电路预警系统设计与仿真

湖北民族大学 刘合翠 孙先波 段勇强 蔡诗晗 王志浩

安全用电作为一个与生活息息相关的指标，在科学研究、工业生产和人们的日常生活等各个领域都有着重要的作用。然而电路会间歇性地出现横向短路、纵向断路等故障，这对居民的基本生活会造成不同程度的影响。因此，对家用电路工作状况的监测、预警以及对电路的精确控制和保护是急需解决的问题，电路预警系统的设计具有重大现实意义。

故障字典法和故障树法是广泛应用于普通电路故障监测的两种方法。这两种方法均借助于经验和逻辑分析来建立比较完备的参考体系，可很好地解决故障的预警问题，缺陷是前期工作量大、时效性差，且对其它领域不具备可移植性。根据市场的需求，一些专家和学者们提出了一些新的电路故障检测方法。

雷冬梅提出一种成熟式故障诊断方法，通过建立测试电路来采样混合电流信号，利用算法完成盲分离后，将其与故障信号对照，可进一步判断故障类型[1]。汪涌、张菲菲提出一种新的混合电路测试方法，前者基于DES 理论进行有效监测和诊断，后者在其基础上完成了可行性分析测试[2-3]。但该方法理论比较复杂，且对不同电路需采用不同的功能测试和诊断程序，因此其普适性不强。杨先明等[4]灵活结合了红外技术和图像处理技术，可对电路故障进行非接触式检测，该设备使用便捷且检测效率高。但该设备技术性强、生产成本高，因此在推广上会受到一定程度的限制。

本文针对电路预警系统的仿真研究进行展开，对监测电路的电流信息进行采集，通过电流的大小来判别电路是否存在故障。当检测支路的电流不在安全范围时，蜂鸣器立刻发出警报并显示当前电路异常；当电路恢复正常时警报被自动撤除。一旦出现横向短路、纵向断路等故障，固态继电器会立刻断开，从而保护电路。因此所设计的电路预警系统可满足家居用电的基本安全标准，为人们生活提供保障。

1 系统方案设计及算法设计与分析

1.1 系统原理框图

电路预警系统的核心是能够保障人们的基本生活用电安全，确保在发生电路故障时可达到预警和保护的作用。本文中系统包括以51单片机为核心的处理器、电流检测检测器、显示屏预警、蜂鸣器报警和保护电路及电源电路等。该系统进行动态监测的同时，还能够实现保护和安全隔离的双重功能。

图1给出了预警电路系统的工作原理：在多个电流检测器共同作用下，多条支路电路运行的情况可以被监测。模拟电流信号通过A/D 转换成数学信号，转换完成后被送入51单片机进行处理从而产生驱动信号。驱动电路的输出可使系统电路的电流大小和运行情况在显示屏中显示，一旦检测到有异常电流信号时蜂鸣器立刻进入报警模式，同时断开固态继电器针对性地切断电源起到保护电路的作用。

图1 预警电路原理框图

1.2 降压整流电路

降压整流电路是一种基本的DC/DC 转换电路。Buck 电路是常见的降压整流电路，其工作频率高，由于在一个开关周期内电容充放电引起的纹波很小，因此该电路具有广泛的应用。整流方式是熟知的桥式整流，其在电气应用领域得到广泛应用[5]。固态继电器的一个主要功能就是在电路出现故障时，能将系统电路的控制端与负载端进行隔离。固态继电器能够借助微弱控制信号实现负载的电流驱动。同时它无触点、寿命长，对外界的干扰也小。

降压整流电路首先通过变压器将输入的220V交流电压进行降压处理，在桥式整流电路中实现交流到直流的转变。通过滤波电路后，使得其能够在电流检测电路中使用。另外220V 电压的输入端接有固态继电器用于对电路的保护，其中二次绕组电路中利用二极管的单向导通性来使得LED 发光管发亮。发亮的同时表明电路处于异常状态，需要进行维护。

1.3 电流检测电路

一般来说，可以通过串联的方法来完成电流检测。对于普遍的磁电式仪表，可外加分流电阻来实现分流，从而完成对大电流的测量。在某些情况下必须借助转换开关来完成，因此无法很好地跟踪测量和自动识别[6]。但很多时候可利用测电压的方式来测电流，即只需知道该条支路的电阻大小，然后根据并联分流的关系依次得出相应电流的大小，从而实现以地为参考的电流/电压的转换。依靠电压检测原理，借助多支路电阻并联分流完成电流的检测，其测量精度较高且能关联扩流使用。该电流检测电路对于普通家庭用户来说是比较方便可靠的，这样一种模块化的监测方式能实现全面的I/V 显示及过程保护功能，因此可普遍适用于通用的家庭用电。

