淺談基于MSP430的電氣火災探測器的設計

【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控系統，該系統由電氣火災監控設備與多種電氣火災探測器組網形成，探測器采用改進的交流采樣算法與計量芯片完成對監控線路的數據采集、電氣火災預警、故障與報警記錄保存等工作，也可通過監控設備對系統進行實時監控與智能應用操作。結果表明，該系統滿足國家標準設計要求，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。

【關鍵詞】MSP430；漏電電流；交流采樣；智能監控

0 引言

隨著國民經濟的快速發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，中國發生電氣火災次數占火災事故總數的3O％，在當前已經成為國內各種火災中的主要災害源。電氣火災事故所占比例逐年增高，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國家和人民的生命財產安全。

1系統硬件設計

1.1系統結構

整個系統如圖1所示，由一臺監控設備與不多于255臺探測器以主從模式聯網。電氣火災探測器工作原理就是通過外部傳感器、微控制器與數字處理芯片相結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實施監控和管理，一旦供電線路發生漏電、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、消防聯動與輸入報警等。通過RS485總線方式進行組網后，監控設備可對探測器進行實時巡檢、參數設置、遠程控制與數據備份打印，實現對探測器的遙測、遙控、遙調與遙信；同時系統內器件故障不影響其他部分正常工作，具有較高的穩定性與安全性；方便操作人員集中監管、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置。

圖1電氣火災監控系統結構

根據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、時鐘與數據存儲模塊、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DSP處理芯片ATT7028]對現場的溫度和主要電氣參數，如電壓、電流、相位、功率等信號，進行實時采集與處理；同時，根據電網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位精度的模數轉換模塊，1位非線性微分誤差，1位非線性積分誤差，內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轉換通道。對漏電電流與外部溫度參數進行序列通道多次轉換，通過合理設置后，ADC12硬件會自動將轉換結果存放到相應的ADC12MEM寄存器中。

1.2.2時鐘與數據存儲模塊

主要包含實時時鐘芯片DS1302與數據存儲芯片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。操作人員可在現場通過顯示屏與按鍵對探測器現狀進行檢查與設置。

1.2.4輸入輸出模塊

主要用于配合其他設備、產品以*系統功能。其中輸人部分主要包含5路數字開關量信號輸入：消防聯動信號輸入、斷路器狀態反饋輸人、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，其總線式拓撲結構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點的共模電壓范圍與EMI干擾、總線上帶有過多節點和節點支路過長等所造成的信號質量下降的情況，因此需要在硬件抗干擾設計中予以注意。

2系統軟件設計

電氣火災監控系統軟件設計主要分為探測器軟件設計與監控系統遠程控制軟件設計兩部分，通過制訂統一的組網通信協議進行數據傳輸。對于電氣火災探測器，通過合理編程充分調用16位微控制器MSP430*的定時、中斷與外圍模塊功能，以及內部器件間的同步通信與模塊功能的實現；對于電氣火災監控設備，在安裝了應用登陸口令、MFC功能擴展類、ActiveX控件、數據庫訪問、hook等技術的遠程監控軟件后，與探測器組網能直接通過系統監控主機完成對所有受控點的巡檢、實時監控、數據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定性。

2.1交流采樣算法

針對電力參數測量的基本交流采樣算法，可分為正弦函數模型算法與非正弦周期函數算法。根據項目中應用要求擬對工頻范圍的電流參數采集為主要目標，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，利用正弦函數模型算法進行實驗仿真，引入一理想交流函數模型：

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I_m=138mA，有效值I=97．581mA。表1與表2分別給出f=50Hz時正弦函數模型算法與非正弦周期函數模型算法的交流采樣仿真結果。

表1交流采樣正弦函數算法仿真

通過實驗對比可以發現，在實際環境中應用非正弦周期函數算法，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，根據主函數循環與程序設計思路，可將主程序分為初始化模塊、數據處理模塊、故障處理模塊、主顯示模塊與通信模塊。系統經上電初始化無誤后對

AD轉換數據與片內通信數據一起進行處理，根據處理結果進行故障界面與循環界面顯示判斷。此外，還根據用戶的操作涉及通信、按鍵等中斷調用程序與參數設置函數。

2.3監控設備軟件設計

電氣火災監控設備軟件采用VisualC+十／MFC，以面向對象設計思路(OOP)進行系統及其界面的開發設計工作，系統默認運行環境為基于Win32應用的PC平臺。MFC借助AppWizard使開發者擺脫了那些每次都必寫的基本代碼，借助ClassWizard和消息映射，使開發者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，使開發者擺脫Windows中各種句柄的困擾，他們只需要面對C++中的對象，就能使開發更接近開發語言而遠離系統。在針對RS485組網的控制軟件沒計過程中，除了利用MFC對封裝好的API函數進行調用外，主要還利用了通信ActiveX控件、hook與數據庫訪問技術完成了對傳輸數據的及時響應處理。

3測試結果

電氣火災探測器測試方法參照現行國家標準規定，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性能指標測試結果為：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，消防聯動，數字開關信號接入保護；保護方式，關閉／報警／跳閘。

1)在相同條件下，CTcP比CTF工藝印版成像更均勻、更穩定、更準確；

2)成像分辨率越高，印版網點的復制效果越好；

3)提高加網線數會降低圖像的灰度等級，使網點擴張嚴重，并加大印刷工藝難度；

4)對于行業中應用廣泛的方案1和方案3來說，它們在印版網點的階調復制方面都有較好的表現，但前者在像素的過渡和階調層次的漸變方面的表現能力要略微遜色一些。

4安科瑞電氣火災監控系統

（1）概述

Acre1-6000電氣火災監控系統，是根據中心的消防電子產品試驗認證，并且均通過嚴格的EMC電磁兼容試驗，保證了該系列產品在低壓配電系統中的安全正常運行，現均已批量生產并在全國得到廣泛地應用。該系統通過對剩余電流、過電流、過電壓、溫度和故障電弧等信號的采集與監視，實現對電氣火災的早期預防和報警，當必要時還能聯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;并根據用戶的需求，還可以滿足與AcreIEMS企業微電網管理云平臺或火災自動報警系統等進行數據交換和共享。

（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、國家重點消防單位以及石油化工、文教衛生、金融、電信等領域。

（3）系統結構

（4）系統功能

監控設備能接收多臺探測器的剩余電流、溫度信息，報警時發出聲、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"按鍵手動消除

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

通訊故障報警：當監控設備與所接的任一臺探測器之間發生通訊故障或探測器本身發生故障時，監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，并發出故障報警聲音。電源故障報警：當主電源或備用電源發生故障時，監控設備也發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據庫中，當報警解除、排除故障時，同樣予以記錄。歷史數據提供多種便捷、快速的查詢方法。

（5）配置方案

5結語

由獨立式電氣火災探測器與電氣火災監控設備組成的電氣火災監控系統，是應用于在線實時監控低壓供電系統的智能化綜合保護產品。該系統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、環境溫度等參數進行監控，具備多路消防聯動與報警功能；采用標準的RS485通信，同時提供可選的以太網通信接口，配合智能化的遠程控制軟件，充分滿足了遠程監控綜合化管理要求，具有廣闊的市場應用價值。

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