單片機AT89C51用電故障控制系統

　　對于電網(wǎng)短路和線(xiàn)路故障檢測保護已有不少研究。市面上的電器短路、過(guò)載、超壓的保護器功能單一。容易損壞，沒(méi)用提示功能，不夠人性化。但隨人們生活水平的不斷提高。用電設備也不斷增加，產(chǎn)生了肓目用電現象。這給人們造成極大的安全隱患。其中危害性最大的用電故障有三種：輸入電壓過(guò)高、室內線(xiàn)路嚴重過(guò)載、用電器短路。本文設計的單片機AT89C5l用電故障控制系統的目的就是為了防止這三種故障帶來(lái)的危害。

　　2 硬件的組成

　　單片機用電故障控制系統的硬件分別是：由降壓變壓器、2個(gè)相瓦串聯(lián)的感應線(xiàn)圈、升壓變JK器、電磁開(kāi)關(guān)、5V穩壓電源、超壓過(guò)流信號獲取比較電路、可編程接門(mén)擴展芯片8255、HD44780字符液晶顯示模塊、ISD2650語(yǔ)音芯片。揚聲器和電容電阻等元器件組成，系統使用一片805l為控制芯片?？刂坪吞崾鞠到y的基本電路如圖1所示。

　　圖1 單片機用電故障控制系統原理圖

　　3 工作原理

　　3.1獲取故障檢測電壓

　　由電磁學(xué)理論得，通電導線(xiàn)周嗣有電磁場(chǎng)產(chǎn)生。在供電的電線(xiàn)旁安置兩個(gè)串聯(lián)的電磁感應線(xiàn)圈(形狀為矩形)來(lái)獲取由導線(xiàn)電流變化產(chǎn)生的信號電壓。

　　由文獻中得，感應線(xiàn)圈電壓計算公式為：

　　其中，μ0為真空磁導率，W為交流電的角頻率，Im為用戶(hù)總線(xiàn)的最大額定電流(可變值)，N感應線(xiàn)圈的總匝數，l為感應線(xiàn)圈的長(cháng)。d為感應線(xiàn)圈距導線(xiàn)的距離。a為感應線(xiàn)圈的寬。

　　3.2 過(guò)載故障保護電路工作原理

　　為了提高控制效果和減少感應線(xiàn)圈的匝數。則采用升壓變壓器T1把信號電壓升高的方法進(jìn)行電壓提升，設升壓變壓器T1的變比為10/1。當用電過(guò)載時(shí)。流過(guò)進(jìn)戶(hù)火線(xiàn)的電流大大增加，由電磁感應定律得，感應線(xiàn)圈兩端的感應電壓大大增加，通過(guò)對這個(gè)感應電壓的檢測就能判斷出當前是否出現過(guò)載現象，設這個(gè)信號電壓達到V(升壓變壓器的次級輸出為1.5V)時(shí)開(kāi)始報警提示，當信號電壓超過(guò)0.159V(升壓變壓器的次級輸出為1.59V)時(shí)立即跳閘并報警提示。為了使控制系統獲取過(guò)載控制的取樣電壓信號。采用如圖2所示的電路。

　　圖2 過(guò)載故障信號電壓傳輸原理網(wǎng)

　　集成電路TA7666原為錄音電平LED顯示驅動(dòng)集成電路，內部包含5個(gè)電壓比較器，1腳為信號電壓輸入端，3、4、5、6和7腳為信號電壓輸出端?，F在采用集成電路TA7666是為了得到5個(gè)不間級別的信號電壓值。TA7666內部的電壓比較器的基準電壓是由8051單片機芯片根據用戶(hù)線(xiàn)的規格米確定，并通過(guò)單片機芯片的8腳(P17)輸出給TA7666。當升壓變壓器輸出的電壓超過(guò)1.5V，整流后得大于V的電壓，經(jīng)R14和R15分壓后仍超過(guò)lV的電壓，經(jīng)TA7666內部電壓比較器比較。3腳由高電變?yōu)榈碗娖?低電平為0.3v)，于是，二極管VD4導通，由R58和R59分壓得約為2V電壓加到805l單片機的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?。這樣在單片機的IO 13：P22，P23，P24，P25，和P26依次槍測到低電平輸入，由8051單片機芯片內部運算識別從P00～P07腳輸出過(guò)載信號，由DO～D07腳輸入到8255擴展電路內，再由8255內部識別，從存儲器中調出過(guò)載字符顯示信號，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(guò)載，不安全的文字。同時(shí)8255的PB0-PB7腳也輸出過(guò)載的信號，由A0一A7腳輸入到ISD2560內部，ISD2560從存儲器中調出過(guò)載，不安全的語(yǔ)音信號，由ISD2560的14，15腳輸出，于是，揚聲器器連續發(fā)出五句“過(guò)載，不安全”的聲音。

