电气火灾监控探测器设计-智能型电气火灾监控探测器

　　电气火灾监控探测器的设计

　　【摘要】 设计了一种基于MCU微处理器的高灵敏度智能型电气火灾监控探测器。设计中采用实时交流采样算法对剩余电流进行信号处理,检测精度高,减少了系统漏报、误报等情况。该探测器采用模块化设计, 便于集成与拆分,更新升级简单,可以实现剩余电流式和测温式两种探测器的所有功能,为常规的低压配电网络的电气火灾监控系统提供了强有力的支撑。

　　【关键词】 交流实时采样; 剩余电流测温式探测器; 电气火灾监控系统;

　　0、引言

　　随着科技进步与生活水平的提高，用电器具、用电量的急剧增加，电气火灾也随之增加。 电气火灾造成的严重后果应引起人们警醒并加以重视。更值得注意的是，特大火灾中的电气火灾所占比例更大，约占特大火灾总量的70% ～ 80%，是20世纪80年代火灾数量的15倍。可见，预防和有效遏制电气火灾的发生己刻不容缓。

　　为了遏制电气火灾的蔓延势头，国家相继制订或修改了有关标准规范，要求在建筑中设置漏电火灾报警系统。已于 2006年 6月1日实施的GB14287-2005电气火灾监控系统新标准将防火漏电电流动作保警器更名为电气火灾监控系统，并细分为3部分.第1部分：电气火灾监控设备、第2部分：剩余电流式电气火灾监控探测器、第3部分：测温式电气火灾监控探测器。相关定义如下：

　　(1)电气火灾监控系统。电气火灾监控系统是指由电气火灾监控设备和电气火灾监控探测器组成，当被保护线路中的被探测参数超过设定值时能够发出报警信号、控制信号并能指示报警部位的系统。

　　(2)电气火灾监控探测器 。电气火灾监控探测器是指探测被保护线路中的剩余电流 、温度等电气火灾危险参数变化的探测器。

　　(3)电气火灾监控设备。电气火灾监控设备是指能接收来自电气火灾监控探测器的报警信号，并发出声、光报警信号和控制信号，指示报警部位记录并保存报警信息的装置。

　　本文针对国家标准设计的高灵敏度智能型电气火灾监控探测器，可以实现剩余电流式和测温式两种探测器的所有功能满足GB14287. 2 2005 国家标准，内量高性能的MCU微处理器，性能可靠、功能强大、安装灵活、使用方便，大大降低了系统成本 。该智能型电气火灾监控探测器采用全数字处理技术，有效地减少了系统漏报、误报等情况发生。

　　1 系统组成及主要技术指标

　　电气火灾监控系统的主控上位机采用嵌入式操作控制系统配合电气火灾监控探测器、剩余电流探测器和带分励脱扣的断路器 ，通过RS-485总钱与主控机连接，组成一个完整的电气火灾监控系统如图1所示。主控机具有巡检、监控、声音报警、打即及查询系统等多种功能，形成智能化的管理。该系统采用集散控制方案，1台主控上位机可以监控512台电气火灾探测终端;同时，电气火灾监控探测器能够独立工作，可以通过系统终端现场查看用电的各项参数 。

　　根据GB14287-2005电气火灾监控系统的功能定义和要求，并立足于市场，考虑到客户需求，经过市场调研，提出了电气火灾监控系统 如下的基本功能：

　　(1)电气火灾监控系统由电气火灾监控设备和电气火灾监控探测器组成。电气火灾监控设备对探测器进行巡检，当被保护线路中的被探测量达到或者超过设定值时，能够发出报警信号。

　　(2)电气火灾探测器应能检测的状态有剩余电流、三相电流 、温度。

　　(3)电气火灾监控设备显示电气火灾探测器的参数有探测器的地址、剩余电流、三捆电流、温度。

　　(4) 电气火灾监控设备需要设置的参数有剩余电流的报警值、温度的报警值、探测器的地址和类型。

　　(5)电气火灾监控设备能够实时显示监控点的状态如通信正常或故障、报警类型、断电状态等。基于此，该智能型电气火灾监控探测器的功能要求如下：

　　(1)可作为独立式电气火灾监控探测器使用，可以独立使用，也可以与监控设备进行联网。 其本身具有独立的声光报警输出信号，满足剩余电流和测温两种信号的监测功能。

　　(2)可同时检测多路剩余电流的测量数据和温度测量数据。

　　(3)采用电子编码方式，可通过编码器读/写探测器地址，每个地址的报警阈值连续可设。

　　(4)内置MCU微处理器，工作可靠，误报率低，抗干扰能力强。

　　电气火灾监控探测器主要技术指标如表1所示。

　　2 剩余电流检测

　　2.1 剩余电流检测原理

　　剩余电流探测器采用零序电流互感器,主电路导线穿越其中作为初级绕,次级绕组则均匀对称地将漆包线绕在铁芯上。当被保护电路无漏电故障时，由基尔霍夫电流定律可知，在正常情况下通过零序电流互感器的一次绕组电流的相量和恒等于0，即使三相负载不对称，也同样满足。因此，零序电流互感器的二次绕组没有感应电动势产生，漏电保护电器不动作 ，系统保持正常供电。 一旦被保护电路或设备出现漏电故障或人身触电时，将产生漏电电流(也称剩余电流)，使通过零序电流互感器的一次绕组的各相电流的相量和不再恒定为0，即i为漏电电流，如图2所示。

