基于NEC單片機的漏電檢測儀表的原理設計

隨著(zhù)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(wèn)題不可忽視。泄漏電流、絕緣電阻、電氣強度并稱(chēng)為電氣安全性能中的3大電參數。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;也是一個(gè)對人體安全有著(zhù)直接影響的電參數。因為，當電源線(xiàn)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，可能導致人身傷亡。因此，漏電檢測無(wú)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(guò)對漏電的檢測，可以根據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

　　對電力系統回路進(jìn)行漏電檢測的方法有很多，如絕緣監測裝置，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(lái)的對系統檢測到的漏電大小的影響，采取了將零點(diǎn)設計為可以通過(guò)按鍵調整的系統。

　　霍爾磁式平衡檢測的基本原理如圖1所示。觀(guān)察直流系統任一支路, 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(méi)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。而當發(fā)生觸電或漏電事故時(shí), 假設接在正極母線(xiàn)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)反應該差值IR 大小和方向的信號。據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(wú)須向直流系統注入低頻交流信號, 與被測系統沒(méi)有任何電氣聯(lián)系;

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

　　·接地判據為電流, 與系統母線(xiàn)電壓無(wú)關(guān);

　　·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(xiàn)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(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 )嚴重造成電流、電壓放大器及A/D 轉換器的直流偏移, 導致使用以上方法做成的選線(xiàn)裝置零點(diǎn)不斷漂移, 需及時(shí)調節裝置的零點(diǎn)及傳感器特性, 才能保證選線(xiàn)裝置的精度及穩定性, 不僅給現場(chǎng)帶來(lái)極大的麻煩和不便, 而且造成選線(xiàn)裝置的不準。

　　為了解決傳感器的剩磁的問(wèn)題，我們特地設置了一個(gè)零點(diǎn)調整功能，這樣通過(guò)校準之后，就可以消除剩磁所帶來(lái)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(jiǎn)單的硬件濾波后, 進(jìn)行A/D 轉換, 只需對數據進(jìn)行簡(jiǎn)單的數字處理即可滿(mǎn)足系統的要求。

　　系統設計

　　利用NEC單片機實(shí)現霍爾磁平衡原理的漏電檢測的系統設計框圖如圖2所示。傳感器能夠在電路回路中，將流進(jìn)和流出的電流轉換為直流的電壓輸出，這樣的信號再經(jīng)過(guò)放大和預處理后，就可以送到NEC單片機上進(jìn)行A/D轉換，模擬信號轉變?yōu)閿底中盘?。?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/NEC">NEC單片機中，對采集到的信號數據進(jìn)行分析處理，得到漏電電流的大小，并將數據輸出到數碼管顯示，從而根據該數據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)出報警信號等。

　　圖2 漏電檢測系統設計框圖

　　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(gè)4通道的10bit A/D轉換器;內置高精度的環(huán)形振蕩器;低功耗，寬電壓范圍，超高抗干擾;支持在線(xiàn)編程(ISP。

　　漏電信號采集模塊

　　漏電信號的采集是通過(guò)霍爾傳感器實(shí)現的 ，從霍爾傳感器得到的是直流信號，信號經(jīng)過(guò)放大和濾波，即可送到單片機，進(jìn)行A/D轉換處理。

　　參數存儲模塊

　　在系統投入工作前要進(jìn)行參數設置，如產(chǎn)品序列、零點(diǎn)調整、比例系數、代碼修改密碼等參數，系統將這些參數寫(xiě)入到EEPROM中。為了減少讀寫(xiě)EEPROM的次數，在系統開(kāi)機時(shí)將數據從EEPROM中讀出，保存在單片機的RAM中。

　　本系統采用的是具有I2C接口的2kbits容量的EEPROM AT24C02。I2C總線(xiàn)極大地方便了系統的設計，無(wú)須設計總線(xiàn)接口，且有助于縮小系統的PCB面積和復雜度。參數存儲單元電路如圖3所示。

　　圖3 參數存儲電路

　　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(xiàn)，用于I2C總線(xiàn)時(shí)鐘和數據的傳輸操作。