【導(dǎo)讀】隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大。用電量迅速增長，安全用電這一問題顯得。低壓電網(wǎng)的漏電保護(hù)已經(jīng)引起我國各用電部門及勞動(dòng)保護(hù)部門的高度重。視，建立科學(xué)的完善的漏電保護(hù)體系已迫在眉睫。漏電保護(hù)器主要用來防止漏電造。成的經(jīng)濟(jì)損失及人生觸電造成的傷亡，對解決漏電問題有重要意義。零序電流法和最低幅值選相法的漏電保護(hù)方案。以單片機(jī)為核心進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)漏電的檢測、快速處理和顯示，設(shè)計(jì)出了可靠價(jià)廉的漏電保護(hù)器。出用于切除故障的信號(hào)。

　　

【正文】 工串行口 I／ O： 4 個(gè) 8 位并行 1／ O 接口，可用于地址和數(shù)據(jù)的傳送，也可與 824 8155 等連接，進(jìn)行外部 1／ O 接口的擴(kuò)展；串行 1／ O 接口，是一個(gè)全雙工串行通信日，可用 于數(shù)據(jù)的串行接收和發(fā)送，為構(gòu)成串行通信網(wǎng)絡(luò)提供了方便。 （ 3）增加了定時(shí)器／計(jì)數(shù)器的個(gè)數(shù)并擴(kuò)展了長度：定時(shí)器／計(jì)數(shù)器由一個(gè)增為兩個(gè)（ 805 為三個(gè)），計(jì)數(shù)長度由 8 位增為 16 位，且有 4 種工作方式。這樣，既提高了定時(shí)／計(jì)數(shù)范圍，又使用戶使用靈活方便。 （ 4） 增強(qiáng)了中斷系統(tǒng)：設(shè)置有 2 級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)，可接受 5 個(gè)中斷源的中斷請求，中斷優(yōu)先級(jí)別可由用戶定義。這樣，就使 MCS— 51 單片機(jī)很適合用于數(shù)據(jù)采集與處理、智能儀器儀表和工業(yè)過程控制。 （ 5） 具備較強(qiáng)的指令尋址和運(yùn)算等功能：有 111 條指令，可分為 4 大類。使用了 7 種尋址方式。這些指令 44%為單字節(jié)指令， 41%為雙字節(jié)指令， 15%為三字節(jié)指令。若用 12MHZ 的晶體頻率 ,50%指令可在 11S 內(nèi)執(zhí)行完畢，而 40%指令可在 2S 內(nèi)執(zhí)行完畢。此外，還設(shè)有減法、比較和 8 位乘、除法指令。乘。除法指令的執(zhí)行時(shí)問僅為 4S。這樣，大大提高了 CPU的運(yùn)算與數(shù)據(jù)處理能力。 （ 6）增設(shè)了頗具特色的布爾處理機(jī)：在指令系統(tǒng)中設(shè)置有位操作指令，這些位操作指令與位尋址空間一起構(gòu)成布爾處理機(jī)。布爾處理機(jī)對于實(shí)時(shí)邏輯控制處理具有突出的優(yōu)點(diǎn)。 可以看出，這一代單片機(jī)主要的技術(shù)特征是為單片機(jī)配置了完 善的外部并行總線（ A、 DB、 CB）和具有多機(jī)識(shí)別功能的串行通信接口（ UART），規(guī)范了功能單元的特殊功能寄存器（ SF 控制模式及適應(yīng)控制器特點(diǎn)的布爾處理系統(tǒng)和指令系統(tǒng)，為發(fā)展具有良好兼容性的新一代單片機(jī)奠定了良好的基礎(chǔ)。 第三代：以 80C51 系列單片機(jī)為代表。 32 它包括了 Intel 公司發(fā)展 MCS— 51 系列的新一代產(chǎn)品，如 8XC15 80C5lFA／ FB、 80C5 1GA／ GB、 SXC45 8XC452，還 包括了 PhiliPs、 Siemens、 AMD、OKI、 ATMEL 等公司以 80C51 為核心推出的 大量各具特色、與 MCS— 51 引兼容的單片機(jī)。 80C51 系列單片機(jī)是在 MCS— 48 的 HMOS 基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它們具有 CHMOS 結(jié)構(gòu)。它保留了 MCS— 48 單片機(jī)的所有特性，內(nèi)部組成基本相同。同時(shí) 80C51 系列單片機(jī)增設(shè)了兩種可以用軟件進(jìn)行選擇的低功耗工作方式：空閑方式和掉電方式。 50C51 系列單片機(jī)產(chǎn)品中增加了一些外部接口功能單元，如 A／ D、PWM、 PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列）、 WDT（監(jiān)視定時(shí)器）、高速 1／ 0 接口、計(jì)數(shù)器的捕獲／比較邏輯等。此外，由于 80C51 系列采用了 CMOS 技術(shù)制造而成，較之 MCS— 48 系列集成度高、速度快、功耗低。因此 80C51 系列單片機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。 如下圖 34 所示為 80C51 單片機(jī)的基本組成結(jié)構(gòu)。中央處理器與通用微處理器基本相同，只是增加了面向控制的處理功能。例如：位處理、查表、乘除法運(yùn)算、狀態(tài)檢測等，增加了實(shí)時(shí)性。