1、畢 業 論 文 (設 計) 論文(設計)題目：電器設備漏電保護及防護設計姓 名 潘海貝 學 號 12161010214 院 系 物理與電子工程學院 專 業 電子信息科學與技術 年 級 2012 級 指導教師 劉增平 2016年4月27日新鄉學院本科畢業論文(設計)目 錄摘 要1ABSTRACT2第1章 緒論31.1 引言31.2 漏電保護器的發展狀況及前景3第2章 漏電保護器52.1 漏電保護器的工作原理52.2 漏電保護器的主要功能62.2.1 可以防止人身觸電62.2.2 可以防止漏電引發的火災72.2.3 可以降低對保護接地電阻值的要求82.2.4 可以防止漏電造成的設備損壞82.3 漏

2、電保護器的分類8第3章 漏電保護器的硬件電路設計83.1 總體設計方案93.2 檢測電路的設計93.3 相位同步電路的設計103.4 單片機應用設計113.4.1 單片機的選擇113.4.2 單片機接口按鍵設計133.4.3 單片機復位電路設計143.5 顯示部分硬件設計143.6 控制執行部分硬件設計16第4章 漏電保護器的軟件部分設計174.1 軟件設計總體思路174.2 主程序的設計174.3 中斷服務模塊204.3.1 INT上升沿中斷204.3.2 TMR2定時器中斷214.4 漏電信號分析模塊234.4.1 緩變漏電電流計算模塊234.4.2 突變漏電電流計算模塊244.5 漏電動

3、作記憶及顯示模塊27第5章 結論28參考文獻29致 謝30摘 要由于市場上電器產品質量參差不齊，而且，電器產品已經與人們的日常生活緊密關聯，因此，一些帶有質量隱患的產品就會威脅人們的生命財產安全。漏電保護器可以防止火災造成的重大經濟損失以及人體觸電導致死亡的情況發生。目前在國內外普遍采用的是電流動作型的漏電保護器，在設計漏電保護器時將其與單片機技術結合起來，不僅提高了其可靠性又實現了對使用人員的全方面的保護。關鍵詞：漏電保護器；單片機；可靠性1ABSTRACTBecause of the uneven quality of electrical products,and electrical

4、products are closely related to peoples daily life,therefore ,some products with quality problems will threaten peoples life and property safety. Leakage protection device can prevent the fire caused by the significant economic losses and the human body contact with the current cause of death occurr

5、ed.Now what commonly used at home and abroad is current motion of the earth leakage protection device,when we design the leakage protection we can let it connect with the single-chip microcontroller technique together,it not only improves the reliability but also realizes the protection of all aspec

6、ts of the personnel use.Key words:Leakage protection; Single-chip microcontroller; Reliability第1章 緒論1.1 引言在人類文明剛剛興起時，我們的祖先就已經通過對自然天氣的觀察認識了電，然而，人類真正開始對電的研究和使用，還是從18世紀的本杰明·富蘭克林開始。自從電力能源進入人們的世界，我們就越來越離不開它，無論是生活還是工作，我們都需要電力的支持，我們的衣食住行都需要電力維持正常。如果地球上沒有了電的存在，只怕整個世界都要崩潰。電是經濟發展的命脈，它不僅是正常生活的基礎，還要為工業現代化生

7、產保駕護航。它不僅使用方便，還便于傳輸，而且，它不像煤炭那樣，使用后會產生有害物質，電非常潔凈，是一種十分環保的能源。雖然電力有許多優點，但它的缺點同樣不容忽視，在生活中因為電器設備使用方法不得當，或者線路長時間沒有檢查更換造成的線路老化，或者是電器過多都有可能引發漏電事故，導致火災的發生。查看統計結果可知，我國每年因觸電造成的死亡人數約有幾千人，另外，漏電引起的火災也給經濟帶來了巨大的損害。而漏電保護器的研究和使用就是盡量在最大程度上防止此類事件的發生，保護人們的生命財產安全不受損害，而它的功能也獲得了人們的肯定，因此得到了人們的大力推廣和廣泛使用1。漏電保護器根據其工作原理可大致分為兩類，

