CN109946554B

CN109946554B - 单相交流接地实时检测电路及其检测方法

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Publication number: CN109946554B
Application number: CN201811390506.2A
Authority: CN
Inventors: 高长明
Original assignee: Hangzhou Keming Electronics Ltd
Current assignee: Hangzhou Keming Electronics Ltd
Priority date: 2018-11-21
Filing date: 2018-11-21
Publication date: 2023-10-10
Anticipated expiration: 2038-11-21
Also published as: CN109946554A

Abstract

本发明公开了一种单相交流接地实时检测电路，包括火线、零线和保护地，还包括整流滤波电路，火线和零线连接于整流滤波电路的输入端，整流滤波电路的输出端依次连接有第一电阻、第二电阻和第三电阻，第三电阻与第二电阻的公共端连接于单片机的AD口，第三电阻的另一端连接于保护地，且本单相交流接地实时检测电路与其所在控制***的开关电源共用一个整流滤波电路，单片机为控制***中的主控CPU。本发明能够简化接地检测电路的硬件，减少多器件带来的故障率增加，提高检测效率。

Description

单相交流接地实时检测电路及其检测方法

技术领域

本发明涉及交流电接地检测技术领域，具体涉及一种单相交流接地实时检测电路。

背景技术

具有金属外壳的电气设备都需要安装可靠的安全保护接地，但是由于多种原因，安全保护接地的要求常常没达标，容易造成用电设备带电，造成用电设备损坏，甚至发生触电事故。对新能源纯电动汽车而言，因为充电不方便、私拉电线很普遍，只可保证能充电，对安全接地线更是能省则省。现有技术中，虽然存在各种接地检测电路或仪器，但由于造价较高、操作不便、安装麻烦等各种原因，无法满足各种应用情况，从而得不到推广。

如图1所示，现有技术中常用的接地检测电路需把L线和N线经两路电阻分压后，分别接到两路光藕的二极管端，两个二极管提供光藕的二极管反向电压保护，两路光藕的输出接到检测电路的A点和B点，检测电路一般是单片机。

目前的接地检测***存在如下四种情况：

1、L线接火线，N线接零线，PE接地：A点占空比约50％，频率50HZ，B点恒定为高电平；

2、L线接零线，N线接火线，PE接地：B点占空比约50％，频率50HZ，A点恒定为高电平；

3、L线接火线，N线接零线，PE悬空：A点和B点的占空比约50％，频率50HZ，且AB相位相反；

4、L线接零线，N线接火线，PE悬空：A点和B点的占空比约50％，频率50HZ，且AB相位相反。

单片机通过以上状态，分辨出PE是否有效接地，通过“输出驱动”去执行相应动作。

但是上述检测电路存在一些缺点，例如：1、技术复杂,消耗单片机两个IO口，占用单片机内部资源CCP模块；，要测量占空比、频率和相位，通过这些信息进行计算才能确定状态；2、成本高,需两路光藕进行隔离等。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提供一种单相交流接地实时检测电路。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种单相交流接地实时检测电路，包括火线、零线和保护地，还包括整流滤波电路，所述火线和零线连接于所述整流滤波电路的输入端，所述整流滤波电路的输出端依次连接有第一电阻、第二电阻和第三电阻，所述第三电阻与第二电阻的公共端连接于单片机的AD口，所述第三电阻的另一端连接于所述保护地。

在上述的单相交流接地实时检测电路中，所述整流滤波电路包括整流桥和滤波电容，所述火线和零线连接于所述整流桥的两个输入端，所述整流桥的两个输出端连接于滤波电容的两端，且整流桥的其中一个输出端连接于所述第一电阻。

