低压断路器漏电采集无线自组网
摘 要本课题主要研究的是低压断路器主控系统的漏电流采集以及能够实现无线自组网，通过无线自组网实现多点的漏电流采集和漏电流的传输。根据这个研究我做了系统的硬件设计和软件设计，硬件设计主要包括漏电流检测电路设计、主控电路设计、组网设计、人机交互设计、供电电源设计、保护措施的设计；软件设计了漏电流采集软件、zigbee组网控制软件。其中，漏电流检测采用零序电流互感器，系统的主控芯片采用了16位的微控器MSP430F449，最终通过ZigBee组网将多点的漏电流值发送到上位机来读取数据，实现实时监控漏电流的目的。
目 录
第一章 绪论 1
1.1低压断路器的漏电流的危害 1
1.2漏电流检测的现状和发展趋势 1
1.3远程数据的监视和控制 2
第二章 项目研究的基本内容和方案 3
2.1研究基本内容和功能 3
2.2设计方案 3
2.2.1漏电流的检测方案 3
2.2.2组网的方案 4
2.3芯片介绍 5
2.4单片机开发环境 9
第三章 硬件设计 11
3.1主控电路的设计 11
3.2漏电流检测电路设计 12
3.3基于ZigBee的无线通信接口设计 14
3.4分合闸控制电路 17
3.5人机接口单元电路 18
3.6电源电路设计 20
第四章 软件设计 23
4.1主控的软件设计 23
4.2漏电流采集软件设计 25
4.2ZigBee组网的软件设计 25
第五章 测试结果与系统的实现 26
5.1系统的硬件测试 26
5.2系统的软件测试 29
结束语 32
致谢 33
参考文献 34
附录 35
附录A PCB图 35
附录B硬件实物图 36
附录C程序清单 37
第一章 绪论
1.1低压断路器的漏电流的危害
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
低压断路器又称自动空气开关或自动空气断路器。它是一种既有手动开关作用，又能自动进行失压、欠压、过载、和短路保护的电器。它可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压和漏电等故障时能自动切断电路。
漏电流是电器外壳和市电火线间由于某种原因连通后和地之间有一定的电位差产生的。
危害：
触电。当电气设备因绝缘损坏而使外壳带电，而工作人员又接触此外壳时，就会导致人身触电事故。此时如地电流的一部分将要从人体流过，其数值大到一定程度就会造成工作人员的伤亡。
2、引起沼泽气及煤尘爆炸。我国大部分煤矿有沼气和煤尘爆炸的危险，当井下空气中沼气和煤尘达到爆炸浓度且有能量达到0.28mj的点火源时，就会发生沼气活煤尘爆炸。?
3、烧损电气设备，引起火灾。长期存在的漏电电流，尤其是两相经过度电阻接地的漏电电流，在通过设备绝缘损坏处时将散发出大量的热，使绝缘进一步损坏，甚至使可燃性材料（如非阻燃性橡套电缆）着火燃烧。?
4、引起短路事故。
1.2漏电流检测的现状和发展趋势
众所周知，目前，在配供电网络中，漏电流检测是保护人身触电伤亡事故的有效技术措。但从大量的运行实践证明，现已在配电网络使用的各种型号的漏电保护器的使用效果上来看，其投运率和正确动作率远达不到国网公司的要求，因而对人身安全的保护效果非常差强人意。为此，对漏电检测深入的进行技术分析和研究，探讨未来漏电保护的技术发展方向，确保在任何情况下，发生人身触电事故，漏电保护都能正确动作尤为重要。
漏电检测应体现两大技术指标，一是对人身安全的保护效果，二是供电可靠性。漏电监测能对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的故障时,它就能自动切断电源，保护电路，目前已获得了广泛的应用。大致有汽车低压保护开关，压力控制低压开关，电力设备低压开关电器三个分类。适应于汽车行业、净水器行业、电力行业等领域。
1.3远程数据的监视和控制
当我们对电路中的漏电流进行检测以后，需要对漏电流的的数据进行传输，将采集到的漏电流，用无线收发模块传送到上位机上，无线通信方式可用ZigBee、Wifi、蓝牙等。当检测的是多点的漏电流时，这时就需要多点传输，为此，需要采用组网的方式来对数据进行传输和显示。在无线通信领域，蓝牙虽然成本较低，成熟度高，但是传输距离有限，仅为10米，可以参与组网的节点少。WiFi虽然传输速度较快，传输距离达到100米，但是其价格偏高，功耗较大，组网能留较差。相比之下，ZigBee技术则具有低耗电、低成本、低数据速率、短距离、通信可靠性高的优点，可以很好的解决有线通信方式布线难度大、成本高等问题，无需支持额外的流量费，并且不受移动网络的影响，无需人工干预，网络节点能感知其他节点的存在。同时网络容量大，一个ZigBee网络可以多个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在多个ZigBee网络。适合这个设计。
