基于PIC16F1827的改進(jìn)型二總線電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器的設(shè)計(jì)

賈永青, 陶志林, 龍 川, 楊 帆

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

0 引 言

根據(jù)我國(guó)近幾年的火災(zāi)統(tǒng)計(jì),電氣火災(zāi)年均發(fā)生次數(shù)占火災(zāi)年均總發(fā)生次數(shù)的30%左右,居各火災(zāi)原因之首位。因此,實(shí)時(shí)監(jiān)控配電系統(tǒng)的剩余電流,及時(shí)從源頭發(fā)現(xiàn)電氣故障,并發(fā)出聲光報(bào)警提醒值班人員及時(shí)檢修的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)尤為重要[1-3]。理論上,電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器安裝位置越接近故障點(diǎn),越能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并定位到故障位置。一棟高層建筑的電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng),需要配置上百個(gè)探測(cè)器,所以低功耗、布局靈活、高可靠性、高性價(jià)比成為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)關(guān)鍵[4-7]。

本文設(shè)計(jì)了一種基于PIC16F1827的改進(jìn)型二總線電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)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(jī)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(qiáng)大的PIC16F1827單片機(jī)作為主芯片,電源均由上位機(jī)提供5 V直流電源,選用1.843 2 MHz的外部晶振,定時(shí)完成單路剩余電流的采樣計(jì)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(jī)通過(guò)二總線定時(shí)輪詢本機(jī)采樣得到的剩余電流值及相關(guān)狀態(tài)(互感器斷線、剩余電流超限、通信故障),各狀態(tài)通過(guò)LED指示燈反饋給用戶。中斷按鈕用于完成復(fù)位操作。

2 PIC16F1827單片機(jī)特點(diǎn)

系統(tǒng)采用的PIC16F1827單片機(jī)具有如下特點(diǎn)。

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

(3) 靈活的振蕩器結(jié)構(gòu):32 MHz高精度內(nèi)部振蕩器模塊,3種外部時(shí)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(shí)的典型工作電流為75 μA,休眠模式時(shí)電流為30 nA,看門狗定時(shí)器為500 nA;具備增強(qiáng)型低電壓編程和節(jié)能休眠模式。

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

(5) 15個(gè)I/O引腳和1個(gè)僅用作輸入的引腳;最多支持3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器;最多支持2個(gè)捕捉/比較/PWM模塊;最多2個(gè)增強(qiáng)型CCP模塊;最多2個(gè)支持SPI和I2C的主同步串行端口;增強(qiáng)型通用同步/異步收發(fā)器。

(6) 2個(gè)軌到軌模擬比較器。

(7) 包含看門狗定時(shí)器模塊。

該芯片功能強(qiáng)大,完全滿足電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器的資源需求;具有超低功耗,一路電源線可承擔(dān)上百個(gè)探測(cè)器;2個(gè)軌到軌模擬比較器,用來(lái)識(shí)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(shí)現(xiàn)

基于二總線的電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器,主要功能分為剩余電流采樣、計(jì)算、判斷,狀態(tài)指示,與上位機(jī)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(shí)采樣運(yùn)算,CPU判定是否斷線、超限,并點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈。上位機(jī)定時(shí)輪詢讀取探測(cè)器的狀態(tài)及剩余電流值并集中顯示。另外,上位機(jī)還能通過(guò)二總線完成對(duì)探測(cè)器的復(fù)位、報(bào)警值設(shè)定和地址設(shè)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(shí)現(xiàn)

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(shù)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(jì)學(xué)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(diǎn),ADC0接入單片機(jī)的模擬量輸入口完成轉(zhuǎn)換,正常情況下,當(dāng)互感器上有電流,會(huì)在R19上產(chǎn)生電壓降,ADC0上有對(duì)應(yīng)的電壓值。CT1用來(lái)定時(shí)發(fā)送高電平檢測(cè)互感器是否正常連接,當(dāng)剩余電流互感器連接正常時(shí),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(shí)現(xiàn)

剩余電流的采樣是利用功率有效值來(lái)代替,每3 ms進(jìn)行一次采樣,20組為一個(gè)采樣周期,計(jì)算方均根,即可反應(yīng)3個(gè)工頻周期內(nèi)的剩余電流值。

3.2 通信電路

3.2.1 硬件實(shí)現(xiàn)

通信電路如圖5所示。MBUS1和MBUS2為二總線接口,沒有信號(hào)時(shí),MBUS1為高電平,MBUS2為低電平;探測(cè)器對(duì)外發(fā)信號(hào)時(shí),由單片機(jī)通過(guò)TX完成高低電平的輸出,當(dāng)TX為高時(shí),VT1導(dǎo)通,將MBUS1拉低,而當(dāng)TX為低時(shí),MBUS1回歸高電平。

無(wú)信號(hào)接收時(shí),比較器的兩個(gè)輸入點(diǎn)C1IN+略高于C1IN-,比較器輸出為正,探測(cè)器接收信號(hào)時(shí),若MBUS1上有低電平,C1IN+將被拉低,比較器輸出為負(fù),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(shí)現(xiàn)

通信過(guò)程中主要利用單片機(jī)內(nèi)部的串口資源,探測(cè)器一直處在待接收狀態(tài),若接收到的信息顯示上位機(jī)輪詢的機(jī)號(hào)與本機(jī)的地址碼一致,則發(fā)送一串?dāng)?shù)據(jù),包含剩余電流值、斷線、超限狀態(tài)等信息,發(fā)送過(guò)程中停止接收[10-12]。

4 試驗(yàn)結(jié)果

基于PIC的改進(jìn)型二總線電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器在完成設(shè)計(jì)和樣品試制后,與上位機(jī)一起送國(guó)家消防電子產(chǎn)品監(jiān)督檢驗(yàn)中心做型式試驗(yàn)。一個(gè)上位機(jī)連接128個(gè)探測(cè)器,100 m測(cè)距,參數(shù)讀寫和顯示正常,狀態(tài)指示正常,并且順利通過(guò)了GB 14287.2—2014標(biāo)準(zhǔn)第5.14條要求的電磁兼容試驗(yàn),包括射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)、射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗(yàn)、靜電放電抗擾度試驗(yàn)、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)、電涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn)、電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化的抗擾度試驗(yàn)、工頻磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)。硬件電路板如圖6所示。完整的探測(cè)器組件如圖7所示。

圖6 硬件電路板

圖7 完整的探測(cè)器組件

5 結(jié) 語(yǔ)

基于PIC16F1827的改進(jìn)型二總線電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器不僅滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和型式試驗(yàn)要求,而且功耗低、接線靈活,適用各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),極大地提高探測(cè)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(chǎn)品已經(jīng)成功投產(chǎn),并且具有一定的市場(chǎng)占有率。