漏電火災監控探測器

　　漏電火災監控探測器

　　近年來(lái)電氣火災居高不下，為了遏制電氣火災的上升勢頭，政府有關(guān)部門(mén)相繼制訂或修改了有關(guān)標準規范，要求在建筑中設置漏電火災報警系統。

　　GB 13955-2005《剩余電流動(dòng)作保護裝置的安裝和運行》中對漏電火災報警系統的定義是：剩余電流動(dòng)作電氣火災監控系統指的是用監測剩余電流的互感器、剩余電流探測器、報警器或控制器構成的電氣火災實(shí)時(shí)監測并實(shí)施報警或切斷電源的裝置。

　　已于2006年6月1日實(shí)施的GB 14287-2005《電氣火災監控系統》新標準將“防火漏電電流動(dòng)作報警器”更名為“電氣火災監控系統”，并細分為3部分，第1部分：電氣火災監控設備;第2部分：剩余電流式電氣火災監控探測器;第3部分：測溫式電氣火災監控探測器。相關(guān)定義如下：

　　(1)電氣火災監控系統：當被保護線(xiàn)路中的被探測參數超過(guò)設定值時(shí)，能夠發(fā)出報警信號、控制信號并能指示報警部位的系統，它由電氣火災監控設備、電氣火災監控探測器組成。

　　(2)電氣火災監控探測器：探測被保護線(xiàn)路中的剩余電流、溫度等電氣火災危險參數變化的探測器。

　　(3)電氣火災監控設備：能接收來(lái)自電氣火災監控探測器的報警信號，能發(fā)出聲、光報警信號和控制信號，指示報警部位，記錄并保存報警信息的裝置。

　　本文針對國家標準設計了防火漏電探測器，采用51核心單片機，主要實(shí)現對多路三相交流電漏電電流的采樣，以及對相應故障進(jìn)行脫扣控制實(shí)施保護。文中從硬件和軟件設計兩部分來(lái)說(shuō)明防火漏電探測器的設計。

　　1 總體設計

　　1.1 系統組成

　　防火漏電報警系統由一臺計算機作為主控上位機，配合防火漏電報警系統終端、剩余電流探測器和若干帶分勵脫扣功能的斷路器，通過(guò)二總線(xiàn)連接到主控上位機，通過(guò)應用軟件組成一個(gè)完整的防火漏電報警系統，如圖1所示。主控機具有巡檢、監控、聲音報警、打印及查詢(xún)系統等多種功能，完成智能化的管理。該系統采用集散控制方案，一臺微型計算機可以監控512臺防火漏電系統終端;防火漏電系統終端能夠獨立工作，可以通過(guò)系統終端現場(chǎng)查看用電的各項參數。

　　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，主電路導線(xiàn)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(xiàn)均勻而對稱(chēng)地繞在鐵芯上。當被保護電路無(wú)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(guò)零序電流互感器的一次繞組電流的相量和恒等于零，即：

　　即使三相負載不對稱(chēng)，上式也同樣滿(mǎn)足。這樣，各相線(xiàn)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(méi)有感應電動(dòng)勢產(chǎn)生，漏電保護電器不動(dòng)作，系統保持正常供電。一旦被保護電路或設備出現漏電故障或有人觸電時(shí)，將產(chǎn)生漏電電流(也稱(chēng)剩余電流)，使得通過(guò)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(dòng)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)生了感應電動(dòng)勢E A，當達到預定值時(shí)，使脫扣線(xiàn)圈通電，電路斷開(kāi)。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有良好的線(xiàn)性，很便于計算機處理。

　　2 硬件設計

　　剩余電流探測器由A/D采樣、脫扣控制、聲光報警、鍵盤(pán)及液晶顯示、外部EEPROM、RS485總線(xiàn)和時(shí)鐘/日歷發(fā)生器等部分構成，功能框圖如圖2所示。

