基于51单片机的漏电检测保护装置.

1、基于51单片机的电源漏电检测保护装置硬件设计摘要：本设计采用的是ATEML公司生产的AT89C51单片机为核心来设计智能 电源漏电检测保护装置。本文在分析了漏电检测模块工作原理的基础上，设计出一种基于单片机实时采样漏电信号并可接收上一级控制系统的参数要求，自动检测漏电参数，一旦检测到漏电就能达到实时断电的功能。 在软件方面，采用的是 C语言编程，具有良好的可移植性。关键词：AT89C51单片机；漏电检测；保护；硬件Based On 51 Single-chip Power Leakage Detection andProtection Device Hardware DesignAbstrac

2、t: This design uses the AT89C51 microcontroller as the core the ATEML compa ny to desig n in tellige nt power leakage detecti on protectio n device. In this paper, an alyzed on the basis of the prin ciple of the leakage detect ion module, desig n a microcontroller-based real-time sampling leakage si

3、gnal can be received on the parameters of a control system requirements, automatic detection of leakage parameters, upon detect ion of leakage can achieve real-time power function. On the software side, using the C program ming Ian guage, has good portability.Key words: AT89C51 sin gle-chip; Leakage

4、 detection Protect ion; Hardware1绪论.1.1.1背景、目的及意义 .1.1.1.1接地电阻值应符合设计要求 .11.1.2保护措施.2.1.1.3安装漏电保护器 .21.1.4安装漏电报警系统 .21.1.5实施等电位联结 .21.3研究思路和设计方案 .5.2系统设计.6.2.1系统设计要求 .6.2.2系统研究思路 .6.2.3系统设计图 .6.3系统硬件设计 .8.3.1过零比较器 .8.3.2漏电信号检测 .9.3.3断电保护 .9.3.4报警电路 .1.04元器件功能介绍 .1.14.1 AT89C51 单片机 .1.14.1.1功能特性描述.1.1

5、4.1.2管脚描述 .124.1.3引脚功能 .144.2过零比较器 .1.54.3继电器 .1.54.3.1继电器的工作原理和特性 .154.3.2继电器主要产品技术参数 .164.4稳压电源 .1.65程序设计 .17总结和展望.20参考文献.21致谢.22第1页1绪论漏电保护在电气安全领域属还未完全成熟的技术。最近的几十年来，随着电子技术的发展，快速动作、高灵敏度型漏电保护装置取得了令人满意的进步。美国、日本、德国、法国、英国等国乃至国际电工委员会都先后关于漏电建立和修 订了关于漏电保护装置中不同产品的标准及其关联标准和法规。由于我国的漏电保护装置生产厂家和产品的数量很多， 所以说国家因

6、此制订了国家标准 漏电电 流动作保护器(GB6829-86),这个标准对漏电保护器的特性、分类、结构与性 能要求、试验方法、检验规则、工作条件和安装条件等方面作出了明确的规定。 因此，我们为了提高其性能的稳定性，就需要对漏电的检测级报警保护进行相关 的研究。1.1背景、目的及意义产生漏电的原因有很多，但主要原因可以归为以下几种：配电系统的安装人 员不专业，素质高地不齐，所以很难保证质量，表现在：当在酸碱腐蚀性或潮湿 的环境中，电线直接外露，且未做直接保护的设备进行安装； 设备或电气线路长 时间未检修，使用年限较长或者因超负荷等原因绝缘劣化； 选用不合格的伪劣或 者假冒电气商品；当人员进行安装布

7、线时，锤、钳、刀等的绝缘层损坏后没有处 理；安装不规范，绝缘层的质量有问题和导线的包扎有漏洞；外部因素：腐蚀、 潮湿、水份浸人、挤压等。漏电的防范措施：按照规章制度办事，非电气专业人 员不准从事其工作，平时要多注意检查漏洞。严格执行相关的规定，尽量不用易燃易爆的材料，当电气线路不可避免的经 过可燃物的时候，一定要阻燃硬塑料管或者穿金属管对其进行相关的保护，为防止漏电；采用相关金属管布线的时候，一定不能把绝缘层刮伤。配电装置如配电 箱、开关、插座等装置和易燃物与用电设备要保持较远的的安全距离，但当确实不可分开或者远离的时候，我们就应具体问题具体分析，做好相关的隔热保护措 施，防止意外发生。1.1

