基于單片機(jī)的智能漏電報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王好娜，馬龍義，付志紅

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司惠州供電局，廣東 惠州 516001；2.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué)),重慶 400030)

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基于單片機(jī)的智能漏電報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王好娜1，馬龍義1，付志紅2

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司惠州供電局，廣東 惠州 516001；2.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué)),重慶 400030)

摘要：以漏電保護(hù)技術(shù)為主要研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一款基于STC12C5410AD單片機(jī)的智能漏電報(bào)警系統(tǒng)。系統(tǒng)采用偉福E6000和KEILC語言編寫程序，將現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理，將I2C總線技術(shù)應(yīng)用于模塊化電路設(shè)計(jì)，將32位單片機(jī)配合高集成度的可編程外圍接口電路構(gòu)成高精度的監(jiān)測(cè)單元，實(shí)現(xiàn)了軟件部分功能設(shè)計(jì)，并在實(shí)驗(yàn)過程中初步形成了樣品。該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，靈敏度高，可自動(dòng)控制、自動(dòng)報(bào)警，成本低。

關(guān)鍵詞：漏電自動(dòng)報(bào)警保護(hù)器；智能；KEILC語言；單片機(jī)

隨著電力的廣泛應(yīng)用，因電器設(shè)備使用不當(dāng)或線路漏電造成的觸電事件時(shí)有發(fā)生。漏電自動(dòng)報(bào)警保護(hù)器是一種電氣安全裝置，當(dāng)發(fā)生漏電、過流、過壓缺相，且達(dá)到其動(dòng)作電流值時(shí)，在限定時(shí)間內(nèi)動(dòng)作自動(dòng)斷開電源，從而保障人身和設(shè)備安全[1]。20世紀(jì)80年代前以零序保護(hù)作為接地故障保護(hù)，所檢側(cè)的電流為零序電流。其保護(hù)整定值必須大于N線和PEN線中流過的三相不平衡電流、諧波電流及正常泄漏電流之和，數(shù)值為數(shù)十至數(shù)百安培。如此大的整定值只能保護(hù)線路絕緣，而不能有效地防止人身電擊或接地電弧引起的電氣火災(zāi)。20世紀(jì)80年代后，采用了漏電自動(dòng)報(bào)警保護(hù)器，它所檢測(cè)的是剩余電流，即被保護(hù)回路內(nèi)相線和N線電流瞬時(shí)值的代數(shù)和(其中包括N線中的三相不平衡電流和諧波電流)，此電流為正常的泄漏電流和故障時(shí)的接地故障電流。其額定動(dòng)作電流Ir以毫安計(jì)，能十分靈敏地切斷保護(hù)回路的接地故障，還可用作防直接接觸電擊的后備保護(hù)[2]。

漏電自動(dòng)報(bào)警保護(hù)器按結(jié)構(gòu)原理劃分有電壓動(dòng)作型、電流型、鑒相型和脈沖型。電壓動(dòng)作型漏電保護(hù)器通過在配電變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)與地之間串接檢測(cè)線圈或其他阻抗元件，當(dāng)被保護(hù)線路出現(xiàn)人體觸電或線路設(shè)備漏電時(shí)，此線圈上產(chǎn)生故障電壓。當(dāng)故障電壓達(dá)到一定值就推動(dòng)脫扣機(jī)構(gòu)動(dòng)作，使主開關(guān)動(dòng)作切斷電流。其優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝；缺點(diǎn)是掛鉤的銹蝕或磨損可能影響其動(dòng)作電流，造成拒動(dòng)或誤動(dòng)，精度低，脫扣線圈易燒毀等，目前已被淘汰[3]。電流動(dòng)作型漏電保護(hù)器是檢測(cè)漏電故障電流。為保證準(zhǔn)確傳變暫態(tài)短路電流，電流互感器(currenttransformer，CT)在暫態(tài)過程中所需磁鏈?zhǔn)欠€(wěn)態(tài)對(duì)稱短路電流磁鏈的幾倍至幾十倍。電流動(dòng)作型漏電保護(hù)器按結(jié)構(gòu)可以分為電磁式和電子式。電磁式漏電保護(hù)器的原理是將零序CT檢測(cè)到的泄漏電流與整定值相比較，若大于整定值，則輸出，從而借助于脫扣線圈而使脫扣器動(dòng)作，切斷故障回路。電子式漏電保護(hù)器則是由零序CT的輸出經(jīng)電子放大器放大后，觸發(fā)晶體管開關(guān)元件，接通脫扣器電源，從而切斷故障回路。電子式漏電保護(hù)器工作性能好，靈敏度高，是目前最為常用的一種漏電自動(dòng)報(bào)警保護(hù)器[4]。

