基于單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)室配電箱無(wú)線(xiàn)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

丁小田，時(shí)維鐸

(南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京210037)

實(shí)驗(yàn)室是教學(xué)科研的重要基地，實(shí)驗(yàn)室的安全管理是實(shí)驗(yàn)工作正常進(jìn)行的基本保證，實(shí)驗(yàn)室是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)［1］。實(shí)驗(yàn)室供電線(xiàn)路的安裝必須符合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要和安全用電的有關(guān)規(guī)定。實(shí)驗(yàn)室中線(xiàn)路組裝在配電箱，因此，對(duì)實(shí)驗(yàn)室配電箱安全的監(jiān)測(cè)研究，是實(shí)驗(yàn)室人員設(shè)備安全的保證。

本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)控制對(duì)實(shí)驗(yàn)室配電箱的電流電壓溫度等信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、調(diào)理、分析，通過(guò)數(shù)碼管顯示所收集到的數(shù)據(jù)，用發(fā)光二極管顯示控制器的狀態(tài)［2］，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控方式采用模擬信號(hào)傳輸?shù)囊曨l監(jiān)控［3］，而本文使用無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊發(fā)送至上位機(jī)。若所采集數(shù)據(jù)有異常，則系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

MSP430單片機(jī)是一款新型高速、超低功耗、抗超強(qiáng)干擾的單片機(jī)。內(nèi)部集成高速10位或12位A/D轉(zhuǎn)換器，最大轉(zhuǎn)換速度可以達(dá)到200 k/s，在強(qiáng)電磁干擾的場(chǎng)合依然不會(huì)降低精度，能夠滿(mǎn)足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。最高工作頻率可達(dá)25 M，實(shí)現(xiàn)40 ns的指令周期，可以高效有序地完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分析。內(nèi)部自帶2個(gè)不同的時(shí)鐘系統(tǒng)，還有豐富的片內(nèi)外設(shè)，為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。另外，MSP430單片機(jī)的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時(shí)靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的低功耗狀態(tài)時(shí)，中斷喚醒只需5 μs。它的方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求［4］。系統(tǒng)硬件的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件總體框圖

系統(tǒng)主要由信號(hào)采集調(diào)理模塊、單片機(jī)控制模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊組成。系統(tǒng)中的信號(hào)采集調(diào)理模塊通過(guò)電流電壓互感器將接收到的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行處理發(fā)送至單片機(jī)，顯示模塊將顯示采集到的數(shù)據(jù)，同時(shí)無(wú)線(xiàn)發(fā)射APC230將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至主機(jī)，若有異常，給出報(bào)警信號(hào)，系統(tǒng)響應(yīng)報(bào)警。

1.1 無(wú)線(xiàn)發(fā)射

APC230是高度集成半雙工微功率無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊，其嵌入高速單片機(jī)和高性能射頻芯片，傳輸距離長(zhǎng)，可達(dá)1 800 m(9 600 bps)，且體積小，功耗低，成本低，使用便捷，傳輸效率高［5］。實(shí)驗(yàn)室距離辦公室電腦有一定距離，需要設(shè)備抗干擾強(qiáng)以及靈敏度高，APC230可符合，它最大可以糾24 bits連續(xù)突發(fā)錯(cuò)誤，達(dá)到業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先水平。APC230模塊提供了多個(gè)頻道的選擇，可在線(xiàn)修改串口頻率，發(fā)射功率，射頻速率等各種參數(shù)。還能夠透明傳輸任何大小的數(shù)據(jù)，無(wú)須編寫(xiě)復(fù)雜的設(shè)置與傳輸程序，工作頻率范圍為418～455 MHz(1 kHz步進(jìn))，大于100個(gè)頻道，GFSK的調(diào)制方式，UART接口，RS232/RS485可定制，超大的256bytes數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，適合大數(shù)據(jù)量傳輸，內(nèi)置看門(mén)狗，保證長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。實(shí)際使用中，APC230模塊除了正常的地和電源腳以外，只有接收端和發(fā)送端與單片機(jī)設(shè)備相連以及SET參數(shù)設(shè)置腳與設(shè)備相接，其他腳可懸空。

