1、目錄前言第一章概述-41-1 家庭用電安全保護(hù)器簡介-41-2 家庭用電安全保護(hù)器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)-41-3 家庭用電安全保護(hù)器現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)-5第二章總體電路設(shè)計(jì)-62-1 系統(tǒng)方框圖及總體思路-62-2 系統(tǒng)原理圖-7第三章單元電路的設(shè)計(jì)與思考 -93-1 防雷裝置的設(shè)計(jì)-93-2 數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)與思考-103-2-1 基于電磁感應(yīng)定律的電壓電流互感器-103-2-2 被測信號(hào)的處理-153-2-3 現(xiàn)場參量的誤差-203-3 單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)與思考-203-3-1 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)-203-3-2 CPU控制電路-233-3-3 顯示電路-253-3-3 報(bào)警電路-263-3-4

2、漏電保護(hù)電路-273-3-5 執(zhí)行單元-27第四章 軟件設(shè)計(jì) -29 4-1軟件構(gòu)思-294-2軟件流程圖-304-3軟件程序-31第五章 安裝調(diào)試中的有關(guān)問題 -35設(shè)計(jì)總結(jié) -36參考文獻(xiàn)-37前言隨著人民生活水平不斷的提高，各種家用電器走進(jìn)每個(gè)人的生活，特別是大功率的電器，如冰箱、空調(diào)等正逐漸普及，給人們的生產(chǎn)生活帶來巨大的便利。但電器設(shè)備的應(yīng)用也給人們帶來了經(jīng)濟(jì)損失以及血的教訓(xùn)，因過流、過壓引起的設(shè)備損壞不計(jì)其數(shù)，因漏電、觸電身亡的也不少見。由此，人們?cè)诓煌Ｌ剿髦娔艿陌踩侠響?yīng)用，各種電能保護(hù)器相繼產(chǎn)生。傳統(tǒng)的保護(hù)電路用分立元件制作，制作成本高，調(diào)試安裝難度大，雖然能起到保護(hù)的作用，

3、但由于速度及精度達(dá)不到要求，往往電器雖然保護(hù)了但有些元件卻被損壞。本設(shè)計(jì)從安全用電、節(jié)約電能出發(fā)充分考慮了設(shè)計(jì)對(duì)象的保護(hù)時(shí)間，利用單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備及人身安全進(jìn)行保護(hù)，具有保護(hù)范圍廣，保護(hù)精度高、安裝調(diào)試簡單的優(yōu)點(diǎn)，并且容易實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的聯(lián)機(jī)，實(shí)現(xiàn)智能化，前景廣闊。在本設(shè)計(jì)過程中，得到了方寧老師和陳順科老師的細(xì)心指導(dǎo)，在此本人表示衷心的感謝。第一章概述11家庭用電安全保護(hù)器簡介1、家庭用電安全保護(hù)器設(shè)計(jì)的必要性據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國每耗電1億KW/h，觸電死亡3人，另外電氣火災(zāi)也給人們帶來極大威脅和損失，它的危害并不亞于電氣災(zāi)害。例如1986年的火災(zāi)次數(shù)達(dá)3876次，死亡人數(shù)共2865人，經(jīng)濟(jì)損

4、失達(dá)3.24億元，這些火災(zāi)中電氣火災(zāi)占15%，由此可見加強(qiáng)電氣設(shè)備的保護(hù)與管理，消除電氣火災(zāi)對(duì)保障經(jīng)濟(jì)建設(shè)，安定人民的生活有著極為重要的意義。電氣設(shè)備或電力繞路絕緣損壞，電氣設(shè)備負(fù)載的過載，短路是造成電氣火災(zāi)的常見原因。引起漏電火災(zāi)的原因則是接地故障電流，這些故障在發(fā)生災(zāi)害之前自動(dòng)檢測出并進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)是十分有必要的。另外雷電所引起的電氣故障也占相當(dāng)大的比例，往往表現(xiàn)形式是過壓，其瞬間電壓高達(dá)上萬伏，破壞力極強(qiáng)，因此也要有相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行隔離。12家庭用電安全保護(hù)器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)1本系統(tǒng)主要由如下幾大部分電路構(gòu)成，如圖所示：傳感器數(shù)據(jù)采集CPU控制電路顯示電路保護(hù)電路模擬量傳感部分：將大幅度的模擬

5、信號(hào)變?yōu)樾⌒盘?hào)數(shù)據(jù)采集部分：將傳感器變換的信號(hào)進(jìn)行放大中央處理部分：將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，與設(shè)定值相比較，完成數(shù)據(jù)處理，傳送，顯示任務(wù)顯示部分：顯示電壓數(shù)據(jù)，及報(bào)警情況執(zhí)行部分：執(zhí)行過壓，過流，漏電保護(hù)動(dòng)作2、家庭安全用電單片機(jī)保護(hù)器的特點(diǎn)本系統(tǒng)采用單片機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)、模擬量數(shù)字處理技術(shù)，具有自動(dòng)監(jiān)測和識(shí)別故障類型及操作命令類型的功能，能根據(jù)故障和操作命令來控制操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作，這也是現(xiàn)代智能電器的最基本的特征，本系統(tǒng)也可稱作為智能保護(hù)器因?yàn)樗c一般采用集成電路實(shí)現(xiàn)控制的電器設(shè)備有著根本區(qū)別，不僅有它們過壓，過流，漏電保護(hù)的功能，同時(shí)也具有它們沒有的功能：a) 現(xiàn)場參量處理數(shù)字化這是智能

