 |
网络高等教育
本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
题 目： 基于单片机的漏电保护器研究
学习中心：
层 次： 专科起点本科
专 业：
年 级：
学 号：
学 生：
指导教师：
完成日期： 2021 年9月16日
随着单片机技术的发展，单片机在电器领域内得到广泛应用，使电器具有智能化功能。漏电保护器是低压电器的一个重要系列产品，但由于漏电保护的特殊性，日前对漏电保护的智能化在理论上和技术上还需要人们进行深入研究与探讨。本篇毕业论文（设计）主要介绍了漏电保护器的分类、作用、工作原理，以及着重介绍了基于单片机的智能型电流漏电保护器的设计原理及应用前景。其主要对PIC16F877型单片机在漏电保护器的应用进行了设计。
关键词：漏电保护器；电流型；单片机
目 录
1.1 课题的背景及意义
自上世纪60年代以来，漏电保护器大大减少了人身触电和电器设备的漏电事故。漏电保护器不仅用在工业生产中，在日常生活中的应用也越来越广泛。发生触电主要有两种形式：一是直接接触，即由于人体直接触及带电的裸露导体；二是间接接触，即人体触及劣化、破损或浸沾导电液体而使外壳带电的设备。漏电保护器，用以对低压电网直接触电和间接触电进行有效保护，也可以作为三相电动机的缺相保护。 漏电保护器是对用电电路实施保护的装置, 它检测三相交流电的电压、电流和漏电, 当三相交流电的电压、电流和漏电出现故障时, 切断电源电路, 从而保护用电电器, 减少火灾的可能。它广泛应用于建筑、电力、消防、通讯等行业,其中在民用住宅和商用住宅中有着广泛的应用, 其产品应用的场合决定了其可靠性尤为重要。目前国家已经制定相应标准, 要求在建筑中必须使用漏电保护器。低压电网的触电、漏电保护已经引起我国各用电部门及劳动保护部门的高度重视，建立科学的完善的触电、漏电保护体系已迫在眉睫。为了提高其性能的稳定性，需要对漏电特性及其检测技术进行深入的研究。本文对漏电保护器特性的检测技术进行了理论研究和实践探索。首先对漏电检测技术的发展状况进行了分析，还对国家标准中的相关规定进行详细的分析，在此基础上，对漏电保护器的硬件和软件进行了研究。
本设计以PIC16F877单片机为处理器，并对单片机系统单元、试验电流的产生和调节单元、电流信号采集单元、人机接口单元等硬件电路进行了研究和分析，并针对特性检测的特点提出了模块化的软件设计方案，以实现对漏电时间和漏电电流的精确检测和显示。
1.2 国内外发展现状
1.2.1 国外发展现状
近年来，国际上触电、漏电保护电器以漏电断路器为主体已基本成熟，并大体上形成了与低压塑料外壳式断路器、家用断路器相对应的系列产品格局。
根据资料统计，目前未装触电、漏电保护器的，事故发生率为85%，加装触电、漏电保护器的，事故发生率下降到30%以下。究其原因是：
(1) 未安装漏电保护器。
(2) 制造厂家偷工减料、粗制滥造，导致脱扣器烧坏，不能动作切断电源，更有甚者，竞假冒定点生产厂家的名优产品。
(3) 用户选用和安装不当。
1.2.2 我国发展现状
我国研究漏电保护器起步要晚于国外，进入二十世纪七十年代以来，我国用电量逐年增加，触电事故也逐年增加，因此引起各部门的相当重视。近年来，我国在漏电保护器方面的科研、生产、应用有了较大的发展，国家标准主管部门先后组织编制了保护器产品标准、使用标准；此外，原国家机械委还制订了相关的产品行业标准；此外，国家建设部在 GB50054《低压配电设计规范》和 GB50096《住宅设计规范》等国家标准中，对低压配电系统和住宅中漏电保护器的应用均作了规定。国家标准要求漏电保护器在投入运行后，使用单位应建立运行记录及相应的管理制度，每月需在通电状态下，按动实验按钮，检查漏电保护器动作是否可靠。雷雨季节应增加检查次数。但是该试验只能用来检查漏电保护器的脱扣功能，不能用来校核额定漏电动作电流和分断时间的数值。所以国家标准还规定应定期进行漏电保护器的动作特性试验，测试漏电动作电流值、漏电不动作电流值和分断时间，而且，对上述试验中采用的检测仪表的精度等级做出了明确的规定。
目前在研制高精度，高性能，多功能的测量仪表时，大多考虑采用微处理器作为控制单元，而在仪器仪表中使用最多的微处理器就是单片机。随着微电子技术的不断发展，单片机的集成度越来越高，功能越来越丰富。以单片机为主体，取代传统仪器仪表的常规测量电子线路，可以容易地将计算机技术与测量控制技术结合在一起，组成新一代的所谓“智能化测量控制系统”。在数据采集系统中采用单片机技术，能够解决许多传统仪表不能或不易解决的问题。这种新型的智能仪表在测量过程自动化，测量结果的数据处理以及功能多样化方面，都取得了巨大的进展。
1.3 本文的主要内容
本文研究的是采用51系列型号单片机实现漏电保护器的控制设计。
全文共分为5章，各章内容简介如下：
第一章绪论，简述课题的背景和意义、论题的国内外发展现状，介绍论文的主要内容；
