单片机的漏电保护器设计
单片机技术在现在迅速发展，单片机被运用的范围也越来越广，尤其是在电器方面，它能使电器得到智能化。低压电器中，漏电保护设计很重要，本文主要介绍了以PIC16F877单片机作为主控制器的漏电保护器的设计，介绍了该漏电保护器的总体设计思路，详细介绍硬件电路设计和软件设计。该漏电保护器设计合理，应用前景好。
目 录
引言 1
一、系统总体设计 1
二、系统硬件电路设计 1
(一) 零序电流互感器选用 1
（二）滤波器选用 2
（三）相位同步电路设计 2
（四）单片机引脚接口电路分析 3
（五）液晶屏和单片机连接 5
（六）执行器部分设计 6
（七）电源电路设计 6
三、系统软件设计 7
（一）软件设计总体方法 7
（二）设计主程序流程原理 8
（三）中断处理模块设计 10
（四）信号分析模块设计 13
（五）存储和显示监视设计 18
总结 19
致谢 20
参考文献 21
附录1源程序 22
附录2电路原理图 28
引言
电是当今社会经济繁荣发展的重点，它在制造业、科学探究、国防建设、人类平常生活起着不可忽视的作用。在现代社会的各领域中倘若没有了基本能源“电力”，这是无法想象的后果和损失。但是，电也是有利有弊的，尤其是在低压电和低电压电气设备安装、使用不恰当时，可能会造成电气事故，对人身安全不利。
两种触电可能：一个是人碰到没有加保护套的导体，也就是所说直接接触；二是人碰到恶化、损坏或浸导电液体让电气设备外壳带电，也就是所说的间接接触。
漏电保护器能够减少直接触电或间接接触带来的伤害，也能用来三相电动机断相保护。
电压式、电流式和脉冲式是按照保护器的工作原理分的三种形式。电压式保护器变压器中性点电压型保护器和大地，当冲击时中性点偏移电压，为了保护电路切断电源，而是因为它是保护整个低压网的，大范围不能分级保护，所以停电，运动频频，因此被舍弃。脉冲式电流保护器当发生触电的不平衡三相漏电电流相位和振幅的突然变
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化，作为一个信号但也是一个死区。就目前电流式漏电保护器被广泛使用。
一、系统总体设计
硬件由漏电检测、相位同步、漏电流动作和延时、漏电数字显示和动作执行控制这个五大电路构成的智能化漏电保护器装置。
把零序电流互感器和信号处理合并能把单片机电信号发送给输入通道整合到一个导读的芯片上能够解决的数字信号，能把电压信号和漏电信号相位对比是相位同步信号的功能，按照相位的差判定每一相的漏电流，然后来限定漏电流的时间和电流，让单片机自主采用限定的工作电流，数字显示电路必须在单片机的控制下电流当前值和动作理由才被体现，动作控制执行部分才能达到漏电保护的效果。
PIC16F877单片机是整个漏电保护器的硬件核心，漏电保护器需要依赖它的控制才能动作。漏电保护器的主要功能由上电初始化、信号分析、电流显示和行动输出这四个部分构成。在初始化时，按照外围的电路状况来限定动作电流。漏电模拟信号通过A/D转换后转换为数字信号部分为漏电信号分析模块。三相电网中还得把每一相的电流隔断，三个相的漏电流和通过动态扫描的输出方式被轮流体现出来是漏电流显示模块。泄电流与漏电动作当前值来对比是漏电输出模块的功能，单片机发出动作信号的条件是设定值小于漏电流。
二、系统硬件电路设计
（一） 零序电流互感器选用
当电路中发生触电或漏电故障时，互感器二次侧输出零序电流，使所接二次线路上的设备保护动作，具有准确性的零序电流原始信号确定了整个系统的精确。零序电流互感器的精度特别高，即使最初的电流很小，也能够保证充分的精度，电流经过负载电阻后，发送低通滤波器做进一步处理。本设计选用变比50/5的零序电流互感器。
（二）滤波器选用
本设计使用的是有源滤波器。巴特沃斯和切比雪夫是最普遍的两种。输出信号振幅的通频带集中在一个特定的值上下小范围波动，纹波系数体现大小范围。它的通带与带阻之间关系有一种陡峭的曲线变化，其良好特性就是截止的切比雪夫型滤波器。在通带平坦的，而截止特点比较慢的巴特沃斯滤波器。这设计的目的是过滤谐波电流，要想消除超过三次谐波的影响，电源频率一般谐波频率在三五七阶段所以设计用切比雪夫滤波器的四阶段。它的的设计性能被要求达到三个谐波减少40分贝，它的电路原理图如图21。