在上述的单相交流接地实时检测电路中，本单相交流接地实时检测电路与其所在控制***的开关电源共用一个整流滤波电路。

在上述的单相交流接地实时检测电路中，所述单片机为所述控制***中的主控CPU。

在上述的单相交流接地实时检测电路中，其特征在于，所述第一电阻的阻值大于或等于5000KΩ。

在上述的单相交流接地实时检测电路中，所述第二电阻的阻值大于或等于5000KΩ。

在上述的单相交流接地实时检测电路中，所述第三电阻的阻值根据阻值确定公式①选择：

U11*R3/(R1+R2+R3)<U22 ①

其中，

R1，第一电阻阻值；R2，第二电阻阻值；R3第三电阻阻值；U11，最高输入电压；U22，AD口最高承受电压。

一种单相交流接地实时检测电路的检测方法，包括：

S1.获取脉冲电压平均值；

S2.判断所述脉冲电压平均值是否小于阈值，若是，则判断为非正常接地，否则为正常接地。

在上述的单相交流接地实时检测电路的检测方法中，在步骤S1中，通过以下步骤获取脉冲电压平均值：

S11.每隔一段预设时间检测AD值，连续检测设定次数；

S12.将设定次数内所有检测到AD值相加获得AD和值；

S12.将AD和值除以设定次数，得到脉冲电压平均值。

在上述的单相交流接地实时检测电路的检测方法中，在步骤S2中，所述阈值通过以下方式确定：中间值-30<＝阈值<＝中间值+30；所述中间值为正常接地时脉冲电压平均值与非正常接地时脉冲电压平均值之间的中间脉冲电压值。

本发明的优点在于：1、简化接地检测电路的硬件，减少多器件带来的故障率增加；2、能够有效降低BOM成本，减小占用PCB面积，大幅降低检测电路对单片机内部资料的占用3、只需要在原有***的基础上多使用一个的低速低分辨率AD口就能实现接地检测。

附图说明

图1现有技术的接地检测电路图；

图2是本发明单相交流接地实时检测电路的电路连接图；

图3是原有控制***上开关电源的电路连接图；

图4是单片机测量AD口的电压波形图；

图5是本发明检测方法流程示意图。

图中：火线L；零线N；保护地PE；第一电阻R1；第二电阻R2；第三电阻R3；单片机U1；整流桥DB1；波电容C1；整流滤波电路2。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，本单相交流接地实时检测电路包括火线L、零线N、保护地PE和整流滤波电路2，火线L和零线N连接于整流滤波电路2的输入端，整流滤波电路2的输出端依次连接有第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3，第三电阻R3与第二电阻R2的公共端连接于单片机U1的AD口A，第三电阻R3的另一端连接于保护地PE和单片机U1的接地端。

电气设备本身具有自己的控制***，如图2和图3所示，现有技术中，控制***的开关电源部分包括有整流滤波电路2，整流滤波电路2包括整流桥DB1和滤波电容C1，其在开关电源中的作用是把AC220V交流电整流成300V直流电，供给由图2中开关管Q1和变压器T1及控制部分组成的反激电源，产生控制***各路所需直流电源，需要注意的是，图3中的U4是反激电源芯片，内部集成有图2中的开关管Q1。此外，本实施例的单片机U1采用的是控制***中的主控CPU。

本单相交流接地实时检测电路与其所在控制***的开关电源共用一个整流滤波电路，且单片机直接使用***本身所有的主控CPU。节省了额外元器件的使用。具体将整流滤波电路2与主控CPU应用到本发明的方式为：火线L和零线N连接于整流桥DB1的两个输入端，整流桥DB1的两个输出端连接于滤波电容C1的两端，且整流桥DB1的其中一个输出端连接于第一电阻R1。这里的第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3均为高压大阻值电阻，形成分压后接到单片机U1，也就是主控CPU的AD口A。具体地，其中第一电阻R1和第二电阻R2均优选选择耐压1500V AC以上的电阻，功率2W以上，且第一电阻R1和第二电阻R2的阻值均大于或等于5000KΩ；第三电阻R3的阻值根据阻值确定公式①选择：U11*R3/R1+R2+R3；<U22①

