基于MSP430的電氣火災(zāi)探測器設(shè)計(jì)

項(xiàng)新建,李 明,波官勇

(1.浙江科技學(xué)院 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,杭州310023;2.巨邦電氣有限公司,浙江溫州 325600)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,社會(huì)用電量大為增加。各種電氣設(shè)備及家用電器的用量陡增,電氣火災(zāi)事故也隨之劇增。近10年來,中國發(fā)生電氣火災(zāi)次數(shù)占火災(zāi)事故總數(shù)的30%,高居首位,在當(dāng)前已經(jīng)成為國內(nèi)各種火災(zāi)中的主要災(zāi)害源。電氣火災(zāi)事故所占比例逐年增高,令人堪憂。隨著對電氣火災(zāi)的重視程度逐漸加深及電氣火災(zāi)探測器新國家標(biāo)準(zhǔn)的推廣與實(shí)施,越來越多的廠家參與到對電氣火災(zāi)探測器的設(shè)計(jì)研制過程中去。然而現(xiàn)在市場上的此類產(chǎn)品良莠不齊,對國家標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行也不完全到位。

在對當(dāng)前國內(nèi)外電氣火災(zāi)探測器研制現(xiàn)狀了解和研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備、實(shí)際應(yīng)用與企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)要求,我們研制了一套具有良好人機(jī)交互功能、較強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性、檢測準(zhǔn)確、誤報(bào)率低,基于16位微控制器MSP430[1]的電氣火災(zāi)探測器,并通過組網(wǎng)的方式與監(jiān)控設(shè)備構(gòu)建電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)。

該系統(tǒng)主要針對在漏電流故障發(fā)生時(shí),用于監(jiān)控、預(yù)警,及時(shí)排除火災(zāi)隱患,把可能造成的火災(zāi)消除在萌芽狀態(tài)。作為獨(dú)立式探測器,增加了液晶顯示與數(shù)據(jù)儲(chǔ)存芯片,并具有短路、過載、過壓、欠壓、缺相報(bào)警和防雷等功能。與傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)相比,電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)從本質(zhì)上是立足預(yù)防、專門針對電氣線路故障和漏電故障的前期預(yù)警系統(tǒng)。應(yīng)用電氣火災(zāi)監(jiān)控在線檢測技術(shù),可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除電氣線路的火災(zāi)隱患,防患于未然,保護(hù)國家和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)如圖1所示,由一臺(tái)監(jiān)控設(shè)備與不多于255臺(tái)探測器以主從模式聯(lián)網(wǎng)。電氣火災(zāi)探測器工作原理就是通過外部傳感器、微控制器與專用數(shù)字處理芯片相結(jié)合方式獨(dú)立完成對配電回路和供電線路的漏電流、過載短路電流、過壓/欠壓/缺相、線路溫升等火災(zāi)危險(xiǎn)參數(shù)實(shí)施監(jiān)控和管理,一旦供電線路發(fā)生漏電、過載、短路、過壓、欠壓、缺相及過熱等超過設(shè)定值信號(hào)時(shí),能快速準(zhǔn)確發(fā)出聲光語音預(yù)警(報(bào)警)信號(hào),指示報(bào)警部位,記錄報(bào)警時(shí)間,顯示報(bào)警類型,提醒相關(guān)人員及時(shí)處理險(xiǎn)情。配合外部輸入信號(hào)與斷路器能完成對配置線路的隔離、消防聯(lián)動(dòng)與輸入報(bào)警等。通過RS485總線方式進(jìn)行組網(wǎng)后,監(jiān)控設(shè)備可對探測器進(jìn)行實(shí)時(shí)巡檢、參數(shù)設(shè)置、遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)備份打印,實(shí)現(xiàn)對探測器的遙測、遙控、遙調(diào)與遙信;同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)器件故障不影響其他部分正常工作,具有較高的穩(wěn)定性與安全性;方便操作人員集中監(jiān)管、故障快速處理與排查等。在圖1中探測器的傳感器與斷路器已內(nèi)置。

根據(jù)探測器功能設(shè)計(jì)進(jìn)行模塊分類,如圖2所示,除微處理器MSP430的主控模塊外,可將圖2中電氣火災(zāi)探測器設(shè)計(jì)大致分為信號(hào)采集模塊、時(shí)鐘與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、人機(jī)交互模塊、輸入輸出模塊、通信模塊與電源控制模塊六部分。

1.2 主要功能模塊

1.2.1 信號(hào)采集模塊

主要應(yīng)用交流采樣算法對線路漏電電流進(jìn)行檢測。此外,通過溫度傳感器與專用電氣參數(shù)DSP處理芯片ATT7028[2]對現(xiàn)場的溫度和主要電氣參數(shù),如電壓、電流、相位、功率等信號(hào),進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與處理;同時(shí),根據(jù)電網(wǎng)頻率緩慢變化的特點(diǎn),利用ATT7028完成對線路的頻率測量,提供給MCU進(jìn)行定時(shí)器采樣間隔值設(shè)置。在硬件上,MSP430F149擁有12位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊,1位非線性微分誤差,1位非線性積分誤差,內(nèi)置參考電壓源與溫度傳感器(用于測量芯片工作溫度),8路AD轉(zhuǎn)換通道。對漏電電流與外部溫度參數(shù)進(jìn)行序列通道多次轉(zhuǎn)換,通過合理設(shè)置后,ADC12硬件會(huì)自動(dòng)將轉(zhuǎn)換結(jié)果存放到相應(yīng)的ADC12MEM寄存器中。

