一种外壳地漏电监测方法和监测装置

技术领域

本发明涉及外壳地漏电监测技术领域，特别是一种外壳地漏电监测方法和监测装置。

背景技术

随着科技的发展，电器成为我们生活中不可或缺的一部分，但作为电器产品，操作不当或者长时间使用设备老化，会出现漏电故障。漏电检测装置及时提醒和保护以此避免造成财产损失以及生命危险。自动机器人现在用于各个行业中，大多机器人采用电池进行对设备供电，在恶劣的场合中，电源容易因为漏水，线路连接错误等原因导致外壳与电路的各个电源存在相连的可能，造成外壳带电。一旦有人对机器人进行接触造成人体触电，危及生命健康。

发明内容

针对上述外壳带电导致人体接触触电问题，本发明提供一种外壳地漏电监测方法和监测装置，根据外壳地电压大小的不同，实现不同的电压保护方式，保证存在的可靠性，采用梯级保护，保证不同电压保护范围内准确性和速动性之间的平衡。

为实现上述目的，本发明选用如下技术方案：一种外壳地漏电监测方法，包括如下步骤：

获取外壳地电压；

根据所述外壳地电压的大小以预设多级监测模块进行监测，得到各级监测模块的输出变量；

将输出变量输入动作模块以使所述动作模块根据各级的输出变量组合执行相应动作。

作为本发明的进一步改进，所述监测方法还包括如下步骤：

预先设定多级监测模块，其中包括第一级快速硬件监测模块、第二级延时监测模块、第三级运算监测模块；

根据所述外壳地电压大小对应地以多级监测模块进行监测，得到各级监测模块的输出变量，其中包括：

所述第一级快速硬件监测模块监测所述外壳电压大小是否大于等于36V；

所述第二级延时监测模块监测所述外壳电压大小是否大于等于3.3V且超过设定时间；

所述第三级运算监测模块监测所述外壳电压大小是否大于等于0.5V且超过设定运算次数。

作为本发明的进一步改进，所述第一快速监测模块的监测模块的监测步骤包括：

当外壳地电压小于36V时，由于接入电压通过电阻分压后低于MOS管Q1的Vgs而不导通MOS管Q1，同时使得连接MOS管Q1的MOS管Q3低于开启阈值电压而不导通，此时MOS管Q2的Vgs大于开启阈值电压而导通以使LED1灯亮，所述第一快速监测模块的输出端OUT1的输出变量为低电平；

当外壳地电压大于等于36V时，接入电压大于MOS管Q1的Vgs而导通MOS管Q1，同时使得MOS管Q3导通完成自锁，此时MOS管Q2的Vgs小于开启阈值电压而不导通，LED1灯熄灭，所述第一快速监测模块的输出端OUT1的输出变量为高电平。

作为本发明的进一步改进，所述第二级延时监测模块的监测步骤包括：

当外壳地电压小于36V时，根据定时器和输入段的电容C2的充放电过程分为持续充电的延时阶段监测和延时触发阶段监测；

所述持续充电的延时阶段监测包括在电压大于等于3.3V时，根据电容C2的充电时间得到设定时间，此时定时器输入引脚大于等于3.3V，设定时间内输出引脚的输出端OUT2的输出变量为低电平；

所述延时触发阶段监控包括在电压持续大于等于3.3V时，且超过设定时间后，定时器的输出引脚的输出端OUT2的输出变量为高电平。

作为本发明的进一步改进，所述第二级延时监测模块的监测步骤还包括：

当外壳地电压大于等于3.3V时，MOS管Q4由于经过分压电路的栅极电压大于的2V而导通，电容C2刚连接时视作导通，经过电容C2后连接在定时器的输入引脚的输入电压大于等于3.3V，定时器的VCC引脚输入为5V，对应2/3VCC电压约为3.3V，根据定时器单稳态状态，输出引脚的输出端OUT2的输出变量为低电平；

随着外壳地电压对电容C2充电，输入引脚的输入电压开始下降，在输入电压下降在2/3VCC至1/3VCC时，保持输出端OUT2的输出变量为低电平不变；

当输入电压小于1/3VCC后，定时器输出引脚的输出端OUT2的输出变量为高电平，完成延时触发。

作为本发明的进一步改进，所述第二级延时监测模块的监测步骤还包括：

根据电容充电时间得到设定时间，当外壳地电压大于等于3.3V时实际未超过设定时间，MOS管Q5由于输入电压下降小于开启阈值电压不导通，此时定时器的RST端为低电平，因此延时保护取消，等待下一次进行。

