1 引言

對(duì)于電網(wǎng)短路和線路故障檢測(cè)保護(hù)已有不少研究。市面上的電器短路、過載、超壓的保護(hù)器功能單一。容易損壞，沒用提示功能，不夠人性化。但隨人們生活水平的不斷提高。用電設(shè)備也不斷增加，產(chǎn)生了肓目用電現(xiàn)象。這給人們?cè)斐蓸O大的安全隱患。其中危害性最大的用電故障有三種：輸入電壓過高、室內(nèi)線路嚴(yán)重過載、用電器短路。本文設(shè)計(jì)的單片機(jī)AT89C5l用電故障控制系統(tǒng)的目的就是為了防止這三種故障帶來的危害。

2 硬件的組成

單片機(jī)用電故障控制系統(tǒng)的硬件分別是：由降壓變壓器、2個(gè)相瓦串聯(lián)的感應(yīng)線圈、升壓變JK器、電磁開關(guān)、5V穩(wěn)壓電源、超壓過流信號(hào)獲取比較電路、可編程接門擴(kuò)展芯片8255、HD44780字符液晶顯示模塊、ISD2650語(yǔ)音芯片。揚(yáng)聲器和電容電阻等元器件組成，系統(tǒng)使用一片805l為控制芯片?？刂坪吞崾鞠到y(tǒng)的基本電路如圖1所示。

圖1 單片機(jī)用電故障控制系統(tǒng)原理圖

3 工作原理

3.1獲取故障檢測(cè)電壓

由電磁學(xué)理論得，通電導(dǎo)線周嗣有電磁場(chǎng)產(chǎn)生。在供電的電線旁安置兩個(gè)串聯(lián)的電磁感應(yīng)線圈（形狀為矩形）來獲取由導(dǎo)線電流變化產(chǎn)生的信號(hào)電壓。

由文獻(xiàn)中得，感應(yīng)線圈電壓計(jì)算公式為：

其中，μ0為真空磁導(dǎo)率，W為交流電的角頻率，Im為用戶總線的最大額定電流（可變值），N感應(yīng)線圈的總匝數(shù)，l為感應(yīng)線圈的長(zhǎng)。d為感應(yīng)線圈距導(dǎo)線的距離。a為感應(yīng)線圈的寬。

3.2 過載故障保護(hù)電路工作原理

為了提高控制效果和減少感應(yīng)線圈的匝數(shù)。則采用升壓變壓器T1把信號(hào)電壓升高的方法進(jìn)行電壓提升，設(shè)升壓變壓器T1的變比為10/1。當(dāng)用電過載時(shí)。流過進(jìn)戶火線的電流大大增加，由電磁感應(yīng)定律得，感應(yīng)線圈兩端的感應(yīng)電壓大大增加，通過對(duì)這個(gè)感應(yīng)電壓的檢測(cè)就能判斷出當(dāng)前是否出現(xiàn)過載現(xiàn)象，設(shè)這個(gè)信號(hào)電壓達(dá)到V（升壓變壓器的次級(jí)輸出為1.5V）時(shí)開始報(bào)警提示，當(dāng)信號(hào)電壓超過0.159V（升壓變壓器的次級(jí)輸出為1.59V）時(shí)立即跳閘并報(bào)警提示。為了使控制系統(tǒng)獲取過載控制的取樣電壓信號(hào)。采用如圖2所示的電路。

圖2 過載故障信號(hào)電壓傳輸原理網(wǎng)

集成電路TA7666原為錄音電平LED顯示驅(qū)動(dòng)集成電路，內(nèi)部包含5個(gè)電壓比較器，1腳為信號(hào)電壓輸入端，3、4、5、6和7腳為信號(hào)電壓輸出端?，F(xiàn)在采用集成電路TA7666是為了得到5個(gè)不間級(jí)別的信號(hào)電壓值。TA7666內(nèi)部的電壓比較器的基準(zhǔn)電壓是由8051單片機(jī)芯片根據(jù)用戶線的規(guī)格米確定，并通過單片機(jī)芯片的8腳（P17）輸出給TA7666。當(dāng)升壓變壓器輸出的電壓超過1.5V，整流后得大于V的電壓，經(jīng)R14和R15分壓后仍超過lV的電壓，經(jīng)TA7666內(nèi)部電壓比較器比較。3腳由高電變?yōu)榈碗娖剑ǖ碗娖綖?.3v），于是，二極管VD4導(dǎo)通，由R58和R59分壓得約為2V電壓加到805l單片機(jī)的P22IO口上。如果輸出的電壓不斷變高，則TA7666的4，5，6，7腳依次由高電平變?yōu)榈碗娖?。這樣在單片機(jī)的IO 13：P22，P23，P24，P25，和P26依次槍測(cè)到低電平輸入，由8051單片機(jī)芯片內(nèi)部運(yùn)算識(shí)別從P00～P07腳輸出過載信號(hào)，由DO～D07腳輸入到8255擴(kuò)展電路內(nèi)，再由8255內(nèi)部識(shí)別，從存儲(chǔ)器中調(diào)出過載字符顯示信號(hào)，從8255的PA0～PA7腳輸出給HD44780的7～14腳，由HD44780字符顯示模塊顯示出過載，不安全的文字。同時(shí)8255的PB0-PB7腳也輸出過載的信號(hào)，由A0一A7腳輸入到ISD2560內(nèi)部，ISD2560從存儲(chǔ)器中調(diào)出過載，不安全的語(yǔ)音信號(hào)，由ISD2560的14，15腳輸出，于是，揚(yáng)聲器器連續(xù)發(fā)出五句“過載，不安全”的聲音。

