【產(chǎn)品指南】基于MSP430的電氣火災探測器的設計

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監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由電氣火災監(jiān)控設備與多種電氣火災探測器組網(wǎng)形成，探測器采用改進的交流采樣算法與計量芯片完成對監(jiān)控線路的數(shù)據(jù)采集、電氣火災預警、故障與報警記錄保存等工作，也可通過監(jiān)控設備對系統(tǒng)進行實時監(jiān)控與智能應用操作。結(jié)果表明，該系統(tǒng)滿足標準設計要求，同時具有能耗低、精度高、安全可靠、誤報率低及操作維護方便等特點，具有顯著的市場應用價值。

【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。各種電氣設備及家用電器的用量陡增，電氣火災事故也隨之劇增。近10年來，中國發(fā)生電氣火災次數(shù)占火災事故總數(shù)的3O％，在當前已經(jīng)成為國內(nèi)各種火災中的主要災害源。電氣火災事故所占比例逐年高，令人堪憂。隨著對電氣火災的重視程度逐漸加深及電氣火災探測器新和人民的生命財產(chǎn)安全。

1系統(tǒng)硬件設計

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)如圖1所示，由一臺監(jiān)控設備與不多于255臺探測器以主從模式聯(lián)網(wǎng)。電氣火災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、線路溫升等火災危險參數(shù)實施監(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定值信號時，能快速準確發(fā)出聲光語音預警(報警)信號，指示報警部位，記錄報警時間，顯示報警類型，提醒相關(guān)人員及時處理險情。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)動與輸入報警等。通過RS485總線方式進行組網(wǎng)后，監(jiān)控設備可對探測器進行實時巡檢、參數(shù)設置、遠程控制與數(shù)據(jù)備份打印，實現(xiàn)對探測器的遙測、遙控、遙調(diào)與遙信；同時系統(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電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)探測器功能設計進行模塊分類，如圖2所示，除微處理器MSP430的主控模塊外，可將圖2中電氣火災探測器設計大致分為信號采集模塊、時鐘與數(shù)據(jù)存儲模塊、人機交互模塊、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

主要應用交流采樣算法對線路漏電電流進行檢測。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，進行實時采集與處理；同時，根據(jù)電網(wǎng)頻率緩慢變化的特點，利用ATT7028完成對線路的頻率測量，提供給MCU進行定時器采樣間隔值設置。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)進行序列通道多次轉(zhuǎn)換，通過合理設置后，ADC12硬件會自動將轉(zhuǎn)換結(jié)果存放到相應的ADC12MEM寄存器中。

1.2.2時鐘與數(shù)據(jù)存儲模塊

主要包含實時時鐘芯片DS1302與數(shù)據(jù)存儲芯片24CL0X，用于實時記錄與傳送故障

信息。

1.2.3人機交互模塊

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)狀進行檢查與設置。

1.2.4輸入輸出模塊

主要用于配合其他設備、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、遠程分斷信號輸入及2路煙霧報警信號輸人。輸出部分主要包含揚聲器控制信號、輔助報警信號與多路功能繼電器控制信號。

1.2.5通信模塊

設計選用RS485總線進行組網(wǎng)應用]。RS485接口采用差分方式傳輸信號，可應用于主從模式的半雙工通信，其總線式拓撲結(jié)構(gòu)保證了探測器應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1200m，傳輸速率可達1Mb／s。由于在實際應用中還存在各探測器節(jié)點的共模電壓范圍與EMI干擾、總線上帶有過多節(jié)點和節(jié)點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計中予以注意。

2系統(tǒng)軟件設計

電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計主要分為探測器軟件設計與監(jiān)控系統(tǒng)遠程控制軟件設計兩部分，通過制訂統(tǒng)一的組網(wǎng)通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。對于電氣火災探測器，通過合理編程充分調(diào)用16位微控制器MSP430強大的定時、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現(xiàn)；對于電氣火災監(jiān)控設備，在安裝了應用登陸口令、MFC功能擴展類、ActiveX控件、數(shù)據(jù)庫訪問、hook等技術(shù)的遠程監(jiān)控軟件后，與探測器組網(wǎng)能直接通過系統(tǒng)監(jiān)控主機完成對所有受控點的巡檢、實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)備份打印與遠程控制等一系列工作，在方便操作管理的同時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)項目中應用要求擬對工頻范圍的電流參數(shù)采集為主要目標，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)模型算法進行實驗仿真，引入一理想交流函數(shù)模型：