作为本发明的进一步改进，所述第三级运算监测模的监测步骤包括：

当外壳地电压小于3.3V且大于0.5V时，第三级运算监测模块启动ADC采集保护电路，在DMA模式对外壳地进行信号采集；

将采集的信号进行数据转换成浮点型电压装载进ADC_VALUE(1024)后等待，采集值装入对应的FFT载入数组中后进行下一次采集，计算采样次数n，下一次采集更新采样次数n＝n+1；

通过FFT函数模块处理，进行快速傅里叶变换后得到对应不同频率下的幅值，通过比较函数，比较对应不同频率下的幅值是否超过0.5V：

若大于等于0.5V，则得到计数值N＝采样次数n+1；

若小于0.5V，则保持计数值N＝采样次数n；

循环m次后，m≥3，根据计数值N进行判断：

若N大于等于m*2时，输出端OUT3的输出变量为高电平；

若N小于m*2时，输出端OUT3的输出变量为低电平。

作为本发明的进一步改进，所述监测方法还包括如下步骤：

将输出变量输入动作模块，所述动作模块根据所述输出变量的组合分为显示当前漏电情况部分执行和警报部分执行；

所述显示当前漏电情况部分包括：

当外壳地漏电电压不超过0.5V时，第三动作模块接收多级监测模块的OUT3端的低电平输入变量，控制LED2亮灯，表示当前外壳处于安全状况可以接触；

当外壳地漏电电压超过0.5V时，第三动作模块的LED2灯熄灭，表示当前外壳存在漏电安全情况，

当外壳地漏电电压超过3.3V时，第二动作模块接收多级监测模块的OUT2端的高电平输入变量，第二动作模块的LED4亮灯，表示当前外壳处于36V以下安全状况；

当外壳地漏电电压超过36V时，第一动作模块接收多级监测模块的OUT1端的高电平输入变量，第一动作模块的LED3亮灯，表示当前外壳处于漏电危及人体不可直接触碰状态。

作为本发明的进一步改进，所述警报部分包括：

将多级监测模块的各输出端分别通过MOS管接入蜂鸣器的回路；

当其中一输出端的输出变量为高电平时，导通蜂鸣器的回路以使蜂鸣器进行报警，直至电路故障排除。

另一方面，本发明还提供了如下技术方案：一种外壳地漏电监测装置，将和金属外壳相连的固定用的螺丝视作外壳地输入端，引出连接至多级监测模块以获取外壳地电压，对外壳地电压进行监测的方法执行如上所述的一种外壳地漏电监测方法。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明根据外壳地电压大小的不同，实现不同的电压保护方式，保证存在的可靠性，采用梯级保护，保证不同电压保护范围内准确性和速动性之间的平衡。

本发明进行电压测量而非传统的通过漏电流测量，提高了安全性，保证在没有形成回路情况下，外壳对地形成压差的状况被监测，采用软件硬件相互搭配处理，保证低电压下外壳地电压检测的准确。

附图说明

为了更清楚地说明技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的监测流程示意图。

图2为实施例中第一级快速硬件监测模块的电路结构示意图。

图3为实施例中第二级延时监测模块的电路结构示意图。

图4为实施例中第三级运算监测模块的ADC采集保护电路结构示意图。

图5为实施例中第三级运算监测模块的STM32芯片组电路结构示意图。

图6为实施例中第一动作模块的电路结构示意图。

图7为实施例中第二动作模块的电路结构示意图。

图8为实施例中第三动作模块的电路结构示意图。

图9为实施例中动作模块的警报部分电路结构示意图。

具体实施方式

为了能够清楚、完整地理解技术方案，现结合实施例和附图对本发明进一步说明，显然，所记载的实施例仅仅是本发明部分实施例，所属领域的技术人员在没有作出创造性劳动的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。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

本发明提供一个实施例，如图1所示，一种外壳地漏电监测方法，包括如下步骤：

获取外壳地电压，将和金属外壳相连的固定用的螺丝视作外壳地输入端，将其引出连接至多级监测模块以获取外壳地电压，当外壳与地无电压差时，不经过动作模块和不执行其他动作，持续监测；

预先设定多级监测模块，其中包括第一级快速硬件监测模块、第二级延时监测模块、第三级运算监测模块；

根据所述外壳地电压大小对应地以多级监测模块进行监测，得到各级监测模块的输出变量，其中包括：

所述第一级快速硬件监测模块监测所述外壳电压大小是否大于等于36V；

所述第二级延时监测模块监测所述外壳电压大小是否大于等于3.3V且超过设定时间；

所述第三级运算监测模块监测所述外壳电压大小是否大于等于0.5V且超过设定运算次数；

将输出变量输入动作模块以使所述动作模块根据各级的输出变量组合执行相应动作。

通过上述步骤，所述第一快速监测模块根据所述外壳地电压是否大于等于36V而输出高电平或低电平的输出变量，人体安全电压不超过36V，因此为保障外壳漏电超过36V时及时进行需要保证快速性，仅通过硬件处理方式能够对状况快速反应，同时通过在输出端加入电容减少干扰及其纹波影响。