1智能防火漏電報(bào)警器的設(shè)計(jì)總則

智能漏電報(bào)警器的設(shè)計(jì)原則是：綜合考慮實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性與可靠性，具有智能化及數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)期記憶功能，具有友好的人機(jī)界面[5]。

1.1智能漏電報(bào)警系統(tǒng)主要組成部分

智能漏電報(bào)警系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：檢測(cè)元件(由零序CT組成，檢測(cè)漏電電流)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，中間放大環(huán)節(jié)(包括單片機(jī)及外圍電路、多路模擬開關(guān)、模-數(shù)(analogtodigital，A/D)和數(shù)-模(digitaltoanalog，D/A)轉(zhuǎn)換電路等)，邏輯處理單元，操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)(主要部件為電磁脫扣器)，復(fù)位按鍵和顯示裝置(實(shí)時(shí)顯示電壓、電流和時(shí)間)。運(yùn)算處理單元整體方案如圖1所示。

IIC—內(nèi)部中斷控制器，internal interrupt controllrer的縮寫。圖1　整體方案原理

1.2智能漏電報(bào)警器的技術(shù)要求

智能漏電報(bào)警系統(tǒng)的額定漏電動(dòng)作電流應(yīng)滿足以下3個(gè)條件：

a)漏電動(dòng)作電流應(yīng)不大于人體安全電流值30mA。

b)保證電網(wǎng)可靠運(yùn)行，額定漏電動(dòng)作電流應(yīng)小于低電壓電網(wǎng)正常漏電電流。

c)保證多級(jí)保護(hù)的選擇性，下一級(jí)額定漏電動(dòng)作電流應(yīng)小于上一級(jí)額定漏電動(dòng)作電流，各級(jí)額定漏電動(dòng)作電流應(yīng)有級(jí)差112～215倍。

1.3智能漏電報(bào)警器的“智能”和“報(bào)警”功能

本文設(shè)計(jì)的智能漏電報(bào)警系統(tǒng)的智能及報(bào)警功能有：過流聲光報(bào)警、漏電聲光報(bào)警、過壓聲光報(bào)警、缺相聲光報(bào)警、智能顯示。用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302可以提供過流、過壓的秒、分、時(shí)、日、星期、月和年。一個(gè)月少于31天時(shí)可自動(dòng)調(diào)整，且具有閏年補(bǔ)償功能。

1.4時(shí)鐘芯片DS1302 簡(jiǎn)介

DS1302是美國(guó)DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，附加31字節(jié)靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(randomaccessmemory，RAM)，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)和RAM數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘可提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年，一個(gè)月少于31天時(shí)可自動(dòng)調(diào)整，具有閏年補(bǔ)償功能。工作電壓2.5～5.5V。采用雙電源供電[6]。其外部引腳如圖2所示，各引腳的功能為：VCC1為備份電源，VCC2為主電源，X1、X2為輸入，SCLK為串行時(shí)鐘，I/O為三線接口時(shí)的雙向數(shù)據(jù)線，GND表示接地，RST表示復(fù)位。主電源的電壓超過備份電源0.2V時(shí)，主電源向DS1302供電；主電源的電壓小于備份電源時(shí)，備份電源向DS1302供電。

圖2　DS1302的外部引腳

1.5STC12C5412AD單片機(jī)簡(jiǎn)介

STC系列單片機(jī)是美國(guó)STC公司推出的增強(qiáng)型功能的8051單片機(jī)。STC12C5412A/D單片機(jī)是兼容805l內(nèi)核單片機(jī)，其特點(diǎn)是高速、低耗。內(nèi)部集成watchdog和復(fù)位電路，具有在線系統(tǒng)編程和在線應(yīng)用編程功能，方便用戶修改應(yīng)用程序?？梢詫?shí)現(xiàn)多路信號(hào)的測(cè)量，充分利用單片機(jī)的內(nèi)部資源。在軟件的支持下實(shí)現(xiàn)多通道信號(hào)的自校準(zhǔn)測(cè)量功能，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，成本降低，精度提高，電路體積減小。