1.4 A/D 转换电路

A/D 转换的作用是将模拟信号转换数字信号[7]。它一般包括抽样、保持、量化及编码等4个方面，具体过程如下：模拟电压量作为输入，进入控制逻辑电路进行选择，然后在采样时钟的作用下移位寄存器和数据寄存器进行数据转换，最终完成数字量的输出。在实际应用中，量化和编码是伴随着转换过程中共同完成。本文选择ADC0832作为仿真元器件，ADC0832的工作频率较低，功耗仅为15MW，因此比较节能。其VCC 端接5V 电源的同时，可使得芯片的模拟电压输入在0～5V 之间可调，CLK、DI、DO 三个信号端需要接上拉电阻，保证其具有高电平输出，它同时还具有双数据输出可作为数据校验，以此来减少数据误差，增强系统的稳定性能。

1.5 显示屏预警

电路预警系统的显示部分仿真使用的是LCD显示屏，平面显示器的应用逐渐成为现在许多智能化行业的主流，其具有直角显示、低耗电量、体积小、零辐射等优点，普通用户都能够真切感受到智能化水平的提升，因此其对于生活中有着不可或缺的作用。本系统采用LM016L 显示屏进行设计，是一种具有高清晰度的液晶模块，采用比较先进的HD44780控制器，它的指令集非常丰富，可以完成字符的移动和闪烁等操作。在该电路系统中，当监测到异常电流信号时，核心处理器收到响应的同时会传输控制信号给显示屏，从而显示当前的电路状态信息，在异常情况下立刻控制继电器切断电源，以保证电路不发生安全事故。

1.6 算法设计与分析

由预警电路流程可知，系统首先完成各项指标的初始化，包括调试串口、定时器化、显示屏和AD 转换器的初始化，然后打开中断，复位光标，ADC0832每秒进行数据采集和转换，并由单片机进行数据接收，判断电流是否处于限定范围，如果是的话则电路正常运行，反之则电路异常，蜂鸣器打开进行报警，此时继电器打开，然后关闭总中断，预警电路运行结束。

2 仿真分析

为进一步深入研究电路预警系统，在Proteus中搭建了仿真电路模型，其主要包括变压器电路、固态继电器控制电路、桥式整流电路、电流检测电路、单片机核心处理器、A/D 转换电路、LCD 显示电路等。通过电路结构的合理连线，组合各电路功能，以实现家用电路的预警系统设计。

图2 正常状态下的仿真结果

如图2所示，电流检测器1的电流大小为24A，电流检测器2的电流大小为46A，电流检测器3的电流大小为26A，电流的参数可通过改变滑动变阻器的阻值来调试，设定的电流正常范围为20A～60A之间，一旦超过60A 或者低于20A 都认为是电路故障，正常范围内显示为Normal，代表此时系统处于正常运行状态。

图3左为电路预警系统电流小于限定值仿真结果，此时C1的电流大小为18A，低于限定值，图3右为电路预警系统电流大于限定值仿真结果，此时C2的电流大小为62A，高于限定值。可看出只要电流大小不在正常范围内，预警系统都会进行蜂鸣器报警和显示屏预警显示为Alarml，并且此时固态继电器会跳开闸，以此来保证电路不被损毁，也能够提醒人们及时进行电路抢修，以保障基本家庭用电安全。

图3 电流异常仿真结果

图4 电炉/电饭锅/微波炉仿真结果图

在日常生活中各个用电器的额定功率、额定电流是不同的，小功率用电器的额定电流低，大功率的用电器的额定电流高。以家电铭牌为依据，设置电炉/电饭锅/微波炉在家庭电路中的正常电流参数为4A～6A，通过proteus 仿真，调节电流大小得到图4的仿真结果图，可知当C1/C2/C3的数据在安全阈值内时，显示器显示各个支路电流值且显示Normal，当C1/C2/C3的数值有一个或多个不在安全阈值内时，蜂鸣器报警、保护电路断开，显示Alarml。

3 结语

本方案采用模块化的设计思路，搭建了基于单片机的预警电路集成仿真系统。仿真结果表明，所设计的电路预警系统能实时监测电流的大小，并将电流测量结果及电路运行情况显示于屏幕上，一旦电流超出阈值范围，系统将发出警报并及时切断固态继电器以保护电路。本文设计的系统简单实用、性能稳定，可实现对电路故障的实时监测和安全保护。