　　2.1 信號傳感器

　　本系統不但對剩余電流信號進(jìn)行監控還應對煙霧、溫度、氣體信號進(jìn)行采集。本系統就火災監測的目標而選用以下傳感器：

　　(1)氣體傳感器?；馂陌l(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(chǎng)所，有毒有害氣體的泄漏爆炸是引起火災的重要原因，因此選用廣譜的氣體傳感器是非常必要的。廣譜型半導體氣體傳感器對可燃氣體、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報警系統首選的傳感器。大多數的火災發(fā)生時(shí)，首先出現的物理現象是產(chǎn)生了煙霧，這是火災發(fā)生的重要信息。煙霧傳感器采用紅外光電衰減式，并且設計為差分輸出信號，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的重要的物理信息，它可以提供兩方面的信息，一是現場(chǎng)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)現火災發(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)行監測，最大限度地消除信息的模糊不確定性。

　　2.2 單片機及外圍電路

　　單片機采用的是PLCC44封裝的STC89LE516AD， 該系列單片機是新一代超強抗干擾、低功耗、對外界的電磁輻射少、高速的單片機，它的指令集完全兼容傳統的51單片機，自帶看門(mén)狗功能。

　　1)內置ISP監控程序，64 KB閃存，512字節SRAM。

　　2)能滿(mǎn)足高速運算，外部時(shí)鐘0～90 MHz，工作電壓1.9～3.6 V。

　　3)增加P4口，P1口復用8位精度的高速A/D轉換功能，共8路，電壓輸入型。

　　4)雙數據指針，3個(gè)定時(shí)器。

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

　　A/D信號調理電路電流采集系統中，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線(xiàn)形校準，然后采用精密整流電路將交流電壓信號轉換為直流電壓信號，采用LM324運放處理后輸入到單片機的A/D口，這是設計的重點(diǎn)之

　　一，電路圖如圖3所示。

　　考慮到單片機I/O口不夠用，所以采用了I2C總線(xiàn)來(lái)實(shí)現脫扣和鍵盤(pán)的控制。其中ZLG7290芯片可以實(shí)現I2C的64個(gè)鍵盤(pán)接口和8個(gè)數碼管的驅動(dòng)。在本設計中用到16個(gè)按鍵以及8個(gè)脫扣控制，如圖4所示。

由于驅動(dòng)不夠所以用到了兩塊ULN2003A達林頓管提高驅動(dòng)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。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通信準確，防止誤動(dòng)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(zhuān)用芯片DS1302，采用3線(xiàn)串行方式與單片機通信。片內有31字節的靜態(tài)RAM，日歷時(shí)鐘可自動(dòng)進(jìn)行閏年補償。實(shí)時(shí)時(shí)鐘實(shí)現日歷功能，在運行或記錄時(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，保證通信的穩定可靠，如圖8所示。

　　RS485總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò )系統連接。數據傳輸采用主從站的方式，主機為PC機，從機為探測器單片機。每個(gè)從機擁有自己的固定地址，由主機控制完成網(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警功能。

　　3 軟件設計

　　主程序流程圖如圖10所示。

　　軟件包括主程序、中斷程序、數據處理程序、按鍵判斷及閾值更新程序、A/D轉換延時(shí)程序、顯示程序、RS485通信程序、實(shí)時(shí)時(shí)鐘程序等。系統啟動(dòng)后自檢，經(jīng)過(guò)初始化，單片機設置8路參數、溫度報警值、漏電流報警值、電流互感器變比、報警與預警延時(shí)時(shí)間，然后每隔50 ms接收8路實(shí)時(shí)數據。程序開(kāi)始運行時(shí)首先采集煙霧探測器信號和溫度探測器信號，經(jīng)過(guò)信號與處理以后，通過(guò)當前的結果可以判斷是否有火災發(fā)生。如果能判斷起火，則輸出火警信號，并驅動(dòng)相應繼電器，切斷電源。如果判斷溫度短時(shí)間內異常升高或煙霧信號，電流信號到達異常值則發(fā)出預警信號， 并進(jìn)一步關(guān)注溫度和煙霧信號的變化趨勢，如果趨勢繼續升高則報警并作后續工作，否則取消報警。對于電流信號超出設定值20 s則認為是故障信號。如果根據預處理后的信息不能夠明顯判斷出是否有火災發(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 結語(yǔ)

　　本設計的漏電火災監控探測器是校企的合作項目，實(shí)現最多8路的漏電檢測報警和獨立可選脫扣控制的功能，同時(shí)可以消防接入，能有效地監控漏電引起的電氣火災，經(jīng)實(shí)驗檢測達到預期的目的，且采用模塊化設計易于升級，人機接口易于操作，價(jià)格成本低，易于市場(chǎng)化。