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漏電保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)(參考版)

2024-08-30 10:22本頁(yè)面
  

【正文】 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(cè)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 程序主要由數(shù)據(jù)采集、漏電故障判斷、漏電故障相判斷、控制信號(hào)輸出、報(bào)警等部分組成。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。 ( 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。首先要統(tǒng)籌考慮和安排一些全局問(wèn)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。 ( 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。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。 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。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。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(zhǎng),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。 C 語(yǔ)言是一種應(yīng)用廣泛的高級(jí)語(yǔ)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(yǔ)言的特點(diǎn),非常適合 用 來(lái)開(kāi)發(fā)單片機(jī)等嵌入式應(yīng)用程序。 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。即軟件是設(shè)計(jì)任務(wù)的關(guān)鍵,是靈魂。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。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]。 P3 口的第 2 功能詳見(jiàn)表 32。 36 ( 4) P3 口( 10 腳~ 17 腳): ~ 統(tǒng)稱為 P3 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(guò) 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(duì) 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。 ( 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。它分時(shí)提供 8 位地址總線和 8 位雙向數(shù)據(jù)總線。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。 對(duì)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 。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。 ( 4) /PPEAV( 31 腳): EA 為訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)控制信號(hào),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(guò)數(shù)據(jù)總線口讀回指令或常數(shù)。 對(duì)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。在不訪問(wèn) 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(duì)外輸出的時(shí)鐘脈沖或用于定時(shí)目的。 )為內(nèi)部 RAM 供電,以保證 RAM 中的數(shù)據(jù)不丟失。 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(shuō)明)。 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。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(duì)于 HMOS 單片機(jī),該引腳接地;對(duì)于 CHMOS 單片機(jī),該引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端。 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1( 19 腳):接外部石英晶體的一端。 Vcc 和 Vss Vcc( 40 腳):接 +5V電源正端; Vss( 20 腳):接 +5V電源地端。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。 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)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。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(kāi),分別尋址。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。