電源插座隱性故障智能診斷儀的設(shè)計(jì)

王敏輝，陳遠(yuǎn)浩

（汕頭市林百欣科學(xué)技術(shù)中等專業(yè)學(xué)校，廣東汕頭，515041）

0 引言

目前通用的電源單相及三相插座電氣連接一般采用導(dǎo)線壓接或螺絲緊固方式，容易引起導(dǎo)線脫落或接觸不良，火線、零線或地線的安裝也沒有“防呆”設(shè)計(jì)，安裝時(shí)一旦錯(cuò)接必定會(huì)引起用電安全事故；另外，電源插座在長時(shí)間使用或設(shè)備老化后容易導(dǎo)致插座接線處出現(xiàn)相線、零線或地線脫落或接觸不良的故障，就極易發(fā)生短路、漏電。本文研究一種利用單片機(jī)與傳感器技術(shù)自動(dòng)檢測插座隱性故障的裝置，并用語音和圖文等直接方式提醒用戶，實(shí)現(xiàn)電源插座電氣性能的快速檢測方法。

1 硬件設(shè)計(jì)思路與原理

基于現(xiàn)有電源插座的缺陷，本設(shè)計(jì)方案主要采用單片機(jī)與傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)故障智能診斷，采用硬件與軟件相融合的模塊化的設(shè)計(jì)理念，其中硬件主要包含5 大模塊：單片機(jī)主控模塊、隱性故障檢測模塊、圖文顯示模塊、語音合成模塊，還有電源及保護(hù)模塊。單片機(jī)控制模塊是系統(tǒng)核心，負(fù)責(zé)接收故障檢測模塊的信號(hào)并判斷，再輸出圖文信息與語音合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能圖文和語音提醒，電源故障檢測模塊檢查火、地、零三線的通斷狀態(tài)，并應(yīng)用光電傳感器實(shí)現(xiàn)隔離技術(shù)，提高電路的安全性和穩(wěn)定性。外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，用原有單相交流電3 孔插頭和三相交流電4 孔、5 孔插頭的基本外觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，不改變插孔位置尺寸，確保通用性，檢測電路安裝在絕緣性能好且透光的保護(hù)殼中。

■1.1 插座隱性故障檢測模塊

本裝置采用的故障檢測原理基于二極管的單向?qū)щ娦?，LED 發(fā)光二極管同樣遵循電流正向?qū)?、反向截止。以單相交流? 孔插座為例，在單相插座火線插孔、零線插孔和地線插孔之間用整流二極管、電阻和發(fā)光二極管分別連接檢測電路，其中電阻器的大小是100kΩ，其作用是限流，整流二極管選擇參數(shù)IN4007，耐壓值1000V，發(fā)光二極管選擇綠色、黃色或紅色，工作電流10-30mA。并利用3 個(gè)靈敏度較高的光敏電阻做成邏輯判斷電路與光電隔離，焊接元器件，并固定和絕緣防護(hù)，故障診斷電路內(nèi)部接線如圖2所示。

圖1 硬件電路的模塊化設(shè)計(jì)

圖2 單相電源插座隱性故障診斷模塊內(nèi)部電路光電隔離

根據(jù)LED 指示燈的狀態(tài)可準(zhǔn)確判斷故障類型，根據(jù)裝置提示就可以快速的修復(fù)插座電氣故障，根據(jù)原理圖，當(dāng)插座電源連接正確時(shí)LED2、LED3 導(dǎo)通，而LED1 處于截止?fàn)顟B(tài)，如果插座中火線、地線、零線出現(xiàn)漏接、錯(cuò)接等錯(cuò)誤，就會(huì)如表1 所示7 種情況提醒狀態(tài)，其對應(yīng)的故障類型和對應(yīng)的插座檢修排查方法如表1 所示。

表1 單相電源插座電氣故障診斷狀態(tài)表和檢修方法

同理，三相交流電源插座按照前文單相插座電氣故障診斷原理，三相4 孔電源插座電氣故障診斷原理如圖3 所示。本電路可以檢測三相交流電插座的相線和中線是否漏接或錯(cuò)接。

圖3 三相電源插座隱性故障診斷模塊內(nèi)部電路光電隔離

根據(jù)原理設(shè)計(jì)，歸納8 種裝置燈光提醒狀態(tài)說對應(yīng)的插座電氣故障的分類，包括：無故障正常狀態(tài)、缺一相（L1 或L2 或L3）、缺兩相（L1L2 或L2L3 或L1L3）、缺中線。表2 所示8 種狀態(tài)為每種燈光提醒狀態(tài)對應(yīng)的故障類型和對應(yīng)的插座檢修排查方法。三相5 孔電源插座電氣診斷裝置原理同上，限于篇幅，不再詳述。

表2 三相電源插座電氣故障診斷狀態(tài)表和檢修方法

■1.2 單片機(jī)主控模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)單片機(jī)主控模塊的硬件要求單片機(jī)必須內(nèi)置ROM 和RAM，I/O 端口數(shù)量13 個(gè)以上，工作電壓5V，從設(shè)計(jì)開發(fā)角度考慮，可選用Arduino 單片機(jī)開放平臺(tái)，其特點(diǎn)是軟件設(shè)計(jì)可兼容匯編語言、C 語言 開 發(fā)，Arduino 在C 的基礎(chǔ)上簡化了開發(fā)方式，不需要糾結(jié)于AVR 的寄存器等底層的東西，直接寫代碼就能控制兼容Arduino 的外設(shè)，本設(shè)計(jì)需要控制的圖文顯示與語音模塊可直接調(diào)用庫文件來實(shí)現(xiàn)，還可以根據(jù)用戶和產(chǎn)品迭代需求不斷修改程序功能與升級(jí)。若考慮固定功能的產(chǎn)品大批量生產(chǎn)，可考慮低成本的OTP 一次性寫入單片機(jī)，本文不再詳述。