2智能漏電報(bào)警器的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由以下模塊構(gòu)成：主程序、時(shí)鐘中斷程序、鍵盤檢測(cè)和處理程序、數(shù)據(jù)采集處理程序、實(shí)時(shí)顯示程序、報(bào)警程序、跳閘程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、IIC存儲(chǔ)程序、抗干擾程序。

2.1主程序設(shè)計(jì)

主程序采用模塊化設(shè)計(jì)和循環(huán)掃描方式，主要完成系統(tǒng)初始化、定時(shí)器初始化、串口初始化等任務(wù)。初始化部分包括中央處理器(centralprocessingunit，CPU)各端口輸入輸出設(shè)置、中斷設(shè)置、數(shù)據(jù)RAM的初始化、可編程watchdog監(jiān)控芯片的初始化、單片機(jī)特殊功能寄存器的初始化、顯示驅(qū)動(dòng)芯片的初始化、I/O擴(kuò)展芯片的初始化等。數(shù)據(jù)采集處理子程序的功能是在定時(shí)中斷服務(wù)程序中完成的。在定時(shí)中斷服務(wù)程序中主要進(jìn)行電壓、電流的采集，采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，標(biāo)度變換以及報(bào)警判斷與跳閘等操作。主程序流程如圖3所示。

圖3　主程序流程

2.2STC12C5410AD單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換

全數(shù)字化方案鑒相鑒幅漏電保護(hù)開關(guān)是將漏電保護(hù)開關(guān)零序CT拾取的剩余電流放大后進(jìn)行A/D變換，將模擬量的剩余電流數(shù)字化后輸入單片微處理器，其變化的剩余電流閾值檢測(cè)、邏輯判斷、定時(shí)與計(jì)次均由單片微處理器處理。整體電路簡(jiǎn)潔，調(diào)試量減少， 穩(wěn)定性提高，但其價(jià)格較高。STCl2C5412AD單片機(jī)具有8通道電壓輸入型A/D轉(zhuǎn)換資源，選擇其中的兩個(gè)通道分別進(jìn)行零電位的測(cè)量和5V基準(zhǔn)電壓的測(cè)量，并以這兩個(gè)通道的測(cè)量結(jié)果對(duì)其他通道的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，一方面消除零電位帶來的測(cè)量誤差，另一方面又減少線性量化誤差，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。P1口為A/D轉(zhuǎn)換輸入之一，要使用A/D轉(zhuǎn)換功能就必須進(jìn)行相應(yīng)寄存器的設(shè)置。A/D轉(zhuǎn)換流程如圖4所示。

圖4　A/D轉(zhuǎn)換流程

2.3數(shù)據(jù)采集處理模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于所要采集的電壓和電流經(jīng)過二極管4148和電阻電容電路整流濾波，再放大送STC12C5412AD單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理。當(dāng)供電線路出現(xiàn)過流、過壓、缺相、漏電時(shí)，與設(shè)定值進(jìn)行比較，經(jīng)延時(shí)后，一系列外圍電路相應(yīng)發(fā)出聲光報(bào)警及跳閘斷電動(dòng)作。待故障排除后，按下“復(fù)位”鍵，即可恢復(fù)工作。其流程如圖5所示。

圖5　數(shù)據(jù)采集處理流程

2.4實(shí)時(shí)顯示及鍵盤處理模塊設(shè)計(jì)

漏電保護(hù)開關(guān)采用微處理器后，具有智能化及數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)期記憶功能，可方便地控制多路漏電保護(hù)開關(guān)系統(tǒng)，通過液晶顯示器來顯示交流電源系統(tǒng)的電壓、電流、頻率等參量，還可顯示漏電保護(hù)開關(guān)的目前工作狀態(tài)、漏電保護(hù)開關(guān)的歷史工作狀態(tài)等功能，并具有友好的人機(jī)界面。液晶顯示芯片如圖6所示。

圖6　液晶顯示芯片

2.5漏電選擇模塊設(shè)計(jì)

防火漏電選擇按鍵是根據(jù)實(shí)際環(huán)境和漏電安全規(guī)范而設(shè)定，不是固定不變的。本系統(tǒng)設(shè)定的三檔為：漏電動(dòng)作電流200mA、300mA、500mA，漏電不動(dòng)作電流100mA、150mA、250mA。相關(guān)流程如圖7所示。

I—漏電動(dòng)作電流，IX—漏電不動(dòng)作電流。圖7　漏電選擇流程

2.6抗干擾模塊設(shè)計(jì)