6、電器區(qū)別于其他采用集成電路實(shí)現(xiàn)控制功能的電器設(shè)備的最重要標(biāo)志。由于采用微機(jī)處理技術(shù)，電器設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場的各種現(xiàn)場參量全部用數(shù)字處理，不僅大大提高了保護(hù)精度，減小產(chǎn)品保護(hù)的分散性，而且可以通過軟件改變處理算法，不需修改硬件電路的結(jié)構(gòu)，就可以實(shí)現(xiàn)不同的保護(hù)功能。b) 電器設(shè)備的多功能化采用單片機(jī)對(duì)電器設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場的各種參量進(jìn)行采樣與處理，智能電器可以集成用戶需要的各種功能，如數(shù)字化儀表，可以實(shí)時(shí)顯示各種參數(shù)；可以根據(jù)現(xiàn)場具體情況設(shè)置保護(hù)類型、保護(hù)值；按用戶要求保存歷史數(shù)據(jù)等。 C）電器設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化智能電器監(jiān)控單元以微處理為核心，實(shí)際上就是獨(dú)立的計(jì)算機(jī)控制設(shè)備，可以把它當(dāng)成網(wǎng)絡(luò)中的通信節(jié)點(diǎn)，采用數(shù)字通

7、信技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理、設(shè)備資源的共亨。 d) 可以真正的組成全開方式系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)中的分層模型建立起來的電器智能化通信網(wǎng)絡(luò)，可以把不同生產(chǎn)廠商、不同類型的產(chǎn)品但具有相同通信協(xié)儀的智能電器互連，達(dá)到最優(yōu)組合，實(shí)現(xiàn)全國乃至全世界的開放式系統(tǒng)。13家庭用電安全保護(hù)器的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)傳統(tǒng)的保護(hù)器以及現(xiàn)在市面上的大多數(shù)保護(hù)電器都屬于模擬電子式，這種保護(hù)電路精度低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易安裝調(diào)試，并且不易實(shí)現(xiàn)智能化及網(wǎng)絡(luò)化。隨著單片機(jī)的高速發(fā)展，保護(hù)器已經(jīng)從簡單的繼電控制功能的單一封閉式裝置，發(fā)展到具有完整的理論體系和多字科性質(zhì)的電器智能化系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)電器設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化，分布式管理與控制，真正實(shí)現(xiàn)全開放式系

8、統(tǒng)。第二章總體電路設(shè)計(jì)21總體思路及系統(tǒng)方框圖一、總體思路電壓感器，電流互感器采集的電壓電流信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放放大后由絕對(duì)值電路將交流信號(hào)變?yōu)橹绷餍盘?hào)，該直流信號(hào)經(jīng)濾波后送給模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，在中央處理與設(shè)定值比較，如若超過過流、過壓值則發(fā)出相應(yīng)信號(hào)使主電路切斷，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，如若沒有超過設(shè)定值則將電壓值送往顯示電路電路。從而實(shí)現(xiàn)了過壓過流保護(hù)另外主電路由零序電流互感器監(jiān)測漏電與竊電情況，一旦有漏電竊電的情況，系統(tǒng)通過中斷方式自動(dòng)判斷，適時(shí)切斷主電路，如若故障不排處，主電路不得電，從而對(duì)人生安全起到保護(hù)作用，由于單片機(jī)速度很快，如若外接12M晶振，第條指令只要1US的時(shí)間，而負(fù)載過壓、

9、過流或人體觸電都屬于毫秒級(jí)（1ms=1000us）單片機(jī)完全可以勝任，而且單片機(jī)靈活性很大，只要修改程序便可以進(jìn)行擴(kuò)展，適應(yīng)未來發(fā)展趨勢(shì)，它有著模擬電子不可比擬的優(yōu)越性。二、系統(tǒng)方框圖：2-2系統(tǒng)原理圖詳細(xì)電路見最后附圖第三章單元電路的設(shè)計(jì)與思考31防雷電路的設(shè)計(jì)雷電波沿電力繞路作用到電氣設(shè)備上時(shí)，設(shè)備往往承受不了過高的沖擊而損壞，電子設(shè)備的耐壓水平比電氣設(shè)備的低得多，損壞率更大，為防止雷電波的這種損害，我們使用避雷器。避雷器接在被保護(hù)設(shè)備的零線與火線間，當(dāng)雷電波沿電力線路入侵進(jìn)首先加在避雷器兩端，無間隙避雷器以稱為壓敏電阻，通過壓敏電阻對(duì)電器設(shè)備進(jìn)行防雷保護(hù)。氧化鋅壓敏電阻是一種新穎的陶瓷半

10、導(dǎo)體器件，它是用氧化鋅為主材料，加入少量的氧化鉍，氧化鈷，氧化銻等金屬氧化物，經(jīng)配制煉制而成的半導(dǎo)體非線性元件，是一種伏安特性為非線性的敏感元件。在正常工作時(shí)壓敏電阻處于高阻態(tài)，只有很小的泄漏電流，當(dāng)線路中產(chǎn)生瞬間高壓時(shí)，壓敏電阻阻值急劇下降，工作電流增至幾個(gè)數(shù)量級(jí)，過電壓以放電電流的形式被壓敏電阻瀉放掉，這樣設(shè)備得到保護(hù)，浪涌電壓過后，線路電壓正常，壓敏電阻以很快恢復(fù)高阻狀態(tài)。根據(jù)保護(hù)要求通常采用MYL型壓敏電阻，其電氣特性如下表參數(shù)型號(hào)電壓范圍（V）通流容量（KA）漏電流（KA）電壓溫度%C線壓比 VMYL1-147-1000 150(100V)<30>100V-0.1 <

