南京工程學(xué)院 包敏佳 倪永勝 戴宇航 尤 嫻
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手持式剩余電流檢測儀的研制
南京工程學(xué)院包敏佳倪永勝戴宇航尤嫻
【摘要】電能作為人們生活中不可缺少的能源之一,在造福人類的同時(shí),也會帶來隱患。在如今的生產(chǎn)生活中,漏電事故頻發(fā)且危害性大。因此,努力發(fā)展與完善剩余電流的防范與檢測技術(shù)是當(dāng)前電氣工作的當(dāng)務(wù)之急。以往的剩余電流檢測裝置檢測電路較為復(fù)雜、精度不高、同時(shí)需花費(fèi)較高的制作成本,不能同時(shí)滿足剩余電流檢測的智能化模塊化和自動(dòng)化的需求。本設(shè)計(jì)在此背景下對其進(jìn)行了改進(jìn),采用單片機(jī)作為開發(fā)平臺,STC89C52單片機(jī)作為控制系統(tǒng),PCF8591作為A/D轉(zhuǎn)換芯片。本系統(tǒng)除能確保實(shí)現(xiàn)剩余電流檢測的基功能外,還可以方便進(jìn)行遠(yuǎn)程測量結(jié)果傳送,在發(fā)現(xiàn)漏電現(xiàn)象時(shí)發(fā)出告警信號等擴(kuò)展功能。
【關(guān)鍵詞】剩余電流;51單片機(jī);剩余電流互感器
在最近幾年的電氣事故中,由低壓配電系統(tǒng)漏電所導(dǎo)致的超過半數(shù),因此加強(qiáng)對剩余電流的檢測技術(shù)非常必要[1]。此外,人們對安全用電的重視不足,加之電氣事故的隱蔽性和突發(fā)性,所造成損失十分巨大。漏電事故的發(fā)生,除易造成觸電事故、設(shè)備損壞和短路以外,還會對繼電保護(hù)功能造成影響[2]。近年來,剩余電流檢測技術(shù)發(fā)展迅速,被廣泛應(yīng)用在低壓網(wǎng)絡(luò)的剩余電流動(dòng)作保護(hù)器上,在低壓供電系統(tǒng)中防止人身觸電和漏電火災(zāi)等方面起到了有效的防護(hù)作用。多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,漏電保護(hù)器的推廣使用,可有效防止觸電傷亡事故,減少因漏電而引起的火災(zāi)事故,同時(shí)還能監(jiān)測線路的絕緣水平,起到安全用電的作用[3,4]。除安裝剩余電流動(dòng)作保護(hù)器外,使用便捷式手持剩余電流檢測儀檢測是否漏電以及查找漏電位置也是漏電防護(hù)與處理的一大重要部分。
以往的剩余電流檢測裝置存在一系列問題,其低精度以及高成本使其不能滿足剩余電流檢測在實(shí)際生產(chǎn)生活中的需求。因此,本文所研發(fā)的是一種對傳統(tǒng)的剩余電流檢測裝置進(jìn)行改進(jìn)后,采用STC89C52單片機(jī)來控制電路,具有較高精度、較強(qiáng)抗干擾能力、較好靈敏性等特點(diǎn)的新型智能剩余電流檢測儀表。該剩余電流檢測裝置是一種新型智能儀表,采用單片機(jī)為主體,結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)與測量控制技術(shù),在測量過程自動(dòng)化,測量結(jié)果處理以及測量功能多樣化方面都取得了有效的突破。因此,本文研發(fā)的這種便攜化,精度高,靈敏性好的手持式剩余電流檢測儀對現(xiàn)場的技術(shù)工人及時(shí)發(fā)現(xiàn)漏電隱患、快速找到漏電位置、了解漏電情況具有非常重要的意義。
剩余電流檢測裝置主要包括:剩余電流互感器、信號處理與整流放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、剩余電流顯示電路、單片機(jī)單元和電源。
圖1 剩余電流檢測裝置模塊結(jié)構(gòu)
其工作原理是發(fā)生漏電時(shí),通過剩余電流互感器感應(yīng)出剩余電流,經(jīng)處理與放大后利用A/D轉(zhuǎn)換芯片將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,再由單片機(jī)計(jì)算和校準(zhǔn)后通過LED數(shù)碼管顯示出來,由此制作出一個(gè)簡易的剩余電流檢測儀[5]。
