基于單片機的漏電保護插座的電路設計

巢玉江，袁紅兵

CHAO Yu-jiang,YUAN Hong-bing

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

0 引言

隨著社會的發(fā)展，人們在生活中接觸電氣設備的機會越來越多，電氣安全事故發(fā)生的幾率也越來越大[1]。在家庭用電過程中，由于電氣設備本身的缺陷、使用不當和安全技術措施不利而造成的人身觸電和火災事故，給人民的生命和財產帶來了不應有的損失，綜合國內外的漏電保護現狀，迫切需要一種預防各類事故的發(fā)生，及時切斷電源，保護設備和人身安全的技術手段。

對此，本文提出了一種基于STC12C2052AD單片機的漏電保護插座的電路設計方案。本方案經過實驗驗證完全滿足漏電信號的檢測和后續(xù)電路的控制。

1 系統(tǒng)總體結構設計

該漏電保護插座的電路系統(tǒng)由單片機系統(tǒng)模塊、漏電信號調理模塊、電源轉換模塊和驅動電路模塊四大部分組成。其中單片機采用的是STC12C2052AD系列單片機,該系列帶A/D轉換的單片機的A/D轉換口在P1口（P1.7-P1.0）,有8路8位高速A/D轉換器，速度可達到100KHz(約10萬次/秒)；漏電信號調理模塊采用運算放大器LM324芯片對互感傳感器產生的漏電信號進行放大；電源轉換模塊通過穩(wěn)壓二極管1N4749A和78M05把220V交流電轉換為穩(wěn)定的5V直流電源；驅動電路模塊通過光耦把單片機產生的弱電信號轉換成強電控制信號，控制后續(xù)的斷電機構進行斷電操作。該電路系統(tǒng)的單片機實時的進行漏電數據采集，當采集到的漏電量超過規(guī)定值時單片機產生一個切斷電源的信號。該信號通過光耦把單片機的控制信號轉化為強電信號從而控制機械部分執(zhí)行切斷電源的動作。漏電保護插座的電路系統(tǒng)總體結構示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構示意圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 電源轉換模塊

由于該保護插座的電路要嵌入到插座的內部，所以對電路的體積有了很嚴格的限制。綜合比較了電池供電、普通互感降壓和穩(wěn)壓二極管降壓電路的優(yōu)缺點，本設計選擇并優(yōu)化了穩(wěn)壓二極管降壓電路。經過實驗驗證該電路完全可以把220V的交流電轉換為穩(wěn)定的5V直流電源。轉換后5V電源的功率完全滿足該電路系統(tǒng)的需要。電源電路的原理圖如圖2所示。直流穩(wěn)壓電源輸出穩(wěn)定性是保證獲得高檢測精度的前提[2～4]。為了實現電源電路的穩(wěn)定輸出，本設計首先通過Multisim軟件對電源電路模塊進行仿真模擬，其仿真結果如圖3所示。

圖2 電源轉換電路原理圖

圖3 電源轉換電路仿真結果

2.2 漏電信號調理模塊

由于STC12C2052AD單片機自帶的A/D只能采集0-5V的模擬信號，而根據霍爾磁式原理做成的互感傳感器產生的信號電壓為毫伏級信號。所以本設計采用了LM324芯片組成的放大電路對漏電信號進行了放大處理。由于運放放大器芯片的工作電壓為5V，所以放大后的信號不會超過5V，滿足單片機引腳的限壓要求。放大后的信號經過R15限流后直接接入單片機的P1.1引腳進行A/D轉換。漏電信號調理模塊的原理圖如圖4所示。

圖4 漏電信號調理模塊原理圖

2.3 單片機系統(tǒng)模塊和驅動電路模塊

單片機系統(tǒng)采用STC單片機經典的最小外圍系統(tǒng)。其中利用該單片機的P1.1引腳采集漏電信號。當漏電量超過漏電要求時P1.6引腳產生控制信號，該控制信號經過光耦轉換成控制可控硅的G引腳的信號。可控硅控制后續(xù)相應的電路執(zhí)行相應的機械動作達到切斷電源的目的。

3 系統(tǒng)軟件設計

應用軟件主要包括主程序、初始化A/D子程序和A/D中斷服務子程序三大部分。為了保證實時的采集漏電信號，本系統(tǒng)軟件在時序上采用連續(xù)的采集和比較方式處理的設計方式。系統(tǒng)上電，A/D初始化完成后就進行數據的采集轉換。當A/D轉換完成后產生A/D中斷，在A/D中斷服務子程序里進行數據處理。如果數據小于預定值，結束中斷進行下一次的A/D轉換。如果A/D轉換的結果大于或等于預定值則說明漏電量超過了安全標準應該把單片機的P1.6拉低。P1.6拉低會控制后續(xù)的電路執(zhí)行相應的動作，從而切斷電源。MSC-51系列單片機被廣泛應用于儀器儀表、工業(yè)控制、 智能終端等諸多領域。隨著軟件技術的迅猛發(fā)展，要求單片機系統(tǒng)應具有一定的數據處理能力。常用的匯編語言難以勝任大數據的管理和復雜的數學運算，而且程序可讀性和可移植性也比較差。 目前 C語言基本上克服了上述缺陷. 使程序大大簡化[5,6]。所以本電路系統(tǒng)的軟件也采用C語言進行書寫。該系統(tǒng)的軟件流程圖如圖5所示。軟件代碼如下：

圖5 系統(tǒng)的軟件流程圖

4 結束語

本文提出了一種基于STC12C2052AD單片機的漏電保護插座的電路設計方案。該方案使用的元器件較少、成本較低低和體積較小，從而易于嵌入到普通墻壁插座的內部。經實驗驗證該方案達到了漏電保護的準確性和實時性要求。能夠很好的保護家用電器的安全以及人生安全。

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