11、;5(100V)<2.2(>220V)MYL1-347-1000 3MYL1-547-1000 5MYL1-1056-820 10MYL1-5100-680 15MYL1-20330-680 20 根據(jù)表21所示壓敏電阻的電氣特性，選擇MYL12DK400V/3KA作為避雷元件。32數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)與思考數(shù)據(jù)采集電路的好壞直接影響著保護(hù)的精度，它也是本電路的核心之一一、其原理圖如下：其各部分電路的作用將在下面作詳細(xì)介紹321基于電磁感應(yīng)定律的電壓與電流互感器一、電壓互感器常見的電壓互感器有電磁式和電容式，兩者原理基本相同。但電容式電壓互感器廣泛用于110KV高壓電力系統(tǒng)中，動(dòng)態(tài)響

12、應(yīng)沒有鐵芯好，而且它只有在電壓越高時(shí)才能體現(xiàn)它的價(jià)值與經(jīng)濟(jì)性。另外根據(jù)其接線圖可知，C1，C2只要有一個(gè)被擊穿便導(dǎo)制事故的發(fā)生。據(jù)此本系統(tǒng)采用鐵芯電磁式電壓互感器。c1CAPc2CAPL?INDUCTOR1L?INDUCTOR1L?INDUCTOR1L?INDUCTOR1L?INDUCTOR1R?RES2鐵芯電磁式電壓互感器鐵芯電磁式電壓互感器與普通變壓器聽工作原理相似，僅在結(jié)構(gòu)形式，材料，誤差范圍有所差別。電壓互感器正常運(yùn)行時(shí)，二次側(cè)負(fù)載基本不變，且電流很小，接近于空載狀態(tài)，這與空變壓器十分相似。當(dāng)變壓器二次側(cè)開路時(shí)，它的一次電流全部變?yōu)榧ご烹娏鱅a，對(duì)應(yīng)的激磁磁勢(shì)和交變磁通分別為 ，二次側(cè)

13、繞組兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓即空載電壓U20。下圖揭示了空載變壓器電壓、電流相量圖。圖中Ioy和Iow分別 為Ia的有功分量和無功分量，磁化 電流Ic與主磁通同相位，鐵芯損耗電流I0y與一次繞組自感電勢(shì)E0反相，因此Ioy超前Iow 90度。由于變壓器空載時(shí)的二次電壓為U20 W2為二次組匝數(shù)，f為一次側(cè)輸入電壓頻率Ku即為變壓器變比，它是變壓器一次與二次繞組的匝數(shù)比。近似于一次電壓與二次空載電壓之比。如上所述，電壓互感器基本上是一個(gè)空載變壓器，其電壓比就是電壓 互感器一次與二次繞組的匝數(shù)比。特別是要注意的是電壓互感器在接線時(shí)， 二次側(cè)不能短路。二、電流互感器 電流互感器是一種將供電線 路大電流變換為

14、小電流的電氣設(shè)備，用于對(duì)線路和供電用電設(shè)備的測量與保護(hù)，分為鐵心式手空心式兩大類。（1）鐵心電磁式電流互感器鐵心電磁式電流互感器的基本工作原理與鐵心電磁式電壓互感器相似，仍基于電磁感應(yīng)定律。不同的是，其一次繞組串聯(lián)在供電路中，二次繞組則與測量和保護(hù)設(shè)備的電流約線圈串聯(lián)，此外，電流互感器副邊必須工作于接近短路狀態(tài)，而電壓互感器的副邊應(yīng)接近開路狀態(tài)。鐵心電磁式電流互感器的原理如圖所示：電流互感器副邊繞組的磁勢(shì)： 由此可得電流互感器原、副邊電流比為：通用電流互感器原邊的工作 I1一般較大，繞組匝數(shù)W1很少，甚至只有一匝。在額定工作條件下，副邊電流I2僅有5A，所以副邊繞組的匝數(shù)W2較多。額定工作狀態(tài)

15、下，原、副邊 之比定義為額定電流比。 使用電流互感器時(shí)必須維持I1W1=I2W2。因此，在原邊繞組中有電流I1時(shí)，副邊繞組 中也一定有電流I2，它兩端的電壓。當(dāng)副邊開路時(shí)，R2接近無窮大，副邊電壓U2會(huì)變得非常大，導(dǎo)致電流互感器的繞組絕緣擊穿。 目前電力系統(tǒng)使用的鐵心電流互感器都是上述標(biāo)準(zhǔn)互感器。由于二次負(fù)載必須近似短路，不能提供監(jiān)控單元對(duì)模擬量采樣所需要的電壓，通常需要增加一級(jí)專用的電流互感器。專用電流互感器的一繞組作為負(fù)載連接在通用互感器的二次繞組中，將05A電流變換為毫安數(shù)量級(jí)的電流。專用電流互感器最大的特點(diǎn)是二次繞組可接較高電阻 的值 ，就可滿足監(jiān)控單元模擬輸入端的要求。選取采樣電阻時(shí)

16、，還需要注意電阻元件的功率的選擇，保證電阻承受的功率Wr=I2R小于電阻的額定功率。 （2）空心電流互感器 迄今為止，鐵心電磁式電流互感器一直是電力系統(tǒng)主要的電流檢測工具，在繼電保護(hù)應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，但是它本身有著難以克服的缺點(diǎn)。首先，這類互感器的體積，重量隨電流等級(jí)升高而增加，價(jià)格上升也很快。其次， 在高壓輸電里中使用的鐵心式互感器中必須充油，防爆困難，安全系數(shù) 下降。第三，在傳統(tǒng)的電器設(shè)備二次設(shè)備測量和保護(hù)電路中采用了各種電磁式或電動(dòng)式儀表用電磁式繼電器，它們的線圈都需要從互感器中汲取能量，所以鐵心電磁式互感器都必須有相應(yīng)的負(fù)載能力，。但對(duì)于智能電器而言，其二次側(cè)電路已全部由智能監(jiān)控單元取

