基于PIC16F1827的改进型二总线电气火灾监控探测器的设计

2021-04-13贾永青陶志林

现代建筑电气 2021年3期

贾永青, 陶志林, 龙川, 杨帆

(1.湖南电器科学研究院有限公司, 湖南长沙 410009;2.湖南森源电气有限公司, 湖南长沙 410009)

0 引言

根据我国近几年的火灾统计,电气火灾年均发生次数占火灾年均总发生次数的30%左右,居各火灾原因之首位。因此,实时监控配电系统的剩余电流,及时从源头发现电气故障,并发出声光报警提醒值班人员及时检修的电气火灾监控系统尤为重要[1-3]。理论上,电气火灾监控探测器安装位置越接近故障点,越能及时发现并定位到故障位置。一栋高层建筑的电气火灾监控系统,需要配置上百个探测器,所以低功耗、布局灵活、高可靠性、高性价比成为产品的设计关键[4-7]。

本文设计了一种基于PIC16F1827的改进型二总线电气火灾监控探测器。

1 系统组成及工作原理

1.1 系统组成

系统主要由PIC单片机及外围电路组成,包括电流采样和二总线通信部分。硬件原理框图如图1所示。

图1 硬件原理框图

1.2 工作原理

系统采用低功耗、功能强大的PIC16F1827单片机作为主芯片,电源均由上位机提供5 V直流电源,选用1.843 2 MHz的外部晶振,定时完成单路剩余电流的采样计算[8-9]。比较器用于区分二总线通信的高低电平阈值,上位机通过二总线定时轮询本机采样得到的剩余电流值及相关状态(互感器断线、剩余电流超限、通信故障),各状态通过LED指示灯反馈给用户。中断按钮用于完成复位操作。

2 PIC16F1827单片机特点

系统采用的PIC16F1827单片机具有如下特点。

(1) 高性能精简指令集的中央处理器:优化的C编译架构,8 KB程序存储器、384 B SRAM,256 B E2PROM。

(3) 灵活的振荡器结构:32 MHz高精度内部振荡器模块,3种外部时钟模式,4倍锁相环。

(3) 超低功耗:工作电压为1.8～5.5 V;1 MHz、1.8 V时的典型工作电流为75 μA,休眠模式时电流为30 nA,看门狗定时器为500 nA;具备增强型低电压编程和节能休眠模式。

(4) 模/数和数/模转换功能:10位分辨率,12路休眠模式下也能进行转换的模拟量采样,完全满足采样需求。另外具有正负参考电压选择的5位轨到轨电阻式DAC。

(5) 15个I/O引脚和1个仅用作输入的引脚;最多支持3个定时/计数器;最多支持2个捕捉/比较/PWM模块;最多2个增强型CCP模块;最多2个支持SPI和I2C的主同步串行端口;增强型通用同步/异步收发器。

(6) 2个轨到轨模拟比较器。

(7) 包含看门狗定时器模块。

该芯片功能强大,完全满足电气火灾监控探测器的资源需求;具有超低功耗,一路电源线可承担上百个探测器;2个轨到轨模拟比较器,用来识别通信线路上的高低电平,并将比较器的输出作为串口的输入,大大提高通信的稳定性。

3 系统功能的实现

基于二总线的电气火灾监控探测器,主要功能分为剩余电流采样、计算、判断,状态指示,与上位机的二总线通信等部分。互感器采样得到的剩余电流值,由A/D模块定时采样运算,CPU判定是否断线、超限,并点亮相应的指示灯。上位机定时轮询读取探测器的状态及剩余电流值并集中显示。另外,上位机还能通过二总线完成对探测器的复位、报警值设定和地址设定等功能。主程序流程如图2所示。中断子程序流程如图3所示。

图2 主程序流程

图3 中断子程序流程

3.1 采样电路

3.1.1 硬件实现

2.1患者采取不同治疗方法后,予以常规治疗模式的常规组患者治疗有效率为72%,而予以手术治疗的观察组患者治疗有效率为92%,两组比较差异明显具有统计学意义(P<0.05),详情见表1。

采样电路如图4所示。ADIN1和ADIN2为互感器输入点,ADC0接入单片机的模拟量输入口完成转换,正常情况下,当互感器上有电流,会在R19上产生电压降,ADC0上有对应的电压值。CT1用来定时发送高电平检测互感器是否正常连接,当剩余电流互感器连接正常时,CT1发送高电平,采样值将由互感器采样电流决定,若互感器断线,则采样值恒为R19上1/11的分压。

图4 采样电路

3.1.2 软件实现

剩余电流的采样是利用功率有效值来代替,每3 ms进行一次采样,20组为一个采样周期,计算方均根,即可反应3个工频周期内的剩余电流值。

3.2 通信电路

3.2.1 硬件实现

通信电路如图5所示。MBUS1和MBUS2为二总线接口,没有信号时,MBUS1为高电平,MBUS2为低电平;探测器对外发信号时,由单片机通过TX完成高低电平的输出,当TX为高时,VT1导通,将MBUS1拉低,而当TX为低时,MBUS1回归高电平。

无信号接收时,比较器的两个输入点C1IN+略高于C1IN-,比较器输出为正,探测器接收信号时,若MBUS1上有低电平,C1IN+将被拉低,比较器输出为负,若MBUS1回归高电平,则比较器输出也为正。

图5 通信电路

3.2.2 软件实现

通信过程中主要利用单片机内部的串口资源,探测器一直处在待接收状态,若接收到的信息显示上位机轮询的机号与本机的地址码一致,则发送一串数据,包含剩余电流值、断线、超限状态等信息,发送过程中停止接收[10-12]。

4 试验结果

基于PIC的改进型二总线电气火灾监控探测器在完成设计和样品试制后,与上位机一起送国家消防电子产品监督检验中心做型式试验。一个上位机连接128个探测器,100 m测距,参数读写和显示正常,状态指示正常,并且顺利通过了GB 14287.2—2014标准第5.14条要求的电磁兼容试验,包括射频电磁场辐射抗扰度试验、射频场感应的传导骚扰抗扰度试验、静电放电抗扰度试验、电快速瞬变脉冲群抗扰度试验、电涌(冲击)抗扰度试验、电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰度试验、工频磁场抗扰度试验。硬件电路板如图6所示。完整的探测器组件如图7所示。