基于NEC单片机的漏电检测仪表的设计

引言
　　随着电子仪器、电子设备的广泛使用，特别是家用电器的普及，家用电器的用电安全性问题不可忽视。泄漏电流、绝缘电阻、电气强度并称为电气安全性能中的3大电参数。其中泄漏电流，尤其是工作温度下的泄漏电流是1个最能确切反映实际工作状态的安全电参数;也是一个对人体安全有着直接影响的电参数。因为，当电源线一端接地，人体触及电器外壳的情况下，电器泄漏电流会通过人体流人大地，可能导致人身伤亡。因此，漏电检测无论是对家用电器还是对人的自身安全都具有十分重要的意义，通过对漏电的检测，可以根据漏电的情况作出具体的反应，从而保护电路及人身财产安全。
　　漏电检测原理
　　对电力系统回路进行漏电检测的方法有很多，如绝缘监测装置，低频探测法，变频探测法，霍尔磁式平衡等。本设计采用了霍尔磁式平衡原理，为克服传感器的剩磁所带来的对系统检测到的漏电大小的影响，采取了将零点设计为可以通过按键调整的系统。
　　霍尔磁式平衡检测的基本原理如图1所示。观察直流系统任一支路, 从电源正端流出的电流IL+ , 流经支路全部负载后, 返回电源负端的支路电流为IL- , 当该支路没有接地电流时, IL+ =IL- , 穿过传感器的电流大小相等, 传感器无输出。而当发生触电或漏电事故时, 假设接在正极母线上的支路经电阻R 接地, 接地电流为IR , 则IL+=IL- +IR , 流经传感器的电流大小不等, 传感器输出一个反应该差值IR 大小和方向的信号。据此可以判断出接地电阻的大小和接地支路的极性。

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霍尔磁平衡检测方法具有以下优点
　　·无须向直流系统注入低频交流信号, 与被测系统没有任何电气联系;
　　·由于传感器检测的是直流接地信号(IR) , 因此与系统分布电容无关;
　　·接地判据为电流, 与系统母线电压无关;
　　·能检测同一支路正、负极绝缘同等下降或成比例下降的故障;
　　·检测灵敏度高, 能检测到的接地电阻范围宽, 可在线巡回检测。
　　当然这种方法也存在不足之处,：采用磁平衡原理做成的有源传感器, 当一次测有电流变化或有电流冲击时, 易发生剩磁变化, 尤其是传感无源时, 受电流冲击后, 剩磁变化更大。这种剩磁变化会严重造成电流、电压放大器及A/D 转换器的直流偏移, 导致使用以上方法做成的选线装置零点不断漂移, 需及时调节装置的零点及传感器特性, 才能保证选线装置的精度及稳定性, 不仅给现场带来极大的麻烦和不便, 而且造成选线装置的不准。
　　为了解决传感器的剩磁的问题，我们特地设置了一个零点调整功能，这样通过校准之后，就可以消除剩磁所带来的影响。
　　霍尔磁式平衡检测法对信号处理的要求不高, 因为从霍尔传感器得到的是直流信号, 信号经放大和简单的硬件滤波后, 进行A/D 转换, 只需对数据进行简单的数字处理即可满足系统的要求。
　　系统设计
　　利用NEC单片机实现霍尔磁平衡原理的漏电检测的系统设计框图如图2所示。传感器能够在电路回路中，将流进和流出的电流转换为直流的电压输出，这样的信号再经过放大和预处理后，就可以送到NEC单片机上进行A/D转换，模拟信号转变为数字信号。在NEC单片机中，对采集到的信号数据进行分析处理，得到漏电电流的大小，并将数据输出到数码管显示，从而根据该数据判断是否需要对电路采取某种控制处理，如关断电路，发出报警信号等。

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2 漏电检测系统设计框图
　　UPD78F9234单片机是NEC公司生产的8位ALL-FLASH系列微处理器，该单片机具有优越的性能：集成了一个4通道的10bit A/D转换器;内置高精度的环形振荡器;低功耗，宽电压范围，超高抗干扰;支持在线编程(ISP。
　　漏电信号采集模块
　　漏电信号的采集是通过霍尔传感器实现的 ，从霍尔传感器得到的是直流信号，信号经过放大和滤波，即可送到单片机，进行A/D转换处理。
　　参数存储模块
　　在系统投入工作前要进行参数设置，如产品序列、零点调整、比例系数、代码修改密码等参数，系统将这些参数写入到EEPROM中。为了减少读写EEPROM的次数，在系统开机时将数据从EEPROM中读出，保存在单片机的RAM中。

本系统采用的是具有I2C接口的2kbits容量的EEPROM AT24C02。I2C总线极大地方便了系统的设计，无须设计总线接口，且有助于缩小系统的PCB面积和复杂度。参数存储单元电路如图3所示。

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3 参数存储电路
　　在图3中所示的电路中，AT24C02的地址为000，电阻R201和R202起拉高的作用，SCL与SDA为接入单片机I/O的连接线，用于I2C总线时钟和数据的传输操作。
　　人机接口模块
　　人机接口部分采用简洁的4键输入控制和五位七段数码管显示。可以进行参数设定和实时显示漏电数据，以实现较好的人机交互。本设计采用在软件上对输入进行消抖处理方案，并对按键状态进行连续的判断处理，直到按键松开为止，然后才执行相应的处理程序。漏电数据显示采用五位七段数码管动态显示方式，使用74HC595锁存动态显示数据。本设计巧妙地将按键输入与动态显示数位选择端口共用，减少了单片机端口的应用，从而达到系统优化及降低产品成本的目的。
　　软件设计
　　漏电检测电路的软件设计流程图如图4所示：系统启动后，立即执行系统初始化程序，从EEPROM中读取设定的参数，接着将这些数据逐个显示出来，可供操作人员核对。然后开始调用A/D采样子程序，获取10位精度的漏电信号数据，经过处理可以得到最终的漏电大小，再将数据输出到数码管显示。

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图4 系统软件设计流程
　　由于有时使用人员要对参数进行检验和修改，在上述流程中，我们插入了按键扫描模块，通过按键可以进入到参数检验和修改设置状态。
　　结语
　　随着单片机技术的发展，单片机在电气装置领域也得到广泛应用，使各种电气设备朝着数字化、智能化的方向发展。基于NEC单片机UPD78F9234芯片设计的漏电监测仪，结构简单，软硬件协调，功能全面。