第二章 项目研究的基本内容和方案
2.1研究基本内容和功能
要求设计一个低压断路器主控系统的漏电流采集模块，并实现无线自组网。要求系统能实现对漏电流的检测，漏电范围控制在50—500mA。能够将采集得到的数据通过液晶显示出来，并且能友好进行人机交互。系统接收到的数据通过无线通信协议传输到PC端，实现对设备的远程控制，得知是否漏电。当出现漏电流时，能实施保护功能。组网的协议是采用ZigBee。设计需要实现的主要功能：
1）能够实现对三相四线电的漏电的检测，漏电范围为50500mA，并对漏电流进行分档，不同的档位，使断路器实施不同的保护功能。最后将采集到的漏电流通过液晶中文显示出来，并且能友好进行人机交互，操作简单；
2）能够实时监测跟踪线路漏电电流，确保线路的漏电流能够实时显示。当出现漏电时，能实施保护功能；
3）选用一种安装方便，使用方便的无线组网技术。
2.2设计方案
2.2.1漏电流的检测方案
漏电流检测电路主要包括检测元件即零序电流互感器和信号处理单元，电流经过零序互感器，再将信号放大，目的要将50500mA的电流，变成03.3V的电压，这部分电路将检测出的漏电信号送到单片机的A/D输入通道,经A/D转换生成数字信号，然后进入单片机，单片机将此信号与设定的整定值比较后决定是否驱动跳闸机构电路。通过外接的LED单元进行状态显示，以实现实时检测漏电电流的目的。
首先介绍漏电流检测的原理，如图21，将三相导线一起穿过一个零序互感器，它根据基尔霍夫第一定律的原理设计的，流入电路中任一节点的电流代数和等于零。在线路与电气设备正常的情况下，各相电流的矢量和为零，即la+lb+lc+ln=0，此时零序电流互感器的二次侧绕组无信号输出，执行元件不动作；而当各相电流的矢量和不为零时，零序电流互感器的环形铁芯中产生磁通，二次侧感应电压使执行元件动作，带动脱扣装置，脱扣器迅速切断低压电源，达到漏电保护的目的。
图21 漏电流检测原理图
目 录
第一章 绪论 1
1.1低压断路器的漏电流的危害 1
1.2漏电流检测的现状和发展趋势 1
1.3远程数据的监视和控制 2
第二章 项目研究的基本内容和方案 3
2.1研究基本内容和功能 3
2.2设计方案 3
2.2.1漏电流的检测方案 3
2.2.2组网的方案 4
2.3芯片介绍 5
2.4单片机开发环境 9
第三章 硬件设计 11
3.1主控电路的设计 11
3.2漏电流检测电路设计 12
3.3基于ZigBee的无线通信接口设计 14
3.4分合闸控制电路 17
3.5人机接口单元电路 18
3.6电源电路设计 20
第四章 软件设计 23
4.1主控的软件设计 23
4.2漏电流采集软件设计 25
4.2ZigBee组网的软件设计 25
第五章 测试结果与系统的实现 26
5.1系统的硬件测试 26
5.2系统的软件测试 29
结束语 32
致谢 33
参考文献 34
附录 35
附录A PCB图 35
附录B硬件实物图 36
附录C程序清单 37
第一章 绪论
1.1低压断路器的漏电流的危害
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
低压断路器又称自动空气开关或自动空气断路器。它是一种既有手动开关作用，又能自动进行失压、欠压、过载、和短路保护的电器。它可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压和漏电等故障时能自动切断电路。
漏电流是电器外壳和市电火线间由于某种原因连通后和地之间有一定的电位差产生的。
危害：
触电。当电气设备因绝缘损坏而使外壳带电，而工作人员又接触此外壳时，就会导致人身触电事故。此时如地电流的一部分将要从人体流过，其数值大到一定程度就会造成工作人员的伤亡。
2、引起沼泽气及煤尘爆炸。我国大部分煤矿有沼气和煤尘爆炸的危险，当井下空气中沼气和煤尘达到爆炸浓度且有能量达到0.28mj的点火源时，就会发生沼气活煤尘爆炸。?