漏電自動(dòng)報(bào)警保護(hù)器運(yùn)行環(huán)境電氣干擾較強(qiáng)，出于生產(chǎn)成本原因，不可能在硬件上增加很多的抗干擾措施，因而造成產(chǎn)品在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境工作完全正常，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地工作時(shí)頻繁出現(xiàn)程序跑飛、程序鎖死和功能混亂現(xiàn)象。因此，軟件設(shè)計(jì)方面要加強(qiáng)抗干擾設(shè)計(jì)。

3現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用于漏電報(bào)警系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)用于設(shè)備之間的數(shù)據(jù)處理與傳輸，本質(zhì)是一種全數(shù)字化分布式通信的底層網(wǎng)絡(luò)。布線成本低，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)開放，具有網(wǎng)絡(luò)通信開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)(OpenSystemInterconnection，OSI)參考模型等特點(diǎn)[9]。而微機(jī)保護(hù)需要多個(gè)CPU，各CPU自成一套微機(jī)系統(tǒng)，只有一個(gè)液晶顯示即人機(jī)對(duì)話界面，所以各個(gè)CPU之間的通信需要現(xiàn)場(chǎng)總線來傳送數(shù)據(jù)。利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)開放的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，將數(shù)據(jù)通信功能模塊化，完成漏電報(bào)警系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)間的通信任務(wù)，將使整個(gè)系統(tǒng)的通信功能取得極大的進(jìn)步。現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用于火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的一般形式如圖8所示。

圖8漏電報(bào)警回路的現(xiàn)場(chǎng)總線通信

4結(jié)束語

本課題所設(shè)計(jì)的智能防火漏電報(bào)警器的五大特點(diǎn)：a)將現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理；b)將I2C總線技術(shù)應(yīng)用于模塊化電路設(shè)計(jì)；c)采用STC12C5410AD單片機(jī)為控制器核心；d)將32位單片機(jī)配合高集成度的可編程外圍接口電路構(gòu)成高精度的監(jiān)測(cè)、保護(hù)單元；e)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)利用偉福E6000語言和KEILC編寫軟件，流暢、簡(jiǎn)潔。

本文從防火漏電保護(hù)器設(shè)計(jì)出發(fā)，以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了具有“智能”和“報(bào)警”功能的智能防火漏電報(bào)警器。重點(diǎn)闡述了智能防火漏電報(bào)警器的理論依據(jù)和設(shè)計(jì)原則，并采用偉福E6000語言和KEILC編寫程序，實(shí)現(xiàn)了軟件部分功能設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性和智能化程度。在實(shí)驗(yàn)過程中形成了初步樣品，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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Design on Intelligent Electric Leakage Alarm System Based on SCM

WANG Haona1, MA Longyi1, FU Zhihong2

(1.HuizhouPowerSupplyBureauofGuangdongPowerGridCo.,Ltd.,Huizhou,Guangdong516001,China; 2.StateKeyLaboratoryofPowerTransmissionEquipment&SystemSecurityandNewTechnology,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China)

Abstract：Takingelectricleakageprotectiontechnologyforthemainresearchobject,akindofintelligentelectricleakagealarmsystembasedonSTC12C5410ADsinglechipmicrocomputer(SCM)isdesigned.ThesystemusesWeifuE6000andKEILClanguageforprogramming,appliesfieldbustechnologyinnetworkmanagementonpowersystemandI2Cbustechnologyinmodulecircuitdesign.Italsocombines32bitesSCMandhighintegratedprogrammableperipheralinterfacecircuittoformahigh-precisionmonitoringunitwhichfinallyrealizesfunctiondesignonsoftwareandinitiallyformssamplesinprocessofexperiment.Thissystemhasstronganti-interferenceabilityandhighsensitivityaswellasisprovidedwithfunctionsofautomaticcontrolandalarm.

Keywords：electricleakageautomaticalarmingprotector;intelligent;KEILClanguage;singlechipmicrocomputer(SCM)

收稿日期：2016-01-27修回日期：2016-04-07

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51277189)

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.06.006

中圖分類號(hào)：TM932

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-290X(2016)06-0030-05

作者簡(jiǎn)介：

王好娜(1983)，女，河南平頂山人。工程師，技師，工學(xué)碩士，主要研究方向?yàn)槔^電保護(hù)。

馬龍義(1981)，男，安徽池州人。工程師，工學(xué)碩士，主要研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)規(guī)劃。

付志紅(1966)，男，重慶人。教授，博士研究生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)殡姶趴碧健?/p>

(編輯彭艷)