羅鐘，劉華，董晉峰，徐梅，張偉玉，通信作者

實(shí)驗(yàn)室漏電安全檢測儀的設(shè)計(jì)及其在種子帶編織機(jī)上的應(yīng)用

羅鐘1，劉華1，董晉峰1，徐梅2，張偉玉1，通信作者

（1. 天津農(nóng)學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院，天津 300392；2. 天津佳禾農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司，天津 301700）

針對實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備運(yùn)行時(shí)的漏電威脅到操作者的人身安全問題，本文設(shè)計(jì)了以AT89C52型單片機(jī)為控制器的安全檢測儀。該系統(tǒng)以漏電保護(hù)原理為主要研究對象，將單片機(jī)和高集成度的電路構(gòu)成精度高的監(jiān)測單元，利用LABVIEW實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面。通過在種子帶編織機(jī)上的應(yīng)用與測試，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。

安全；漏電；零序電流

隨著電力電子器件的廣泛應(yīng)用和電力系統(tǒng)的發(fā)展，安全用電問題不容忽視。高校實(shí)驗(yàn)室集中了學(xué)校主要的技術(shù)設(shè)備和教學(xué)資源[1]，特別是一些高精尖設(shè)備，對教學(xué)、科研和技術(shù)開發(fā)等形成了強(qiáng)大支撐。目前，很多實(shí)驗(yàn)室線路老舊、線路隱患多且隱蔽性很強(qiáng)，以往的傳統(tǒng)方法不一定能及時(shí)檢測出隱患故障，使得電氣線路的安全難以保證，因此，實(shí)驗(yàn)室電氣線路漏電的問題不容忽視。漏電保護(hù)器是一種電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)對漏電情況起到保護(hù)作用的安全設(shè)備，在降低漏電安全事故方面有著重要作用。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，單片機(jī)功能豐富強(qiáng)大、價(jià)格低廉且使用效率較高。以單片機(jī)為控制器的漏電安全檢測儀具有自動(dòng)控制、實(shí)時(shí)監(jiān)測、迅速反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，慢慢取代了一般的檢測設(shè)備，并且單片機(jī)能與計(jì)算機(jī)控制結(jié)合在一起構(gòu)成智能化的監(jiān)測系統(tǒng)。單片機(jī)在漏電保護(hù)檢測系統(tǒng)的應(yīng)用[2]，能高效解決漏電保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定、監(jiān)控不可靠的問題，安全性、自動(dòng)化程度明顯提高。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)以AT89C52單片機(jī)為控制核心。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造[3]，將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，與標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集和輸出管腳兼容。外圍模塊以信號(hào)處理模塊、按鍵模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊、通信模塊等組成，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 檢測原理

零序電流互感器的檢測原理是基于基爾霍夫電流定律[4]。在電氣線路中無漏電情況發(fā)生時(shí)，由于三相電流向量和為零，互感器鐵芯中沒有磁通，二次側(cè)繞組將無信號(hào)輸出。當(dāng)發(fā)生觸電或漏電事故時(shí)[5]，三相四線電流的向量和將不等于零，此時(shí)CT二次側(cè)繞組就有感應(yīng)電壓輸出。經(jīng)過零序電流互感器檢測出有漏電信號(hào)后，將互感器產(chǎn)生的漏電電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)濾波處理后，經(jīng)過運(yùn)放電路放大和A/D電路轉(zhuǎn)換生成數(shù)字信號(hào)后輸入給單片機(jī)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)處理模塊

3.1.1 A/D模塊

A/D模塊采用PCF8591芯片對零序互感器實(shí)時(shí)采集的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將數(shù)字化的信號(hào)與預(yù)期值對比，從而得出是否發(fā)生漏電。PCF8591是一個(gè)單獨(dú)供電、低功耗的8位芯片，總共有1個(gè)串行IIC總線接口、4路模擬輸入和1路模擬輸出。PCF8591電路如圖2所示。

3.1.2 運(yùn)放模塊

零序電流互感器二次側(cè)輸入電流為毫安級(jí)別，當(dāng)發(fā)生10～40 mA的漏電電流時(shí)輸出為3～ 6 mV，因此信號(hào)處理模塊需要進(jìn)行放大和A/D轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)放大倍數(shù)在1 000倍左右，當(dāng)放大倍數(shù)過大時(shí)采用單級(jí)放大電路效果可能不穩(wěn)定以及誤差過大。因此，采用OP07精密運(yùn)放芯片構(gòu)成的雙級(jí)放大電路，設(shè)計(jì)每一級(jí)放大倍數(shù)為316.5倍，運(yùn)算放大電路如圖3所示。

3.2 按鍵模塊

為了能設(shè)置報(bào)警參數(shù)預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較報(bào)警以及參數(shù)的修改和查詢，鍵盤設(shè)計(jì)可自由設(shè)定包括“確認(rèn)鍵”“復(fù)位鍵”“加1鍵”“減1鍵”等按鍵完成參數(shù)的修改和查詢。并執(zhí)行參數(shù)設(shè)定程序[6]，將來自用戶的設(shè)定信息進(jìn)行保存，并替換之前的參數(shù)值，以達(dá)到檢測漏電電流和報(bào)警的目的。其中確認(rèn)鍵為確認(rèn)當(dāng)前操作，復(fù)位鍵實(shí)現(xiàn)返回功能，加1鍵使當(dāng)前數(shù)值加1，減1鍵使當(dāng)前數(shù)值減1。按鍵電路如圖4所示。

3.3 顯示模塊

顯示模塊由外接LCD1602組成，通過LCD1602來顯示當(dāng)前線路的狀態(tài)（采樣數(shù)據(jù)）、是否發(fā)生漏電，并且可配合鍵盤設(shè)定顯示預(yù)設(shè)值，以此來觸發(fā)是否報(bào)警。LCD1602接口電路如圖5所示。