17、代，監(jiān)控單元本身所需要的功率比傳統(tǒng)設(shè)備大大降低，不再需要互感器輸出較高的功率。此外，互感器鐵心的磁化曲線線性范圍有限，在智能電器應(yīng)用環(huán)境下，被 的電流變化范圍往往很大，當(dāng)原邊電流很大時(shí)，鐵心會(huì)飽和，這將使副邊電流波形發(fā)生畸變，影響測量和保護(hù)精度。在有些場合下，如低壓框架式斷路器中，流過主接點(diǎn)的電流范圍可從幾安培到短路時(shí)的幾千安培，要在這樣在的范圍 內(nèi)進(jìn)行測量檢測，用傳統(tǒng)的鐵心電磁式電流互感器根本無法實(shí)現(xiàn)，必須采用新的電流互感器。 空心電流互感器具有結(jié)構(gòu)簡單，輸入電流變化范圍寬，線性度好，性能價(jià)格比好等特點(diǎn)，是目前市場應(yīng)用比較多的一種傳感器，下面將介紹它的原理和特點(diǎn)。 空心電流互感器是基于電磁感

18、應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)電流的測量，其工作原理如下圖所示：設(shè)線圈的匝數(shù)為N繞制在橫截面積為A的非磁性材料骨FR架上， 磁通密度為B(t)，根據(jù) 感應(yīng)原理，線圈兩端的感應(yīng)電勢(shì)為： 式1 因此，在繞組兩端接上合適的電阻R0就可以測量了。由于繞組本身與主電流回路完全通過磁場耦合，沒有直接的電聯(lián)系，所以與主回路間有很好的電氣隔離。式1中，由被測量電流產(chǎn)生。若設(shè)線圈的平均半徑為r,則有 式2式中為真空磁導(dǎo)率。合并式1與式2可得： 圖給出了圖所示測量回路的等效電路。在線圈骨架的橫截面積均勻時(shí)，由等效電路可得： 式中，i2(t)流過線圈的電流， 由于線圈的繞線繞線框架為大是大非磁性材料，自感量L很小，當(dāng)或時(shí)，可得 可見，

19、輸出電壓正比于被 測電流的微分。對(duì)于工頻電而言，輸出電壓的有效值將正比于被測量的有效值。與傳統(tǒng)的鐵心式電流互感器相比，以空心線圈為基礎(chǔ)的電流互感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、測量范圍寬，精度高。同一互感器的被測電流范圍從數(shù)十安培到數(shù)萬安培 ，精度高達(dá)0.2%。，在智能電器設(shè)備監(jiān)控單元中廣泛應(yīng)用。因?yàn)椴挥描F心進(jìn)行增耦合，消除了磁飽和，鐵磁諧振現(xiàn)象，使其過、運(yùn)行穩(wěn)定性好，保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。2、頻率響應(yīng)范圍寬，一般可設(shè)計(jì)到0-1MHZ3、重量輕，成本較低，性能價(jià)格比高，更符合環(huán)保要求。4、易實(shí)現(xiàn)互感器數(shù)字化輸出。綜上所述，本設(shè)計(jì)選用空心電感線圈。322 被測量信號(hào)的處理信號(hào)類型和幅值的調(diào)理所謂信號(hào)類型的調(diào)

20、理，就是用集成運(yùn)算放大器組成的電路，把傳感器輸出的不同類別，不同大小的電信號(hào)變換成幅值和極性符合A/D變換器模擬輸入的電壓。集成放大器是一種線性放大器件，通過不同的電路設(shè)計(jì)，可改變模擬信號(hào)幅值，極性：可以把電流、電荷 輸入變成電壓輸出，還可以設(shè)計(jì)成絕對(duì)值電路，把雙極性的模擬信號(hào)變成單極性的。集成放大器還有體積不、功耗小、電路設(shè)計(jì)簡單等優(yōu)點(diǎn)，因此，集成運(yùn)放是模擬信號(hào)類型和幅值調(diào)理電路最合適、最常用的器件。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)到的電路有：一、電流/電壓變換電路 圖1 如上圖1所示是采用無源電阻元件器件，變送器輸出電流iIN 直接流過電阻R，輸出電壓即為電阻兩端的電壓，電路中電阻Ri和電容器C構(gòu)成一階濾波，平

21、滑Uout波形。 圖2如上圖2所示，這種電路由一個(gè)帶反饋電阻R的集成運(yùn)放組成。電流直接通過反饋電阻，輸出 這種電路輸入端的電流經(jīng)過反饋后全部流入運(yùn)算放大器的輸出端因而適用于現(xiàn)場信號(hào)的電流電壓轉(zhuǎn)換。它與無源電路相比，具有轉(zhuǎn)換波形好的特點(diǎn)，而且沒有延遲的現(xiàn)象，綜上兩種電路，本設(shè)計(jì)選用圖2所示的電路。二、被測量信號(hào)的極性變換電路 現(xiàn)場的電流電壓基本上是交流的，在經(jīng)過各種變換后，輸出仍是交流的，極性正負(fù)交替，但目前大量使用的A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入只接受正極性的電壓，在這種情況下，必須把電壓，電流互感器或傳感器輸出的雙極性電壓變換成正極性的電壓。下面選出了兩種極性變換電路。 圖a 如圖a所示，電路是把雙

22、極性電壓與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)直流正電壓串聯(lián)，直流正電壓，直流幅值與交流電壓 幅值相等，顯然，這種電路把峰峰值為正負(fù)Um的交流電壓變成了在02Um之間變化的單極性的電壓，交流電壓 的零點(diǎn)變成了Um。 如圖b所示：該電路為絕對(duì)值電路。該電路包括兩部分，由集成運(yùn)放器U1A為核心的精密檢波器和U2A組成的 反相加法器。當(dāng)輸入電壓Uin>0時(shí)，二極管VD1反向阻斷，VD2導(dǎo)通，檢波器輸出電壓 當(dāng)輸入電壓UIN<0時(shí)，二極管VD1導(dǎo)通，VD2阻斷，檢波器輸出電壓U1=0。建于由A2組成的反相加法器來說，其輸出電壓 當(dāng)選擇電路 中的電阻值，使R1=R2，R3=R5=2R4，代入上式中可得到該電路的輸出電壓

