单片机核心板,以NEC单片机为核心的漏电监测仪设计

随着电子仪器设备的广泛使用，特别是家用电器的普及，家用电器的安全性不容忽视。泄漏电流、绝缘电阻和电气强度并称为电气安全性能中的三大电气参数。其中，泄漏电流，尤其是工作温度下的泄漏电流，是能够准确反映实际工作状态的安全电气参数；它也是一个对人体安全有直接影响的电气参数。因为，当电源线的一端接地，人体接触到电器的外壳时，电器的泄漏电流会流过人体，可能导致人身伤害或死亡。因此，漏电检测对家用电器和人们自身的安全都具有重要意义。通过漏电检测，可以根据漏电情况做出具体的反应，从而保护电路和人身财产的安全。

漏电检测原理电力系统电路的漏电检测方法有很多，如绝缘监测装置、低频检测法、变频检测法、霍尔磁天平等。本设计采用霍尔磁平衡原理。为了克服传感器的剩磁对系统检测到的泄漏的影响，零点被设计成可以通过按键调节的系统。

霍尔磁平衡检测的基本原理如图1所示。观察DC系统的任一分支，从电源正端流出的电流IL流经该分支的所有负载，返回电源负端的分支电流为IL-。当支路无接地电流时，IL=IL-，通过传感器的电流相等，传感器无输出。当发生触电或漏电事故时，假设连接到正母线的支路通过电阻R接地，接地电流为IR，则IL=IL- IR，流经传感器的电流不相等，传感器输出反映差值IR大小和方向的信号。据此可以判断接地电阻的大小和接地支路的极性。

图1霍尔磁天平示意图

霍尔磁平衡检测方法具有以下优点。

DC系统不需要注入低频交流信号，与被测系统没有电气连接；

因为传感器检测的是DC接地信号(IR)，与系统的分布电容无关；

接地判据是电流，与系统母线电压无关；

能检测同一支路的正负绝缘相等或成比例下降的故障；

检测灵敏度高，可检测的接地电阻范围广，可在线巡检。

当然，这种方法也有一些缺点：当磁平衡原理制成的有源传感器有电流变化或电流冲击时，很容易改变剩磁，尤其是无源传感器，电流冲击后剩磁变化更大。这种剩磁的变化会严重引起电流、电压放大器和A/D转换器的DC偏移，使上述方法制作的选线装置的零点不断漂移。需要及时调整装置的零点和传感器特性，以保证选线装置的准确性和稳定性，这不仅会给现场带来很大的麻烦和不便，还会造成选线装置的不准确。

为了解决传感器的剩磁问题，我们特别设置了调零功能，这样经过校准后，剩磁的影响就可以消除了。

霍尔磁平衡检测方法不需要高信号处理，因为从霍尔传感器获得的信号是DC信号。信号经过简单的硬件放大滤波后，再进行A/D转换，只需对数据进行简单的数字处理就能满足系统要求。

系统设计采用NEC单片机基于霍尔磁平衡原理的检漏系统设计框图如图2所示。该传感器可以将流入和流出的电流转换成电路回路中的DC电压输出。这类信号经过放大和预处理后，可以送到NEC单片机进行A/D转换，将模拟信号转换成数字信号。在NEC MCU中，对采集到的信号数据进行分析处理，得到泄漏电流的大小，并将数据输出到数码管进行显示，从而根据数据判断是否需要对电路进行某种控制处理，比如关闭电路，发出报警信号。

图2泄漏检测系统设计框图

UPD78F9234单片机是NEC公司生产的8位全闪存系列微处理器，性能优越：集成了4通道10位A/D转换器；内置高精度环形振荡器；低功耗，宽电压范围，超强抗干扰；支持在线编程(ISP。

泄漏信号采集模块通过霍尔传感器采集泄漏信号，从霍尔传感器获得DC信号。信号经过放大和滤波后，可以送到单片机进行A/D转换。

系统投运前，参数存储模块要设置参数，如产品顺序、调零、比例系数、代码修改密码等，系统会将这些参数写入EEPROM。为了减少读写EEPROM的次数，系统开机时从EEPROM中读取数据，存入单片机的RAM中。

该系统采用带I2C接口的2kbits容量EEPROM AT24C02。I2C总线大大方便了系统的设计，无需设计总线接口，并有助于减少PCB面积和系统的复杂性。参数存储单元的电路如图3所示。

图3参数存储电路

在图3所示的电路中，AT24C02的地址为000，电阻R201和R202起上拉作用，SCL和SDA是接入单片机I/O的连接线，用于I2C总线的时钟和数据传输操作。

人机界面模块的人机界面部分采用简单的4键输入控制和五位七段数码管显示。可以设置参数，实时显示泄漏数据，实现更好的人机交互。在本设计中，通过软件对输入进行处理，不断判断按键状态，直到松开按键，然后执行相应的处理程序。泄漏数据显示采用五位七段数码管的动态显示方式，用74HC595锁存动态显示数据。在本设计中，巧妙地将按键输入和动态显示数字选择端口共享，减少了单片机端口的应用，从而达到系统优化和降低产品成本的目的。

软件设计泄漏检测电路的软件设计流程图如图4所示：系统启动后，立即执行系统初始化程序，从EEPROM中读取设定的参数，然后将这些数据逐一显示出来，供操作人员查看。然后调用A/D采样子程序，得到10位精度的泄漏信号数据，处理后即可得到最终的泄漏大小，然后将数据输出到数码管显示。

图4系统软件设计流程

因为有时候用户要查看和修改参数，所以在上面的过程中，我们插入了按键扫描模块，通过按键可以进入参数查看和修改设置状态。

结论随着单片机技术的发展，单片机在电气设备领域得到了广泛的应用，使得各种电气设备向数字化、智能化方向发展。基于NEC微控制器芯片UPD78F9234的漏电监测仪结构简单，软硬件协调，功能全面。