用PIC16C711A制作鉴幅鉴相漏电保安器

鉴幅鉴相漏电保安器和脉冲型漏电保安器相比，具有保护灵敏度高的优点。但如何在保证灵敏度高的前提下，提高其动作的可靠性和准确性成为衡量这类产品性能的一个重要指标。本文成功的采用PIC16C711A单片机制作了鉴幅鉴相漏电保安器，经现场运行证明，其灵敏度、可靠性和准确性都令人满意。现就ＣＰＵ的选取原则和工作原理加以阐述，真诚希望精通PIC单片机的朋友予以斧正。
这种保安器主要应用于三相三线或三相四线制低压用电回路中。当线路中有漏电流或者有人触电时，就会在一ＣＴ中感应出一个电压。对这一信号电压不同的处理方法就形成不同的漏电保安器类型。例如，只计算该电压的绝对大小和幅度变化的叫脉冲型漏电保安器；不但计算该电压的绝对大小，而且通过幅度的变化推算出三相电中某一相的漏电流变化值的漏电保安器称为鉴幅鉴相型。当该相中漏电流的变化值大于３０ｍＡ（或者５０ｍＡ）时，漏电保安器应跳闸，断开三相电源。
鉴幅鉴相漏电保安器实际上是测量漏电信号中相邻两个交流信号的矢量差。由于该信息瞬间即逝，所选用的ＣＰＵ的性能就显得至关重要。之所以选用PIC16C711A单片机而不选用51单片机，主要有以下几个原因：
１．因工作电压范围宽，当电网电压波动范围比较大时，ＣＰＵ能正常工作。
２． 低成本：除ＣＰＵ之外，还需Ａ／Ｄ、看门狗电路。选用PIC16C711单片机比选用51单片机的总成本要便宜。
３． 由于PIC单片机的指令系统为单字节，程序“跑飞”的可能性比具有双字节的指令系统要小。
４．体积小，电源供电电路简单，进一步降低了整机的成本。
完整电路如左下图所示，继电器ＪＸ和ＪＤ可实现交流接触器的无声运行。由于被测信号是相邻两个交流信号的矢量差，为了达到测量相位的目的，需建立一个相位基准。本电路以交流工作电源信号的相位为基准，相邻两个交流信号与相位基准的差即为两个相邻交流信号的相位差。图中，Ｕ１Ｂ将相位基准信号变为方波信号；Ｕ１Ａ将被测信号变为方波信号，两方波信号分别接到ＣＰＵ的ＲＢ６和ＲＢ７引脚，利用ＰＩＣ单片机的“电平变化中断”和“定时中断”测出两个相邻交流信号的相位差。线路漏电流经插头Ｐ５接进来，Ｕ１Ｃ实现小信号半波精密整流，Ｕ１Ｄ实现直流放大。这样，电容Ｃ６上的直流电压将与线路漏电流成正比。PIC16C711单片机通过其内部的Ａ／Ｄ转换测知线路漏电流的大小。当线路漏电流大于３００ｍＡ时，通过继电器切断外部的交流接触器。根据相位差和线路漏电流的大小，通过数字矢量运算，得出单相漏电流的变化值。当该变化值大于５０ｍＡ时，表示有人正在触电，须立即断开外部的交流接触器。延时２０秒后，保安器自动合上外部的交流接触器，实现线路复送。
下面就软件的一些细节加以阐述：
１．系统初始化
系统初始化包括单片机的Ｉ／Ｏ口、Ａ／Ｄ、定时器及中断的设置。在初始化程序中不允许Ａ／Ｄ转换，而是在ＰＯＲＴＢ的“电平变化中断”中使能Ａ／Ｄ中断，这样做的目的是提高产品的抗干扰能力和Ａ／Ｄ转换的精度。该软件是在ＭＰＬＡＢ软件包环境下编辑和调试的，该软件包要求符号单独占一行，且符号后不能带冒号。
２．电平变化中断
在PIC16C711A单片机的ＰＯＲＴＢ中，当ＲＢ４～ＲＢ７设置为输入方式时有一个重要特性。这４条口线上的电平发生变化时，可引起ＣＰＵ中断，这就是电平变化中断。利用这一特性，可测出两个相邻交流信号的相位差。例如，当交流电源信号过零时，Ｕ１Ｂ输出的方波信号电平将发生变化，引起电平变化中断。在此中断服务子程序中，将记录此电平发生变化的时刻。同理，中断服务子程序也记录线路漏电流信号过零的时刻，两个记录时刻的差值即为线路漏电流信号的相对相位。
３．Ａ／Ｄ转换
Ｕ１Ｂ输出的方波信号电平的正向变化还有一个重要作用——启动Ａ／Ｄ转换。这样在每个周波的固定时刻对电容Ｃ６上的电压进行测量，达到了锁相测量的目的。既减轻了对整流滤波电路的要求，又克服了电网频率波动对测量的影响。
图中，四个ＬＥＤ分别用以指示电源、漏电保护、触电保护和正常工作指示，Ｓ１为触发试验按钮，Ｓ２为漏电试验按钮，通过以上几个方面的阐述，可以看出该线路充分利用了PIC16C711单片机的内部资源，以较少的外部元器件实现了鉴幅鉴相功能。