智能化多功能安全用電保護器的設(shè)計

摘要：為改善以往漏電保護器對用電保護功能偏少、存在安全隱患的問題，通過對以往的漏電保護器增設(shè)漏電、過載、短路、過壓、欠壓和觸電等用電安全保護功能，并利用霍爾電流傳感器對漏電、過載、短路等用電故障進行數(shù)據(jù)采集，獲得的信號經(jīng)放大，送入AT89C52單片機進行數(shù)據(jù)處理，由ISD2560語音模塊和揚聲器進行語音提示與報警。從而實現(xiàn)智能化多功能安全用電保護的目的。實驗表明，該智能化多功能安全用電保護器具有良好的可靠性、安全性和實用性，值得研究推廣。

關(guān)鍵詞：霍爾電流傳感器；漏電保護器；單片機；語音提示

0 引言

希望用電安全的要求人人有之。特別是大型商場、大型娛樂場所及人員相對集中的地方，安全用電尤為重要。而火災(zāi)發(fā)生時大部分防火卷簾門及自動噴淋設(shè)備未能正常啟動。用電發(fā)生短路造成火災(zāi)的事也不少，如2011年4月25日1時許，北京市大興舊宮鎮(zhèn)一棟四層樓房，由于充電短路發(fā)生火災(zāi)，造成18人死亡，24人受傷的用電火災(zāi)惡性事故。由于以往的漏電保護器（又稱空氣開關(guān)）保護功能不全，為避免商場、娛樂場所及一切用電部門用電安全，必須給漏電保護器改進，使其同時具有漏電保護、過載保護、短路保護、欠壓保護、觸電保護、過壓保護功能。

1 安全用電保護與提示系統(tǒng)

1.1 安全用電保護電路結(jié)構(gòu)

智能化多功能安全用電保護器，是由安全用電保護系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和語音提示報警等四部分構(gòu)成。安全用電保護是由漏電保護、過載保護、短路保護、欠壓保護、觸電保護、過壓保護和霍爾電流傳感器等部件構(gòu)成。電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2 安全用電保護工作原理

為了更好地維護用電戶的經(jīng)濟利益，采用分相安全用電保護，即使某相產(chǎn)生故障，不影響其他相供電。由圖1可知，安全用電保護開關(guān)是在以往的漏電保護器的基礎(chǔ)上改進而成，其工作原理為：當電路或用電器發(fā)生漏電或短路時，流過漏電線圈LN1的電流I1就會比正常值高很多，LN1產(chǎn)生的磁場力足以能夠把銜鐵吸上，同時銜鐵撞擊杠桿，使開關(guān)脫鉤，線路斷電保護。如果發(fā)生觸電，這時人體與大地相通，人體與用電器并聯(lián)入電路中，由于人體電阻比較小，總電阻更小，線路的電流急速增大，互感器感應(yīng)的電流也急速上升，流過漏電保護線圈LN3的電流隨之增大，LN3產(chǎn)生的磁場力足以能夠把銜鐵吸上，同時銜鐵撞擊杠桿，使開關(guān)脫鉤，線路斷電保護。當電路某種特殊原因使相電壓由220 V升高到280 V或380 V時，R3（R1,R2,R3阻值很大）分得的電壓U4將大于三極管VT1的導通電壓，使VT1導通，使過壓保護線圈LN2有電流通過產(chǎn)生磁場力把銜鐵吸上，同時銜鐵撞擊杠桿，使開關(guān)脫鉤，線路斷電保護。電路出現(xiàn)欠壓時，Q3點分到的電壓太小，使U3電壓低于VT2導通之下，使VT2截止，流過欠壓線圈的電流被切斷，欠壓線圈產(chǎn)生的磁場力消失，銜鐵釋放，彈簧拉銜鐵撞擊杠桿，使開關(guān)脫鉤，線路斷電保護。

