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1、机电与车辆工程学院毕业设计题 目： 基于单片机的漏电报警器的设计 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 2008级（1）班 姓 名： 孙学斌 学 号： 1609080119 指导教师： 国 海 日 期： 2012年5月30日 基于单片机的漏电报警器的设计摘 要:漏电报警器是早期探测电气火灾、将电气火灾遏制在萌芽状态的重要设备，能对用户用电过程进行全程监控和保护,提醒人们及早发现和消除电气火灾的隐患,从而保障人身和财产的安全。本论文设计并实现了一种基于微处理器 PIC16F877A 的漏电报警器。此漏电报警器能准确监控电气线路的短路、漏电、过载、过压、欠压等故障和异常状态,能切断漏电线路上的电
2、源,储存各种故障和操作试验记录,同时还具有来电报警、声光报警的功能。同时,系统还可与火灾报警系统联动,切断非消防电源。关键词：漏电报警器；单片机；PIC16F877A； 远程监控目 录引言31 概况及现状分析31.1国外研究概况31.2 国内研究概况32漏电报警器总体设计42.1 漏电报警器的技术基础42.1.1 漏电报警器的测量算法与分析42.1.2 漏电报警器的保护算法与分析52.2 漏电报警器总体设计62.2.1 总体设计构思62.2.2 主要功能设计73 漏电报警器硬件设计与实现83.1硬件设计原理83.2 PIC16F877A 单元电路83.2.1 微控制器芯片选型83.2.2 PI
3、C16F877A 引脚功能设计83.2.3 时钟电路设计93.2.4 复位电路设计103.3 外围设备接口电路设计103.3.1 人机交互电路设计103.3.2 远程监控模块设计124 漏电报警器软件设计与实现124.1 PIC16F877A 漏电报警器软件设计124.2 远程监控模块软件设计144.3 用户应用程序设计144.3.1 A/D 采样和数据处理任务144.3.2 功能保护任务154.3.3 系统自诊断任务185 总结与展望205.1总结205.2展望20致谢21参考文献22附录一：硬件原理图24附录二：程序清单25引言 随着国民经济建设的高速发展，大型民用建筑以及高层建筑日益增多
4、，由于低压配电系统中短路、过载、负载接触不良、谐波干扰、漏电、接地故障、灯具和电热器具引燃可燃物等原因，引发的电气火灾逐年剧增，给国家经济和人民生命财产造成巨大的损失。充分了解漏电火灾的危害性，加强对漏电火灾的技术防范措施，已成为当前电气防火工作的重要任务之一。目前，熟悉这一新型报警设备的设计、施工技术人员亦较少，实际工作中遇到的困惑也较多。本文按照国家现行漏电防火规范，对漏电报警器在低压配电系统中的应用进行分析与研讨。力求设计既满足规范要求，又使系统简捷合理实用，逐步达到规范化和标准化。并结合智能漏电继电器的技术性能，使其在应用中更加安全可靠，真正起到漏电防火的重要作用。因此，本课题研究具有
5、重要的理论意义和实用价值1。1 概况及现状分析1.1国外研究概况欧洲漏电报警器的发展以家用剩余电流断路器为主，基本上都是电磁式剩余电流断路器。欧洲不带过电流保护的剩余电流断路器近几年的发展趋势是把二极和四极分成两个壳体，使二极剩余电流断路器的体积大为减小：二极宽度为 2 个模数（36mm），四极宽度为 4 个模数（72mm）。代表性的产品有 SIEMENS 公司的 5SM1、5SZ3 系列；ABB 公司的 F360、F370 系列，FG 公司的 NFIN 系列等，其最大额定电流为 63A，采用标准导轨式安装方式，接线端子提供接线柱式接线和压板式接线两种方式，适用于安装在配电箱中，可直接用标准母
