基于ATmega32的漏電保護(hù)器智能化測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

目前，漏電保護(hù)器作為一種新型的低壓保護(hù)電器無(wú)論在城市還是在鄉(xiāng)村安裝使用非常普遍，它工作的可靠性直接影響人身安全。在美國(guó)是政府強(qiáng)制規(guī)定推行的用電安全保護(hù)裝置，并且每?jī)赡瓯仨毟鼡Q。我國(guó)對(duì)漏電保護(hù)器的使用雖然沒(méi)有強(qiáng)制規(guī)定更換的年限，但從用電安全的角度考慮，定期對(duì)漏電保護(hù)器工作性能檢測(cè)是必須要做的。本文介紹了漏電保護(hù)器動(dòng)作特性自動(dòng)測(cè)試儀，可測(cè)量和記錄漏電保護(hù)器的觸頭分?jǐn)鄷r(shí)間、漏電動(dòng)作電流和不動(dòng)作電流，提供了改善漏電保護(hù)器工作性能的重要技術(shù)指標(biāo)，檢測(cè)自動(dòng)化水平高，能檢測(cè)在線與非在線運(yùn)行的漏電保護(hù)器。

1 硬件設(shè)計(jì)方案

反映漏電動(dòng)作性能的主要3個(gè)參數(shù)是：額定漏電動(dòng)作電流(I△n)、漏電動(dòng)作時(shí)間和額定漏電不動(dòng)作電流(I△n0)。

I△n表征漏電動(dòng)作的靈敏度，是漏電保護(hù)器的漏電動(dòng)作電流值。漏電動(dòng)作時(shí)間是指對(duì)漏電保護(hù)器施加漏電動(dòng)作電流到切斷電路為止所需的時(shí)間。I△n0是防止漏電保護(hù)器誤動(dòng)作，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不動(dòng)作的漏電電流值，通常取0.5I△n。

測(cè)試漏電動(dòng)作電流的方法是：從小于0.2I△n開(kāi)始施加測(cè)試電流，在30s內(nèi)線性地增加至I△n，若漏電保護(hù)器斷開(kāi)瞬間的電流值為I△，當(dāng)滿(mǎn)足I△n0n0

圖1 測(cè)試儀構(gòu)成框圖

測(cè)試儀以單片機(jī)ATmega32為核心，擴(kuò)展可編程的漏電電流源、漏電電流的檢測(cè)電路、觸頭狀態(tài)的監(jiān)測(cè)電路、鍵盤(pán)和顯示等外圍設(shè)備。ATmega32是基于增強(qiáng)型AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位微控制器，指令集先進(jìn)，指令執(zhí)行時(shí)間采用單時(shí)鐘周期，速度是普通8051單片機(jī)的8～12倍。工作頻率達(dá)16MHz，片內(nèi)32K字節(jié)Flash程序存儲(chǔ)器、1個(gè)硬件16位定時(shí)器和2個(gè)8位定時(shí)器、4路PWM輸出、8路A/D轉(zhuǎn)換、1個(gè)全雙工異步串行口、32個(gè)通用I/O口。具有低功耗、高速、超強(qiáng)抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，在同類(lèi)產(chǎn)品中具有較高的性?xún)r(jià)比。

1.1 可編程漏電電流源

保證測(cè)量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵是可編程漏電電流源能產(chǎn)生均勻變化的漏電電流，該漏電電流源由50Hz的正弦波發(fā)生器、交流量數(shù)摸轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。

1.1.1 50Hz正弦波發(fā)生器

50Hz的RC正弦波振蕩電路由運(yùn)算放大器組成。穩(wěn)定振蕩信號(hào)的幅度是采用非線性負(fù)反饋，同時(shí)，采用低溫度系數(shù)的電阻與電容元件構(gòu)成RC正弦波振蕩電路的選頻電路，保證振蕩頻率的穩(wěn)定，為了提高帶負(fù)載的能力，正弦波輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓跟隨器輸出。

1.1.2 交流量數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

圖2 交流量數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

交流量數(shù)模轉(zhuǎn)換電路是可編程漏電電流源的核心部分，正弦交流量振幅的大小是通過(guò)改變數(shù)字量來(lái)控制，具有良好的線性度。用DAC08 08構(gòu)成數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，該器件是二進(jìn)制快速乘法式8位D/A芯片。交流量數(shù)模轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。為了保證實(shí)現(xiàn)數(shù)字到正弦交流模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)變，圖中VD是預(yù)置直流偏壓，大小等于50Hz正弦波發(fā)生器輸出信號(hào)的幅值。

根據(jù)圖示電路，可得到如下關(guān)系：

從式(5)可見(jiàn)，當(dāng)電阻R1、R4、R5、R、Rf為定值時(shí)，輸出電流的大小與RL無(wú)關(guān)，僅由數(shù)字量控制。當(dāng)A1、A2、…A8全為“1”時(shí)，調(diào)整電路參數(shù)，使IL=0.5A，當(dāng)A1、A2…A8全為“0”時(shí)，使IL=0A。0～0.5A的電流變化范圍完全滿(mǎn)足我國(guó)目前生產(chǎn)的漏電保護(hù)器的測(cè)試要求。為了提高測(cè)量速度，在保證模擬漏電電流準(zhǔn)確度的條件下，將輸出電流分為50mA、100mA、200mA和500mA四檔，各檔的選擇由ATmega32切換電阻R1的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。在不同的擋位，電流增加的數(shù)值大小是不一樣的。當(dāng)選50mA檔位時(shí)，電流是按照0.196mA(50mA/255)遞增;當(dāng)選擇500mA檔位時(shí)，電流是按照1.96mA(500mA/255)遞增，因此，可完全滿(mǎn)足為漏電保護(hù)器提供線性增加的漏電電流的要求。