为了更好的理解，上述步骤有多种执行方式，在一个可选的实施例中，第一快速监测模块的监测模块的监测步骤包括：

如图2所示，当外壳地电压小于36V时，由于接入电压通过电阻分压，MOS管Q1的栅极经过电阻R2分压后，栅极电压低于2V，因此低于Vgs(th)＝2V，即低于MOS管Q1的Vgs而不导通MOS管Q1，同时使得连接MOS管Q1的MOS管Q3低于开启阈值电压而不导通，此时MOS管Q2的Vgs大于开启阈值电压而导通以使LED1灯亮，所述第一快速监测模块的输出端OUT1的输出变量为低电平，动作模块的蜂鸣器不报警，表示外壳地电压在人体安全电压范围内；

当外壳地电压大于等于36V时，接入电压大于MOS管Q1的Vgs而导通MOS管Q1，同时使得MOS管Q3导通完成自锁，此时MOS管Q2的Vgs小于开启阈值电压而不导通，LED1灯熄灭，所述第一快速监测模块的输出端OUT1的输出变量为高电平，动作模块的蜂鸣器报警，显示外壳地电压处于危险范围，当外壳地当电压经分压接入MOS管Q1的接入电压低于2V时自动解除。

进一步地，所述第二级延时监测模块根据外壳地电压大小是否大于等于3.3V且超过设定时间而输出高电平或低电平的输出变量，当电压不超过36V时，漏电对人体的伤害减轻，为了保证是外壳地电压的确存在，不是纹波以及干扰导致的瞬时电压波峰。因此采用延时保护能够确保可靠性，降低误触动的可能。所述第二级延时监测模块的延时保护功能通过555定时器的输入段的电容C2的充放电过程实现延时。

在一些实施例中，所述第二级延时监测模块的监测步骤包括：

如图3所示，当外壳地电压小于36V时，根据定时器和输入段的电容C2的充放电过程分为持续充电的延时阶段监测和延时触发阶段监测；

所述持续充电的延时阶段监测包括在电压大于等于3.3V时，根据电容C2的充电时间得到设定时间，此时定时器输入引脚大于等于3.3V，设定时间内输出引脚的输出端OUT2的输出变量为低电平；

所述延时触发阶段监控包括在电压持续大于等于3.3V时，且超过设定时间后，定时器的输出引脚的输出端OUT2的输出变量为高电平。

进一步地，在一个可选实施例中，所述第二级延时监测模块的监测步骤还包括：

当外壳地电压大于等于3.3V时，MOS管Q4由于经过分压电路的栅极电压大于的2V而导通，外壳地电压输入至第二级延时监测模块，电容C2刚连接时视作导通，经过电容C2后连接在定时器的输入引脚2和输入引脚6的输入电压大于等于3.3V，又因为555定时器的VCC引脚输入为5V，因此对应2/3VCC电压约为3.3V，根据定时器单稳态状态，输出引脚3的输出端OUT2的输出变量为低电平；

随着外壳地电压对电容C2充电，输入引脚2和6的输入电压开始下降，在输入电压下降在2/3VCC至1/3VCC时，保持输出端OUT2的输出变量为低电平不变；

当输入电压小于1/3VCC后，定时器输出引脚3的输出端OUT2的输出变量为高电平，完成延时触发。

需要说明的是，电容C2的充电时间t为t＝1.1*R5*C2而确定的，本实施例确定t＝1.1s，也就是说，设定时间为1.1s，当外壳地电压大于等于3.3V时，电容C2在充电，即1.1s内输出OUT2的输出变量为低电平，当超过设定时间1.1s后，定时器输出引脚3的输出端OUT2的输出变量为高电平，完成延时触发。

在本实施例中，所述第二级延时监测模块的监测步骤还包括：

根据电容充电时间得到设定时间，当外壳地电压大于等于3.3V时实际未超过设定时间，MOS管Q5由于输入电压下降小于开启阈值电压不导通，此时定时器的RST端为低电平，因此延时保护取消，等待下一次进行。

进一步地，所述第三级运算监测模块监测所述外壳电压大小是否大于等于0.5V且超过设定运算次数，输出高电平或低电平的输出变量，本实施例中，如图4和5所示，采用STM32芯片组进行运算，其输出端为ADC采集保护电路以及数据反馈电路，当外壳地电压小于3.3V且大于0.5V时开始启用。