　　在零序电流互J感器的环状铁芯上将有励磁磁动势产生，所产生的磁通的相量和也不再恒等于0。因此，零序电流互感器的二次绕组在交变磁通的作用下产生了感应电动势，达到预定值时，使脱扣线圈通电，电路断开。零序电流互感器使用高性能的坡莫合金作为铁心的磁性材料 ， 其输出电压在一定范围内有良好的线性，便于进 行数字处理。

　　2.2 剩余电流检测电路设计

　　交流信号调理电路图如图3所示。

　　u 为互感器输出电压，U为调理电路的输出电压。该电压作为单片机 A/D 来样的输入，

　　式中 Ua:单片机的供电电压，选用 5V

　　具体实测的波形中互感器的输出电压与剩余电流呈线性关系，是正弦信号;而调理电路的输出电压先经过放大， 再由25V电压进行叠加，电压信号都大于OV。因而，CPU就可对该电压信号进行实时采样。

　　2.3 交流信号采样算法

　　剩余电流探测器把剩余电流信号变成对应的正弦电压信号，再采用均方根算法求出其有效值。该算法已经考虑谐波分量在有效值中的成分，计算公式如下：

　　式中U电压有效值

　　U, (n) 输入电压等间隔采样值

　　精度与采样点数N和采样的同步度有关，在系统边度允许的情况下，可以增加来样点数以提高运算精度，一般每周波可采样几百点。该算法实时性好、算法简单，能够计算信号中高次谐波的影响。因此，选用该算法来测量剩余电梳信号。

　　3 温度检测

　　温度传感器选用PtlO0， 又称为铀电阻、热电阻，是一种温度传感器， 0 时电阻值为 100，电阻变化率为 0.3851。采用不锈钢外亮封装，尺寸小巧，适用于精密仪器、恒温设备、流体管道等温度的测量，非常经济、实用。铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区(-200～400)*常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计。

　　图 4为温度检测调理电路，端子CON外接铂电阻 PtlO0， 当被测电路的温度为 0～150 时，该铂电阻的阻值在100～157. 7 之间线性变化，经过阻值为3920 的上拉电阻后，得出相应的电压信号，再经过运放电路将信号放大后给单片机的 A/D模块进行电压采样。

　　假设当时被测温度为T ，则此时铂电阻的阻值为

　　Rpt100 = 100+ 0.385 lT (3)

　　则 A/D模块接收的电压信号大小为

　　Uadc = UccRpt100 /(Rpt100 + 3 920) (R2/R1 + 1)(4)

　　4 控制单元的硬件设计

　　单片机*小控制单元结构框图如图5所示。它主要包括CPU、键盘显示单元、时钟单元等几个功能模块。

　　4.1 CPU

　　MCU微处理器果用 Atnel公司的AVR单片机ATmega16，它是基于增强的 AVR RISC结构的低功耗 8 bit CMOS微控制器，具有如下特点：16KB的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力.即 RWW )，512 ByteE PROM. 1 KB SRAM, 32个通用 I/O 口线.32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程 ，3个具有比较模式的灵活的定时器/计数器 (T/C),USART, 8路 10 bitADG 具有片内振荡器的可编程看门狗定时器. 1个 SPI串行端口，以及6个可以通过软件进行选择的省电模式。

　　4.2 键盘显示单元

　　( 1)键盘键。功能有类型键、 +/-键、移位、确定、消音、复位键等。

　　( 2)显示单元。LCM045为 4 bit 多功能通用型8段式液晶显示模块。内含着门狗(WDT)/时钟发生器、两种频率的蜂鸣驱动电路，内置显示RAM, 可显示任意字段笔划， 34线串行接口，可与任何单片机、IC接口，低功耗特性：显示状态电流为 50 A (典型值)，省电模式电流 < 1 A，工作电压为 24～52 v。

　　4.3 时钟单元

　　实时时钟采用美国 Dalhs公司的低功耗串行通信接口专用芯片 DS1302， 采用3线串行方式与单片机通信。片内有 31 Byte静态 RAM, 日历时钟可自动进行闰年补偿。采用实时时钟实现日历功能，在运行或记录时实时显示时钟信息。

　　5 探测器的软件设计

　　监控探测器的软件程序包括主程序、按键中断服务子程序、交流信号采样模块程序、故障处理程序、显示程序、实时时钟程序和通信程序等。

　　系统上电后，首先对单片机的内部硬件资源 进行初始化.而后将设置参数从单片机内置的E2PRQ中读取出来。设置参数主要有探测器地址、剩余电流报警值、温度报警值等信息。这些设置参数可以通过按键中断服务子程序或总线通信进行配置。而后，系统分别对多路剩余电流信号和多路温度信号进行实时采样，如果信号超过报警值，则进入故障处理子程序，进行声光报警，并读取该故障发生时的时间，将这些故障信息保存至E2PORM中， 以便以后进行查询。 主程序流程如图 6所示。

　　6 结语

　　本文设计的智能型电气火灾监控探测器，采用实时的交流采样算法对剩余电流进行信号处理，检测精度高，减少了系统漏报误报等情况;同时，可以消防接入，能有效地监控漏电引起的电气火灾，实测的主要技术指标达到预期目的，为预防电气火灾的发生提供了进一步的保障。