電源插座隱性故障智能診斷儀的設(shè)計(jì)

王敏輝，陳遠(yuǎn)浩

（汕頭市林百欣科學(xué)技術(shù)中等專業(yè)學(xué)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(dǎo)線壓接或螺絲緊固方式，容易引起導(dǎo)線脫落或接觸不良，火線、零線或地線的安裝也沒(méi)有“防呆”設(shè)計(jì)，安裝時(shí)一旦錯(cuò)接必定會(huì)引起用電安全事故；另外，電源插座在長(zhǎng)時(shí)間使用或設(shè)備老化后容易導(dǎo)致插座接線處出現(xiàn)相線、零線或地線脫落或接觸不良的故障，就極易發(fā)生短路、漏電。本文研究一種利用單片機(jī)與傳感器技術(shù)自動(dòng)檢測(cè)插座隱性故障的裝置，并用語(yǔ)音和圖文等直接方式提醒用戶，實(shí)現(xiàn)電源插座電氣性能的快速檢測(cè)方法。

1 硬件設(shè)計(jì)思路與原理

基于現(xiàn)有電源插座的缺陷，本設(shè)計(jì)方案主要采用單片機(jī)與傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)故障智能診斷，采用硬件與軟件相融合的模塊化的設(shè)計(jì)理念，其中硬件主要包含5大模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)主控模塊、隱性故障檢測(cè)模塊、圖文顯示模塊、語(yǔ)音合成模塊，還有電源及保護(hù)模塊。單片機(jī)控制模塊是系統(tǒng)核心，負(fù)責(zé)接收故障檢測(cè)模塊的信號(hào)并判斷，再輸出圖文信息與語(yǔ)音合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能圖文和語(yǔ)音提醒，電源故障檢測(cè)模塊檢查火、地、零三線的通斷狀態(tài)，并應(yīng)用光電傳感器實(shí)現(xiàn)隔離技術(shù)，提高電路的安全性和穩(wěn)定性。外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，不改變插孔位置尺寸，確保通用性，檢測(cè)電路安裝在絕緣性能好且透光的保護(hù)殼中。

圖1 硬件電路的模塊化設(shè)計(jì)

■1.1 插座隱性故障檢測(cè)模塊

本裝置采用的故障檢測(cè)原理基于二極管的單向?qū)щ娦?，LED發(fā)光二極管同樣遵循電流正向?qū)?、反向截止。以單相交流?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(fā)光二極管分別連接檢測(cè)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(shù)IN4007，耐壓值1000V，發(fā)光二極管選擇綠色、黃色或紅色，工作電流10-30mA。并利用3個(gè)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(hù)，故障診斷電路內(nèi)部接線如圖2所示。

圖2 單相電源插座隱性故障診斷模塊內(nèi)部電路光電隔離

根據(jù)LED指示燈的狀態(tài)可準(zhǔn)確判斷故障類型，根據(jù)裝置提示就可以快速的修復(fù)插座電氣故障，根據(jù)原理圖，當(dāng)插座電源連接正確時(shí)LED2、LED3導(dǎo)通，而LED1處于截止?fàn)顟B(tài)，如果插座中火線、地線、零線出現(xiàn)漏接、錯(cuò)接等錯(cuò)誤，就會(huì)如表1所示7種情況提醒狀態(tài)，其對(duì)應(yīng)的故障類型和對(duì)應(yīng)的插座檢修排查方法如表1所示。

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(cè)三相交流電插座的相線和中線是否漏接或錯(cuò)接。

圖3 三相電源插座隱性故障診斷模塊內(nèi)部電路光電隔離

根據(jù)原理設(shè)計(jì)，歸納8種裝置燈光提醒狀態(tài)說(shuō)對(duì)應(yīng)的插座電氣故障的分類，包括：無(wú)故障正常狀態(tài)、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(tài)為每種燈光提醒狀態(tài)對(duì)應(yīng)的故障類型和對(duì)應(yīng)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(tài)表和檢修方法

■1.2 單片機(jī)主控模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)單片機(jī)主控模塊的硬件要求單片機(jī)必須內(nèi)置ROM和RAM，I/O端口數(shù)量13個(gè)以上，工作電壓5V，從設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)角度考慮，可選用Arduino 單片機(jī)開(kāi)放平臺(tái)，其特點(diǎn)是軟件設(shè)計(jì)可兼容匯編語(yǔ)言、C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，Arduino在C的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)方式，不需要糾結(jié)于AVR的寄存器等底層的東西，直接寫(xiě)代碼就能控制兼容Arduino的外設(shè)，本設(shè)計(jì)需要控制的圖文顯示與語(yǔ)音模塊可直接調(diào)用庫(kù)文件來(lái)實(shí)現(xiàn)，還可以根據(jù)用戶和產(chǎn)品迭代需求不斷修改程序功能與升級(jí)。若考慮固定功能的產(chǎn)品大批量生產(chǎn)，可考慮低成本的OTP一次性寫(xiě)入單片機(jī)，本文不再詳述。

