王好娜，馬龍義，付志紅

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司惠州供電局，廣東 惠州 516001；2.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室(重慶大學(xué)),重慶 400030)

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基于單片機的智能漏電報警系統(tǒng)設(shè)計

王好娜1，馬龍義1，付志紅2

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司惠州供電局，廣東 惠州 516001；2.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室(重慶大學(xué)),重慶 400030)

摘要：以漏電保護(hù)技術(shù)為主要研究對象，設(shè)計了一款基于STC12C5410AD單片機的智能漏電報警系統(tǒng)。系統(tǒng)采用偉福E6000和KEILC語言編寫程序，將現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理，將I2C總線技術(shù)應(yīng)用于模塊化電路設(shè)計，將32位單片機配合高集成度的可編程外圍接口電路構(gòu)成高精度的監(jiān)測單元，實現(xiàn)了軟件部分功能設(shè)計，并在實驗過程中初步形成了樣品。該系統(tǒng)抗干擾能力強，靈敏度高，可自動控制、自動報警，成本低。

關(guān)鍵詞：漏電自動報警保護(hù)器；智能；KEILC語言；單片機

隨著電力的廣泛應(yīng)用，因電器設(shè)備使用不當(dāng)或線路漏電造成的觸電事件時有發(fā)生。漏電自動報警保護(hù)器是一種電氣安全裝置，當(dāng)發(fā)生漏電、過流、過壓缺相，且達(dá)到其動作電流值時，在限定時間內(nèi)動作自動斷開電源，從而保障人身和設(shè)備安全[1]。20世紀(jì)80年代前以零序保護(hù)作為接地故障保護(hù)，所檢側(cè)的電流為零序電流。其保護(hù)整定值必須大于N線和PEN線中流過的三相不平衡電流、諧波電流及正常泄漏電流之和，數(shù)值為數(shù)十至數(shù)百安培。如此大的整定值只能保護(hù)線路絕緣，而不能有效地防止人身電擊或接地電弧引起的電氣火災(zāi)。20世紀(jì)80年代后，采用了漏電自動報警保護(hù)器，它所檢測的是剩余電流，即被保護(hù)回路內(nèi)相線和N線電流瞬時值的代數(shù)和(其中包括N線中的三相不平衡電流和諧波電流)，此電流為正常的泄漏電流和故障時的接地故障電流。其額定動作電流Ir以毫安計，能十分靈敏地切斷保護(hù)回路的接地故障，還可用作防直接接觸電擊的后備保護(hù)[2]。

漏電自動報警保護(hù)器按結(jié)構(gòu)原理劃分有電壓動作型、電流型、鑒相型和脈沖型。電壓動作型漏電保護(hù)器通過在配電變壓器低壓側(cè)中性點與地之間串接檢測線圈或其他阻抗元件，當(dāng)被保護(hù)線路出現(xiàn)人體觸電或線路設(shè)備漏電時，此線圈上產(chǎn)生故障電壓。當(dāng)故障電壓達(dá)到一定值就推動脫扣機構(gòu)動作，使主開關(guān)動作切斷電流。其優(yōu)點是造價低，結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝；缺點是掛鉤的銹蝕或磨損可能影響其動作電流，造成拒動或誤動，精度低，脫扣線圈易燒毀等，目前已被淘汰[3]。電流動作型漏電保護(hù)器是檢測漏電故障電流。為保證準(zhǔn)確傳變暫態(tài)短路電流，電流互感器(currenttransformer，CT)在暫態(tài)過程中所需磁鏈?zhǔn)欠€(wěn)態(tài)對稱短路電流磁鏈的幾倍至幾十倍。電流動作型漏電保護(hù)器按結(jié)構(gòu)可以分為電磁式和電子式。電磁式漏電保護(hù)器的原理是將零序CT檢測到的泄漏電流與整定值相比較，若大于整定值，則輸出，從而借助于脫扣線圈而使脫扣器動作，切斷故障回路。電子式漏電保護(hù)器則是由零序CT的輸出經(jīng)電子放大器放大后，觸發(fā)晶體管開關(guān)元件，接通脫扣器電源，從而切斷故障回路。電子式漏電保護(hù)器工作性能好，靈敏度高，是目前最為常用的一種漏電自動報警保護(hù)器[4]。