6、线排与其他电器连接。 带过电流保护的剩余电流断路器近几年的发展趋势，由小型断路器（MCB）和剩余电流动作保护附件组装成剩余电流动作断路器，组装方便灵活，尺寸模数化，标准导轨安装方式，便于在配电箱内安装使用。代表性产品有 SIEMENS 公司的 5SU 系列，ABB 公司的 DS250S，FG 公司 FL7 系列，施耐德公司 Vigi C60，Vigi NC100 系列等。 由低压塑壳断路器派生的剩余电流断路器，日本发展较快，以富士电机公司和三菱电机公为代表，均为电子式剩余电流断路器，其产品在世界上处于领先地位。1.2 国内研究概况 我国漏电报警器的生产和应用起步较晚，但经过 80 年代和 90
7、 年代的自行研制、开发，引进国外先进技术，取得了较大的进展，已经形成一定规模的生产能力。据不完全的统计，1998 年全国剩余电流动作保护器的年销售量（包括出口）已超过 1200 万台。其中，剩余电流断路器占 57，剩余电流保护插头占 25，其余为剩余电流保护继电器、剩余电流保护插座等。 根据国家标准剩余电流动作保护装置的安装和运行中的要求，国内公司开始研制防火漏电报警系统及报警器，如福瑞特国际电气的“小武松”、金莱特电子公司的防火漏电报警器（DH-A）、煜卓电子的智能防火漏电报警开关等2。2漏电报警器总体设计2.1 漏电报警器的技术基础2.1.1 漏电报警器的测量算法与分析1.电流、电压及功率
8、的测量测量部分主要完成电网参数的测量，包括直接测量电流、电压、频率和间接测量有功功率、无功功率、功率因数等。对电网信号的检测采用交流采样的方法获取实时数据，每个周期采样32 个样本点，采样频率采用自适应频率方式。要想准确地监测电网的质量及实现可靠的保护功能，关键就是准确地检测出电网的电流、电压及相应的频率等，因而对这些信号的数据处理算法尤为重要。测量电压、电流的方法采用均方根法。根据周期性连续函数有效值的定义，任意周期函数 f (x)的有效值： （2.1）式中，T为函数 f (x)的周期。中央处理器根据被测量的采样值进行计算，故对电量基本参数基于直接采样点算法如下：电压有效值： （2.2）电流
9、有效值： （2.3）有功功率： （2.4）视在功率： （2.5）无功功率： （2.6）功率因数： （2.7）式中： u (n)， i (n)为第 n 点的电压、电流采样值；N 为一个周期的采样点数。在实际的实时控制中，如果直接按照上述公式计算电压、电流，需要大量的循环运算，不能满足实时控制的要求。事实上，只要根据实际采样数据的格式，可以避免多余的循环运算。每一路在每个周期中采样32点，即N = 32。当一个周期结束后，下一个周期的起始点将上一个周期的第一点覆盖，如此类推。每一个周期有113232bit的数据流量。每一次采样只覆盖缓冲区中的一个数据，其他N-1个数据没有变化，因此采用滑动窗口法，
10、可以方便快速地进行计算，同时也可防止随机干扰对整个采样值的影响。滑动窗口法的基本思路如下：设当前采样点的值为uk0和ik0，相应被更新的数据为uk1和ik1，则： （2.8） （2.9）式中：S0为上次采样计算结果，S 为本次采样结果。这样每次采样都可以得到最新的计算结果，而不用循环运算，提高了数据处理的速度，在实际应用中取得了良好的效果。2.1.2 漏电报警器的保护算法与分析1.电流保护功能保护算法是漏电报警器的核心部分，完成报警器的大部分功能，包括过电流保护、欠压过压保护以及漏电保护等功能。衡量各种算法的优缺点、主要指标有时候是互相矛盾的，因此应根据保护功能、性能指标（如精度、动作时间等）
11、和保护装置硬件条件（如 CPU 的运算速度、存储器的容量等）的不同，采用不同的算法。电流保护是漏电报警器最重要的保护功能，系统具有过载长延时、短路短延时和短路瞬动三段电流保护及漏电保护等特性。漏电报警器已广泛应用到多种领域，有配电、有发电、有电动机保护、有普通上下级配合等，而当前市场上的产品过载保护一般只提供一种特性，针对1.5倍、2倍或6倍有几种时间值可选，这种特性远远不能满足以上多种场合的用户要求。如，在电厂厂用漏电报警器直接带大功率电动机时，经常出现电动机起动时过载保护跳闸。以上为设定参数不合理或无法进行选择性配合设定造成。当前国外低压漏电报警产品都采用了IEC255标准的五种特性曲线，