8、電壓動作型的漏電保護器在測量時容易受到外界環境的干擾，導致其工作性能不穩定，而且它的保護范圍也較小，目前已經逐步被市場淘汰掉，而電流型漏電保護器因其優點突出，可靠性高且局限性較小，得到了人們的推廣應用。1.2 漏電保護器的發展狀況及前景漏電保護器經過大力發展，已在全球各地使用。二十世紀初，德國率先發明并使用電壓型漏電保護器，用以防止電器設備的外殼漏電，保障操作人員的安全2。大約在二十世紀五十年代，法國又研發出電流型漏電保護器，因為電流型的比電壓型使用范圍更廣，可靠性更好，一經出現便得到人們的重視并對其進行了深入的研究。到了六十年代，美國成功研制出一款新型的電流型漏電保護器，這種保護器的電流靈敏

9、度可以達到5mA的，與之前的研究成果相比，又有了更大的進步。隨后歐洲的幾個發達國家也相繼研究出電流靈敏度為30mA的電流型漏電保護器，自此開始電流型漏電保護器深入人們的生活，改變人們的生活方式，為人們的用電安全提供默默地保護。自1970年開始，全球許多國家逐步完善了各種規章制度，強制在一些特殊場合，如大型用電場所，公共娛樂地點等人流密度較大的地方，安裝漏電保護器，至此，漏電保護技術已大體發展成熟3。因為近現代以來我國的科技發展明顯落后于西方發達國家，因此我們國家對于漏電保護技術的研究相比較外國來說起步較晚，自七十年代開始，隨著電燈、電話、電視機等家用電器逐步進入老百姓的家庭生活，我國的用電量也

10、開始逐年遞增，觸電事故發生的次數也呈現逐年遞增的趨勢，這才引起有關部門的重視。這些年來，電網水平的發展也促進了漏電保護器的應用，我國在研究、生產和使用漏電保護器方面都有了巨大的進步，國家的一些電力電器相關部門先后組織、審查、制定了漏電保護器的生產標準和使用標準4。這些標準要求漏電保護器在安裝并開始使用后，使用單位應該建立相應的管理檔案，對每臺設備運行中的情況進行備案記錄，并且每個月份都需要進行測試，查看其工作性能是否可靠，確保它的保護性能沒有降低，可以發揮正常的保護功能，并且應增加潮濕環境中的檢測次數。單片機技術的發展是與微電子技術的發展結合起來的，微電子的集成電路設計研究方向使得單片機的集成

11、度可以更高，在同樣大小的一張芯片上可以集中更多的元件，使其性能更加優越，功能也往多樣化發展起來，它們彼此相輔相成共同促進共同發展。把單片機作為元器件主體，可以優化傳統的測量方式，如果將計算機技術應用在測量控制技術中，可以發展出智能化測量控制系統5。這種新的智能系統可以在測量過程中實現自動化，能準確快速的處理各種測量數據，實現功能的多樣化。智能化發展是現代科技的發展主題，所以漏電保護器的發展也必將順應發展的時代潮流。第2章 漏電保護器2.1 漏電保護器的工作原理市面上投入使用的漏電保護器種類繁多，形狀樣式也都不一樣，但它們基本的硬件結構還有其工作原理卻是大致相同的6。電流型漏電保護器的工作原理大

12、致來說，就是對火線和零線的電流進行測量，分辨出期間的微小差值，再經過放大電路的放大，當達到額定動作值時，就切斷電路，它主要是由三個環節組成，即檢測電路和綜合處理環節還有執行機構，其組成框圖如圖1所示。 圖1 組成結構圖(1)檢測電路的主體是漏電電流互感器，它由一次、二次繞組和閉環鐵心按照一定的方式組合構成，而其中相線、中性線組合為一次繞組，其中有電流流過，如果流過電流的矢量和不為零，二次繞組中就會產生對應的感應電動勢，然后這個信號就會被送到中間環節進行處理。(2)綜合處理環節組成比較復雜，由于漏電電流較小需先由放大器進行放大、再送到比較器與預先設定值進行比較，最后是由單片機控制系統對處理結果進

