基于ARDUINO的跨步電壓檢測報警裝置研制

沈歡勝++陸強++顏加仁++曾林

摘 要：利用Arduino標準化單片機集成模塊，從硬件和軟件兩方面論述了一種跨步電壓檢測報警裝置，該裝置通過導線將安裝在絕緣靴底部的金屬棒接到電壓檢測報警裝置，引入兩腳之間的電壓量，再經過降壓和AC/DC轉換電路，利用 Arduino集成電路內部的AD轉換功能實現電壓量的檢測，在檢測電壓高于特定數值時發出告警聲音，并可通過LED數碼管顯示測量值。

關鍵詞：Arduino 跨步電壓 電壓檢測

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（c）-0104-02

我國東部沿海處于歐亞大陸與西北太平洋的過渡地帶，屬典型的亞熱帶季風氣候區，是我國受臺風、暴雨等災害影響最嚴重地區之一。該地區220kV及以上變電站均為室外露天式變電站，各種高壓設備和端子箱都是直接暴露在室外，容易受到潮濕和雨水淹侵影響，部分地勢較低的變電站，道路和電纜溝特別容易積水。

按照變電站管理要求，惡劣天氣后必須對變電站設備進行特巡，這樣較容易發生跨步電壓觸電事故。當電氣設備發生接地或漏電故障，接地電流通過接地體向大地流散，在地面上形成分布電位，這時若人在接地短路點周圍行走，兩腳之間的電位差，就是跨步電壓[1]。當跨步電壓達到40～50 V時，將有觸電危險，特別是跨步電壓會使人摔倒進而加大人體的觸電電壓，嚴重時會使人發生觸電死亡。

但是變電站沒有配置專門的檢測跨步電壓的裝置，常用的絕緣靴也不具備跨步電壓檢測功能，為了降低變電站的跨步電壓觸電風險，本文利用Arduino標準化單片機集成模塊，研制一種跨步電壓檢測報警裝置，可以安裝在常規絕緣靴上，當跨步電壓值大于安全數值時發出告警，可提醒使用人員地面上是否有電，有利于及時地發現系統存在接地現象，警告人們遠離漏電設備，并采取可靠措施，以便及時處理，消除人身安全威脅。

Arduino是一塊基于開放源代碼的Simple I/O平臺，該平臺由硬件和軟件兩部分組成，這兩部分都是開源的，開發語言類似java、C語言，具有開發環境簡單、易理理解的特點[2]。

1 系統構成

從系統結構上，跨步電壓檢測報警系統由前部電壓采集端和電壓檢測報警裝置兩部分構成。

如圖1所示，前部電壓采集端主要由絕緣靴上的U型金屬棒3、帶有絕緣外皮的導線5，以及導線上的專用插頭6等構成，其主要作用是將絕緣靴所處的兩點電位通過導線引入電壓檢測報警裝置9上。前部電壓采集端利用帶有魔術貼的綁帶2和綁帶4，將U型金屬棒3綁在絕緣鞋1上。

電壓檢測報警裝置9主要由Arduino標準化單片機集成模塊及相關外圍電路構成，并設有專用電源開關8、LED數碼管10，以及掛繩孔11，通過掛繩孔11可以將裝置掛到腰帶或者鑰匙扣上。

2 硬件設計

電壓檢測報警裝置的原理如圖2所示。通過電壓檢測報警裝置上的專用插孔5，引入兩腳之間的電壓量（當電壓過大時通過壓敏電阻進行保護），再經過降壓和AC/DC轉換電路1，將交流電壓量按比例轉成0～5V的直流電壓量，并接入Arduino標準化單片機集成電路4的模擬量輸入口A0，經過Arduino內部的AD轉換功能實現電壓量的測量，并經比例系數調整后通過LED數碼管2進行顯示；再利用Arduino的判斷邏輯，當測量電壓值超過36V時，驅動蜂鳴器3發出告警聲。

Arduino共有14組數字輸入/輸出端Digital 0～13和6組模擬輸入/輸出端A0～5，這里我們用Digital 0～7控制LED數碼管的A～G和DP數據段，Digital 8～10控制LED數碼管選通位DG1～3，Digital 11控制蜂鳴器，用A0采集電壓量。

3 軟件設計

Arduino把單片機編程中很多常用的功能，如延時、數據讀寫、中斷等都被模塊化封裝成一個個子程序供開發者調用，開發者只需著眼于程序的邏輯結構，而不必關心底層函數的具體設計，從而大大降低了程編程的復雜程度[3]。

