以NEC單片機(jī)為核心的漏電監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)

隨著電子儀器、電子設(shè)備的廣泛使用，特別是家用電器的普及，家用電器的用電安全性問(wèn)題不可忽視。泄漏電流、絕緣電阻、電氣強(qiáng)度并稱為電氣安全性能中的3大電參數(shù)。其中泄漏電流，尤其是工作溫度下的泄漏電流是1個(gè)最能確切反映實(shí)際工作狀態(tài)的安全電參數(shù);也是一個(gè)對(duì)人體安全有著直接影響的電參數(shù)。因?yàn)椋?dāng)電源線一端接地，人體觸及電器外殼的情況下，電器泄漏電流會(huì)通過(guò)人體流人大地，可能導(dǎo)致人身傷亡。因此，漏電檢測(cè)無(wú)論是對(duì)家用電器還是對(duì)人的自身安全都具有十分重要的意義，通過(guò)對(duì)漏電的檢測(cè)，可以根據(jù)漏電的情況作出具體的反應(yīng)，從而保護(hù)電路及人身財(cái)產(chǎn)安全。

漏電檢測(cè)原理

對(duì)電力系統(tǒng)回路進(jìn)行漏電檢測(cè)的方法有很多，如絕緣監(jiān)測(cè)裝置，低頻探測(cè)法，變頻探測(cè)法，霍爾磁式平衡等。本設(shè)計(jì)采用了霍爾磁式平衡原理，為克服傳感器的剩磁所帶來(lái)的對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)到的漏電大小的影響，采取了將零點(diǎn)設(shè)計(jì)為可以通過(guò)按鍵調(diào)整的系統(tǒng)。

霍爾磁式平衡檢測(cè)的基本原理如圖1所示。觀察直流系統(tǒng)任一支路， 從電源正端流出的電流IL+ ， 流經(jīng)支路全部負(fù)載后， 返回電源負(fù)端的支路電流為IL- ， 當(dāng)該支路沒有接地電流時(shí)， IL+ =IL- ， 穿過(guò)傳感器的電流大小相等， 傳感器無(wú)輸出。而當(dāng)發(fā)生觸電或漏電事故時(shí)， 假設(shè)接在正極母線上的支路經(jīng)電阻R 接地， 接地電流為IR ， 則IL+=IL- +IR ， 流經(jīng)傳感器的電流大小不等， 傳感器輸出一個(gè)反應(yīng)該差值IR 大小和方向的信號(hào)。據(jù)此可以判斷出接地電阻的大小和接地支路的極性。

圖1 霍爾磁式平衡原理圖

霍爾磁平衡檢測(cè)方法具有以下優(yōu)點(diǎn)

·無(wú)須向直流系統(tǒng)注入低頻交流信號(hào)， 與被測(cè)系統(tǒng)沒有任何電氣聯(lián)系;

·由于傳感器檢測(cè)的是直流接地信號(hào)（IR） ， 因此與系統(tǒng)分布電容無(wú)關(guān);

·接地判據(jù)為電流， 與系統(tǒng)母線電壓無(wú)關(guān);

·能檢測(cè)同一支路正、負(fù)極絕緣同等下降或成比例下降的故障;

·檢測(cè)靈敏度高， 能檢測(cè)到的接地電阻范圍寬， 可在線巡回檢測(cè)。

當(dāng)然這種方法也存在不足之處，：采用磁平衡原理做成的有源傳感器， 當(dāng)一次測(cè)有電流變化或有電流沖擊時(shí)， 易發(fā)生剩磁變化， 尤其是傳感無(wú)源時(shí)， 受電流沖擊后， 剩磁變化更大。這種剩磁變化會(huì)嚴(yán)重造成電流、電壓放大器及A/D 轉(zhuǎn)換器的直流偏移， 導(dǎo)致使用以上方法做成的選線裝置零點(diǎn)不斷漂移， 需及時(shí)調(diào)節(jié)裝置的零點(diǎn)及傳感器特性， 才能保證選線裝置的精度及穩(wěn)定性， 不僅給現(xiàn)場(chǎng)帶來(lái)極大的麻煩和不便， 而且造成選線裝置的不準(zhǔn)。

為了解決傳感器的剩磁的問(wèn)題，我們特地設(shè)置了一個(gè)零點(diǎn)調(diào)整功能，這樣通過(guò)校準(zhǔn)之后，就可以消除剩磁所帶來(lái)的影響。