13、行判斷，然后將判斷結果輸出到執行機構7。(3)執行機構多采用觸點系統，主體利用的是交流接觸器，這個系統能根據上一個環節給出的執行信號，將主開關由閉合狀態轉換為斷開狀態，將被保護電路的電源切斷，使其脫離電網。工作原理圖如圖2所示。試驗按鈕 RW.零序互感器圖2 工作原理示意圖當被檢測電路中沒有觸電、漏電情況時，那么零序電流互感器中通過電流的矢量和為零，磁通量的矢量和也為零，線圈中不會產生電動勢，所以漏電保護器不會產生切斷電路的信號，系統維持正常運行狀態。當被檢測電路中存在觸電漏電情況時，線路中的動作電流會使線圈中產生感應電動勢，然后該信號會被送到中間環節，中間環節的各種器件會對其進行綜合比較和處

14、理，當判斷該信號達到設定值時，就能通過線圈通電使開關立即切斷線路的連接電源，從而實現電器設備的漏電保護8。2.2 漏電保護器的主要功能2.2.1 可以防止人身觸電漏電保護器最重要的一項功能就是對人身觸電提供保護9。人們在日常生活中得知，通過人體的電流越大對人體造成的傷害就越嚴重，那么人體能承受的電流和承受的時間到底有何關系呢？為此科學家進行過反復的實驗，我們由此可以知道:流過人體卻對人體的健康功能不會造成太大損害的電流時間最大值是30mA·s。圖3 人體能承受的電流和作用時間長短關系圖德國一位科學家得到的結果是當通過人體的電流不超過50mA時，不會影響人的生命安全。在將安全系數的因素

15、考慮進去后（安全系數值大約為1.7），我們得出，電流時間值為30mA·s時，參考圖3中的折線，我們可以知道，曲線的左邊為安全區域，就是說人體在發生觸電時，身體幾乎感覺不到，不會對人身安全造成影響。因此只要設計出限制剩余動作電流為30 mA·s的智能漏電保護器，就可以在觸電時及時斷開開關，保護人的生命安全10。 2.2.2 可以防止漏電引發的火災電器設備的漏電、配送電系統中因線路安裝不正確或者電流流過金屬縫產生熱量，都有很大概率引起火災。一些人認為漏電電流很大的情況下才會引發火災，就會自動忽略小范圍的漏電，覺得危險不大，事實上面積決定了密度，相同大小的漏電電流，當接觸面積足夠

16、小時，單位面積上產生的熱能密度同樣會很大，因此就有很大可能引發火災。此時旁邊若有大量的干燥易燃易爆物，就會導致大規模火災或者爆炸的發生，威脅附近人員的生命安全。所以，普遍情況下，安裝漏電保護器是可以防止漏電引起火災事故的發生11。2.2.3 可以降低對保護接地電阻值的要求電氣設備生產時都會規定一個接地電阻值，按照國家標準的規定這個值應不大于4或者10，然而，在土壤電阻率很高的地方，這一要求卻難能達到。根據計算公式可知，若線路中安裝有漏電保護器，那么接地電阻的最大值是小于安全電壓和額定漏電電流的比率。因此，安裝漏電保護器可以降低對保護接地電阻的要求12。2.2.4 可以防止漏電造成的設備損壞電器

17、設備在使用時對于電壓和電流值的大小都會有一定的要求，如果用電設備在使用中發生了漏電事故，那么漏電瞬間其電壓和電流值就會發生改變，突然增大的電流會在短時間內產生大量熱能，如果散發不及時就會燒壞線路，造成電器設備的損壞。 2.3 漏電保護器的分類漏電保護器從出現以來便得到人們的青睞，經過不斷地研究和快速發展，市面上漏電保護器的種類十分繁多、它所具有的各項功能也已經趨于完善，我們按照不同的方法將它們分門別類13。（1）依據運行方式可以分為：需要電源進行幫助的和不需要電源幫助的；（2）依據安裝方式可以分為：固定安裝使用的、可以移動使用的；（3）依據保護功能可以分為：只能進行漏電保護的、具有其他功能的（

