基于PIC單片機(jī)的智能型漏電繼電器的設(shè)計(jì)

漏電繼電器是一種可在被保護(hù)線路漏電電流達(dá)到設(shè)定值后切斷被保護(hù)線路供電電源的保護(hù)裝置，在電力系統(tǒng)中起著非常重要的作用，是保證供電可靠性的基礎(chǔ)。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)突破了傳統(tǒng)的數(shù)字式保護(hù)繼電器，出現(xiàn)了以微處理器為核心的智能保護(hù)繼電器[1-2]。本文利用PIC18F6585型單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款智能型漏電繼電器，具有自診斷、故障記錄、數(shù)據(jù)通信等多種功能，為故障分析提供便利，且具有較高的可靠性。

1 PIC系列單片機(jī)特點(diǎn)

PIC18F6585是由Microchip公司開(kāi)發(fā)、研制和生產(chǎn)的PIC系列單片機(jī)，該系列單片機(jī)的技術(shù)性能具有以下優(yōu)點(diǎn)[3]:

(1)哈佛總線結(jié)構(gòu)。PIC系列單片機(jī)在架構(gòu)上采用了與眾不同的哈佛總線結(jié)構(gòu)，在芯片內(nèi)部將數(shù)據(jù)總線和指令總線分離，并且采用不同的寬度，便于實(shí)現(xiàn)指令提取、流水作業(yè)和全部指令的單字節(jié)化、單周期化，從而有利于提高CPU執(zhí)行指令的速度，并能確保數(shù)據(jù)的安全性。

(2)精簡(jiǎn)指令集(RISC)技術(shù)。指令系統(tǒng)只有35條指令，容易學(xué)習(xí)、記憶、理解，也給程序的編寫(xiě)、閱讀、調(diào)試、修改、交流帶來(lái)了極大的便利，可謂易學(xué)好用。

(3)尋址方式簡(jiǎn)單。只有寄存器間接尋址、立即數(shù)尋址、直接尋址和位尋址4種尋址方式，比較容易理解與掌握。

(4)運(yùn)行速度高。由于采用了哈佛總線結(jié)構(gòu)，指令的讀取和執(zhí)行采用流水作業(yè)方式，使得運(yùn)行速度大大提高。PIC系列單片機(jī)的運(yùn)行速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他相同檔次的單片機(jī)，在所有8 bit單片機(jī)中，PIC系列單片機(jī)是目前世界上運(yùn)算速度最快的品種之一。

(5)功耗極低。其I/O口驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力較強(qiáng)，每個(gè)端口輸入和輸出電流的最大值可達(dá)25 mA，可直接驅(qū)動(dòng)LED、光耦或微型繼電器。

(6) PIC18F6585芯片具有ADC、I2C和SPI串行總線端口等，并有外接電路，簡(jiǎn)潔、開(kāi)發(fā)方便，可用C語(yǔ)言編程，程序保密性強(qiáng)等特點(diǎn)。

2 繼電器硬件結(jié)構(gòu)與工作原理

(1)硬件結(jié)構(gòu)

漏電繼電器的CPU中采用了PIC18F6585芯片，漏電信號(hào)的檢測(cè)由零序電流互感器來(lái)完成，它可將檢測(cè)到的被保護(hù)線路的漏電電流轉(zhuǎn)換成毫伏級(jí)的交流電壓信號(hào)，再通過(guò)信號(hào)整流、放大和濾波得到一個(gè)直流電壓，配合相應(yīng)的控制電路來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行回路，以實(shí)現(xiàn)切斷保護(hù)線路供電電源的控制目的。實(shí)現(xiàn)過(guò)程是：信號(hào)檢測(cè)→濾波→二級(jí)放大→控制電路→驅(qū)動(dòng)執(zhí)行回路→切斷被保護(hù)線路電源，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1中各部分功能分別為：

①零序電流互感器回路。本裝置的電流互感器采用高性能的坡莫合金作為鐵芯的磁性材料，以確保電流互感器輸出在一定的范圍內(nèi)具有良好的線性。

②信號(hào)處理。影響系統(tǒng)可靠性的因素主要是線路工頻奇數(shù)倍諧波電流，故本電路采用一組有源低通濾波器，該濾波器主要濾去奇次諧波交流分量，然后進(jìn)行交直流變換處理，以確保漏電繼電器的正確動(dòng)作。

