基于STC90C58的單相供電線路漏電流發(fā)生器設(shè)計

謝力揚，關(guān)旭俊，石奇峰，趙 鋒

（1.國網(wǎng)長治縣供電公司，山西 長治 047100；2.國網(wǎng)屯留縣供電公司，山西 屯留 046100）

0 引言

漏電保安器對于安全用電至關(guān)重要，它可以有效地防止人員因漏電或誤碰帶電體而導(dǎo)致的電擊傷害事故。國家電網(wǎng)農(nóng)電工作部要求漏電保安器的投入率要達(dá)到100%，近來對部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)漏電保安器投入率的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，被調(diào)查鄉(xiāng)鎮(zhèn)漏電保安器投入率遠(yuǎn)低于要求。其原因之一是用戶的漏電保安器損壞或性能下降，當(dāng)出現(xiàn)誤動現(xiàn)象或相線接地故障時，用戶為了用電而拆除漏電保安器，導(dǎo)致了漏電保安器投入率低。因此開發(fā)一種便于攜帶、使用方便、可靠耐用的漏電保安器動作電流測試裝置是很有必要的。

目前市場上銷售的漏電流發(fā)生器采用調(diào)節(jié)電位器滑動端的位置來調(diào)節(jié)漏電流，使用刻度盤指示漏電流值，準(zhǔn)確性低。本文采用微控制器、固態(tài)繼電器和電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的單相交流供電線路漏電流發(fā)生器解決了上述問題，為供電現(xiàn)場判斷漏電保安器動作電流性能提供了有效的方法和手段。

1 總體設(shè)計方案

本裝置由微控制器電路、電阻網(wǎng)絡(luò)及固態(tài)繼電器開關(guān)電路、電流測量電路、手搖脈沖發(fā)生器、字符型LCD顯示模塊、鋰離子電池及穩(wěn)壓電源電路等幾部分構(gòu)成。

其工作原理如下：在相線和地線間接有電阻網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)接入的電阻值變化時，相線對地的電流值也相應(yīng)變化，則測量漏電流并控制接入的電阻即可獲得所需的漏電流。10個不同阻值的電阻構(gòu)成漏電發(fā)生器的電阻網(wǎng)絡(luò)，在交流220 V電壓作用下電阻網(wǎng)絡(luò)可產(chǎn)生1 mA～100 mA 漏電流，即：R1～R10分別產(chǎn)生0.125 mA、0.25 mA、0.5 mA、1 mA、2 mA、4 mA、8 mA、16 mA、32 mA、64 mA電流。選用過零觸發(fā)固態(tài)繼電器作為開關(guān)元件，在單片機控制下按需將電阻接入回路。本設(shè)計選擇STC90C58單片機作為控制器，選擇電能計量芯片CS5460 A作為電流測量器件，選用手搖脈沖發(fā)生器為電流設(shè)定元件快速設(shè)定漏電流值，漏電流值由帶背光的液晶顯示器顯示。為了減輕裝置的體積和重量，本設(shè)計采用比能量大的鋰離子電池供電，選用單體容量為2.6 Ah的18650電池，通過三并兩串構(gòu)成7.4 V、7.8 Ah的電池包，與LT1934穩(wěn)壓電路共同構(gòu)成＋5 V電源電路。

1.1 電阻網(wǎng)絡(luò)及開關(guān)電路

投切電阻的開關(guān)元件可選用電磁繼電器或半導(dǎo)體固態(tài)繼電器。本設(shè)計采用具有過零觸發(fā)功能的交流固態(tài)繼電器MOC3083，其電氣參數(shù)為：最大觸發(fā)輸入電流5 mA，光電雙向可控硅輸出電流100 mA RMS，耐壓800 V。

1.2 電流測量電路

電流測量器件采用美國Cirrus Logic公司生產(chǎn)的電能計量器件CS5460A，具有電壓、電流兩個采用差分模擬輸入方式的信號采集通道，每秒分別對各信號進(jìn)行4 000次交流采樣，然后計算出交流電流、電壓的有效值及有功和無功功率，此外，它還具有低功耗、片上電壓基準(zhǔn)、可系統(tǒng)校準(zhǔn)等特點。微控制器通過SPI接口與器件通訊。

