基于STM32的智能漏電檢測裝置研制

張軍達(dá)+鄭則誠+姚天一+程斌+陳梁豪

摘 要：本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種智能的漏電流檢測裝置，包括設(shè)備供電的設(shè)計(jì)、剩余電流/負(fù)荷電流互感器的設(shè)計(jì)、測量電路的設(shè)計(jì)、顯示及操作部分的設(shè)計(jì)和無線通信的設(shè)計(jì)，并給出詳細(xì)的軟硬件設(shè)計(jì)方案。該設(shè)備控制單元以STM32F103RCT6為核心，實(shí)現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)之間的無線通信，及指令信息的輸入和顯示。經(jīng)實(shí)測驗(yàn)證，該裝置能夠快速準(zhǔn)確地檢測并定位漏電故障點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)主從機(jī)之間的可靠通信，解決了故障檢測中定位難且耗時(shí)長等突出問題，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：漏電；檢測；微處理器；無線通信

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.128

0 引言

目前各地在運(yùn)行的剩余電流保護(hù)器及電網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)[1]-[3]，大多涉及臺(tái)區(qū)配電柜內(nèi)的漏電總保護(hù)器，部分?jǐn)U大到分級保護(hù)箱。用戶端和分支線路尤其是分支線路上短時(shí)間、瞬間漏電流則無法準(zhǔn)確并及時(shí)地被檢測和定位[4]。本文基于STM32微處理器研制了一種漏電流檢測裝置，給出詳細(xì)的軟硬件設(shè)計(jì)方法。測試證明該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了方便、快速和準(zhǔn)確的故障定位。

1 智能漏電檢測裝置的硬件設(shè)計(jì)

智能漏電檢測裝置可分為主機(jī)和從機(jī)兩部分，主要功能包括漏電流檢測、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、界面操作、LCD顯示、主從機(jī)間通信等。檢測和定位漏電故障時(shí)，主機(jī)由檢測人員手持操作，從機(jī)則作為信號(hào)采集和處理端被置于各疑似故障電纜處，并與主機(jī)無線通信，檢測裝置的設(shè)計(jì)原理如圖1所示。作為檢測裝置中用于控制整個(gè)系統(tǒng)的核心部件——微控制單元，選用增強(qiáng)型32位RISC內(nèi)核，型號(hào)為STM32F103RCT6。主頻72MHz，具有10位高精度A/D。其包含2個(gè)12位的ADC，3個(gè)通用16位定時(shí)器，1個(gè)PWM定時(shí)器。

1.1 供電單元設(shè)計(jì)

該檢測設(shè)備的主從機(jī)均采用高容量可充電的鋰電池，且續(xù)航能力強(qiáng)。其充電電路分別如圖2所示，選用TP4056作為鋰離子電池的充電控制器，實(shí)現(xiàn)恒定電流/恒定電壓線性控制。

充電電壓固定為4.2V，充電電流可通過外部電阻器進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)充電電流達(dá)到最終浮充電壓后降至設(shè)定值的1/10時(shí)，TP4056將自動(dòng)終止充電過程。當(dāng)輸入電壓被移除時(shí)，該集成電路自動(dòng)進(jìn)入低電流狀態(tài)，使得鋰電池的漏電流在2μA以下。

其中R2位分壓電阻，在大電流充電時(shí)可減輕TP4056的功耗，充電電流的大小則通過R9進(jìn)行調(diào)節(jié)。R4和R8為電池電量采樣分壓電阻，經(jīng)C4濾波后進(jìn)入MCU的A/D端口，進(jìn)行采樣并計(jì)算電池電壓。若電池電壓低于3.4V，MCU將執(zhí)行關(guān)機(jī)操作，以免耗盡電池進(jìn)而影響使用壽命。

1.2 電流測量單元設(shè)計(jì)

電流測量單元屬于檢測裝置中的從機(jī)部分，針對傳輸電纜中剩余電流及負(fù)荷電流均能進(jìn)行測量，并且可根據(jù)需要手動(dòng)切換。采用直徑6cm的開口式鉗形表頭互感器，在導(dǎo)磁片外圍套有特殊合金屏蔽罩，有效避免外界磁場干擾的同時(shí)，保證測量數(shù)據(jù)的高精度和穩(wěn)定度。

當(dāng)電纜中產(chǎn)生剩余電流時(shí)，穿過磁環(huán)的相線和中性線的電流不再相等，進(jìn)而在磁環(huán)中產(chǎn)生交變磁場，二次線圈中感應(yīng)出電動(dòng)勢。采集到該輸出信號(hào)，經(jīng)處理后輸入MCU。