存儲(chǔ)器采用哈佛結(jié)構(gòu)，即程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器截然分開，分別尋址。 50C51 的并行 1／ 0 口 PO～ P3 共四組，其功能強(qiáng)大、使用靈活；串行 1／ 0 口為全雙工串行口，提高了與外圍設(shè)備的通信能力。單片機(jī)內(nèi)部設(shè)有定時(shí)電路，只需外接震蕩元件，一般選用晶體振蕩器，也可用外部 時(shí)鐘源。 圖 34 80C51 單片機(jī)基本組成 33 80C51 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括算術(shù)邏輯單元 ALU、累加器 ACC、只讀存儲(chǔ)器 ROM、隨機(jī)存儲(chǔ) RAM、指令寄存器 SFR、程序地址寄存器、程序計(jì)數(shù)器 PC．地址指針DPTR、定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、并行 1／ 0 口 PO— P串行口、程序狀態(tài)標(biāo)志計(jì)數(shù)器 PSW以及定時(shí)控制邏輯電路等。 80C51 單片機(jī)采用 40 個(gè)引腳雙列直插封裝（ DIP）形式，因?yàn)槭艿揭_數(shù)目的限制，所以有不少的引腳具有第二功能。 單片機(jī)外部引腳說明 MCS— 51 系列單片機(jī)芯片均為 40 個(gè)引腳， HMOS 工藝制造的芯片采用雙列直插（ DIP）方式封裝，下面以 8051 為例分析和說明下各個(gè)引腳的功能。如圖 35 所示 MCS— 51 系列單片機(jī)的 40 個(gè)引腳中有 2 個(gè)專用于主電源的引腳， 2 個(gè)外接晶體的引腳， 4 個(gè)控制或與 其它電源復(fù)用的引腳，以及 32 條輸入輸出 I/O 引腳。 下面按引腳功能分為 4 個(gè)部分?jǐn)⑹龈饕_的功能。 Vcc 和 Vss Vcc（ 40 腳）：接 +5V電源正端； Vss（ 20 腳）：接 +5V電源地端。 圖 35 8051 單片機(jī)管腳示意圖 34 Vcc 和 Vss Vcc（ 40 腳）：接 +5V電源正端； Vss（ 20 腳）：接 +5V電源地端。 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1（ 19 腳）：接外部石英晶體的一端。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了內(nèi)振蕩器。當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí)，對于 HMOS 單片機(jī)，該引腳接地；對于 CHMOS 單片機(jī)，該引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端。 XTAL2（ 18 腳）：接外部晶體的另一端。在單片機(jī)內(nèi)部，接至片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸出端。當(dāng)采用外部時(shí)鐘時(shí)，對于 HMOS 單片機(jī)，該引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端；對于 CHMOS 芯片，該引腳懸空不接。 控制信號(hào)或與其它電源復(fù)用引腳有 /PDRST V、 /ALE PROG 、 PSEN 、 /PPEAV等 4種形式。 （ 1） /PDRST V（ 9 腳）： RST 即為 RESET，PDV為備用電源，所以該引腳為單片機(jī)的上電復(fù)位或掉電保護(hù)端。 當(dāng)單片機(jī)振蕩器工作時(shí)，該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，就可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，使單片機(jī)回復(fù)到初始狀態(tài)（復(fù)位電路將在我的硬件設(shè)計(jì)中給出說明）。 當(dāng) Vcc 發(fā)生故障、降低到低電平規(guī)定值或掉電時(shí)，該引腳可接上備用電源PDV（ +5177。 ）為內(nèi)部 RAM 供電，以保證 RAM 中的數(shù)據(jù)不丟失。 （ 2） /ALE PROG （ 30 腳）：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)， ALE（允許地址鎖存信號(hào)）以每機(jī)器周期兩次的信號(hào)輸出，用于鎖存出現(xiàn)在 P0 口的低 8 位地址。在不訪問 外部存儲(chǔ)器時(shí)， ALE 殿仍以上述不變的頻率（振蕩器頻率的 1/6），周期性地出現(xiàn)正脈沖信號(hào)，可作為對外輸出的時(shí)鐘脈沖或用于定時(shí)目的。但要注意，在訪問片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器期間， ALE 脈沖會(huì)跳過一個(gè)，此時(shí)作為時(shí)鐘輸出就不妥當(dāng)了。 對于片內(nèi)含有 EPROM 的單片機(jī)，在 EPROM 編程期間，該引腳作為編程脈沖PROG 的輸入端。 