基于8051单片机的多功能用电故障控制器的实现

1 引言

对于电网短路和线路故障检测保护已有不少研究。市面上的电器短路、过载、超压的保护器功能单一。容易损坏，没用提示功能，不够人性化。但随人们生活水平的不断提高。用电设备也不断增加，产生了肓目用电现象。这给人们造成极大的安全隐患。其中危害性最大的用电故障有三种：输入电压过高、室内线路严重过载、用电器短路。本文设计的单片机AT89C5l用电故障控制系统的目的就是为了防止这三种故障带来的危害。

2 硬件的组成

单片机用电故障控制系统的硬件分别是：由降压变压器、2个相瓦串联的感应线圈、升压变JK器、电磁开关、5V稳压电源、超压过流信号获取比较电路、可编程接门扩展芯片8255、HD44780字符液晶显示模块、ISD2650语音芯片。扬声器和电容电阻等元器件组成，系统使用一片805l为控制芯片。控制和提示系统的基本电路如图1所示。

 

图1 单片机用电故障控制系统原理图

3 工作原理

3.1获取故障检测电压

由电磁学理论得，通电导线周嗣有电磁场产生。在供电的电线旁安置两个串联的电磁感应线圈(形状为矩形)来获取由导线电流变化产生的信号电压。

由文献中得，感应线圈电压计算公式为：

 

其中，μ0为真空磁导率，W为交流电的角频率，Im为用户总线的最大额定电流(可变值)，N感应线圈的总匝数，l为感应线圈的长。d为感应线圈距导线的距离。a为感应线圈的宽。

3.2 过载故障保护电路工作原理

为了提高控制效果和减少感应线圈的匝数。则采用升压变压器T1把信号电压升高的方法进行电压提升，设升压变压器T1的变比为10/1。当用电过载时。流过进户火线的电流大大增加，由电磁感应定律得，感应线圈两端的感应电压大大增加，通过对这个感应电压的检测就能判断出当前是否出现过载现象，设这个信号电压达到V(升压变压器的次级输出为1.5V)时开始报警提示，当信号电压超过0.159V(升压变压器的次级输出为1.59V)时立即跳闸并报警提示。为了使控制系统获取过载控制的取样电压信号。采用如图2所示的电路。

 

图2 过载故障信号电压传输原理网

集成电路TA7666原为录音电平LED显示驱动集成电路，内部包含5个电压比较器，1脚为信号电压输入端，3、4、5、6和7脚为信号电压输出端。现在采用集成电路TA7666是为了得到5个不间级别的信号电压值。TA7666内部的电压比较器的基准电压是由8051单片机芯片根据用户线的规格米确定，并通过单片机芯片的8脚(P17)输出给TA7666。当升压变压器输出的电压超过1.5V，整流后得大于V的电压，经R14和R15分压后仍超过lV的电压，经TA7666内部电压比较器比较。3脚由高电变为低电平(低电平为0.3v)，于是，二极管VD4导通，由R58和R59分压得约为2V电压加到805l单片机的P22IO口上。如果输出的电压不断变高，则TA7666的4，5，6，7脚依次由高电平变为低电平。这样在单片机的IO 13：P22，P23，P24，P25，和P26依次枪测到低电平输入，由8051单片机芯片内部运算识别从P00～P07脚输出过载信号，由DO～D07脚输入到8255扩展电路内，再由8255内部识别，从存储器中调出过载字符显示信号，从8255的PA0～PA7脚输出给HD44780的7～14脚，由HD44780字符显示模块显示出过载，不安全的文字。同时8255的PB0-PB7脚也输出过载的信号，由A0一A7脚输入到ISD2560内部，ISD2560从存储器中调出过载，不安全的语音信号，由ISD2560的14，15脚输出，于是，扬声器器连续发出五句“过载，不安全”的声音。

当过载超过额定5%就开始进行安全提示，分五个级别提示(每个级差为lO%)，最高为145%，当过载不是很多，只是语音和文字提示，但没有切断电源，如果过载非常严重(如145%，此时集成电路TA7666的7脚高电平变为低电平。805l单片机的控制脚为高电平，VD2导通，保护仪器不受损坏。电路图中的芯片的IO口P26脚获得低电平输入)，由用电保护电路原理图3可见，与门电路U8的输人为低电平，输出也为低电平，控制管Q1导通，电磁开关有电流通过而跳闸。

 

图3 超压故障信号传输原理图

当负载短路时，电线电流突然升得很大，磁感线圈的感应电压也很高，这会烧毁家庭用电故障提示器。为了防止这种情况发生，仪器上设计有两个保险丝，同时仪器上还设计有两个超压保护电路。短路故障发生时，TA7666的7脚为低电平，经门电路使保护二极管的控制端为高电平。于是二极管短路导通。确保仪器安全。

负载短路时。电线电流变得很大，使磁感线圈上产生的感应电压升得很高，这时。磁感线圈获得的电压远远大于0.15V，TA7666的3、4、5、6、7脚同时输出低电平，控制过程与前述相同，电磁开关立即切断电源。保证用电户电器设备的安全。

3.3 超压保护电路工作原理

如果降压变压器T2变比为1/50，降压变压器T2的次级绕组两端电JK设定安全值为Ur2=5.5 V。凶此输入用户的相电压也就最高不能大于265V，当干线电压过高时，获取的信号电压超过5.5V。这样申片机用电故障语音提示器就不仅仅提示，而且会使电路跳闸切断电源。

开始安全提示的最低电压为250V，超电压分为四个级别，每个级差相差5V，最高为265V。电压在265V以下都只是进行安全提示。没有跳闸断电。只有在大于或等于265V时才立即跳闸断电并安全提爪。工作原理为：

当干线电压过高时，变压器T2输出的电压超过5V，经整流滤波后加至TA7666。使3脚输出高电平。由PC3输入8255，8255得剑干线电压过高信号。从字符存储器中调出原来存储的电压过高的宁信息。由PA0～PA7输出到HD44780字符液晶显示模块。于是。HD44780字符液晶显示模块开始显示电压过高。不安全的语句。同时，8255也从存储器中调出干线电压过高的语音信息。由PB0.PB7输出送到ISD2650语音芯片，此时ISD2650语音芯片驱动扬声器发出5句电压过高。不安全”的报警声音。提示用户注意用电的安全。但这只足提示，不切断电。当干线电压超过270V时，变压器次级输出为5.6V，这时TA7666的5脚。由原来高电乎变为低电平。这时除字符和语音提示外。同时。或门电路也输出切断电源的控制信号，由电磁开关切断干线电流。

当干线电压由220V变为380V时。变压器输出的5V变为8.5V。TA7666的3、4、5、6、7全为低电平。电磁开关立即切断电源以保护用电设备。另外，由于TA7666的7脚是高电平。VD2的控制脚为高电平，VD2导通，保护仪器不受损坏。电路图中的C1，C2为大电解电容，其作用是当干线被切断后。由于Cl，C2充有电压。使仪器七的信号保留一定时间，即延迟作用。

4 主程序设计

主程序设计如图4表示。

 

图4 主程序流程图

5 结论

根据实验室和几十户安装单片机多功能用电故障提示器试验可知，通过感应线圈与变压器输出电压来获取超压、过载和短路故障的检测电压。由TA7666电压比较集成电路把信号电压分为5个级别，运用8051单片机芯片进行电压PID控制，使用HD44780字符液品显示模块和ISD2650语音芯片进行文字与语音提示用电故障，并能适时自动跳闸，证明单片机多功能用电故障控制器具有件能稳定、安全、可靠是珲想的用电保护提示器。能适用于各种低压用电场合。