18、如過壓、過載、斷相、過負荷等）；（4）依據接線方式可以分為：插孔插入式、接線安裝式；（5）依據結構可以分為：組合電器、機械開關電器；（6）依據故障信號的形式可以分為：電流引起動作的、電壓引起動作的。第3章 漏電保護器的硬件電路設計3.1 總體設計方案圖4 總體結構設計圖智能漏電保護器的結構包括五個部分：漏電信號檢測、相位同步、漏電電流綜合處理、液晶顯示和結果執行14。漏電信號檢測電路包含了零序電流互感器、漏電繼電器以及信號處理模塊等部分,該電路的作用是追蹤電路情況，檢測漏電信號，并對信號進行合適的轉換然后傳入單片機。相位同步電路的作用是將正常電壓信號和漏電信號進行對比,觀察兩個信號的相位差差別

19、，然后由單片機進行比對，判斷該漏電電流的具體情況。之后單片機控制液晶顯示模塊,方便顯示出電網的漏電電流大小及其漏電區域，最終的結果由執行模塊進行，漏電保護的工作至此完成。3.2 檢測電路的設計零序電流是發生故障時流過互感器的感應電流，也是整個系統要檢測的信號，它決定了系統的精確程度，所以選擇合適的零序電流互感器對要設計的漏電保護器起著決定性作用。一般的零序電流互感器誤差較大，不能滿足檢測要求，所以我的設計采用的互感器是LJWZ-3型的，它具備很高的精確程度。零序電流互感器與負載電阻相連，之后的信號傳入低通濾波器中，由其進行進一步的處理15。濾波電路是一種選頻網絡，根據阻帶的不同進行選擇，由于晶

20、閘管整流設備在開關電源、充電裝置等方面的應用，電網中會存在大量的高次奇次諧波，諧波會對整個電路產生危害，因此我們需要低通濾波器清除此類諧波。輸出幅值的大小決定了濾波效果的好壞，無源濾波器由于電阻的分壓和電路簡單，輸出信號幅值變小，最終結果不太合適。有源濾波電路使用了運算放大器，因此不會造成輸出信號的幅值變化，使用情況相對較好。本文為了設計合理和使用方便采用有源濾波。常用的切比雪夫型濾波器的輸出信號會在某一數值上下小范圍波動，我們用紋波系數來表示該范圍大小。切比雪夫型濾波器與巴特沃斯型濾波器相比，變化曲線陡峭，有較好的截止特性，和理想濾波器最為接近。我們選擇濾波器是為了清除電網中的諧波，三次諧波

21、的大小只要降低到40dB就能滿足電路的設計需要，因此選擇四階的切比雪夫濾波器就可以清除高次奇次諧波對電路造成的危害16。其原理圖如圖5。圖5 濾波電路結構設計框圖3.3 相位同步電路的設計本課題的相位同步電路設計要求漏電保護器能把各相的漏電電流分別顯示，方便使用者分析漏電情況，判斷是哪一條線路發生漏電事故。 設計圖如圖6所示:圖6 相位同步電路結構設計圖本電路可以在不切斷被測電路的情況下，檢測出電網的電壓、電流間180度以內的相位差。當檢測出漏電電流的大小以及滯后相位的實時情況時,我們選擇A相電壓作為基準，對漏電信號進行復原，觀察是哪相的不平衡電流。比較器LM339可以看作過零檢測器，用來判斷

22、電路中的過零點。74LS74作用是用來提示信號的超前或退后。或門的作用是對接受到的信號進行合成，并且進行濾波和轉換，最終結果由LCD液晶顯示器顯示出來，方便人們的觀看和分析17。3.4 單片機應用設計3.4.1 單片機的選擇選擇單片機時要考慮各個方面的因素，比如引腳數目的多少，存儲空間的大小，控制器的運行速度，芯片的實際大小等。結合本項目的實際情況，列出如下需求:所需I/O引腳的數目：（l） 漏電檢測電路：1個采集端口。（2） 相位同步電路：1個輸入端口。（3） 漏電動作電流設定電路：，對突變的大小、額定的大小以及額定分別進行設定。如下表1、2所示：表1 電路中的緩變電流值與動作延時的組合緩變