12、该五条特性曲线有5*16，共80级特性，完全包容了GB14287-93的要求，且针对性更强，选用更方便。五种曲线的表达式：（1）标准反时限: （2）快速反时限: （3）特快反时限（一般用途）: （4）特快反时限（马达保护）: （5）高压熔丝兼容: 其中：I 为实际故障电流，Ir长延时整定电流；K 为曲线速率。 2.欠压/失压保护 低压配电线路由于出现短路故障等，会出现短暂时间内线路中的电压大幅度降低甚至消失的现象。为避免这种现象对线路和用电设备带来的危害，在某些场合必须进行低电压保护。三个线电压均小于低电压保护设定值，并且线路处于闭合状态时，低压保护动作。对漏电报警器欠压、失压保护的要求就是，
13、在欠压、失压时能够及时分断线路保护用电设备，在电压高于欠压整定值时系统能够正常工作。2.2 漏电报警器总体设计2.2.1 总体设计构思漏电报警器在供配电系统中的主要作用是对线路中的电流、电压及负载等故障进行保护，负责监控终端电气故障，实现远传远控和报警显示功能。它通过检测单元获取主线路的电流、电压信号，经系统的逻辑控制单元依据一定的算法分析判断后发出信号控制断路器的动作，断路器的动作与否及动作时间取决于控制器的控制信号；它通过通信网络，向上位机发送现场的各种运行参数和工作状态，同时接受上位机下传的数据和命令，具有与电脑通讯的功能，可实现与用户联网，随时可检查各用户安全用电情况、随时可接通或分断
14、各用户供电线路。漏电报警器的设计就是依据这一原理，其总体设计采用以高性能的单片机为核心，以与单片机接口的外围芯片为扩展的设计思想。外围芯片按功能模块扩展，由信号检测、信号调理电路、断路器（含电操机构）、通讯接口、远程监控、执行输出元件等模块组成10。图2.1 总体设计框图2.2.2 主要功能设计本系统集测量、保护、控制、通信等功能于一体，为此漏电报警器必须对电流、电压等模拟量进行采样，采集开关量，并输出各种控制和报警信号，同时还可以和上位机进行通信，而且具有良好的人机交互功能。同时，在设计时应充分考虑增强其自身的抗干扰性能，以及电磁兼容问题。系统应具有如下主要功能7：（1)测量与计量功能 系统
15、能实现多种测量和显示，包括三相电流、三相相电压和线电压、不平衡度、频率、功率因素、有功功率、无功功率、谐波分量等，以及万年历时钟功能和主触头磨损程度及开关动作次数指示，以满足现场监视和一般测量的要求。（2)保护功能系统除具有原有过载、短路、单相接地等故障保护外，还应具有断相或不平衡保护、接地保护、漏电保护和负载监控、温度检测、预报警等功能。（3)故障历史记录及自诊断功能故障发生后，可记录故障发生的具体时间，同时把故障发生时各种数据和信息均保存起来，以便于进行事后分析定性，尽快查出故障原因，减少线路维修时间。当控制器发生自检故障时，发出报警信号，并在页面显示何种故障（如控制器超温运行，读写EEP
16、ROM故障等）。（4)热记忆功能反复过载可能引起导体发热，控制器因过载或短延时等故障延时动作后，具有模拟双金属片的热效应的功能，过载能量30min释放完毕，短延时能量15min释放完毕。在此期间闭合的断路器若再次发生过载或短延时，则延时动作的时间缩短，从而使线路和设备得到较好的保护。系统断电时自动清除积累热效应，且该功能可根据需要关断。（5)人机交互功能（HMI）由HMI模块完成，现场操作人员可通过键盘把开关设备的保护整定值、功能设置等信息输入监控单元，并且将其值存入EEPROM中，实现友好的人机交互功能。（6)通信功能通过 RS485 总线或通信网络，向上位机发送现场的各种运行参数和工作状态
17、，同时接受上位机下传的数据和命令，即具有遥测、遥信、遥控、遥调“四遥”功能。可与消防控制中心联动，实现远程切断负载电源，并有反馈信号给消防控制中心报警；具有与电脑通讯的功能，可实现与用户联网，在一台电脑上能对 1250台漏电报警器实现在线远程监控，随时可检查各用户安全用电情况、随时可接通或分断各用户供电线路11。3 漏电报警器硬件设计与实现3.1硬件设计原理漏电报警器对线路中的电流、电压及负载等故障进行保护，负责监控终端电气故障，实现远传远控和报警显示功能。系统的硬件总体设计采用以高性能的单片机为核心，以与单片机接口的外围芯片为扩展的设计思想。外围芯片按功能模块扩展，由信号检测、信号调理电路、
