基于NEC單片機的漏電檢測儀表的設計

　　引言

　　隨著電子儀器、電子設備的廣泛使用，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個最能確切反映實際工作狀態(tài)的安全電參數(shù);也是一個對人體安全有著直接影響的電參數(shù)。因為，當電源線一端接地，人體觸及電器外殼的情況下，電器泄漏電流會通過人體流人大地，可能導致人身傷亡。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，從而保護電路及人身財產(chǎn)安全。

　　漏電檢測原理

　　對電力系統(tǒng)回路進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。本設計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，采取了將零點設計為可以通過按鍵調(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)支路全部負載后, 返回電源負端的支路電流為IL- , 當該支路沒有接地電流時, IL+ =IL- , 穿過傳感器的電流大小相等, 傳感器無輸出。而當發(fā)生觸電或漏電事故時, 假設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, 傳感器輸出一個反應該差值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。

　　霍爾磁平衡檢測方法具有以下優(yōu)點

　　·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;

　　·接地判據(jù)為電流, 與系統(tǒng)母線電壓無關;

　　·能檢測同一支路正、負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, 當一次測有電流變化或有電流沖擊時, 易發(fā)生剩磁變化, 尤其是傳感無源時, 受電流沖擊后, 剩磁變化更大。這種剩磁變化會嚴重造成電流、電壓放大器及A/D 轉(zhuǎn)換器的直流偏移, 導致使用以上方法做成的選線裝置零點不斷漂移, 需及時調(diào)節(jié)裝置的零點及傳感器特性, 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。

　　為了解決傳感器的剩磁的問題，我們特地設置了一個零點調(diào)整功能，這樣通過校準之后，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, 因為從霍爾傳感器得到的是直流信號, 信號經(jīng)放大和簡單的硬件濾波后, 進行A/D 轉(zhuǎn)換, 只需對數(shù)據(jù)進行簡單的數(shù)字處理即可滿足系統(tǒng)的要求。

　　系統(tǒng)設計

　　利用NEC單片機實現(xiàn)霍爾磁平衡原理的漏電檢測的系統(tǒng)設計框圖如圖2所示。傳感器能夠在電路回路中，將流進和流出的電流轉(zhuǎn)換為直流的電壓輸出，這樣的信號再經(jīng)過放大和預處理后，就可以送到NEC單片機上進行A/D轉(zhuǎn)換，模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。在NEC單片機中，對采集到的信號數(shù)據(jù)進行分析處理，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，如關斷電路，發(fā)出報警信號等。

　　圖2 漏電檢測系統(tǒng)設計框圖

　　UPD78F9234單片機是NEC公司生產(chǎn)的8位ALL-FLASH系列微處理器，該單片機具有優(yōu)越的性能：集成了一個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，進行A/D轉(zhuǎn)換處理。

　　參數(shù)存儲模塊

　　在系統(tǒng)投入工作前要進行參數(shù)設置，如產(chǎn)品序列、零點調(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)開機時將數(shù)據(jù)從EEPROM中讀出，保存在單片機的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)的設計，無須設計總線接口，且有助于縮小系統(tǒng)的PCB面積和復雜度。參數(shù)存儲單元電路如圖3所示。

　　圖3 參數(shù)存儲電路

　　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I/O的連接線，用于I2C總線時鐘和數(shù)據(jù)的傳輸操作。

　　人機接口模塊

　　人機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行參數(shù)設定和實時顯示漏電數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)較好的人機交互。本設計采用在軟件上對輸入進行消抖處理方案，并對按鍵狀態(tài)進行連續(xù)的判斷處理，直到按鍵松開為止，然后才執(zhí)行相應的處理程序。漏電數(shù)據(jù)顯示采用五位七段數(shù)碼管動態(tài)顯示方式，使用74HC595鎖存動態(tài)顯示數(shù)據(jù)。本設計巧妙地將按鍵輸入與動態(tài)顯示數(shù)位選擇端口共用，減少了單片機端口的應用，從而達到系統(tǒng)優(yōu)化及降低產(chǎn)品成本的目的。

　　軟件設計

　　漏電檢測電路的軟件設計流程圖如圖4所示：系統(tǒng)啟動后，立即執(zhí)行系統(tǒng)初始化程序，從EEPROM中讀取設定的參數(shù)，接著將這些數(shù)據(jù)逐個顯示出來，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)軟件設計流程

　　由于有時使用人員要對參數(shù)進行檢驗和修改，在上述流程中，我們插入了按鍵掃描模塊，通過按鍵可以進入到參數(shù)檢驗和修改設置狀態(tài)。

　　結(jié)語

　　隨著單片機技術的發(fā)展，單片機在電氣裝置領域也得到廣泛應用，使各種電氣設備朝著數(shù)字化、智能化的方向發(fā)展?；贜EC單片機UPD78F9234芯片設計的漏電監(jiān)測儀，結(jié)構(gòu)簡單，軟硬件協(xié)調(diào)，功能全面。