③CPU。這是本裝置的核心部件，PIC18F6585主要包括FLASHROM、RAM、TM2RX、A/D轉(zhuǎn)換、串行通信等，是整個(gè)系統(tǒng)的中央處理單元，系統(tǒng)的取指、判斷、執(zhí)行都由它完成。其中、A/D轉(zhuǎn)換器為10 bit轉(zhuǎn)換器，20 MHz主頻時(shí)，其一次轉(zhuǎn)換時(shí)間為16μs;FlashROM、RAM為存儲(chǔ)空間，用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)。

④數(shù)碼顯示及操作回路。數(shù)碼顯示用來(lái)顯示線路漏電流和系統(tǒng)跳閘的延時(shí)時(shí)間，主要由數(shù)碼驅(qū)動(dòng)電路和LED數(shù)顯構(gòu)成，執(zhí)行回路主要由光電隔離及繼電器驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。

⑤串行通信接口電路。采用MAXIM公司的MAX422擴(kuò)展出串行通信口。

⑥人機(jī)接口電路。人機(jī)接口電路主要完成保護(hù)整定值及系統(tǒng)延時(shí)跳閘時(shí)間的設(shè)定。

⑦電源電路。為單片機(jī)系統(tǒng)提供工作電源，其中有一組為隔離電源。

(2)繼電器工作原理

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)運(yùn)行后，系統(tǒng)設(shè)置TMR0定時(shí)中斷，每2 ms產(chǎn)生一次定時(shí)中斷信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)這個(gè)中斷信號(hào)，轉(zhuǎn)入中斷處理子程序。中斷處理子程序判斷是RB口中斷，還是TMR0中斷，然后分別調(diào)用定時(shí)中斷A/D處理子程序或鍵盤(pán)處理子程序。系統(tǒng)把A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果與預(yù)定的整定值比較，如果大于整定值，則進(jìn)行跳閘、事故報(bào)警等處理。所有結(jié)果都送主程序顯示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)流程圖

本單片機(jī)系統(tǒng)采用20 MHz主頻，每1 ms進(jìn)行一次定時(shí)中斷處理，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。軟件設(shè)計(jì)包含主程序、RB口中斷服務(wù)子程序、定時(shí)中服務(wù)子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、顯示子程序，采用C語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(1)系統(tǒng)主程序。主要完成系統(tǒng)的端口、定時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換器、常量、變量及其他量的初始化工作，同時(shí)完成漏電流循環(huán)顯示工作。主程序流程圖如圖2所示。

(2)中斷服務(wù)子程序。主要根據(jù)INTCON寄存器的T0IF位的數(shù)據(jù)判斷TMR0是否溢出，如溢出則轉(zhuǎn)入TMR0中斷入口子程序;根據(jù)INTCON寄存器的RBIF位的數(shù)據(jù)判斷RB是否有輸入變化，如變化則轉(zhuǎn)入鍵盤(pán)中斷入口子程序。中斷服務(wù)程序流程如圖3所示。

(3)定時(shí)中斷服務(wù)子程序及A/D轉(zhuǎn)換子程序。主要完成A/D轉(zhuǎn)換任務(wù)，1 ms進(jìn)行1次處理，每回連續(xù)6次采樣，采樣結(jié)果存入指定內(nèi)存單元。定時(shí)中斷服務(wù)子程序流程如圖4所示，A/D轉(zhuǎn)換子程序流程如圖5所示。

(4)數(shù)據(jù)處理子程序。主要完成數(shù)字濾波，提高系統(tǒng)抗干擾性能，求A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)平均值，進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，確定是否跳閘與報(bào)警等。數(shù)據(jù)處理子程序流程如圖6所示。

(5)鍵盤(pán)處理子程序。主要為人機(jī)對(duì)話提供一個(gè)通道，用于設(shè)置保護(hù)的保護(hù)整定值、延時(shí)跳閘時(shí)間等。

3.2 程序設(shè)計(jì)

程序采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)，下面給出A/D轉(zhuǎn)換子程序和數(shù)據(jù)處理子程序中的核心語(yǔ)句[4]。

(1)A/D轉(zhuǎn)換子程序

設(shè)計(jì)的智能繼電器性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的繼電器產(chǎn)品，設(shè)計(jì)系統(tǒng)以PIC18F6585單片機(jī)為核心構(gòu)成一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、運(yùn)算和處理，獲得各種不同的保護(hù)特性，易于修改，選擇性和配合性好。集測(cè)量、監(jiān)控和保護(hù)于一身，可通過(guò)通信接口與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成智能化的監(jiān)控保護(hù)與信息管理系統(tǒng)，具有較高的工業(yè)使用價(jià)值。