漏电保护器测试系统
目录
目录 4
引言 4
一、系统整体设计路思路 5
（一）漏电保护器工作原理 5
（二）总体方案说明 6
二、硬件设计 6
（一）整体设计方案 6
（二）主控单片机电路 7
（三）稳压电源电路 9
（四）可编程模拟漏电电流源 10
（五）电流检测电路 13
（六）触头状态监测电路 13
（七）LCD1602显示电路 14
（八）A/D转换及控制电路 16
三、原理图、PCB制作 17
四、软件设计 22
五、调试及性能分析 23
六、总 结 24
参考文献 25
致谢 26
附录 27
引言
近年来，我国的综合国力不断提高，人们的生活以及国家的经济、工业的快速发展，用电量不断增长，安全用电就显得越来越重要，由于用电设备或电路所产生的漏电而造成的事故引起意外伤害经常发生。根据相关调查数据，每年我国因电路漏电造成的人身触电、火灾等事故，导致了上千人的伤亡，并对国家和人民造成的经济损失达几十亿。因此，漏电保护器可防止因漏电而发生人触电事故和火灾，对它的性能及质量就提出了更高的要求。漏电保护器是一种科技含量高安全可靠的低压保护电器，在工业、农业、居民的日常生活、城市、乡村都普遍地安装使用，已成为人们不可或缺的电器产品，它工作的可靠性对人们的生活和人身安全产生直接影响。在美国，政府法律强制规定使用
漏电保护器，并且每两年必须更换一次。我国对安装与使用漏电保护器虽然没有那么严格，但是从人身、财产安全出发，对漏电保护器的性能及质量进行定期或不定期的检测是 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
必须进行的。本论文所研究的漏电保护器测试系统，可以测量漏电保护器的漏电动作电流、漏电动作时间和漏电不动作电流，可以搜集有效、准确的检测数据，对提高漏电保护器工作的可靠性、安全性能有着非常重要的作用，系统整个检测过程基本实现了自动化。
一、系统整体设计路思路
（一）漏电保护器工作原理
线路正常工作时除了工作电流外没有漏电电流通过漏电保护器，流过零序电流互感器的电流总和为零，漏电保护器动静触头保持闭合。当被保护线路发生漏电或有人触电时，电流的平衡被打破，产生零序电流。零序电流在电流互感器铁芯中产生交变磁通，通过电磁感应在零序电流互感器的二次线圈上产生感应电动势，该漏电信号经放大处理后，当达到设定阈值时，漏电保护器动静触头断开，起到保护的作用。
（二）总体方案说明
本设计以STC12C5A60S2单片机作为核心控制元件，包括试验电流的产生和调节模块、电流检测模块、按键功能模块等几部分。要完成电路原理图、PCB图的设计。
1.查找、收集相关资料
关于单片机STC12C5A60S2芯片的各个引脚及其功能、程序编写及相关性能。正弦波发生器、交流量数摸转换电路，电流检测电路，触头状态监测电路等，PCB板设计，所用测量仪器的相关信息等资料。
2.总体设计要求
(1)根据《漏电保护器测试系统》功能要求和技术指标进行框图设计，确定硬件电路，绘制电路图，明确各部分的作用，选择与采购器件，搭建硬件电路。
(2)依据设计的电路，开展相关的测试，硬件电路基本确定后再设计PCB板，给出元器件清单，编写单片机程序，说明系统的使用方法等。
(3)《漏电保护器测试系统》设计。
二、硬件设计
（一）整体设计方案
漏电保护器的漏电动作的性能直接影响到用电者的人身安全，漏电保护器的主要参数是额定漏电动作电流（I△n）、漏电动作时间和额定漏电不动作电流（I△no）。额定漏电动作电流是达到这个漏电电流时漏电保护器开始动作，代表漏电保护器的灵敏度。漏电动作时间是指产生漏电动作电流到漏电保护器切断电路的时间。漏电保护器不动作的电流值代表额定漏电不动作电流。
漏电动作电流的具体测试：在半分钟内，漏电测试电流从小于0.2 I△n开始，稳定、匀速增加到I△n，检测漏电保护器断开瞬间的漏电电流值I△，若I△在I△n0与I△n之间，则为合格的漏电保护器漏电动作电流。所以，测试时使漏电电流匀速稳定增长将直接影响测试结果。使用手动和电机驱动调压器的方法通常不能达到漏电电流匀速稳定增加，使测量误差增大。采用单片机控制技术对模拟漏电电流进行实时调整与控制，基本实现漏电电流的匀速稳定增长。漏电保护器系统整体设计框图如图1所示。
（二）主控单片机电路