本裝置單片機(jī)主控模塊的硬件設(shè)計(jì)主要考慮單片機(jī)端口的定義，I/O 輸入輸出控制端口的分配。以Arduino nano 系列為例，其端口定義如圖4 所示，本設(shè)計(jì)涉及I/O端口分配是：第5-7 端口作為故障檢測模塊輸入信號(hào)；第A0-A7 端口作為語音合成數(shù)據(jù)控制端口；第8-9 端口作為I2c 液晶顯示數(shù)據(jù)端口輸出，單片機(jī)主控模塊的I/O 分配決定了軟件設(shè)計(jì)的思路，見下文分析。

圖4 Arduino nano 單片機(jī)主控硬件端口定義圖

■1.3 顯示與語音模塊

本設(shè)計(jì)選用顯示模塊為分辨率128×64OLED 顯示屏，硬件接口4 針I(yè)IC 接口，如圖5 所示，其中1-2 分別為電源地GND 和電源正VCC，3-4 接單片機(jī)的輸出端，其中3為SCL，OLED 在 IIC 通信中為時(shí)鐘信號(hào)端口；4 為SDA，OLED 在IIC 通信中為數(shù)據(jù)信號(hào)端口。其次，語音模塊選擇支持單片機(jī)串口通信的JQ6500MP3 芯片，該芯片采用SOC 方案，集成16 位MCU 以及音頻解碼的aDSP，采用硬解碼的方式，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和音質(zhì)，芯片封裝及引腳排列如圖6 所示。該芯片外圍電路簡單，內(nèi)置flash 存儲(chǔ)器，語音數(shù)據(jù)可多次擦寫；支持?jǐn)?shù)據(jù)按位尋址，方便系統(tǒng)調(diào)用。除語音IC 外，對音頻信號(hào)放大選用8002 功放IC，以確保音量大小，功放電路設(shè)計(jì)方案如圖7 所示。

圖5 顯示模塊IIC 接口

圖6 語音芯片封裝與引腳排列

圖7 音頻放大電路

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件程序編寫按照硬件端口分配，設(shè)計(jì)Arduino 單片機(jī)程序，包括主程序與子程序，主程序包括：頭文件、端口定義、初始化等，子程序包括：故障狀態(tài)檢測子程序、語音調(diào)用、圖文顯示、延時(shí)、復(fù)位控制等。其中故障狀態(tài)檢測子程序采用“if”、“else if”條件語句編寫各種輸入輸出的邏輯關(guān)系，程序設(shè)計(jì)原理流程如圖8-9 所示。

圖8 主程序設(shè)計(jì)思路

圖9 單相插座隱性故障檢測模塊子程序設(shè)計(jì)思路

限于文章篇幅，僅列出設(shè)計(jì)思路舉例主程序中初始化與端口定義的對應(yīng)程序：

三相電檢測故障分析程序和單相電故障分析程序類似，限于篇幅限制不再詳述，三相插座故障檢測模塊子程序設(shè)計(jì)思路如圖10 所示。

圖10 三相插座故障檢測模塊子程序設(shè)計(jì)思路

3 結(jié)論與推廣

本設(shè)計(jì)目前已獲得實(shí)用新型專利授權(quán)（專利名稱：一種電源插座隱性故障診斷儀，專利授權(quán)號(hào)ZL2019 22 1694233.0，授權(quán)日期2020 年6 月），2020 年參加汕頭市“第三屆市長杯工業(yè)設(shè)計(jì)大賽‘未來之星創(chuàng)新設(shè)計(jì)專項(xiàng)賽’”銅獎(jiǎng)，本設(shè)計(jì)產(chǎn)品已在筆者所在單位推廣應(yīng)用，效果良好。應(yīng)用案例之一是對職業(yè)學(xué)校電子電工專業(yè)的學(xué)生開展電工技能課程實(shí)訓(xùn)，師生需要安裝搭接電氣線路和插座開關(guān)，這對于初學(xué)者來說是學(xué)習(xí)難點(diǎn)，尤其是對于三相電源插座的線路連接訓(xùn)練時(shí)容易出現(xiàn)導(dǎo)線接錯(cuò)或接漏的錯(cuò)誤，以往教師排查故障也非常麻煩，需要拆解后才能檢測識(shí)別、一旦線路短路會(huì)有漏電和火災(zāi)的危險(xiǎn)。目前采用本設(shè)計(jì)專利產(chǎn)品檢測學(xué)生實(shí)訓(xùn)電路的性能和工藝，大大提高工作效率和教學(xué)效果；另外本設(shè)計(jì)還可以應(yīng)用于各類電工與消防等建筑施工驗(yàn)收與檢測等應(yīng)用領(lǐng)域，可提高驗(yàn)收人員的安全系數(shù)和效率，市場推廣前景可觀。