淺談基于MSP430的電氣火災(zāi)探測(cè)器的設(shè)計(jì)

張穎姣

（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(cè)器組網(wǎng)形成，探測(cè)器采用改進(jìn)的交流采樣算法與計(jì)量芯片完成對(duì)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(guò)監(jiān)控設(shè)備對(duì)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)滿足國(guó)家標(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(chǎng)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(guó)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(lái)，中國(guó)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(guó)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(duì)電氣火災(zāi)的重視程度逐漸加深及電氣火災(zāi)探測(cè)器新國(guó)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(cè)器以主從模式聯(lián)網(wǎng)。電氣火災(zāi)探測(cè)器工作原理就是通過(guò)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(duì)配電回路和供電線路的漏電流、過(guò)載短路電流、過(guò)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(guò)載、短路、過(guò)壓、欠壓、缺相及過(guò)熱等超過(guò)設(shè)定值信號(hào)時(shí)，能快速準(zhǔn)確發(fā)出聲光語(yǔ)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(duì)配置線路的隔離、消防聯(lián)動(dòng)與輸入報(bào)警等。通過(guò)RS485總線方式進(jìn)行組網(wǎng)后，監(jiān)控設(shè)備可對(duì)探測(cè)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(duì)探測(cè)器的遙測(cè)、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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)線路漏電電流進(jìn)行檢測(cè)。此外，通過(guò)溫度傳感器與電氣參數(shù)DSP處理芯片ATT7028]對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)線路的頻率測(cè)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(cè)量芯片工作溫度)，8路AD轉(zhuǎn)換通道。對(duì)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(guò)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4x4鍵盤組成。操作人員可在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)顯示屏與按鍵對(duì)探測(cè)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(kāi)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)反饋輸人、遠(yuǎn)程分?jǐn)嘈盘?hào)輸入及2路煙霧報(bào)警信號(hào)輸人。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]。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(cè)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(duì)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(wú)接地問(wèn)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(cè)器節(jié)點(diǎn)的共模電壓范圍與EMI干擾、總線上帶有過(guò)多節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)支路過(guò)長(zhǎng)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。

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(cè)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(guò)制訂統(tǒng)一的組網(wǎng)通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)于電氣火災(zāi)探測(cè)器，通過(guò)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(duì)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(kù)訪問(wèn)、hook等技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件后，與探測(cè)器組網(wǎng)能直接通過(guò)系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)完成對(duì)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(duì)電力參數(shù)測(cè)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(duì)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50Hz的正弦波形；針對(duì)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(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)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(guò)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(cè)器軟件設(shè)計(jì)

圖3為火災(zāi)探測(cè)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(wú)誤后對(duì)

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(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)者擺脫了定義消息處理時(shí)那種混亂和冗長(zhǎng)的代碼段。利用C十+的封裝功能，使開(kāi)發(fā)者擺脫Windows中各種句柄的困擾，他們只需要面對(duì)C++中的對(duì)象，就能使開(kāi)發(fā)更接近開(kāi)發(fā)語(yǔ)言而遠(yuǎn)離系統(tǒng)。在針對(duì)RS485組網(wǎng)的控制軟件沒(méi)計(jì)過(guò)程中，除了利用MFC對(duì)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(kù)訪問(wèn)技術(shù)完成了對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的及時(shí)響應(yīng)處理。

3測(cè)試結(jié)果

電氣火災(zāi)探測(cè)器測(cè)試方法參照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)探測(cè)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(jiàn)表4。

表3樣品報(bào)警性能試驗(yàn)

對(duì)探測(cè)器樣品主要電氣參數(shù)性能指標(biāo)測(cè)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(guò)負(fù)荷和短路保護(hù)，斷相、斷路保護(hù)，過(guò)壓、欠壓保護(hù)，溫度保護(hù)，消防聯(lián)動(dòng)，數(shù)字開(kāi)關(guān)信號(hào)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(huì)降低圖像的灰度等級(jí)，使網(wǎng)點(diǎn)擴(kuò)張嚴(yán)重，并加大印刷工藝難度；