1.2 信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集調(diào)理模塊分為信號(hào)采集以及信號(hào)調(diào)理兩部分［6］。信號(hào)采集使用立式穿芯精密交流TA1016-1M電流互感器和微型精密交流TV1013-1M電壓互感器以及DS18B20溫度傳感器分別采集電流、電壓和溫度信號(hào)?；ジ袡z測(cè)法一般用于高電壓大電流的地方，并且是交流，因此用互感器，所用電流電壓互感器的體積小，精度高，電壓隔離能力強(qiáng)，安全可靠。TA1016-1M四個(gè)引腳端，1、2腳懸空，電線(xiàn)穿芯通過(guò)電流互感器的3、4腳，電流檢測(cè)的方法實(shí)際上就是檢測(cè)電壓，再計(jì)算出電流。圖2是電流互感器的實(shí)際應(yīng)用圖。

圖2 電流互感器

電流互感器的額定輸入電流是額定輸出電流的1 000倍，I1是輸入電流，I2是互感后的電流，通過(guò)互感器輸出的電壓是電阻Rf兩端的電壓，最后計(jì)算時(shí)要I2放大1 000倍得到電線(xiàn)輸入電流，額定采樣電壓≤0.5倍IC電源電壓。電流互感器初級(jí)串聯(lián)于被測(cè)電流回路中，次級(jí)應(yīng)近似工作于短路狀態(tài)。電流互感器次級(jí)電路不允許開(kāi)路，所以不要裝熔斷器。電壓檢測(cè)比較簡(jiǎn)單，通?？梢圆⒔釉诖郎y(cè)電壓的線(xiàn)端，這里的TV1013-1M四個(gè)引腳中，1、2腳接輸入電壓，互感后3、4腳輸出電壓，通過(guò)互感器后得到的電壓就是電阻Rf兩端的電壓。圖3是電壓互感器的實(shí)際應(yīng)用圖。

圖3 電壓互感器

電壓互感器的額定輸入電流是額定輸出電流的1 000倍，I1是輸入電流，I2是互感后的電流，通過(guò)互感器輸出的電壓是電阻Rf兩端電壓，最后計(jì)算時(shí)要I2縮小一半得到電線(xiàn)輸入電流，額定采樣電壓≤0.5倍IC電源電壓。電壓檢測(cè)比較簡(jiǎn)單，通?？梢圆⒔釉诖郎y(cè)電壓的線(xiàn)端，這里的TV1013-1M四個(gè)引腳中，1、2腳接輸入電壓，互感后3、4腳輸出電壓，通過(guò)互感器后得到的電壓就是電阻Rf兩端的電壓。

1.3 信號(hào)調(diào)理

配電箱中電線(xiàn)輸入交流信號(hào)，因而通過(guò)互感器輸出的電壓電流是交流信號(hào)，所以調(diào)理電路中采用的是雙電源運(yùn)放uA741，調(diào)理電路輸出的信號(hào)要接到單片機(jī)MSP430的A/D口，A/D口是單極性的，信號(hào)大小要控制在0～5 V之間，因此需要將互感器輸出的信號(hào)抬高使采集到的信號(hào)在高速采樣時(shí)峰峰值都在0～5 V之間。設(shè)定電流互感器的輸入電流最大不超過(guò)8 A，超過(guò)8 A判定為異常。則電阻Rf兩端電壓最大為1.92 V，通過(guò)調(diào)理電路，使電壓上抬2.5 V，輸出電壓在0.58 V～4.42 V之間。通過(guò)高速采樣，將采到的信號(hào)取平均值，除以1.414得到直流信號(hào)，輸送給單片機(jī)的A/D口引腳。

