基于ATmega32的漏電保護器智能化測試儀的設(shè)計

目前，漏電保護器作為一種新型的低壓保護電器無論在城市還是在鄉(xiāng)村安裝使用非常普遍，它工作的可靠性直接影響人身安全。在美國是政府強制規(guī)定推行的用電安全保護裝置，并且每兩年必須更換。我國對漏電保護器的使用雖然沒有強制規(guī)定更換的年限，但從用電安全的角度考慮，定期對漏電保護器工作性能檢測是必須要做的。本文介紹了漏電保護器動作特性自動測試儀，可測量和記錄漏電保護器的觸頭分?jǐn)鄷r間、漏電動作電流和不動作電流，提供了改善漏電保護器工作性能的重要技術(shù)指標(biāo)，檢測自動化水平高，能檢測在線與非在線運行的漏電保護器。

1 硬件設(shè)計方案

反映漏電動作性能的主要3個參數(shù)是：額定漏電動作電流(I△n)、漏電動作時間和額定漏電不動作電流(I△n0)。

I△n表征漏電動作的靈敏度，是漏電保護器的漏電動作電流值。漏電動作時間是指對漏電保護器施加漏電動作電流到切斷電路為止所需的時間。I△n0是防止漏電保護器誤動作，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不動作的漏電電流值，通常取0.5I△n。

測試漏電動作電流的方法是：從小于0.2I△n開始施加測試電流，在30s內(nèi)線性地增加至I△n，若漏電保護器斷開瞬間的電流值為I△，當(dāng)滿足I△n0n0

圖1 測試儀構(gòu)成框圖

測試儀以單片機ATmega32為核心，擴展可編程的漏電電流源、漏電電流的檢測電路、觸頭狀態(tài)的監(jiān)測電路、鍵盤和顯示等外圍設(shè)備。ATmega32是基于增強型AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位微控制器，指令集先進，指令執(zhí)行時間采用單時鐘周期，速度是普通8051單片機的8～12倍。工作頻率達(dá)16MHz，片內(nèi)32K字節(jié)Flash程序存儲器、1個硬件16位定時器和2個8位定時器、4路PWM輸出、8路A/D轉(zhuǎn)換、1個全雙工異步串行口、32個通用I/O口。具有低功耗、高速、超強抗干擾等優(yōu)點，在同類產(chǎn)品中具有較高的性價比。

1.1 可編程漏電電流源

保證測量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵是可編程漏電電流源能產(chǎn)生均勻變化的漏電電流，該漏電電流源由50Hz的正弦波發(fā)生器、交流量數(shù)摸轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。

1.1.1 50Hz正弦波發(fā)生器

50Hz的RC正弦波振蕩電路由運算放大器組成。穩(wěn)定振蕩信號的幅度是采用非線性負(fù)反饋，同時，采用低溫度系數(shù)的電阻與電容元件構(gòu)成RC正弦波振蕩電路的選頻電路，保證振蕩頻率的穩(wěn)定，為了提高帶負(fù)載的能力，正弦波輸出信號經(jīng)過電壓跟隨器輸出。

1.1.2 交流量數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

圖2 交流量數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

交流量數(shù)模轉(zhuǎn)換電路是可編程漏電電流源的核心部分，正弦交流量振幅的大小是通過改變數(shù)字量來控制，具有良好的線性度。用DAC08 08構(gòu)成數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，該器件是二進制快速乘法式8位D/A芯片。交流量數(shù)模轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。為了保證實現(xiàn)數(shù)字到正弦交流模擬信號的轉(zhuǎn)變，圖中VD是預(yù)置直流偏壓，大小等于50Hz正弦波發(fā)生器輸出信號的幅值。

根據(jù)圖示電路，可得到如下關(guān)系：

從式(5)可見，當(dāng)電阻R1、R4、R5、R、Rf為定值時，輸出電流的大小與RL無關(guān)，僅由數(shù)字量控制。當(dāng)A1、A2、…A8全為“1”時，調(diào)整電路參數(shù)，使IL=0.5A，當(dāng)A1、A2…A8全為“0”時，使IL=0A。0～0.5A的電流變化范圍完全滿足我國目前生產(chǎn)的漏電保護器的測試要求。為了提高測量速度，在保證模擬漏電電流準(zhǔn)確度的條件下，將輸出電流分為50mA、100mA、200mA和500mA四檔，各檔的選擇由ATmega32切換電阻R1的大小來實現(xiàn)。在不同的擋位，電流增加的數(shù)值大小是不一樣的。當(dāng)選50mA檔位時，電流是按照0.196mA(50mA/255)遞增;當(dāng)選擇500mA檔位時，電流是按照1.96mA(500mA/255)遞增，因此，可完全滿足為漏電保護器提供線性增加的漏電電流的要求。

