基于ARDUINO的跨步電壓檢測報(bào)警裝置研制

沈歡勝++陸強(qiáng)++顏加仁++曾林

摘 要：利用Arduino標(biāo)準(zhǔn)化單片機(jī)集成模塊，從硬件和軟件兩方面論述了一種跨步電壓檢測報(bào)警裝置，該裝置通過導(dǎo)線將安裝在絕緣靴底部的金屬棒接到電壓檢測報(bào)警裝置，引入兩腳之間的電壓量，再經(jīng)過降壓和AC/DC轉(zhuǎn)換電路，利用 Arduino集成電路內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換功能實(shí)現(xiàn)電壓量的檢測，在檢測電壓高于特定數(shù)值時發(fā)出告警聲音，并可通過LED數(shù)碼管顯示測量值。

關(guān)鍵詞：Arduino 跨步電壓 電壓檢測

中圖分類號：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（c）-0104-02

我國東部沿海處于歐亞大陸與西北太平洋的過渡地帶，屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，是我國受臺風(fēng)、暴雨等災(zāi)害影響最嚴(yán)重地區(qū)之一。該地區(qū)220kV及以上變電站均為室外露天式變電站，各種高壓設(shè)備和端子箱都是直接暴露在室外，容易受到潮濕和雨水淹侵影響，部分地勢較低的變電站，道路和電纜溝特別容易積水。

按照變電站管理要求，惡劣天氣后必須對變電站設(shè)備進(jìn)行特巡，這樣較容易發(fā)生跨步電壓觸電事故。當(dāng)電氣設(shè)備發(fā)生接地或漏電故障，接地電流通過接地體向大地流散，在地面上形成分布電位，這時若人在接地短路點(diǎn)周圍行走，兩腳之間的電位差，就是跨步電壓[1]。當(dāng)跨步電壓達(dá)到40～50 V時，將有觸電危險(xiǎn)，特別是跨步電壓會使人摔倒進(jìn)而加大人體的觸電電壓，嚴(yán)重時會使人發(fā)生觸電死亡。

但是變電站沒有配置專門的檢測跨步電壓的裝置，常用的絕緣靴也不具備跨步電壓檢測功能，為了降低變電站的跨步電壓觸電風(fēng)險(xiǎn)，本文利用Arduino標(biāo)準(zhǔn)化單片機(jī)集成模塊，研制一種跨步電壓檢測報(bào)警裝置，可以安裝在常規(guī)絕緣靴上，當(dāng)跨步電壓值大于安全數(shù)值時發(fā)出告警，可提醒使用人員地面上是否有電，有利于及時地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在接地現(xiàn)象，警告人們遠(yuǎn)離漏電設(shè)備，并采取可靠措施，以便及時處理，消除人身安全威脅。

Arduino是一塊基于開放源代碼的Simple I/O平臺，該平臺由硬件和軟件兩部分組成，這兩部分都是開源的，開發(fā)語言類似java、C語言，具有開發(fā)環(huán)境簡單、易理理解的特點(diǎn)[2]。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，跨步電壓檢測報(bào)警系統(tǒng)由前部電壓采集端和電壓檢測報(bào)警裝置兩部分構(gòu)成。

如圖1所示，前部電壓采集端主要由絕緣靴上的U型金屬棒3、帶有絕緣外皮的導(dǎo)線5，以及導(dǎo)線上的專用插頭6等構(gòu)成，其主要作用是將絕緣靴所處的兩點(diǎn)電位通過導(dǎo)線引入電壓檢測報(bào)警裝置9上。前部電壓采集端利用帶有魔術(shù)貼的綁帶2和綁帶4，將U型金屬棒3綁在絕緣鞋1上。

電壓檢測報(bào)警裝置9主要由Arduino標(biāo)準(zhǔn)化單片機(jī)集成模塊及相關(guān)外圍電路構(gòu)成，并設(shè)有專用電源開關(guān)8、LED數(shù)碼管10，以及掛繩孔11，通過掛繩孔11可以將裝置掛到腰帶或者鑰匙扣上。

2 硬件設(shè)計(jì)

電壓檢測報(bào)警裝置的原理如圖2所示。通過電壓檢測報(bào)警裝置上的專用插孔5，引入兩腳之間的電壓量（當(dāng)電壓過大時通過壓敏電阻進(jìn)行保護(hù)），再經(jīng)過降壓和AC/DC轉(zhuǎn)換電路1，將交流電壓量按比例轉(zhuǎn)成0～5V的直流電壓量，并接入Arduino標(biāo)準(zhǔn)化單片機(jī)集成電路4的模擬量輸入口A0，經(jīng)過Arduino內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換功能實(shí)現(xiàn)電壓量的測量，并經(jīng)比例系數(shù)調(diào)整后通過LED數(shù)碼管2進(jìn)行顯示；再利用Arduino的判斷邏輯，當(dāng)測量電壓值超過36V時，驅(qū)動蜂鳴器3發(fā)出告警聲。

Arduino共有14組數(shù)字輸入/輸出端Digital 0～13和6組模擬輸入/輸出端A0～5，這里我們用Digital 0～7控制LED數(shù)碼管的A～G和DP數(shù)據(jù)段，Digital 8～10控制LED數(shù)碼管選通位DG1～3，Digital 11控制蜂鳴器，用A0采集電壓量。

3 軟件設(shè)計(jì)