電壓互感器的調(diào)理電路與電流信號(hào)的調(diào)理電路一樣，只是調(diào)理電路中上抬后的電壓大小不一樣。得到輸出電壓在0.5 V～4.5 V之間，高速采樣后，將采到的信號(hào)取平均值，然后除以1.414得到直流信號(hào)，可以輸送給單片機(jī)的A/D口引腳。

1.4 顯示及報(bào)警模塊

該模塊由數(shù)碼管顯示和按鍵控制部分組成。設(shè)定電流不超過(guò)8 A，電壓不超過(guò)380 V，溫度不超過(guò)－20℃ ～80℃，若超過(guò)，則蜂鳴器報(bào)警。按鍵控制包含復(fù)位按鍵和消除報(bào)警鍵。當(dāng)參數(shù)超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定值，復(fù)位鍵用于系統(tǒng)初始化，消除報(bào)警鍵可取消蜂鳴器報(bào)警，及時(shí)處理各種問(wèn)題。四位數(shù)碼管顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，每次只顯示一項(xiàng)測(cè)量值，每?jī)擅敫鼡Q一次，用LED燈區(qū)分不同顯示數(shù)據(jù)，便于工作人員對(duì)實(shí)驗(yàn)室實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 軟件設(shè)計(jì)

本文中的軟件設(shè)計(jì)部分全部采用C語(yǔ)言編程，可提高程序的運(yùn)行速度和效率，采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)，各個(gè)功能子模塊獨(dú)立，調(diào)試方便，便于控制功能的進(jìn)一步擴(kuò)展。首先單片機(jī)STC12C5A60S2和溫度傳感器DS18B20分別初始化，60S2接收傳感器和互感器傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行判斷，是否超出預(yù)警值，如超過(guò)則報(bào)警，數(shù)據(jù)正常，則顯示數(shù)據(jù)并APC230無(wú)線(xiàn)發(fā)射數(shù)據(jù)。這是整個(gè)方案的軟件設(shè)計(jì)流程，如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程圖

3 系統(tǒng)測(cè)試

本文主要測(cè)試電壓電流信號(hào)，高壓電比較危險(xiǎn)，因此用模擬箱測(cè)試分析結(jié)果。用模擬電子箱測(cè)試電流互感器可得到如表1的數(shù)據(jù)。

表1 電流互感器測(cè)試結(jié)果

在模擬電子箱上電流互感器輸入的電壓太小，致使輸出的電壓很小，進(jìn)而計(jì)算所得的電流太小，實(shí)際的配電箱中電壓輸入比模擬時(shí)大的多，電壓輸出也會(huì)增大，同樣電流也大。這里測(cè)得的輸入電流達(dá)到系統(tǒng)要求，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在可測(cè)范圍內(nèi)。

用模擬電子箱測(cè)試電壓互感器可得到如表2的數(shù)據(jù)。

表2 電壓互感器測(cè)試結(jié)果

經(jīng)檢測(cè)，實(shí)際輸出電壓比理論值偏小，可能是電阻比實(shí)際小一些，引起的電壓偏小或電路中消耗掉一部分電壓引起的?；ジ衅鳒y(cè)試的電流、電壓在傳輸過(guò)程中，受外界的干擾，在檢測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流電壓偏小的現(xiàn)象，另外電流電壓輸入的值偏小，容易引起較大的誤差。但基本不影響互感器的使用，本設(shè)計(jì)的電壓電流互感器都是可以正常使用的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)完成了對(duì)配電箱電流電壓溫度的采樣分析，實(shí)時(shí)發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)給工作人員，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作可靠，測(cè)量精度高，設(shè)計(jì)成本低，不需要大型設(shè)備，互感器耐壓值高，受外界干擾小，具有報(bào)警提示功能可及時(shí)處理突發(fā)事故，可以達(dá)到監(jiān)控要求，在實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測(cè)方面有較大實(shí)用價(jià)值。