1.2 觸頭狀態(tài)監(jiān)測電路

觸頭狀態(tài)監(jiān)測電路如圖3所示。漏電保護器動、靜觸頭閉合時，L1與L2的交流電通過整流、濾波和穩(wěn)壓，使光電耦合器G3導(dǎo)通，反相器A的2腳輸出為高電位。當(dāng)漏電保護器動、靜觸頭分?jǐn)鄷r，光電耦合器G3截止，反相器A輸出2腳為低電位，作為漏電檢測結(jié)束的時刻。在漏電保護器動、靜觸頭閉合時，光電耦合器G3的電流通過漏電保護器的一相動、靜觸頭，電流大小為1～2mA，由于是直流，不會在漏電保護器中的零序電流互感器的二次側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電流，對漏電保護器的漏電動作電流沒有影響。

圖3 觸頭狀態(tài)監(jiān)測電路

1.3 控制電路

控制電路如圖4所示。漏電保護器的漏電電流產(chǎn)生的開始信號通過程序控制，動、靜觸頭斷開信號送入ATmega32的外部中斷輸入端PD2，采用中斷的方式對漏電保護器動、靜觸頭的分?jǐn)鄷r間進行檢測。按鍵S1作為測試功能選擇，用來選擇測量漏電電流或漏電動作時間。按鍵S2用來選擇模擬漏電電流50mA、100mA、200mA和500mA中的某一檔。按鍵S3和S4是在測量漏電動作時間時，用來設(shè)定模擬漏電的電流值，S3控制模擬漏電的電流值增加，S4控制模擬漏電的電流值減少。S5是測試開始/停止控制按鍵。當(dāng)測量漏電電流時，設(shè)定好參數(shù)按下S5，ATmega32根據(jù)S2選擇的檔位輸出數(shù)據(jù)，使模擬漏電電流從0增加到最大值，若模擬漏電電流達(dá)到某一電流值時漏電保護器動作，則該電流值就是實際漏電動作電流值。當(dāng)測試漏電動作時間時，設(shè)定好漏電電流參數(shù)后按下S5，ATmega32根據(jù)設(shè)定的電流值直接產(chǎn)生設(shè)定的模擬漏電電流，實現(xiàn)測量漏電動作時間。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換及控制電路

2 軟件設(shè)計方案

基于嵌入式C語言設(shè)計ATmega32軟件的部分，程序結(jié)構(gòu)采用模塊化。具體包括主程序、儀器初始化子程序、功能控制子程序、可編程漏電電流源子程序、檢測漏電動作時間子程序和顯示子程序等。

主程序是檢測漏電保護器動作特性參數(shù)的主控程序，當(dāng)測試儀工作時，主程序循環(huán)運行，并根據(jù)功能要求調(diào)用相關(guān)子程序，子程序執(zhí)行后返回主程序。儀器初始化子程序?qū)崿F(xiàn)儀器的初始化，內(nèi)容包括儀器參數(shù)、單片機引腳配置、定時器、模數(shù)轉(zhuǎn)換、中斷初始化等。控制功能子程序?qū)崿F(xiàn)按鍵功能的掃描，控制儀器與人之間的交流?？删幊搪╇婋娏髟醋映绦蛴脕懋a(chǎn)生測試用的漏電電流，檢測漏電保護器斷開瞬間漏電的電流值(I△)。檢測漏電動作時間子程序?qū)崿F(xiàn)對漏電保護器漏電動作時間的檢測。顯示子程序?qū)崿F(xiàn)漏電電流和漏電動作時間的顯示。

3 結(jié)論

本測試儀操作簡單，解決了手動測試方法存在的測量不準(zhǔn)確的問題，達(dá)到了自動測量的目的，可檢測在線與非在線運行的漏電保護器，提高了檢測漏電保護器性能的水平，為進行漏電保護器工作性能的研究、品質(zhì)檢驗及生產(chǎn)調(diào)試提供了技術(shù)手段。儀器設(shè)計充分利用了ATmega 32內(nèi)置的各種功能，使硬件電路結(jié)構(gòu)簡單，有效提高了儀器的性價比，已在多家企業(yè)和科研單位使用，使用結(jié)果表明，儀器工作可靠，達(dá)到預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)。