1.3 電流過載安全保護設(shè)置

電流過載安全保護設(shè)置數(shù)據(jù)表如表1所示。

2 安全用電故障語音提示

2.1 安全用電故障語音提示電路結(jié)構(gòu)

為了提高安全用電的監(jiān)控能力，利用磁平衡霍爾電流傳感器對安全用電進行數(shù)據(jù)采集，獲取電路發(fā)生漏電、過載、短路的故障信號，經(jīng)LM324放大器放大后送入單片機進行數(shù)據(jù)處理，由AT89C52單片機的P2.0端口輸出高電平，使三極管VT3導通，保護線圈LN4通電產(chǎn)生磁場力足以能夠把銜鐵吸上，同時銜鐵撞擊杠桿，使開關(guān)脫鉤，線路斷電保護。同時利用單片機和語音模塊進行故障語音提示，智能保護和語音安全用電故障提示電路結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

2.2 安全用電故障語音提示工作原理

霍爾電流傳感器采集到相電流信號uin,送給LM324放大器放大后，從AT89C52單片機的P1.1端口輸入，由單片機對數(shù)據(jù)進行識別，判斷出相電流是否超出正常值，從而識別出電路是否發(fā)生漏電、過載、短路故障，從單片機的P2.0端口輸出高電平，使VT3三極管的基極獲得高電平導通，線圈LN4通電產(chǎn)生的磁場力把銜鐵吸上，同時銜鐵撞擊杠桿，使開關(guān)脫鉤，線路斷電保護。

為了讓用戶更好地了解用電故障出現(xiàn)的原因，系統(tǒng)設(shè)置了語音提示功能。首先，通過Goldwave、Cooledit等音樂制作軟件，以分段模式錄制數(shù)字0~9、“正常”、“漏電、過載、短路、過壓、欠壓和觸電，危險”和一些安慰與安全設(shè)離等提示信息。然后，將聲音文件通過編程器寫入ISD2560.在系統(tǒng)需要時，AT89C52單片機通過串行接口調(diào)用ISD2560的相應(yīng)信息，輸出到揚聲器，實現(xiàn)語音提示。以下為ISD2560播放指定地址的子程序。

2.3 安全用電故障語音提示控制程序

安全用電故障語音提示控制程序框圖，如圖3所示。

3 比較實驗

為了檢驗該智能化多功能安全用電保護器與傳統(tǒng)的漏電保護器，進行在電路發(fā)生漏電、過載、短路、過壓、欠壓和觸電等用電故障時的實驗，比較斷電響應(yīng)時間及可靠性，語音提示等功能的優(yōu)劣。

實驗時首先把用電進行歸類布線（照明、廚房、電視與電腦）分別控制。再把家庭用電器的名稱、個數(shù)和功率及設(shè)置安全電壓、安全電流值和時間時段分別存入單片機相應(yīng)的存儲單元內(nèi)，為智能控制提供數(shù)據(jù)，用智能語音提示學習；存入到監(jiān)控器的存儲單元內(nèi)。

4 結(jié)語

家居用電遠程監(jiān)控器利用對用電設(shè)備進行分類控制，避免了當某個用電器漏電或短路時其他用電器都不能用電的現(xiàn)象。通過電磁線圈獲取安全用電控制信號，由AT89C52單片機對數(shù)據(jù)處理后，通過RS 232接口電路與GTM900I無線收發(fā)模塊經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)用收發(fā)短信的方法把信息發(fā)送到指定的手機上，同樣手機也可把控制指令發(fā)送到指定的監(jiān)控上，實現(xiàn)家庭用電器的智能化、遠程控制。并且加上時間繼電器、ISD2560語音芯片和揚聲器，不但能實現(xiàn)對可視設(shè)備的遠程管理，而且還能督促小孩學習。實驗表明，該監(jiān)控器具有良好的安全性、可靠性和實用性。該監(jiān)控器具有良好的市場前景，值得推廣應(yīng)用。