1智能防火漏電報警器的設(shè)計總則

智能漏電報警器的設(shè)計原則是：綜合考慮實用性、經(jīng)濟性、穩(wěn)定性與可靠性，具有智能化及數(shù)據(jù)長時期記憶功能，具有友好的人機界面[5]。

1.1智能漏電報警系統(tǒng)主要組成部分

智能漏電報警系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：檢測元件(由零序CT組成，檢測漏電電流)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，中間放大環(huán)節(jié)(包括單片機及外圍電路、多路模擬開關(guān)、模-數(shù)(analogtodigital，A/D)和數(shù)-模(digitaltoanalog，D/A)轉(zhuǎn)換電路等)，邏輯處理單元，操作執(zhí)行機構(gòu)(主要部件為電磁脫扣器)，復(fù)位按鍵和顯示裝置(實時顯示電壓、電流和時間)。運算處理單元整體方案如圖1所示。

IIC—內(nèi)部中斷控制器，internal interrupt controllrer的縮寫。圖1　整體方案原理

1.2智能漏電報警器的技術(shù)要求

智能漏電報警系統(tǒng)的額定漏電動作電流應(yīng)滿足以下3個條件：

a)漏電動作電流應(yīng)不大于人體安全電流值30mA。

b)保證電網(wǎng)可靠運行，額定漏電動作電流應(yīng)小于低電壓電網(wǎng)正常漏電電流。

c)保證多級保護(hù)的選擇性，下一級額定漏電動作電流應(yīng)小于上一級額定漏電動作電流，各級額定漏電動作電流應(yīng)有級差112～215倍。

1.3智能漏電報警器的“智能”和“報警”功能

本文設(shè)計的智能漏電報警系統(tǒng)的智能及報警功能有：過流聲光報警、漏電聲光報警、過壓聲光報警、缺相聲光報警、智能顯示。用實時時鐘芯片DS1302可以提供過流、過壓的秒、分、時、日、星期、月和年。一個月少于31天時可自動調(diào)整，且具有閏年補償功能。

1.4時鐘芯片DS1302 簡介

DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗的實時時鐘芯片，附加31字節(jié)靜態(tài)隨機存儲器(randomaccessmemory，RAM)，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號和RAM數(shù)據(jù)。實時時鐘可提供秒、分、時、日、星期、月和年，一個月少于31天時可自動調(diào)整，具有閏年補償功能。工作電壓2.5～5.5V。采用雙電源供電[6]。其外部引腳如圖2所示，各引腳的功能為：VCC1為備份電源，VCC2為主電源，X1、X2為輸入，SCLK為串行時鐘，I/O為三線接口時的雙向數(shù)據(jù)線，GND表示接地，RST表示復(fù)位。主電源的電壓超過備份電源0.2V時，主電源向DS1302供電；主電源的電壓小于備份電源時，備份電源向DS1302供電。

圖2　DS1302的外部引腳

1.5STC12C5412AD單片機簡介

STC系列單片機是美國STC公司推出的增強型功能的8051單片機。STC12C5412A/D單片機是兼容805l內(nèi)核單片機，其特點是高速、低耗。內(nèi)部集成watchdog和復(fù)位電路，具有在線系統(tǒng)編程和在線應(yīng)用編程功能，方便用戶修改應(yīng)用程序。可以實現(xiàn)多路信號的測量，充分利用單片機的內(nèi)部資源。在軟件的支持下實現(xiàn)多通道信號的自校準(zhǔn)測量功能，保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。電路結(jié)構(gòu)簡化，成本降低，精度提高，電路體積減小。

2智能漏電報警器的設(shè)計

系統(tǒng)軟件由以下模塊構(gòu)成：主程序、時鐘中斷程序、鍵盤檢測和處理程序、數(shù)據(jù)采集處理程序、實時顯示程序、報警程序、跳閘程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、IIC存儲程序、抗干擾程序。