剩余電流的量程為0-999mA，負(fù)荷電流的量程則為0-800A。HGQ為交流互感器的信號(hào)輸入，D3為雙向齊納二極管，防止輸入信號(hào)幅值過大損壞運(yùn)放。S1為漏電流/電流檢測模式切換，在電流檢測模式下S1的3腳接地，輸入信號(hào)的負(fù)載為R19、R20、R21三個(gè)電阻并聯(lián)，以避免信號(hào)幅值過大而超出MCU的采樣范圍。而在漏電流檢測模式下，輸入信號(hào)的負(fù)載為R19和R20，以獲得適當(dāng)?shù)男盘?hào)幅值，同時(shí)S1的1腳接地，MCU檢測Itype腳為低電平，執(zhí)行漏電流測量程序，否則執(zhí)行電流測量程序。R23和R24用于調(diào)節(jié)漏電流和電流測量模式下的運(yùn)放放大倍數(shù)。

R14和R15決定交流輸出信號(hào)中心點(diǎn)的電壓，取值需確保表頭能正常歸零。

1.3 無線通信單元設(shè)計(jì)

主機(jī)能收發(fā)30-50m遠(yuǎn)距離的1-99個(gè)懸掛在架空線上從機(jī)的信息數(shù)據(jù)和指令。主機(jī)和從機(jī)均采用外置天線，通信方式為FSK雙向半雙工，發(fā)射功率小于等于10dBm，通信頻率為433MHz。

采用IIC總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)為高電平時(shí)數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定，只在時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)，數(shù)據(jù)線上的高低電平才可以變化。其中主機(jī)MCU STM32F103RCT6的PC11-PC12腳分別為IIC的外置EEPROM數(shù)據(jù)和時(shí)鐘，PA2_U2_TX和PA3_U2_RX腳分別為無線模塊串口的RX和TX（波特率為9600）。從機(jī)中STM32F103RCT6的PA9-PA10腳為串口數(shù)據(jù)通信，PB8-PB9腳為EEPROM IIC通信，PB12-PB15腳接外部RTC模塊。

1.4 圖顯及操作單元設(shè)計(jì)

主機(jī)采用128×128的3寸LCD液晶顯示屏，從機(jī)則選用128×64的0.96寸OLCD。主機(jī)中STM32F103RCT6的PA7、PA15、PB3-PB9、PB13-PB15、PC4-PC8、PC10、PC13和PD2共20個(gè)管腳作為鍵盤輸入，并配置成上拉輸入。

共設(shè)有6檔剩余電流超限告警值可選，分別為50、75、100、200、300、500mA。可通過面板上的按鍵進(jìn)行設(shè)定更改，也可通過相應(yīng)配套的無線接收主機(jī)進(jìn)行檔位的設(shè)定更改。能記錄24h內(nèi)發(fā)生超限漏電的次數(shù)、漏電量的數(shù)值、發(fā)生的時(shí)間、地址。也能啟動(dòng)裝置內(nèi)的告警聲響或報(bào)警燈閃爍。

2 智能漏電檢測裝置的軟件設(shè)計(jì)

2.1 流程設(shè)計(jì)

智能檢測裝置的總體流程設(shè)計(jì)，其中電量監(jiān)測、按鍵監(jiān)測、時(shí)鐘更新、藍(lán)牙狀態(tài)更新、UI界面更新、串口接收任務(wù)等都是運(yùn)行在整個(gè)系統(tǒng)的后臺(tái)，因此不在每個(gè)狀態(tài)機(jī)內(nèi)。

2.2 通信格式

每個(gè)字節(jié)含8位二進(jìn)制碼，在傳輸時(shí)加上一個(gè)起始位（0）、一個(gè)偶校驗(yàn)位和一個(gè)停止位（1），共計(jì)11位。其中D0位字節(jié)的最低有效位，D7為最高有效位；傳輸時(shí)先傳低位，后傳高位。

數(shù)據(jù)域長度L的最大值為385（即32條報(bào)警記錄），數(shù)據(jù)域的結(jié)構(gòu)可以隨控制碼功能的改變而改變。校驗(yàn)碼CS為第一幀起始符開始到校驗(yàn)碼前所有字節(jié)二進(jìn)制算術(shù)和。字節(jié)校驗(yàn)為偶校驗(yàn)，幀校驗(yàn)為縱向信息校驗(yàn)和，接收端無論檢測到偶校驗(yàn)或縱向信息校驗(yàn)和出錯(cuò)，均選擇放棄該信息幀，不響應(yīng)。

3 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的智能漏電流檢測裝置選用32位ARM STM32F103RC

T6作為控制核心，該MCU具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的外圍接口。在完成感應(yīng)電流信號(hào)處理、蓄電池充電控制、狀態(tài)顯示、界面操作和報(bào)警記錄存儲(chǔ)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)與從機(jī)間的無線通信。對于用電環(huán)境復(fù)雜的農(nóng)村電網(wǎng)而言，不僅大大提高了基層供電管理人員的工作效率，還確保了農(nóng)村電網(wǎng)低壓臺(tái)區(qū)JP柜內(nèi)的漏電總保護(hù)器安全穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：遠(yuǎn)距離智能漏電測試專用工具的研發(fā)（5211T316000M）。

作者簡介：張軍達(dá)（1983-），浙江黃巖人，碩士研究生，高級工程師。