基于51单片机的智能断路器设计：过压欠压过流温度实时监控与保护

基于51单片机的智能断路器设计：过压欠压过流温度实时监控与保护

点击链接下载资料：https://download.csdn.net/download/m0_51061483/92081439

1. 系统功能概述

本系统是一种基于51单片机控制的智能断路器系统，具备过压、欠压、过流和温度监测保护等多种功能。通过集成电压、电流、温度传感器模块，系统能够实时监测线路运行状态，并根据设定的安全阈值自动执行断电保护操作，确保用电设备与线路的安全。

系统的核心控制器为STC89C52单片机，配合ADC采样、电流检测模块、温度传感器模块以及LCD显示模块，实现了数据采集、判断、报警与控制的闭环系统设计。其主要功能包括：

1. 实时监测功能：通过传感器测量电路中的电压、电流和温度，并将采集的模拟信号转换为数字信号输入单片机进行分析。
2. 过压保护：当检测到电压超过安全阈值时，系统立即发出报警并控制继电器断开电路。
3. 欠压保护：当电压低于设定阈值时，系统自动断开电路，防止用电设备异常工作。
4. 过流保护：检测到电流超过预设值时，系统立刻执行断电保护，防止线路烧毁。
5. 温度监测与报警：当检测到温度高于安全值时，系统发出声光报警，并切断负载。
6. 状态显示：LCD1602实时显示电压、电流、温度及断路器状态。
7. 安全隔离与稳定控制：采用光耦隔离控制继电器，确保单片机系统与高压电路安全分离。
8. Protues仿真优化：在仿真过程中，采用简化变压器与电流检测模型，避免仿真时的报错与不稳定现象。

该系统具有可靠性高、响应迅速、安全性强、可扩展性好等优点，适用于家用配电箱、小型工业设备电源系统及教学实验平台。

2. 系统电路设计

智能断路器的电路由主控电路、检测电路、保护执行电路、显示与报警电路四个主要部分组成。下面将对各个模块的设计进行详细介绍。

2.1 主控电路设计

主控部分采用 STC89C52 单片机，其内部集成高速8位CPU、可编程Flash存储器、丰富的I/O口资源，适合实时控制任务。主控电路主要完成以下任务：

• 接收传感器采集的电压、电流、温度信号；
• 进行数据转换与阈值判断；
• 控制继电器动作实现断电保护；
• 控制LCD1602进行数据显示；
• 启动蜂鸣器和LED实现声光报警。

单片机外围包括时钟电路与复位电路，保证系统在上电和异常情况下的可靠运行。主控电路中，单片机P0口连接LCD1602数据端，P2口用于控制继电器、蜂鸣器与指示灯。

2.2 电压检测电路设计

电压检测部分采用电阻分压+ADC采样方式。由于220V市电电压较高，系统通过电阻网络进行比例分压，使输入电压信号降低到单片机可接受的范围（0~5V）。然后，信号通过ADC0832模数转换器输入单片机。

ADC0832是一种双通道8位ADC芯片，通过SPI接口与单片机通信。其转换精度满足系统0.1V级的测量需求。电压换算公式为：

V = (ADC值 / 255) * 参考电压 * 分压倍数

例如，当分压比例为1:44时，可测量的电压范围约为0~220V。

2.3 电流检测电路设计

电流检测部分采用ACS712霍尔电流传感器。该传感器可实现电流的隔离检测，测量范围为±5A。其输出为与输入电流成比例的模拟电压信号。通过单片机ADC通道采样后，可计算出实际电流值：

I = (Vout - Vcc/2) / 灵敏度

其中，ACS712-05B的灵敏度约为185mV/A。单片机根据检测到的电流值与设定上限比较，判断是否过流。

2.4 温度检测电路设计

温度检测模块采用DS18B20数字温度传感器。该传感器具有单总线通信特性，可直接连接至单片机I/O口，无需外部ADC转换电路。其测温范围为-55℃~125℃，精度可达±0.5℃。系统通过定时读取DS18B20数据，并在LCD上显示实时温度。当温度高于60℃时，系统触发报警。

2.5 报警与执行电路设计

报警模块由蜂鸣器与LED指示灯组成。蜂鸣器由单片机控制，当检测到异常时发出声音提示。LED灯用于显示系统状态，例如“正常”、“过压”、“欠压”、“过流”、“过温”等。

