電源插座隱性故障智能診斷儀的設計

王敏輝，陳遠浩

（汕頭市林百欣科學技術中等專業學校，廣東汕頭，515041）

0 引言

目前通用的電源單相及三相插座電氣連接一般采用導線壓接或螺絲緊固方式，容易引起導線脫落或接觸不良，火線、零線或地線的安裝也沒有“防呆”設計，安裝時一旦錯接必定會引起用電安全事故；另外，電源插座在長時間使用或設備老化后容易導致插座接線處出現相線、零線或地線脫落或接觸不良的故障，就極易發生短路、漏電。本文研究一種利用單片機與傳感器技術自動檢測插座隱性故障的裝置，并用語音和圖文等直接方式提醒用戶，實現電源插座電氣性能的快速檢測方法。

1 硬件設計思路與原理

基于現有電源插座的缺陷，本設計方案主要采用單片機與傳感技術實現故障智能診斷，采用硬件與軟件相融合的模塊化的設計理念，其中硬件主要包含5 大模塊：單片機主控模塊、隱性故障檢測模塊、圖文顯示模塊、語音合成模塊，還有電源及保護模塊。單片機控制模塊是系統核心，負責接收故障檢測模塊的信號并判斷，再輸出圖文信息與語音合成技術實現智能圖文和語音提醒，電源故障檢測模塊檢查火、地、零三線的通斷狀態，并應用光電傳感器實現隔離技術，提高電路的安全性和穩定性。外觀結構設計上，用原有單相交流電3 孔插頭和三相交流電4 孔、5 孔插頭的基本外觀結構進行設計，不改變插孔位置尺寸，確保通用性，檢測電路安裝在絕緣性能好且透光的保護殼中。

■1.1 插座隱性故障檢測模塊

本裝置采用的故障檢測原理基于二極管的單向導電性，LED 發光二極管同樣遵循電流正向導通、反向截止。以單相交流電3 孔插座為例，在單相插座火線插孔、零線插孔和地線插孔之間用整流二極管、電阻和發光二極管分別連接檢測電路，其中電阻器的大小是100kΩ，其作用是限流，整流二極管選擇參數IN4007，耐壓值1000V，發光二極管選擇綠色、黃色或紅色，工作電流10-30mA。并利用3 個靈敏度較高的光敏電阻做成邏輯判斷電路與光電隔離，焊接元器件，并固定和絕緣防護，故障診斷電路內部接線如圖2所示。

圖1 硬件電路的模塊化設計

圖2 單相電源插座隱性故障診斷模塊內部電路光電隔離

根據LED 指示燈的狀態可準確判斷故障類型，根據裝置提示就可以快速的修復插座電氣故障，根據原理圖，當插座電源連接正確時LED2、LED3 導通，而LED1 處于截止狀態，如果插座中火線、地線、零線出現漏接、錯接等錯誤，就會如表1 所示7 種情況提醒狀態，其對應的故障類型和對應的插座檢修排查方法如表1 所示。

表1 單相電源插座電氣故障診斷狀態表和檢修方法

同理，三相交流電源插座按照前文單相插座電氣故障診斷原理，三相4 孔電源插座電氣故障診斷原理如圖3 所示。本電路可以檢測三相交流電插座的相線和中線是否漏接或錯接。

圖3 三相電源插座隱性故障診斷模塊內部電路光電隔離

根據原理設計，歸納8 種裝置燈光提醒狀態說對應的插座電氣故障的分類，包括：無故障正常狀態、缺一相（L1 或L2 或L3）、缺兩相（L1L2 或L2L3 或L1L3）、缺中線。表2 所示8 種狀態為每種燈光提醒狀態對應的故障類型和對應的插座檢修排查方法。三相5 孔電源插座電氣診斷裝置原理同上，限于篇幅，不再詳述。

