漏電火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器

　　近年來(lái)電氣火災(zāi)居高不下，為了遏制電氣火災(zāi)的上升勢(shì)頭，政府有關(guān)部門相繼制訂或修改了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，要求在建筑中設(shè)置漏電火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。

　　GB 13955-2005《剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置的安裝和運(yùn)行》中對(duì)漏電火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的定義是：剩余電流動(dòng)作電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)指的是用監(jiān)測(cè)剩余電流的互感器、剩余電流探測(cè)器、報(bào)警器或控制器構(gòu)成的電氣火災(zāi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并實(shí)施報(bào)警或切斷電源的裝置。

　　已于2006年6月1日實(shí)施的GB 14287-2005《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》新標(biāo)準(zhǔn)將“防火漏電電流動(dòng)作報(bào)警器”更名為“電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)”，并細(xì)分為3部分，第1部分：電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備;第2部分：剩余電流式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器;第3部分：測(cè)溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器。相關(guān)定義如下：

　　(1)電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)：當(dāng)被保護(hù)線路中的被探測(cè)參數(shù)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，能夠發(fā)出報(bào)警信號(hào)、控制信號(hào)并能指示報(bào)警部位的系統(tǒng)，它由電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備、電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器組成。

　　(2)電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器：探測(cè)被保護(hù)線路中的剩余電流、溫度等電氣火災(zāi)危險(xiǎn)參數(shù)變化的探測(cè)器。

　　(3)電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備：能接收來(lái)自電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器的報(bào)警信號(hào)，能發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)和控制信號(hào)，指示報(bào)警部位，記錄并保存報(bào)警信息的裝置。

　　本文針對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了防火漏電探測(cè)器，采用51核心單片機(jī)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)多路三相交流電漏電電流的采樣，以及對(duì)相應(yīng)故障進(jìn)行脫扣控制實(shí)施保護(hù)。文中從硬件和軟件設(shè)計(jì)兩部分來(lái)說(shuō)明防火漏電探測(cè)器的設(shè)計(jì)。

　　1 總體設(shè)計(jì)

　　1.1 系統(tǒng)組成

　　防火漏電報(bào)警系統(tǒng)由一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為主控上位機(jī)，配合防火漏電報(bào)警系統(tǒng)終端、剩余電流探測(cè)器和若干帶分勵(lì)脫扣功能的斷路器，通過(guò)二總線連接到主控上位機(jī)，通過(guò)應(yīng)用軟件組成一個(gè)完整的防火漏電報(bào)警系統(tǒng)，如圖1所示。主控機(jī)具有巡檢、監(jiān)控、聲音報(bào)警、打印及查詢系統(tǒng)等多種功能，完成智能化的管理。該系統(tǒng)采用集散控制方案，一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)可以監(jiān)控512臺(tái)防火漏電系統(tǒng)終端;防火漏電系統(tǒng)終端能夠獨(dú)立工作，可以通過(guò)系統(tǒng)終端現(xiàn)場(chǎng)查看用電的各項(xiàng)參數(shù)。

　　1.2 漏電檢測(cè)原理

　　剩余電流探測(cè)器采用零序電流互感器(ZCT)， 鐵芯是環(huán)狀的，主電路導(dǎo)線穿越其中或在其上繞幾圈作為一次繞組，二次繞組則用漆包線均勻而對(duì)稱地繞在鐵芯上。當(dāng)被保護(hù)電路無(wú)漏電故障時(shí)，由基爾霍夫電流定律可知，在正常情況下通過(guò)零序電流互感器的一次繞組電流的相量和恒等于零，即：

　　即使三相負(fù)載不對(duì)稱，上式也同樣滿足。這樣，各相線工作電流在零序電流互感器環(huán)狀鐵芯中所產(chǎn)生的磁通相量和也恒等于零。因而，零序電流互感器的二次繞組沒(méi)有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，漏電保護(hù)電器不動(dòng)作，系統(tǒng)保持正常供電。一旦被保護(hù)電路或設(shè)備出現(xiàn)漏電故障或有人觸電時(shí)，將產(chǎn)生漏電電流(也稱剩余電流)，使得通過(guò)零序電流互感器的一次繞組的各相電流的相量和不再恒定為零，即：

　　I A即為漏電電流。由此，在零序電流互感器的環(huán)狀鐵芯上將有勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，所產(chǎn)生的磁通的相量和也不再恒定等于零。