漏電流傳感元件采用1 A∶0.01 A電流互感器，互感器的二次電流通過高穩(wěn)定性電阻生成與電流對應(yīng)的電壓接入CS5460 A的電流輸入端，電流測量元件的輸入端接有保護(hù)電路和濾波電路。表1為CS5460 A的管腳定義。

表1 CS5460A的管腳定義

1.3 電池電壓測量電路

為保證出現(xiàn)場時儀器內(nèi)置電池電量充足，設(shè)計了電池電壓測量電路，當(dāng)電池電壓不足時在LCD顯示模塊上有相應(yīng)指示標(biāo)志。電池測量電路利用了CS5460 A的電壓輸入通道，電池電壓通過分壓網(wǎng)絡(luò)、保護(hù)和濾波電路后接入電壓輸入通道。

1.4 LCD顯示模塊

LCD顯示模塊具有功耗低的優(yōu)點，這一點對電池供電的手持儀器尤為重要，選用帶背光的LCD顯示模塊可在不同照度條件下清楚地觀察測量數(shù)據(jù)。裝置選用了20＊2字符型模塊，顯示格式為：I0＝＊＊＊.＊mA（其中，I0為剩余電流）。

1.5 穩(wěn)壓電源電路

手持儀器采用電池供電，要求電源電路必須有很高的轉(zhuǎn)換效率，本設(shè)計選用了美國線性技術(shù)公司生產(chǎn)的脈寬調(diào)制BUKE型DC－DC降壓開關(guān)電源器件LT1934，它具有轉(zhuǎn)換效率高、適用輸入電壓寬、器件外形尺寸小、外圍元件少、可靠性高等優(yōu)點，其靜態(tài)電流Iq僅為12μA，關(guān)斷電流小于1μA，器件最大輸出電流為250 mA，可滿足裝置供電要求。本設(shè)計中的微控制器、液晶顯示模塊、電流測量電路全部采用5 V供電。圖1為LT1934穩(wěn)壓電路圖。

1.6 電源開關(guān)電路設(shè)計

一般情況下，手持電氣儀表的電源開關(guān)分為硬開關(guān)和電子軟開關(guān)兩種，硬開關(guān)閉合時基本沒有壓降，而電子軟開關(guān)有一定的壓降；硬開關(guān)斷開時儀器完全不消耗電能，軟開關(guān)則要消耗一定的電能（控制電路耗電）。但采用軟開關(guān)可實現(xiàn)自動關(guān)機，當(dāng)操作人員一段時間不對儀表進(jìn)行操作后，其可在微控制器控制下自動關(guān)機，減少電池消耗。本電源開關(guān)采用了輕觸式電子開關(guān)LTC2950，該器件具有可調(diào)的開關(guān)定時器，工作電流僅為6μA，適用電源電壓范圍寬，微控制器可通過其使能端關(guān)閉電源。

圖1 LT1934穩(wěn)壓電路

2 軟件設(shè)計

微控制器的程序采用C51語言編程，程序首先對微控制器各相關(guān)寄存器初始化，然后對各CS5460 A初始化。對CS5460 A的初始化包括向其內(nèi)部各寄存器寫入控制字和系數(shù)，然后進(jìn)入循環(huán)讀各CS5460 A的狀態(tài)字和電流有效值寄存器的值，將其轉(zhuǎn)換為工程數(shù)值后送LCD顯示。經(jīng)C51編譯后，生成hex文件，然后將程序?qū)懭隨TC90C58微控制器中。

3 現(xiàn)場試驗

2012年11月～2013年12月底，長治縣供電公司組織人員對本裝置進(jìn)行了多次試驗。采用上述方案實現(xiàn)的漏電流發(fā)生器具有操作簡單、易于掌握、精度較高的特點，減少了工作人員判斷漏電保安器動作電流的工作量。

［1］ 夏路易.單片機技術(shù)基礎(chǔ)教程與實踐［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［2］ 趙茂泰.智能儀器原理及應(yīng)用［M］.第2版.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

［3］ Cirrus Logic Inc.Single phase bi－directional power／energy IC CS5460 A data sheet［EB／OL］.［2014－02－15］.http：／／www.cirr us.co m.