2.1主程序設(shè)計

主程序采用模塊化設(shè)計和循環(huán)掃描方式，主要完成系統(tǒng)初始化、定時器初始化、串口初始化等任務(wù)。初始化部分包括中央處理器(centralprocessingunit，CPU)各端口輸入輸出設(shè)置、中斷設(shè)置、數(shù)據(jù)RAM的初始化、可編程watchdog監(jiān)控芯片的初始化、單片機特殊功能寄存器的初始化、顯示驅(qū)動芯片的初始化、I/O擴展芯片的初始化等。數(shù)據(jù)采集處理子程序的功能是在定時中斷服務(wù)程序中完成的。在定時中斷服務(wù)程序中主要進(jìn)行電壓、電流的采集，采樣數(shù)據(jù)存儲，標(biāo)度變換以及報警判斷與跳閘等操作。主程序流程如圖3所示。

圖3　主程序流程

2.2STC12C5410AD單片機A/D轉(zhuǎn)換

全數(shù)字化方案鑒相鑒幅漏電保護(hù)開關(guān)是將漏電保護(hù)開關(guān)零序CT拾取的剩余電流放大后進(jìn)行A/D變換，將模擬量的剩余電流數(shù)字化后輸入單片微處理器，其變化的剩余電流閾值檢測、邏輯判斷、定時與計次均由單片微處理器處理。整體電路簡潔，調(diào)試量減少， 穩(wěn)定性提高，但其價格較高。STCl2C5412AD單片機具有8通道電壓輸入型A/D轉(zhuǎn)換資源，選擇其中的兩個通道分別進(jìn)行零電位的測量和5V基準(zhǔn)電壓的測量，并以這兩個通道的測量結(jié)果對其他通道的測量結(jié)果進(jìn)行修正，一方面消除零電位帶來的測量誤差，另一方面又減少線性量化誤差，保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。P1口為A/D轉(zhuǎn)換輸入之一，要使用A/D轉(zhuǎn)換功能就必須進(jìn)行相應(yīng)寄存器的設(shè)置。A/D轉(zhuǎn)換流程如圖4所示。

圖4　A/D轉(zhuǎn)換流程

2.3數(shù)據(jù)采集處理模塊設(shè)計

對于所要采集的電壓和電流經(jīng)過二極管4148和電阻電容電路整流濾波，再放大送STC12C5412AD單片機內(nèi)進(jìn)行處理。當(dāng)供電線路出現(xiàn)過流、過壓、缺相、漏電時，與設(shè)定值進(jìn)行比較，經(jīng)延時后，一系列外圍電路相應(yīng)發(fā)出聲光報警及跳閘斷電動作。待故障排除后，按下“復(fù)位”鍵，即可恢復(fù)工作。其流程如圖5所示。

圖5　數(shù)據(jù)采集處理流程

2.4實時顯示及鍵盤處理模塊設(shè)計

漏電保護(hù)開關(guān)采用微處理器后，具有智能化及數(shù)據(jù)長時期記憶功能，可方便地控制多路漏電保護(hù)開關(guān)系統(tǒng)，通過液晶顯示器來顯示交流電源系統(tǒng)的電壓、電流、頻率等參量，還可顯示漏電保護(hù)開關(guān)的目前工作狀態(tài)、漏電保護(hù)開關(guān)的歷史工作狀態(tài)等功能，并具有友好的人機界面。液晶顯示芯片如圖6所示。

圖6　液晶顯示芯片

2.5漏電選擇模塊設(shè)計

防火漏電選擇按鍵是根據(jù)實際環(huán)境和漏電安全規(guī)范而設(shè)定，不是固定不變的。本系統(tǒng)設(shè)定的三檔為：漏電動作電流200mA、300mA、500mA，漏電不動作電流100mA、150mA、250mA。相關(guān)流程如圖7所示。

I—漏電動作電流，IX—漏電不動作電流。圖7　漏電選擇流程

2.6抗干擾模塊設(shè)計

漏電自動報警保護(hù)器運行環(huán)境電氣干擾較強，出于生產(chǎn)成本原因，不可能在硬件上增加很多的抗干擾措施，因而造成產(chǎn)品在實驗室環(huán)境工作完全正常，在現(xiàn)場實地工作時頻繁出現(xiàn)程序跑飛、程序鎖死和功能混亂現(xiàn)象。因此，軟件設(shè)計方面要加強抗干擾設(shè)計。

