电源插座隐性故障智能诊断仪的设计

王敏辉，陈远浩

（汕头市林百欣科学技术中等专业学校，广东汕头，515041）

0 引言

目前通用的电源单相及三相插座电气连接一般采用导线压接或螺丝紧固方式，容易引起导线脱落或接触不良，火线、零线或地线的安装也没有“防呆”设计，安装时一旦错接必定会引起用电安全事故；另外，电源插座在长时间使用或设备老化后容易导致插座接线处出现相线、零线或地线脱落或接触不良的故障，就极易发生短路、漏电。本文研究一种利用单片机与传感器技术自动检测插座隐性故障的装置，并用语音和图文等直接方式提醒用户，实现电源插座电气性能的快速检测方法。

1 硬件设计思路与原理

基于现有电源插座的缺陷，本设计方案主要采用单片机与传感技术实现故障智能诊断，采用硬件与软件相融合的模块化的设计理念，其中硬件主要包含5大模块：单片机主控模块、隐性故障检测模块、图文显示模块、语音合成模块，还有电源及保护模块。单片机控制模块是系统核心，负责接收故障检测模块的信号并判断，再输出图文信息与语音合成技术实现智能图文和语音提醒，电源故障检测模块检查火、地、零三线的通断状态，并应用光电传感器实现隔离技术，提高电路的安全性和稳定性。外观结构设计上，用原有单相交流电3孔插头和三相交流电4孔、5孔插头的基本外观结构进行设计，不改变插孔位置尺寸，确保通用性，检测电路安装在绝缘性能好且透光的保护壳中。

图1 硬件电路的模块化设计

■1.1 插座隐性故障检测模块

本装置采用的故障检测原理基于二极管的单向导电性，LED发光二极管同样遵循电流正向导通、反向截止。以单相交流电3孔插座为例，在单相插座火线插孔、零线插孔和地线插孔之间用整流二极管、电阻和发光二极管分别连接检测电路，其中电阻器的大小是100kΩ，其作用是限流，整流二极管选择参数IN4007，耐压值1000V，发光二极管选择绿色、黄色或红色，工作电流10-30mA。并利用3个灵敏度较高的光敏电阻做成逻辑判断电路与光电隔离，焊接元器件，并固定和绝缘防护，故障诊断电路内部接线如图2所示。

图2 单相电源插座隐性故障诊断模块内部电路光电隔离

根据LED指示灯的状态可准确判断故障类型，根据装置提示就可以快速的修复插座电气故障，根据原理图，当插座电源连接正确时LED2、LED3导通，而LED1处于截止状态，如果插座中火线、地线、零线出现漏接、错接等错误，就会如表1所示7种情况提醒状态，其对应的故障类型和对应的插座检修排查方法如表1所示。

同理，三相交流电源插座按照前文单相插座电气故障诊断原理，三相4孔电源插座电气故障诊断原理如图3所示。本电路可以检测三相交流电插座的相线和中线是否漏接或错接。

图3 三相电源插座隐性故障诊断模块内部电路光电隔离

根据原理设计，归纳8种装置灯光提醒状态说对应的插座电气故障的分类，包括：无故障正常状态、缺一相（L1或L2或L3）、缺两相（L1L2或L2L3或L1L3）、缺中线。表2所示8种状态为每种灯光提醒状态对应的故障类型和对应的插座检修排查方法。三相5孔电源插座电气诊断装置原理同上，限于篇幅，不再详述。

表2 三相电源插座电气故障诊断状态表和检修方法

■1.2 单片机主控模块设计

本设计单片机主控模块的硬件要求单片机必须内置ROM和RAM，I/O端口数量13个以上，工作电压5V，从设计开发角度考虑，可选用Arduino 单片机开放平台，其特点是软件设计可兼容汇编语言、C语言开发，Arduino在C的基础上简化了开发方式，不需要纠结于AVR的寄存器等底层的东西，直接写代码就能控制兼容Arduino的外设，本设计需要控制的图文显示与语音模块可直接调用库文件来实现，还可以根据用户和产品迭代需求不断修改程序功能与升级。若考虑固定功能的产品大批量生产，可考虑低成本的OTP一次性写入单片机，本文不再详述。

本装置单片机主控模块的硬件设计主要考虑单片机端口的定义，I/O输入输出控制端口的分配。以Arduino nano系列为例，其端口定义如图4所示，本设计涉及I/O端口分配是：第5-7端口作为故障检测模块输入信号；第A0-A7端口作为语音合成数据控制端口； 第8-9端口作为I2c液晶显示数据端口输出，单片机主控模块的I/O分配决定了软件设计的思路，见下文分析。

图4 Arduino nano单片机主控硬件端口定义图

■1.3 显示与语音模块

本设计选用显示模块为分辨率128×64OLED显示屏，硬件接口4针IIC接口，如图5所示，其中1-2分别为电源地GND和电源正VCC，3-4接单片机的输出端，其中3为SCL，OLED在 IIC通信中为时钟信号端口；4为SDA，OLED 在IIC 通信中为数据信号端口。其次，语音模块选择支持单片机串口通信的JQ6500MP3芯片，该芯片采用SOC方案，集成16位MCU以及音频解码的aDSP，采用硬解码的方式，保证系统的稳定性和音质，芯片封装及引脚排列如图6所示。该芯片外围电路简单，内置 flash存储器，语音数据可多次擦写；支持数据按位寻址，方便系统调用。除语音IC外，对音频信号放大选用8002功放IC，以确保音量大小，功放电路设计方案如图7所示。

图5 显示模块IIC接口

图6 语音芯片封装与引脚排列

图7 音频放大电路

2 软件设计

软件程序编写按照硬件端口分配，设计Arduino单片机程序，包括主程序与子程序，主程序包括：头文件、端口定义、初始化等，子程序包括：故障状态检测子程序、语音调用、图文显示、延时、复位控制等。其中故障状态检测子程序采用“if”、“else if”条件语句编写各种输入输出的逻辑关系，程序设计原理流程如图8-9所示。

图8 主程序设计思路

图9 单相插座隐性故障检测模块子程序设计思路

限于文章篇幅，仅列出设计思路举例主程序中初始化与端口定义的对应程序：

三相电检测故障分析程序和单相电故障分析程序类似，限于篇幅限制不再详述，三相插座故障检测模块子程序设计思路如图10所示。

图10 三相插座故障检测模块子程序设计思路

3 结论与推广

本设计目前已获得实用新型专利授权（专利名称：一种电源插座隐性故障诊断仪，专利授权号ZL2019 22 1694233.0，授权日期2020年6月），2020年参加汕头市“第三届市长杯工业设计大赛‘未来之星创新设计专项赛’”铜奖，本设计产品已在笔者所在单位推广应用，效果良好。应用案例之一是对职业学校电子电工专业的学生开展电工技能课程实训，师生需要安装搭接电气线路和插座开关，这对于初学者来说是学习难点，尤其是对于三相电源插座的线路连接训练时容易出现导线接错或接漏的错误，以往教师排查故障也非常麻烦，需要拆解后才能检测识别、一旦线路短路会有漏电和火灾的危险。目前采用本设计专利产品检测学生实训电路的性能和工艺，大大提高工作效率和教学效果；另外本设计还可以应用于各类电工与消防等建筑施工验收与检测等应用领域，可提高验收人员的安全系数和效率，市场推广前景可观。