因此 80C51 系列單片機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。 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。它保留了 MCS— 48 單片機(jī)的所有特性,內(nèi)部組成基本相同。 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)。 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)。 ( 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)。除法指令的執(zhí)行時(shí)問(wèn)僅為 4S。此外,還設(shè)有減法、比較和 8 位乘、除法指令。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。 ( 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。 ( 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(qǐng)求,中斷優(yōu)先級(jí)別可由用戶定義。 ( 3)增加了定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的個(gè)數(shù)并擴(kuò)展了長(zhǎng)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(zhǎng)度由 8 位增為 16 位,且有 4 種工作方式。其主要的技術(shù)特征是: 31 ( 1) 擴(kuò)大了片內(nèi)存儲(chǔ)容量、外部尋址空間:程序存儲(chǔ)器和片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址都增加到 64KB。 第二代:以 MCS— 51 系列的 8 位單片機(jī)為代表。如以 Intel8單片機(jī)為例,這 H 代的劃分大致如下: 第一代:以 MCS— 48 系列單片機(jī)為代表。盡管單片機(jī)的種類很多,但從國(guó)內(nèi)情況來(lái)看,使用最廣泛的仍是 MCS— 51 系列。由于它的結(jié)構(gòu)和指令功能都是按工業(yè)控制要求設(shè)計(jì)的,特別適合于工業(yè)控制及控制有關(guān)的數(shù)據(jù)處理場(chǎng)合。它把組成微型計(jì)算機(jī)的各功能部件:中央處理器、CPU隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、可編程存儲(chǔ)器 EPROM、并行及串口輸入輸出 I/O 接口電路、定時(shí)器中斷控制器等部件集成在一塊半導(dǎo)體芯片上,構(gòu)成一個(gè)完整的衛(wèi)星計(jì)算機(jī)。 假如線路發(fā)生 C 相漏電,則全電網(wǎng) C 相對(duì)地電壓會(huì)降低, A、 B 兩相會(huì)升高。由于實(shí)驗(yàn)室條件有限,我們模擬的 電網(wǎng)如圖 33: 圖 33 模擬電網(wǎng)線路 為了更好的得到試驗(yàn)結(jié)果我把電壓調(diào)到了 22V/38V, ??201R , ?? ,漏電電阻 ?? ~00R 。表 31 為 660V電網(wǎng)單相漏電時(shí)的各相電壓。由采樣電路取出三相對(duì)地電壓,電網(wǎng)正常時(shí)他們數(shù)值基本相等并與相電壓成相同的比例;當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相漏電時(shí),三者數(shù)之商有較大的差異,漏電相電壓低于其他兩相。此漏電信號(hào)經(jīng)中間環(huán)節(jié)進(jìn)行處理和比較,當(dāng)達(dá)到預(yù)定值時(shí),是主開(kāi)關(guān) 分勵(lì) 脫扣線圈 TL 通電,驅(qū)動(dòng)主開(kāi)關(guān) QF 自動(dòng)跳閘 ,迅速切斷被保護(hù)電路的供電電源,從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)。這就導(dǎo)致了鐵芯中磁通的向量和也不再為零,即在鐵芯中出現(xiàn)了交變磁通。系統(tǒng)保持正常供電。 電流互感器 二次側(cè)不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 28 圖 32 漏電保護(hù)器工作原理 在被保護(hù)的電路工作正常、沒(méi)有發(fā)生漏電或觸電的情況下,由基爾霍夫定律可知 ,通過(guò) 電流互感器 一次側(cè)電流的向量和等于零。圖 32 是某三相四線制供電系統(tǒng)的漏電保護(hù)原理圖。當(dāng)電路中發(fā)生觸電或漏電故障時(shí),回路中有漏電電流流過(guò),這時(shí)穿過(guò)互感器的三相電流相量和不等零,其相量和 為: IIII ca ??? b (漏電電流)這樣互感器二次線圈中就有一個(gè)感應(yīng)電壓,此電壓加于檢測(cè)部分的電子放大電路,與保護(hù)區(qū)裝置預(yù)定動(dòng)作電流值相比較,如大于動(dòng)作電流,即使靈敏繼電器動(dòng)作,作用于執(zhí)行元件掉閘。 零序電流互感器具體應(yīng)用可在三相線路上各裝一個(gè)電流互感器( ),或讓三相導(dǎo)線一起穿過(guò)一零序電流互感器,也可在中性線 N 上安裝一個(gè)零序電流互感器,利用這些電流互感器來(lái)檢測(cè)三相的電流矢量和,即零序電流 0I , 0III ca ??? b ,當(dāng)線路上所接的三相負(fù)荷完全平衡時(shí)(無(wú)接地故障,且不考慮線路、電器設(shè)備的泄漏電流), 00?I ;當(dāng)線 路上所接的三相負(fù)荷不平衡,則 NII ?0 ,此時(shí)的零序電流為不平衡電流 NI ;當(dāng)某一相發(fā)生接地故障時(shí),必然產(chǎn)生一個(gè)單相接地故障電流 dI ,此時(shí)檢測(cè)到的零序電流 dN III ??0 ,是三相不平衡電流與單相接地電流的矢量和 。