電路預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計仿真研究
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關(guān)鍵詞：安全家居；故障監(jiān)測；電流檢測；預(yù)警
安全用電作為一個與生活息息相關(guān)的指標，在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活等各個領(lǐng)域都有著重要的作用。然而電路會間歇性地出現(xiàn)橫向短路、縱向斷路等故障，這對居民的基本生活會造成不同程度的影響。因此，對家用電路工作狀況的監(jiān)測、預(yù)警以及對電路的精確控制和保護是急需解決的問題，電路預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計具有重大現(xiàn)實意義。故障字典法和故障樹法是廣泛應(yīng)用于普通電路故障監(jiān)測的兩種方法。這兩種方法均借助于經(jīng)驗和邏輯分析來建立比較完備的參考體系，可很好地解決故障的預(yù)警問題，缺陷是前期工作量大、時效性差，且對其它領(lǐng)域不具備可移植性。根據(jù)市場的需求，一些專家和學(xué)者們提出了一些新的電路故障檢測方法。雷冬梅提出一種成熟式故障診斷方法，通過建立測試電路來采樣混合電流信號，利用算法完成盲分離后，將其與故障信號對照，可進一步判斷故障類型[1]。汪涌、張菲菲提出一種新的混合電路測試方法，前者基于DES理論進行有效監(jiān)測和診斷，后者在其基礎(chǔ)上完成了可行性分析測試[2-3]。但該方法理論比較復(fù)雜，且對不同電路需采用不同的功能測試和診斷程序，因此其普適性不強。楊先明等[4]靈活結(jié)合了紅外技術(shù)和圖像處理技術(shù)，可對電路故障進行非接觸式檢測，該設(shè)備使用便捷且檢測效率高。但該設(shè)備技術(shù)性強、生產(chǎn)成本高，因此在推廣上會受到一定程度的限制。本文針對電路預(yù)警系統(tǒng)的仿真研究進行展開，對監(jiān)測電路的電流信息進行采集，通過電流的大小來判別電路是否存在故障。當檢測支路的電流不在安全范圍時，蜂鳴器立刻發(fā)出警報并顯示當前電路異常；當電路恢復(fù)正常時警報被自動撤除。一旦出現(xiàn)橫向短路、縱向斷路等故障，固態(tài)繼電器會立刻斷開，從而保護電路。因此所設(shè)計的電路預(yù)警系統(tǒng)可滿足家居用電的基本安全標準，為人們生活提供保障。
1系統(tǒng)方案設(shè)計及算法設(shè)計與分析
1.1系統(tǒng)原理框圖
電路預(yù)警系統(tǒng)的核心是能夠保障人們的基本生活用電安全，確保在發(fā)生電路故障時可達到預(yù)警和保護的作用。本文中系統(tǒng)包括以51單片機為核心的處理器、電流檢測檢測器、顯示屏預(yù)警、蜂鳴器報警和保護電路及電源電路等。該系統(tǒng)進行動態(tài)監(jiān)測的同時，還能夠?qū)崿F(xiàn)保護和安全隔離的雙重功能。圖1給出了預(yù)警電路系統(tǒng)的工作原理：在多個電流檢測器共同作用下，多條支路電路運行的情況可以被監(jiān)測。模擬電流信號通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)信號，轉(zhuǎn)換完成后被送入51單片機進行處理從而產(chǎn)生驅(qū)動信號。驅(qū)動電路的輸出可使系統(tǒng)電路的電流大小和運行情況在顯示屏中顯示，一旦檢測到有異常電流信號時蜂鳴器立刻進入報警模式，同時斷開固態(tài)繼電器針對性地切斷電源起到保護電路的作用。
1.2降壓整流電路
降壓整流電路是一種基本的DC/DC轉(zhuǎn)換電路。Buck電路是常見的降壓整流電路，其工作頻率高，由于在一個開關(guān)周期內(nèi)電容充放電引起的紋波很小，因此該電路具有廣泛的應(yīng)用。整流方式是熟知的橋式整流，其在電氣應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5]。固態(tài)繼電器的一個主要功能就是在電路出現(xiàn)故障時，能將系統(tǒng)電路的控制端與負載端進行隔離。固態(tài)繼電器能夠借助微弱控制信號實現(xiàn)負載的電流驅(qū)動。同時它無觸點、壽命長，對外界的干擾也小。降壓整流電路首先通過變壓器將輸入的220V交流電壓進行降壓處理，在橋式整流電路中實現(xiàn)交流到直流的轉(zhuǎn)變。通過濾波電路后，使得其能夠在電流檢測電路中使用。另外220V電壓的輸入端接有固態(tài)繼電器用于對電路的保護，其中二次繞組電路中利用二極管的單向?qū)ㄐ詠硎沟肔ED發(fā)光管發(fā)亮。發(fā)亮的同時表明電路處于異常狀態(tài)，需要進行維護。
1.3電流檢測電路
一般來說，可以通過串聯(lián)的方法來完成電流檢測。對于普遍的磁電式儀表，可外加分流電阻來實現(xiàn)分流，從而完成對大電流的測量。在某些情況下必須借助轉(zhuǎn)換開關(guān)來完成，因此無法很好地跟蹤測量和自動識別[6]。但很多時候可利用測電壓的方式來測電流，即只需知道該條支路的電阻大小，然后根據(jù)并聯(lián)分流的關(guān)系依次得出相應(yīng)電流的大小，從而實現(xiàn)以地為參考的電流/電壓的轉(zhuǎn)換。依靠電壓檢測原理，借助多支路電阻并聯(lián)分流完成電流的檢測，其測量精度較高且能關(guān)聯(lián)擴流使用。該電流檢測電路對于普通家庭用戶來說是比較方便可靠的，這樣一種模塊化的監(jiān)測方式能實現(xiàn)全面的I/V顯示及過程保護功能，因此可普遍適用于通用的家庭用電。
