嵌入式電氣火災監控探測器設計與應用

刁金霞　胡海東

摘 要

本文從電氣火災監控系統的實際價值和意義出發，介紹了嵌入式電氣火災監控探測器的設計過程和具體注意事項。電氣火災監控探測器的設計滿足國標要求，使用過程中能夠預防電氣火災事故的發生，對人民生命和財產安全起到防患于未然的保障作用。

【關鍵詞】電氣火災監控系統 剩余電流 嵌入式 監控探測器

1 概述

近年來，電氣火災已成為火災的主要來源，且呈現居高不下、逐年增高的趨勢。安裝電氣火災監控系統不僅是小區智能化物業管理必備的監控系統，而且最主要的是能夠有效的預防和減少電氣火災發生。電氣火災監控系統采用電子式剩余電流保護器動作原理，能夠及時檢測出漏電流大小并進行報警和遠程操作。

2 嵌入式電氣火災監控探測器的設計思路

電氣火災監控系統的核心設備是處于檢測前端的電氣火災監控探測器（簡稱監控探測器），監控探測器采用嵌入式技術實現對現場的電壓、電流及溫升的監控。當電壓、電流的變化以及溫升超過設定值，監控探測器就向上位機發送現場參數信號和報警信息，而且可以遠程操控和現場手動動作斷電以保障人們的生命和財產安全。

3 電氣火災監控探測器硬件設計

電氣火災監控探測器簡稱監控探測器，監控探測器的硬件設計與開發主要包括硬件電路設計、PCB版圖設計以及抗干擾設計。

3.1 電氣火災監控探測器硬件設計

監控探測器由監控單元、斷路器、電流互感器以及零序電流互感器組成。監控單元由單片機系統實現控制管理功能，實現數據采集、數據處理、與上位機通訊等功能，選擇高性能的單片機對系統的監測和控制的實時性提供可靠保障；剩余電流互感器用來實現漏電流檢測，將檢測到的漏電流信號傳送到單片機系統進行處理。斷路器實現當測量數據超出整定閾值就將電源斷開，避免火災的發生。

3.2 監控單元電路設計

3.2.1 CPU控制電路原理圖設計

復位電路采用上電復位，時鐘電路采用內部時鐘。P89V51芯片工作頻率可以達到40MHz，其工作速率高，對于實時性檢測遠遠夠用，在此讓其晶振頻率工作在11.0592MHz，和上位機串行通信的波特率較高、誤差最小，因而保證了系統監控時的穩定性和抗干擾能力。

存儲器擴展電路采用芯片CAT25020，屬于SPI串行CMOS EEPROM，容量為2KB。具有可靠的軟硬件自我保護能力。因此，在電路外擴展加上單獨的存儲器EEPROM，用來存儲重要的信息：報警地址、報警閾值和校正結果等各種參數。

3.2.2 PCB版圖設計

PCB在設計時除了要布局合理之外，還要考慮到布線原則：

（1）布線走向合理：對于輸入/輸出，交流/直流，強/弱信號，高頻/低頻，高壓/低壓等，它們的走向都盡量呈線形，不能相互交錯，目的是為了防止相互干擾。

（2）布線寬度要講究：電源布線一定要盡量寬，使之能夠承受線路板工作時的電流；高壓及高頻線應園滑，不能出現尖銳的倒角，拐彎也不采用直角。地線應盡量寬。 電流和導線的關系：

1A電流，需要導線的寬度約為40mils，銅箔厚度為50um，1mil=0.0254mm。

（3）盡量少使用過孔。

（4）焊盤尺寸設置：焊盤中心孔要比器件引線直徑稍大一些。

（5）數字電路與模擬電路的共地要處理好。

3.2.3 硬件電路抗干擾設計

根據抗干擾的設計原則，在電路設計中采用的抗干擾設計技術主要包括以下幾種：

（1）濾波技術

濾波技術是抑制干擾的一種有效措施，尤其是在對付開關電源EMI信號的傳導干擾和某些輻射干擾方面，具有明顯的效果。

（2）光電隔離技術

常用的光電耦合的隔離作用采用輸入信號隔離，用于單片機應用系統的前向通道，可防止由輸入信號帶來的干擾。

（3）接地技術。我們用到的地線有：模擬地、數字地、交流地和保護地。

（4）單片機的自動復位與電源的監測技術

單片機的自動復位是單片機抗干擾技術的一種重要方法。本監控探測器采用MAX813L構成的自動復位與電源監測電路。

另外，印制電路板的設計質量不僅直接影響到電子產品的可靠性，還關系到產品的穩定性，甚至是設計成敗的關鍵。

3.3 監控探測器軟件功能設計

監控器探測器軟件是嵌入到單片機芯片內部的單片機C51程序。軟件部分對檢測到的三相電壓、三相電流、漏電流、下位機工作狀態等信息，通過RS-485總線傳送給上位機進行顯示和監控；監控探測器可以單獨工作，也可以聯機工作，提高了監控系統可靠性。

在軟件編程中采用的軟件抗干擾技術主要包括：軟件冗余；軟件陷阱和軟件看門狗技術。

4 電氣火災監控探測器的應用

4.1 監控探測器的界面與操作

探測器的外觀設計要符合現場操作和遠程監控的設計要求。外殼設有手動調節開關，并能夠手動設定監控探測器系統自檢、時間設定、報警參數設定和本機地址設定，手動設定過程有權限設定并在外殼上鎖。另外，在選擇監控探測器型號時要注意剩余電流互感器的測量精度，它直接決定了監控控制系統的靈敏度。

4.2 設計與應用主要依據

電氣火災監控系統的設計與應用主要依據以下國家標準相關條文：

（1）GB 50045—1995《高層民用建筑設計防火規范》（2005）第 9.5.1 條規定：高層建筑內火災危險性大、人員密集等場所宜設置漏電火災報警系統。

（2）GB 50016—2006《建筑設計防火規范》第 11.2.7 條規定：影劇院、館所、倉庫、住宅小區、醫院、商店、學校等場所宜設置剩余電流動作電氣火災監控系統。

5 總結

監控探測器體積小，功能齊全，新舊小區都可以安裝。一般監控探測器安裝在配電柜中，而配電柜中有很多大電流的電器控制設備，在監控探測器的設計電路中采用了大量的抗干擾措施，并實現與上位機的聯網控制。電氣火災監控探測器通過了國家標準GB6829-1995剩余電流動作保護器的一般要求檢測，并滿足GB14287.1—2005電氣火災監控系統的要求。

參考文獻

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作者簡介

刁金霞（1976-）， 女，河北省故城縣人。工程碩士學位。現為廊坊職業技術學院電氣工程系講師。研究方向為自動控制與電工電子應用技術。

作者單位

廊坊職業技術學院 河北省廊坊市 065000endprint