基于PIC16F1827的改進型二總線電氣火災監控探測器的設計

賈永青, 陶志林, 龍 川, 楊 帆

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

0 引 言

根據我國近幾年的火災統計,電氣火災年均發生次數占火災年均總發生次數的30%左右,居各火災原因之首位。因此,實時監控配電系統的剩余電流,及時從源頭發現電氣故障,并發出聲光報警提醒值班人員及時檢修的電氣火災監控系統尤為重要[1-3]。理論上,電氣火災監控探測器安裝位置越接近故障點,越能及時發現并定位到故障位置。一棟高層建筑的電氣火災監控系統,需要配置上百個探測器,所以低功耗、布局靈活、高可靠性、高性價比成為產品的設計關鍵[4-7]。

本文設計了一種基于PIC16F1827的改進型二總線電氣火災監控探測器。

1 系統組成及工作原理

1.1 系統組成

系統主要由PIC單片機及外圍電路組成,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

系統采用低功耗、功能強大的PIC16F1827單片機作為主芯片,電源均由上位機提供5 V直流電源,選用1.843 2 MHz的外部晶振,定時完成單路剩余電流的采樣計算[8-9]。比較器用于區分二總線通信的高低電平閾值,上位機通過二總線定時輪詢本機采樣得到的剩余電流值及相關狀態(互感器斷線、剩余電流超限、通信故障),各狀態通過LED指示燈反饋給用戶。中斷按鈕用于完成復位操作。

2 PIC16F1827單片機特點

系統采用的PIC16F1827單片機具有如下特點。

(1) 高性能精簡指令集的中央處理器:優化的C編譯架構,8 KB程序存儲器、384 B SRAM,256 B E2PROM。

(3) 靈活的振蕩器結構:32 MHz高精度內部振蕩器模塊,3種外部時鐘模式,4倍鎖相環。

(3) 超低功耗:工作電壓為1.8～5.5 V;1 MHz、1.8 V時的典型工作電流為75 μA,休眠模式時電流為30 nA,看門狗定時器為500 nA;具備增強型低電壓編程和節能休眠模式。

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

(5) 15個I/O引腳和1個僅用作輸入的引腳;最多支持3個定時/計數器;最多支持2個捕捉/比較/PWM模塊;最多2個增強型CCP模塊;最多2個支持SPI和I2C的主同步串行端口;增強型通用同步/異步收發器。

(6) 2個軌到軌模擬比較器。

(7) 包含看門狗定時器模塊。

該芯片功能強大,完全滿足電氣火災監控探測器的資源需求;具有超低功耗,一路電源線可承擔上百個探測器;2個軌到軌模擬比較器,用來識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,大大提高通信的穩定性。

3 系統功能的實現

基于二總線的電氣火災監控探測器,主要功能分為剩余電流采樣、計算、判斷,狀態指示,與上位機的二總線通信等部分。互感器采樣得到的剩余電流值,由A/D模塊定時采樣運算,CPU判定是否斷線、超限,并點亮相應的指示燈。上位機定時輪詢讀取探測器的狀態及剩余電流值并集中顯示。另外,上位機還能通過二總線完成對探測器的復位、報警值設定和地址設定等功能。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 硬件實現

2.1患者采取不同治療方法后,予以常規治療模式的常規組患者治療有效率為72%,而予以手術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計學意義(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,ADC0接入單片機的模擬量輸入口完成轉換,正常情況下,當互感器上有電流,會在R19上產生電壓降,ADC0上有對應的電壓值。CT1用來定時發送高電平檢測互感器是否正常連接,當剩余電流互感器連接正常時,CT1發送高電平,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 軟件實現

剩余電流的采樣是利用功率有效值來代替,每3 ms進行一次采樣,20組為一個采樣周期,計算方均根,即可反應3個工頻周期內的剩余電流值。

3.2 通信電路

3.2.1 硬件實現

通信電路如圖5所示。MBUS1和MBUS2為二總線接口,沒有信號時,MBUS1為高電平,MBUS2為低電平;探測器對外發信號時,由單片機通過TX完成高低電平的輸出,當TX為高時,VT1導通,將MBUS1拉低,而當TX為低時,MBUS1回歸高電平。

無信號接收時,比較器的兩個輸入點C1IN+略高于C1IN-,比較器輸出為正,探測器接收信號時,若MBUS1上有低電平,C1IN+將被拉低,比較器輸出為負,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 軟件實現

通信過程中主要利用單片機內部的串口資源,探測器一直處在待接收狀態,若接收到的信息顯示上位機輪詢的機號與本機的地址碼一致,則發送一串數據,包含剩余電流值、斷線、超限狀態等信息,發送過程中停止接收[10-12]。

4 試驗結果

基于PIC的改進型二總線電氣火災監控探測器在完成設計和樣品試制后,與上位機一起送國家消防電子產品監督檢驗中心做型式試驗。一個上位機連接128個探測器,100 m測距,參數讀寫和顯示正常,狀態指示正常,并且順利通過了GB 14287.2—2014標準第5.14條要求的電磁兼容試驗,包括射頻電磁場輻射抗擾度試驗、射頻場感應的傳導騷擾抗擾度試驗、靜電放電抗擾度試驗、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗、電涌(沖擊)抗擾度試驗、電壓暫降、短時中斷和電壓變化的抗擾度試驗、工頻磁場抗擾度試驗。硬件電路板如圖6所示。完整的探測器組件如圖7所示。

圖6 硬件電路板

圖7 完整的探測器組件

5 結 語

基于PIC16F1827的改進型二總線電氣火災監控探測器不僅滿足國家標準和型式試驗要求,而且功耗低、接線靈活,適用各種拓撲結構,極大地提高探測器的適用性和可靠性,為供配電安全提供有效保障。目前該產品已經成功投產,并且具有一定的市場占有率。