1 引言

對于電網(wǎng)短路和線路故障檢測保護已有不少研究。市面上的電器短路、過載、超壓的保護器功能單一。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。用電設備也不斷增加，產(chǎn)生了肓目用電現(xiàn)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：輸入電壓過高、室內(nèi)線路嚴重過載、用電器短路。本文設計的單片機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

單片機用電故障控制系統(tǒng)的硬件分別是：由降壓變壓器、2個相瓦串聯(lián)的感應線圈、升壓變JK器、電磁開關、5V穩(wěn)壓電源、超壓過流信號獲取比較電路、可編程接門擴展芯片8255、HD44780字符液晶顯示模塊、ISD2650語音芯片。揚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獲取故障檢測電壓

由電磁學理論得，通電導線周嗣有電磁場產(chǎn)生。在供電的電線旁安置兩個串聯(lián)的電磁感應線圈(形狀為矩形)來獲取由導線電流變化產(chǎn)生的信號電壓。

由文獻中得，感應線圈電壓計算公式為：

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

3.2 過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圈的匝數(shù)。則采用升壓變壓器T1把信號電壓升高的方法進行電壓提升，設升壓變壓器T1的變比為10/1。當用電過載時。流過進戶火線的電流大大增加，由電磁感應定律得，感應線圈兩端的感應電壓大大增加，通過對這個感應電壓的檢測就能判斷出當前是否出現(xiàn)過載現(xiàn)象，設這個信號電壓達到V(升壓變壓器的次級輸出為1.5V)時開始報警提示，當信號電壓超過0.159V(升壓變壓器的次級輸出為1.59V)時立即跳閘并報警提示。為了使控制系統(tǒng)獲取過載控制的取樣電壓信號。采用如圖2所示的電路。

圖2 過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(qū)動集成電路，內(nèi)部包含5個電壓比較器，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(xiàn)在采用集成電路TA7666是為了得到5個不間級別的信號電壓值。TA7666內(nèi)部的電壓比較器的基準電壓是由8051單片機芯片根據(jù)用戶線的規(guī)格米確定，并通過單片機芯片的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?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(nèi)部運算識別從P00～P07腳輸出過載信號，由DO～D07腳輸入到8255擴展電路內(nèi)，再由8255內(nèi)部識別，從存儲器中調(diào)出過載字符顯示信號，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載，不安全的文字。同時8255的PB0-PB7腳也輸出過載的信號，由A0一A7腳輸入到ISD2560內(nèi)部，ISD2560從存儲器中調(diào)出過載，不安全的語音信號，由ISD2560的14，15腳輸出，于是，揚聲器器連續(xù)發(fā)出五句“過載，不安全”的聲音。

當過載超過額定5%就開始進行安全提示，分五個級別提示(每個級差為lO%)，最高為145%，當過載不是很多，只是語音和文字提示，但沒有切斷電源，如果過載非常嚴重(如145%，此時集成電路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，與門電路U8的輸人為低電平，輸出也為低電平，控制管Q1導通，電磁開關有電流通過而跳閘。

圖3 超壓故障信號傳輸原理圖

當負載短路時，電線電流突然升得很大，磁感線圈的感應電壓也很高，這會燒毀家庭用電故障提示器。為了防止這種情況發(fā)生，儀器上設計有兩個保險絲，同時儀器上還設計有兩個超壓保護電路。短路故障發(fā)生時，TA7666的7腳為低電平，經(jīng)門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。電線電流變得很大，使磁感線圈上產(chǎn)生的感應電壓升得很高，這時。磁感線圈獲得的電壓遠遠大于0.15V，TA7666的3、4、5、6、7腳同時輸出低電平，控制過程與前述相同，電磁開關立即切斷電源。保證用電戶電器設備的安全。

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。兇此輸入用戶的相電壓也就最高不能大于265V，當干線電壓過高時，獲取的信號電壓超過5.5V。這樣申片機用電故障語音提示器就不僅僅提示，而且會使電路跳閘切斷電源。

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

當干線電壓過高時，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。從字符存儲器中調(diào)出原來存儲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。不安全的語句。同時，8255也從存儲器中調(diào)出干線電壓過高的語音信息。由PB0.PB7輸出送到ISD2650語音芯片，此時ISD2650語音芯片驅(qū)動揚聲器發(fā)出5句電壓過高。不安全”的報警聲音。提示用戶注意用電的安全。但這只足提示，不切斷電。當干線電壓超過270V時，變壓器次級輸出為5.6V，這時TA7666的5腳。由原來高電乎變?yōu)榈碗娖?。這時除字符和語音提示外。同時?；蜷T電路也輸出切斷電源的控制信號，由電磁開關切斷干線電流。

當干線電壓由220V變?yōu)?80V時。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，其作用是當干線被切斷后。由于Cl，C2充有電壓。使儀器七的信號保留一定時間，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(jù)實驗室和幾十戶安裝單片機多功能用電故障提示器試驗可知，通過感應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電壓。由TA7666電壓比較集成電路把信號電壓分為5個級別，運用8051單片機芯片進行電壓PID控制，使用HD44780字符液品顯示模塊和ISD2650語音芯片進行文字與語音提示用電故障，并能適時自動跳閘，證明單片機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提示器。能適用于各種低壓用電場合。