8、.1接地电阻值应符合设计要求所用设备的相关的接地电阻尽量不应超过 4Q这个值，但是为了解决某些电 第2页设备的熔体的熔断电流较大、容量也较大的这个问题，我们应并联接地体以充分 减小接地电阻值或者增加接地线截面这两种类似的方法解决，增大漏电短路电 流，这样就对于保护装置的动作产生有利作用。1.1.2保护措施必须通过相关的计算后才能确定保护所接地及保护接零的有效截面积， 并用 用相关的方法对其校正。保证其接线所有相关的端子具有可靠性，保证它们不会 轻易松动，最后我们要经常对其进行检查，及时的发现问题。1.1.3安装漏电保护器现在我国的的配电系统中设置的过流和过零相关的保护装置等措施不能保 证完全的

9、有效性以防止事故的发生，因此，我们应该设置专用的漏电保护器在建 筑物电源的总进线处。但是又为防止一旦一家漏电就导致大面积的停电，所以我们必须在各个用户分别设置自己的漏电保护器， 要求相关的动作额定电流和额定 动作时间应合理配合，让他们具有分级保护的能力。1.1.4安装漏电报警系统在低压电气线路上安装漏电报警就就是一种很好的保护方法。可以通过漏电报警系统，准确地监控电气线路的故障和异常状态，还可以提早预警发现漏电的 隐患，及时报警提醒人员去消除这些隐患， 避免漏电给国家经济和人民生命财产 造成巨大损失，消灭其安全隐患。1.1.5实施等电位联结考虑到漏电保护器对于单相的220V线路只提供相关接触保

10、护，所以还有很 多其他方面的隐患会导致漏电保护装置的失灵，如因接触不良，质量不稳定、机件磨损、寿命较短等相关的原因，所以说不能让它成为一种单独的、 可靠的保护 方式，我们必须实施等电位联结，这样才能才能保证可靠地消除漏电的设备或者 电气线路与金属的器件之间产生电火花和电弧， 消除因为各种漏电电压而引起可 能发生的事故。将保护接零的总线与各个用户里其他管道的线连接的措施称其电 位联结。如总煤气管、总水管、暖通管等一些容易产生电火花的金属管道或设备， 这样我们就能使各个用户的点位均衡，对易燃易爆场所更为重要。第3页伴随着我国经济建设规模的不断扩大， 我国的电量也迅速增长起来，电力事 业也就迅速发展

11、了，所以说安全用电问题也就越来越突出了。 日常生活中，经常 会发生因各种原因而产生的漏电情况，比如说用电设备的漏电、过载或者短路、 低压配置系统线路的漏电甚至接地电流所流过的金属焊缝引而起发热都可能导 致火灾的发生。所以说防止漏电而引起的人身触电，或者因接地故障使供电线路 损毁甚至引起火灾的发生，十分的重要。根据不完全统计的显示，我国每年因触 电而死亡的人数有千人之多，而因漏电引起火灾造成的经济损失更为严重后果， 达到了数亿元人民币。因此，我们要把可以防止漏电火灾及人身触电的漏电保护 器进行广泛的应用。由于漏电保护器主要由电子元件 （或电磁器件）构成,材料、 电子元件、电磁器件、环境、温度、生

12、产工艺、技术要求等都可以影响其特性。我们为了保证漏电保护器在漏电保护反应和触电方面具高灵敏性和有动作 快速性，这是其他自动开关、熔断器等无法吵赶的。因为熔断器和自动开关正常 时要通过一定量的电流，所以说它们的动作保护值要考虑到正常时候的电流量， 因此它们的主要作用是一旦发现漏电可以及时的切断系统电流。而漏电保护器是利用系统的剩余电流反应和动作，正常运行的时候的电流很微小，故它的动作整 定值可以整定得很小，当系统发生漏电时，比如设备外壳带电或人身触电时，出 就会出现较大电流，漏电保护器则通过检测和处理这个较大电流后可靠地动作， 就可以马上切断电源。现国内的漏电保护器型号如表1.1所示。表1.1漏

