基于单片机的漏电保护器的研究

山西兰花科技创业股份有限公司唐安煤矿分公司 张艳苗 周志宏 王俊峰 李杰

山西兰花同宝煤业有限公司 冯宇

0 引言

随着我国用电量的快速增长，安全用电不容忽视。无论是居民，还是企事业单位在日常用电中，因漏电造成的电气事故时有发生。电气线路或设备的漏电故障不仅会造成人身触电伤亡而且会导致火灾等重大事故。因此，研制能够快速、准确检测漏电故障的漏电保护器己成为当务之急。

目前单片机的使用日趋广泛，高精度、高性能、多功能的测量仪表，大多基于单片机作为控制单元。随着半导体技术的不断发展，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，可以很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”[1]。在漏电保护装置系统中，传统保护器多以模拟电路构成检测控制系统，而模拟元器件的性能一致性不同，且参数会受到温度等环境因素的影响而产生漂移，因此检测精度很低，容易受到干扰，故障点多，而采用单片机技术设计的漏电保护器，集成度高，故障点少，性能更为可靠。这种新型的智能保护器具有测量过程自动化、数据处理快速化以及功能多样化的特点，具有极大的研究与推广价值。

1 硬件设计

硬件设计是一个系统的基础，一个系统能否稳定的工作很大程度上取决于硬件设计的可靠与否。本漏电保护装置包括：微处理器（单片机），零序电流采集单元，保护动作执行单元，人机接口（按键输入和显示输出）、数据存储单元（E2P存储器）和系统电源单元（见图1）。

图1 系统结构示意图

人机接口包括按键和一个LCD显示屏，LCD 显示必要的数据信息，通过按键可以修改保护动作值和延时动作时间。E2P具有掉电数据不丢失的特性，用于存储保护动作值和延时动作时间。零序电流采集单元将电流模拟信号加以处理，便于微处理器使用。保护动作执行单元根据微处理器发出的指令执行动作，切除交流电，达到保护的目的。单片机是本系统的核心，负责采集电流信号并进行运算处理，运算结果通过LCD进行显示，可控制I/O口输出保护动作，保护动作执行单元按照单片机的控制信号进行动作[7]。

1.1 人机接口的设计

12864点阵的汉字LCD液晶显示内容丰富，美观大方，本设计选取了一个12864点阵的LCD作为显示输出单元。采用四个按键做输入单元，可以对保护数据进行整定。

单片机的I/O口均是上拉结构，按键的一端接单片机的I/O口，另外一端接到数字地就构成了按键电路。当按键按下时单片机可以检测到对应的I/O口是低电平，否则该I/O口是高电平。本设计用“确认”、“取消”、“移位”、“加1”四个键相配合，和LCD共同完成数据的查看和保护参数的设定。四个按键分别接入单片机的P3.5，P3.4，P3.3和P3.2口。

LCD显示器是系统的重要组成部分，可以实时监视零序电流，配合按键进行保护参数的整定。LCD显示器与单片机的连接如下图2所示。LCD显示器的各引脚作用如下表所示。

表 LCD显示器引脚功能表

图2 LCD显示器电路图

1.2 保护动作执行单元和零序电流采集单元的设计

如图3所示，本设计的保护动作由用一个继电器来完成，当单片机检测到故障时通过P1.6口控制光耦U4导通，继电器执行相应的动作，切断故障线路。继电器吸合和打开时会有较强的干扰，会影响单片机的正常工作，故用一光耦U4进行光电隔离。光耦导通电流比较小，不能可靠驱动继电器，三极管Q1作用就是增加驱动能力。二极管D1在此起到续流作用，削弱继电器线圈产生的反向电动势。

图3 信号采集电路图

可以定制一个1A：1.75V的零序电流互感器，互感器输出一端接模拟地，另外一端接入运算电路，最后通过一个电阻接入单片机的AD采样引脚P1.7。2.5V电压通过两个100kΩ电阻分压5V得到，经过运放U9A一个电压跟随，目的为了增大输入阻抗，降低输出阻抗。运放U2A在此作用是一个加法电路，将互感器输出信号加上2.5V。互感器可以检测到的最大零序电流为1A，这时输出的最大电压有效值1.75V，其最大值是1.75V乘以1.414等于±2.4745V，由于单片机AD不能采负电压信号，所以用一个加法电路将电压抬高2.5V，采样电压最大值等于4.9745V，没有超过满量程电压5V（单片机内部AD可测量的电压上限），并且非常接近满量程电压，这有利于提高整个系统的精度。

1.3 系统电源单元的设计

分析上面各电路模块，整个系统分别用到5V，+12V、-12V和24V电源。其中24V电源用来驱动继电器，不能跟其他组电源共地。5V电源给单片机最小系统、人机接口供电，是数字电源。+12V和-12V用于采样电路，是模拟电源。数字电源和模拟电源应该单点共地。综上所述，本设计可以采用市场上现有的开关电源模块或者自制线性电源来完成，考虑到开关电源模块有高频纹波会影响AD采样结果，而且价格也较高，所以本设计采用自制线性电源。电路如图4所示，左上角5V电源中T1是变压器，将220V电压降到7V，DB1是全桥整流二极管，E1是整形电容，E2的作用是防自激振荡，U5是三端稳压器，E3用于消除输出电压中的高频噪声，二极管D2的作用是当AC220V断电时防止E3对三端稳压器的输出端放电损坏三端稳压器。至此本系统中的硬件电路已设计完毕。