其中，R1，第一电阻阻值；R2，第二电阻阻值；R3第三电阻阻值；U11，最高输入电压；U22，AD口最高承受电压。

一般情况下，主控CPU的AD口A最高承受电压是5V，所以，这里的U22可以为5V，输入电压一般为220V，但是输入电压通常会有上下波动，所以使用最高输入电压，最高输入电压为220V的1.3倍，即285VAC，对应的直流电压即285V，所以这里的U11可以为285V。当第一电阻R1和第二电阻R2均选择5000KΩ，第三电阻R3选择的阻值选择125kΩ的时候，R1+R2与R3的分压比近似为80:1，此时，当输入的最高电压为285V时，第三电阻R3处的电压约为3.5V，在AD口A容限5V之内，满足需要。当然，这里除了这一种选择外，还可以选择其他阻值的第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3，只要满足最高电压输入时，经第一电阻R1和第二电阻R2分压后在第三电阻R3上产生的峰值电压不超过AD口A的最高承受电压即可。

具体地，本单相交流接地实时检测电路的检测原理如下：

正常接地时，火线L对保护地PE有220V的交流电压存在，零线N对保护地PE的电压基本为0V。火线L交流电压经过整流桥DB1整流成直流电，滤波电容C1滤波成300V的直流电压。该直流电压经第一电阻R1和第二电阻R2分压后，形成固定的直流电压通过AD口A接入单片机U1进行模数转换,以用于接地判断。最后通过输出管脚控制继电器接通负载跟交流220VAC的连接，实现接地状态的实时检测和控制。

并且，这里不管火线L和零线N是正接还是反接，经整流后的电压均为直流电压，第三电阻R3均能检测到该直流电压，以供单片机进行接地状态判断。

当保护地PE断开时，***为不接地状态，单片机U1的参考地为浮动，滤波电容C1上的300V直流电压无法经第一电阻R1/第二电阻R2/第三电阻R3形成回路，在第三电阻R3上不能形成电压，单片机检测到的直流电压接近于0。经单片机处理后，通过输出管脚控制继电器切断负载跟交流220VAC的连接，实现接地状态的实时检测和控制。

进一步地，本实施例基于上述单相交流接地实时检测电路进行检测的方法如下：

S1.获取脉冲电压平均值；

S2.判断脉冲电压平均值是否小于阈值，若是，则判断为非正常接地，否则为正常接地。

进一步地，在步骤S1中，通过以下步骤获取脉冲电压平均值：

S11.每隔一段预设时间检测AD值，连续检测设定次数；

S12.将设定次数内所有检测到AD值相加获得AD和值；

S12.将AD和值除以设定次数，得到脉冲电压平均值。

这里的预设时间可以为1ms，预设次数为50次，就是说每50mm完成一个控制周期信号采集。每个采集周期控制为50mm能够滤除工频干扰。

下面对为什么将采集周期使用50mm进行简单介绍：图4是正常接地且输入230VAC时，从保护地端测量图2中D点得到的波形，交流电被整流桥整流成单相脉冲50HZ的直流电。图4中方框部分是任意50mm的波形，由图4中可知，任意50ms都能包含2.5个波形，所以通过测量任意50mm的模拟量，然后通过50ms的AD值累加，最后除以50就可以得到跨越2.5个波形的脉冲电压平均值，继而可以近似得到脉冲电压平均值。并且本方法此方法不用刻意对波型检测进行同步，简单易实现。当然，在实际工作中，可以选择不同于50mm的时间，例如60mm，80mm等，本实施例优选50mm，既能够滤除工频干扰，又能够保证实时检测。

进一步地，本实施例采用10位的采集精度，也就是2的10次方＝1024。例如，当输入信号是5V的模拟信号时，转换出来的是1024的数字量。此外，本***的最低输入是220VAC的80％，即220*0.8＝176VAC，对于第一电阻R1＝第二电阻R2＝5000K，第三电阻R3＝125K的情况，当输入为最低输入176VAC时，分压后第三电阻处的电压为2.173V，此时检测到的AD值就为2.173/5*1024＝445。也就是说，在最低输入电压下，良好接地时，转换出的AD值为445左右。