第二章漏电保护器的原理；
第三章漏电保护器的控制部分介绍；
第四章系统硬件设计；
本文最后对全文进行总结，并指出了研究课题的未来发展方向。
2 漏电保护器的原理
2.1 漏电保护器的基本工作原理
单片机(Single Chip Micro Controller)是单片微型计算机的简称。微型计算机的两大分支之一，是以发展面向对象的用于实时测控领域的微控器(Micro Controller Unit)。单片机是20世纪70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，几乎把微型计算机系统的各功能模块都集成在同一块芯片上，完成整个系统的功能，实现“系统单片机”。其最基本特征是体积小、功耗低、运行可靠和价格低廉，使其得到了广阔的应用前景及更强的生命力。近些年来，单片机发展迅速，涌现出了许多高性能新型机种。在智能机器人、数控车床、工业控制、智能仪表仪器、信息通信、交通、航运、家电、汽车等诸多领域中取得了广泛的应用。几乎很难找到哪个领域没有单片机的足迹。特别是单片机嵌入(隐藏或埋藏之意)式系统的开发与应用，标志着计算机技术发展史上又一个新的里程碑。
通过本章的学习应熟悉计算机中的数制和编码，了解80C51系列单片机的概念、特点、发展及应用领域，理解典型单片机系列的基本情况。
2.2 漏电保护器的特点与应用
漏电保护器的主要用途是：
(1) 防止用电过程中的单相触电事故。
(2) 及时切断电气设备运行中的单相接地故障，防止因漏电引起的电气火灾事故。
(3) 防止由于电气设备和电气线路漏电引起的触电事故。
(4) 随着人们生活水平的提高，家用电器的不断增加，在用电过程中，由于电气设备本身的缺陷、使用不当和安全技术措施不利而造成的人身触电和火灾事故，给生命和财产带来了不应有的损失，而漏电保护器的出现，对预防各类事故的发生，及时切断电源，保护设备和人身安全，提供了可靠而有效的技术手段。
单片机是指集成在一个芯片上的微型计算机，也就是把组成微型计算机的各种功能部件，包括CPU (Central Processing Unit )、随机存取存储器RAM ( Random Access Memory ) ,只读存储器ROM (Read-OnlyMemory)、基本输入/输出(Input/Output)接口电路、定时器/计数器等部件都制作在一块集成芯片上，构成一个完整的微型计算机，从而实现微型计算机
的基本功能。
单片机应用系统是以单片机为核心，配以输入/输出、显示、控制等外围电路和软件，能实现一种或多种功能的实用系统。单片机应用系统由硬件和软件两部分组成，硬件是应用系统的基础，软件则在硬件的基础上对其资源进行调配和使用，从而完成应用系统所要求的控制任务，二者缺一不可。
2.3 国家标准要求及主要设计内容
关于剩余电流保护装置的额定值国家保准要求如下：
1、额定电流值为：6，10，16，20，25，32，40，50，63，80，100，125，160，200，250，315,400，500，630，700，800A
2、额定剩余动作电流值(IΔn)： 0.006，0.01，0.03，0.05，0.1，0.3，0.5，1，3，5，10，20，30A
3、额定剩余不动作电流(IΔno)：额定剩余不动作电流的优先值为0.5 IΔno 。如采用其他值时，应大于0.5 IΔno。
4、剩余电流保护装置的分断时间
目前单片机品种很多，至少有五十多个系列、三百多个品种。可按以下方式进行分类:
2.3.1 按字长分
NEC公司的UPD75XX系列、NS公司的COP400系列、夏普公司的SMXX系列；Intel公司的MCS-48系列和MCS-51系列列、Microchip公司的PIC 16CXX系列PICI7CXX系列以及PIC1400系列、Motorola公司的M68HC05系列和M68HC 11系列、Zilog公司的z8系列；Intel公司的MCS-96/98系列、Motorola公司的M68HC 16系列、NS公司的783XX系列；Hitachi公司的SuperH(简称SH)系列等等。
2.3.2 按控制要求分
(1) 通用型——通用型单片机是一种基本芯片，它内部资源比较丰富，性能全面且适用性强，能覆盖多种应用需求。用户根据需要，可设计一个以通用单片机芯片为核心再配以其他外围电路的测控系统。
(2) 专用型——专门针对某些产品的特定用途而制作的单片机，例如，电度表和IC卡读写器上的单片机等。专用型单片机针对性强且数量巨大，对系统结构的最简化、可靠性和成本的最佳化等方面都作了全面的考虑，所以专用单片机具有十分明显的综合优势。
2.3.3 按制造工艺分
(1) HMOS工艺—高密度短沟道MOS工艺，具有高速度、高密度的特点。
(2) CHMOS(或HCMOS)工艺——互补的金属氧化物的HMOS工艺，是CMOS与HMOS
