1、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
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2、系统功能介绍
智能断路器是一种结合实时监测、电气保护与状态显示的综合性电力安全设备。本设计以51单片机作为系统核心，结合电压、电流与温度传感器，实现对供电线路状态的全方位监控。当电压、电流或温度出现异常时，系统能立即做出响应，通过继电器等执行器件切断电路，同时提供声光报警提示，保障用电设备与线路的安全。
本系统特别适合家庭、实验室、小型机房及需要实时监控电力安全的场景。其功能以"监测---判断---执行---提示"为主线，确保异常情况能够被及时识别和处理。系统还配置 LCD 显示屏，可实时显示电压、电流、温度等关键参数，让用户清楚掌握当前线路状态。
设计功能如下：
（1）实时监测：通过电压传感器、电流互感器、温度传感器采集对应参数，并传输给51单片机进行实时处理。
（2）过压保护：当电压高于设定上限，系统立即报警并断开断路器，防止高压损坏设备。
（3）欠压保护：电压过低可能导致用电设备异常工作，系统检测到欠压时将提示用户并关闭输出。
（4）过流保护：电流超过安全负载时，系统立即执行断开动作，防止线路过载或烧毁。
（5）温度报警：当内部温度或设备表面温度超过设定值，系统自动报警并执行断电操作，确保安全。
（6）状态显示：LCD 显示屏实时输出电压、电流、温度值，为用户提供完整监测信息。
（7）仿真提示：在 Proteus 仿真中，变压器模型可能因参数问题报错，因此设计中采用简化模型以确保仿真顺利运行。
通过上述功能，系统不仅具备传统断路器的保护作用，还加入了智能监测与自动判断能力，使电力安全控制更加精准和高效。
3、系统电路设计
本系统电路采用模块化结构设计，由电源模块、单片机控制模块、传感器采集模块、LCD 显示模块、执行器件驱动模块以及报警模块组成。各模块相互协作，实现实时监测与保护功能。
3.1 单片机核心控制模块
本系统采用 STC89C52 或 AT89S52 单片机作为控制核心。其主要作用是负责采集三个传感器的数据，进行阈值判断，并通过继电器或 MOSFET 控制断路器执行保护动作。
单片机模块任务如下：
（1）读取电压传感器输出的模拟信号（经A/D转换）进行电压计算；
（2）读取电流互感器或霍尔传感器输出信号，实现过流判断；
（3）读取热敏电阻/数字温度传感器的数据，判断是否过温；
（4）进行数据计算与逻辑判断；
（5）控制LCD显示模块输出信息；
（6）输出控制信号驱动继电器执行断电动作；
（7）在异常情况下触发报警装置。
单片机采用晶振电路产生系统时钟，并配置复位电路保证系统稳定启动。
3.2 电压检测模块
电压检测部分主要通过电压传感器实现，例如：
- 电阻分压+运放隔离电路
- 或专用传感器模块（如ZMPT101B）
该模块将交流电压转换为安全的低压模拟信号并送入单片机的ADC接口。
电压检测模块作用如下：
（1）实时监测输入电压值；
（2）比较电压是否超过"过压上限"或低于"欠压下限"；
（3）向单片机提供稳定无噪声的信号（需要滤波电路）。
电压检测精度关系到系统保护可靠性，因此该模块需加入 RC 滤波与稳压隔离措施。
3.3 电流检测模块
电流检测常采用霍尔电流传感器（如ACS712）或互感器模块，将线路电流转换为模拟信号输入单片机。
模块功能：
（1）实时监测负载电流变化；
（2）判断是否超过设定的过流阈值；
（3）对电机类负载启动电流进行适当延时滤波，避免误断路。
霍尔模块具有隔离性强、线性好、安装方便等优点，非常适用于本类设计。
3.4 温度检测模块
温度检测可采用热敏电阻(NTC)或数字温度传感器（如DS18B20）。
模块主要作用：
（1）实时检测系统环境温度或器件温度；
（2）判断是否超过安全温度上限；
（3）为运行稳定性提供温度依据。
若使用DS18B20，则无需ADC转换，数据精度更高、抗干扰能力更强。
3.5 执行驱动模块（断路器控制）
执行部分通常由继电器或MOS管驱动，以控制负载通断。
模块结构：
（1）单片机输出控制信号 → 驱动三极管/MOS → 驱动继电器 → 断开或接通负载；
（2）继电器为主执行器件，需选择大电流能力型号；
（3）并联反向二极管保护继电器线圈。
执行模块具有高度重要性，其可靠性直接影响保护效果。
3.6 LCD 显示模块
系统采用 LCD1602 或 OLED 显示模块，用于显示：
- 电压值
- 电流值
- 温度值
- 状态提示（正常、过压、欠压、过流、过温等）
显示模块通过 I2C 或并口与单片机连接。
该模块增强了人机交互能力，使系统状态一目了然。
3.7 报警模块
报警模块包括蜂鸣器与LED灯，用于在异常情况下发出强制提示。
特点：
（1）蜂鸣器发出间歇或连续的报警声；
（2）LED闪烁显示异常类型；
（3）与保护动作同步，提高安全性。
4、程序设计
程序结构采用模块化设计，包括主程序、传感器数据采集程序、保护判断程序、显示程序、报警程序与断路执行程序等部分。主程序循环执行监测任务并根据结果调用不同模块。
4.1 主程序设计
void main() {
init_all();
while(1) {
read_voltage();
read_current();
read_temperature();
protect_check();
display_status();
}
}主程序不断循环，实时采集数据与更新系统状态。
4.2 电压检测程序
void read_voltage() {
adc_value = adc_read(0); // 读取电压通道
voltage = adc_value * Vref / 1024 * coeff;
}程序将ADC值转换为实际电压，供保护程序使用。
4.3 电流检测程序
void read_current() {
adc_value = adc_read(1);
current = (adc_value - offset) * scale;
}需要对零点漂移进行校正，并计算实际电流值。
4.4 温度检测程序
void read_temperature() {
temperature = ds18b20_read();
}数字传感器读取过程简洁可靠。
4.5 保护判断程序
void protect_check() {
if(voltage > OVER_VOLTAGE) {
breaker_off();
alarm();
}
if(voltage < UNDER_VOLTAGE) {
breaker_off();
alarm();
}
if(current > OVER_CURRENT) {
breaker_off();
alarm();
}
if(temperature > OVER_TEMP) {
breaker_off();
alarm();
}
}保护程序优先级最高，任何异常均直接断电。
4.6 显示程序
void display_status() {
lcd_set_cursor(0,0);
lcd_print("V:");
lcd_print_num(voltage);
lcd_set_cursor(1,0);
lcd_print("I:");
lcd_print_num(current);
lcd_set_cursor(1,8);
lcd_print("T:");
lcd_print_num(temperature);
}数据显示清晰，让用户一眼掌握线路状态。
4.7 报警程序
void alarm() {
for(int i=0;i<5;i++) {
buzzer_on();
delay_ms(200);
buzzer_off();
delay_ms(200);
}
}报警声具有高辨识度，提醒用户检查线路。
5、总结
本设计通过51单片机构建了一个多参数实时检测、异常条件自动保护的智能断路器系统。系统以电压、电流与温度实时数据作为判断依据，在遇到过压、欠压、过流、过温等危险情况时，能够立即执行断路并报警，有效避免线路故障与设备损坏。同时LCD显示屏的加入增强了监控功能，使用户能够快速了解线路运行状况。整体设计结构清晰、逻辑完整、功能完善，适用于电力安全保护系统的开发与教学实验应用。