基于单片机的漏电保护插座的电路设计

巢玉江，袁红兵

CHAO Yu-jiang,YUAN Hong-bing

(南京理工大学 机械工程学院，南京 210094)

0 引言

随着社会的发展，人们在生活中接触电气设备的机会越来越多，电气安全事故发生的几率也越来越大[1]。在家庭用电过程中，由于电气设备本身的缺陷、使用不当和安全技术措施不利而造成的人身触电和火灾事故，给人民的生命和财产带来了不应有的损失，综合国内外的漏电保护现状，迫切需要一种预防各类事故的发生，及时切断电源，保护设备和人身安全的技术手段。

对此，本文提出了一种基于STC12C2052AD单片机的漏电保护插座的电路设计方案。本方案经过实验验证完全满足漏电信号的检测和后续电路的控制。

1 系统总体结构设计

该漏电保护插座的电路系统由单片机系统模块、漏电信号调理模块、电源转换模块和驱动电路模块四大部分组成。其中单片机采用的是STC12C2052AD系列单片机,该系列带A/D转换的单片机的A/D转换口在P1口（P1.7-P1.0）,有8路8位高速A/D转换器，速度可达到100KHz(约10万次/秒)；漏电信号调理模块采用运算放大器LM324芯片对互感传感器产生的漏电信号进行放大；电源转换模块通过稳压二极管1N4749A和78M05把220V交流电转换为稳定的5V直流电源；驱动电路模块通过光耦把单片机产生的弱电信号转换成强电控制信号，控制后续的断电机构进行断电操作。该电路系统的单片机实时的进行漏电数据采集，当采集到的漏电量超过规定值时单片机产生一个切断电源的信号。该信号通过光耦把单片机的控制信号转化为强电信号从而控制机械部分执行切断电源的动作。漏电保护插座的电路系统总体结构示意图如图1所示。

图1 系统总体结构示意图

2 系统硬件设计

2.1 电源转换模块

由于该保护插座的电路要嵌入到插座的内部，所以对电路的体积有了很严格的限制。综合比较了电池供电、普通互感降压和稳压二极管降压电路的优缺点，本设计选择并优化了稳压二极管降压电路。经过实验验证该电路完全可以把220V的交流电转换为稳定的5V直流电源。转换后5V电源的功率完全满足该电路系统的需要。电源电路的原理图如图2所示。直流稳压电源输出稳定性是保证获得高检测精度的前提[2～4]。为了实现电源电路的稳定输出，本设计首先通过Multisim软件对电源电路模块进行仿真模拟，其仿真结果如图3所示。

图2 电源转换电路原理图

图3 电源转换电路仿真结果

2.2 漏电信号调理模块

由于STC12C2052AD单片机自带的A/D只能采集0-5V的模拟信号，而根据霍尔磁式原理做成的互感传感器产生的信号电压为毫伏级信号。所以本设计采用了LM324芯片组成的放大电路对漏电信号进行了放大处理。由于运放放大器芯片的工作电压为5V，所以放大后的信号不会超过5V，满足单片机引脚的限压要求。放大后的信号经过R15限流后直接接入单片机的P1.1引脚进行A/D转换。漏电信号调理模块的原理图如图4所示。

图4 漏电信号调理模块原理图

2.3 单片机系统模块和驱动电路模块

单片机系统采用STC单片机经典的最小外围系统。其中利用该单片机的P1.1引脚采集漏电信号。当漏电量超过漏电要求时P1.6引脚产生控制信号，该控制信号经过光耦转换成控制可控硅的G引脚的信号。可控硅控制后续相应的电路执行相应的机械动作达到切断电源的目的。

3 系统软件设计

应用软件主要包括主程序、初始化A/D子程序和A/D中断服务子程序三大部分。为了保证实时的采集漏电信号，本系统软件在时序上采用连续的采集和比较方式处理的设计方式。系统上电，A/D初始化完成后就进行数据的采集转换。当A/D转换完成后产生A/D中断，在A/D中断服务子程序里进行数据处理。如果数据小于预定值，结束中断进行下一次的A/D转换。如果A/D转换的结果大于或等于预定值则说明漏电量超过了安全标准应该把单片机的P1.6拉低。P1.6拉低会控制后续的电路执行相应的动作，从而切断电源。MSC-51系列单片机被广泛应用于仪器仪表、工业控制、 智能终端等诸多领域。随着软件技术的迅猛发展，要求单片机系统应具有一定的数据处理能力。常用的汇编语言难以胜任大数据的管理和复杂的数学运算，而且程序可读性和可移植性也比较差。 目前 C语言基本上克服了上述缺陷. 使程序大大简化[5,6]。所以本电路系统的软件也采用C语言进行书写。该系统的软件流程图如图5所示。软件代码如下：

图5 系统的软件流程图

4 结束语

本文提出了一种基于STC12C2052AD单片机的漏电保护插座的电路设计方案。该方案使用的元器件较少、成本较低低和体积较小，从而易于嵌入到普通墙壁插座的内部。经实验验证该方案达到了漏电保护的准确性和实时性要求。能够很好的保护家用电器的安全以及人生安全。

[1] 张骋.由一起漏电事故引发的思考[J].低压电器,2009,(18):23-25.

[2] 童诗白,华成英等.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2001.

[3] 汪松体.串联型直流稳压电源常见故障分析及检测[N].电子报,2007,(8):21-23.

[4] 孔保军.直流稳压电源的设计及制作[J].电子制作,2006,(6):34-36.

[5] 赖麒文.8051单片机C语言开发环境实务与设计[M].北京:科学出版社,2002,290-450.