1.2.2 時(shí)鐘與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

主要包含實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片 DS1302與專用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片24CL0X,用于實(shí)時(shí)記錄與傳送故障信息。

1.2.3 人機(jī)交互模塊

主要由LCD顯示、5路LED指示燈與4×4鍵盤組成。操作人員可在現(xiàn)場通過顯示屏與按鍵對探測器現(xiàn)狀進(jìn)行檢查與設(shè)置。

1.2.4 輸入輸出模塊

主要用于配合其他設(shè)備、產(chǎn)品以完善系統(tǒng)功能。其中輸入部分主要包含5路數(shù)字開關(guān)量信號(hào)輸入:消防聯(lián)動(dòng)信號(hào)輸入、斷路器狀態(tài)反饋輸入、遠(yuǎn)程分?jǐn)嘈盘?hào)輸入及2路煙霧報(bào)警信號(hào)輸入。輸出部分主要包含揚(yáng)聲器控制信號(hào)、輔助報(bào)警信號(hào)與多路功能繼電器控制信號(hào)。

1.2.5 通信模塊

設(shè)計(jì)選用RS485總線進(jìn)行組網(wǎng)應(yīng)用[3]。RS485接口采用差分方式傳輸信號(hào),可應(yīng)用于主從模式的半雙工通信,其總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)保證了探測器應(yīng)用所要求的主從通信模式。傳輸線采用差動(dòng)信道,只需要一對平衡雙絞線傳輸線,具有很強(qiáng)的抗共模干擾能力;又由于它的阻抗低、無接地問題,其理論傳輸距離可達(dá)1 200 m,傳輸速率可達(dá)1 Mb/s。由于在實(shí)際應(yīng)用中還存在各探測器節(jié)點(diǎn)的共模電壓范圍與EMI干擾、總線上帶有過多節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)支路過長等所造成的信號(hào)質(zhì)量下降的情況,因此需要在硬件抗干擾設(shè)計(jì)中予以注意。

圖2 電氣火災(zāi)探測器硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware construction of electric fire detection monitor

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為探測器軟件設(shè)計(jì)與監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制軟件設(shè)計(jì)兩部分,通過制訂統(tǒng)一的組網(wǎng)通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。對于電氣火災(zāi)探測器,通過合理編程充分調(diào)用16位微控制器MSP430強(qiáng)大的定時(shí)、中斷與外圍模塊功能,以及內(nèi)部器件間的同步通信與模塊功能的實(shí)現(xiàn);對于電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備,在安裝了應(yīng)用登陸口令、MFC功能擴(kuò)展類、ActiveX控件、數(shù)據(jù)庫訪問、hook等技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件后,與探測器組網(wǎng)能直接通過系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)完成對所有受控點(diǎn)的巡檢、實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)備份打印與遠(yuǎn)程控制等一系列工作,在方便操作管理的同時(shí)又具有較高的安全性與穩(wěn)定性。

2.1 交流采樣算法

針對電力參數(shù)測量的基本交流采樣算法,可分為正弦函數(shù)模型算法與非正弦周期函數(shù)算法[4]。根據(jù)項(xiàng)目中應(yīng)用要求擬對工頻范圍的電流參數(shù)采集為主要目標(biāo),理想的單周期采樣信號(hào)是頻率為50 Hz的正弦波形;針對主要的算法,利用正弦函數(shù)模型算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真,引入一理想交流函數(shù)模型:

其基波幅值A(chǔ)1=138,分別對各種算法在理想情況下A3=A5=A7=A9=0與引入電網(wǎng)中奇次諧波A3=22.3,A5=6.4,A7=3.2,A9=0.5兩種情況進(jìn)行仿真。電流幅值Im=138 mA,有效值I=97.581 mA。表1與表2分別給出f=50 Hz時(shí)正弦函數(shù)模型算法與非正弦周期函數(shù)模型算法的交流采樣仿真結(jié)果。

表1 交流采樣正弦函數(shù)算法仿真Table 1 Alternating current sampling algorithm simulation for sine

表2 交流采樣非正弦周期函數(shù)算法仿真Table2 Alternating current sampling algorithm simulation for non-sine

通過實(shí)驗(yàn)對比可以發(fā)現(xiàn),在實(shí)際環(huán)境中應(yīng)用非正弦周期函數(shù)算法,通過采集一完整周期信號(hào),可有效去除各次諧波干擾,從而得到較理想的電氣參數(shù)信號(hào)。