23、電流300/mA500/mA延時0.2S00000010非延時00010011表2 電路中的突變電流值與動作延時的組合突變電流30/mA50/mA100/mA不動作延時0.2S0100011010001010非延時0101011110011011我們將開關S1、S2、S3、S4的狀態組合分別控制上面四項內容，所以共需4個輸入端口，當這4個開關變換不同的狀態時，其對應的設定組合也進行不同的變換。 （4） 漏電數字顯示電路：顯示漏電參數，需要7個輸入口。（5） 動作執行單元：需設1個I/O輸出端口。 本課題的設計選擇PIC16F877單片機圖7 PIC16F877單片機的引腳圖3.4.2 單片機接

24、口按鍵設計時間參數和動作電流的設置可以由按鍵部分控制，當某一部位的按鍵被按下時，則該電位顯示為低電位，系統會進行相應的操作，原理圖如下：圖8 按鍵電路結構原理圖3.4.3 單片機復位電路設計一個完整的電路都會具備復位功能，為使本電路更合理需增加一個人工復位，單片機上一般都會有專門的引腳，用來進行外部復位，復位意思是清零，回到初始狀態，本電路中的復位低電平有效18。如圖9所示：圖9 單片機復位電路示意圖按下按鍵即代表單片機進入人工復位狀態。3.5 顯示部分硬件設計本課題使用LM020L液晶屏為顯示主體，顯示各項數據和配合按鍵調整各項參數，單片機與液晶屏的連接構造電路如圖10所示：圖10 顯示部分

25、的硬件設計電路圖表3 顯示屏的各引腳功能表引腳號 符號 狀態 功能1 VSS 電源地2 VDD +5V電源3 VEE 對比度調整端4 RS 輸入寄存器選擇端： 1數據寄存器；0指令寄存器5 R/W 輸入 讀寫控制端：1讀；0寫6 E 輸入 使能端7-14 D0-D7 三態數據總線3.6 控制執行部分硬件設計剩余電流保護器的主要作用是當剩余電流值超過額定電流動作值時，在軌道的延時時間后觸動繼電器切斷故障電路的電源，以達到保護電路的目的。繼電器控制的電路就是整個電路的執行機構，它的可靠性也為剩余電流保護器的工作提供了安全保障。該電路的設計如圖11所示：圖11 控制執行電路結構框圖第4章漏電保護器的

26、軟件部分設計4.1 軟件設計總體思路一個完整的電路系統包括硬件和軟件兩個方面，硬件是基礎，是系統的主干，軟件卻是系統的靈魂，只有軟件體系和硬件體系完美合作，那么設計好的漏電保護器才能正常運行，完成人們設置的一系列保護任務。漏電保護器的主要作用就是收集電路中的剩余電流信號，并對其進行處理，跟蹤變化緩慢的剩余電流信號，切換到合適的檔位；若遇到剩余電流突變的情況，就將其與當前檔位的額定值進行比較，然后控制繼電器斷開電源，以保護電路。由于整個系統要實現的功能較為繁雜，電路中包含了龐大的信息量要處理，所以設計切實可行的程序就很重要19。因此，我們選件部分的設計。4.2 主程序的設計本課題要達到的主要目的

27、有：（1）對電路中的逐漸增加的變化緩慢的漏電電流進行檢測跟蹤；（2）對電路中的突然出現且數值快速增加的漏電電流進行迅速反應處理；（3）根據電路中的漏電電流進行動作的判斷和控制；（4）顯示動作原因及數據，記憶開關閉合次數。本課題的軟件由五部分構成，為別為默認狀態回歸模塊、信號檢測分析綜合單元、中斷服務模塊、漏電動作輸出執行單元、數據顯示模塊。 主程序的流程圖如下示 NO圖12 主程序的流程框圖圖13 延時子程序的流程框圖圖14 初始化程序流程框圖4.3 中斷服務模塊4.3.1 INT上升沿中斷在這個電路中我們把上升沿看作是數模轉換的標志，那么每個上升沿都可以在INT端口產生一次中斷，當第一個上升