2.1交流電流前端采樣電路
圖2 交流電流前端采樣電路圖
裝置的前端采樣電路若使用運(yùn)算放大器,將產(chǎn)生溫飄等不穩(wěn)定因素。因此采用并電阻直接輸出電壓的方法,可靠性將得到提高。電流互感器變比為3000:1。通過電阻串聯(lián)滑動(dòng)變阻器的方法來選取電阻R的值進(jìn)行精度的調(diào)節(jié)。
2.2橋式整流濾波電路設(shè)計(jì)
橋式整流濾波電路先利用二極管單向?qū)ㄐ詫⑤斎氲慕涣麟妷恨D(zhuǎn)換成直流電壓輸出,其中既含直流成分又含交流成分。再通過濾波電路將整流輸出電壓中的交流成分濾掉,從而輸出平滑電壓,最后再通過穩(wěn)壓電路保證輸出電壓的穩(wěn)定[6]。
2.3A/D轉(zhuǎn)換模塊
本文所研發(fā)檢測儀的A/D轉(zhuǎn)換部分采用PCF8591芯片。該芯片具有4個(gè)模擬輸入、1個(gè)模擬輸出和1個(gè)串行I2C總線接口,單片集成、功耗較低、獨(dú)立供電,具備多路模擬輸入、8位A/D和D/A轉(zhuǎn)換、內(nèi)置跟蹤保持的功能。此外,該芯片精度較高,其控制信號、數(shù)據(jù)信號及輸入輸出的地址都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進(jìn)行傳輸,I2C總線系統(tǒng)具有很大的靈活性和獨(dú)立的電氣特性,可以達(dá)到令人滿意的效果。轉(zhuǎn)換是用單片機(jī)控制模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(A/ D),使它對外部的一個(gè)模擬信號進(jìn)行采樣,量化然后轉(zhuǎn)化為一個(gè)離散的數(shù)字量,再提供給控制器做進(jìn)一步處理。
2.4單片機(jī)控制電路
主控制電路采用的STC89C52單片機(jī)是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能的CMOS8位微控制器,是一個(gè)智能多功能的單片機(jī)。該單片機(jī)編程簡單,下載程序方便,指令執(zhí)行速度快,性價(jià)比較高,其相關(guān)程序固化在片內(nèi)的FlashROM中。在本設(shè)計(jì)方案中,單片機(jī)的I/0口輸出信號來控制A/D啟動(dòng)轉(zhuǎn)換,將送入的模擬信號轉(zhuǎn)換成一個(gè)8位數(shù)字量,然后通過I/0口送回單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行處理,單片機(jī)進(jìn)行一系列的運(yùn)算和校準(zhǔn)后,將輸入電壓通過整定系數(shù)折算回電流量,通過LED數(shù)碼管顯示。
2.5顯示電路設(shè)計(jì)
LED與單片機(jī)通過動(dòng)態(tài)硬譯碼連接[5]。單片機(jī)輸出口接74LS48譯碼器,將數(shù)字信號譯碼后采用共陰極接法接LED,顯示剩余電流值。74LS48譯碼器編程簡單,控顯可靠,可很好滿足本設(shè)計(jì)的需要。LED數(shù)碼管具有視角大、亮度高、可視距離遠(yuǎn)、可靠性高、故障少、響應(yīng)速度快、耗電少、使用壽命長、成本低等特點(diǎn)。該顯示電路原理簡單,利于生產(chǎn)。
主程序要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理并動(dòng)態(tài)顯示的三項(xiàng)功能,分別實(shí)現(xiàn)軟件程序的初始化,A/D數(shù)據(jù)采樣以及數(shù)碼管的實(shí)時(shí)顯示。整個(gè)系統(tǒng)軟件的主程序由初始化模塊,A/D轉(zhuǎn)換子程序和顯示子程序組成,其流程圖如圖3所示。
3.1初始化程序