在線路與電氣設(shè)備正常的情況下,各相電流的矢量和等于零(對(duì)零序電流保護(hù)假定不考慮不平衡電流),因此,零序 電流互感器 的二次側(cè)繞組無(wú)信號(hào)輸出(零序電流保護(hù)時(shí)躲過(guò)不平衡電流),執(zhí)行元件不動(dòng)作。 主要通過(guò)零序電流 保護(hù)原理 判斷電網(wǎng)是否發(fā)生漏電,通過(guò)最低幅值選相法判斷漏電 相。通常是用一 個(gè) 限流電阻和檢查按鈕相串聯(lián)的支路來(lái)模擬漏電的路徑,以檢驗(yàn)裝置能否正常動(dòng)作。 輔助電源 當(dāng)中間環(huán)節(jié)為電子式時(shí),輔助電源的作用是提供電子電路工作所需要的低壓電源。 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 該機(jī)構(gòu)用于接收中間環(huán)節(jié)的指令信 號(hào),實(shí)施動(dòng)作,自動(dòng)切斷故障處的電源。 中間 環(huán)節(jié) 該環(huán)節(jié)對(duì)來(lái)自零序電流互感器的漏電信號(hào)進(jìn)行處理。被保護(hù)主電路的相線和中性線穿過(guò)環(huán)形鐵心構(gòu)成了零序電流互感器的一次線圈 ,均勻纏繞在環(huán)形鐵芯上的繞組構(gòu)成了互感器的二次線圈 。其構(gòu)成主要有三個(gè)基本環(huán)節(jié),即檢測(cè)元件、中間環(huán)節(jié)(包括放大元件和比較元件)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。目前,國(guó)內(nèi)外漏電保護(hù)裝置的研究生產(chǎn)及有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)均以電流型漏電保護(hù)裝置為對(duì)象 [10]。早期的漏電保護(hù)裝置為電壓型漏電保護(hù)裝置,因其存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、受外界干擾動(dòng)作特性穩(wěn)定性差、制造成本高等缺點(diǎn),已逐步被淘汰,取而代之的是電流型漏電保護(hù)裝置。漏電保護(hù)裝置通過(guò)檢測(cè)此異常電流或異常電壓信號(hào),經(jīng)信號(hào)處理,促使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作,借助開(kāi)關(guān)設(shè)備迅速切斷電源。 表 21 漏電保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間 [9] 漏電保護(hù)裝置的其他技術(shù)參數(shù)的額定值主要有: ( 1) 額定頻率為 50Hz; ( 2) 額定電壓為 220V或 380V; ( 3) 額定電流( )為 6A, 10A,16A, 20A, 25A, 32A, 40A, 50A, (60A),63A, (80A), 100A, (125A), 160A, 200A, 250A(帶括號(hào)的值不推薦優(yōu)先采用)。 我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定漏電保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間如表( 21)所示,表中額定電流≧ 40A的一欄適用于組合型漏電保護(hù)裝置。反時(shí)限型漏電保護(hù) 裝置是配合人體安全電流 —— 時(shí)間曲線而設(shè)計(jì)的,其特點(diǎn)是漏電電流越大,則對(duì)應(yīng)的動(dòng)作時(shí)間越小,呈現(xiàn)反時(shí)限動(dòng)作特性??焖傩瓦m用于單級(jí)保護(hù),用于直接接觸觸電 擊防護(hù)時(shí)必須選用快速型的漏電保護(hù)裝置。它是指從突然施加漏電動(dòng)作電流開(kāi)始到被保護(hù)電路完全被切斷為止的全部時(shí)間。為了防止誤動(dòng)作,漏電保護(hù)裝置的額定不動(dòng)作電流不得低于額定動(dòng)作電流的 1/2。 ( 2) 額定漏 電不動(dòng)作電流( ) 。 我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的額定漏電動(dòng)作電流值為: 6mA, 10mA,( 15mA), 30mA,( 50mA), (75mA),100mA,(200mA),300mA,500mA,10000mA, 20200mA 共 15 個(gè)等級(jí)(帶括號(hào)的值不推薦優(yōu)先采用)。它是指在規(guī)定的條件下,漏電保護(hù) 裝置必須動(dòng)作的漏電動(dòng)作電流值。 漏電保護(hù)裝置的主要參數(shù) 關(guān)于漏電動(dòng)作性能的技術(shù)參數(shù)是漏電保護(hù)裝置最基本的技術(shù)參數(shù),包括漏電動(dòng)作電流和漏電動(dòng)作時(shí)間。在系統(tǒng)對(duì)地電容 C 和漏電電阻 R 為定值時(shí), 23 的最小值并不出現(xiàn)在 r= 時(shí)刻,因此,不是 r 值越大, 越小。 (229) 因此 為 相位相同,按 1/R 比例變化的量。在選 擇性漏電保護(hù)裝置中,正是 利用其相位關(guān)系,對(duì)故障線路加以識(shí)別。至 180176。如圖 25 所示。至 90176。 零序 電流 為 ,可表示為 22 (228) 為第二條至第 n 條線路的對(duì)地等效阻抗。同理,當(dāng) B( C)相漏電時(shí), A( B)相得對(duì)地電壓有可能超
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