23、 Uout=/Uin/ 根據(jù)分析圖A中，當(dāng)中央處理器，通過A/D轉(zhuǎn)換器采樣并進(jìn)行有效值運(yùn)算時(shí)，必須根據(jù)輸入設(shè)備A/D轉(zhuǎn)換器的單極性電壓來判斷被測電壓、電流的正負(fù)。這就是說，A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量中的最高位應(yīng)當(dāng)作符號(hào)位，這就使得有效數(shù)據(jù)減少了一位，這必然影響到對(duì)被測量的處理精度，而圖b則避免了上述問題，得到的直流電壓正比于被測交流電壓的有效值。因此本設(shè)計(jì)采用圖b所示電路三、幅值調(diào)理電路 在模擬量測量中，幅值調(diào)理電路就是各種電壓的放大。最基本，也是最常用的有反相比例放大器，同相比例器放大器和差動(dòng)放大器。本電路主要涉及反相比例運(yùn)放，現(xiàn)就反相器介紹一下： 如圖所示，輸入信號(hào)U1通過電阻R1加到集成運(yùn)

24、放的反相輸入端，而輸出信號(hào)通過電阻Rf出回送到反相輸入端，Rf為反饋電阻，構(gòu)成深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋。同相端通過電阻R2接地， R2稱為直流平衡電阻，其作用是使集成運(yùn)放兩輸入端的對(duì)地流電阻相等，從而避免運(yùn)放輸入偏置電流在兩輸入端之間產(chǎn)生附加的差模輸入電壓，故要求， 根據(jù)運(yùn)放輸入端“虛斷”可得i+0,故U+0，根據(jù)運(yùn)放兩端“虛短”可得U+U-0,因此由圖可求得：根據(jù)運(yùn)放輸入端“虛斷”，可知i-0,故有i1if，所以，故可得輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為 可見，UO與UI成比例，輸出與輸入電壓成反相，因此稱為反相比例運(yùn)放，其比例系數(shù)為 由于U0，由圖可得該反相比例電路的輸入電阻為：RifR1因此，反相比例

25、運(yùn)放電路主要有如下工作特點(diǎn)：1、它是深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路，可作為反相放大器，調(diào)節(jié)Rf、R12比值即可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)Auf。2、輸入電阻等于R1較小。3、對(duì)集成運(yùn)放Kcmr的要求較低。這出是所有反相運(yùn)放電路的特點(diǎn)。四、信號(hào)波形的濾波信號(hào)從現(xiàn)場到監(jiān)控單元，一般都有一定的距離，往往會(huì)使波形畸變，對(duì)檢測精度帶來嚴(yán)重影響。因此，在對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)理時(shí)必須進(jìn)行濾波來去除干擾，使其達(dá)到原來波形。常用濾波器有無源和有源兩種。無源濾波器由無源的電路無任，如電阻、電容、電感組成。但其頻率特性較差，而且會(huì)產(chǎn)生相移，應(yīng)此一般采用有源濾波器來濾波，有源濾波器電路中一定包含有源器件，有源器件就是集成運(yùn)放大器，這種濾波器最

26、大的優(yōu)點(diǎn)就是對(duì)不同的濾波要求，可以有不同的電路設(shè)計(jì)。正確選擇電路中的無源元件的參數(shù)，在滿足濾波要求的情況下，可以使輸出電壓的幅值和相位與輸入電壓基本相同，所以本電路采用集成運(yùn)放來進(jìn)行濾波，如圖所示：該電路接成射極跟隨器，能更好與后級(jí)電路進(jìn)行配合。電路的濾波截止頻率，在選擇電阻R1和C時(shí)應(yīng)使FC遠(yuǎn)大于被測頻率。五、常用集成運(yùn)放簡介由于整個(gè)信號(hào)采集都是以集成運(yùn)放為核心，所以本節(jié)介紹常用的集成運(yùn)放芯片。雙電源供電低噪聲高精度單運(yùn)放OP07IN-：反相輸入端IN+：同相輸入端OUT：輸出端OA1，OA2：調(diào)零V+、V-：電源 NC: 空腳主要參數(shù)：電壓范圍：正負(fù)318V。差模輸入極限：正負(fù)13V。共模

27、輸入極限：正負(fù)14V。開環(huán)電壓放大倍數(shù)：4105共模抑制比：126dB差模輸入電阻：80M靜態(tài)功耗：120mw單位增益帶寬：1.2MHZ輸入失調(diào)電流：0.8nA323 現(xiàn)場參量的誤差一、傳感器的誤差傳感器把智能電器工作現(xiàn)場一次側(cè)的高電壓、大電流變換成低電壓、小電流，由于傳感器本身存在非線性、相位移等，會(huì)使變換有一定的誤差。因此在選用傳感器時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來選取，本系統(tǒng)選用普通變壓器作電壓傳感器，電流互感器采用空心電流互感器。調(diào)理電路的誤差調(diào)理電路的誤差主要由運(yùn)算放大器及其外部，無源電路元件引起。放大器的誤差主要上由環(huán)境和工作溫度變化引起的漂移和失調(diào)電壓，失調(diào)電流產(chǎn)生的。因此在選用時(shí)這此元件要經(jīng)