初始化模塊實(shí)現(xiàn)的功能是對STC89C52單片機(jī)內(nèi)部部件及擴(kuò)展芯片進(jìn)行初始工作狀態(tài)設(shè)定。初始狀態(tài)包括定時(shí)器、中斷、啟動(dòng)顯示,初始化子程序的主要工作是根據(jù)程序定時(shí)等具體操作需求初始化以上內(nèi)容,并將其余初始值內(nèi)存清零、初值預(yù)置等。
圖3 主程序流程圖
3.2A/D轉(zhuǎn)換子程序
初始化后,程序的定時(shí)器以及中斷等初始值以設(shè)為預(yù)定值,軟件部分在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步通過主程序調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序來處理通過硬件方式輸入的模擬電壓信號的采集測量,并將對應(yīng)的數(shù)值存入相應(yīng)的內(nèi)存單元。最終,軟件運(yùn)算結(jié)果向單片機(jī)輸出數(shù)字信號。
3.3顯示子程序
在完成A-D采樣后,主程序要完成數(shù)字顯示功能,調(diào)用顯示子程序。
顯示子程序采用動(dòng)態(tài)顯示模式,通過軟件實(shí)時(shí)掃描實(shí)現(xiàn)對四位數(shù)碼管的數(shù)值的實(shí)時(shí)顯示。根據(jù)視覺暫留原則,人眼的視覺暫留時(shí)間約為0.1秒,所以每位LED顯示間隔不必太長,但需要保持延遲一段時(shí)間,以造成視覺暫留的效果。因此,在采取動(dòng)態(tài)掃描顯示方式時(shí),需要對LED設(shè)置適當(dāng)?shù)膾呙桀l率來獲得較為清晰且均勻的顯示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)掃描頻率設(shè)置為70Hz左右時(shí),數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示能夠產(chǎn)生較為理想的顯示效果,軟件上一般可以每間隔10ms對LED進(jìn)行一次動(dòng)態(tài)掃描,每位LED的顯示時(shí)間為1ms。
在本案例的程序設(shè)計(jì)中,為了簡化硬件設(shè)計(jì),忽略軟件定時(shí)的一些不精確度,主要采用軟件定時(shí)的方式進(jìn)行定時(shí)。具體方法為通過定時(shí)器的溢出中斷功能實(shí)現(xiàn)11μs定時(shí),通過軟件延時(shí)程序來實(shí)現(xiàn)5ms的延時(shí)。
本設(shè)計(jì)為基于STC89C52單片機(jī)開發(fā)平臺的一種便捷式智能化剩余電流檢測儀表。該系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制核心,通過電流互感器以及橋式整流濾波電路實(shí)現(xiàn)被測電流的數(shù)據(jù)采樣;使用系列比較器檢測輸入電流的范圍,并通過PCF8591芯片的A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了輸入量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換;顯示模塊由74LS48譯碼器和LED數(shù)碼管組成,將測量所得的電流信號進(jìn)行顯示。該設(shè)計(jì)的精度較傳統(tǒng)剩余電流檢測裝置有所提高,同時(shí)具有較強(qiáng)抗干擾能力和較好靈敏性,在電氣事故的防范和檢測方面具有重要作用。
此外,該剩余電流檢測儀表具有其他擴(kuò)展功能,如通過GPRS進(jìn)行遠(yuǎn)程測量結(jié)果傳送,以及與漏電排查軟件配合,在發(fā)現(xiàn)漏電現(xiàn)象時(shí)發(fā)出告警信號,通過GPS實(shí)現(xiàn)漏電出線的定位等。
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包敏佳(1994—),女,江蘇常熟人,大學(xué)本科在讀,研究方向:電力系統(tǒng)自動(dòng)化。
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