当***接地断开时，因为交流侧的电流不能通过第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3回到地形成回路，无法在第三电阻R3上产生电压，所以单片机U1的AD口A就几乎测不到数值，实际上只能测到一点噪声，AD值在10左右波动。

这样就得出控制参数的下限值10即非正常接地时脉冲电压平均值，和上限值445即正常接地时脉冲电压平均值。为了可靠，取两数的中间值，也就是(445-10)/2＝217，所以在步骤S2中，阈值可以为：中间值-30<＝阈值<＝中间值+30，例如200。意思是，只要转换出来滤波后的AD值大于200，就认为接地有效。此数值经大量测试，接不同类型不同功率负载，均能可靠分辨出是否良好接地。图5是中间值选定200，预设时间选定1ms，预设次数选择50次时对电路进行接地检测的方法流程图。

本实施例在电气设备本身的控制***上进行简单的改进得到单相交流接地实时检测电路，只需要在控制***原有的基础上增加几个高压大阻值电阻，然后利用控制***原有的控制芯片的一个AD口就能够实现，具有结构简单，成本低，占用空间小等优点。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种单相交流接地实时检测电路，包括火线(L)、零线(N)和保护地(PE)，其特征在于，还包括整流滤波电路(2)，所述火线(L)和零线(N)连接于所述整流滤波电路(2)的输入端，所述整流滤波电路(2)的输出端依次连接有第一电阻(R1)、第二电阻(R2)和第三电阻(R3)，所述第三电阻(R3)与第二电阻(R2)的公共端连接于单片机(U1)的AD口(A)，所述第三电阻(R3)的另一端连接于所述保护地(PE)；

所述整流滤波电路(2)包括整流桥(DB1)和滤波电容(C1)，所述火线(L)和零线(N)连接于所述整流桥(DB1)的两个输入端，所述整流桥(DB1)的两个输出端连接于滤波电容(C1)的两端，且整流桥(DB1)的其中一个输出端连接于所述第一电阻(R1)；

本单相交流接地实时检测电路与其所在控制***的开关电源共用一个整流滤波电路(2)；

所述第一电阻(R1)的阻值大于或等于5000kΩ。

2.根据权利要求1所述的单相交流接地实时检测电路，其特征在于，所述单片机(U1)为所述控制***中的主控CPU。

3.根据权利要求2所述的单相交流接地实时检测电路，其特征在于，所述第二电阻(R2)的阻值大于或等于5000kΩ。

4.根据权利要求3所述的单相交流接地实时检测电路，其特征在于，所述第三电阻(R3)的阻值根据阻值确定公式①选择：

U11*R3/(R1+R2+R3)<U22 ①

其中，

R1，第一电阻(R1)阻值；R2，第二电阻(R2)阻值；R3第三电阻(R3)阻值；U11，最高输入电压；U22，AD口(A)最高承受电压。

5.一种基于权利要求1-4任意一项所述的单相交流接地实时检测电路的检测方法，其特征在于，包括：

S1.获取脉冲电压平均值；

S2.判断所述脉冲电压平均值是否小于阈值，若是，则判断为非正常接地，否则为正常接地；

所述阈值通过以下方式确定：中间值-30<＝阈值<＝中间值+30；

所述中间值为正常接地时脉冲电压平均值与非正常接地时脉冲电压平均值之间的中间脉冲电压值。

6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，

在步骤S1中，通过以下步骤获取脉冲电压平均值：

S11.每隔一段预设时间检测AD值，连续检测设定次数；

S12.将设定次数内所有检测到AD值相加获得AD和值；

S12.将AD和值除以设定次数，得到脉冲电压平均值。