漏電火災(zāi)監(jiān)控探測器

　　近年來電氣火災(zāi)居高不下，為了遏制電氣火災(zāi)的上升勢頭，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《剩余電流動作保護(hù)裝置的安裝和運(yùn)行》中對漏電火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的定義是：剩余電流動作電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)指的是用監(jiān)測剩余電流的互感器、剩余電流探測器、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)控探測器;第3部分：測溫式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器。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)線路中的被探測參數(shù)超過設(shè)定值時(shí)，能夠發(fā)出報(bào)警信號、控制信號并能指示報(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)控探測器組成。

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

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

　　本文針對國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了防火漏電探測器，采用51核心單片機(jī)，主要實(shí)現(xiàn)對多路三相交流電漏電電流的采樣，以及對相應(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)兩部分來說明防火漏電探測器的設(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、剩余電流探測器和若干帶分勵脫扣功能的斷路器，通過二總線連接到主控上位機(jī)，通過應(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，一臺微型計(jì)算機(jī)可以監(jiān)控512臺防火漏電系統(tǒng)終端;防火漏電系統(tǒng)終端能夠獨(dú)立工作，可以通過系統(tǒng)終端現(xiàn)場查看用電的各項(xiàng)參數(shù)。

　　1.2 漏電檢測原理

　　剩余電流探測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稱地繞在鐵芯上。當(dāng)被保護(hù)電路無漏電故障時(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有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生，漏電保護(hù)電器不動作，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)狀鐵芯上將有勵磁磁動勢產(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)電動勢E A，當(dāng)達(dá)到預(yù)定值時(shí)，使脫扣線圈通電，電路斷開。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 信號傳感器

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

　　(1)氣體傳感器。火災(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，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)場的絕對溫度值，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，從不同角度對環(huán)境的態(tài)勢進(jìn)行監(jiān)測，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。

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

　　A/D信號調(diào)理電路電流采集系統(tǒng)中，采用精密電阻對8路剩余電流互感器的電流信號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轉(zhuǎn)換為直流電壓信號，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。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)動不夠所以用到了兩塊ULN2003A達(dá)林頓管提高驅(qū)動能力，高低電平控制繼電器HK4100-12V的通斷，從而控制帶分勵的斷路器，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)啟動后自檢，經(jīng)過初始化，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)。程序開始運(yùn)行時(shí)首先采集煙霧探測器信號和溫度探測器信號，經(jīng)過信號與處理以后，通過當(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，并驅(qū)動相應(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，電流信號到達(dá)異常值則發(fā)出預(yù)警信號， 并進(jìn)一步關(guān)注溫度和煙霧信號的變化趨勢，如果趨勢繼續(xù)升高則報(bào)警并作后續(xù)工作，否則取消報(bào)警。對于電流信號超出設(shè)定值20 s則認(rèn)為是故障信號。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，則配合氣體探測器采集的信號，將氣體、煙霧、溫度探測器信號輸入模糊控制器進(jìn)行判斷。

　　4 結(jié)語

　　本設(shè)計(jì)的漏電火災(zāi)監(jiān)控探測器是校企的合作項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)最多8路的漏電檢測報(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)檢測達(dá)到預(yù)期的目的，且采用模塊化設(shè)計(jì)易于升級，人機(jī)接口易于操作，價(jià)格成本低，易于市場化。