图21 滤波器电路原理图
（三）相位同步电路设计
不能够满足用户的需求是因为仅仅在三相电网显示三个相的剩余电流矢量相加。用户发现问题所在在哪一相发生漏电现象前提是每一相如果能够显示各自的漏电流。
为了更好的方便输出显示把漏电信号分为三个相的漏电信号的漏电分析处理模块。以参考基准相电压相位A，发现I是漏电流,θ是它的滞后相位，所以每一相的电流都将被漏电信号恢复的不均衡。
相位同步电路设计原理如图22所示：
图22 相位同步电路原理图
（四）单片机引脚接口电路分析
选择PIC单片机芯片模型时要想到所需的I/O引脚、外围设备的数量，内存存储空间的容量、速度的控制范围和芯片的包装形式等等的这些条件。
成本和上面所举因素的相互平衡对于PIC单片机选择这一点尤为重要。I/O引脚的数量最少、外围的最少、内存存储空间容量和速度的快慢是我们所期望选择的。
PIC16F877单片机的引脚如图23所示：
图23 单片机 PIC16F877的引脚图
电流和时间参数由按键来执行，其中一个按键按下在低电位时，相应的执行被表示。按键的电路原理图如图24所示：
图24 按键电路原理电路图
低电平有效就按下按键，手动重置。单片机PIC16F877重置原理电路图如图25所示：
图25重置电路原理图
可以完成需要的振荡器相移180度的74HC04反相器，反相器需要7.4K电阻供给负反馈，提供整个回路电压的一部分的10K电位器，所以才让74HC04反相器在线性范围里工作。基频晶体应用于设计的范例共振振荡电路，电路原理如图26所示：
图26 振荡电路原理图
（五）液晶屏和单片机连接
液晶显示屏是利用液晶的电光效应调制外界光线的进行显示的器件，因为它有很多优点，比如说显示信息量大，功率损耗很低，占地面积不大，使用寿命时间很长，最重要的是它不会产生强度超过人体可以承受的或者仪器设备可以允许的限度时，也就是所谓的电磁辐射污染，所以它是理想的显示设备，而且在智能化、工业化这些领域中被广泛运用。
这个设计的能实现液晶屏显示数据，还有关键控制参数设置。使用的液晶屏是日立公司生产的LM020L，它的主控制驱动电路是内置HD44780，还可以显示16字符为一行。单片机PIC16F877硬件与液晶屏连接电路如图27所示：
目 录
引言 1
一、系统总体设计 1
二、系统硬件电路设计 1
(一) 零序电流互感器选用 1
（二）滤波器选用 2
（三）相位同步电路设计 2
（四）单片机引脚接口电路分析 3
（五）液晶屏和单片机连接 5
（六）执行器部分设计 6
（七）电源电路设计 6
三、系统软件设计 7
（一）软件设计总体方法 7
（二）设计主程序流程原理 8
（三）中断处理模块设计 10
（四）信号分析模块设计 13
（五）存储和显示监视设计 18
总结 19
致谢 20
参考文献 21
附录1源程序 22
附录2电路原理图 28
引言
电是当今社会经济繁荣发展的重点，它在制造业、科学探究、国防建设、人类平常生活起着不可忽视的作用。在现代社会的各领域中倘若没有了基本能源“电力”，这是无法想象的后果和损失。但是，电也是有利有弊的，尤其是在低压电和低电压电气设备安装、使用不恰当时，可能会造成电气事故，对人身安全不利。
两种触电可能：一个是人碰到没有加保护套的导体，也就是所说直接接触；二是人碰到恶化、损坏或浸导电液体让电气设备外壳带电，也就是所说的间接接触。
漏电保护器能够减少直接触电或间接接触带来的伤害，也能用来三相电动机断相保护。
电压式、电流式和脉冲式是按照保护器的工作原理分的三种形式。电压式保护器变压器中性点电压型保护器和大地，当冲击时中性点偏移电压，为了保护电路切断电源，而是因为它是保护整个低压网的，大范围不能分级保护，所以停电，运动频频，因此被舍弃。脉冲式电流保护器当发生触电的不平衡三相漏电电流相位和振幅的突然变
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
化，作为一个信号但也是一个死区。就目前电流式漏电保护器被广泛使用。
一、系统总体设计
硬件由漏电检测、相位同步、漏电流动作和延时、漏电数字显示和动作执行控制这个五大电路构成的智能化漏电保护器装置。