35 （ 3） PSEN （ 29 腳）：片外程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端，低電平有效。當(dāng)從外部程序存儲(chǔ)器讀取指令或者常數(shù)期間，每個(gè)機(jī) 器周期 PSEN 兩次有效，以通過數(shù)據(jù)總線口讀回指令或常數(shù)。當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器期間， PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 （ 4） /PPEAV（ 31 腳）： EA 為訪問外部程序存儲(chǔ)控制信號(hào)，低電平有效。當(dāng)EA 端保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪問片內(nèi)程序存儲(chǔ)器 4KB（ MCS— 52 子系列為 8KB）。若超出該范圍時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)去 執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器的程序。當(dāng) EA 端保持低電平時(shí)，無論片內(nèi)有無程序存儲(chǔ)器，均只訪問 程序存儲(chǔ)器。 對于片內(nèi)含有 EPROM 的單片機(jī)，在 EPROM 編程期間，該引腳用于接 21V的編程電源PPV。 /輸出（ I/O）引腳 P0 口、 P1 口、 P2 口及 P3 口 （ 1） P0 口（ 39 腳～ 32 腳）： ～ 統(tǒng)稱為 P0 口。當(dāng)不接外部存儲(chǔ)器與不擴(kuò)展 I/O 接口時(shí)，它可作為準(zhǔn)雙向 8 位輸入 /輸出接口。當(dāng)接有外部存儲(chǔ)器或擴(kuò)展I/O 接口時(shí) ， P0 口為地址 /數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用口。它分時(shí)提供 8 位地址總線和 8 位雙向數(shù)據(jù)總線。 對于片內(nèi)含 EPROM 的單片機(jī)，當(dāng) EPROM 編程時(shí)，從 P0 口輸入指令字節(jié)，而當(dāng)檢驗(yàn)程序時(shí)，則輸出指令字節(jié)。 （ 2） P1 口（ 1 腳～ 8 腳）： ～ 統(tǒng)稱為 P1 口，可作為準(zhǔn)雙向 I/O 接口使用。 對于 MCS— 52 子系列單片機(jī)， 和 還還有第 2 功能： 可用作定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 的計(jì)數(shù)脈沖輸入端 T2； 用作定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 2 的外部控制端 T2EX。 對 EPROM 編程和進(jìn)行程序驗(yàn)證時(shí)， P1 口接收輸入的低 8 位地址。 （ 3） P2 口（ 21 腳～ 28 腳）： ～ 統(tǒng)稱為 P2 口，一般可作為準(zhǔn)雙向 I/O接口。當(dāng)接有外部存儲(chǔ)器或擴(kuò)展 I/O 接口且尋址范圍超過 256 個(gè)字節(jié)時(shí)， P2 口用于高 8 位地址總線送出高 8 位地址。 對于 EPROM 編程和進(jìn)行程序驗(yàn)證時(shí)， P2 口接收輸入的高 8 位地址。 36 （ 4） P3 口（ 10 腳～ 17 腳）： ～ 統(tǒng)稱為 P3 口。它為雙功能口，可以作為一般的準(zhǔn)雙向 I/O 接口，也可以將每 1 位用于第 2 功能，而且 P3 口的每一條引腳均可獨(dú)立定義為第 1 功能的輸入或第 2 功能。 P3 口的第 2 功能詳見表 32。 表 3— 2 P3口第 2功 能表 綜上所述， MCS— 51 系列單片機(jī)的引腳作用可歸納為以下兩點(diǎn)： （ 1）單片機(jī)功能多，引腳數(shù)少，因而許多引腳都具有第 2 功能； （ 2）單片機(jī)對外呈 3 總線形式，由 P P0 口組成 16 位地址總線；由 P0 口分時(shí)復(fù)用作為數(shù)據(jù)總線；由 ALE、 PSEN 、 RST、 EA 、與 P3 口中的 0INT 、 1INT 、 T0、 T WR 、 RD 共 10 個(gè)引腳組成控制總線。由于是 16 位地址線，因此，可使外部存儲(chǔ)器的尋址范圍達(dá)到 64KB[11]。 37 第 四 章 漏電保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)的 總體思想 對于一個(gè)實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)來說，往往需要從硬件、軟件兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。硬件電路是實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的基礎(chǔ)，是漏電保護(hù)器的“肢體”，是整個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)的第一步。