实验室漏电安全检测仪的设计及其在种子带编织机上的应用

罗钟，刘华，董晋峰，徐梅，张伟玉，通信作者

实验室漏电安全检测仪的设计及其在种子带编织机上的应用

罗钟1，刘华1，董晋峰1，徐梅2，张伟玉1，通信作者

（1. 天津农学院 工程技术学院，天津 300392；2. 天津佳禾农业机械有限公司，天津 301700）

针对实验室仪器设备运行时的漏电威胁到操作者的人身安全问题，本文设计了以AT89C52型单片机为控制器的安全检测仪。该系统以漏电保护原理为主要研究对象，将单片机和高集成度的电路构成精度高的监测单元，利用LABVIEW实现人机交互界面。通过在种子带编织机上的应用与测试，该系统性能稳定，可实现相应功能。

安全；漏电；零序电流

随着电力电子器件的广泛应用和电力系统的发展，安全用电问题不容忽视。高校实验室集中了学校主要的技术设备和教学资源[1]，特别是一些高精尖设备，对教学、科研和技术开发等形成了强大支撑。目前，很多实验室线路老旧、线路隐患多且隐蔽性很强，以往的传统方法不一定能及时检测出隐患故障，使得电气线路的安全难以保证，因此，实验室电气线路漏电的问题不容忽视。漏电保护器是一种电气设备运行时对漏电情况起到保护作用的安全设备，在降低漏电安全事故方面有着重要作用。随着电子技术的迅速发展，单片机功能丰富强大、价格低廉且使用效率较高。以单片机为控制器的漏电安全检测仪具有自动控制、实时监测、迅速反应的优点，慢慢取代了一般的检测设备，并且单片机能与计算机控制结合在一起构成智能化的监测系统。单片机在漏电保护检测系统的应用[2]，能高效解决漏电保护系统运行不稳定、监控不可靠的问题，安全性、自动化程度明显提高。

1 系统总体设计

整个系统总体设计以AT89C52单片机为控制核心。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造[3]，将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，与标准的MCS51指令集和输出管脚兼容。外围模块以信号处理模块、按键模块、显示模块、报警模块、通信模块等组成，系统整体结构如图1所示。

2 检测原理

零序电流互感器的检测原理是基于基尔霍夫电流定律[4]。在电气线路中无漏电情况发生时，由于三相电流向量和为零，互感器铁芯中没有磁通，二次侧绕组将无信号输出。当发生触电或漏电事故时[5]，三相四线电流的向量和将不等于零，此时CT二次侧绕组就有感应电压输出。经过零序电流互感器检测出有漏电信号后，将互感器产生的漏电电流转换为电压信号滤波处理后，经过运放电路放大和A/D电路转换生成数字信号后输入给单片机。

3 系统硬件设计

3.1 信号处理模块

3.1.1 A/D模块

A/D模块采用PCF8591芯片对零序互感器实时采集的信号进行模数转换，将数字化的信号与预期值对比，从而得出是否发生漏电。PCF8591是一个单独供电、低功耗的8位芯片，总共有1个串行IIC总线接口、4路模拟输入和1路模拟输出。PCF8591电路如图2所示。

3.1.2 运放模块

零序电流互感器二次侧输入电流为毫安级别，当发生10～40 mA的漏电电流时输出为3～ 6 mV，因此信号处理模块需要进行放大和A/D转换。本系统设计放大倍数在1 000倍左右，当放大倍数过大时采用单级放大电路效果可能不稳定以及误差过大。因此，采用OP07精密运放芯片构成的双级放大电路，设计每一级放大倍数为316.5倍，运算放大电路如图3所示。

3.2 按键模块

为了能设置报警参数预设值进行比较报警以及参数的修改和查询，键盘设计可自由设定包括“确认键”“复位键”“加1键”“减1键”等按键完成参数的修改和查询。并执行参数设定程序[6]，将来自用户的设定信息进行保存，并替换之前的参数值，以达到检测漏电电流和报警的目的。其中确认键为确认当前操作，复位键实现返回功能，加1键使当前数值加1，减1键使当前数值减1。按键电路如图4所示。

3.3 显示模块

显示模块由外接LCD1602组成，通过LCD1602来显示当前线路的状态（采样数据）、是否发生漏电，并且可配合键盘设定显示预设值，以此来触发是否报警。LCD1602接口电路如图5所示。

