基于STM32的智能漏電檢測系統設計

梁淇源，王永杰

（桂林理工大學信息科學與工程學院，廣西桂林，541004）

0 引言

電線在使用過程中會產生損耗，損耗到一定程度容易產生漏電，而如果漏電流過大，人們在不知情的情況下使用電器就很容易發生觸電事故。漏電檢測與漏電保護是隨著電力的使用而發展起來的，觸電事故的增加也使人們對漏電檢測和漏電保護越來越重視，目前，漏電的檢測和保護已經覆蓋到了每家每戶的電路和用電設備[1]。最簡單也是最傳統的漏電檢測方式是：檢測人員用電筆接觸帶電體，如果氖泡亮一下立刻就熄滅，證明帶電體帶的是靜電，如果是長亮那一定就是漏電[2]。但這種方法不僅效率較低，而且帶有較大的危險性。基于STM32 的智能漏電檢測系統通過智能化的運行，可以提高漏電的檢測效率，降低檢測人員在檢測漏電時的安全隱患，是一個智能化的系統。本系統主要應用于電腦機房的線路保護。機房中電腦多，同時存儲著許多重要資料，線路連接復雜，如果出現漏電問題將會產生很大的損失，同時帶來很多麻煩。

1 系統總體設計

本系統以STM32F103單片機為核心，對電路中的電流信號進行采集，通過單片機自帶的AD功能將電信號轉換為相應數字信號，然后對數字信號進行判斷，當大于10mA時候顯示漏電，當大于30mA 時顯示短路，然后通過繼電器斷開電源，并報警提示檢測人員，同時通過液晶屏顯示相應電路是否正常。系統框圖如圖1所示，主要由漏電流信號采集電路、漏電流保護電路、報警電路、顯示電路及線路復位電路組成。本系統主要應用于電腦機房的漏電檢測，在每條需要檢測的線路上安裝漏電流采集裝置進行漏電檢測，同時把采集到的電流值傳送給單片機，單片機處理后顯示在LCD，同時顯示線路是否正常工作，操作人員通過觀察LCD即可了解到電腦機房中各個電路的實時情況[3]。當檢測到漏電流過大時，實現斷電保護并報警，在需要檢測的每條線路中安裝復位按鍵，當檢測人員處理完問題后可以手動按鍵恢復通電。

圖1 系統總體框圖

2 硬件電路設計

STM32系列單片機一般使用Cortex M3內核的微處理器，以最高72MHz頻率運行。64KB的Flash提供了較大的軟件存儲空間，還擁有20K字節的SRAM。與市場上常見的51單片機價格非常接近，價格較為低廉。該芯片擁有多種通信接口：3個USART通用串口，方便同時提供與PLC、變頻器、GSM/GPRS透明傳輸模塊等USART接口設備的連接；一個可實現現場總線連接功能的CAN接口、兩個支持SMBus/PMBus 的I2C接口、兩個速率為18Mbit/s的SPI接口、一個USB接口。此外，其還帶有2個內部模數轉換器和3個可編程定時器，每個定時器皆可用于驅動外設或者輸入信號采樣。

STM32最小系統包括：電源、 STM32F103C8T6、時鐘和復位電路。系統中各分電路和單片機使用電源為+5V電壓。系統的運行需要五個時鐘源，除自帶的三個時鐘源還需要布置一個外部高速時鐘和一個外部低速時鐘[4],振蕩信號頻率由時鐘電路晶振頻率和電容共同決定，其中晶振頻率是決定性因素，電容的作用是穩定頻率和快速啟振。本系統中外部高速時鐘采用8MHz晶振，電容采用22pF；外部低速時鐘采用32.786kHz晶振，電容采用22pF。復位電路采用上電復位，單片機在每次上電時自動復位，同時內部程序重新開始執行。

為了實現系統長期有效性供電，減少電池的更換頻率，選擇將民用電額定電壓AC220V 50Hz轉換成DC5V為系統供電。使用變壓器將220V轉換成6-12V，再通過橋式整流器將相應的交流電壓轉換為直流電壓。選用三端穩壓器LM7805對變換后的直流電壓進行穩壓處理，為系統提供穩定的+5V電壓以提高系統的抗干擾能力。電源電路如圖2所示。C1是一個220μF電解電容，用作低頻濾波，主要是為了消除或盡可能降低變壓器輸入的低頻交流電壓。C2選用0.1μF的瓷片電容，起到高頻濾波的作用。因為7805穩壓管對高頻噪聲抑制能力差，在穩壓管的輸入端接入C1是為了防止高頻波輸入端進入7805，從而影響輸出穩定性。C3和C1在電路中起到的作用相同，它與C4共同作用以降低三端穩壓管7805輸出的紋波和 高頻噪聲，為系統提供更穩定電源。

