【產(chǎn)品指南】基于MSP430的電氣火災(zāi)探測器的設(shè)計(jì)

未曉妃

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

【摘要】介紹一種基于l6位嵌入式微處理器MSP430的漏電電流電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備與多種電氣火災(zāi)探測器組網(wǎng)形成，探測器采用改進(jìn)的交流采樣算法與計(jì)量芯片完成對監(jiān)控線路的數(shù)據(jù)采集、電氣火災(zāi)預(yù)警、故障與報(bào)警記錄保存等工作，也可通過監(jiān)控設(shè)備對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與智能應(yīng)用操作。結(jié)果表明，該系統(tǒng)滿足標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求，同時(shí)具有能耗低、精度高、安全可靠、誤報(bào)率低及操作維護(hù)方便等特點(diǎn)，具有顯著的市場應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】MSP430；漏電電流；交流采樣；智能監(jiān)控

0 引言

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3O％，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，由一臺監(jiān)控設(shè)備與不多于255臺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)定值信號時(shí)，能快速準(zhǔn)確發(fā)出聲光語音預(yù)警(報(bào)警)信號，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。配合外部輸入信號與斷路器能完成對配置線路的隔離、消防聯(lián)動與輸入報(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。

圖1電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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)大致分為信號采集模塊、時(shí)鐘與數(shù)據(jù)存儲模塊、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，通過溫度傳感器與電氣參數(shù)DSP處理芯片ATT7028]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，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硬件會自動將轉(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)存儲模塊

主要包含實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302與數(shù)據(jù)存儲芯片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4x4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。其中輸人部分主要包含5路數(shù)字開關(guān)量信號輸入：消防聯(lián)動信號輸入、斷路器狀態(tài)反饋輸人、遠(yuǎn)程分?jǐn)嘈盘栞斎爰?路煙霧報(bào)警信號輸人。輸出部分主要包含揚(yáng)聲器控制信號、輔助報(bào)警信號與多路功能繼電器控制信號。

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]。RS485接口采用差分方式傳輸信號，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)1200m，傳輸速率可達(dá)1Mb／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。

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。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是頻率為50Hz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=138mA，有效值I=97．581mA。表1與表2分別給出f=50Hz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

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，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。

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)

電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備軟件采用VisualC+十／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。MFC借助AppWizard擺脫了那些每次都必寫的基本代碼，借助ClassWizard和消息映射，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十+的封裝功能，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)的控制軟件沒計(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)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對探測器樣品的絕緣、耐壓及振動等一系列指標(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)

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172～268VAC，精度1；電流200～800AAC，精度1；頻率45～55HzAC，精度0．1Hz；通信規(guī)程，MODBUS，RS485接口，4800／9600／19200bit／s；供電電壓220VAC；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，數(shù)字開關(guān)信號接入保護(hù)；保護(hù)方式，關(guān)閉／報(bào)警／跳閘。

1)在相同條件下，CTcP比CTF工藝印版成像更均勻、更穩(wěn)定、更準(zhǔn)確；

2)成像分辨率越高，印版網(wǎng)點(diǎn)的復(fù)制效果越好；

3)提高加網(wǎng)線數(shù)會降低圖像的灰度等級，使網(wǎng)點(diǎn)擴(kuò)張嚴(yán)重，并加大印刷工藝難度；

4)對于行業(yè)中應(yīng)用廣泛的方案1和方案3來說，它們在印版網(wǎng)點(diǎn)的階調(diào)復(fù)制方面都有較好的表現(xiàn)，但前者在像素的過渡和階調(diào)層次的漸變方面的表現(xiàn)能力要略微遜色一些。

4安科瑞電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)

（1）概述

Acre1-6000電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，通過嚴(yán)格的EMC電磁兼容試驗(yàn)，保證了該系列產(chǎn)品在低壓配電系統(tǒng)中的安全正常運(yùn)行，現(xiàn)均已批量生產(chǎn)并在全國得到廣泛地應(yīng)用。該系統(tǒng)通過對剩余電流、過電流、過電壓、溫度和故障電弧等信號的采集與監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)對電氣火災(zāi)的早期預(yù)防和報(bào)警，當(dāng)必要時(shí)還能聯(lián)動切除被檢測到剩余電流、溫度和故障電弧等超標(biāo)的配電回路;并根據(jù)用戶的需求，還可以滿足與AcreIEMS企業(yè)微電網(wǎng)管理云平臺或火災(zāi)自動報(bào)警系統(tǒng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和共享。

（2）應(yīng)用場合

適用于智能樓宇、高層公寓、賓館、飯店、商廈、工礦企業(yè)、文教衛(wèi)生、金融、電信等領(lǐng)域。

（3）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（4）系統(tǒng)功能

監(jiān)控設(shè)備能接收多臺探測器的剩余電流、溫度信息，報(bào)警時(shí)發(fā)出聲、光報(bào)警信號，同時(shí)設(shè)備上紅色“報(bào)警"指示燈亮，顯示屏指示報(bào)警部位及報(bào)警類型，記錄報(bào)警時(shí)間，聲光報(bào)警一直保持，直至按設(shè)備的“復(fù)位"按鈕或觸摸屏的“復(fù)位"按鍵遠(yuǎn)程對探測器實(shí)現(xiàn)復(fù)位。對于聲音報(bào)警信號也可以使用觸摸屏“消聲"按鍵手動消。

當(dāng)被監(jiān)測回路報(bào)警時(shí)，控制輸出繼電器閉合，用于控制被保護(hù)電路或其他設(shè)備，當(dāng)報(bào)警消后，控制輸出繼電器釋放。

通訊故障報(bào)警：當(dāng)監(jiān)控設(shè)備與所接的任一臺探測器之間發(fā)生通訊故障或探測器本身發(fā)生故障時(shí)，監(jiān)控畫面中相應(yīng)的探測器顯示故障提示，同時(shí)設(shè)備上的黃色“故障"指示燈亮，并發(fā)出故障報(bào)警聲音。電源故障報(bào)警：當(dāng)主電源或備用電源發(fā)生故障時(shí)，監(jiān)控設(shè)備也發(fā)出聲光報(bào)警信號并顯示故障信息，可進(jìn)入相應(yīng)的界面查看詳細(xì)信息并可解除報(bào)警聲。

當(dāng)發(fā)生剩余電流、超溫報(bào)警或通訊、電源故障時(shí)，將報(bào)警部位、故障信息、報(bào)警時(shí)間等信息存儲在數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)報(bào)警解除、排除故障時(shí)，同樣予以記錄。歷史數(shù)據(jù)提供多種便捷、快速的查詢方法。

（5）配置方案

5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。

作者介紹

未曉妃，安科瑞電氣股份有限公司，178 2117 0311,主要研究方向?yàn)槲㈦娋W(wǎng)能效管理和環(huán)保安全用電。