28、過老化處理。二、采樣誤差采樣誤差包括采樣保持器和A/D轉(zhuǎn)換器的誤差。采樣保持器工作時(shí)的誤差主要是由器件的捕捉時(shí)間和保持電容漏電引起的。因引以在選用捕捉時(shí)間不的器件和外接保持電容時(shí)，用鉭電容等漏電電路小的電容，可以減小誤差。33單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)與思考331模數(shù)轉(zhuǎn)換電路由于單片機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，所以模擬信號(hào)必須以過模數(shù)轉(zhuǎn)換后送給CPU進(jìn)行處理，本系統(tǒng)采用ADC0809進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在介紹模數(shù)轉(zhuǎn)換電路之前首先了解一下ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換集成塊 A/D0809在單片機(jī)的實(shí)時(shí)測控應(yīng)用系統(tǒng)中，我們需將連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量，才能輸入到CPU AT89C51進(jìn)行處理。然后再將處理結(jié)果。實(shí)行控

29、制等。經(jīng)過前級(jí)電壓與電流的采集，得到的參考電壓與電流。A/D0809轉(zhuǎn)換器芯片與AT89C51連接。圖(3-1)是8路8位逐次逼迫式A/D轉(zhuǎn)換器是一種單片CMOS器件，包括8位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、8通道多路轉(zhuǎn)換器和微處理器兼容的控制邏輯。8通道多路轉(zhuǎn)換器能直接通8個(gè)單端模擬信號(hào)中的任何一個(gè)。A/D0809片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬多路開關(guān)，可對(duì)8路0-5V的輸入模擬電壓信號(hào)分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，片內(nèi)具有多路開關(guān)的地址譯碼和鎖存電路、比較器、256R電阻T型網(wǎng)絡(luò)、樹狀電子開關(guān)、逐次逼近寄存器SAR、控制與時(shí)序電路等。輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到單片機(jī)數(shù)據(jù)總線上。為了使A/D0809硬件設(shè)計(jì)更簡單

30、、方便、特將其綜合功能總結(jié)如下：1、分辨率為8位。2、最大不可調(diào)誤差小于 1 LSB(線性度)。3、單一+5V供電，模擬輸入范圍為0V至5V。4、具有鎖存控制的8路模擬多路開關(guān)。5、可鎖存三態(tài)輸出，輸出與TTL兼容。6、功耗為15mW。 不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿度調(diào)整。7、轉(zhuǎn)換速度取決于芯片的時(shí)鐘頻率范圍。時(shí)鐘頻率范圍：10-1280KHZ，當(dāng)CLK=500KHZ，轉(zhuǎn)換速度為12US。ADC0809 芯片引腳功能 IN0 IN7 相對(duì)應(yīng)腳 26、27、28、1、2、3、4、5腳 8路輸入通道的模擬量輸入端口 msb2-1 lsb2-8 相對(duì)應(yīng)腳21、20、19、18、8、15、 14、1腳 8位數(shù)字量

31、輸出端口 START (6腳) ALE(22腳) STARTO為啟動(dòng)控制輸入端口，ALE為地址鎖存控制端口。這兩個(gè)端口可連接在一起，當(dāng)通過軟件輸入一個(gè)正脈沖，便立即啟動(dòng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換。 EOC(7腳)、OE(ENABLE)(9腳)EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束脈沖輸出，OE為地址鎖存允許控制端口。這兩個(gè)信號(hào)亦可連接在一起表示模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束。OE端的電平由低變高，打開三態(tài)輸出鎖存器，將轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 REF(+)(22腳)、REF(-)(16腳)、 VCC(11腳)、GND(13腳)：REF(+)、REF(-)為參考電壓輸入端，VCC為主電源輸入端，GND為按地端。一般REF(+)與VCC連接

32、在一起，REF(-)與GND連接在一起。 CLK(10腳)： 時(shí)鐘輸入端 ADDA(25腳)、ADDB(24腳)、ADDC(23腳) 8路模擬開關(guān)的三位地址選通輸入端，以選擇對(duì)應(yīng)的輸入通道。其對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表4-1所示地址碼相對(duì)應(yīng)的輸入通道CBA000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表4-1 地址碼與輸入通道對(duì)應(yīng)的關(guān)系A(chǔ)DC0809與單片機(jī)接口電路如圖：如上圖所示，電流電壓信號(hào)到達(dá)0809后，并沒有轉(zhuǎn)換，而是等待CPU發(fā)出轉(zhuǎn)換的指令，當(dāng)CPU發(fā)出轉(zhuǎn)換的指令后，ADC0809才進(jìn)行轉(zhuǎn)換，一旦轉(zhuǎn)換完后，ADC0809的第7腳變成高電平用以通知

33、CPU轉(zhuǎn)換完畢，這時(shí)CPU將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存進(jìn)行處理。其中74HC373是ADC0809的一個(gè)地址鎖存器，用以區(qū)別轉(zhuǎn)換的是電流信號(hào)還是電壓信號(hào)，74HC160在這里作一個(gè)分頻器，將系統(tǒng)時(shí)鐘作4分頻后給ADC0809提供時(shí)鐘信號(hào)。332 CPU控制系統(tǒng)AT89C51單片機(jī)芯片MSC51系列中各類型單片機(jī)芯片的引腳是互相兼容的，此芯片用HMOS工藝制造，采用DIP封裝。當(dāng)然，在不同芯片之間引腳功能仍有所差異，當(dāng)用戶在使用時(shí)應(yīng)當(dāng)注意這些差異點(diǎn)。圖47是高檔的8位單片機(jī)。但由于受引腳數(shù)量受限，不少引腳都具第二功能?？煞譃?、電源 40腳與20腳2、時(shí)鐘19腳與18腳3、控制總線ALE/（30腳）地址