18、输入与显示部分、微控制器PIC16F877A、断路器（含电操机构）、通讯接口、远程监控、执行输出元件等模块组成。电压互感器、电流互感器和零序互感器检测供电线路中的电流、电压信号，该信号经信号调理电路处理后由多路选择开关送入 PIC16F877A 自带的 A/D 转换模块将其转换为数字信号。CPU 根据这些信号进行逻辑运算与处理，将运算结果与整定值比较后输出符合预设保护特性的逻辑信号；逻辑信号经放大后可直接驱动断路器的电操机构使断路器动作15。3.2 PIC16F877A 单元电路3.2.1 微控制器芯片选型基于程序存储空间、数据存储空间、运行速度、性能价格比、系统可靠性、软件实现难易程度等综合
19、因素考虑，本系统采用高效可靠的 PIC(Periphery Interface Chip)16F877A 单片机。它是美国 Microchip 公司生产的中档单片机，采用全新的流水线结构、单字节指令体系，嵌入 Flash 以及看门狗定时器，指令精减(只有 35 条指令)，ICSP (在线编程)方便可调；I/O端口驱动能力强，可以直接驱动 LED 显示；其端口的电平变化中断功能，提高了实时监测性。另外，PIC16F877A 单片机同时具有 SPI 同步串行模块和 USART 异步串行模块，系统选用PIC16F877A 单片机，将使控制系统的硬件电路简单可靠、软件编制方便，系统整体性能得以提高13
20、14。3.2.2 PIC16F877A 引脚功能设计PIC16F877A芯片引脚如图3.1所示。PIC16F877A单片机引脚分成两大类，即7根系统配置引脚和33根输入/输出引脚。图3.1 PIC16F877A芯片引脚1.系统配置引脚（1）电源和接地引脚（2组）P11、P32电源配置引脚，接5V电源信号；P12、P31接地；（2）时钟、复位引脚P13：时钟振荡器晶体连接端/1 外部时钟源输入端；P14：时钟振荡器晶体连接端/2 外部时钟源输出端；（3）主复位引脚P1 主复位引脚，最大用途为供使用者从外部输入复位信号来复位单片机，本系统设计中保持该引脚信号为高电平。2.输入/输出功能引脚PIC1
21、6F877A单片机配置有A、B、C、D、E5个端口，共33根双向输入/输出引脚。主要接法如附录一。3.2.3 时钟电路设计为了获取相对比较稳定的振荡时序信号，时钟电路设计采用XT方式，选用4MHz晶体振荡器和两个20PF电容，将晶体振荡器和两个电容连到OSC1和OSC2引脚上，结合PIC16F877A单片机内部的振荡电路构成完整振荡电路，时钟电路如图3.2所示。 图3.2 时钟电路3.2.4 复位电路设计依据PIC16F877A单片机低电平复位和引脚P1的硬件设置，本系统采用上电复位，P1引脚始终为高电平，复位电路如图3.2所示。上电复位是在单片机加电，Vdd上升到1.61.8V时，上电复位电
22、路提供一个复位脉冲直接复位。3.3 外围设备接口电路设计3.3.1 人机交互电路设计为适应系统各种工作环境，人机交互接口采用按键和LDE显示方式，分别如图3.3和图3.4所示。系统共设计三个按键：漏电选择按键 SW1，漏电设定按键 SW2，运行/停止按键 SW3。其中漏电选择按键 SW1 和漏电设定按键 SW2 为组合按键，当按下 SW2 键，额定漏电动作电流 200mA，400mA，800mA 分档可选，用SW1 键选择需要的额定漏电动作电流，选好后按下 SW2 键锁定选定值，此时 SW1键无效。SW3 键为运行/停止按键，与控制器 PIC16F877A 的 RA4/T0CK1 连接，乒乓键
23、作用，按下时为低电平。图3.3 人机交互接口电路LED显示电路如图3.4所示。74LS373是地址锁存器，使用3片74LS373接LED显示，微控制器PIC16F877A的引脚RB7、RB6、RB0分别接这3片74LS373的LE脚，引脚RD0RD7接3片74LS373的D0D7脚。3片74LS373的三态允许控制端OE脚接地，始终为低电平，Q0Q7为正常逻辑状态，用来驱动LED显示。当锁存允许端LE为高电平时，Q0Q7随数据D0D7而变。当LE为低电平时，Q0Q7被锁存在已建立的数据电平。第一片74LS373接过压、缺相、故障、短路、设定LDE显示；第二片74LS373接A相过载、B相过载、