其基波幅值A1=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

通過實驗對比可以發(fā)現(xiàn)，在實際環(huán)境中應用非正弦周期函數(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探測器軟件設計

圖3為火災探測器主程序流程圖，根據(jù)主函數(shù)循環(huán)與程序設計思路，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)一起進行處理，根據(jù)處理結(jié)果進行故障界面與循環(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)設置函數(shù)。

2.3監(jiān)控設備軟件設計

電氣火災監(jiān)控設備軟件采用VisualC+十／MFC，以面向?qū)ο笤O計思路(OOP)進行系統(tǒng)及其界面的開發(fā)設計工作，系統(tǒng)默認運行環(huán)境為基于Win32應用的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)語言而遠離系統(tǒng)。在針對RS485組網(wǎng)的控制軟件沒計過程中，除了利用MFC對封裝好的API函數(shù)進行調(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)的及時響應處理。

3測試結(jié)果

電氣火災探測器測試方法參照現(xiàn)行標準規(guī)定，對探測器樣品的絕緣、耐壓及振動等一系列指標進行了試驗，結(jié)果見表4。

表3樣品報警性能試驗

對探測器樣品主要電氣參數(shù)性能指標測試結(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；保護功能：漏電保護，過負荷和短路保護，斷相、斷路保護，過壓、欠壓保護，溫度保護，消防聯(lián)動，數(shù)字開關(guān)信號接入保護；保護方式，關(guān)閉／報警／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、更準確；

2)成像分辨率越高，印版網(wǎng)點的復制效果越好；

3)提高加網(wǎng)線數(shù)會降低圖像的灰度等級，使網(wǎng)點擴張嚴重，并加大印刷工藝難度；

4)對于行業(yè)中應用廣泛的方案1和方案3來說，它們在印版網(wǎng)點的階調(diào)復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安科瑞電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)

（1）概述

Acre1-6000電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)，通過嚴格的EMC電磁兼容試驗，保證了該系列產(chǎn)品在低壓配電系統(tǒng)中的安全正常運行，現(xiàn)均已批量生產(chǎn)并在全國得到廣泛地應用。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，實現(xiàn)對電氣火災的早期預防和報警，當必要時還能聯(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)管理云平臺或火災自動報警系統(tǒng)等進行數(shù)據(jù)交換和共享。

（2）應用場合

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、電信等領域。

（3）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（4）系統(tǒng)功能

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

當被監(jiān)測回路報警時，控制輸出繼電器閉合，用于控制被保護電路或其他設備，當報警消后，控制輸出繼電器釋放。

通訊故障報警：當監(jiān)控設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，監(jiān)控畫面中相應的探測器顯示故障提示，同時設備上的黃色“故障"指示燈亮，并發(fā)出故障報警聲音。電源故障報警：當主電源或備用電源發(fā)生故障時，監(jiān)控設備也發(fā)出聲光報警信號并顯示故障信息，可進入相應的界面查看詳細信息并可解除報警聲。

當發(fā)生剩余電流、超溫報警或通訊、電源故障時，將報警部位、故障信息、報警時間等信息存儲在數(shù)據(jù)庫中，當報警解除、排除故障時，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

由獨立式電氣火災探測器與電氣火災監(jiān)控設備組成的電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)，是應用于在線實時監(jiān)控低壓供電系統(tǒng)的智能化綜合保護產(chǎn)品。該系統(tǒng)能有效預防因漏電導致接地電弧短路所引起的電氣火災，同時能對保護線路的電壓、電流、功率、電度、環(huán)境溫度等參數(shù)進行監(jiān)控，具備多路消防聯(lián)動與報警功能；采用標準的RS485通信，同時提供可選的以太網(wǎng)通信接口，配合智能化的遠程控制軟件，充分滿足了遠程監(jiān)控綜合化管理要求，具有廣闊的市場應用價值。

作者介紹

未曉妃，安科瑞電氣股份有限公司，178 2117 0311,主要研究方向為微電網(wǎng)能效管理和環(huán)保安全用電。