圖2 電源電路

漏電流檢測電路和漏電保護電路是整個系統的重要部分，只有準確無誤的檢測出漏電流的大小，才能發現線路是否出現漏電問題，進而啟動漏電保護防止危險的出現。漏電流檢測電路如圖3所示，漏電流檢測模塊所檢測的漏電流是通過在每個電路上安裝一個可調電阻來模擬漏電情況。系統上電后，從初始狀態開始旋動可調電阻，隨著可調電阻的旋動，電路中的漏電流就越大，當漏電流大于10mA時，就會認定該電路為漏電，并將該情況顯示在顯示屏上；繼續旋動可調電阻，漏電流會繼續增大，電流值到達30mA時，系統會認定此時的漏電流會造成較大損害，就會由漏電保護電路將電路斷開，同時在LCD上顯示短路信息，并由蜂鳴器發出警報，同時，安裝在線路上的LED燈也會由于斷電而滅掉。漏電保護電路如圖4所示，當某條線路中漏電流過大時繼電器將線路斷開從而達到保護電路的目的。

圖3 漏電流檢測電路

圖4 漏電保護電路

3 軟件程序設計

系統主要有漏電檢測與保護模塊和LCD顯示模塊，所以程序設計也主要圍繞這兩部分開展。上電后，首先是系統初始化，初始化成功后，漏電流采集電路采集電流值，并把電流值送入單片機進行處理，與事先設定好的超限電流值進行比較，如果大于設定值則發出報警信號并啟動保護電路，工作人員收到報警信號，進行線路維修，維修完成后通過線路按鍵恢復線路正常工作。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

STM32通過自帶的AD轉換器將采集到的漏電流信號轉換為數字信號并與程序中的設定值進行比較從而判斷該電路狀態，并送往LCD12864顯示。人體可通過的安全電流為10mA，在有觸電保護裝置的情況下，人體允許通過的電流一般為30mA。因此將模擬機房漏電流的正常值設置為0-10mA；當漏電流達到10-30mA區間時，該電路就處于漏電狀態，顯示屏上也會顯示該線路漏電；當漏電流超過30mA，該電路所連接的繼電器就會將電路斷開，同時在顯示屏上顯示該電路已經短路，并發出警報信號。顯示工作流程圖如圖6所示。

圖6 顯示工作流程圖

4 實驗系統測試

系統實物圖如圖7所示，系統測試連接+5V電源，模擬三條線路的漏電檢測，通過旋動其中一條電路中安裝的可調電阻可改變電路中的漏電流值。剛開始旋動可調電阻時，電路中漏電流不超過10mA，系統將此視為正常，不會發生任何變化；繼續旋動可調電阻，當電路中漏電流超過了10mA但不超過30mA時，系統將這條線路視為處于漏電狀態，并在顯示屏上顯示此電路漏電；再繼續旋動可調電阻，當電路中的漏電流超過了30mA，此時電流已經達到了漏電流設定的上限值，繼電器將會斷開此電路，此時單片機會將此電路視為已短路，將此信息顯示在顯示屏上，同時蜂鳴器也會發出警報。

圖7 系統實物圖

5 結語

針對電腦機房的用電安全問題設計了智能漏電檢測系統。經過測試，能夠準確的實施漏電流的檢測、顯示實時電路狀況、漏電流過大時進行斷電保護及報警等功能。本系統通過使用可調電阻模擬實現漏電并通過單片機的AD功能將漏電流信號轉化為數字信號進行檢測，在LCD12864液晶顯示屏同時顯示三條線路的實時狀態，當檢測到漏電流時，顯示屏上將會顯示相應的線路出于漏電狀態；當漏電流過大時，系統將通過繼電器斷開這一線路，在顯示屏上顯示相應線路短路的同時通過蜂鳴器報警通知檢測人員進行處理，檢測人員將漏電問題處理后，可通過按鍵將線路恢復正常通電。此系統可以滿足實際應用的要求，漏電流過大時及時斷開線路可以保障線路的安全性；顯示屏將故障線路標明，減少了檢測人員的排查工作量。本系統采用繼電器，單片機等技術，應用于用電安全實踐，可以提高漏電檢測及保護的整體水平，給檢測人員提供了方便的同時，也保障了檢測人員的安全，具有一定的實用價值。