24、C相过载、漏电、漏电0.2A、漏电0.4A、漏电0.8A、运行LDE显示；第三片74LS373接负载指示18。图3.4 LED显示电路3.3.2 远程监控模块设计远程监控模块电路如图 3.5 所示。图3.5 远程监控模块电路漏电报警器可对电气线路的过压、缺相、短路、漏电、故障、过载等进行实时远程监控，通过 RS485 总线或通信网络，向上位机发送现场的各种运行参数和工作状态，同时接受上位机下传的数据和命令，即具有遥测、遥信、遥控、遥调“四遥”功能；具有与电脑通讯的功能，可实现与用户联网，在一台电脑上能对 1250 台漏电火灾报警器实现在线远程监控，随时可检查各用户安全用电情况、随时可接通或分断
25、各用户供电线路16。4 漏电报警器软件设计与实现对采用微处理器设计的硬件系统，软件是整个报警器的灵魂，软件设计的好坏直接影响到硬件系统的性能和稳定性。系统软件设计遵循结构化和模块化的原则，将软件划分为若干个独立的功能模块（即系统用户任务），连接时力求模块内部数据结构的紧凑性以及模块之间数据关系的松散性，尽可能减少各功能模块的相互影响。软件采用 C 语言和汇编语言混合编程方式编写。C 语言结合了高级语言的基本结构和低级语言的高效性，很适合单片机的开发，可移植性好；汇编语言具有高效性、直接面向硬件操作的优点。此外，为了提高系统测量的精度和增强系统的抗干扰能力，在软件设计上采用了数字滤波、软件监视定
26、时器 WDT 等抗干扰措施16。4.1 PIC16F877A 漏电报警器软件设计漏电报警器软件流程如图4.1所示，漏电报警器软件设计 15：（1）开机：正确安装完毕后，合上供电系统总开关，此时控制器输入指示亮，表明供电正常；（2）“报警/静音”开关扳到“报警”状态；（3）打开本机电源开关，主机进入自检状态，主机自检完毕后发出“滴”的一声，并且点亮“漏电选择”的 800mA 指示，提示主机控制系统进入待机状态。延时 5S 后自动合闸接通用户电源，点亮输出指示。（4）通过“漏电选择”与“漏电设定”可改变漏电动作电流设定值：800mA、400mA、200mA。默认值为 800mA。故障报警指示设计：
27、当供电系统出现故障，进行故障报警，提示用户尽快查明原因排除故障。（1）漏电报警：在供电线路发生漏电，其漏电电流超过漏电动作电流设定值时，在0.1S内发出指令切断电源，并发出报警声音，提醒用户供电线路出现漏电现象。此时应关断本机电源，待故障排除后，再打开本机电源，再按一下“运行/停止”键，即可回复正常运行；（2）过载指示报警：在三相四线制供电中有任何一相出现过载时，经延时5S-10S后仍在过载，控制器自动切断用户供电线路，并发出报警声音，提醒用户供电线路出现过载现象。此时应关断本机电源，待故障排除后，再打开本机电源，再按一下“运行/停止”键，即可回复正常运行；图 4.1 漏电报警器软件流程图（3
28、）欠压报警：当供电线路中有任何一相（A相不能缺相）电压欠压时，经延时5S-10S后仍在欠压时，控制器发出指令切断供电线路，并发出报警声音，提醒用户供电线路出现欠压现象。此时应关断本机电源，待故障排除后，再打开本机电源，再按一下“运行/停止”键，即可回复正常运行；（4）过压报警：在三相四线制供电中有任何一相过压时，在0.1S内发出指令切断供电线路，并发出报警声音，提醒用户供电线路存在短路现象。此时应关断本机电源，待故障排除后，再打开本机电源，再按一下“运行/停止”键，即可回复正常运行。（5）短路报警：在三相四线制供电中有任何一相出现短路时，经延时5S-10S后仍在过载，控制器自动切断用户供电线路