本裝置單片機(jī)主控模塊的硬件設(shè)計(jì)主要考慮單片機(jī)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(shè)計(jì)涉及I/O端口分配是：第5-7端口作為故障檢測(cè)模塊輸入信號(hào)；第A0-A7端口作為語(yǔ)音合成數(shù)據(jù)控制端口； 第8-9端口作為I2c液晶顯示數(shù)據(jù)端口輸出，單片機(jī)主控模塊的I/O分配決定了軟件設(shè)計(jì)的思路，見(jiàn)下文分析。

圖4 Arduino nano單片機(jī)主控硬件端口定義圖

■1.3 顯示與語(yǔ)音模塊

本設(shè)計(jì)選用顯示模塊為分辨率128×64OLED顯示屏，硬件接口4針I(yè)IC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(jī)的輸出端，其中3為SCL，OLED在 IIC通信中為時(shí)鐘信號(hào)端口；4為SDA，OLED 在IIC 通信中為數(shù)據(jù)信號(hào)端口。其次，語(yǔ)音模塊選擇支持單片機(jī)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(tǒng)的穩(wěn)定性和音質(zhì)，芯片封裝及引腳排列如圖6所示。該芯片外圍電路簡(jiǎn)單，內(nèi)置 flash存儲(chǔ)器，語(yǔ)音數(shù)據(jù)可多次擦寫(xiě)；支持?jǐn)?shù)據(jù)按位尋址，方便系統(tǒng)調(diào)用。除語(yǔ)音IC外，對(duì)音頻信號(hào)放大選用8002功放IC，以確保音量大小，功放電路設(shè)計(jì)方案如圖7所示。

圖5 顯示模塊IIC接口

圖6 語(yǔ)音芯片封裝與引腳排列

圖7 音頻放大電路

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件程序編寫(xiě)按照硬件端口分配，設(shè)計(jì)Arduino單片機(jī)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(tài)檢測(cè)子程序、語(yǔ)音調(diào)用、圖文顯示、延時(shí)、復(fù)位控制等。其中故障狀態(tài)檢測(cè)子程序采用“if”、“else if”條件語(yǔ)句編寫(xiě)各種輸入輸出的邏輯關(guān)系，程序設(shè)計(jì)原理流程如圖8-9所示。

圖8 主程序設(shè)計(jì)思路

圖9 單相插座隱性故障檢測(cè)模塊子程序設(shè)計(jì)思路

限于文章篇幅，僅列出設(shè)計(jì)思路舉例主程序中初始化與端口定義的對(duì)應(yīng)程序：

三相電檢測(cè)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(cè)模塊子程序設(shè)計(jì)思路如圖10所示。

圖10 三相插座故障檢測(cè)模塊子程序設(shè)計(jì)思路

3 結(jié)論與推廣

本設(shè)計(jì)目前已獲得實(shí)用新型專利授權(quán)（專利名稱：一種電源插座隱性故障診斷儀，專利授權(quán)號(hào)ZL2019 22 1694233.0，授權(quán)日期2020年6月），2020年參加汕頭市“第三屆市長(zhǎng)杯工業(yè)設(shè)計(jì)大賽‘未來(lái)之星創(chuàng)新設(shè)計(jì)專項(xiàng)賽’”銅獎(jiǎng)，本設(shè)計(jì)產(chǎn)品已在筆者所在單位推廣應(yīng)用，效果良好。應(yīng)用案例之一是對(duì)職業(yè)學(xué)校電子電工專業(yè)的學(xué)生開(kāi)展電工技能課程實(shí)訓(xùn)，師生需要安裝搭接電氣線路和插座開(kāi)關(guān)，這對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)是學(xué)習(xí)難點(diǎn)，尤其是對(duì)于三相電源插座的線路連接訓(xùn)練時(shí)容易出現(xiàn)導(dǎo)線接錯(cuò)或接漏的錯(cuò)誤，以往教師排查故障也非常麻煩，需要拆解后才能檢測(cè)識(shí)別、一旦線路短路會(huì)有漏電和火災(zāi)的危險(xiǎn)。目前采用本設(shè)計(jì)專利產(chǎn)品檢測(cè)學(xué)生實(shí)訓(xùn)電路的性能和工藝，大大提高工作效率和教學(xué)效果；另外本設(shè)計(jì)還可以應(yīng)用于各類電工與消防等建筑施工驗(yàn)收與檢測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域，可提高驗(yàn)收人員的安全系數(shù)和效率，市場(chǎng)推廣前景可觀。