基于單片機的漏電保護插座的電路設(shè)計

巢玉江，袁紅兵

CHAO Yu-jiang,YUAN Hong-bing

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

0 引言

隨著社會的發(fā)展，人們在生活中接觸電氣設(shè)備的機會越來越多，電氣安全事故發(fā)生的幾率也越來越大[1]。在家庭用電過程中，由于電氣設(shè)備本身的缺陷、使用不當和安全技術(shù)措施不利而造成的人身觸電和火災(zāi)事故，給人民的生命和財產(chǎn)帶來了不應(yīng)有的損失，綜合國內(nèi)外的漏電保護現(xiàn)狀，迫切需要一種預(yù)防各類事故的發(fā)生，及時切斷電源，保護設(shè)備和人身安全的技術(shù)手段。

對此，本文提出了一種基于STC12C2052AD單片機的漏電保護插座的電路設(shè)計方案。本方案經(jīng)過實驗驗證完全滿足漏電信號的檢測和后續(xù)電路的控制。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

該漏電保護插座的電路系統(tǒng)由單片機系統(tǒng)模塊、漏電信號調(diào)理模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊和驅(qū)動電路模塊四大部分組成。其中單片機采用的是STC12C2052AD系列單片機,該系列帶A/D轉(zhuǎn)換的單片機的A/D轉(zhuǎn)換口在P1口（P1.7-P1.0）,有8路8位高速A/D轉(zhuǎn)換器，速度可達到100KHz(約10萬次/秒)；漏電信號調(diào)理模塊采用運算放大器LM324芯片對互感傳感器產(chǎn)生的漏電信號進行放大；電源轉(zhuǎn)換模塊通過穩(wěn)壓二極管1N4749A和78M05把220V交流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5V直流電源；驅(qū)動電路模塊通過光耦把單片機產(chǎn)生的弱電信號轉(zhuǎn)換成強電控制信號，控制后續(xù)的斷電機構(gòu)進行斷電操作。該電路系統(tǒng)的單片機實時的進行漏電數(shù)據(jù)采集，當采集到的漏電量超過規(guī)定值時單片機產(chǎn)生一個切斷電源的信號。該信號通過光耦把單片機的控制信號轉(zhuǎn)化為強電信號從而控制機械部分執(zhí)行切斷電源的動作。漏電保護插座的電路系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電源轉(zhuǎn)換模塊

由于該保護插座的電路要嵌入到插座的內(nèi)部，所以對電路的體積有了很嚴格的限制。綜合比較了電池供電、普通互感降壓和穩(wěn)壓二極管降壓電路的優(yōu)缺點，本設(shè)計選擇并優(yōu)化了穩(wěn)壓二極管降壓電路。經(jīng)過實驗驗證該電路完全可以把220V的交流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5V直流電源。轉(zhuǎn)換后5V電源的功率完全滿足該電路系統(tǒng)的需要。電源電路的原理圖如圖2所示。直流穩(wěn)壓電源輸出穩(wěn)定性是保證獲得高檢測精度的前提[2～4]。為了實現(xiàn)電源電路的穩(wěn)定輸出，本設(shè)計首先通過Multisim軟件對電源電路模塊進行仿真模擬，其仿真結(jié)果如圖3所示。

圖2 電源轉(zhuǎn)換電路原理圖

圖3 電源轉(zhuǎn)換電路仿真結(jié)果

2.2 漏電信號調(diào)理模塊

由于STC12C2052AD單片機自帶的A/D只能采集0-5V的模擬信號，而根據(jù)霍爾磁式原理做成的互感傳感器產(chǎn)生的信號電壓為毫伏級信號。所以本設(shè)計采用了LM324芯片組成的放大電路對漏電信號進行了放大處理。由于運放放大器芯片的工作電壓為5V，所以放大后的信號不會超過5V，滿足單片機引腳的限壓要求。放大后的信號經(jīng)過R15限流后直接接入單片機的P1.1引腳進行A/D轉(zhuǎn)換。漏電信號調(diào)理模塊的原理圖如圖4所示。

圖4 漏電信號調(diào)理模塊原理圖

2.3 單片機系統(tǒng)模塊和驅(qū)動電路模塊

單片機系統(tǒng)采用STC單片機經(jīng)典的最小外圍系統(tǒng)。其中利用該單片機的P1.1引腳采集漏電信號。當漏電量超過漏電要求時P1.6引腳產(chǎn)生控制信號，該控制信號經(jīng)過光耦轉(zhuǎn)換成控制可控硅的G引腳的信號?？煽毓杩刂坪罄m(xù)相應(yīng)的電路執(zhí)行相應(yīng)的機械動作達到切斷電源的目的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

應(yīng)用軟件主要包括主程序、初始化A/D子程序和A/D中斷服務(wù)子程序三大部分。為了保證實時的采集漏電信號，本系統(tǒng)軟件在時序上采用連續(xù)的采集和比較方式處理的設(shè)計方式。系統(tǒng)上電，A/D初始化完成后就進行數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換。當A/D轉(zhuǎn)換完成后產(chǎn)生A/D中斷，在A/D中斷服務(wù)子程序里進行數(shù)據(jù)處理。如果數(shù)據(jù)小于預(yù)定值，結(jié)束中斷進行下一次的A/D轉(zhuǎn)換。如果A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果大于或等于預(yù)定值則說明漏電量超過了安全標準應(yīng)該把單片機的P1.6拉低。P1.6拉低會控制后續(xù)的電路執(zhí)行相應(yīng)的動作，從而切斷電源。MSC-51系列單片機被廣泛應(yīng)用于儀器儀表、工業(yè)控制、 智能終端等諸多領(lǐng)域。隨著軟件技術(shù)的迅猛發(fā)展，要求單片機系統(tǒng)應(yīng)具有一定的數(shù)據(jù)處理能力。常用的匯編語言難以勝任大數(shù)據(jù)的管理和復雜的數(shù)學運算，而且程序可讀性和可移植性也比較差。 目前 C語言基本上克服了上述缺陷. 使程序大大簡化[5,6]。所以本電路系統(tǒng)的軟件也采用C語言進行書寫。該系統(tǒng)的軟件流程圖如圖5所示。軟件代碼如下：

圖5 系統(tǒng)的軟件流程圖

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于STC12C2052AD單片機的漏電保護插座的電路設(shè)計方案。該方案使用的元器件較少、成本較低低和體積較小，從而易于嵌入到普通墻壁插座的內(nèi)部。經(jīng)實驗驗證該方案達到了漏電保護的準確性和實時性要求。能夠很好的保護家用電器的安全以及人生安全。

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