從功能上，電壓檢測報警裝置主要有三段程序，分別是AD轉換程序、數碼管顯示程序和蜂鳴器報警程序。

3.1 AD轉換程序

Arduino有6個AD轉換口，可以測量0～5V的直流電壓，并將其轉換為0到1023的數字量輸出。經過前端的降壓和AC/DC轉換電路，將所需要測量的交流電壓量轉換為0～5V的直流電壓量，以供Arduino的AD轉換口測量。Arduino的AD轉換具有10位的AD采樣精度，相對于二進制而言有1024個單位（LSB），當模擬輸入的電平為+5V時，其分辨率為每LSB為4.88 mV，相對誤差為0.1%左右[4]，可以滿足一般的測量精度要求。借助于標準數字萬用表，可以算出交流電壓輸入量和Arduino的AD轉換輸出量之間的系數，從而可以進行輸出校準。同時，本裝置還設置了一個精密可調電阻，也可以用于校準。

AD轉換程序分兩步，先讀取模擬輸入口A0的數值，然后按照比例系數調整輸出。

ACinput=analogRead（0）；//讀取模擬口A0的電壓值，數值從0到1023

ACoutput=map（ACinput，0，1023，0，500）；//將讀取到的電壓值，按比例調整0到500

為了提高抗干擾性，得到更加穩定的度數，可以多次讀取數據并計算平均值。

3.2 數碼管顯示程序

數碼管顯示程序可以按照以下步驟進行：

（1）定義三個全局變量digitalBit3、digitalBit2、digitalBit1，用于存放分解好的整數百位、十位和個位。

（2）定義一個函數void digitalBit（int ACoutput）， 用于將一個999以內的整數分解為百位、十位和個位三個數字。ACoutput是需要分解的整數，分解后的百位、十位和個位數字分別存于3個全局變量digitalBit3、digitalBit2、digitalBit1中。endprint

（3）定義10個子函數，分別用于顯示數字0～9，以下是用于顯示數字“1”的函數。

void digital_1（void） //顯示數字1

{

unsigned char j；

digitalWrite（0，HIGH）；//給數字引腳0高電平，熄滅a段

digitalWrite（1，LOW）；//給數字引腳1低電平，點亮b段

digitalWrite（2，LOW）；//給數字引腳2低電平，點亮c段

for（ j=3；j<=7；j++）

digitalWrite（j，HIGH）；//給數字引腳3～7高電平，熄滅其余段

}

（4）在setup（）函數中設置0～10引腳為輸出模式

int i；//定義臨時變量

for（i=0；i<=10；i++）

pinMode（i，OUTPUT）；//設置0～10引腳為輸出模式

（4）動態顯示百位、十位和個位的數字。

先確定所要顯示的數字，然后選通數碼管的百位，并保持20ms，再取消數碼管的百位。按照同樣的原理，依次顯示十位和個位數字。

3.3 蜂鳴器報警程序

蜂鳴器使用內部帶有驅動電路的有源蜂鳴器，正極通過限流電阻接到電源上，負極接到Arduino數字輸出引腳Digital 11上，當數字輸出引腳Digital 11為低電平時，蜂鳴器發聲。

4 結語

本跨步電壓檢測報警裝置解決了變電站內使用的常規絕緣靴不具備跨步電壓檢測報警的功能的問題，同時該裝置可以有效地測量兩腳之間的跨步電壓數值，并且當跨步電壓值大于安全數值時發出告警，可提醒使用人員地面上是否有電，有利于及時地發現系統存在接地現象，以便及時處理，消除人身安全威脅。

同時，本實用新型跨步電壓檢測報警裝置采用了Arduino標準化單片機集成電路板，方便開發和調試，降低了成本。

該成果目前已經申請了國家專利，具有較強的實用性，值得推廣。

參考文獻

[1] 袁小雷.淺談跨步電壓觸電[J].建筑安全，2004（11）：23-23

[2] 蔡睿妍.Arduino的原理及應用[J].電氣設計工程，2012（16）：155-156

[3] 紀欣然.基于arduino開發環境的智能尋光小車設計[J].現代電子技術，2012（15）：161-163

[4] 陳倩詒.單片機片內A/D轉換器應用于交流量的測量[J].電子技術，2003（10）：21-23.endprint