把零序电流互感器和信号处理合并能把单片机电信号发送给输入通道整合到一个导读的芯片上能够解决的数字信号，能把电压信号和漏电信号相位对比是相位同步信号的功能，按照相位的差判定每一相的漏电流，然后来限定漏电流的时间和电流，让单片机自主采用限定的工作电流，数字显示电路必须在单片机的控制下电流当前值和动作理由才被体现，动作控制执行部分才能达到漏电保护的效果。
PIC16F877单片机是整个漏电保护器的硬件核心，漏电保护器需要依赖它的控制才能动作。漏电保护器的主要功能由上电初始化、信号分析、电流显示和行动输出这四个部分构成。在初始化时，按照外围的电路状况来限定动作电流。漏电模拟信号通过A/D转换后转换为数字信号部分为漏电信号分析模块。三相电网中还得把每一相的电流隔断，三个相的漏电流和通过动态扫描的输出方式被轮流体现出来是漏电流显示模块。泄电流与漏电动作当前值来对比是漏电输出模块的功能，单片机发出动作信号的条件是设定值小于漏电流。
二、系统硬件电路设计
（一） 零序电流互感器选用
当电路中发生触电或漏电故障时，互感器二次侧输出零序电流，使所接二次线路上的设备保护动作，具有准确性的零序电流原始信号确定了整个系统的精确。零序电流互感器的精度特别高，即使最初的电流很小，也能够保证充分的精度，电流经过负载电阻后，发送低通滤波器做进一步处理。本设计选用变比50/5的零序电流互感器。
（二）滤波器选用
本设计使用的是有源滤波器。巴特沃斯和切比雪夫是最普遍的两种。输出信号振幅的通频带集中在一个特定的值上下小范围波动，纹波系数体现大小范围。它的通带与带阻之间关系有一种陡峭的曲线变化，其良好特性就是截止的切比雪夫型滤波器。在通带平坦的，而截止特点比较慢的巴特沃斯滤波器。这设计的目的是过滤谐波电流，要想消除超过三次谐波的影响，电源频率一般谐波频率在三五七阶段所以设计用切比雪夫滤波器的四阶段。它的的设计性能被要求达到三个谐波减少40分贝，它的电路原理图如图21。
图21 滤波器电路原理图
（三）相位同步电路设计
不能够满足用户的需求是因为仅仅在三相电网显示三个相的剩余电流矢量相加。用户发现问题所在在哪一相发生漏电现象前提是每一相如果能够显示各自的漏电流。
为了更好的方便输出显示把漏电信号分为三个相的漏电信号的漏电分析处理模块。以参考基准相电压相位A，发现I是漏电流,θ是它的滞后相位，所以每一相的电流都将被漏电信号恢复的不均衡。
相位同步电路设计原理如图22所示：
图22 相位同步电路原理图
（四）单片机引脚接口电路分析
选择PIC单片机芯片模型时要想到所需的I/O引脚、外围设备的数量，内存存储空间的容量、速度的控制范围和芯片的包装形式等等的这些条件。
成本和上面所举因素的相互平衡对于PIC单片机选择这一点尤为重要。I/O引脚的数量最少、外围的最少、内存存储空间容量和速度的快慢是我们所期望选择的。
PIC16F877单片机的引脚如图23所示：
图23 单片机 PIC16F877的引脚图
电流和时间参数由按键来执行，其中一个按键按下在低电位时，相应的执行被表示。按键的电路原理图如图24所示：
图24 按键电路原理电路图
低电平有效就按下按键，手动重置。单片机PIC16F877重置原理电路图如图25所示：
图25重置电路原理图
可以完成需要的振荡器相移180度的74HC04反相器，反相器需要7.4K电阻供给负反馈，提供整个回路电压的一部分的10K电位器，所以才让74HC04反相器在线性范围里工作。基频晶体应用于设计的范例共振振荡电路，电路原理如图26所示：
图26 振荡电路原理图
（五）液晶屏和单片机连接
液晶显示屏是利用液晶的电光效应调制外界光线的进行显示的器件，因为它有很多优点，比如说显示信息量大，功率损耗很低，占地面积不大，使用寿命时间很长，最重要的是它不会产生强度超过人体可以承受的或者仪器设备可以允许的限度时，也就是所谓的电磁辐射污染，所以它是理想的显示设备，而且在智能化、工业化这些领域中被广泛运用。
这个设计的能实现液晶屏显示数据，还有关键控制参数设置。使用的液晶屏是日立公司生产的LM020L，它的主控制驱动电路是内置HD44780，还可以显示16字符为一行。单片机PIC16F877硬件与液晶屏连接电路如图27所示：
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