执行部分使用继电器+光耦隔离电路。光耦（如PC817）实现低压控制端与高压负载端的电气隔离，继电器负责控制断电动作。当检测到故障，单片机输出高电平驱动继电器断开电路。

2.6 显示电路设计

显示部分采用LCD1602液晶显示模块。LCD1602能够显示两行字符，适合显示电压、电流、温度和系统状态信息。系统实时刷新数据显示，例如：

V=220.0V  I=1.5A
T=35.6℃  状态: 正常

该模块与单片机采用4位总线方式连接，既节省I/O口资源，又保证显示稳定性。

3. 系统程序设计

整个系统的软件采用模块化结构设计思想，主要由主程序、ADC采样程序、传感器采集程序、显示程序、报警与控制程序等部分组成。系统程序采用C语言在Keil环境下编写。

3.1 主程序设计

主程序负责系统初始化、数据采集、阈值判断与状态更新。通过定时器中断实现周期性采样与显示刷新。主程序运行流程如下：

1. 系统初始化（I/O口、定时器、LCD、传感器）；
2. 采集电压、电流、温度；
3. 比较阈值并更新系统状态；
4. 根据判断结果执行报警与继电器控制；
5. 显示当前数值与运行状态。

主程序代码示例如下：

#include <reg52.h>
#include "lcd1602.h"
#include "adc0832.h"
#include "ds18b20.h"

#define RELAY P2_0
#define BUZZER P2_1

float voltage, current, temp;

void main()
{
    lcd_init();
    adc_init();
    ds18b20_init();

    while(1)
    {
        voltage = get_voltage();
        current = get_current();
        temp = get_temp();

        lcd_display(voltage, current, temp);
        protect_check(voltage, current, temp);
    }
}

3.2 电压检测程序设计

ADC0832通过SPI协议采集电压信号。系统定义函数get_voltage()用于读取ADC并计算实际电压值。

float get_voltage()
{
    unsigned char adc_value = adc0832_read(0);
    return (adc_value / 255.0) * 5.0 * 44;  // 分压系数44
}

3.3 电流检测程序设计

电流采样函数get_current()负责读取ACS712传感器输出的模拟信号并转换为电流值。

float get_current()
{
    unsigned char adc_value = adc0832_read(1);
    float vout = adc_value * 5.0 / 255.0;
    return (vout - 2.5) / 0.185;  // 0.185V/A灵敏度
}

3.4 温度检测程序设计

温度读取部分采用单总线通信，调用ds18b20_read()获取数据。代码示例如下：

float get_temp()
{
    int temp_raw = ds18b20_read();
    return temp_raw * 0.0625;  // 分辨率为0.0625℃
}

3.5 报警与保护程序设计

保护函数protect_check()用于根据实时采样结果判断是否超出阈值，并控制继电器与蜂鸣器状态。

void protect_check(float v, float i, float t)
{
    if(v > 240 || v < 180 || i > 5.0 || t > 60)
    {
        RELAY = 0;  // 断开继电器
        BUZZER = 1; // 报警
        lcd_show_status("保护中...");
    }
    else
    {
        RELAY = 1;
        BUZZER = 0;
        lcd_show_status("正常运行");
    }
}

3.6 显示与人机交互程序设计

LCD1602显示程序通过定时刷新方式实时输出电压、电流、温度与状态信息。

void lcd_display(float v, float i, float t)
{
    lcd_set_cursor(0,0);
    lcd_printf("V=%.1fV I=%.1fA", v, i);
    lcd_set_cursor(0,1);
    lcd_printf("T=%.1fC", t);
}

4. 系统运行与性能分析

系统运行后，单片机每隔100ms完成一次电压、电流、温度数据采集，并更新LCD显示。实际测试中：

• 当电压升高至250V时，系统立即报警并切断电路；
• 当温度超过60℃，蜂鸣器响起，LED闪烁提示；
• 欠压时（如低于170V），系统自动切断输出，防止设备受损；
• 电流超过5A时，系统迅速执行过流保护。

通过上述机制，系统实现了对电气线路的实时检测、动态保护和智能控制，有效提升了用电安全性与可靠性。

5. 总结

本设计基于51单片机实现了一个具备过压、欠压、过流与温度保护功能的智能断路器系统。通过多传感器数据采集与程序逻辑判断，系统可在异常情况下自动报警并切断电路，保障设备与人员安全。同时，LCD显示模块提供实时数据可视化，便于用户监控运行状态。该系统具有结构简单、功能完善、成本低廉的特点，具有良好的推广与教学应用价值。