3、烧损电气设备，引起火灾。长期存在的漏电电流，尤其是两相经过度电阻接地的漏电电流，在通过设备绝缘损坏处时将散发出大量的热，使绝缘进一步损坏，甚至使可燃性材料（如非阻燃性橡套电缆）着火燃烧。?
4、引起短路事故。
1.2漏电流检测的现状和发展趋势
众所周知，目前，在配供电网络中，漏电流检测是保护人身触电伤亡事故的有效技术措。但从大量的运行实践证明，现已在配电网络使用的各种型号的漏电保护器的使用效果上来看，其投运率和正确动作率远达不到国网公司的要求，因而对人身安全的保护效果非常差强人意。为此，对漏电检测深入的进行技术分析和研究，探讨未来漏电保护的技术发展方向，确保在任何情况下，发生人身触电事故，漏电保护都能正确动作尤为重要。
漏电检测应体现两大技术指标，一是对人身安全的保护效果，二是供电可靠性。漏电监测能对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的故障时,它就能自动切断电源，保护电路，目前已获得了广泛的应用。大致有汽车低压保护开关，压力控制低压开关，电力设备低压开关电器三个分类。适应于汽车行业、净水器行业、电力行业等领域。
1.3远程数据的监视和控制
当我们对电路中的漏电流进行检测以后，需要对漏电流的的数据进行传输，将采集到的漏电流，用无线收发模块传送到上位机上，无线通信方式可用ZigBee、Wifi、蓝牙等。当检测的是多点的漏电流时，这时就需要多点传输，为此，需要采用组网的方式来对数据进行传输和显示。在无线通信领域，蓝牙虽然成本较低，成熟度高，但是传输距离有限，仅为10米，可以参与组网的节点少。WiFi虽然传输速度较快，传输距离达到100米，但是其价格偏高，功耗较大，组网能留较差。相比之下，ZigBee技术则具有低耗电、低成本、低数据速率、短距离、通信可靠性高的优点，可以很好的解决有线通信方式布线难度大、成本高等问题，无需支持额外的流量费，并且不受移动网络的影响，无需人工干预，网络节点能感知其他节点的存在。同时网络容量大，一个ZigBee网络可以多个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在多个ZigBee网络。适合这个设计。
第二章 项目研究的基本内容和方案
2.1研究基本内容和功能
要求设计一个低压断路器主控系统的漏电流采集模块，并实现无线自组网。要求系统能实现对漏电流的检测，漏电范围控制在50—500mA。能够将采集得到的数据通过液晶显示出来，并且能友好进行人机交互。系统接收到的数据通过无线通信协议传输到PC端，实现对设备的远程控制，得知是否漏电。当出现漏电流时，能实施保护功能。组网的协议是采用ZigBee。设计需要实现的主要功能：
1）能够实现对三相四线电的漏电的检测，漏电范围为50500mA，并对漏电流进行分档，不同的档位，使断路器实施不同的保护功能。最后将采集到的漏电流通过液晶中文显示出来，并且能友好进行人机交互，操作简单；
2）能够实时监测跟踪线路漏电电流，确保线路的漏电流能够实时显示。当出现漏电时，能实施保护功能；
3）选用一种安装方便，使用方便的无线组网技术。
2.2设计方案
2.2.1漏电流的检测方案
漏电流检测电路主要包括检测元件即零序电流互感器和信号处理单元，电流经过零序互感器，再将信号放大，目的要将50500mA的电流，变成03.3V的电压，这部分电路将检测出的漏电信号送到单片机的A/D输入通道,经A/D转换生成数字信号，然后进入单片机，单片机将此信号与设定的整定值比较后决定是否驱动跳闸机构电路。通过外接的LED单元进行状态显示，以实现实时检测漏电电流的目的。
首先介绍漏电流检测的原理，如图21，将三相导线一起穿过一个零序互感器，它根据基尔霍夫第一定律的原理设计的，流入电路中任一节点的电流代数和等于零。在线路与电气设备正常的情况下，各相电流的矢量和为零，即la+lb+lc+ln=0，此时零序电流互感器的二次侧绕组无信号输出，执行元件不动作；而当各相电流的矢量和不为零时，零序电流互感器的环形铁芯中产生磁通，二次侧感应电压使执行元件动作，带动脱扣装置，脱扣器迅速切断低压电源，达到漏电保护的目的。
图21 漏电流检测原理图
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