　　因此，零序電流互感器的二次繞組在交變磁通5 Wb的作用下，產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E A，當(dāng)達(dá)到預(yù)定值時(shí)，使脫扣線圈通電，電路斷開(kāi)。零序電流互感器使用高性能的坡莫合金作為鐵芯的磁性材料，其輸出電壓在一定范圍內(nèi)有良好的線性，很便于計(jì)算機(jī)處理。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　剩余電流探測(cè)器由A/D采樣、脫扣控制、聲光報(bào)警、鍵盤及液晶顯示、外部EEPROM、RS485總線和時(shí)鐘/日歷發(fā)生器等部分構(gòu)成，功能框圖如圖2所示。

　　2.1 信號(hào)傳感器

　　本系統(tǒng)不但對(duì)剩余電流信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控還應(yīng)對(duì)煙霧、溫度、氣體信號(hào)進(jìn)行采集。本系統(tǒng)就火災(zāi)監(jiān)測(cè)的目標(biāo)而選用以下傳感器：

　　(1)氣體傳感器?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)一般伴有有毒有害氣體的釋放，這是物品燃燒的第一信息。如果是在存有有毒有害物品的場(chǎng)所，有毒有害氣體的泄漏爆炸是引起火災(zāi)的重要原因，因此選用廣譜的氣體傳感器是非常必要的。廣譜型半導(dǎo)體氣體傳感器對(duì)可燃?xì)怏w、煙霧等均有較高的靈敏度。

　　(2)煙霧傳感器。這種傳感器是通常的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)首選的傳感器。大多數(shù)的火災(zāi)發(fā)生時(shí)，首先出現(xiàn)的物理現(xiàn)象是產(chǎn)生了煙霧，這是火災(zāi)發(fā)生的重要信息。煙霧傳感器采用紅外光電衰減式，并且設(shè)計(jì)為差分輸出信號(hào)，有效地消除了外界雜散光的干擾。

　　(3)溫度傳感器。溫度的變化也是探測(cè)火災(zāi)的重要的物理信息，它可以提供兩方面的信息，一是現(xiàn)場(chǎng)的絕對(duì)溫度值，二是溫度變化的速率。溫度傳感器采用鉑電阻溫度傳感器。這3種傳感器的選用基本上可以實(shí)現(xiàn)火災(zāi)發(fā)生時(shí)的全源信息的采集，從不同角度對(duì)環(huán)境的態(tài)勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，最大限度地消除信息的模糊不確定性。

　　2.2 單片機(jī)及外圍電路

　　單片機(jī)采用的是PLCC44封裝的STC89LE516AD， 該系列單片機(jī)是新一代超強(qiáng)抗干擾、低功耗、對(duì)外界的電磁輻射少、高速的單片機(jī)，它的指令集完全兼容傳統(tǒng)的51單片機(jī)，自帶看門狗功能。

　　1)內(nèi)置ISP監(jiān)控程序，64 KB閃存，512字節(jié)SRAM。

　　2)能滿足高速運(yùn)算，外部時(shí)鐘0～90 MHz，工作電壓1.9～3.6 V。

　　3)增加P4口，P1口復(fù)用8位精度的高速A/D轉(zhuǎn)換功能，共8路，電壓輸入型。

　　4)雙數(shù)據(jù)指針，3個(gè)定時(shí)器。

　　由于在線的探測(cè)器要保存歷史記錄供查詢，所以采用24LC256擴(kuò)展存儲(chǔ)。

　　A/D信號(hào)調(diào)理電路電流采集系統(tǒng)中，采用精密電阻對(duì)8路剩余電流互感器的電流信號(hào)取樣放大并用分段函數(shù)線形校準(zhǔn)，然后采用精密整流電路將交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)，采用LM324運(yùn)放處理后輸入到單片機(jī)的A/D口，這是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之

　　一，電路圖如圖3所示。

　　考慮到單片機(jī)I/O口不夠用，所以采用了I2C總線來(lái)實(shí)現(xiàn)脫扣和鍵盤的控制。其中ZLG7290芯片可以實(shí)現(xiàn)I2C的64個(gè)鍵盤接口和8個(gè)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)。在本設(shè)計(jì)中用到16個(gè)按鍵以及8個(gè)脫扣控制，如圖4所示。

