基于NEC單片機(jī)的漏電檢測儀表的設(shè)計(jì)

引言

　　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)通過人體流人大地，可能導(dǎo)致人身傷亡。因此，漏電檢測無論是對家用電器還是對人的自身安全都具有十分重要的意義，通過對漏電的檢測，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。

　　漏電檢測原理

　　對電力系統(tǒng)回路進(jìn)行漏電檢測的方法有很多，如絕緣監(jiān)測裝置，低頻探測法，變頻探測法，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的對系統(tǒng)檢測到的漏電大小的影響，采取了將零點(diǎn)設(shè)計(jì)為可以通過按鍵調(diào)整的系統(tǒng)。

　　霍爾磁式平衡檢測的基本原理如圖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- , 穿過傳感器的電流大小相等, 傳感器無輸出。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。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

　　霍爾磁平衡檢測方法具有以下優(yōu)點(diǎn)

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

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

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

　　·能檢測同一支路正、負(fù)極絕緣同等下降或成比例下降的故障;

　　·檢測靈敏度高, 能檢測到的接地電阻范圍寬, 可在線巡回檢測。

　　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)場帶來極大的麻煩和不便, 而且造成選線裝置的不準(zhǔn)。

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

　　霍爾磁式平衡檢測法對信號處理的要求不高, 因?yàn)閺幕魻杺鞲衅鞯玫降氖侵绷餍盘? 信號經(jīng)放大和簡單的硬件濾波后, 進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換, 只需對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的數(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，這樣的信號再經(jīng)過放大和預(yù)處理后，就可以送到NEC單片機(jī)上進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。在NEC單片機(jī)中，對采集到的信號數(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)判斷是否需要對電路采取某種控制處理，如關(guān)斷電路，發(fā)出報(bào)警信號等。

　　圖2 漏電檢測系統(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。

　　漏電信號采集模塊

　　漏電信號的采集是通過霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)的 ，從霍爾傳感器得到的是直流信號，信號經(jīng)過放大和濾波，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)接口部分采用簡潔的4鍵輸入控制和五位七段數(shù)碼管顯示?？梢赃M(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)采用在軟件上對輸入進(jìn)行消抖處理方案，并對按鍵狀態(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，可供操作人員核對。然后開始調(diào)用A/D采樣子程序，獲取10位精度的漏電信號數(shù)據(jù)，經(jīng)過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

　　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?；?strong>NEC單片機(jī)UPD78F9234芯片設(shè)計(jì)的漏電監(jiān)測儀，結(jié)構(gòu)簡單，軟硬件協(xié)調(diào)，功能全面。