電路預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

湖北民族大學(xué) 劉合翠 孫先波 段勇強(qiáng) 蔡詩晗 王志浩

安全用電作為一個(gè)與生活息息相關(guān)的指標(biāo)，在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活等各個(gè)領(lǐng)域都有著重要的作用。然而電路會間歇性地出現(xiàn)橫向短路、縱向斷路等故障，這對居民的基本生活會造成不同程度的影響。因此，對家用電路工作狀況的監(jiān)測、預(yù)警以及對電路的精確控制和保護(hù)是急需解決的問題，電路預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

故障字典法和故障樹法是廣泛應(yīng)用于普通電路故障監(jiān)測的兩種方法。這兩種方法均借助于經(jīng)驗(yàn)和邏輯分析來建立比較完備的參考體系，可很好地解決故障的預(yù)警問題，缺陷是前期工作量大、時(shí)效性差，且對其它領(lǐng)域不具備可移植性。根據(jù)市場的需求，一些專家和學(xué)者們提出了一些新的電路故障檢測方法。

雷冬梅提出一種成熟式故障診斷方法，通過建立測試電路來采樣混合電流信號，利用算法完成盲分離后，將其與故障信號對照，可進(jìn)一步判斷故障類型[1]。汪涌、張菲菲提出一種新的混合電路測試方法，前者基于DES 理論進(jìn)行有效監(jiān)測和診斷，后者在其基礎(chǔ)上完成了可行性分析測試[2-3]。但該方法理論比較復(fù)雜，且對不同電路需采用不同的功能測試和診斷程序，因此其普適性不強(qiáng)。楊先明等[4]靈活結(jié)合了紅外技術(shù)和圖像處理技術(shù)，可對電路故障進(jìn)行非接觸式檢測，該設(shè)備使用便捷且檢測效率高。但該設(shè)備技術(shù)性強(qiáng)、生產(chǎn)成本高，因此在推廣上會受到一定程度的限制。

本文針對電路預(yù)警系統(tǒng)的仿真研究進(jìn)行展開，對監(jiān)測電路的電流信息進(jìn)行采集，通過電流的大小來判別電路是否存在故障。當(dāng)檢測支路的電流不在安全范圍時(shí)，蜂鳴器立刻發(fā)出警報(bào)并顯示當(dāng)前電路異常；當(dāng)電路恢復(fù)正常時(shí)警報(bào)被自動(dòng)撤除。一旦出現(xiàn)橫向短路、縱向斷路等故障，固態(tài)繼電器會立刻斷開，從而保護(hù)電路。因此所設(shè)計(jì)的電路預(yù)警系統(tǒng)可滿足家居用電的基本安全標(biāo)準(zhǔn)，為人們生活提供保障。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及算法設(shè)計(jì)與分析

1.1 系統(tǒng)原理框圖

電路預(yù)警系統(tǒng)的核心是能夠保障人們的基本生活用電安全，確保在發(fā)生電路故障時(shí)可達(dá)到預(yù)警和保護(hù)的作用。本文中系統(tǒng)包括以51單片機(jī)為核心的處理器、電流檢測檢測器、顯示屏預(yù)警、蜂鳴器報(bào)警和保護(hù)電路及電源電路等。該系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測的同時(shí)，還能夠?qū)崿F(xiàn)保護(hù)和安全隔離的雙重功能。

圖1給出了預(yù)警電路系統(tǒng)的工作原理：在多個(gè)電流檢測器共同作用下，多條支路電路運(yùn)行的情況可以被監(jiān)測。模擬電流信號通過A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)信號，轉(zhuǎn)換完成后被送入51單片機(jī)進(jìn)行處理從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號。驅(qū)動(dòng)電路的輸出可使系統(tǒng)電路的電流大小和運(yùn)行情況在顯示屏中顯示，一旦檢測到有異常電流信號時(shí)蜂鳴器立刻進(jìn)入報(bào)警模式，同時(shí)斷開固態(tài)繼電器針對性地切斷電源起到保護(hù)電路的作用。

