智能型漏電保護器檢測儀硬件設計

王見樂

本文根據(jù)漏電保護器的工作原理及檢測方法，設計了一款智能型漏電保護器檢測儀。硬件以單片機為核心，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擴展電路等。同時考慮到噪聲對檢測精度的影響，設計了抗干擾系統(tǒng)。

1 漏電保護器工作原理

漏電保護器是一種用于低壓電網安全用電的保護器，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措施，亦是防止由電源漏電引起的電能損耗、電氣火災和電氣設備損壞事故的技術措施。

漏電保護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生的電壓降。當被保護電路無觸電和漏電故障時，正常情況下通過漏電保護器零序電流互感器的一次側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)形鐵芯中所產生的磁通量也為零，零序電流互感器的二次側線圈沒有感應電動勢產生，漏電保護器不動作，系統(tǒng)保持正常供電。當被保護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的各相負荷電流（包括中性線電流）的相量不再為零，產生漏電流，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，所產生的通量和不為零，因此，零序電流互感器的二次側線圈在交變磁通的作用下，就有感應電動勢產生，此信號電壓經過中間環(huán)節(jié)的處理和比較，當達到預期值時，主開關的勵磁線圈通電，驅動主開關動作，迅速切斷被保護電路的供電電源，從而達到防止觸電事故發(fā)生目的。

2 智能型漏電保護器檢測儀硬件設計

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

圖中該系統(tǒng)以八位單片機W78E516B為核心，它協(xié)調控制鍵盤、LCD液晶顯示器及外圍各電路的工作完成測試任務。漏電保護器智能測試儀由以下幾個部分組成：單片機；數(shù)據(jù)采集電路，包括A/D轉換、電壓跟隨等電路；受控電流源，包括D/A轉換、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。考慮到芯片的穩(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作為單片機系統(tǒng)的核心，它功能強大，且與80C51引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。同時分別設定該單片機的各外設電路：外接晶振電路、復位電路、外部RAM擴展電路、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，使測量結果產生誤差。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

本文主要介紹所設計的智能型漏電保護器檢測儀的硬件部分及其抗干擾能力的設計。

（作者單位：湖北文理學院）