1.4A/D轉(zhuǎn)換電路
A/D轉(zhuǎn)換的作用是將模擬信號轉(zhuǎn)換數(shù)字信號[7]。它一般包括抽樣、保持、量化及編碼等4個方面，具體過程如下：模擬電壓量作為輸入，進入控制邏輯電路進行選擇，然后在采樣時鐘的作用下移位寄存器和數(shù)據(jù)寄存器進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，最終完成數(shù)字量的輸出。在實際應(yīng)用中，量化和編碼是伴隨著轉(zhuǎn)換過程中共同完成。本文選擇ADC0832作為仿真元器件，ADC0832的工作頻率較低，功耗僅為15MW，因此比較節(jié)能。其VCC端接5V電源的同時，可使得芯片的模擬電壓輸入在0~5V之間可調(diào)，CLK、DI、DO三個信號端需要接上拉電阻，保證其具有高電平輸出，它同時還具有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以此來減少數(shù)據(jù)誤差，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。
1.5顯示屏預(yù)警
電路預(yù)警系統(tǒng)的顯示部分仿真使用的是LCD顯示屏，平面顯示器的應(yīng)用逐漸成為現(xiàn)在許多智能化行業(yè)的主流，其具有直角顯示、低耗電量、體積小、零輻射等優(yōu)點，普通用戶都能夠真切感受到智能化水平的提升，因此其對于生活中有著不可或缺的作用。本系統(tǒng)采用LM016L顯示屏進行設(shè)計，是一種具有高清晰度的液晶模塊，采用比較先進的HD44780控制器，它的指令集非常豐富，可以完成字符的移動和閃爍等操作。在該電路系統(tǒng)中，當監(jiān)測到異常電流信號時，核心處理器收到響應(yīng)的同時會傳輸控制信號給顯示屏，從而顯示當前的電路狀態(tài)信息，在異常情況下立刻控制繼電器切斷電源，以保證電路不發(fā)生安全事故。1.6算法設(shè)計與分析由預(yù)警電路流程可知，系統(tǒng)首先完成各項指標的初始化，包括調(diào)試串口、定時器化、顯示屏和AD轉(zhuǎn)換器的初始化，然后打開中斷，復(fù)位光標，ADC0832每秒進行數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換，并由單片機進行數(shù)據(jù)接收，判斷電流是否處于限定范圍，如果是的話則電路正常運行，反之則電路異常，蜂鳴器打開進行報警，此時繼電器打開，然后關(guān)閉總中斷，預(yù)警電路運行結(jié)束。
2仿真分析
為進一步深入研究電路預(yù)警系統(tǒng)，在Proteus中搭建了仿真電路模型，其主要包括變壓器電路、固態(tài)繼電器控制電路、橋式整流電路、電流檢測電路、單片機核心處理器、A/D轉(zhuǎn)換電路、LCD顯示電路等。通過電路結(jié)構(gòu)的合理連線，組合各電路功能，以實現(xiàn)家用電路的預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計。如圖2所示，電流檢測器1的電流大小為24A，電流檢測器2的電流大小為46A，電流檢測器3的電流大小為26A，電流的參數(shù)可通過改變滑動變阻器的阻值來調(diào)試，設(shè)定的電流正常范圍為20A~60A之間，一旦超過60A或者低于20A都認為是電路故障，正常范圍內(nèi)顯示為Normal，代表此時系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)。圖3左為電路預(yù)警系統(tǒng)電流小于限定值仿真結(jié)果，此時C1的電流大小為18A，低于限定值，圖3右為電路預(yù)警系統(tǒng)電流大于限定值仿真結(jié)果，此時C2的電流大小為62A，高于限定值。可看出只要電流大小不在正常范圍內(nèi)，預(yù)警系統(tǒng)都會進行蜂鳴器報警和顯示屏預(yù)警顯示為Alarml，并且此時固態(tài)繼電器會跳開閘，以此來保證電路不被損毀，也能夠提醒人們及時進行電路搶修，以保障基本家庭用電安全。在日常生活中各個用電器的額定功率、額定電流是不同的，小功率用電器的額定電流低，大功率的用電器的額定電流高。以家電銘牌為依據(jù)，設(shè)置電爐/電飯鍋/微波爐在家庭電路中的正常電流參數(shù)為4A~6A，通過proteus仿真，調(diào)節(jié)電流大小得到圖4的仿真結(jié)果圖，可知當C1/C2/C3的數(shù)據(jù)在安全閾值內(nèi)時，顯示器顯示各個支路電流值且顯示Normal，當C1/C2/C3的數(shù)值有一個或多個不在安全閾值內(nèi)時，蜂鳴器報警、保護電路斷開，顯示Alarml。
3結(jié)語
本方案采用模塊化的設(shè)計思路，搭建了基于單片機的預(yù)警電路集成仿真系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的電路預(yù)警系統(tǒng)能實時監(jiān)測電流的大小，并將電流測量結(jié)果及電路運行情況顯示于屏幕上，一旦電流超出閾值范圍，系統(tǒng)將發(fā)出警報并及時切斷固態(tài)繼電器以保護電路。本文設(shè)計的系統(tǒng)簡單實用、性能穩(wěn)定，可實現(xiàn)對電路故障的實時監(jiān)測和安全保護。
參考文獻
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作者：劉合翠 孫先波 段勇強 蔡詩晗 王志浩 單位：湖北民族大學(xué)