4)對(duì)于行業(yè)中應(yīng)用廣泛的方案1和方案3來(lái)說(shuō)，它們?cè)谟“婢W(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(guò)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)，是根據(jù)中心的消防電子產(chǎn)品試驗(yàn)認(rèn)證，并且均通過(guò)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(guó)得到廣泛地應(yīng)用。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)剩余電流、過(guò)電流、過(guò)電壓、溫度和故障電弧等信號(hào)的采集與監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)切除被檢測(cè)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(tái)或火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和共享。

（2）應(yīng)用場(chǎng)合

適用于智能樓宇、高層公寓、賓館、飯店、商廈、工礦企業(yè)、國(guó)家重點(diǎn)消防單位以及石油化工、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(tái)探測(cè)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(hào)，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(duì)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)復(fù)位。對(duì)于聲音報(bào)警信號(hào)也可以使用觸摸屏“消聲”按鍵手動(dòng)消除。

當(dāng)被監(jiān)測(cè)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)警消除后，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(tái)探測(cè)器之間發(fā)生通訊故障或探測(cè)器本身發(fā)生故障時(shí)，監(jiān)控畫(huà)面中相應(yīng)的探測(cè)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(hào)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(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)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

應(yīng)用場(chǎng)合	型號(hào)	產(chǎn)品照片	功能
消防控制室	Acrel-6000/B		適用于1~4條通信總線*多可連接256個(gè)探測(cè)器，可適用于壁掛安裝的場(chǎng)所。
Acrel-6000/Q		適用于大型組網(wǎng)，壁掛式監(jiān)控主機(jī)數(shù)量較多且需集中查看的場(chǎng)所，主要監(jiān)測(cè)壁掛主機(jī)信息。
一、二級(jí) 低壓配電	ARCM200L-Z2		三相(I、U、kW、Kvar、kWh、Kvarh、Hz、cos中)，視在電能、四象限電能計(jì)量，單回路剩余電流監(jiān)測(cè)，4路溫度監(jiān)測(cè)，2路繼電器輸出，4路開(kāi)關(guān)量輸入，事件記錄，內(nèi)置時(shí)鐘，點(diǎn)陣式LCD顯示，2路獨(dú)立RS485/Modbus通訊
ARCM200L-J8	8路剩余電流監(jiān)測(cè)，2路繼電器輸出，4路開(kāi)關(guān)量輸入，事件記錄，內(nèi)置時(shí)鐘，點(diǎn)陣式LCD顯示，1路RS485/Modbus通訊
ARCM300-J1		1路剩余電流監(jiān)測(cè)，4路溫度監(jiān)測(cè)，1路繼電器輸出，事件記錄，LCD顯示，1路RS485/Modbus通訊
AAFD-□		檢測(cè)末端線路的故障電弧，485通訊，導(dǎo)軌式安裝。
ASCP200-□		短路限流保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、內(nèi)部超溫限流保護(hù)、過(guò)欠壓保護(hù)、漏電監(jiān)測(cè)、線纜溫度監(jiān)測(cè)，1路RS485通訊，1路GPRS或NB無(wú)線通訊，額定電流為0-40A可設(shè)。
	短路限流保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、內(nèi)部超溫限流保護(hù)、過(guò)欠壓保護(hù)、漏電監(jiān)測(cè)、線纜溫度監(jiān)測(cè)，1路RS485通訊，1路NB或4G無(wú)線通訊，額定電流為0-63A可設(shè)。
配套附件	AKH-0.66		測(cè)量型互感器，采集交流電流信號(hào)
AKH-0.66/L		剩余電流互感器，采集剩余電流信號(hào)
ARCM-NTC		溫度傳感器，采集線纜或配電箱體溫度

5結(jié)語(yǔ)

由獨(dú)立式電氣火災(zāi)探測(cè)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(duì)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(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

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審核編輯 黃宇