28、沿在外部中斷端口產生中斷時，數模轉換器就開始工作，從而可以對電網中的漏電電流采樣，將模擬信號轉化為數字信號。初始化開始進行后，用定時器TMR1計算電流波形的第一個周期用時時間，并在第一第二兩個波形期間計算出定時器TMR2采樣需要的間隔時間。INT上升沿中斷流程圖如下示:圖15 INT上升沿中斷流程圖TMR2中斷程序流程圖如下示:圖16 上升沿中斷服務1流程圖圖17 上升沿中斷服務2流程圖圖18 定時器中斷程序框圖4.3.2 TMR2定時器中斷在兩個彼此挨著的上升沿間，我們將一個完整的時間周期平均分成40份。由定時器TMR2產生中斷信號，在每一個間隔時間進行一次隨機采樣，并將得到的數據結果進行一

29、系列的綜合處理。采樣間歇(RP2+l)的計算公式如下： （1） （2） 其中各參數為:T-T1_Count-TMR1 4-TMR1預分頻RP2-TMR2定時值16-TMR2預分頻40-采樣點數0.2us-指令周期TMR2的如下所示：圖19 TMR2中斷程序流程框圖4.4 漏電信號分析模塊4.4.1 緩變漏電電流計算模塊圖20 緩變漏電電流結果處理單元1圖21 緩變漏電電流結果處理單元2模塊1負責在兩次相連采樣的間歇期間的依次累加即并按照記錄順序選擇第19、20兩個數據點的電流數值，并把它們作為總數為40的采樣點中的最后兩個點的電流數值。模塊2負責在最后兩個記錄周期內加入最后兩點的數據的平方后的

30、結果，然后整體計算其均值大小并對該數據進行開方，求得最后的有效結果，然后再將求出的有效結果輸進電路的輸出單元。4.4.2 突變漏電電流計算模塊因為突然變化的漏電電流攜帶很多的數據，由此造成的計算量異常龐大，在一個間歇時間內不可能結束運算，所以我們對其進行劃分，分為計算量較小的幾個單元，通過借助記數器，先對突變漏電電流進行早期的簡單處理，接下來在進行復雜的分步綜合運算。圖22 突變漏電電流結果處理單元1圖23 突變漏電電流結果處理單元2圖24 突變漏電電流結果處理單元3突變電流值的計算公式為： （3）求出突變電流值后，程序進入動作判斷執行模塊。程序的處理流程結構框圖如上圖24所示。突變電流的相位

31、計算公式為： （4）4.5 漏電動作記憶及顯示模塊市面上在使用的多數漏電保護器發出執行動作后，使用人員是不能清楚的知道動作的詳細情況。將動作產生的原因保持下來，可以提升使用人員對于故障的分析效率。顯示模塊方便了使用人員監視電路。使用人員若發現電路漏電次數有很大提高，就應該做到盡早檢查家中線路，排除故障區域，做到及時預防。電路中的漏電保護器，能顯示漏電電流的具體相位，便于進行故障分析，準確判斷發生漏電的線路20。第5章 結論漏電保護器在防止火災發生和保護人們生命財產安全方面發揮了巨大的作用，在電力系統中的地位愈加重要。PIC16F877單片機是本課題設計的核心，以它為基礎將檢測單元、相位同步單元、綜合處理單元和結果執行顯示單元組合起來，構成漏電保護器的硬件部分。軟件部分是電路的程序控制，包括計算電流周期、處理數據、判斷延時情況及動作執行。設計采用的單片機具備較高的抗干擾能力，適合多種環境下的工作，價位適中，可以滿足對電網電流信號進行的多種監測，并能根據使用人員的不同要求進行合適的改動，對于外圍電路能夠進行設計優化，使反應更加迅捷，滿足漏電保護電路的需要。參考文獻1陸儉國. 低壓斷路器和漏電保護電器的可靠性研究J. 中國工程科學,2005(6):