻率自適應(yīng)方式采樣，每個周期內(nèi)（ 20ms）采樣 32 個點。這里利用定時器 1 來進行定時采樣，初始時每隔 產(chǎn)生一次中斷進行采樣，之后利用過零點方法檢測得到的頻率來修改定時器 1 匹配寄存器（ T1MR1）值，以改變采樣間隔，實現(xiàn) 自適應(yīng)頻率采樣，這樣避免了因電網(wǎng)波動對采樣值的影響。 功能保護任務(wù) 系統(tǒng)的保護功能包括：漏電或接地保護、短路短延時保護、短路瞬動保護、電流不平衡保護、過載長延時保護、電壓保護、電壓不平衡保護和負載監(jiān)控等，根據(jù)不同的保護要求，其保護算法有所不同，相應(yīng)的保護子程序?qū)⒉煌?，下面介紹幾種保護功能的 C 語言實現(xiàn)方法。 （ 1）漏電或接地保護 接地或漏電保護具有反時限特性，特性公式為 t = tG KIG/ I，故障延時動作時間不小于定時限的設(shè)置時間。公式中 tG為接地定時限設(shè)定時間， K 為反時限剪切系數(shù)，一般 為 ~6，當 K 被設(shè)置為“ OFF”時表示接地為定時限。接地漏電的選用方案與系統(tǒng)保護要求及接地方式有關(guān)，因而控制器分兩種不同保護方式：一種為內(nèi)部互感器矢量和方式（接地保護）。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適于金屬性接地的場合；另一種是采用外置矩形互感器直接取三相或三相 +N 相電纜信號矢量和的方案或采中性極對地互感器的信號方