1.2 觸頭狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路

觸頭狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路如圖3所示。漏電保護(hù)器動(dòng)、靜觸頭閉合時(shí)，L1與L2的交流電通過(guò)整流、濾波和穩(wěn)壓，使光電耦合器G3導(dǎo)通，反相器A的2腳輸出為高電位。當(dāng)漏電保護(hù)器動(dòng)、靜觸頭分?jǐn)鄷r(shí)，光電耦合器G3截止，反相器A輸出2腳為低電位，作為漏電檢測(cè)結(jié)束的時(shí)刻。在漏電保護(hù)器動(dòng)、靜觸頭閉合時(shí)，光電耦合器G3的電流通過(guò)漏電保護(hù)器的一相動(dòng)、靜觸頭，電流大小為1～2mA，由于是直流，不會(huì)在漏電保護(hù)器中的零序電流互感器的二次側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電流，對(duì)漏電保護(hù)器的漏電動(dòng)作電流沒(méi)有影響。

圖3 觸頭狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路

1.3 控制電路

控制電路如圖4所示。漏電保護(hù)器的漏電電流產(chǎn)生的開(kāi)始信號(hào)通過(guò)程序控制，動(dòng)、靜觸頭斷開(kāi)信號(hào)送入ATmega32的外部中斷輸入端PD2，采用中斷的方式對(duì)漏電保護(hù)器動(dòng)、靜觸頭的分?jǐn)鄷r(shí)間進(jìn)行檢測(cè)。按鍵S1作為測(cè)試功能選擇，用來(lái)選擇測(cè)量漏電電流或漏電動(dòng)作時(shí)間。按鍵S2用來(lái)選擇模擬漏電電流50mA、100mA、200mA和500mA中的某一檔。按鍵S3和S4是在測(cè)量漏電動(dòng)作時(shí)間時(shí)，用來(lái)設(shè)定模擬漏電的電流值，S3控制模擬漏電的電流值增加，S4控制模擬漏電的電流值減少。S5是測(cè)試開(kāi)始/停止控制按鍵。當(dāng)測(cè)量漏電電流時(shí)，設(shè)定好參數(shù)按下S5，ATmega32根據(jù)S2選擇的檔位輸出數(shù)據(jù)，使模擬漏電電流從0增加到最大值，若模擬漏電電流達(dá)到某一電流值時(shí)漏電保護(hù)器動(dòng)作，則該電流值就是實(shí)際漏電動(dòng)作電流值。當(dāng)測(cè)試漏電動(dòng)作時(shí)間時(shí)，設(shè)定好漏電電流參數(shù)后按下S5，ATmega32根據(jù)設(shè)定的電流值直接產(chǎn)生設(shè)定的模擬漏電電流，實(shí)現(xiàn)測(cè)量漏電動(dòng)作時(shí)間。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換及控制電路

2 軟件設(shè)計(jì)方案

基于嵌入式C語(yǔ)言設(shè)計(jì)ATmega32軟件的部分，程序結(jié)構(gòu)采用模塊化。具體包括主程序、儀器初始化子程序、功能控制子程序、可編程漏電電流源子程序、檢測(cè)漏電動(dòng)作時(shí)間子程序和顯示子程序等。

主程序是檢測(cè)漏電保護(hù)器動(dòng)作特性參數(shù)的主控程序，當(dāng)測(cè)試儀工作時(shí)，主程序循環(huán)運(yùn)行，并根據(jù)功能要求調(diào)用相關(guān)子程序，子程序執(zhí)行后返回主程序。儀器初始化子程序?qū)崿F(xiàn)儀器的初始化，內(nèi)容包括儀器參數(shù)、單片機(jī)引腳配置、定時(shí)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換、中斷初始化等。控制功能子程序?qū)崿F(xiàn)按鍵功能的掃描，控制儀器與人之間的交流?？删幊搪╇婋娏髟醋映绦蛴脕?lái)產(chǎn)生測(cè)試用的漏電電流，檢測(cè)漏電保護(hù)器斷開(kāi)瞬間漏電的電流值(I△)。檢測(cè)漏電動(dòng)作時(shí)間子程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)漏電保護(hù)器漏電動(dòng)作時(shí)間的檢測(cè)。顯示子程序?qū)崿F(xiàn)漏電電流和漏電動(dòng)作時(shí)間的顯示。

3 結(jié)論

本測(cè)試儀操作簡(jiǎn)單，解決了手動(dòng)測(cè)試方法存在的測(cè)量不準(zhǔn)確的問(wèn)題，達(dá)到了自動(dòng)測(cè)量的目的，可檢測(cè)在線與非在線運(yùn)行的漏電保護(hù)器，提高了檢測(cè)漏電保護(hù)器性能的水平，為進(jìn)行漏電保護(hù)器工作性能的研究、品質(zhì)檢驗(yàn)及生產(chǎn)調(diào)試提供了技術(shù)手段。儀器設(shè)計(jì)充分利用了ATmega 32內(nèi)置的各種功能，使硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有效提高了儀器的性?xún)r(jià)比，已在多家企業(yè)和科研單位使用，使用結(jié)果表明，儀器工作可靠，達(dá)到預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)。