图4 系统供电电路图

2 软件设计

2.1 软件设计的整体思想

如果说硬件是一个系统的基础的话，那么软件则是整个系统的灵魂。一个好的设计仅仅只有可靠的硬件是不行的，必须还有功能强大的软件支持，两者相辅相成，缺一不可。

本设计软件部分包括LCD显示器的输出显示，按键的输入判断，零序电流的采样，执行机构的输出，保护数据的存取和单相接地故障分析算法。

清楚了本设计软件各模块的功能后需要对编程语言进行选择。单片机开发语言有两种，C语言和汇编语言。C语言是面向开发人员高级语言，最大的优点在于可读性好，可移植性强，缺点是代码执行效率不高，占用资源多；汇编语言是低级语言，可读性差，几乎不可移植，但是它是面向机器的语言，其执行效率高，占用系统资源少，执行速度快。国内交流电的频率是50Hz，即周期是20毫秒，根据采样定理20ms内采样点不得少于两个，为了更好地还原波形本设计每20ms采样24个点，采样间隔为833μs，用一个定时器负责完成此任务，这样可以更精确地计算出零序电流的大小，但是采样点越多对处理器响应时间的要求就越高。人在发生触电时，流过人体的电流越大，承受的时间就越短。有关资料表明：对人不造成生命危险的电流和时间关系是30mA/s。这就对保护装置的动作时间有很高的要求，当漏电电流越大时，保护装置的动作时间就应该越快。综上所述，C语言很难满足本设计运算量大，执行动作速度快的特点，所以本设计采用汇编语言进行软件的设计。

2.2 程序的总体设计

每个软件都有一个主循环，程序始终在主循环中通过调用各个子程序来实现应有的功能。由于驱动12864点阵LCD需要占用较长的时间，本设计AD采样和对采样数据的计算在定时器中断中完成，执行命令的输出也在定时器中断中发出。因此本设计主循环的主要任务是调用LCD显示程序和按键输入程序。

图5中程序初始化主要包括定时器初始化、LCD液晶的初始化、保护定值的预设。12864点阵LCD的驱动程序网上可以直接下载，在此不再赘述。下面着重介绍按键的判断，AD采样和零序电流算法程序。

图5 主循环和定时器中断程序框图

2.3 按键程序设计

按键开关按下时会产生机械抖动，时间一般不超过20ms。为了确保按键不会误动作，需要采取防抖动措施，即在判断到按键被按下后，延时20ms再进行一次判断，这样可以避免按键误动作。本设计采用判断电平的上升边沿执行按键动作，即当按键按下再松开的时候执行动作。包括“确认键”，“取消键”，“移位键”和“加1键”四个按键配合完成参数的修改和查询（见图6）。

图6 按键子程序框图

2.4 定时器中断程序设计和零序电流算法分析

本设计每个周期进行24次AD采样，需要定时器每间隔833ms产生一次中断。当进入中断程序时，首先要做的就是保护现场，即把中断中用到的可能与其他程序冲突的资源压入堆栈，中断程序执行完后再恢复现场，即再把这些资源弹出堆栈。压入堆栈和弹出堆栈时候要遵循“先进后出”原则。中断程序要遵循精简原则，一定要在833ms内执行完本次中断的所有程序，如果833ms未能完成某次定时器中断程序，那么下次的采样时间就不准确了，这样计算所得到的零序电流也是不准确的，所有工作都没有意义了。这也是之所以采样汇编语言完成本设计的主要原因（见图7）。

图7 定时器中断程序框图

实际中零序电流是正弦波，发生接地故障时会有多次谐波产生，由于谐波分析非常复杂，而且基波占的比重是最大的，本设计只对基波进行分析。对正弦波可以用“傅里叶变换”或者“均方根”计算其有效值，本设计采用“均方根”计算零序电流的有效值。假设一个周期内的采样点为D1、D2、D3、D24。零序电流其中K是比例系数，由硬件确定。

综上所述，本设计软件主要有主循环和定时器中断两大部分组成，主循环负责人机界面程序，定时器中断负责定时器采样，数据的计算和判断，有故障时进行保护输出。

3 结束语

漏电保护器是一种应用于电压电路中，以防止人身触电和由漏电引起火灾而设计的保护类电气装置。漏电保护器的质量至关重要，因此，需要加强对漏电保护器的使用与维护管理，同时由于现有电气线路中的电器多含有整流装置，会导致电网中电流波形缺损，因此也要加强管理和控制该类电器的使用。目前，国内外针对漏电保护器都做了大量的研究，本文在参考国内外相关文献，以及已有的对漏电保护器研究成果的基础上，对漏电保护器的保护原理及装置的软、硬件设计进行了新的研究设计，结构证明基于单片机的漏电保护器具有检测快速、准确的特点，具有较好的应用与推广价值。

[1]李奎,陆俭国.智能化漏电保护器的研究[J].机床电器,2002,(4):7-9.

[2]陈世忠.剩余电流动作保护器[M].北京:中国电力出版社,2003.

[3]童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社,2000.

[4]梁正习.漏电保护器实用技术[M].北京:化学工业出版社,1995:14-34.

[5]藤松林,杨校生.触电漏电保护电器及其应用[M].北京:机械工业出版社,1994:2-5.

[6]李佑光,林东.电力系统继电保护原理及新技术[M].北京:科学出版社,2003.

[7]邱关源.电路[M].高等教育出版社,2003.