基于PIC單片機的智能型漏電繼電器的設計

漏電繼電器是一種可在被保護線路漏電電流達到設定值后切斷被保護線路供電電源的保護裝置，在電力系統中起著非常重要的作用，是保證供電可靠性的基礎。隨著電子技術和計算機技術的發展，電力系統的繼電保護突破了傳統的數字式保護繼電器，出現了以微處理器為核心的智能保護繼電器[1-2]。本文利用PIC18F6585型單片機設計了一款智能型漏電繼電器，具有自診斷、故障記錄、數據通信等多種功能，為故障分析提供便利，且具有較高的可靠性。

1 PIC系列單片機特點

PIC18F6585是由Microchip公司開發、研制和生產的PIC系列單片機，該系列單片機的技術性能具有以下優點[3]:

(1)哈佛總線結構。PIC系列單片機在架構上采用了與眾不同的哈佛總線結構，在芯片內部將數據總線和指令總線分離，并且采用不同的寬度，便于實現指令提取、流水作業和全部指令的單字節化、單周期化，從而有利于提高CPU執行指令的速度，并能確保數據的安全性。

(2)精簡指令集(RISC)技術。指令系統只有35條指令，容易學習、記憶、理解，也給程序的編寫、閱讀、調試、修改、交流帶來了極大的便利，可謂易學好用。

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

(4)運行速度高。由于采用了哈佛總線結構，指令的讀取和執行采用流水作業方式，使得運行速度大大提高。PIC系列單片機的運行速度遠遠高于其他相同檔次的單片機，在所有8 bit單片機中，PIC系列單片機是目前世界上運算速度最快的品種之一。

(5)功耗極低。其I/O口驅動負載能力較強，每個端口輸入和輸出電流的最大值可達25 mA，可直接驅動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，簡潔、開發方便，可用C語言編程，程序保密性強等特點。

2 繼電器硬件結構與工作原理

(1)硬件結構

漏電繼電器的CPU中采用了PIC18F6585芯片，漏電信號的檢測由零序電流互感器來完成，它可將檢測到的被保護線路的漏電電流轉換成毫伏級的交流電壓信號，再通過信號整流、放大和濾波得到一個直流電壓，配合相應的控制電路來驅動執行回路，以實現切斷保護線路供電電源的控制目的。實現過程是：信號檢測→濾波→二級放大→控制電路→驅動執行回路→切斷被保護線路電源，其硬件結構框圖如圖1所示。

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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具有良好的線性。

②信號處理。影響系統可靠性的因素主要是線路工頻奇數倍諧波電流，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，然后進行交直流變換處理，以確保漏電繼電器的正確動作。

③CPU。這是本裝置的核心部件，PIC18F6585主要包括FLASHROM、RAM、TM2RX、A/D轉換、串行通信等，是整個系統的中央處理單元，系統的取指、判斷、執行都由它完成。其中、A/D轉換器為10 bit轉換器，20 MHz主頻時，其一次轉換時間為16μs；FlashROM、RAM為存儲空間，用來存放程序和數據。

④數碼顯示及操作回路。數碼顯示用來顯示線路漏電流和系統跳閘的延時時間，主要由數碼驅動電路和LED數顯構成，執行回路主要由光電隔離及繼電器驅動電路構成。

⑤串行通信接口電路。采用MAXIM公司的MAX422擴展出串行通信口。

⑥人機接口電路。人機接口電路主要完成保護整定值及系統延時跳閘時間的設定。

⑦電源電路。為單片機系統提供工作電源，其中有一組為隔離電源。

(2)繼電器工作原理

系統開機運行后，系統設置TMR0定時中斷，每2 ms產生一次定時中斷信號，單片機響應這個中斷信號，轉入中斷處理子程序。中斷處理子程序判斷是RB口中斷，還是TMR0中斷，然后分別調用定時中斷A/D處理子程序或鍵盤處理子程序。系統把A/D轉換結果與預定的整定值比較，如果大于整定值，則進行跳閘、事故報警等處理。所有結果都送主程序顯示。

3? 軟件設計

3.1? 軟件設計流程圖

本單片機系統采用20 MHz主頻，每1 ms進行一次定時中斷處理，軟件結構簡單。軟件設計包含主程序、RB口中斷服務子程序、定時中服務子程序、A/D轉換子程序、數據處理子程序、顯示子程序，采用C語言進行設計。

(1)系統主程序。主要完成系統的端口、定時器、A/D轉換器、常量、變量及其他量的初始化工作，同時完成漏電流循環顯示工作。主程序流程圖如圖2所示。

(2)中斷服務子程序。主要根據INTCON寄存器的T0IF位的數據判斷TMR0是否溢出，如溢出則轉入TMR0中斷入口子程序；根據INTCON寄存器的RBIF位的數據判斷RB是否有輸入變化，如變化則轉入鍵盤中斷入口子程序。中斷服務程序流程如圖3所示。

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(3)定時中斷服務子程序及A/D轉換子程序。主要完成A/D轉換任務，1 ms進行1次處理，每回連續6次采樣，采樣結果存入指定內存單元。定時中斷服務子程序流程如圖4所示，A/D轉換子程序流程如圖5所示。

(4)數據處理子程序。主要完成數字濾波，提高系統抗干擾性能，求A/D轉換數據平均值，進行數據比較，確定是否跳閘與報警等。數據處理子程序流程如圖6所示。

(5)鍵盤處理子程序。主要為人機對話提供一個通道，用于設置保護的保護整定值、延時跳閘時間等。

3.2? 程序設計

程序采用C語言設計，下面給出A/D轉換子程序和數據處理子程序中的核心語句[4]。

(1)A/D轉換子程序

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設計的智能繼電器性能遠遠優于傳統的繼電器產品，設計系統以PIC18F6585單片機為核心構成一個實時數據采集系統，可將采集的數據進行實時分析、運算和處理，獲得各種不同的保護特性，易于修改，選擇性和配合性好。集測量、監控和保護于一身，可通過通信接口與計算機聯網構成智能化的監控保護與信息管理系統，具有較高的工業使用價值。