圖1 預(yù)警電路原理框圖

1.2 降壓整流電路

降壓整流電路是一種基本的DC/DC 轉(zhuǎn)換電路。Buck 電路是常見的降壓整流電路，其工作頻率高，由于在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電容充放電引起的紋波很小，因此該電路具有廣泛的應(yīng)用。整流方式是熟知的橋式整流，其在電氣應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5]。固態(tài)繼電器的一個(gè)主要功能就是在電路出現(xiàn)故障時(shí)，能將系統(tǒng)電路的控制端與負(fù)載端進(jìn)行隔離。固態(tài)繼電器能夠借助微弱控制信號實(shí)現(xiàn)負(fù)載的電流驅(qū)動(dòng)。同時(shí)它無觸點(diǎn)、壽命長，對外界的干擾也小。

降壓整流電路首先通過變壓器將輸入的220V交流電壓進(jìn)行降壓處理，在橋式整流電路中實(shí)現(xiàn)交流到直流的轉(zhuǎn)變。通過濾波電路后，使得其能夠在電流檢測電路中使用。另外220V 電壓的輸入端接有固態(tài)繼電器用于對電路的保護(hù)，其中二次繞組電路中利用二極管的單向?qū)ㄐ詠硎沟肔ED 發(fā)光管發(fā)亮。發(fā)亮的同時(shí)表明電路處于異常狀態(tài)，需要進(jìn)行維護(hù)。

1.3 電流檢測電路

一般來說，可以通過串聯(lián)的方法來完成電流檢測。對于普遍的磁電式儀表，可外加分流電阻來實(shí)現(xiàn)分流，從而完成對大電流的測量。在某些情況下必須借助轉(zhuǎn)換開關(guān)來完成，因此無法很好地跟蹤測量和自動(dòng)識別[6]。但很多時(shí)候可利用測電壓的方式來測電流，即只需知道該條支路的電阻大小，然后根據(jù)并聯(lián)分流的關(guān)系依次得出相應(yīng)電流的大小，從而實(shí)現(xiàn)以地為參考的電流/電壓的轉(zhuǎn)換。依靠電壓檢測原理，借助多支路電阻并聯(lián)分流完成電流的檢測，其測量精度較高且能關(guān)聯(lián)擴(kuò)流使用。該電流檢測電路對于普通家庭用戶來說是比較方便可靠的，這樣一種模塊化的監(jiān)測方式能實(shí)現(xiàn)全面的I/V 顯示及過程保護(hù)功能，因此可普遍適用于通用的家庭用電。

1.4 A/D 轉(zhuǎn)換電路

A/D 轉(zhuǎn)換的作用是將模擬信號轉(zhuǎn)換數(shù)字信號[7]。它一般包括抽樣、保持、量化及編碼等4個(gè)方面，具體過程如下：模擬電壓量作為輸入，進(jìn)入控制邏輯電路進(jìn)行選擇，然后在采樣時(shí)鐘的作用下移位寄存器和數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，最終完成數(shù)字量的輸出。在實(shí)際應(yīng)用中，量化和編碼是伴隨著轉(zhuǎn)換過程中共同完成。本文選擇ADC0832作為仿真元器件，ADC0832的工作頻率較低，功耗僅為15MW，因此比較節(jié)能。其VCC 端接5V 電源的同時(shí)，可使得芯片的模擬電壓輸入在0～5V 之間可調(diào)，CLK、DI、DO 三個(gè)信號端需要接上拉電阻，保證其具有高電平輸出，它同時(shí)還具有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以此來減少數(shù)據(jù)誤差，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。

1.5 顯示屏預(yù)警

電路預(yù)警系統(tǒng)的顯示部分仿真使用的是LCD顯示屏，平面顯示器的應(yīng)用逐漸成為現(xiàn)在許多智能化行業(yè)的主流，其具有直角顯示、低耗電量、體積小、零輻射等優(yōu)點(diǎn)，普通用戶都能夠真切感受到智能化水平的提升，因此其對于生活中有著不可或缺的作用。本系統(tǒng)采用LM016L 顯示屏進(jìn)行設(shè)計(jì)，是一種具有高清晰度的液晶模塊，采用比較先進(jìn)的HD44780控制器，它的指令集非常豐富，可以完成字符的移動(dòng)和閃爍等操作。在該電路系統(tǒng)中，當(dāng)監(jiān)測到異常電流信號時(shí)，核心處理器收到響應(yīng)的同時(shí)會傳輸控制信號給顯示屏，從而顯示當(dāng)前的電路狀態(tài)信息，在異常情況下立刻控制繼電器切斷電源，以保證電路不發(fā)生安全事故。

