用单片机设计电子保险丝的技巧

　　一般的电子保险电路的特性并不符合普通保险丝的熔断特性，普通保险丝为铅锡材料制做，主要指标有额定电流In和熔断时间t，额定电流是指在此电流下连续工作而不熔断的最大电流，熔断时间t是指保险丝流过额定电流的条件下熔断所需要的时间。保险丝的熔断其实质是由于保险丝通过电流所产生的热能造成的，热能E=12RT，R是固定不变的，故I2T是描述保险丝的重要参数，称作熔断系数C，保险丝制成后，其熔断系数也就固定下来，C=I2T，T=C／12，即熔断时间与电流的平方成反比，一般的电子保险电路的熔断时间不能随着电流的变化而变化，如果利用单片机通过以上的公式即可对普通保险丝进行模拟，同时又能具有普通保险丝所没有的功能。

　　一、功能特点

　　1、熔断电流可用按键设定，从0．1A至5A以0．1A步进可调。
　　
　　2、熔断时间分为5档可调：超快速型(FF)、快速型(F)、普通型(M)、慢速型(T)和超慢型(TT)。
　　
　　3、正常工作时，采用三位数码管显示电流的真有效值，电流分辨率10mA。
　　
　　4、电流测量范围：
　　
　　0．01～50A。
　　
　　5、对于普通保险管来说，一般是通过经验观察保险管熔断后的状态，分析电路中的短路情况，而仿真电子保险在熔断后，能显示熔断时电流的峰值，便于分析熔断原因。
　　
　　6、最快动作时间，受继电器动作时间的限制，在5ms左右

　　7、交直流两用。

　　二、工作原理

　　利用单片机仿真保险丝的工作原理图如下图所示。电路由主控制单片机PIC16F876、信号变换电路、信号处理电路和电源等部分组成。
　　
　　a)信号变换电路。R6是电流采样电阻，U2、U3、D1、D2及其周围相关元件组成精密全桥整流电路，U 1是增益调整电路，当电流1 0A时，R5接通，电路增益为5；当电流≥1 0A时，R4接通，电路增益为1。R6上的电压降Vin分为两路，一路经R1接到U3的反相端，另一路经R2接到U2的反相端。当R6两端电压上正下负时，U2的6脚为负，D1截止，D2导通，D2的正极电位VD2+=-Vin*R3／R2=-Vin，U3的6脚输出电压Vout=-(-VD2+*R4／(VR1+R7)+Vjn*R4／R1)，调整VR1，使得R4=2(VRl+R7)，则 Vout=Vin。当R6上的电压为上负下正时，U2的6脚为正，D1导通，D2截止，VD2+=0，则Vout=Vin，这样无论输入电压是正还是负，U3的第6脚电压Vout都等于输入电压Vin的绝对值。当R5接通时，Vout=5Vin，原理同上，请读者自选分析。DZ1～DZ4是为了防止R6断路时，220V电压加到运放输入端。
　　
　　b) 信号处理电路。U3的6脚输出电压接到单片机U4的模拟信号输入端，单片机将输入电压进行换算后，通过数码管显示实时的电流真有效值，当发生熔断时，继电器LS1释放，相当于保险丝熔断，蜂鸣器LS2每隔3秒响一声，数码管显示熔断发生时的峰值电流。R10和EC1的作用是：根据继电器的动作特性，在继电器吸合时，提供一个大的电流，一旦吸合后，只需要小的电流便能维持继电器的吸合，这样既减少了继电器的耗电，又使继电器线圈中储存的磁能减少，加快了继电器的释放速度。