29、，并发出报警声音，提醒用户供电线路出现过载现象，此时应关断本机电源，待故障排除后，再打开本机电源，再按一下“运行/停止”键，即可回复正常运行；（6）负载指示：对三相四线制供电线路的负荷进行指示，当供电线路处于满负荷运行状态，接近报警值时，应提醒用户注意用电安全，并采取有效措施减轻负荷。软件设计包括初始化子程序、上电电压检测子程序、主机自检子程序、漏电检测子程序、电压检测子程序、过载及短路检测子程序、按键扫描子程序等。PIC16F877a 将采集数字信号的运算结果与整定值比较后输出符合预设保护特性的逻辑信号；逻辑信号经放大后驱动断路器的电操机构使断路器动作。4.2 远程监控模块软件设计远程监控机
30、每隔10秒循环查询一次，监控机发出指令后等2051指令，等待时间最长为20ms，超过20ms则判失败重发，重发2次都失败pc上显示通讯故障；pc机发送数据00h表示查询，01h表示开机，02h表示关机，之后都会有信号回传，2051数据正常表示8pin。引脚定义（参见图3.5）：P1口检测信号，P3.2作为发送使能，P3.3作为开关机控制，P3.7为开关机状态检测，P3.4作为接受控制。4.3 用户应用程序设计4.3.1 A/D 采样和数据处理任务各种测量和保护的数据来源都要依靠现场采集的数据，所以采样转换是整个系统最为重要的环节之一。系统利用 PIC16F877A 内嵌的模数转换器进行模数转换
31、，完全可以满足对采集信号的进行轮循采样在时间和精度上的要求。其采样任务子程序流程见图 4.2。图4.2 采样程序流程图为了计算 50Hz 正弦电流、电压信号的有效值，对各路信号进行频率自适应方式采样，每个周期内（20ms）采样 32 个点。这里利用定时器 1 来进行定时采样，初始时每隔 0.625ms 产生一次中断进行采样，之后利用过零点方法检测得到的频率来修改定时器 1 匹配寄存器（T1MR1）值，以改变采样间隔，实现自适应频率采样，这样避免了因电网波动对采样值的影响。4.3.2 功能保护任务系统的保护功能包括：漏电或接地保护、短路短延时保护、短路瞬动保护、电流不平衡保护、过载长延时保护、电
32、压保护、电压不平衡保护和负载监控等，根据不同的保护要求，其保护算法有所不同，相应的保护子程序将不同，下面介绍几种保护功能的 C 语言实现方法。（1）漏电或接地保护接地或漏电保护具有反时限特性，特性公式为t = tGKIG/ I，故障延时动作时间不小于定时限的设置时间。公式中tG为接地定时限设定时间，K为反时限剪切系数，一般为1.56，当K被设置为“OFF”时表示接地为定时限。接地漏电的选用方案与系统保护要求及接地方式有关，因而控制器分两种不同保护方式：一种为内部互感器矢量和方式（接地保护）。由于互感器和加法电路的固有误差，特别是空心互感器小电流的灵敏感度较差，因此该方式的接地保护适于金属性接地
33、的场合；另一种是采用外置矩形互感器直接取三相或三相+N 相电缆信号矢量和的方案或采中性极对地互感器的信号方案，互感器的二次输出为5A 或者 1A，安装时引线可较长，该方案较适用于电动机应用等场合，接地的保护定值范围可整定在 0.55A/0.11A（按互感器的二次电流值设定），同时可实现定时限+反时限的特性，时间为 0.11s 可选。此方式适应灵敏度要求较高，特别是小电流的接地和漏电保护场合。（2）短路短延时保护子程序由于短路电流很大，会在出现故障的瞬间释放巨大的能量，所以后果是非常严重的，但只要正确的选择保护装置、合理整定保护动作值，就可消除或减轻短路的影响。为此有必要对短路电流进行分析和计算
34、，再确定合理的保护措施。该系统的短延时保护有两种方式，一种为反时限保护，当故障电流超过反时限设定值时，系统按与过载一样的曲线进行延时保护，但是保护的速度要快 10 倍（即按过载曲线函数算出的故障延时时间的十分之一动作）；另一种为定时限保护，当故障电流超过定时限设定值时，系统按定时限时间延时保护。这两种保护方式的保护电流大小都可设置，且两种保护方式也可关闭或打开。根据这两种保护电流的设定值大小和保护方式的开或关，其功能保护算法将有所不同：当反时限电流设置为“OFF”时或定时限电流整定值小于等于反时限电流整定值时，则系统按定时限保护，反时限功能自动失效。当定时限保护投入时，无论定时限或反时限，短延
