嵌入式电气火灾监控探测器设计与应用

刁金霞　胡海东

摘 要

本文从电气火灾监控系统的实际价值和意义出发，介绍了嵌入式电气火灾监控探测器的设计过程和具体注意事项。电气火灾监控探测器的设计满足国标要求，使用过程中能够预防电气火灾事故的发生，对人民生命和财产安全起到防患于未然的保障作用。

【关键词】电气火灾监控系统 剩余电流 嵌入式 监控探测器

1 概述

近年来，电气火灾已成为火灾的主要来源，且呈现居高不下、逐年增高的趋势。安装电气火灾监控系统不仅是小区智能化物业管理必备的监控系统，而且最主要的是能够有效的预防和减少电气火灾发生。电气火灾监控系统采用电子式剩余电流保护器动作原理，能够及时检测出漏电流大小并进行报警和远程操作。

2 嵌入式电气火灾监控探测器的设计思路

电气火灾监控系统的核心设备是处于检测前端的电气火灾监控探测器（简称监控探测器），监控探测器采用嵌入式技术实现对现场的电压、电流及温升的监控。当电压、电流的变化以及温升超过设定值，监控探测器就向上位机发送现场参数信号和报警信息，而且可以远程操控和现场手动动作断电以保障人们的生命和财产安全。

3 电气火灾监控探测器硬件设计

电气火灾监控探测器简称监控探测器，监控探测器的硬件设计与开发主要包括硬件电路设计、PCB版图设计以及抗干扰设计。

3.1 电气火灾监控探测器硬件设计

监控探测器由监控单元、断路器、电流互感器以及零序电流互感器组成。监控单元由单片机系统实现控制管理功能，实现数据采集、数据处理、与上位机通讯等功能，选择高性能的单片机对系统的监测和控制的实时性提供可靠保障；剩余电流互感器用来实现漏电流检测，将检测到的漏电流信号传送到单片机系统进行处理。断路器实现当测量数据超出整定阈值就将电源断开，避免火灾的发生。

3.2 监控单元电路设计

3.2.1 CPU控制电路原理图设计

复位电路采用上电复位，时钟电路采用内部时钟。P89V51芯片工作频率可以达到40MHz，其工作速率高，对于实时性检测远远够用，在此让其晶振频率工作在11.0592MHz，和上位机串行通信的波特率较高、误差最小，因而保证了系统监控时的稳定性和抗干扰能力。

存储器扩展电路采用芯片CAT25020，属于SPI串行CMOS EEPROM，容量为2KB。具有可靠的软硬件自我保护能力。因此，在电路外扩展加上单独的存储器EEPROM，用来存储重要的信息：报警地址、报警阈值和校正结果等各种参数。

3.2.2 PCB版图设计

PCB在设计时除了要布局合理之外，还要考虑到布线原则：

（1）布线走向合理：对于输入/输出，交流/直流，强/弱信号，高频/低频，高压/低压等，它们的走向都尽量呈线形，不能相互交错，目的是为了防止相互干扰。

（2）布线宽度要讲究：电源布线一定要尽量宽，使之能够承受线路板工作时的电流；高压及高频线应园滑，不能出现尖锐的倒角，拐弯也不采用直角。地线应尽量宽。 电流和导线的关系：

1A电流，需要导线的宽度约为40mils，铜箔厚度为50um，1mil=0.0254mm。

（3）尽量少使用过孔。

（4）焊盘尺寸设置：焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。

（5）数字电路与模拟电路的共地要处理好。

3.2.3 硬件电路抗干扰设计

根据抗干扰的设计原则，在电路设计中采用的抗干扰设计技术主要包括以下几种：

（1）滤波技术

滤波技术是抑制干扰的一种有效措施，尤其是在对付开关电源EMI信号的传导干扰和某些辐射干扰方面，具有明显的效果。

（2）光电隔离技术

常用的光电耦合的隔离作用采用输入信号隔离，用于单片机应用系统的前向通道，可防止由输入信号带来的干扰。

（3）接地技术。我们用到的地线有：模拟地、数字地、交流地和保护地。

（4）单片机的自动复位与电源的监测技术

单片机的自动复位是单片机抗干扰技术的一种重要方法。本监控探测器采用MAX813L构成的自动复位与电源监测电路。

另外，印制电路板的设计质量不仅直接影响到电子产品的可靠性，还关系到产品的稳定性，甚至是设计成败的关键。

3.3 监控探测器软件功能设计

监控器探测器软件是嵌入到单片机芯片内部的单片机C51程序。软件部分对检测到的三相电压、三相电流、漏电流、下位机工作状态等信息，通过RS-485总线传送给上位机进行显示和监控；监控探测器可以单独工作，也可以联机工作，提高了监控系统可靠性。

在软件编程中采用的软件抗干扰技术主要包括：软件冗余；软件陷阱和软件看门狗技术。

4 电气火灾监控探测器的应用

4.1 监控探测器的界面与操作

探测器的外观设计要符合现场操作和远程监控的设计要求。外壳设有手动调节开关，并能够手动设定监控探测器系统自检、时间设定、报警参数设定和本机地址设定，手动设定过程有权限设定并在外壳上锁。另外，在选择监控探测器型号时要注意剩余电流互感器的测量精度，它直接决定了监控控制系统的灵敏度。

4.2 设计与应用主要依据

电气火灾监控系统的设计与应用主要依据以下国家标准相关条文：

（1）GB 50045—1995《高层民用建筑设计防火规范》（2005）第 9.5.1 条规定：高层建筑内火灾危险性大、人员密集等场所宜设置漏电火灾报警系统。

（2）GB 50016—2006《建筑设计防火规范》第 11.2.7 条规定：影剧院、馆所、仓库、住宅小区、医院、商店、学校等场所宜设置剩余电流动作电气火灾监控系统。

5 总结

监控探测器体积小，功能齐全，新旧小区都可以安装。一般监控探测器安装在配电柜中，而配电柜中有很多大电流的电器控制设备，在监控探测器的设计电路中采用了大量的抗干扰措施，并实现与上位机的联网控制。电气火灾监控探测器通过了国家标准GB6829-1995剩余电流动作保护器的一般要求检测，并满足GB14287.1—2005电气火灾监控系统的要求。

参考文献

[1]杨在塘.电气防火工程[M].北京：中国建筑工业出版社，1997：1-30.

[2]李家贤，纪贤宝.剩余电流保护系统及运行管理[M].北京：中国水利水电出版社，2003：1-55.

[3]李媛."电气火灾漏电探测报警系统"保障建筑与人身安全[N].建筑时报，2007.

作者简介

刁金霞（1976-）， 女，河北省故城县人。工程硕士学位。现为廊坊职业技术学院电气工程系讲师。研究方向为自动控制与电工电子应用技术。

作者单位

廊坊职业技术学院 河北省廊坊市 065000endprint