電路預警系統設計仿真研究

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關鍵詞：安全家居；故障監測；電流檢測；預警

安全用電作為一個與生活息息相關的指標，在科學研究、工業生產和人們的日常生活等各個領域都有著重要的作用。然而電路會間歇性地出現橫向短路、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測、預警以及對電路的精確控制和保護是急需解決的問題，電路預警系統的設計具有重大現實意義。故障字典法和故障樹法是廣泛應用于普通電路故障監測的兩種方法。這兩種方法均借助于經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警問題，缺陷是前期工作量大、時效性差，且對其它領域不具備可移植性。根據市場的需求，一些專家和學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理論進行有效監測和診斷，后者在其基礎上完成了可行性分析測試[2-3]。但該方法理論比較復雜，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]靈活結合了紅外技術和圖像處理技術，可對電路故障進行非接觸式檢測，該設備使用便捷且檢測效率高。但該設備技術性強、生產成本高，因此在推廣上會受到一定程度的限制。本文針對電路預警系統的仿真研究進行展開，對監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，蜂鳴器立刻發出警報并顯示當前電路異常；當電路恢復正常時警報被自動撤除。一旦出現橫向短路、縱向斷路等故障，固態繼電器會立刻斷開，從而保護電路。因此所設計的電路預警系統可滿足家居用電的基本安全標準，為人們生活提供保障。

1系統方案設計及算法設計與分析

1.1系統原理框圖

電路預警系統的核心是能夠保障人們的基本生活用電安全，確保在發生電路故障時可達到預警和保護的作用。本文中系統包括以51單片機為核心的處理器、電流檢測檢測器、顯示屏預警、蜂鳴器報警和保護電路及電源電路等。該系統進行動態監測的同時，還能夠實現保護和安全隔離的雙重功能。圖1給出了預警電路系統的工作原理：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測。模擬電流信號通過A/D轉換成數學信號，轉換完成后被送入51單片機進行處理從而產生驅動信號。驅動電路的輸出可使系統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，由于在一個開關周期內電容充放電引起的紋波很小，因此該電路具有廣泛的應用。整流方式是熟知的橋式整流，其在電氣應用領域得到廣泛應用[5]。固態繼電器的一個主要功能就是在電路出現故障時，能將系統電路的控制端與負載端進行隔離。固態繼電器能夠借助微弱控制信號實現負載的電流驅動。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交流到直流的轉變。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導通性來使得LED發光管發亮。發亮的同時表明電路處于異常狀態，需要進行維護。

1.3電流檢測電路

一般來說，可以通過串聯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分流，從而完成對大電流的測量。在某些情況下必須借助轉換開關來完成，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，然后根據并聯分流的關系依次得出相應電流的大小，從而實現以地為參考的電流/電壓的轉換。依靠電壓檢測原理，借助多支路電阻并聯分流完成電流的檢測，其測量精度較高且能關聯擴流使用。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測方式能實現全面的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轉換電路

A/D轉換的作用是將模擬信號轉換數字信號[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據寄存器進行數據轉換，最終完成數字量的輸出。在實際應用中，量化和編碼是伴隨著轉換過程中共同完成。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，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，它同時還具有雙數據輸出可作為數據校驗，以此來減少數據誤差，增強系統的穩定性能。

1.5顯示屏預警

電路預警系統的顯示部分仿真使用的是LCD顯示屏，平面顯示器的應用逐漸成為現在許多智能化行業的主流，其具有直角顯示、低耗電量、體積小、零輻射等優點，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。本系統采用LM016L顯示屏進行設計，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。在該電路系統中，當監測到異常電流信號時，核心處理器收到響應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，以保證電路不發生安全事故。1.6算法設計與分析由預警電路流程可知，系統首先完成各項指標的初始化，包括調試串口、定時器化、顯示屏和AD轉換器的初始化，然后打開中斷，復位光標，ADC0832每秒進行數據采集和轉換，并由單片機進行數據接收，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，然后關閉總中斷，預警電路運行結束。

2仿真分析

為進一步深入研究電路預警系統，在Proteus中搭建了仿真電路模型，其主要包括變壓器電路、固態繼電器控制電路、橋式整流電路、電流檢測電路、單片機核心處理器、A/D轉換電路、LCD顯示電路等。通過電路結構的合理連線，組合各電路功能，以實現家用電路的預警系統設計。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，電流的參數可通過改變滑動變阻器的阻值來調試，設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，正常范圍內顯示為Normal，代表此時系統處于正常運行狀態。圖3左為電路預警系統電流小于限定值仿真結果，此時C1的電流大小為18A，低于限定值，圖3右為電路預警系統電流大于限定值仿真結果，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，預警系統都會進行蜂鳴器報警和顯示屏預警顯示為Alarml，并且此時固態繼電器會跳開閘，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，設置電爐/電飯鍋/微波爐在家庭電路中的正常電流參數為4A~6A，通過proteus仿真，調節電流大小得到圖4的仿真結果圖，可知當C1/C2/C3的數據在安全閾值內時，顯示器顯示各個支路電流值且顯示Normal，當C1/C2/C3的數值有一個或多個不在安全閾值內時，蜂鳴器報警、保護電路斷開，顯示Alarml。

3結語

本方案采用模塊化的設計思路，搭建了基于單片機的預警電路集成仿真系統。仿真結果表明，所設計的電路預警系統能實時監測電流的大小，并將電流測量結果及電路運行情況顯示于屏幕上，一旦電流超出閾值范圍，系統將發出警報并及時切斷固態繼電器以保護電路。本文設計的系統簡單實用、性能穩定，可實現對電路故障的實時監測和安全保護。

參考文獻

[1]莫晏光.家用聲頻功率放大器保護電路及其檢修[J].山西電子技術,2009,3.

[2]汪涌.基于DES理論的數模混合電路故障診斷技術的研究[D].合肥工業大學,2008.

[3]張菲菲.基于DES理論的數模混合電路的可測試性與故障診斷研究[D].合肥工業大學,2006.

[4]楊先明,葉玉堂,等.紅外電路故障檢測系統[J].紅外與激光工程,2006,3.

[5]蔡皓天,陳星.一種新型高效寬帶整流電路[J].電子技術應用,2019,12.

[6]王志剛,陳籽東,等.基于羅氏線圈的脈沖電流檢測信號調理電路的設計[J].湖北理工學院學報,2019,6.

[7]楊歡,杜少華,等.基于Proteus的單片機A/D轉換仿真實驗[J].教育教學論壇,2019,30.

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