在一个可选实施例中，所述第三级运算监测模块的监测步骤包括：

当外壳地电压小于3.3V且大于0.5V时，开始启用；

上电后，初始化程序；

连接网络并通过ESP8266按照协议发送初始数据至云端；

当收到云端信号后开始使用ADC1，在DMA模式对外壳地电压进行信号采集；

将采集的信号进行数据转换成浮点型电压装载进ADC_VALUE(1024)后等待，

将采集值装入对应的FFT载入数组中后进行下一次采集，计算采样次数n，下一次采集更新采样次数n＝n+1；

通过FFT函数模块处理，进行快速傅里叶变换后得到对应不同频率下的幅值，通过比较函数，比较对应不同频率下的幅值是否超过0.5V：

若大于等于0.5V，则得到计数值N＝采样次数n+1；

若小于0.5V，则保持计数值N＝采样次数n；

循环m次后，m≥3，根据计数值N进行判断：

若N大于等于m*2时，输出端OUT3的输出变量为高电平；

若N小于m*2时，输出端OUT3的输出变量为低电平。

在一些实施例中，所述第三级运算监测模块的监测步骤还包括：

循环m次后，优选5次，也就是说，循环5次后，根据计数值是否超过去10次进行判断。当超过10次后，引脚输出高电平并且按照设定数据包的格式修改对应位置数据，同时触发近地端的报警；

通过串口通信将数据发送至ESP8266，ESP8266通过WiFi的网络发送至云端，云端远程根据提醒控制工作人员提醒发生第三级漏电；

重新从当收到云端信号后开始使用ADC1，在DMA模式对外壳地电压进行信号采集开始进行。

进一步地，在一些实施例中，所述监测方法还包括如下步骤：

将输出变量输入动作模块，所述动作模块根据所述输出变量的组合分为显示当前漏电情况部分执行和警报部分执行；

所述显示当前漏电情况部分包括：

如图6-8所示，当外壳地漏电电压不超过0.5V时，第三动作模块接收多级监测模块的OUT3端的低电平输入变量，控制LED2绿灯亮灯，表示当前外壳处于安全状况可以接触；

当外壳地漏电电压超过0.5V时，STM32芯片组通过第三级运算监测模块的处理数据和输入的第一级快速硬件监测模块和第二级延时监测模块的输出变量进行判断，任意一个变量达到对应保护的状态动作值，则LED 2绿灯熄灭，表示存在漏电安全情况；

也就是说，当外壳地漏电电压超过0.5V时，第三动作模块的LED2灯熄灭，表示当前外壳存在漏电安全情况，第一级快速硬件监测模块和第二级延时监测模块的监测达到动作值后，对应动作模块的LED红灯亮起，显示当前超出漏电安全的等级，且漏电电压消失后对应红灯不会熄灭需要通过按键复位。

具体地，在一个可选的实施例中，当外壳地漏电电压超过3.3V时，第二动作模块接收多级监测模块的OUT2端的高电平输入变量，第二动作模块的LED4红灯亮灯，表示当前外壳处于超过3.3V但在36V以下安全状况；

当外壳地漏电电压超过36V时，第一动作模块接收多级监测模块的OUT1端的高电平输入变量，第一动作模块的LED3红灯亮灯，表示当前外壳处于漏电电压大于人体安全电压，不可直接触碰状态，因此，当LED3红灯和LED4红灯都亮起时，表示当前漏电危及人体，不可以直接触碰，需要关闭电源进行排除；

如果全部LED亮起则表示漏电压暂时消除，但存在风险，需要排除问题。也就是说LED3红灯和LED4红灯亮灯，过去发生外壳电压超出漏电等级还没排出问题，而当前的外壳地电压低于0.5V，LED2绿灯亮灯，表示当前外壳处于安全状况可以接触。

所述警报部分包括：

如图9所示，将多级监测模块的各输出端分别通过MOS管接入蜂鸣器的回路；

当其中一输出端的输出变量为高电平时，导通蜂鸣器的回路以使蜂鸣器进行报警，直至电路故障排除。

另一方面，本发明的实施例还提供了一种外壳地漏电监测装置，将和金属外壳相连的固定用的螺丝视作外壳地输入端，引出连接至多级监测模块以获取外壳地电压，对外壳地电压进行监测的方法执行如上述的任一项实施例的一种外壳地漏电监测方法。

需要说明的是，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。在一些实施例中，在规定测量的范围内，采用分压电阻电路的方法，将大电压进行转换成STM32ADC可测量范围内电压，通过内部转换成实际电压值后根据采集值进行FFT算法计算后根据结果进行保护和报警等实现监测的方案，同样属于本发明所涵盖的范围。

上述披露的仅为本发明优选实施例的一种或多种，用于帮助理解技术方案的发明构思，并非对本发明作其他形式的限制，所属领域的技术人员依据本发明所限定特征作出其他等同或惯用手段的置换方案，仍属于本发明所涵盖的范围。