表2 三相電源插座電氣故障診斷狀態表和檢修方法

■1.2 單片機主控模塊設計

本設計單片機主控模塊的硬件要求單片機必須內置ROM 和RAM，I/O 端口數量13 個以上，工作電壓5V，從設計開發角度考慮，可選用Arduino 單片機開放平臺，其特點是軟件設計可兼容匯編語言、C 語言 開 發，Arduino 在C 的基礎上簡化了開發方式，不需要糾結于AVR 的寄存器等底層的東西，直接寫代碼就能控制兼容Arduino 的外設，本設計需要控制的圖文顯示與語音模塊可直接調用庫文件來實現，還可以根據用戶和產品迭代需求不斷修改程序功能與升級。若考慮固定功能的產品大批量生產，可考慮低成本的OTP 一次性寫入單片機，本文不再詳述。

本裝置單片機主控模塊的硬件設計主要考慮單片機端口的定義，I/O 輸入輸出控制端口的分配。以Arduino nano 系列為例，其端口定義如圖4 所示，本設計涉及I/O端口分配是：第5-7 端口作為故障檢測模塊輸入信號；第A0-A7 端口作為語音合成數據控制端口；第8-9 端口作為I2c 液晶顯示數據端口輸出，單片機主控模塊的I/O 分配決定了軟件設計的思路，見下文分析。

圖4 Arduino nano 單片機主控硬件端口定義圖

■1.3 顯示與語音模塊

本設計選用顯示模塊為分辨率128×64OLED 顯示屏，硬件接口4 針IIC 接口，如圖5 所示，其中1-2 分別為電源地GND 和電源正VCC，3-4 接單片機的輸出端，其中3為SCL，OLED 在 IIC 通信中為時鐘信號端口；4 為SDA，OLED 在IIC 通信中為數據信號端口。其次，語音模塊選擇支持單片機串口通信的JQ6500MP3 芯片，該芯片采用SOC 方案，集成16 位MCU 以及音頻解碼的aDSP，采用硬解碼的方式，保證系統的穩定性和音質，芯片封裝及引腳排列如圖6 所示。該芯片外圍電路簡單，內置flash 存儲器，語音數據可多次擦寫；支持數據按位尋址，方便系統調用。除語音IC 外，對音頻信號放大選用8002 功放IC，以確保音量大小，功放電路設計方案如圖7 所示。

圖5 顯示模塊IIC 接口

圖6 語音芯片封裝與引腳排列

圖7 音頻放大電路

2 軟件設計

軟件程序編寫按照硬件端口分配，設計Arduino 單片機程序，包括主程序與子程序，主程序包括：頭文件、端口定義、初始化等，子程序包括：故障狀態檢測子程序、語音調用、圖文顯示、延時、復位控制等。其中故障狀態檢測子程序采用“if”、“else if”條件語句編寫各種輸入輸出的邏輯關系，程序設計原理流程如圖8-9 所示。

圖8 主程序設計思路

圖9 單相插座隱性故障檢測模塊子程序設計思路

限于文章篇幅，僅列出設計思路舉例主程序中初始化與端口定義的對應程序：

三相電檢測故障分析程序和單相電故障分析程序類似，限于篇幅限制不再詳述，三相插座故障檢測模塊子程序設計思路如圖10 所示。

圖10 三相插座故障檢測模塊子程序設計思路

3 結論與推廣

本設計目前已獲得實用新型專利授權（專利名稱：一種電源插座隱性故障診斷儀，專利授權號ZL2019 22 1694233.0，授權日期2020 年6 月），2020 年參加汕頭市“第三屆市長杯工業設計大賽‘未來之星創新設計專項賽’”銅獎，本設計產品已在筆者所在單位推廣應用，效果良好。應用案例之一是對職業學校電子電工專業的學生開展電工技能課程實訓，師生需要安裝搭接電氣線路和插座開關，這對于初學者來說是學習難點，尤其是對于三相電源插座的線路連接訓練時容易出現導線接錯或接漏的錯誤，以往教師排查故障也非常麻煩，需要拆解后才能檢測識別、一旦線路短路會有漏電和火災的危險。目前采用本設計專利產品檢測學生實訓電路的性能和工藝，大大提高工作效率和教學效果；另外本設計還可以應用于各類電工與消防等建筑施工驗收與檢測等應用領域，可提高驗收人員的安全系數和效率，市場推廣前景可觀。