南京工程學院　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，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是當前電氣工作的當務之急。以往的剩余電流檢測裝置檢測電路較為復雜、精度不高、同時需花費較高的制作成本，不能同時滿足剩余電流檢測的智能化模塊化和自動化的需求。本設計在此背景下對其進行了改進，采用單片機作為開發(fā)平臺，STC89C52單片機作為控制系統(tǒng)，PCF8591作為A/D轉(zhuǎn)換芯片。本系統(tǒng)除能確保實現(xiàn)剩余電流檢測的基功能外，還可以方便進行遠程測量結(jié)果傳送，在發(fā)現(xiàn)漏電現(xiàn)象時發(fā)出告警信號等擴展功能。

【關鍵詞】剩余電流；51單片機；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)漏電所導致的超過半數(shù)，因此加強對剩余電流的檢測技術非常必要[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、設備損壞和短路以外，還會對繼電保護功能造成影響[2]。近年來，剩余電流檢測技術發(fā)展迅速，被廣泛應用在低壓網(wǎng)絡的剩余電流動作保護器上，在低壓供電系統(tǒng)中防止人身觸電和漏電火災等方面起到了有效的防護作用。多年的運行經(jīng)驗表明，漏電保護器的推廣使用，可有效防止觸電傷亡事故，減少因漏電而引起的火災事故，同時還能監(jiān)測線路的絕緣水平，起到安全用電的作用[3,4]。除安裝剩余電流動作保護器外，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行改進后，采用STC89C52單片機來控制電路，具有較高精度、較強抗干擾能力、較好靈敏性等特點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，采用單片機為主體，結(jié)合了計算機技術與測量控制技術，在測量過程自動化，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)場的技術工人及時發(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。

1　測量原理

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，通過剩余電流互感器感應出剩余電流，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，再由單片機計算和校準后通過LED數(shù)碼管顯示出來，由此制作出一個簡易的剩余電流檢測儀[5]。

2　硬件部分

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)滑動變阻器的方法來選取電阻R的值進行精度的調(diào)節(jié)。

2.2橋式整流濾波電路設計

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個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I2C總線接口，單片集成、功耗較低、獨立供電，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行傳輸，I2C總線系統(tǒng)具有很大的靈活性和獨立的電氣特性，可以達到令人滿意的效果。轉(zhuǎn)換是用單片機控制模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片（A/ D），使它對外部的一個模擬信號進行采樣，量化然后轉(zhuǎn)化為一個離散的數(shù)字量，再提供給控制器做進一步處理。

2.4單片機控制電路

主控制電路采用的STC89C52單片機是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，是一個智能多功能的單片機。該單片機編程簡單，下載程序方便，指令執(zhí)行速度快，性價比較高，其相關程序固化在片內(nèi)的FlashROM中。在本設計方案中，單片機的I/0口輸出信號來控制A/D啟動轉(zhuǎn)換，將送入的模擬信號轉(zhuǎn)換成一個8位數(shù)字量，然后通過I/0口送回單片機內(nèi)部進行處理，單片機進行一系列的運算和校準后，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顯示電路設計

LED與單片機通過動態(tài)硬譯碼連接[5]。單片機輸出口接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，可很好滿足本設計的需要。LED數(shù)碼管具有視角大、亮度高、可視距離遠、可靠性高、故障少、響應速度快、耗電少、使用壽命長、成本低等特點。該顯示電路原理簡單，利于生產(chǎn)。

3　軟件部分

主程序要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理并動態(tài)顯示的三項功能，分別實現(xiàn)軟件程序的初始化，A/D數(shù)據(jù)采樣以及數(shù)碼管的實時顯示。整個系統(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

初始化模塊實現(xiàn)的功能是對STC89C52單片機內(nèi)部部件及擴展芯片進行初始工作狀態(tài)設定。初始狀態(tài)包括定時器、中斷、啟動顯示，初始化子程序的主要工作是根據(jù)程序定時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,程序的定時器以及中斷等初始值以設為預定值，軟件部分在此基礎上進一步通過主程序調(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，并將對應的數(shù)值存入相應的內(nèi)存單元。最終，軟件運算結(jié)果向單片機輸出數(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。

顯示子程序采用動態(tài)顯示模式，通過軟件實時掃描實現(xiàn)對四位數(shù)碼管的數(shù)值的實時顯示。根據(jù)視覺暫留原則，人眼的視覺暫留時間約為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間，以造成視覺暫留的效果。因此，在采取動態(tài)掃描顯示方式時，需要對LED設置適當?shù)膾呙桀l率來獲得較為清晰且均勻的顯示。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)顯示，當掃描頻率設置為70Hz左右時，數(shù)據(jù)實時顯示能夠產(chǎn)生較為理想的顯示效果，軟件上一般可以每間隔10ms對LED進行一次動態(tài)掃描，每位LED的顯示時間為1ms。

在本案例的程序設計中，為了簡化硬件設計，忽略軟件定時的一些不精確度，主要采用軟件定時的方式進行定時。具體方法為通過定時器的溢出中斷功能實現(xiàn)11μs定時，通過軟件延時程序來實現(xiàn)5ms的延時。

4　結(jié)論

本設計為基于STC89C52單片機開發(fā)平臺的一種便捷式智能化剩余電流檢測儀表。該系統(tǒng)采用單片機作為控制核心，通過電流互感器以及橋式整流濾波電路實現(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)換實現(xiàn)了輸入量程的自動轉(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行顯示。該設計的精度較傳統(tǒng)剩余電流檢測裝置有所提高，同時具有較強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展功能，如通過GPRS進行遠程測量結(jié)果傳送，以及與漏電排查軟件配合，在發(fā)現(xiàn)漏電現(xiàn)象時發(fā)出告警信號，通過GPS實現(xiàn)漏電出線的定位等。

參考文獻

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[2]張冠英,楊曉光,李奎,等.剩余電流互感器的設計與特性分析[J].天津大學學報,2011(6):547-552.

[3]李奎,陸儉國,武一,等.自適應漏電保護技術及其應用[J].電工技術學報,2008,23(10):53-57.

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[5]武一,李奎,王堯,等.基于單片機的漏電保護智能化技術[J].低壓電器,2008(7):20-23.

[6]王兆安,劉進軍.電力電子技術(第五版)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009:58-70.

[7]李威.基于單片機的LED顯示系統(tǒng)設計[J].電子技術,2014(10):14-15．

包敏佳（1994—），女，江蘇常熟人，大學本科在讀，研究方向：電力系統(tǒng)自動化。

作者簡介：