3.4 报警模块

采用发光二级管配合蜂鸣器可在漏电时报警，及时提醒用户发生漏电情况以此避免事故的发生。软件实现只要对相应的端口进行设置即可。当系统检测电气线路有异常情况时，单片机引脚输出低电平，发光二极管被点亮蜂鸣器报警。

3.5 通信模块

为达到可实时监控并且远程监测的目的，利用HC-06蓝牙模块与手机APP连接，用户可利用手机APP查看漏电检测仪传来的数据，人为判断线路的当前情况，达到对电气线路的实时精准控制，并节省人力。该模块采用蓝牙2.0协议，通用性比较高，可以在10 m范围内进行无线串口通信。HC-06实物如图6所示。

4 系统软件设计

硬件电路是预设功能的基础，每个系统之间能够很好的运行还需要系统的软件设计。本次实验室漏电安全检测仪设计中控制器采用AT89C52型单片机，在keil开发环境下使用C语言进行系统程序编写，进而实现检测漏电电流报警显示的功能。在整体的系统软件设计中，采用一个主循环，通过调用各个子程序循环来实现相应功能。国内交流电的频率是50 Hz[7]，根据采样定理20 ms内采样点不得少于2个。漏电安全检测仪设置10 ms进行一次漏电电流采样，经A/D转换后的数字信号输入给单片机，根据采样得到的数据和预设的数值进行比较，如果采集到的数据正常，进行正常的输出显示；反之如果采集到的数据不正常，此时调用报警子程序和通信子程序以及进行液晶显示。运行流程如图7所示。

由于所设计的漏电安全检测仪运行时所在环境需要考虑外界干扰因素，在控制成本的前提下，硬件上不会有太多的抗干扰措施。因而造成产品在工作运行时可能频繁出现程序跑飞、程序锁死和功能混乱现象[8]。所以在系统软件设计时要充分考虑抗干扰方面的设计。

5 上位机

上位机主要利用LABVIEW软件的VISA函数来编写串口程序驱动控制仪器，主要包括配置串口、VISA读取和VISA写入函数。其中配置串口用来设置波特率、数据比特、奇偶校验、停止位、流程控制等，VISA读取和VISA写入主要是从VISA资源名称指代的接口中读取和写入相应的数据，并将数据发送至指定位置的缓冲区。程序框编程如图8所示。

对应前面板如图9所示。

6 测试

系统测试试验在课题组研发的新型数控种子带编织机上进行。在线路正确的情况下，启动该漏电检测系统，实验室总闸立即断电。

7 结语

随着单片机技术的发展，单片机在电气装置领域也被广泛应用，各种电气设备朝着数字化、智能化方向发展[9]。本研究的主要任务是设计出实验室漏电安全检测仪，它具有功耗小、运行稳定、操作简便和可靠性高等特点。通过试验验证，该系统可以随时检测出新型数控种子带编织机电气线路的运行状态，能有效保障试验设备和人身 安全。

[1] 张海峰. “双一流”背景下的一流实验室建设研究[J]. 实验技术与管理，2017，34（12）：6-10.

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[3] 苑成聚. 基于单片机的漏电保护系统的实现[J].湖南科技学院学报，2009，30（12）：55-57.

[4] 李长明. 零序电流互感器一致性和极性的带电检测方法研究[D].重庆：重庆大学，2012.

[5] 李开成，刘建锋，黄海煜，等. 基于MSP430单片机的数字式漏电保护器的研制[J]. 继电器，2008（8）：64-67.

[6] 都晓鹏，赵金才，王有志. 一种家用暖气节能控制系 统[J]. 天津农学院学报，2015，22（1）：41-44.

[7] 张艳苗，周志宏，王俊峰，等. 基于单片机的漏电保护器的研究[J].电工文摘，2015（1）：27-30.

[8] 王好娜，马龙义，付志红. 基于单片机的智能漏电报警系统设计[J]. 广东电力，2016，29（6）：30-34.

[9] 胡锴. 浅谈剩余电流保护装置在我国的应用[J]. 黑龙江科技信息，2017（16）：91-92.

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

天津市科技计划项目（17YFZCNC00250）；天津市大学生创新训练计划项目（201910061027）

罗钟（1996—），男，本科在读，主要从事电气工程及其自动化方向。E-mail：956339080@qq.com。

张伟玉（1963—），男，教授，博士，主要从事高级光谱分析仪器（AA，ICP，ICP-MS）的维护理论研究与实践、电力电子与电气传动方向研究。E-mail：525156985@qq.com。

责任编辑：杨霞