34、鎖存允許信號(hào)PSEN（29腳）外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)RST/Vpd (9腳) 復(fù)位信號(hào)輸入端圖4-7 AT89C51功能圖EA/Vpp (31腳)外部程序存儲(chǔ)器地址允許輸入端4、并行I/O口P0口（3239腳）P1口（18腳）P2口（2128腳）P3口（1017腳）P3口的第二功能表P3.0/RXD串行口輸入端P3.1/TXD串行口輸出端P3.2/INT0外部中斷0請(qǐng)求輸入端P3.3/INT1外部中斷1請(qǐng)求輸入端P3.4/T0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0外部輸入端P3.5/T1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1外部輸入端P3.6/WR外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通信號(hào)輸出P3.7/RD外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出333顯示電路如圖

35、所示為本系統(tǒng)的電壓顯示電路：本系統(tǒng)的顯示電路采用了靜態(tài)顯示方式，它主要是利用了串入并出移位寄存器74HC164。顯示的方法有很多種，一般有靜態(tài)與動(dòng)態(tài)之分，它們沒有什么好壞之分，需要根據(jù)具體情況來選擇。動(dòng)態(tài)掃描速度快，但占用I/O口多，且要不停的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新，所以一般適用于較多的數(shù)據(jù)顯示，而利用串行實(shí)現(xiàn)靜態(tài)顯示則有很多優(yōu)點(diǎn)。第一，它不用時(shí)刻掃描，節(jié)約了處理時(shí)間。第二，節(jié)省I/O口，動(dòng)態(tài)通常要8根線，而串行只要二根線。另外本設(shè)計(jì)之所以采用靜態(tài)顯示還因?yàn)楸鞠到y(tǒng)涉及到電壓等的采樣，為了保證精度而采用靜態(tài)顯示，節(jié)約更多的時(shí)間來采樣。雖然靜態(tài)有這么多的優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)槭谴邪l(fā)送，每一次只能發(fā)送一位，所以速度

36、只有并行的八分之一，但對(duì)于本設(shè)計(jì)的要求及功能完全能滿足了。334報(bào)警電路如圖所示為本系統(tǒng)的報(bào)警電路：本電路采用74HC244作為驅(qū)動(dòng)。74HC244是一個(gè)八路同相驅(qū)動(dòng)器，具有一定的驅(qū)動(dòng)能力，在這里主要是驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管與一只警笛來做為過流過壓等的報(bào)警信號(hào)。只要一出現(xiàn)安全隱患，電路檢查到后發(fā)出相應(yīng)的指令，如上圖所示，有過流信號(hào)，P1.0由低電平變?yōu)楦唠娖?，?jīng)74HC244驅(qū)動(dòng)后使發(fā)光二極管發(fā)光，指示電路因過流而斷電，同時(shí)P1.3由低電平變?yōu)楦唠娖绞咕寻l(fā)出響亮的報(bào)警聲提醒人們線路現(xiàn)以發(fā)生了過流故障，請(qǐng)?zhí)幚?。其它?bào)警類似。334漏電保護(hù)電路如圖為漏電保護(hù)電路的原理圖當(dāng)流經(jīng)火線和零線的電流不等時(shí)，零序

37、電流互感器感應(yīng)出電流，這一個(gè)電流與電壓比較器的閥值相比較，如高于這個(gè)值便輸出一個(gè)高電平，這個(gè)高電平反相后觸發(fā)CPU的中斷，系統(tǒng)進(jìn)入中斷執(zhí)行中斷程序，起到了漏電保護(hù)作用。335執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的保護(hù)最終由執(zhí)行機(jī)構(gòu)來執(zhí)行，執(zhí)行的目的是切斷電源，而執(zhí)行這種操作的電路很多，典型的電路有兩種，如圖一，圖二所示： 圖一如圖一所示，該電路采用傳統(tǒng)的繼電器作為操作部件，它最大的特點(diǎn)是操作簡單，保護(hù)可靠，但是它也有很大的缺點(diǎn)，如若有瞬間過流過壓等，由于繼電器反應(yīng)很慢，待繼電器動(dòng)作后，負(fù)載有可能被燒毀。這樣便沒有達(dá)到真正保護(hù)的目的。為了更好的解決時(shí)間上以及精度方面的問題采用圖二更為合理，電路如下圖所示：圖二所示的電路

38、采用了可控硅電路，從圖中可以看出可控硅為雙向可控硅，雙向可控硅與一般可控硅一樣，非常適用于作交流電路中的無觸點(diǎn)開關(guān)，但與一般可控硅相比，其觸發(fā)電路要簡單得多，使用更方便，因此應(yīng)用很廣泛。雙向可控硅的過零觸發(fā)方式，使可控硅只在交流電壓時(shí)獲得一個(gè)觸發(fā)脈沖而導(dǎo)通，這時(shí)電路內(nèi)的電流將由零逐漸增大。對(duì)導(dǎo)通的雙向可控硅，如果在交流電壓過零時(shí)沒有觸發(fā)則雙向可控硅會(huì)自動(dòng)判斷。因此在過零觸發(fā)方式下的雙向可控硅電路內(nèi)電流的變化不會(huì)發(fā)生大的波動(dòng)，從而有效地消除了一般可控硅內(nèi)電流急劇變化而產(chǎn)生的波形畸變及輻射干擾等弊病。綜上所述本設(shè)計(jì)采用圖二所示電路第四章軟件設(shè)計(jì)41軟件構(gòu)思本系統(tǒng)是基于單片機(jī)的原理而設(shè)計(jì)的因此軟件也

