基于STM32的智能漏电检测系统设计

梁淇源，王永杰

（桂林理工大学信息科学与工程学院，广西桂林，541004）

0 引言

电线在使用过程中会产生损耗，损耗到一定程度容易产生漏电，而如果漏电流过大，人们在不知情的情况下使用电器就很容易发生触电事故。漏电检测与漏电保护是随着电力的使用而发展起来的，触电事故的增加也使人们对漏电检测和漏电保护越来越重视，目前，漏电的检测和保护已经覆盖到了每家每户的电路和用电设备[1]。最简单也是最传统的漏电检测方式是：检测人员用电笔接触带电体，如果氖泡亮一下立刻就熄灭，证明带电体带的是静电，如果是长亮那一定就是漏电[2]。但这种方法不仅效率较低，而且带有较大的危险性。基于STM32 的智能漏电检测系统通过智能化的运行，可以提高漏电的检测效率，降低检测人员在检测漏电时的安全隐患，是一个智能化的系统。本系统主要应用于电脑机房的线路保护。机房中电脑多，同时存储着许多重要资料，线路连接复杂，如果出现漏电问题将会产生很大的损失，同时带来很多麻烦。

1 系统总体设计

本系统以STM32F103单片机为核心，对电路中的电流信号进行采集，通过单片机自带的AD功能将电信号转换为相应数字信号，然后对数字信号进行判断，当大于10mA时候显示漏电，当大于30mA 时显示短路，然后通过继电器断开电源，并报警提示检测人员，同时通过液晶屏显示相应电路是否正常。系统框图如图1所示，主要由漏电流信号采集电路、漏电流保护电路、报警电路、显示电路及线路复位电路组成。本系统主要应用于电脑机房的漏电检测，在每条需要检测的线路上安装漏电流采集装置进行漏电检测，同时把采集到的电流值传送给单片机，单片机处理后显示在LCD，同时显示线路是否正常工作，操作人员通过观察LCD即可了解到电脑机房中各个电路的实时情况[3]。当检测到漏电流过大时，实现断电保护并报警，在需要检测的每条线路中安装复位按键，当检测人员处理完问题后可以手动按键恢复通电。

图1 系统总体框图

2 硬件电路设计

STM32系列单片机一般使用Cortex M3内核的微处理器，以最高72MHz频率运行。64KB的Flash提供了较大的软件存储空间，还拥有20K字节的SRAM。与市场上常见的51单片机价格非常接近，价格较为低廉。该芯片拥有多种通信接口：3个USART通用串口，方便同时提供与PLC、变频器、GSM/GPRS透明传输模块等USART接口设备的连接；一个可实现现场总线连接功能的CAN接口、两个支持SMBus/PMBus 的I²C接口、两个速率为18Mbit/s的SPI接口、一个USB接口。此外，其还带有2个内部模数转换器和3个可编程定时器，每个定时器皆可用于驱动外设或者输入信号采样。

STM32最小系统包括：电源、 STM32F103C8T6、时钟和复位电路。系统中各分电路和单片机使用电源为+5V电压。系统的运行需要五个时钟源，除自带的三个时钟源还需要布置一个外部高速时钟和一个外部低速时钟[4],振荡信号频率由时钟电路晶振频率和电容共同决定，其中晶振频率是决定性因素，电容的作用是稳定频率和快速启振。本系统中外部高速时钟采用8MHz晶振，电容采用22pF；外部低速时钟采用32.786kHz晶振，电容采用22pF。复位电路采用上电复位，单片机在每次上电时自动复位，同时内部程序重新开始执行。

为了实现系统长期有效性供电，减少电池的更换频率，选择将民用电额定电压AC220V 50Hz转换成DC5V为系统供电。使用变压器将220V转换成6-12V，再通过桥式整流器将相应的交流电压转换为直流电压。选用三端稳压器LM7805对变换后的直流电压进行稳压处理，为系统提供稳定的+5V电压以提高系统的抗干扰能力。电源电路如图2所示。C1是一个220μF电解电容，用作低频滤波，主要是为了消除或尽可能降低变压器输入的低频交流电压。C2选用0.1μF的瓷片电容，起到高频滤波的作用。因为7805稳压管对高频噪声抑制能力差，在稳压管的输入端接入C1是为了防止高频波输入端进入7805，从而影响输出稳定性。C3和C1在电路中起到的作用相同，它与C4共同作用以降低三端稳压管7805输出的纹波和 高频噪声，为系统提供更稳定电源。