　　當過(guò)載超過(guò)額定5%就開(kāi)始進(jìn)行安全提示，分五個(gè)級別提示(每個(gè)級差為lO%)，最高為145%，當過(guò)載不是很多，只是語(yǔ)音和文字提示，但沒(méi)有切斷電源，如果過(guò)載非常嚴重(如145%，此時(shí)集成電路TA7666的7腳高電平變?yōu)榈碗娖健?05l單片機的控制腳為高電平，VD2導通，保護儀器不受損壞。電路圖中的芯片的IO口P26腳獲得低電平輸入)，由用電保護電路原理圖3可見(jiàn)，與門(mén)電路U8的輸人為低電平，輸出也為低電平，控制管Q1導通，電磁開(kāi)關(guān)有電流通過(guò)而跳閘。

　　圖3 超壓故障信號傳輸原理圖

　　當負載短路時(shí)，電線(xiàn)電流突然升得很大，磁感線(xiàn)圈的感應電壓也很高，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，儀器上設計有兩個(gè)保險絲，同時(shí)儀器上還設計有兩個(gè)超壓保護電路。短路故障發(fā)生時(shí)，TA7666的7腳為低電平，經(jīng)門(mén)電路使保護二極管的控制端為高電平。于是二極管短路導通。確保儀器安全。

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

　　如果降壓變壓器T2變比為1/50，降壓變壓器T2的次級繞組兩端電JK設定安全值為Ur2=5.5 V。兇此輸入用戶(hù)的相電壓也就最高不能大于265V，當干線(xiàn)電壓過(guò)高時(shí)，獲取的信號電壓超過(guò)5.5V。這樣申片機用電故障語(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(kāi)始安全提示的最低電壓為250V，超電壓分為四個(gè)級別，每個(gè)級差相差5V，最高為265V。電壓在265V以下都只是進(jìn)行安全提示。沒(méi)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：

　　當干線(xiàn)電壓過(guò)高時(shí)，變壓器T2輸出的電壓超過(guò)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(xiàn)電壓過(guò)高信號。從字符存儲器中調出原來(lái)存儲的電壓過(guò)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(kāi)始顯示電壓過(guò)高。不安全的語(yǔ)句。同時(shí)，8255也從存儲器中調出干線(xiàn)電壓過(guò)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)音芯片驅動(dòng)揚聲器發(fā)出5句電壓過(guò)高。不安全”的報警聲音。提示用戶(hù)注意用電的安全。但這只足提示，不切斷電。當干線(xiàn)電壓超過(guò)270V時(shí)，變壓器次級輸出為5.6V，這時(shí)TA7666的5腳。由原來(lái)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(mén)電路也輸出切斷電源的控制信號，由電磁開(kāi)關(guān)切斷干線(xiàn)電流。

　　當干線(xiàn)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(kāi)關(guān)立即切斷電源以保護用電設備。另外，由于TA7666的7腳是高電平。VD2的控制腳為高電平，VD2導通，保護儀器不受損壞。電路圖中的C1，C2為大電解電容，其作用是當干線(xiàn)被切斷后。由于Cl，C2充有電壓。使儀器七的信號保留一定時(shí)間，即延遲作用。

　　4 主程序設計

　　主程序設計如圖4表示。

　　圖4 主程序流程圖

　　5 結論

　　根據實(shí)驗室和幾十戶(hù)安裝單片機多功能用電故障提示器試驗可知，通過(guò)感應線(xiàn)圈與變壓器輸出電壓來(lái)獲取超壓、過(guò)載和短路故障的檢測電壓。由TA7666電壓比較集成電路把信號電壓分為5個(gè)級別，運用8051單片機芯片進(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，證明單片機多功能用電故障控制器具有件能穩定、安全、可靠是琿想的用電保護提示器。能適用于各種低壓用電場(chǎng)合。

　　論文創(chuàng )新點(diǎn)：用8051單片機實(shí)現了一個(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(chǎng)目前漏電保護器和過(guò)載保護器功能單一，故障出現時(shí)沒(méi)有任何提示等缺點(diǎn)。