1.6 算法設(shè)計(jì)與分析

由預(yù)警電路流程可知，系統(tǒng)首先完成各項(xiàng)指標(biāo)的初始化，包括調(diào)試串口、定時(shí)器化、顯示屏和AD 轉(zhuǎn)換器的初始化，然后打開中斷，復(fù)位光標(biāo)，ADC0832每秒進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換，并由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，判斷電流是否處于限定范圍，如果是的話則電路正常運(yùn)行，反之則電路異常，蜂鳴器打開進(jìn)行報(bào)警，此時(shí)繼電器打開，然后關(guān)閉總中斷，預(yù)警電路運(yùn)行結(jié)束。

2 仿真分析

為進(jìn)一步深入研究電路預(yù)警系統(tǒng)，在Proteus中搭建了仿真電路模型，其主要包括變壓器電路、固態(tài)繼電器控制電路、橋式整流電路、電流檢測電路、單片機(jī)核心處理器、A/D 轉(zhuǎn)換電路、LCD 顯示電路等。通過電路結(jié)構(gòu)的合理連線，組合各電路功能，以實(shí)現(xiàn)家用電路的預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖2 正常狀態(tài)下的仿真結(jié)果

如圖2所示，電流檢測器1的電流大小為24A，電流檢測器2的電流大小為46A，電流檢測器3的電流大小為26A，電流的參數(shù)可通過改變滑動(dòng)變阻器的阻值來調(diào)試，設(shè)定的電流正常范圍為20A～60A之間，一旦超過60A 或者低于20A 都認(rèn)為是電路故障，正常范圍內(nèi)顯示為Normal，代表此時(shí)系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

圖3左為電路預(yù)警系統(tǒng)電流小于限定值仿真結(jié)果，此時(shí)C1的電流大小為18A，低于限定值，圖3右為電路預(yù)警系統(tǒng)電流大于限定值仿真結(jié)果，此時(shí)C2的電流大小為62A，高于限定值?？煽闯鲋灰娏鞔笮〔辉谡７秶鷥?nèi)，預(yù)警系統(tǒng)都會進(jìn)行蜂鳴器報(bào)警和顯示屏預(yù)警顯示為Alarml，并且此時(shí)固態(tài)繼電器會跳開閘，以此來保證電路不被損毀，也能夠提醒人們及時(shí)進(jìn)行電路搶修，以保障基本家庭用電安全。

圖3 電流異常仿真結(jié)果

圖4 電爐/電飯鍋/微波爐仿真結(jié)果圖

在日常生活中各個(gè)用電器的額定功率、額定電流是不同的，小功率用電器的額定電流低，大功率的用電器的額定電流高。以家電銘牌為依據(jù)，設(shè)置電爐/電飯鍋/微波爐在家庭電路中的正常電流參數(shù)為4A～6A，通過proteus 仿真，調(diào)節(jié)電流大小得到圖4的仿真結(jié)果圖，可知當(dāng)C1/C2/C3的數(shù)據(jù)在安全閾值內(nèi)時(shí)，顯示器顯示各個(gè)支路電流值且顯示Normal，當(dāng)C1/C2/C3的數(shù)值有一個(gè)或多個(gè)不在安全閾值內(nèi)時(shí)，蜂鳴器報(bào)警、保護(hù)電路斷開，顯示Alarml。

3 結(jié)語

本方案采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，搭建了基于單片機(jī)的預(yù)警電路集成仿真系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的電路預(yù)警系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測電流的大小，并將電流測量結(jié)果及電路運(yùn)行情況顯示于屏幕上，一旦電流超出閾值范圍，系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)并及時(shí)切斷固態(tài)繼電器以保護(hù)電路。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)簡單實(shí)用、性能穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)對電路故障的實(shí)時(shí)監(jiān)測和安全保護(hù)。