基于CAN总线的微处理器和单片机实现电气火灾监控系统的设计

1 引言

据《中国火灾统计年鉴》统计，自1993～2002年全国范围内共发生电气火灾203780起，占火灾总数近30%，在所有火灾起因中居首位。我国的电气火灾大部分是由短路引发的，特别是接地电弧性短路事故。采取确实可行的方法预防和遏制电气火灾的发生已刻不容缓。

在各类建筑及其它领域中广泛应用安装电气火灾监控器，能有效预防和减少漏电引起的电气火灾。应用在线检测技术，可长年不间断地检测用电线路的过电流、漏电电流等参数，能随时掌握电气线路或电气设备电气火灾危险参数的变化情况、故障和异常状态，及时发现电气线路的火灾隐患，消除隐患，防患于未然，保护国家和人民生命财产的安全。

2 电气火灾监控系统组成

系统由电气火灾集中控制器，主控制器，支路控制器，以及信号采集调理部分组成。系统组成框图如图1所示。

电气火灾监控集中控制器采用带触摸屏嵌入式工控机，人机界面使用mcgs组态软件，采用CAN总线与电气火灾主控制器进行通讯。主控制器完成键盘输入，对支路控制器传输的数据进行处理，及时将各支路状态发送给集中控制器，以及在lcd实时显示被监控线路的各种运行状态及参数，并准确地记录下被监控线路运行状态的变化、故障特征、故障地址、时间等历史数据。支路控制器负责a/d转换，并进行数字滤波，比较分析线路的过电流、漏电流等状态特征，做出相应预警、报警、脱扣动作，并与主控制器通过i2c总线完成双向通信。信号采集及调理部分采用高精度电流互感器、漏电电流互感器对电信号进行采样，并进行信号调理，电压跟随，光电隔离，将0-5v的标准信号送入ad转换器。ad转换器采用12位的ti公司ad转换器tlc2543。

3 支路控制器设计

支路微处理器选用的是philipslpc932a1单片机，它是基于8051内核的高速、低功耗的8位单片机，其指令执行时间只需2到4个时钟周期。6倍于标准8051器件。支路控制器系统结构框图如图2所示。

支路控制器系统中，采用精密电阻对ia、ib、ic、in四路电流互感器的电流信号取样并放大，然后采用精密整流电路将交流电压信号转换为直流电压信号。经单片机处理后将信号通过i2c总线传输至主控制器。

由于现场各种干扰因素较多，因此在支路控制器软硬件设计上必须考虑抗干扰问题。抗干扰设计主要包括以下几方面：电源抗干扰设计、单片机抗干扰、过程通道抗干扰设计、印刷电路板及电路的抗干扰设计和软件的抗干扰设计。其中系统电源采用dc-dc变换器得到稳定的±12v和5v直流电压，采用了高速光耦 6n137对信号进行隔离，在软件设计中加入了数字滤波器进一步了提高系统的抗干扰能力。

4 主控制器设计

主控制器由声光报警、键盘及液晶显示、can总线控制器、外部flash和时钟/日历发生器等部分构成。主路微处理器选用的是philips p89v51rd2单片机。主控制器完成的功能主要有：采集各支路控制器传输的ia、ib、ic、in等参数数据，故障特征数据，并在lcd上实时显示，并通过can总线传输给集中控制器。此外主控制器还将各支路控制器运行状态信号用相应双色发光管显示;当有通道出现报警信号时，主控制器驱动蜂鸣器，并将实时故障特征数据保存至flash。主控制器系统结构框图如图3所示。

本系统can接口硬件主要采用can独立控制器sja1000和can收发器pca82c250。can总线技术属于现场总线的范畴，can总线具有较强的纠错能力，支持差分收发，因而适合高噪声环境，并具有较远的传输距离;因此，can协议对许多领域的分布式测控系统很有吸引力，特别适合于小型分布式测控系统。can总线可以多主机方式工作，网络上任意节点可以在任意时刻主动向网络上其他节点发送信息。可以分为不同优先级，满足不同实时需要。通讯介质采用双绞线，无特殊要求，用户接口简单。基于can总线的微处理器火灾监控器系统，为解决火灾报警问题上提供了新的方法和手段，既提高了系统的准确性、可靠性，又为工程设计、施工布线提供了极大的方便。

本系统中lcd显示界面如图4所示。通过系统监控界面可查看实时电流数据，数据以滚动的形式显示。用户通过系统设置界面可以设置当前时间以及支路控制器的地址。添加，删除支路，对支路的预警电流值，报警电流值，电流互感器变比，预警延时时间，报警延时时间进行设置。通过设置延时时间可以防止系统误动作。通过查询历史数据界面可以查询报警原因，报警时间以及报警的通道编号。

5 系统软件设计

监控系统软件设计流程图如图5所示。当系统启动工作后，经过初始化，主单片机开始对支路进行参数设置，设置电流互感器变比，报警，预警延时时间，然后每隔50ms接收各个支路板实时数据。当ia、ib、ic、in通道电流超过设定电流值，支路单片机驱动继电器，并将通道状态传送给主控制器。

6 结束语

在现场实验中，三相电流互感器选用瑞泰电子的ct-2000电流互感器，漏电流互感器采用ct-800l电流互感器。使用mastertech的ms2007b漏电流钳形表进行电流测量，实验数据如附表所示。

实验表明，本系统精度高，安全可靠，误报率低，操作维护方便等特点，具有广阔的应用前景。适合于我国大型建筑的防火的需求。