13、电保护器型号型 号名 称原理极数额定 电压（V）额定 电流（A）额定漏电 动作电流（mA）漏电动 作时间（S）保护功能漏Vi电130milti9 系gi保电子式2240/1100 0.1列断路器C4电磁式341540L护300附件5器4漏Vi1gi电电子式2240/130保100 0.1C6电磁式341563护3003器4DZ漏A C漏电或兼L1电10有漏电与8-自电流动作22202015o c 0.1过载保护20动型（集成30两种，选第4页开 关电路）用时注意YLC1移 动 式 漏 电 保 护 插 座电流动 作型单相2极3极10漏电保护 专用CB Q- A触 电 保 安 器电磁式21630

14、0.1LDB-1漏 电 自 动 开 关电流动 作型351030（漏电不动 作电流15mA0.1DZL1 6漏电开关电磁式261016251530 0.1漏电保护 专用JC漏电开关电磁式2610162530 0.1漏电保护 专用C D BA C D B- B触 电 保 安 器251020 0.11分断能力；C45N型单极为6.0KA , 2、3、4极为4.5KA; C45AD型为6.0KA。2、极限分断能力；有条件短路电流 1500A;尺寸；85mrK 65mrK 42mm；重第5页量；0.2Kg。3、耐短路能力；220V 3000A;尺寸；72mm 76mm 80mm；重量；0.4kg。1.3

15、研究思路和设计方案AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双在系统工作的时候，漏电检测模块工作原理的基础上，设计出一种基于单片 机实时采样漏电信号并可接收上一级控制系统的参数要求，自动检测漏电参数, 一旦检测到漏电就能达到实时断电的功能。设计方案：AT89C51采用+5电源供电，设计要求制作一直流稳压电源，采用220V市电供电，经桥式整流电路送入滤波电路，再经稳压 CW7805输出+5V电压。系统工作时，检测漏电信号。当检测出持续的漏电信号时。输出高电平，使 电路断开，并且是蜂

16、鸣器报警。工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。 空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。t r t t ji_*. , _t 11- r r - Lt tt 人亠亠 t - / / . r. r 0时，Uo为低电平UiP0. 6/(AD6P0. 7/(AD7) H/vpp ALE/PROC F5KNP2. 7/(AI5 P2.6/Q14) P2. 5/(Al 31 P2+4(A12)P2, 3/(A】)P2.2/(A10)P2,1/(A9) P2. 0/(A8)4.1.

17、2管脚描述管脚如图7所示图7 AT89C51管脚图VCC :供电电压GND:接地。P0 口： P0 口为一个8位漏级开路双向I/O 口，每脚可吸收8TTL门电流。 当P1 口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存 储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，P0 口作为原码 输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8位双向I/O 口，P1 口缓冲器能接 收输出4TTL门电流。P1 口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部

18、上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。第13页P2 口： P2 口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P2 口缓冲器可接收， 输出4个TTL门电流，当P2 口被写“ 1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且 作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由 于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进 行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“ 1”时，它利用内部上拉优势， 当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2 口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控

19、制信号。P3 口： P3 口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O 口，可接收输出4个TTL 门电流。当P3 口写入“ 1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输 入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL ）这是由于上拉的缘故。P3 口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如表 4.1所示。表4.1特殊功能接口口管脚备选功能P3.0 RXD串行输入口P3.1 TXD串行输出口P3.2 /INT0外部中断0P3.3 /INT1外部中断1P3.4 T0记时器0外部输入P3.5 T1记时器1外部输入P3.6 /WR外部数据存储器写选通P3.7 /RD外部数据存储器读选通P3 口同

20、时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG :当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址 的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。 然而要注意的是：每当用作外部数据存储器 时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此 时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被 略微拉高。如果微处理器在外部执行

21、状态 ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个 第14页机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信 号将不出现。/EA/VPP :当/EA保持低电平时，则此期间外部程序存储器（OOOOH-FFFFH）， 不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH编程期间，此引脚也 用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1 :反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2 :来自反向振荡器的输出。4.1.3引脚功能1、电源

22、引脚Vcc（ 40脚）：典型值+ 5VVss （20脚）：接低电平。2、外部晶振XI、X2分别与晶体两端相连接。当采用外部时钟信号时，X2接振荡信号,X1接地。3、输入输出口引脚:P0 口 ： I/O双向口。作输入口时，应先软件置“ 1P1 口 ： I/O双向口。作输入口时，应先软件置“ 1P2 口 ： I/O双向口。作输入口时，应先软件置“1P3 口 ： I/O双向口。作输入口时，应先软件置“14、控制引脚:RST/Vpd、ALE/-PROG、-PSEN、-EA/Vpp 组成了 MSC-51 的控制总线RST/Vpd （9 脚）：第一功能复位信号输入端（高电平有效）。第二功能： 加+5V备用