當(dāng)過載超過額定5%就開始進(jìn)行安全提示，分五個(gè)級(jí)別提示（每個(gè)級(jí)差為lO%），最高為145%，當(dāng)過載不是很多，只是語(yǔ)音和文字提示，但沒有切斷電源，如果過載非常嚴(yán)重（如145%，此時(shí)集成電路TA7666的7腳高電平變?yōu)榈碗娖健?05l單片機(jī)的控制腳為高電平，VD2導(dǎo)通，保護(hù)儀器不受損壞。電路圖中的芯片的IO口P26腳獲得低電平輸入），由用電保護(hù)電路原理圖3可見，與門電路U8的輸人為低電平，輸出也為低電平，控制管Q1導(dǎo)通，電磁開關(guān)有電流通過而跳閘。

圖3 超壓故障信號(hào)傳輸原理圖

當(dāng)負(fù)載短路時(shí)，電線電流突然升得很大，磁感線圈的感應(yīng)電壓也很高，這會(huì)燒毀家庭用電故障提示器。為了防止這種情況發(fā)生，儀器上設(shè)計(jì)有兩個(gè)保險(xiǎn)絲，同時(shí)儀器上還設(shè)計(jì)有兩個(gè)超壓保護(hù)電路。短路故障發(fā)生時(shí)，TA7666的7腳為低電平，經(jīng)門電路使保護(hù)二極管的控制端為高電平。于是二極管短路導(dǎo)通。確保儀器安全。

負(fù)載短路時(shí)。電線電流變得很大，使磁感線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓升得很高，這時(shí)。磁感線圈獲得的電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.15V，TA7666的3、4、5、6、7腳同時(shí)輸出低電平，控制過程與前述相同，電磁開關(guān)立即切斷電源。保證用電戶電器設(shè)備的安全。3.3 超壓保護(hù)電路工作原理

如果降壓變壓器T2變比為1/50，降壓變壓器T2的次級(jí)繞組兩端電JK設(shè)定安全值為Ur2=5.5 V。兇此輸入用戶的相電壓也就最高不能大于265V，當(dāng)干線電壓過高時(shí)，獲取的信號(hào)電壓超過5.5V。這樣申片機(jī)用電故障語(yǔ)音提示器就不僅僅提示，而且會(huì)使電路跳閘切斷電源。

開始安全提示的最低電壓為250V，超電壓分為四個(gè)級(jí)別，每個(gè)級(jí)差相差5V，最高為265V。電壓在265V以下都只是進(jìn)行安全提示。沒有跳閘斷電。只有在大于或等于265V時(shí)才立即跳閘斷電并安全提爪。工作原理為：

當(dāng)干線電壓過高時(shí)，變壓器T2輸出的電壓超過5V，經(jīng)整流濾波后加至TA7666。使3腳輸出高電平。由PC3輸入8255，8255得劍干線電壓過高信號(hào)。從字符存儲(chǔ)器中調(diào)出原來存儲(chǔ)的電壓過高的寧信息。由PA0～PA7輸出到HD44780字符液晶顯示模塊。于是。HD44780字符液晶顯示模塊開始顯示電壓過高。不安全的語(yǔ)句。同時(shí)，8255也從存儲(chǔ)器中調(diào)出干線電壓過高的語(yǔ)音信息。由PB0.PB7輸出送到ISD2650語(yǔ)音芯片，此時(shí)ISD2650語(yǔ)音芯片驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出5句電壓過高。不安全”的報(bào)警聲音。提示用戶注意用電的安全。但這只足提示，不切斷電。當(dāng)干線電壓超過270V時(shí)，變壓器次級(jí)輸出為5.6V，這時(shí)TA7666的5腳。由原來高電乎變?yōu)榈碗娖?。這時(shí)除字符和語(yǔ)音提示外。同時(shí)?；蜷T電路也輸出切斷電源的控制信號(hào)，由電磁開關(guān)切斷干線電流。

當(dāng)干線電壓由220V變?yōu)?80V時(shí)。變壓器輸出的5V變?yōu)?.5V。TA7666的3、4、5、6、7全為低電平。電磁開關(guān)立即切斷電源以保護(hù)用電設(shè)備。另外，由于TA7666的7腳是高電平。VD2的控制腳為高電平，VD2導(dǎo)通，保護(hù)儀器不受損壞。電路圖中的C1，C2為大電解電容，其作用是當(dāng)干線被切斷后。由于Cl，C2充有電壓。使儀器七的信號(hào)保留一定時(shí)間，即延遲作用。

4 主程序設(shè)計(jì)

主程序設(shè)計(jì)如圖4表示。

圖4 主程序流程圖

5 結(jié)論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室和幾十戶安裝單片機(jī)多功能用電故障提示器試驗(yàn)可知，通過感應(yīng)線圈與變壓器輸出電壓來獲取超壓、過載和短路故障的檢測(cè)電壓。由TA7666電壓比較集成電路把信號(hào)電壓分為5個(gè)級(jí)別，運(yùn)用8051單片機(jī)芯片進(jìn)行電壓PID控制，使用HD44780字符液品顯示模塊和ISD2650語(yǔ)音芯片進(jìn)行文字與語(yǔ)音提示用電故障，并能適時(shí)自動(dòng)跳閘，證明單片機(jī)多功能用電故障控制器具有件能穩(wěn)定、安全、可靠是琿想的用電保護(hù)提示器。能適用于各種低壓用電場(chǎng)合。

論文創(chuàng)新點(diǎn)：用8051單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)多功能用電故障控制器，具有字符提示和語(yǔ)音提示功能，改變廠目前漏電保護(hù)器和過載保護(hù)器功能單一，故障出現(xiàn)時(shí)沒有任何提示等缺點(diǎn)。