文/王見樂

智能型漏電保護(hù)器檢測儀硬件設(shè)計

文/王見樂

本文根據(jù)漏電保護(hù)器的工作原理及檢測方法，設(shè)計了一款智能型漏電保護(hù)器檢測儀。硬件以單片機(jī)為核心，配置了鍵盤、液晶顯示器。外圍電路包括穩(wěn)壓直流電源、數(shù)據(jù)采集電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、可控電流源電路、外部EEPROM電路、日歷時鐘電路、串口RS-232電路、外部RAM擴(kuò)展電路等。同時考慮到噪聲對檢測精度的影響，設(shè)計了抗干擾系統(tǒng)。

1 漏電保護(hù)器工作原理

漏電保護(hù)器是一種用于低壓電網(wǎng)安全用電的保護(hù)器，這種電器的安裝使用是防止人身觸電傷 亡事故的有效技術(shù)措施，亦是防止由電源漏電引起的電能損耗、電氣火災(zāi)和電氣設(shè)備損壞事故的技術(shù)措施。

漏電保護(hù)器是依靠檢測觸電信號和漏電故障信號而推動主電路開關(guān)動作，切斷故障處的電源，以防止觸電事故發(fā)生的。檢測觸電信號，可用來防止直接接觸觸電事故的發(fā)生；檢測漏電故障信號，則可以防止間接接觸觸電事故的發(fā)生。無論是檢測觸電信號，還是檢測漏電信號，其故障信號的形式可以是漏電故障電流（包括觸電電流）在接地裝置或檢測元件上產(chǎn)生的電壓降。當(dāng)被保護(hù)電路無觸電和漏電故障時，正常情況下通過漏電保護(hù)器零序電流互感器的一次側(cè)電流的相量和等于零，這樣，各相線工作電流在零序電流互感器環(huán)形鐵芯中所產(chǎn)生的磁通量也為零，零序電流互感器的二次側(cè)線圈沒有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生，漏電保護(hù)器不動作，系統(tǒng)保持正常供電。當(dāng)被保護(hù)電路有人觸電或出現(xiàn)漏電事故時，由于漏電流的存在，使得通過零序電流互感器一次側(cè)的各相負(fù)荷電流（包括中性線電流）的相量不再為零，產(chǎn)生漏電流，此時，在零序電流互感器的環(huán)形鐵芯上將有勵磁磁勢存在，所產(chǎn)生的通量和不為零，因此，零序電流互感器的二次側(cè)線圈在交變磁通的作用下，就有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生，此信號電壓經(jīng)過中間環(huán)節(jié)的處理和比較，當(dāng)達(dá)到預(yù)期值時，主開關(guān)的勵磁線圈通電，驅(qū)動主開關(guān)動作，迅速切斷被保護(hù)電路的供電電源，從而達(dá)到防止觸電事故發(fā)生目的。

2 智能型漏電保護(hù)器檢測儀硬件設(shè)計

根據(jù)漏電保護(hù)器的工作原理，本文設(shè)計出智能型檢測儀的電路圖，按照電路圖設(shè)計如下硬件框圖。

漏電保護(hù)器智能測試儀結(jié)構(gòu)框圖

圖中該系統(tǒng)以八位單片機(jī)W78E516B為核心，它協(xié)調(diào)控制鍵盤、LCD液晶顯示器及外圍各電路的工作完成測試任務(wù)。漏電保護(hù)器智能測試儀由以下幾個部分組成：單片機(jī)；數(shù)據(jù)采集電路，包括A/ D轉(zhuǎn)換、電壓跟隨等電路；受控電流源，包括D/A轉(zhuǎn)換、三極管放大等電路；外部電可擦寫數(shù)據(jù)存儲器EEPROM；日歷時鐘電路PCF8583；串口RS-232；直流工作電源等幾個主要部分組成。

對于該測試儀，考慮到工作電源的穩(wěn)定性、功率等直接影響測試儀的測試精度和穩(wěn)定性，且市場上的開關(guān)電源價格較高，而且輸出電壓紋波較大，同時為節(jié)約成本，本系統(tǒng)電源電路采用穩(wěn)壓電源電路?？紤]到芯片的穩(wěn)定性與靈活性，以及開發(fā)工具如仿真器、編程器等的限制，本測試儀選W78E516B作為單片機(jī)系統(tǒng)的核心，它功能強(qiáng)大，且與80C51引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。同時分別設(shè)定該單片機(jī)的各外設(shè)電路：外接晶振電路、復(fù)位電路、外部RAM擴(kuò)展電路、液晶顯示電路、鍵盤電路、可控電流源電路、數(shù)據(jù)采集電路、外接EEPROM、外接日歷時鐘電路、串口RS-232電路、斷電檢測電路等。

3 系統(tǒng)硬件抗干擾設(shè)計

噪聲和干擾是智能儀器儀表的大敵，它混在信號之中，會降低儀器的有效分辨能力和靈敏度，使測量結(jié)果產(chǎn)生誤差。本系統(tǒng)主要從兩個方面來提高測試儀的抗干擾能力，一方面是選擇合適的元器件；另一方面是合理設(shè)計印刷電路板（PCB板，簡稱印制板）。本次元器件的選擇主要遵循以下兩個原則：（1）首選HC系列的元器件；（2）器件的電氣參數(shù)保證足夠的裕量：功率器件必須降額使用，電壓安全系數(shù)取2～3，電流安全系數(shù)取1.5～2；高速器件保證時序裕量。印制板電路的設(shè)計布局遵循了以下主要的抗干擾原則：合理布局器件，合理布線，去耦電容配置。

除了考慮以上兩點外，本測試系統(tǒng)還從以下幾個方面加強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力：（1）采用兩套獨立+5V電源分別對單片機(jī)系統(tǒng)和液晶背光供電，（2）在某些芯片的電源腳與地之間加雙向TVS管。

4 總結(jié)

本文主要介紹所設(shè)計的智能型漏電保護(hù)器檢測儀的硬件部分及其抗干擾能力的設(shè)計。

（作者單位：湖北文理學(xué)院）