霍爾磁式平衡檢測(cè)法對(duì)信號(hào)處理的要求不高， 因?yàn)閺幕魻杺鞲衅鞯玫降氖侵绷餍盘?hào)， 信號(hào)經(jīng)放大和簡(jiǎn)單的硬件濾波后， 進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換， 只需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)字處理即可滿足系統(tǒng)的要求。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用NEC單片機(jī)實(shí)現(xiàn)霍爾磁平衡原理的漏電檢測(cè)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。傳感器能夠在電路回路中，將流進(jìn)和流出的電流轉(zhuǎn)換為直流的電壓輸出，這樣的信號(hào)再經(jīng)過(guò)放大和預(yù)處理后，就可以送到NEC單片機(jī)上進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)。在NEC單片機(jī)中，對(duì)采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到漏電電流的大小，并將數(shù)據(jù)輸出到數(shù)碼管顯示，從而根據(jù)該數(shù)據(jù)判斷是否需要對(duì)電路采取某種控制處理，如關(guān)斷電路，發(fā)出報(bào)警信號(hào)等。

圖2 漏電檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

UPD78F9234單片機(jī)是NEC公司生產(chǎn)的8位ALL-FLASH系列微處理器，該單片機(jī)具有優(yōu)越的性能：集成了一個(gè)4通道的10bit A/D轉(zhuǎn)換器;內(nèi)置高精度的環(huán)形振蕩器;低功耗，寬電壓范圍，超高抗干擾;支持在線編程（ISP。

漏電信號(hào)采集模塊

漏電信號(hào)的采集是通過(guò)霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)的 ，從霍爾傳感器得到的是直流信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和濾波，即可送到單片機(jī)，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理。

參數(shù)存儲(chǔ)模塊

在系統(tǒng)投入工作前要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如產(chǎn)品序列、零點(diǎn)調(diào)整、比例系數(shù)、代碼修改密碼等參數(shù)，系統(tǒng)將這些參數(shù)寫入到EEPROM中。為了減少讀寫EEPROM的次數(shù)，在系統(tǒng)開機(jī)時(shí)將數(shù)據(jù)從EEPROM中讀出，保存在單片機(jī)的RAM中。

本系統(tǒng)采用的是具有I2C接口的2kbits容量的EEPROM AT24C02。I2C總線極大地方便了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，無(wú)須設(shè)計(jì)總線接口，且有助于縮小系統(tǒng)的PCB面積和復(fù)雜度。參數(shù)存儲(chǔ)單元電路如圖3所示。

圖3 參數(shù)存儲(chǔ)電路

在圖3中所示的電路中，AT24C02的地址為000，電阻R201和R202起拉高的作用，SCL與SDA為接入單片機(jī)I/O的連接線，用于I2C總線時(shí)鐘和數(shù)據(jù)的傳輸操作。

人機(jī)接口模塊

人機(jī)接口部分采用簡(jiǎn)潔的4鍵輸入控制和五位七段數(shù)碼管顯示。可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和實(shí)時(shí)顯示漏電數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)較好的人機(jī)交互。本設(shè)計(jì)采用在軟件上對(duì)輸入進(jìn)行消抖處理方案，并對(duì)按鍵狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)的判斷處理，直到按鍵松開為止，然后才執(zhí)行相應(yīng)的處理程序。漏電數(shù)據(jù)顯示采用五位七段數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示方式，使用74HC595鎖存動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)巧妙地將按鍵輸入與動(dòng)態(tài)顯示數(shù)位選擇端口共用，減少了單片機(jī)端口的應(yīng)用，從而達(dá)到系統(tǒng)優(yōu)化及降低產(chǎn)品成本的目的。

軟件設(shè)計(jì)

漏電檢測(cè)電路的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示：系統(tǒng)啟動(dòng)后，立即執(zhí)行系統(tǒng)初始化程序，從EEPROM中讀取設(shè)定的參數(shù)，接著將這些數(shù)據(jù)逐個(gè)顯示出來(lái)，可供操作人員核對(duì)。然后開始調(diào)用A/D采樣子程序，獲取10位精度的漏電信號(hào)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理可以得到最終的漏電大小，再將數(shù)據(jù)輸出到數(shù)碼管顯示。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

由于有時(shí)使用人員要對(duì)參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)和修改，在上述流程中，我們插入了按鍵掃描模塊，通過(guò)按鍵可以進(jìn)入到參數(shù)檢驗(yàn)和修改設(shè)置狀態(tài)。

結(jié)語(yǔ)

隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)在電氣裝置領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用，使各種電氣設(shè)備朝著數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展?；贜EC單片機(jī)UPD78F9234芯片設(shè)計(jì)的漏電監(jiān)測(cè)儀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟硬件協(xié)調(diào)，功能全面。