智能化多功能安全用电保护器的设计

摘要：为改善以往漏电保护器对用电保护功能偏少、存在安全隐患的问题，通过对以往的漏电保护器增设漏电、过载、短路、过压、欠压和触电等用电安全保护功能，并利用霍尔电流传感器对漏电、过载、短路等用电故障进行数据采集，获得的信号经放大，送入AT89C52单片机进行数据处理，由ISD2560语音模块和扬声器进行语音提示与报警。从而实现智能化多功能安全用电保护的目的。实验表明，该智能化多功能安全用电保护器具有良好的可靠性、安全性和实用性，值得研究推广。
关键词：霍尔电流传感器；漏电保护器；单片机；语音提示

0 引言
希望用电安全的要求人人有之。特别是大型商场、大型娱乐场所及人员相对集中的地方，安全用电尤为重要。而火灾发生时大部分防火卷帘门及自动喷淋设备未能正常启动。用电发生短路造成火灾的事也不少，如2011年4月25日1时许，北京市大兴旧宫镇一栋四层楼房，由于充电短路发生火灾，造成18人死亡，24人受伤的用电火灾恶性事故。由于以往的漏电保护器(又称空气开关)保护功能不全，为避免商场、娱乐场所及一切用电部门用电安全，必须给漏电保护器改进，使其同时具有漏电保护、过载保护、短路保护、欠压保护、触电保护、过压保护功能。

1 安全用电保护与提示系统
1．1 安全用电保护电路结构
智能化多功能安全用电保护器，是由安全用电保护系统、数据采集、数据处理和语音提示报警等四部分构成。安全用电保护是由漏电保护、过载保护、短路保护、欠压保护、触电保护、过压保护和霍尔电流传感器等部件构成。电路结构示意图如图1所示。

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1．2 安全用电保护工作原理
为了更好地维护用电户的经济利益，采用分相安全用电保护，即使某相产生故障，不影响其他相供电。由图1可知，安全用电保护开关是在以往的漏电保护器的基础上改进而成，其工作原理为：当电路或用电器发生漏电或短路时，流过漏电线圈LN1的电流I1就会比正常值高很多，LN1产生的磁场力足以能够把衔铁吸上，同时衔铁撞击杠杆，使开关脱钩，线路断电保护。如果发生触电，这时人体与大地相通，人体与用电器并联入电路中，由于人体电阻比较小，总电阻更小，线路的电流急速增大，互感器感应的电流也急速上升，流过漏电保护线圈LN3的电流随之增大，LN3产生的磁场力足以能够把衔铁吸上，同时衔铁撞击杠杆，使开关脱钩，线路断电保护。当电路某种特殊原因使相电压由220 V升高到280 V或380 V时，R3(R1，R2，R3阻值很大)分得的电压U4将大于三极管VT1的导通电压，使VT1导通，使过压保护线圈LN2有电流通过产生磁场力把衔铁吸上，同时衔铁撞击杠杆，使开关脱钩，线路断电保护。电路出现欠压时，Q3点分到的电压太小，使U3电压低于VT2导通之下，使VT2截止，流过欠压线圈的电流被切断，欠压线圈产生的磁场力消失，衔铁释放，弹簧拉衔铁撞击杠杆，使开关脱钩，线路断电保护。
1．3 电流过载安全保护设置
电流过载安全保护设置数据表如表1所示。

2 安全用电故障语音提示
2．1 安全用电故障语音提示电路结构
为了提高安全用电的监控能力，利用磁平衡霍尔电流传感器对安全用电进行数据采集，获取电路发生漏电、过载、短路的故障信号，经LM324放大器放大后送入单片机进行数据处理，由AT89C52单片机的P2．0端口输出高电平，使三极管VT3导通，保护线圈LN4通电产生磁场力足以能够把衔铁吸上，同时衔铁撞击杠杆，使开关脱钩，线路断电保护。同时利用单片机和语音模块进行故障语音提示，智能保护和语音安全用电故障提示电路结构图，如图2所示。

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2．2 安全用电故障语音提示工作原理
霍尔电流传感器采集到相电流信号uin，送给LM324放大器放大后，从AT89C52单片机的P1．1端口输入，由单片机对数据进行识别，判断出相电流是否超出正常值，从而识别出电路是否发生漏电、过载、短路故障，从单片机的P2．0端口输出高电平，使VT3三极管的基极获得高电平导通，线圈LN4通电产生的磁场力把衔铁吸上，同时衔铁撞击杠杆，使开关脱钩，线路断电保护。
为了让用户更好地了解用电故障出现的原因，系统设置了语音提示功能。首先，通过Goldwave、Cooledit等音乐制作软件，以分段模式录制数字0～9、“正常”、“漏电、过载、短路、过压、欠压和触电，危险”和一些安慰与安全设离等提示信息。然后，将声音文件通过编程器写入ISD2560。在系统需要时，AT89C52单片机通过串行接口调用ISD2560的相应信息，输出到扬声器，实现语音提示。以下为ISD2560播放指定地址的子程序。

2．3 安全用电故障语音提示控制程序
安全用电故障语音提示控制程序框图，如图3所示。

3 比较实验
为了检验该智能化多功能安全用电保护器与传统的漏电保护器，进行在电路发生漏电、过载、短路、过压、欠压和触电等用电故障时的实验，比较断电响应时间及可靠性，语音提示等功能的优劣。
实验时首先把用电进行归类布线(照明、厨房、电视与电脑)分别控制。再把家庭用电器的名称、个数和功率及设置安全电压、安全电流值和时间时段分别存入单片机相应的存储单元内，为智能控制提供数据，用智能语音提示学习；存入到监控器的存储单元内。

4 结语
家居用电远程监控器利用对用电设备进行分类控制，避免了当某个用电器漏电或短路时其他用电器都不能用电的现象。通过电磁线圈获取安全用电控制信号，由AT89C52单片机对数据处理后，通过RS 232接口电路与GTM900I无线收发模块经GPRS网络用收发短信的方法把信息发送到指定的手机上，同样手机也可把控制指令发送到指定的监控上，实现家庭用电器的智能化、远程控制。并且加上时间继电器、ISD2560语音芯片和扬声器，不但能实现对可视设备的远程管理，而且还能督促小孩学习。实验表明，该监控器具有良好的安全性、可靠性和实用性。该监控器具有良好的市场前景，值得推广应用。