35、时延时动作的时间均不小于定时限的设置时间；但当定时限保护退出时，反时限保护的延时动作时间则不受定时限延时时间设定值的限制（但不小于 20ms）。短延时保护程序流程图见图 4.3。（3）短路瞬动保护短路瞬时动作特性为定时限，动作时间一般为 1020ms。因而采用半个周期的采样有效值与整定值比较的方案，若大于整定值，则说明是故障出现，执行断路动作。（4）电流不平衡保护电流不平衡的保护可以对断相和三相的电流不平衡进行保护。其计算公式为=|IIav|/Iav，Iav 为三相电流的平均值。其延时为定时限，延时时间为 Ts。当 Ts 为“OFF”时表示只报警不跳闸。图4.3 短路短延时保护程序流程图（5）
36、过载长延时保护子程序考虑到系统广泛应用到各种领域，以前的那种满足 GB14048.2 老标准的 10 级和 20 级要求的三段保护曲线，已远远不能满足多种场所的用户要求了，因而过载保护算法采用符合 IEC255 标准的五种特性曲线，根据不同的保护设备，如配电系统、电机或发动机保护，选择上述五条曲线中的任意一种进行保护。本系统默认保护曲线选用作为一般用途的特快反时限曲线，其公式为：t=K/(N2-1)，但用户可根据需要在面板上直接选择设定为其他曲线保护，以适应不同的应用场合。其中 N 相过载保护电流可设置为过载保护电流（Ir1）的 50%或 100%进行保护，长延时动作时间系数整定值 K 决定过
37、载长延时保护的选择范围。程序流程见图 4.4。图4.4 过载保护流程图（6）负载监控保护子程序负载监控有两种方式，它们的保护特性曲线都与过载长延时所选择的保护线相同，但其保护电流可以自行设定。方式一可以监控两路负载，当断路器的运行电流大于整定值时，按反时限特性动作，有控制器发出信号，通过中间继电器可以切断负载，以保证主系统供电。但是当主系统供电恢复正常时，需要手动将切断的负载重新接通。方式二仅监控一路负载，当运行电流大于负载一设定的保护电流值（ILC1）时，控制器延时动作并发出信号切断负载。当电流恢复正常，且电流值小于负载二设定的保护电流值（ILC2）时，控制器固定延时 60S 后再发出信号接
38、通已分断的负载。一般情况下，将两路的电流保护设置为 ILC1ILC2。4.3.3 系统自诊断任务自诊断功能主要用于对系统自身的工作状态和运行环境进行检测和保护。对于读写 EEPROM 故障的诊断，由于 EEPROM 是通过 I2C 总线与 CPU 相连的，因而只要判断 I2C 总线的通信是否正确。其方法是，在利用 I2C 中断读写 EEPROM的数据时，若出现总线错误，则重新启动总线读写数据，如果在 5 次重复的读写过程中仍出现总线，则跳出置读写 EEPROM 自检故障标志位，发出报警信号。这样重复几次的读写，保证了对 EEPROM 正确操作。对于断路器拒动的诊断，当系统发出脱扣指令后，通过检
39、测输入的脱扣状态开关量，若发现断路器拒动，则再次发出脱扣指令，如断路器仍拒动，则置自检故障标志位，发出报警信号。这样系统形成一个反馈的闭环回路，保证了动作的可靠性。5 总结与展望5.1总结漏电报警器是早期探测电气火灾、将电气火灾遏制在萌芽状态的重要设备。根据现代技术在智能低压电器中的应用及我国漏电火灾报警系统的发展需要，本文设计并实现了一种具有包括漏电电流探测、报警功能在内的扩展多功能，集漏电、短路、过载、过压、欠压、缺相、延时送电、防误合闸、防雷等功能于一体，并可以组网实现远程集中监控，监控终端电气故障，实现远传远控的漏电报警器。5.2展望（1）通信上可采用目前国内外广泛使用的总线通讯方式，
40、这种通信方式具有实时性强、可靠性高、结构简单、互操作性好等优点。开发Can、Modbus、Profibus、DeviceNet等多种总线通信接口以适应市场的需求，实现漏电报警器基于现场总线通信的主要技术特征。同时鉴于目前Ethernet/IP已经成为工业现场总线的发展趋势，所以开发总线接口的通信方案将来会具有较为广阔的市场前景。 （2）硬件扩展和软件移植：若系统要求增加监控对象，需要增加用于数据采集和控制的接口，可方便地将现有程序功能扩展，移植到PIC18LF系列芯片，PIC18LF芯片管脚与PIC16F877A完全兼容，10-bit A/D较PIC16F877A的10通道增加为13通道。其他