由于驅(qū)動(dòng)不夠所以用到了兩塊ULN2003A達(dá)林頓管提高驅(qū)動(dòng)能力，高低電平控制繼電器HK4100-12V的通斷，從而控制帶分勵(lì)的斷路器，脫扣可選項(xiàng)。為了防止干擾在ULN2003A前采用兩塊TPL521-4芯片做電源隔離，同時(shí)為保證I2C通信準(zhǔn)確，防止誤動(dòng)作，在PCB布局時(shí)將ZLG7290靠近MCU，如圖5所示。

　　實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用的是美國(guó)DALLAS公司推出的低功耗串行通信接口專用芯片DS1302，采用3線串行方式與單片機(jī)通信。片內(nèi)有31字節(jié)的靜態(tài)RAM，日歷時(shí)鐘可自動(dòng)進(jìn)行閏年補(bǔ)償。實(shí)時(shí)時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)日歷功能，在運(yùn)行或記錄時(shí)實(shí)時(shí)顯示時(shí)鐘信息。LCM模塊采用串口模式帶中文字庫(kù)的RTL12864-S芯片，實(shí)現(xiàn)操作可視化和顯示實(shí)時(shí)化，如圖6、圖7所示。

　　通信接口采用LTC485芯片和6N137芯片做隔離，保證通信的穩(wěn)定可靠，如圖8所示。

　　RS485總線型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接。數(shù)據(jù)傳輸采用主從站的方式，主機(jī)為PC機(jī)，從機(jī)為探測(cè)器單片機(jī)。每個(gè)從機(jī)擁有自己的固定地址，由主機(jī)控制完成網(wǎng)上的每一次通信。 R為平衡電阻，通常取為120Ω。

　　電源模塊將220 V交流電經(jīng)變壓器、整流濾波電路和LM7812/LM7805模塊完成交直流轉(zhuǎn)換，分別得到兩路隔離的電壓，提供給各個(gè)芯片和模擬控制電路，如圖9所示。探測(cè)器還具有煙霧傳感器、氣體傳感器、溫度傳感器和消防等多種接口及聲光報(bào)警功能。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　主程序流程圖如圖10所示。

　　軟件包括主程序、中斷程序、數(shù)據(jù)處理程序、按鍵判斷及閾值更新程序、A/D轉(zhuǎn)換延時(shí)程序、顯示程序、RS485通信程序、實(shí)時(shí)時(shí)鐘程序等。系統(tǒng)啟動(dòng)后自檢，經(jīng)過(guò)初始化，單片機(jī)設(shè)置8路參數(shù)、溫度報(bào)警值、漏電流報(bào)警值、電流互感器變比、報(bào)警與預(yù)警延時(shí)時(shí)間，然后每隔50 ms接收8路實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。程序開(kāi)始運(yùn)行時(shí)首先采集煙霧探測(cè)器信號(hào)和溫度探測(cè)器信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)與處理以后，通過(guò)當(dāng)前的結(jié)果可以判斷是否有火災(zāi)發(fā)生。如果能判斷起火，則輸出火警信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)繼電器，切斷電源。如果判斷溫度短時(shí)間內(nèi)異常升高或煙霧信號(hào)，電流信號(hào)到達(dá)異常值則發(fā)出預(yù)警信號(hào)， 并進(jìn)一步關(guān)注溫度和煙霧信號(hào)的變化趨勢(shì)，如果趨勢(shì)繼續(xù)升高則報(bào)警并作后續(xù)工作，否則取消報(bào)警。對(duì)于電流信號(hào)超出設(shè)定值20 s則認(rèn)為是故障信號(hào)。如果根據(jù)預(yù)處理后的信息不能夠明顯判斷出是否有火災(zāi)發(fā)生，則配合氣體探測(cè)器采集的信號(hào)，將氣體、煙霧、溫度探測(cè)器信號(hào)輸入模糊控制器進(jìn)行判斷。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　本設(shè)計(jì)的漏電火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器是校企的合作項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)最多8路的漏電檢測(cè)報(bào)警和獨(dú)立可選脫扣控制的功能，同時(shí)可以消防接入，能有效地監(jiān)控漏電引起的電氣火災(zāi)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)達(dá)到預(yù)期的目的，且采用模塊化設(shè)計(jì)易于升級(jí)，人機(jī)接口易于操作，價(jià)格成本低，易于市場(chǎng)化。