　　c)电源电路。交流15V电源经过BR1、EC4整流滤波，U6稳压为+12V，由EC3、D4、EC6、Z5等相关元件产生-12V电源，给U2和U3供电。

　　根据原理图所制成的PCB板如上图所示，元件布置图如下图所示。

　　三、软件设计要点
　　
　　a)单片机以一个固定周期t对电流进行采样，设t=1mS，在t0时刻，CO=i02*0001，t1时刻，C1=i12*0001，每采样一次，对上次算得结果进行累加，同时还应减去保险丝在空气中的散发的热量S，这样便可用算式Cn-1+Cn-S来描述一个保险丝，当Cn-1+Cn-S≥C时，认为保险丝熔断。保险管系数C查阅相关资料可以得到。S的大小选择应使保险丝在流过小于或等于额定电流情况下不会熔断。
　　
　　b)因为保险丝会通过很大的瞬间电流，所以要求电路的测量范围要大，一般要能测量10倍以上的额定电流值，但测量范围大了又会降低测量精度，对这个项目来说，对电流的测量精度要求并不高，故将分辨率定为10mA，把量程设为两档，在程序中通过U4的第24脚来改变U3的反馈电阻，自动转换量程，满足了测量精度和范围的要求的。
　　
　　c)参考保险丝生产厂家的保险熔断特性曲线，为便于编程，对保险的熔断系数要进行规整。
　　
　　d)超快速保险丝的熔断时间为几个毫秒，程序中每1ms对电压进行一次采样，采样完成后必须立刻对数据进行处理，计算在上一个毫秒中，电流所产生的热能，然后加上累积产生的热能，再减去散发出去的部分。程序中要对浮点进行加、减、乘、除运算，为了能显示真有效值还要开平方，加上显示部分要实时刷新，否则显示会出现闪烁，这对于8位单片机来说负担较重，解决这个问题是成败的关键。为此，采用如下几个方法：
　　
　　1、对开平方程序进行了简化，结合查表法，完成一次开平方的时间最长0.4ms左右
　　
　　2、使用运算速度快的单片机PIC16F876，20MHz时钟下，指令周期02uS。
　　
　　3、使用RTOS实时操作系统sal—vo编程，由RTOS负责各个任务间调度，提高程序执行的效率。
　　
　　实际证明以上方法是有效可行的。
　　
　　四、原件选择及电路调整
　　
　　a)R2和R3精度要求不高，但阻值要尽量相等，R1、R4和R10精度要高。
　　
　　没有精密电阻也可用同一块数字万用表在普通电阻中筛选。VR1是多圈精密电位器，数码管为共阴O5寸，AC220V输入开关应采用带220V电源指示灯的船形开关，其它元件无特殊要求。
　　
　　b)焊接：LED显示板与控制电路板相互垂直，通过导线连接起来。按钮焊在电路板的焊脚面，先焊跳线，再焊元件，U1的第11脚与U4的第24脚之间有一根飞线。
　　
　　c)整个仪器装在一个15×12×4cm的小塑料盒内，非常紧凑，为子防止干扰，在变压器、输出插座和电路板间安装一块铁板，并将铁板与电路板的地相连，可参考图4。
　　
　　d)调试：注意，当电子保险用在220V市电中时，电路板的导电部分会连接到市电部分，这时不得触摸电路板的导电部分!首先，要确保AC220V输入开关处于关闭状态，否则有触电的危险!接触电路电源，这时数码管应显示"000"，用一台可调稳压电源，输出端串联一个5W、1O欧的电阻，输出电源正极接到交、直流输入接线端子负端(黑)，输出电源负极接到交、直流输入接线端子正端(红)，调节稳压电源的输出电压，使输出电流等于05A，调节电位器VR1，使数码管显示为"O50"。将正负极对调，这时数码管仍应显示为"O50"，调试完成。如果偏差过大，说明R1、R4和阻值误差太大，需重新挑选。
　　
　　e)由于受运放特性的限制，当输入电流小60mA时，运放输入电压小于6mV，精密全波整流电路误差会增大，但对于直流电流不会有影响。
　　
　　五、使用方法
　　
　　a)通电后，电子保险的默认设定为：熔断电流1A，保险类型快速型(F)。
　　
　　如要更改设置，按"设定"键，显示"F"按"▲"或"口"键更改保险类型，类型设定好后再按"设定"键，显示"100"，每按一次"▲"或"口"键，电流增加或减小01A，设定完成后再按一次"设定"键，返回到工作状态，这时显示实时流过保险丝的电流值。
　　
　　b)一般有两种使用方法，一是串在与市电隔离的电路中使用，这时一定要关闭AC220V输入开关，将交、直流输入接线端子用插头引出，串在欲保护的回路之中。另一种用法是，把电器设备的电源插头直接插在AC220V输入插座上，然后打开AC220V输入开关，设备得电，此时可对整机设备进行过流保护，而且又能监测整机的工作电流，非常方便。
　　
　　c)当过流发生时，继电器断开，电子保险"熔断"，蜂鸣器会鸣叫，数码管将显示电流的峰值并保持。按复位键，电子保险重新开始工作。