论文总字数：13967字

摘 要

交流剩余电流采样系统主要用于检测电气线路中剩余电流的状况，实时检测剩余电流的大小，以及超出设定值后报警；同时与上位机通过Modbus协议进行传输数据，对电气线路中的剩余电流实时检测，确保电气线路能够正常运行。

本系统中，根据数据采集器硬件方案，使用ARM芯片stm32f107，采用STM32系统芯片的库函数，采集现场信息，同时通过485总线与上位机通讯，获得交流信号值，对交流信号进行处理得到有效值。当剩余电流超出设定值时，会向上位机发出报警信号，现场工作人员及远程控制室就可以及时知道电气线路中发生故障，以便及时采取措施。

关键词： 单片机 Modbus 剩余电流 同步采样 Keil

Design of AC Residual Current Synchronous Sampling System

Abstract

AC residual current sampling system is mainly used to detect the residual current in the electrical circuit, real-time detection of the size of the residual current, and beyond the set value after the alarm; the same time with the host computer through the Modbus protocol to transmit data on the residual current in the electrical circuit Real-time detection, to ensure that the electrical lines to normal operation.

The system, according to the data acquisition hardware program, the use of ARM chip stm32f103, using STM32 system chip library functions, collecting field information, and through the 485 bus and the host computer communication, access to AC signal values, the AC signal processing to obtain effective value The When the residual current exceeds the set value, the alarm signal will be sent to the host computer, on-site staff and remote control room can be aware of the failure of the electrical circuit in order to take timely measures.

Keywords: Master Machine；Modbus；Residual Current；Synchronous Sampling；Keil

目 录

基于STM32的交流剩余电流同步采样系统设计 I

摘 要 I

Design of AC Residual Current Synchronous Sampling System II

Abstract II

目 录 III

第一章 引言 1

1.1 概述 1

1.2 剩余电流同步采样系统在国内外的发展现状 1

1.2.1 国外技术措施 1

1.2.2 国内研究现状及发展趋势 2

1.3 本文的主要工作 3

第二章 剩余电流同步采样系统的总体结构设计 4

2.1 剩余电流同步采样系统的总体结构 4

2.2 剩余电流同步采样系统的设计原理 4

第三章 剩余电流同步采样系统的硬件电路设计 6

3.1 主芯片模块 6

3.2 电源模块设计 6

3.3 剩余电流采集模块设计 7

3.4 剩余电流频率测量模块设计 7

3.5 报警模块设计 8

3.6 RS458通讯模块设计 9

3.7 印制线路板设计 9

第四章 剩余电流同步采样系统的软件设计 11

4.1 剩余电流同步采样系统软件开发工具简介 11

4.2 剩余电流同步采样系统软件总体结构流程图 11

4.3 脉冲频率测量软件模块设计 12

4.4 AD采集模块软件设计 13

4.5 报警模块软件设计 14

4.6 数据传输软件设计 15

4.6.1 Modbus通许简介 15

4.6.2 错误检测-CRC检测 16

4.6.2 Modbus串口中断处理程序 16

4.6.3 Modbus通讯主程序 17

第五章 剩余电流同步采样系统的调试 19

5.1 电路板电源部分调试 19

5.2 Modbus通讯调试 19

结 语 21

参考文献 22

致 谢 23

附录1：主控板电路图 24

第一章 引言

1.1 概述

随着我们城市自动化水平的不断提高，我们生活中的用电设备也越来越多，工业中的用电设备也越来越多，然而伴随着用电设备的普及，用电不当而引发的事故也越来越多，大部分用电事故的发生首先都是从线路中的电流过大开始的。剩余电流过大，就会使用电线路过热从而引起电气火灾。如果我们可以实时的对我们的用电线路中的剩余电流进行检测，那么我们就可以在剩余电流出现过大时第一时间采取措施，从而减少由于电流过大而引起的用电事故，可见剩余电流的采样系统的研究是很有意义的。据GB 14287. 1- 2005定义，当被保护线路中的被探测参数超过报警设定值时，能发出报警信号、控制信号并能指示报警部位的系统称为电气火灾监控系统（alarm and control system for electric fire prevention），它由电气火灾监控设备、电气火灾监控探测器组成^[3]。剩余电流采样系统实现的主要功是使完成剩余电流值的检测，作出相应的判断，同时可以把数据传递给上位机。其核心是对交流信号的采集处理和数据的通信。

剩余电流(residual current)即通过剩余电流动作保护装置主回路电流的矢量和，一般人们俗称的漏电电流，泄漏电流或过剩电流，在国标《剩余电流动作保护装置安装和运行》（GB 13955-2005）中统一称之为“剩余电流”^[6]。

由于剩余电流引发的火灾首先是从电气线路中开始的，而电气线路一把不会暴露在人们的视野中，所以当电气线路出现故障时人们很难发觉，等到我们可以直接观察到线路事故时，这时的事故通常已经很严重了，很可能已经造成了严重的财产损失。因此，及时的对剩余电流的检测，能有效的遏制电气火灾的发生，是当前电气防火工作的重要任务之一^[7]。

1.2 剩余电流同步采样系统在国内外的发展现状

1.2.1 国外技术措施

发达国家随着自动化水平的提高，对电的使用更是更加频繁，所以他们十分重视对剩余电流的检测。据有关资料报道，日本1978年在其《内线规程》(JEAC8001-1978)第190条明确要求建筑面积在150m²以上的旅馆、饭店、公寓、集体宿舍、家庭公寓、公共住宅、公共浴室等地必须安装能自动报警的剩余电流火灾报警器^[7]。其他发达国家也同样重视对电气线路中的剩余电流进行检测，并且他们的检测技术也一直在不断的进步，适应现场的能力和实时性也越来越好，功能也越来越强大。l EC国际电工委员会1 9 94 1 200—53中5 93．3条明确要求采用两级或三级剩余电流保护装置，防止由于剩余电流引起的电气火灾和人身触电事故^[8]。

生产并出售剩余电流同步采样系统的国家有很多，日本、美国、德国都有专门从事这方面的产业，比如的德国将剩余电流同步采样系统用在办公楼，并实现整栋楼的自动管理，英国将剩余电流采样系统和消防系统结合起来使用，不仅可以及时预防火灾，还可以对火灾作出及时反映。当然还有很多其他剩余电流检测系统的大型生厂商。国外生产的剩余电流采样系统产品通常那个有多个CPU,每一个CPU都有不同的职责,有的CPU将收集来的信息处理然后在液晶显示器上显示，有的CPU负责接收报警信息和发出控制信息。这些CPU大部分都是16位的，除了一些大型的消防联动设备用的是X86的控制板。

1.2.2 国内研究现状及发展趋势

在国内，已经有一些科研单位和企业在研制各种剩余电流监控系统，比如，常熟开关制造有限公司生产的CSJ1电气剩余电流监控系统，此系统由工控计算机和现场剩余电流探测器组成两部分 ，通过现场总线方式传输信息，通过对现场剩余电流探测器的编号可以快速的找到隐患发生的位置。更加先进的是，国内的一些研究企业在原有剩余电流监控主机的基础上加入了以太网传输，这样就可以实时的将监控信息传输到网上，便于有效监控和发出控制信号。

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