漏电检测仪表设计方案

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。
　　
　　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。
　　
　　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10bitA/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EEPROMAT24C02。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。
　　
　　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。
　　
　　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。