39、是至關(guān)重要的，而軟件其實(shí)也就是一種算法，它要求有很高的實(shí)時(shí)性、可靠性。此外，監(jiān)控單元物理結(jié)構(gòu)體積小，內(nèi)存容量有限，程序編制和數(shù)據(jù)存放都必須精心考慮。與上位機(jī)龐大的系統(tǒng)管理軟件相比，監(jiān)控單元的軟件必須實(shí)時(shí)性強(qiáng)、高效、功能語句簡單、執(zhí)行速度快，且便于管理，因此通常采用高效率程序設(shè)計(jì)語言，如匯編語言和針對(duì)實(shí)時(shí)控制軟件設(shè)計(jì)用的C語言等。兩者相比，匯編語言設(shè)計(jì)的程序高，內(nèi)存空間占有，實(shí)時(shí)性也更高，但程序設(shè)計(jì)者必須十分熟悉所用的處理器結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，程序的編制和閱讀比較困難。在有些設(shè)計(jì)中，也可采用匯編語言和C語言混合編程，以提高編程的速度，但需要有開發(fā)商提供的專用接口軟件。由于本系統(tǒng)只是針對(duì)于家庭中的用電

40、保護(hù)，涉及的內(nèi)容不是很多，程序也相對(duì)簡單，綜合考慮精度、執(zhí)行速度等采用匯編語言。本系統(tǒng)程序基本構(gòu)思是采用模塊化設(shè)計(jì)，分別對(duì)各種報(bào)警信號(hào)進(jìn)行處理，用中斷處理程序?qū)β╇姼`電進(jìn)行監(jiān)控。采集的第一路電壓信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入CPU與設(shè)定值進(jìn)行比較，如果超過280V則由P1口輸出一個(gè)低電平使可控硅截止，起到了過壓保護(hù)，同時(shí)P1口輸出另一個(gè)高電平使指示過壓的二極管點(diǎn)亮，指示過壓。如果低于150V同樣由P1口輸出一個(gè)低電平使可控硅截止，起到了欠壓保護(hù)。同樣有一個(gè)發(fā)光管指示欠壓。如果第一路無問題則將第二路電流信號(hào)送入CPU與設(shè)定值比較，如果高于設(shè)定值，如20安培則由P1口輸出一個(gè)低電平使可控硅截止，起到了過電流保護(hù)

41、。同樣有一個(gè)發(fā)光管指示過過流。如果兩路都無問題則將第一路電壓信號(hào)送往顯示電路顯示。如此循環(huán)檢測是否有情況。在檢測過程中如果有漏電或竊電的情況便響應(yīng)中斷，P1口輸出一個(gè)低電平可控硅截止，起到了漏電或竊電保護(hù)，同樣有一個(gè)光管指示漏電。上述情況如果不解除，不得到解決則電路不供電，從而對(duì)家庭用電起到了保護(hù)。42軟件流程圖43軟件程序ORG 0000HLJMP MIANORG 0013H ; 外部中斷1，漏電處理Ljmp Ldcl ;轉(zhuǎn)漏電處理ORG 0030HMAIN:MOV P1,#80H ;各指示燈置初態(tài)、開主電源 MOV SCON,#00H ;串行發(fā)送設(shè)置MOV IE,#84;允許外部中斷1LO

42、OP:lcall smzh ；數(shù)模轉(zhuǎn)換LCALL DIS；電壓顯示 LCALL ZHQLA；過電壓處理程序 LCALL ZHQLB ； 過電流處理程序 LJMP LOOPSMZH: MOV DPTR,#0FEF8H；數(shù)模轉(zhuǎn)換程序 MOV A,#00H；指向0通道MOVX DPTR,A ;啟動(dòng)電壓轉(zhuǎn)換JBP3.2,$MOV A,DPTR MOV 30H,A MOV DPTR,#0FEF9HMOV A,#01H MOVX DPTR,A ;啟動(dòng)電流轉(zhuǎn)換JB P3.2,$MOVX A,DPTRMOV 31H,ARET DIS:MOV R2,#03 ；顯示子程序MOV R0,#30HMOV A,30H

43、;轉(zhuǎn)換的電壓存值放在30h中MOV B,#100DIV A,BMOV 30H,AMOV A,BMOV B,#10DIV A,BMOV 31H,AMOV 32H,BLOOP:MOV DPTR,#TABLEMOV A,R0 ;先發(fā)送百位MOVC A,A+DPTRMOV SBUF,AJNB TI,$CLR TI INC R0DJNZ R2,#00H,LOOPMOV R0,#30H RETZHQLA: CLR C ；過電壓處理程序 MOV A,#8CH；二伏表示01H SUBB A,30H ;大于280V則C置1 JNCZHFHLCALL DELAY ;延時(shí)1毫秒MOV DPTR,#0FEF8H；指向

44、0通道 MOV A,#00HMOVX DPTR,A ;啟動(dòng)電壓轉(zhuǎn)換，CLR EX0JB P3.2,$MOVX A,DPTRMOV 30H,A MOV A,#8CH ;大于280V轉(zhuǎn)過壓處理CLR C SUBB A,30H ;大于280V則C置1 JNC ZHFH CLR P1.7；關(guān)主電源 SETB P1.1；開過壓指示SETB P1.3;開警笛LCALLWAIT；轉(zhuǎn)等待處理ZHFH: RETZHQLB: CLR C ； 過電流處理程序 MOV A,#C8H ;0.1安培表示01H SUBB A,31H ;大于20A則C置1 JNCZHFHBLCALL DELAY ;延時(shí)1毫秒MOV DPTR,#0FEF9H；指向1通道 MOV A,#01HMOVX DPTR,A ;啟動(dòng)電壓轉(zhuǎn)換，CLR EX0JB P3.2,$MOVX A,DPTRMOV 30H,A MOV A,#C8H ;大于20A轉(zhuǎn)過壓處理CLR C SUBB A,30H ;大于20A則C置