41、涉及的资源配置均无须变动。 （3）进一步加强装置的抗干扰能力。由于控制器的微处理器的工作电压比较低，晶振频率比较高，而且工作环境恶劣，虽然采取了一些抗干扰措施，但还需进一步完善，使其适应更严酷的工作环境。致谢 本文的设计工作是在导师国海教授的悉心指导下完成的。从论文的立题、研究到审阅都得到了导师的全力支持和耐心指导。国海教授渊博的学识，严谨的治学态度，孜孜不倦的教导作风，都对我产生有益而深远的影响。这些都将是我这一生享之不尽的宝贵财富。在此向尊敬的导师致以衷心的感谢和崇高的敬意。我还要感谢我的班主任刘纯利教授，是他传授了我单片机的知识，让我能够具备完成毕业设计的能力。他的治学严谨和科学研究的精
42、神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后研究生的学习和工作。在课题的研究工作中，得到了各位老师和同学、朋友的各个方面帮助，使我能够顺利完成论文，在此，对给予热情帮助的所有老师及同学一并表示感谢！向所有评阅论文的老师、教授表示诚挚的谢意！参考文献1梁正习.漏电保护器实用技术M.北京：化学工业出版社，1995，15-342凌智敏.漏电开关及其应用M.北京：水利电力出版社，1991，9-11 3藤松林，杨校生.触电漏电保护电器及其应用M.北京：机械工业出版社，1994，129-1464许志红，张培铭，雷德森.我国低压电器技术的发展与展望J.电工技术杂志，2002，(5)：2-45 何瑞华.我国低压
43、电器新世纪发展策略探讨J.低压电器，2000，(1)：3-8.6 胡守富.漏电火灾报警系统的工作原理和应用J.工程与建设，2007，21(3)，351-3547 易俊，肖逾男，陈允平等.采样频率自适应调整的实现J.高电压技术,2003,(12):40-428 程玉标，朱建.新一代智能控制器的关键技术J.电气时代，2003，(10):52-559 陈恒亮，蒋勇.基于 DSP 的实数 FFT 算法研究与实现 J.动力学与控制学报,2005,3(2):50-5310 李晓东，赵培江.漏电火灾报警系统的电气设计J.低温建筑技术，2007，2：34-3511 胡晓锋，杜松怀，苏怀祥.具有判断功能漏电保护
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45、五届国际测试技术研讨会.15 胡晓锋，杜松怀，张艳华.新型电流型漏电保护器方案设计与实现J.农机化研究，2007，3：191-19416 田泽.嵌入式系统开发与应用教程M.北京航空航天大学出版社，北京：200517 李成斌，胡生清.测控系统中的抗干扰方法J实用测试技术，2000，(1)：38-4118 Luo Yanyan, Lu Jianguo, Li Zhigang. Student on Methods of Reliability Test for Switches. The Proceeding of International Relay Conference, 200219 刘帼
46、巾，陆俭国，李志刚.漏电保护器的可靠性研究J.低压电器,2001,(5)：7-9Based on the Design of the Microcontroller Leakage AlarmAbstract: The leakage alarm is early detection of electrical fires, electrical fires to curb the important equipment in the bud, can monitor the entire process of users of electricity and protection, to remind people to early detection and elimination of the electrical fire hazard, in order to protect persons