Arduino把單片機(jī)編程中很多常用的功能，如延時、數(shù)據(jù)讀寫、中斷等都被模塊化封裝成一個個子程序供開發(fā)者調(diào)用，開發(fā)者只需著眼于程序的邏輯結(jié)構(gòu)，而不必關(guān)心底層函數(shù)的具體設(shè)計(jì)，從而大大降低了程編程的復(fù)雜程度[3]。

從功能上，電壓檢測報(bào)警裝置主要有三段程序，分別是AD轉(zhuǎn)換程序、數(shù)碼管顯示程序和蜂鳴器報(bào)警程序。

3.1 AD轉(zhuǎn)換程序

Arduino有6個AD轉(zhuǎn)換口，可以測量0～5V的直流電壓，并將其轉(zhuǎn)換為0到1023的數(shù)字量輸出。經(jīng)過前端的降壓和AC/DC轉(zhuǎn)換電路，將所需要測量的交流電壓量轉(zhuǎn)換為0～5V的直流電壓量，以供Arduino的AD轉(zhuǎn)換口測量。Arduino的AD轉(zhuǎn)換具有10位的AD采樣精度，相對于二進(jìn)制而言有1024個單位（LSB），當(dāng)模擬輸入的電平為+5V時，其分辨率為每LSB為4.88 mV，相對誤差為0.1%左右[4]，可以滿足一般的測量精度要求。借助于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字萬用表，可以算出交流電壓輸入量和Arduino的AD轉(zhuǎn)換輸出量之間的系數(shù)，從而可以進(jìn)行輸出校準(zhǔn)。同時，本裝置還設(shè)置了一個精密可調(diào)電阻，也可以用于校準(zhǔn)。

AD轉(zhuǎn)換程序分兩步，先讀取模擬輸入口A0的數(shù)值，然后按照比例系數(shù)調(diào)整輸出。

ACinput=analogRead（0）；//讀取模擬口A0的電壓值，數(shù)值從0到1023

ACoutput=map（ACinput，0，1023，0，500）；//將讀取到的電壓值，按比例調(diào)整0到500

為了提高抗干擾性，得到更加穩(wěn)定的度數(shù)，可以多次讀取數(shù)據(jù)并計(jì)算平均值。

3.2 數(shù)碼管顯示程序

數(shù)碼管顯示程序可以按照以下步驟進(jìn)行：

（1）定義三個全局變量digitalBit3、digitalBit2、digitalBit1，用于存放分解好的整數(shù)百位、十位和個位。

（2）定義一個函數(shù)void digitalBit（int ACoutput）， 用于將一個999以內(nèi)的整數(shù)分解為百位、十位和個位三個數(shù)字。ACoutput是需要分解的整數(shù)，分解后的百位、十位和個位數(shù)字分別存于3個全局變量digitalBit3、digitalBit2、digitalBit1中。endprint

（3）定義10個子函數(shù)，分別用于顯示數(shù)字0～9，以下是用于顯示數(shù)字“1”的函數(shù)。

void digital_1（void） //顯示數(shù)字1

{

unsigned char j；

digitalWrite（0，HIGH）；//給數(shù)字引腳0高電平，熄滅a段

digitalWrite（1，LOW）；//給數(shù)字引腳1低電平，點(diǎn)亮b段

digitalWrite（2，LOW）；//給數(shù)字引腳2低電平，點(diǎn)亮c段

for（ j=3；j<=7；j++）

digitalWrite（j，HIGH）；//給數(shù)字引腳3～7高電平，熄滅其余段

}

（4）在setup（）函數(shù)中設(shè)置0～10引腳為輸出模式

int i；//定義臨時變量

for（i=0；i<=10；i++）

pinMode（i，OUTPUT）；//設(shè)置0～10引腳為輸出模式

（4）動態(tài)顯示百位、十位和個位的數(shù)字。

先確定所要顯示的數(shù)字，然后選通數(shù)碼管的百位，并保持20ms，再取消數(shù)碼管的百位。按照同樣的原理，依次顯示十位和個位數(shù)字。

3.3 蜂鳴器報(bào)警程序

蜂鳴器使用內(nèi)部帶有驅(qū)動電路的有源蜂鳴器，正極通過限流電阻接到電源上，負(fù)極接到Arduino數(shù)字輸出引腳Digital 11上，當(dāng)數(shù)字輸出引腳Digital 11為低電平時，蜂鳴器發(fā)聲。

4 結(jié)語

本跨步電壓檢測報(bào)警裝置解決了變電站內(nèi)使用的常規(guī)絕緣靴不具備跨步電壓檢測報(bào)警的功能的問題，同時該裝置可以有效地測量兩腳之間的跨步電壓數(shù)值，并且當(dāng)跨步電壓值大于安全數(shù)值時發(fā)出告警，可提醒使用人員地面上是否有電，有利于及時地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在接地現(xiàn)象，以便及時處理，消除人身安全威脅。

同時，本實(shí)用新型跨步電壓檢測報(bào)警裝置采用了Arduino標(biāo)準(zhǔn)化單片機(jī)集成電路板，方便開發(fā)和調(diào)試，降低了成本。

該成果目前已經(jīng)申請了國家專利，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，值得推廣。

參考文獻(xiàn)

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[3] 紀(jì)欣然.基于arduino開發(fā)環(huán)境的智能尋光小車設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012（15）：161-163

[4] 陳倩詒.單片機(jī)片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)用于交流量的測量[J].電子技術(shù)，2003（10）：21-23.endprint