3現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用于漏電報警系統(tǒng)

現(xiàn)場總線技術(shù)用于設(shè)備之間的數(shù)據(jù)處理與傳輸，本質(zhì)是一種全數(shù)字化分布式通信的底層網(wǎng)絡(luò)。布線成本低，環(huán)境適應(yīng)能力強，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)開放，具有網(wǎng)絡(luò)通信開放式系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)(OpenSystemInterconnection，OSI)參考模型等特點[9]。而微機保護(hù)需要多個CPU，各CPU自成一套微機系統(tǒng)，只有一個液晶顯示即人機對話界面，所以各個CPU之間的通信需要現(xiàn)場總線來傳送數(shù)據(jù)。利用現(xiàn)場總線技術(shù)開放的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，將數(shù)據(jù)通信功能模塊化，完成漏電報警系統(tǒng)各節(jié)點間的通信任務(wù)，將使整個系統(tǒng)的通信功能取得極大的進(jìn)步?，F(xiàn)場總線應(yīng)用于火災(zāi)報警系統(tǒng)的一般形式如圖8所示。

圖8漏電報警回路的現(xiàn)場總線通信

4結(jié)束語

本課題所設(shè)計的智能防火漏電報警器的五大特點：a)將現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理；b)將I2C總線技術(shù)應(yīng)用于模塊化電路設(shè)計；c)采用STC12C5410AD單片機為控制器核心；d)將32位單片機配合高集成度的可編程外圍接口電路構(gòu)成高精度的監(jiān)測、保護(hù)單元；e)系統(tǒng)軟件設(shè)計利用偉福E6000語言和KEILC編寫軟件，流暢、簡潔。

本文從防火漏電保護(hù)器設(shè)計出發(fā)，以單片機為核心，設(shè)計了具有“智能”和“報警”功能的智能防火漏電報警器。重點闡述了智能防火漏電報警器的理論依據(jù)和設(shè)計原則，并采用偉福E6000語言和KEILC編寫程序，實現(xiàn)了軟件部分功能設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可靠性和智能化程度。在實驗過程中形成了初步樣品，具有一定的實用價值。

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Design on Intelligent Electric Leakage Alarm System Based on SCM

WANG Haona1, MA Longyi1, FU Zhihong2

(1.HuizhouPowerSupplyBureauofGuangdongPowerGridCo.,Ltd.,Huizhou,Guangdong516001,China; 2.StateKeyLaboratoryofPowerTransmissionEquipment&SystemSecurityandNewTechnology,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China)

Abstract：Takingelectricleakageprotectiontechnologyforthemainresearchobject,akindofintelligentelectricleakagealarmsystembasedonSTC12C5410ADsinglechipmicrocomputer(SCM)isdesigned.ThesystemusesWeifuE6000andKEILClanguageforprogramming,appliesfieldbustechnologyinnetworkmanagementonpowersystemandI2Cbustechnologyinmodulecircuitdesign.Italsocombines32bitesSCMandhighintegratedprogrammableperipheralinterfacecircuittoformahigh-precisionmonitoringunitwhichfinallyrealizesfunctiondesignonsoftwareandinitiallyformssamplesinprocessofexperiment.Thissystemhasstronganti-interferenceabilityandhighsensitivityaswellasisprovidedwithfunctionsofautomaticcontrolandalarm.

Keywords：electricleakageautomaticalarmingprotector;intelligent;KEILClanguage;singlechipmicrocomputer(SCM)

收稿日期：2016-01-27修回日期：2016-04-07

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51277189)

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.06.006

中圖分類號：TM932

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-290X(2016)06-0030-05

作者簡介：

王好娜(1983)，女，河南平頂山人。工程師，技師，工學(xué)碩士，主要研究方向為繼電保護(hù)。

馬龍義(1981)，男，安徽池州人。工程師，工學(xué)碩士，主要研究方向為電網(wǎng)規(guī)劃。

付志紅(1966)，男，重慶人。教授，博士研究生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要研究方向為電磁勘探。

(編輯彭艷)