而所有功能的實(shí)現(xiàn)和可靠運(yùn)行，還依賴與完整的軟件設(shè)計(jì)。即軟件是設(shè)計(jì)任務(wù)的關(guān)鍵，是靈魂。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的指揮下，漏電保護(hù)器才能夠完成一 系列的保護(hù)工作。 軟件是系統(tǒng)的指揮中心，性能優(yōu)良的軟件是保證系統(tǒng)高效、可靠、安全工作的技術(shù)保障。根據(jù)保護(hù)系統(tǒng)的控制原則和技術(shù)要求，使用 C 語言進(jìn)行編程。 C 語言是一種應(yīng)用廣泛的高級(jí)語言，他具有功能豐富、表達(dá)能力強(qiáng)、目標(biāo)代碼效率高、可移植性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)它還具有位操作等許多低級(jí)語言的特點(diǎn)，非常適合 用 來開發(fā)單片機(jī)等嵌入式應(yīng)用程序。 在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，常用的設(shè)計(jì)方法有三種：模塊化程序設(shè)計(jì)、自頂向下逐步求精程序設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)。由于實(shí)際的單片機(jī)控制系統(tǒng)的功能復(fù)雜、信息量大、程序較長，所以選用切合實(shí)際的程序設(shè)計(jì)方法就 顯得相當(dāng)重要。 由于模塊化程序設(shè)計(jì)的中心思想是把一個(gè)復(fù)雜應(yīng)用程序按整體功能劃分成若干相對獨(dú)立的程序模塊， 各 模塊可以單獨(dú)設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試、和差錯(cuò)，然后裝配起來聯(lián)調(diào)，最終成為一個(gè)完成一個(gè)功能，具有實(shí)用價(jià)值的程序。本文中采用了 模塊化程序設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了保護(hù)系統(tǒng)的主控程序和各功能模塊程序，并給出了程序框圖。試驗(yàn)表明，采用模塊化結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)調(diào)試方便，編程效率高。 軟件設(shè)計(jì)原則 軟件設(shè)計(jì)包括擬定程序的總體方案并畫出程序流程圖、編制具體程序、程序的檢查修改、程序調(diào)試等步驟。 （ 1） 程序的總體設(shè)計(jì) 38 程序設(shè)計(jì) 首先要擬定設(shè)計(jì)的總體方案，由于一個(gè)實(shí)際的控制系統(tǒng)功能復(fù)雜、信息量大、程序較長，因此需要選用切實(shí)可行的程序設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)使用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，把一個(gè)較大的程序劃分為若干個(gè)具有獨(dú)立功能的子程序，各子程序分別進(jìn)行編譯、調(diào)試，最后鏈接成一個(gè)統(tǒng)一的整體。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)確定出具體功能模塊的數(shù)學(xué)模型和算法，并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以處理的形式，最后繪制出各功能模塊和總體設(shè)計(jì)的流程圖。 （ 2） 程序的編制 程序流程圖繪制成功后，整個(gè)程序的輪廓和思路已十分清楚。設(shè)計(jì)者就可以進(jìn)行編制程序。首先要統(tǒng)籌考慮和安排一些全局問題，如 :程序 地址空間分配、工作寄存器安排、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、端口地址和輸入 /輸出格式等。然后就可以依照程序流程圖來編出目標(biāo)程序。 （ 3） 程序的檢查和修改 實(shí)際的應(yīng)用程序編好后，往往會(huì)有不少潛在隱患和錯(cuò)誤，這是不足為奇的。但如果這些隱患和錯(cuò)誤不加排除和修改很容易產(chǎn)生并發(fā)癥，使得本來很好的程序陷入不可收拾的地步。因此，源程序編好后在上機(jī)調(diào)試前進(jìn)行靜態(tài)檢查是十分必要的。 （ 4） 程序的調(diào)試 程序經(jīng)過檢查直到?jīng)]有錯(cuò)誤后，就可以進(jìn)入調(diào)試過程，調(diào)試過程的主要目的是檢驗(yàn)編制的程序是否符合實(shí)際功能，各模塊子程序之間配合是否協(xié)調(diào)，是否存在漏洞以及 程序優(yōu)化等，最后完成系統(tǒng)的總體程序設(shè)計(jì) [12]。 本課題 要實(shí)現(xiàn)的主要功能 本課題主要研究的智能漏電裝置主要實(shí)現(xiàn)以下功能： （ 1） 檢測零序電流 （ 2） 判斷電路是否漏電 （ 3） 判斷漏電相 （ 4） 顯示 零序 電流 39 （ 5） 按鍵設(shè)置整定值 程序構(gòu)成