賈永青, 陶志林, 龍 川, 楊 帆

(1.湖南電器科學研究院有限公司, 湖南 長沙 410009;2.湖南森源電氣有限公司, 湖南 長沙 410009)

0 引 言

根據我國近幾年的火災統(tǒng)計,電氣火災年均發(fā)生次數占火災年均總發(fā)生次數的30%左右,居各火災原因之首位。因此,實時監(jiān)控配電系統(tǒng)的剩余電流,及時從源頭發(fā)現電氣故障,并發(fā)出聲光報警提醒值班人員及時檢修的電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)尤為重要[1-3]。理論上,電氣火災監(jiān)控探測器安裝位置越接近故障點,越能及時發(fā)現并定位到故障位置。一棟高層建筑的電氣火災監(jiān)控系統(tǒng),需要配置上百個探測器,所以低功耗、布局靈活、高可靠性、高性價比成為產品的設計關鍵[4-7]。

本文設計了一種基于PIC16F1827的改進型二總線電氣火災監(jiān)控探測器。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由PIC單片機及外圍電路組成,包括電流采樣和二總線通信部分。硬件原理框圖如圖1所示。

圖1 硬件原理框圖

1.2 工作原理

系統(tǒng)采用低功耗、功能強大的PIC16F1827單片機作為主芯片,電源均由上位機提供5 V直流電源,選用1.843 2 MHz的外部晶振,定時完成單路剩余電流的采樣計算[8-9]。比較器用于區(qū)分二總線通信的高低電平閾值,上位機通過二總線定時輪詢本機采樣得到的剩余電流值及相關狀態(tài)(互感器斷線、剩余電流超限、通信故障),各狀態(tài)通過LED指示燈反饋給用戶。中斷按鈕用于完成復位操作。

2 PIC16F1827單片機特點

系統(tǒng)采用的PIC16F1827單片機具有如下特點。

(1) 高性能精簡指令集的中央處理器:優(yōu)化的C編譯架構,8 KB程序存儲器、384 B SRAM,256 B E2PROM。

(3) 靈活的振蕩器結構:32 MHz高精度內部振蕩器模塊,3種外部時鐘模式,4倍鎖相環(huán)。

(3) 超低功耗:工作電壓為1.8～5.5 V;1 MHz、1.8 V時的典型工作電流為75 μA,休眠模式時電流為30 nA,看門狗定時器為500 nA;具備增強型低電壓編程和節(jié)能休眠模式。

(4) 模/數和數/模轉換功能:10位分辨率,12路休眠模式下也能進行轉換的模擬量采樣,完全滿足采樣需求。另外具有正負參考電壓選擇的5位軌到軌電阻式DAC。

(5) 15個I/O引腳和1個僅用作輸入的引腳;最多支持3個定時/計數器;最多支持2個捕捉/比較/PWM模塊;最多2個增強型CCP模塊;最多2個支持SPI和I2C的主同步串行端口;增強型通用同步/異步收發(fā)器。

(6) 2個軌到軌模擬比較器。

(7) 包含看門狗定時器模塊。

該芯片功能強大,完全滿足電氣火災監(jiān)控探測器的資源需求;具有超低功耗,一路電源線可承擔上百個探測器;2個軌到軌模擬比較器,用來識別通信線路上的高低電平,并將比較器的輸出作為串口的輸入,大大提高通信的穩(wěn)定性。

3 系統(tǒng)功能的實現

基于二總線的電氣火災監(jiān)控探測器,主要功能分為剩余電流采樣、計算、判斷,狀態(tài)指示,與上位機的二總線通信等部分?；ジ衅鞑蓸拥玫降氖Ｓ嚯娏髦?由A/D模塊定時采樣運算,CPU判定是否斷線、超限,并點亮相應的指示燈。上位機定時輪詢讀取探測器的狀態(tài)及剩余電流值并集中顯示。另外,上位機還能通過二總線完成對探測器的復位、報警值設定和地址設定等功能。主程序流程如圖2所示。中斷子程序流程如圖3所示。

圖2 主程序流程

圖3 中斷子程序流程

3.1 采樣電路

3.1.1 硬件實現

2.1患者采取不同治療方法后,予以常規(guī)治療模式的常規(guī)組患者治療有效率為72%,而予以手術治療的觀察組患者治療有效率為92%,兩組比較差異明顯具有統(tǒng)計學意義(P<0.05),詳情見表1。

采樣電路如圖4所示。ADIN1和ADIN2為互感器輸入點,ADC0接入單片機的模擬量輸入口完成轉換,正常情況下,當互感器上有電流,會在R19上產生電壓降,ADC0上有對應的電壓值。CT1用來定時發(fā)送高電平檢測互感器是否正常連接,當剩余電流互感器連接正常時,CT1發(fā)送高電平,采樣值將由互感器采樣電流決定,若互感器斷線,則采樣值恒為R19上1/11的分壓。

圖4 采樣電路

3.1.2 軟件實現

剩余電流的采樣是利用功率有效值來代替,每3 ms進行一次采樣,20組為一個采樣周期,計算方均根,即可反應3個工頻周期內的剩余電流值。

3.2 通信電路

3.2.1 硬件實現

通信電路如圖5所示。MBUS1和MBUS2為二總線接口,沒有信號時,MBUS1為高電平,MBUS2為低電平;探測器對外發(fā)信號時,由單片機通過TX完成高低電平的輸出,當TX為高時,VT1導通,將MBUS1拉低,而當TX為低時,MBUS1回歸高電平。

無信號接收時,比較器的兩個輸入點C1IN+略高于C1IN-,比較器輸出為正,探測器接收信號時,若MBUS1上有低電平,C1IN+將被拉低,比較器輸出為負,若MBUS1回歸高電平,則比較器輸出也為正。

圖5 通信電路

3.2.2 軟件實現

通信過程中主要利用單片機內部的串口資源,探測器一直處在待接收狀態(tài),若接收到的信息顯示上位機輪詢的機號與本機的地址碼一致,則發(fā)送一串數據,包含剩余電流值、斷線、超限狀態(tài)等信息,發(fā)送過程中停止接收[10-12]。

4 試驗結果

基于PIC的改進型二總線電氣火災監(jiān)控探測器在完成設計和樣品試制后,與上位機一起送國家消防電子產品監(jiān)督檢驗中心做型式試驗。一個上位機連接128個探測器,100 m測距,參數讀寫和顯示正常,狀態(tài)指示正常,并且順利通過了GB 14287.2—2014標準第5.14條要求的電磁兼容試驗,包括射頻電磁場輻射抗擾度試驗、射頻場感應的傳導騷擾抗擾度試驗、靜電放電抗擾度試驗、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗、電涌(沖擊)抗擾度試驗、電壓暫降、短時中斷和電壓變化的抗擾度試驗、工頻磁場抗擾度試驗。硬件電路板如圖6所示。完整的探測器組件如圖7所示。

圖6 硬件電路板

圖7 完整的探測器組件

5 結 語

基于PIC16F1827的改進型二總線電氣火災監(jiān)控探測器不僅滿足國家標準和型式試驗要求,而且功耗低、接線靈活,適用各種拓撲結構,極大地提高探測器的適用性和可靠性,為供配電安全提供有效保障。目前該產品已經成功投產,并且具有一定的市場占有率。