图2 电源电路

漏电流检测电路和漏电保护电路是整个系统的重要部分，只有准确无误的检测出漏电流的大小，才能发现线路是否出现漏电问题，进而启动漏电保护防止危险的出现。漏电流检测电路如图3所示，漏电流检测模块所检测的漏电流是通过在每个电路上安装一个可调电阻来模拟漏电情况。系统上电后，从初始状态开始旋动可调电阻，随着可调电阻的旋动，电路中的漏电流就越大，当漏电流大于10mA时，就会认定该电路为漏电，并将该情况显示在显示屏上；继续旋动可调电阻，漏电流会继续增大，电流值到达30mA时，系统会认定此时的漏电流会造成较大损害，就会由漏电保护电路将电路断开，同时在LCD上显示短路信息，并由蜂鸣器发出警报，同时，安装在线路上的LED灯也会由于断电而灭掉。漏电保护电路如图4所示，当某条线路中漏电流过大时继电器将线路断开从而达到保护电路的目的。

图3 漏电流检测电路

图4 漏电保护电路

3 软件程序设计

系统主要有漏电检测与保护模块和LCD显示模块，所以程序设计也主要围绕这两部分开展。上电后，首先是系统初始化，初始化成功后，漏电流采集电路采集电流值，并把电流值送入单片机进行处理，与事先设定好的超限电流值进行比较，如果大于设定值则发出报警信号并启动保护电路，工作人员收到报警信号，进行线路维修，维修完成后通过线路按键恢复线路正常工作。主程序流程图如图5所示。

图5 主程序流程图

STM32通过自带的AD转换器将采集到的漏电流信号转换为数字信号并与程序中的设定值进行比较从而判断该电路状态，并送往LCD12864显示。人体可通过的安全电流为10mA，在有触电保护装置的情况下，人体允许通过的电流一般为30mA。因此将模拟机房漏电流的正常值设置为0-10mA；当漏电流达到10-30mA区间时，该电路就处于漏电状态，显示屏上也会显示该线路漏电；当漏电流超过30mA，该电路所连接的继电器就会将电路断开，同时在显示屏上显示该电路已经短路，并发出警报信号。显示工作流程图如图6所示。

图6 显示工作流程图

4 实验系统测试

系统实物图如图7所示，系统测试连接+5V电源，模拟三条线路的漏电检测，通过旋动其中一条电路中安装的可调电阻可改变电路中的漏电流值。刚开始旋动可调电阻时，电路中漏电流不超过10mA，系统将此视为正常，不会发生任何变化；继续旋动可调电阻，当电路中漏电流超过了10mA但不超过30mA时，系统将这条线路视为处于漏电状态，并在显示屏上显示此电路漏电；再继续旋动可调电阻，当电路中的漏电流超过了30mA，此时电流已经达到了漏电流设定的上限值，继电器将会断开此电路，此时单片机会将此电路视为已短路，将此信息显示在显示屏上，同时蜂鸣器也会发出警报。

图7 系统实物图

5 结语

针对电脑机房的用电安全问题设计了智能漏电检测系统。经过测试，能够准确的实施漏电流的检测、显示实时电路状况、漏电流过大时进行断电保护及报警等功能。本系统通过使用可调电阻模拟实现漏电并通过单片机的AD功能将漏电流信号转化为数字信号进行检测，在LCD12864液晶显示屏同时显示三条线路的实时状态，当检测到漏电流时，显示屏上将会显示相应的线路出于漏电状态；当漏电流过大时，系统将通过继电器断开这一线路，在显示屏上显示相应线路短路的同时通过蜂鸣器报警通知检测人员进行处理，检测人员将漏电问题处理后，可通过按键将线路恢复正常通电。此系统可以满足实际应用的要求，漏电流过大时及时断开线路可以保障线路的安全性；显示屏将故障线路标明，减少了检测人员的排查工作量。本系统采用继电器，单片机等技术，应用于用电安全实践，可以提高漏电检测及保护的整体水平，给检测人员提供了方便的同时，也保障了检测人员的安全，具有一定的实用价值。