隨著電子儀器、電子設備的廣泛使用，特別是家用電器的普及，家用電器的用電安全性問題不可忽視。泄漏電流、絕緣電阻、電氣強度并稱為電氣安全性能中的3大電參數。其中泄漏電流，尤其是工作溫度下的泄漏電流是1個最能確切反映實際工作狀態的安全電參數；也是一個對人體安全有著直接影響的電參數。因為，當電源線一端接地，人體觸及電器外殼的情況下，電器泄漏電流會通過人體流人大地，可能導致人身傷亡。因此，漏電檢測無論是對家用電器還是對人的自身安全都具有十分重要的意義，通過對漏電的檢測，可以根據漏電的情況作出具體的反應，從而保護電路及人身財產安全。
漏電檢測原理
對電力系統回路進行漏電檢測的方法有很多，如絕緣監測裝置，低頻探測法，變頻探測法，霍爾磁式平衡等。本設計采用了霍爾磁式平衡原理，為克服傳感器的剩磁所帶來的對系統檢測到的漏電大小的影響，采取了將零點設計為可以通過按鍵調整的系統。
霍爾磁式平衡檢測的基本原理如圖1所示。觀察直流系統任一支路, 從電源正端流出的電流IL+ , 流經支路全部負載后, 返回電源負端的支路電流為IL- , 當該支路沒有接地電流時, IL+ =IL- , 穿過傳感器的電流大小相等, 傳感器無輸出。而當發生觸電或漏電事故時, 假設接在正極母線上的支路經電阻R 接地, 接地電流為IR , 則IL+=IL- +IR , 流經傳感器的電流大小不等, 傳感器輸出一個反應該差值IR 大小和方向的信號。據此可以判斷出接地電阻的大小和接地支路的極性。
圖1 霍爾磁式平衡原理圖
霍爾磁平衡檢測方法具有以下優點
- 無須向直流系統注入低頻交流信號, 與被測系統沒有任何電氣聯系；
- 由于傳感器檢測的是直流接地信號(IR) , 因此與系統分布電容無關；
- 接地判據為電流, 與系統母線電壓無關；
- 能檢測同一支路正、負極絕緣同等下降或成比例下降的故障；
- 檢測靈敏度高, 能檢測到的接地電阻范圍寬, 可在線巡回檢測。
當然這種方法也存在不足之處,采用磁平衡原理做成的有源傳感器, 當一次測有電流變化或有電流沖擊時, 易發生剩磁變化, 尤其是傳感無源時, 受電流沖擊后, 剩磁變化更大。這種剩磁變化會嚴重造成電流、電壓放大器及A/D 轉換器的直流偏移, 導致使用以上方法做成的選線裝置零點不斷漂移, 需及時調節裝置的零點及傳感器特性, 才能保證選線裝置的精度及穩定性, 不僅給現場帶來極大的麻煩和不便, 而且造成選線裝置的不準。
為了解決傳感器的剩磁的問題，我們特地設置了一個零點調整功能，這樣通過校準之后，就可以消除剩磁所帶來的影響。
霍爾磁式平衡檢測法對信號處理的要求不高, 因為從霍爾傳感器得到的是直流信號, 信號經放大和簡單的硬件濾波后, 進行A/D 轉換, 只需對數據進行簡單的數字處理即可滿足系統的要求。
系統設計
利用NEC單片機實現霍爾磁平衡原理的漏電檢測的系統設計框圖如圖2所示。傳感器能夠在電路回路中，將流進和流出的電流轉換為直流的電壓輸出，這樣的信號再經過放大和預處理后，就可以送到NEC單片機上進行A/D轉換，模擬信號轉變為數字信號。在NEC單片機中，對采集到的信號數據進行分析處理，得到漏電電流的大小，并將數據輸出到數碼管顯示，從而根據該數據判斷是否需要對電路采取某種控制處理，如關斷電路，發出報警信號等。
圖2 漏電檢測系統設計框圖
UPD78F9234單片機是NEC公司生產的8位ALL-FLASH系列微處理器，該單片機具有優越的性能：集成了一個4通道的10bit A/D轉換器；內置高精度的環形振蕩器；低功耗，寬電壓范圍，超高抗干擾；支持在線編程(ISP。
漏電信號采集模塊
漏電信號的采集是通過霍爾傳感器實現的 ，從霍爾傳感器得到的是直流信號，信號經過放大和濾波，即可送到單片機，進行A/D轉換處理。
參數存儲模塊
在系統投入工作前要進行參數設置，如產品序列、零點調整、比例系數、代碼修改密碼等參數，系統將這些參數寫入到EEPROM中。為了減少讀寫EEPROM的次數，在系統開機時將數據從EEPROM中讀出，保存在單片機的RAM中。
本系統采用的是具有I2C接口的2kbits容量的EEPROM AT24C02。I2C總線極大地方便了系統的設計，無須設計總線接口，且有助于縮小系統的PCB面積和復雜度。參數存儲單元電路如圖3所示。
圖3 參數存儲電路
在圖3中所示的電路中，AT24C02的地址為000，電阻R201和R202起拉高的作用，SCL與SDA為接入單片機I/O的連接線，用于I2C總線時鐘和數據的傳輸操作。
人機接口模塊
人機接口部分采用簡潔的4鍵輸入控制和五位七段數碼管顯示。可以進行參數設定和實時顯示漏電數據，以實現較好的人機交互。本設計采用在軟件上對輸入進行消抖處理方案，并對按鍵狀態進行連續的判斷處理，直到按鍵松開為止，然后才執行相應的處理程序。漏電數據顯示采用五位七段數碼管動態顯示方式，使用74HC595鎖存動態顯示數據。本設計巧妙地將按鍵輸入與動態顯示數位選擇端口共用，減少了單片機端口的應用，從而達到系統優化及降低產品成本的目的。
軟件設計
漏電檢測電路的軟件設計流程圖如圖4所示：系統啟動后，立即執行系統初始化程序，從EEPROM中讀取設定的參數，接著將這些數據逐個顯示出來，可供操作人員核對。然后開始調用A/D采樣子程序，獲取10位精度的漏電信號數據，經過處理可以得到最終的漏電大小，再將數據輸出到數碼管顯示。
圖4 系統軟件設計流程
由于有時使用人員要對參數進行檢驗和修改，在上述流程中，我們插入了按鍵掃描模塊，通過按鍵可以進入到參數檢驗和修改設置狀態。
隨著單片機技術的發展，單片機在電氣裝置領域也得到廣泛應用，使各種電氣設備朝著數字化、智能化的方向發展。基于NEC單片機UPD78F9234芯片設計的漏電監測儀，結構簡單，軟硬件協調，功能全面。