本系统以单片机STC12C5A60S2为核心，外围电路有稳压电源电路、可编程模拟漏电电流源电路、漏电电流检测电路、触头状态监测电路、控制操作按键和液晶显示电路等。STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的新一代的8051单片机，该单片机运行速度快，抗干扰超能力强与传统8051完全兼容,但速度提高8-12倍，工作频率0-35MHz，工作电压3.3V-5.5V。内部有2路PWM路（脉宽调制）输出,有8路高速的10位A/D转换(250K/S)。片内有1280字节的RAM存储器，有4个16位的定时器， 有7路外部中断，有32个通用的I/O口，是目前同类单片机中性能比较优越的产品[2]。
主控电路由单片机、复位电路和振荡电路共同组成，同时与电源构成了单片机的最小系统。单片机STC12C5A60S2的主控电路如图2所示。
图2 STC12C5A60S2的主控电路图
复位电路采用的是手动复位和上电复位。上电复位：上电瞬间，电容C13充电电流最大，电容相当于短路，RST端为高电平，自动复位；过段时间后电容C13两端的电压达到电源电压时，电容C13充电电流为零，电容相当于开路，RST端为低电平，复位结束。手动复位：首先经过了上电复位，当按下按键SW时，RST直接与VCC相连，为高电平，开始复位，同时电容C13被短路放电；松开按键SW后，VCC对电容充电，充电电流在电阻上，RST依然为高电平，仍然在复位，充电完成后，电容相当于开路，RST为低电平，复位结束。
（三）稳压电源电路
1.正负12V稳压电源
LM7812和LM7912三端稳压器是常用的线性稳压集成电路，最大输出电流为1.5A（需要加散热器）。
图3 正负12V稳压电源电路图
如图3，在LM7812、LM7912的输入、输出两端都各接有一大一小两个电容，大电容是起到低频滤波的作用，小电容是起到高频滤波的作用。输出端一般不接较大的电容，接几十微法即可，否则容易损坏LM7812、LM7912。
2.可调稳压电路
LM317T是可调节的3端正电压稳压器，在输出电压1.2V-37V范围时能够提供大于1.5A的电流。LM317T使用非常方便，只需要两个外部电阻就可以来调节输出电压大小。
图14 A/D转换及控制电路
图15总原理图
图16 PCB板图
图17 PCB 3D正面视图
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引言 4
一、系统整体设计路思路 5
（一）漏电保护器工作原理 5
（二）总体方案说明 6
二、硬件设计 6
（一）整体设计方案 6
（二）主控单片机电路 7
（三）稳压电源电路 9
（四）可编程模拟漏电电流源 10
（五）电流检测电路 13
（六）触头状态监测电路 13
（七）LCD1602显示电路 14
（八）A/D转换及控制电路 16
三、原理图、PCB制作 17
四、软件设计 22
五、调试及性能分析 23
六、总 结 24
参考文献 25
致谢 26
附录 27
引言
近年来，我国的综合国力不断提高，人们的生活以及国家的经济、工业的快速发展，用电量不断增长，安全用电就显得越来越重要，由于用电设备或电路所产生的漏电而造成的事故引起意外伤害经常发生。根据相关调查数据，每年我国因电路漏电造成的人身触电、火灾等事故，导致了上千人的伤亡，并对国家和人民造成的经济损失达几十亿。因此，漏电保护器可防止因漏电而发生人触电事故和火灾，对它的性能及质量就提出了更高的要求。漏电保护器是一种科技含量高安全可靠的低压保护电器，在工业、农业、居民的日常生活、城市、乡村都普遍地安装使用，已成为人们不可或缺的电器产品，它工作的可靠性对人们的生活和人身安全产生直接影响。在美国，政府法律强制规定使用
漏电保护器，并且每两年必须更换一次。我国对安装与使用漏电保护器虽然没有那么严格，但是从人身、财产安全出发，对漏电保护器的性能及质量进行定期或不定期的检测是 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
必须进行的。本论文所研究的漏电保护器测试系统，可以测量漏电保护器的漏电动作电流、漏电动作时间和漏电不动作电流，可以搜集有效、准确的检测数据，对提高漏电保护器工作的可靠性、安全性能有着非常重要的作用，系统整个检测过程基本实现了自动化。
一、系统整体设计路思路
（一）漏电保护器工作原理
线路正常工作时除了工作电流外没有漏电电流通过漏电保护器，流过零序电流互感器的电流总和为零，漏电保护器动静触头保持闭合。当被保护线路发生漏电或有人触电时，电流的平衡被打破，产生零序电流。零序电流在电流互感器铁芯中产生交变磁通，通过电磁感应在零序电流互感器的二次线圈上产生感应电动势，该漏电信号经放大处理后，当达到设定阈值时，漏电保护器动静触头断开，起到保护的作用。