23、电源，可以实现掉电保护RAM言息不丢失。ALE/-PROG（30 脚）:第一功能地址锁存信号输出端 第二功能：编程脉冲输入。第15页-PSEN （29脚）：外部程序存储器读选通信号。-EA/Vpp（31 脚）：第一功能：外部程序存储器使能端。第二功能：编程电压输入端（+21V ）。98C2051外部引脚图：可以 直接拷入ASM程序文件中，作注释 使用，十分方便4.2过零比较器过零比较器是将信号电压ui与参考电压零进行比较。如图i（a所示，电路 由集成运放构成。对于高质量的集成运放而言，其开环电压放大倍数很大，输入 偏置电流、失调电压都很小。若按理想情况（ Aod=无穷大，IBI=0,Uio=0

24、）考虑 时，则集成运放开环工作时 当Ui0时，Uo为低电平Ui0时，Uo为高电平集成 运放输出的高低电平值一般为最大输出正负电压值 Uom。4.3继电器4.3.1继电器的工作原理和特性电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端 加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在 电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹 簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这 样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器

25、的“常开、 常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。 继电器一般有两股 电路，为低压控制电路和高压工作电路。4.3.2继电器主要产品技术参数1、额定工作电压：继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型 第16页号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。2、直流电阻：继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。3、吸合电流：继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工 作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电

26、流而把线圈 烧毁。4、释放电流：继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流 减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于 吸合电流。5、 触点切换电压和电流：继电器允许加载的电压和电流。 它决定了继电器 能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。4.4稳压电源工频交流电源经过变压器降压、整流、滤波后成为一稳定的直流电。图中其 余部分是起电压调节，实现稳压作。用的控制部分。电源接上负载后，通过采样 电路获得输出电压，将此输出电压和基准电压进行比较。 如果输出电压小于基准 电压，则将误差值经过放大电路放大后送入调节器的输入端，通过调

27、节器调节使输出电压增加，直到和基准值相等；如果输出电压大于基准电压，则通过调节器 使输出减小。CW7805是单电压+5V稳压集成块。5程序设计本程序采用C语言编写，而C语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多 种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。 C语言有功能丰富的库函数、运算 速度快、编译效率高、有良好的可移植性，而且可以直接实现对系统硬件的控制。 C语言是一种结构化程序设计语言， 它支持当前程序设计中广泛采用的由顶向下 结构化程序设计技术。此外，C语言程序具有完善的模块程序结构，从而为软件 开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保障。因此，使用C语言进行程序设计已成为软件开发的一个主

28、流。用C语言来编写目标系统软件，会大大缩短开 发周期，且明显地增加软件的可读性，便于改进和扩充，从而研制出规模更大、 性能更完备的系统。流程图如图8所示。图8漏电处理程序流程图第17页第18页具体程序如下所示：#in cludesbit P1A0=P10;sbit P0A0=P00；sbit P0A 1=P01;void delay (un sig ned char u) un sig ned char i,j;for(i=0;i0;j+);void mai n()while(1)if(P10=1)delay(200);if(P10=1)P00=1;P01=1;if(P10=0)第19页del

29、ay(200);if(P10=0)P00=0;P01=0;第20页总结和展望家用电器和仪器设备的漏电指标是一项非常重要的安全性能指标。在家用电器和仪器设备出厂时，如果不检测这项指标会是有很大危险的。 为了保护使用者 的人身安全，电器一定要安装具有漏电保护功能的装置。 基于漏电检测模块工作 原理的基础上，本文在软件部分设计出一种基于单片机实时采样漏电信号并可接 收上一级控制系统的参数要求且自动检测漏电参数，当检测到漏电就可以达到实 时断电的功能。基于单片机的漏电保护系统采用合理的软件设计方案，当发生设备漏电或人身触电时能迅速进行跳闸断电的操作， 避免事故的发生。该系统功耗 小、运行稳定，具有系能好、操作简便和可靠性高的特点，在环境比较恶劣的场 合也适合运行。经过多次实验测试，本系统达到了预期的目的，通过合理设置欠 压、过压、过流及漏电的参数，可以随时检测出用电设备和供电系统的运