3.4 報(bào)警模塊

采用發(fā)光二級(jí)管配合蜂鳴器可在漏電時(shí)報(bào)警，及時(shí)提醒用戶發(fā)生漏電情況以此避免事故的發(fā)生。軟件實(shí)現(xiàn)只要對相應(yīng)的端口進(jìn)行設(shè)置即可。當(dāng)系統(tǒng)檢測電氣線路有異常情況時(shí)，單片機(jī)引腳輸出低電平，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮蜂鳴器報(bào)警。

3.5 通信模塊

為達(dá)到可實(shí)時(shí)監(jiān)控并且遠(yuǎn)程監(jiān)測的目的，利用HC-06藍(lán)牙模塊與手機(jī)APP連接，用戶可利用手機(jī)APP查看漏電檢測儀傳來的數(shù)據(jù)，人為判斷線路的當(dāng)前情況，達(dá)到對電氣線路的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制，并節(jié)省人力。該模塊采用藍(lán)牙2.0協(xié)議，通用性比較高，可以在10 m范圍內(nèi)進(jìn)行無線串口通信。HC-06實(shí)物如圖6所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

硬件電路是預(yù)設(shè)功能的基礎(chǔ)，每個(gè)系統(tǒng)之間能夠很好的運(yùn)行還需要系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。本次實(shí)驗(yàn)室漏電安全檢測儀設(shè)計(jì)中控制器采用AT89C52型單片機(jī)，在keil開發(fā)環(huán)境下使用C語言進(jìn)行系統(tǒng)程序編寫，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)檢測漏電電流報(bào)警顯示的功能。在整體的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，采用一個(gè)主循環(huán)，通過調(diào)用各個(gè)子程序循環(huán)來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。國內(nèi)交流電的頻率是50 Hz[7]，根據(jù)采樣定理20 ms內(nèi)采樣點(diǎn)不得少于2個(gè)。漏電安全檢測儀設(shè)置10 ms進(jìn)行一次漏電電流采樣，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)輸入給單片機(jī)，根據(jù)采樣得到的數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)的數(shù)值進(jìn)行比較，如果采集到的數(shù)據(jù)正常，進(jìn)行正常的輸出顯示；反之如果采集到的數(shù)據(jù)不正常，此時(shí)調(diào)用報(bào)警子程序和通信子程序以及進(jìn)行液晶顯示。運(yùn)行流程如圖7所示。

由于所設(shè)計(jì)的漏電安全檢測儀運(yùn)行時(shí)所在環(huán)境需要考慮外界干擾因素，在控制成本的前提下，硬件上不會(huì)有太多的抗干擾措施。因而造成產(chǎn)品在工作運(yùn)行時(shí)可能頻繁出現(xiàn)程序跑飛、程序鎖死和功能混亂現(xiàn)象[8]。所以在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮抗干擾方面的設(shè)計(jì)。

5 上位機(jī)

上位機(jī)主要利用LABVIEW軟件的VISA函數(shù)來編寫串口程序驅(qū)動(dòng)控制儀器，主要包括配置串口、VISA讀取和VISA寫入函數(shù)。其中配置串口用來設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)比特、奇偶校驗(yàn)、停止位、流程控制等，VISA讀取和VISA寫入主要是從VISA資源名稱指代的接口中讀取和寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至指定位置的緩沖區(qū)。程序框編程如圖8所示。

對應(yīng)前面板如圖9所示。

6 測試

系統(tǒng)測試試驗(yàn)在課題組研發(fā)的新型數(shù)控種子帶編織機(jī)上進(jìn)行。在線路正確的情況下，啟動(dòng)該漏電檢測系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)室總閘立即斷電。

7 結(jié)語

隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)在電氣裝置領(lǐng)域也被廣泛應(yīng)用，各種電氣設(shè)備朝著數(shù)字化、智能化方向發(fā)展[9]。本研究的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)室漏電安全檢測儀，它具有功耗小、運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡便和可靠性高等特點(diǎn)。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)可以隨時(shí)檢測出新型數(shù)控種子帶編織機(jī)電氣線路的運(yùn)行狀態(tài)，能有效保障試驗(yàn)設(shè)備和人身 安全。

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Design of leakage safety detector in laboratory and its application in seed tape knitting machine

Luo Zhong1, Liu Hua1, Dong Jinfeng1, Xu Mei2, Zhang Weiyu1, Corresponding Author

（1. College of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300392, China; 2. Jiahe of Tianjin Agricultural machinery Co., Ltd, Tianjin 301700, China）

Aiming at the problem that the leakage of laboratory instruments and equipment threatens the personal safety of operators, this study designed a safety detector based on AT89C52 microcontroller. In the system the leakage protection principle was taken as the main research object, the high-precision monitoring unit was composed of single-chip microcomputer and highly integrated circuit, and the human-computer interaction interface was realized by LABVIEW. Through the application and test on the seed belt knitting machine, it is concluded that the system has stable performance and can realize corresponding functions.

safety; leakage; zero sequence current

TP202

A

1008-5394（2021）01-0045-04

10.19640/j.cnki.jtau.2021.01.009

2020-06-01

天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目（17YFZCNC00250）；天津市大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201910061027）

羅鐘（1996—），男，本科在讀，主要從事電氣工程及其自動(dòng)化方向。E-mail：956339080@qq.com。

張偉玉（1963—），男，教授，博士，主要從事高級(jí)光譜分析儀器（AA，ICP，ICP-MS）的維護(hù)理論研究與實(shí)踐、電力電子與電氣傳動(dòng)方向研究。E-mail：525156985@qq.com。

責(zé)任編輯：楊霞