（二）总体方案说明
本设计以STC12C5A60S2单片机作为核心控制元件，包括试验电流的产生和调节模块、电流检测模块、按键功能模块等几部分。要完成电路原理图、PCB图的设计。
1.查找、收集相关资料
关于单片机STC12C5A60S2芯片的各个引脚及其功能、程序编写及相关性能。正弦波发生器、交流量数摸转换电路，电流检测电路，触头状态监测电路等，PCB板设计，所用测量仪器的相关信息等资料。
2.总体设计要求
(1)根据《漏电保护器测试系统》功能要求和技术指标进行框图设计，确定硬件电路，绘制电路图，明确各部分的作用，选择与采购器件，搭建硬件电路。
(2)依据设计的电路，开展相关的测试，硬件电路基本确定后再设计PCB板，给出元器件清单，编写单片机程序，说明系统的使用方法等。
(3)《漏电保护器测试系统》设计。
二、硬件设计
（一）整体设计方案
漏电保护器的漏电动作的性能直接影响到用电者的人身安全，漏电保护器的主要参数是额定漏电动作电流（I△n）、漏电动作时间和额定漏电不动作电流（I△no）。额定漏电动作电流是达到这个漏电电流时漏电保护器开始动作，代表漏电保护器的灵敏度。漏电动作时间是指产生漏电动作电流到漏电保护器切断电路的时间。漏电保护器不动作的电流值代表额定漏电不动作电流。
漏电动作电流的具体测试：在半分钟内，漏电测试电流从小于0.2 I△n开始，稳定、匀速增加到I△n，检测漏电保护器断开瞬间的漏电电流值I△，若I△在I△n0与I△n之间，则为合格的漏电保护器漏电动作电流。所以，测试时使漏电电流匀速稳定增长将直接影响测试结果。使用手动和电机驱动调压器的方法通常不能达到漏电电流匀速稳定增加，使测量误差增大。采用单片机控制技术对模拟漏电电流进行实时调整与控制，基本实现漏电电流的匀速稳定增长。漏电保护器系统整体设计框图如图1所示。
（二）主控单片机电路
本系统以单片机STC12C5A60S2为核心，外围电路有稳压电源电路、可编程模拟漏电电流源电路、漏电电流检测电路、触头状态监测电路、控制操作按键和液晶显示电路等。STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的新一代的8051单片机，该单片机运行速度快，抗干扰超能力强与传统8051完全兼容,但速度提高8-12倍，工作频率0-35MHz，工作电压3.3V-5.5V。内部有2路PWM路（脉宽调制）输出,有8路高速的10位A/D转换(250K/S)。片内有1280字节的RAM存储器，有4个16位的定时器， 有7路外部中断，有32个通用的I/O口，是目前同类单片机中性能比较优越的产品[2]。
主控电路由单片机、复位电路和振荡电路共同组成，同时与电源构成了单片机的最小系统。单片机STC12C5A60S2的主控电路如图2所示。
图2 STC12C5A60S2的主控电路图
复位电路采用的是手动复位和上电复位。上电复位：上电瞬间，电容C13充电电流最大，电容相当于短路，RST端为高电平，自动复位；过段时间后电容C13两端的电压达到电源电压时，电容C13充电电流为零，电容相当于开路，RST端为低电平，复位结束。手动复位：首先经过了上电复位，当按下按键SW时，RST直接与VCC相连，为高电平，开始复位，同时电容C13被短路放电；松开按键SW后，VCC对电容充电，充电电流在电阻上，RST依然为高电平，仍然在复位，充电完成后，电容相当于开路，RST为低电平，复位结束。
（三）稳压电源电路
1.正负12V稳压电源
LM7812和LM7912三端稳压器是常用的线性稳压集成电路，最大输出电流为1.5A（需要加散热器）。
图3 正负12V稳压电源电路图
如图3，在LM7812、LM7912的输入、输出两端都各接有一大一小两个电容，大电容是起到低频滤波的作用，小电容是起到高频滤波的作用。输出端一般不接较大的电容，接几十微法即可，否则容易损坏LM7812、LM7912。
2.可调稳压电路
LM317T是可调节的3端正电压稳压器，在输出电压1.2V-37V范围时能够提供大于1.5A的电流。LM317T使用非常方便，只需要两个外部电阻就可以来调节输出电压大小。
图14 A/D转换及控制电路
图15总原理图
图16 PCB板图
图17 PCB 3D正面视图
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