2.2 探測器軟件設(shè)計(jì)

圖3為火災(zāi)探測器主程序流程圖,根據(jù)主函數(shù)循環(huán)與程序設(shè)計(jì)思路,可將主程序分為初始化模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、故障處理模塊、主顯示模塊與通信模塊。系統(tǒng)經(jīng)上電初始化無誤后對AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)與片內(nèi)通信數(shù)據(jù)一起進(jìn)行處理,根據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行故障界面與循環(huán)界面顯示判斷。此外,還根據(jù)用戶的操作涉及通信、按鍵等中斷調(diào)用程序與參數(shù)設(shè)置函數(shù)。

2.3 監(jiān)控設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

圖3 火災(zāi)探測器主循環(huán)流程圖Fig.3 Software flow chart of electric fire detection monitor

電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備軟件采用Visual C++/MFC,以面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)思路(OOP)進(jìn)行系統(tǒng)及其界面的開發(fā)設(shè)計(jì)工作,系統(tǒng)默認(rèn)運(yùn)行環(huán)境為基于Win32應(yīng)用的 PC平臺(tái)。MFC借助AppWizard使開發(fā)者擺脫了那些每次都必寫的基本代碼,借助ClassWizard和消息映射,使開發(fā)者擺脫了定義消息處理時(shí)那種混亂和冗長的代碼段。利用C++的封裝功能,使開發(fā)者擺脫Windows中各種句柄的困擾,他們只需要面對C++中的對象,就能使開發(fā)更接近開發(fā)語言而遠(yuǎn)離系統(tǒng)。在針對RS485組網(wǎng)的控制軟件設(shè)計(jì)過程中,除了利用MFC對封裝好的API函數(shù)進(jìn)行調(diào)用外,主要還利用了通信ActiveX控件、hook與數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)完成了對傳輸數(shù)據(jù)的及時(shí)響應(yīng)處理。

3 測試結(jié)果

電氣火災(zāi)探測器測試方法參照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 1487.2—2005《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》[5]試驗(yàn)規(guī)定要求。在完成電氣火災(zāi)探測器軟硬件設(shè)計(jì)后,對研制的探測器樣品進(jìn)行反復(fù)調(diào)試與檢查,然后分別在實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場對已搭建完成的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的探測器監(jiān)控性能與組網(wǎng)性能進(jìn)行測試;通過對測試結(jié)果與相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行比較分析,確認(rèn)整個(gè)系統(tǒng)是否滿足國標(biāo)、設(shè)計(jì)要求與實(shí)際應(yīng)用的需要。

在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場,對探測器樣品設(shè)置不同的報(bào)警門限后,通過漏電電流發(fā)生器制造一瞬時(shí)增大的漏電電流故障,觀察探測器故障響應(yīng)值、響應(yīng)時(shí)間與動(dòng)作處理,根據(jù)GB 14287.2—2005《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》中規(guī)定報(bào)警值應(yīng)在報(bào)警設(shè)定值的80%～100%范圍內(nèi)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)條款5.2的報(bào)警性能試驗(yàn)與5.3的監(jiān)控報(bào)警試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,對探測器樣品的絕緣、耐壓及振動(dòng)等一系列指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn),結(jié)果見表4。

表3 樣品報(bào)警性能試驗(yàn)Table3 Alarm performance test of electric fire detection monitor

表4 樣品環(huán)境指標(biāo)試驗(yàn)Table 4 Condition performance test of electric fire detection monitor

對探測器樣品主要電氣參數(shù)性能指標(biāo)測試結(jié)果為:電壓172～268 V AC,精度1%;電流200～800 A AC,精度1%;頻率 45～55 Hz AC,精度 0.1 Hz;通信規(guī)程,MODBUS,RS485接口,4800/9600/19200 bit/s;供電電壓220 V AC;保護(hù)功能:漏電保護(hù),過負(fù)荷和短路保護(hù),斷相、斷路保護(hù),過壓、欠壓保護(hù),溫度保護(hù),消防聯(lián)動(dòng),數(shù)字開關(guān)信號(hào)接入保護(hù);保護(hù)方式,關(guān)閉/報(bào)警/跳閘。

4 結(jié) 語

由獨(dú)立式電氣火災(zāi)探測器與電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備組成的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng),是應(yīng)用于在線實(shí)時(shí)監(jiān)控低壓供電系統(tǒng)的智能化綜合保護(hù)產(chǎn)品。該系統(tǒng)能有效預(yù)防因漏電導(dǎo)致接地電弧短路所引起的電氣火災(zāi),同時(shí)能對保護(hù)線路的電壓、電流、功率、電度、環(huán)境溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控,具備多路消防聯(lián)動(dòng)與報(bào)警功能;采用標(biāo)準(zhǔn)的RS485通信,同時(shí)提供可選的以太網(wǎng)通信接口,配合智能化的遠(yuǎn)程控制軟件,充分滿足了遠(yuǎn)程監(jiān)控綜合化管理要求,具有廣闊的市場應(yīng)用價(jià)值。

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