單相消防應急電源系統控制器設計方案

引言

社會(huì )生活的現代化對供電的要求越來(lái)越高，許多大型建筑尤其是公共建筑設施如機場(chǎng)、高速公路、隧道、商場(chǎng)、辦公大樓、展覽中心等，一旦供電系統產(chǎn)生突發(fā)故障，會(huì )產(chǎn)生許多意想不到的狀況，給人們正常的生產(chǎn)生活造成惡劣影響，甚至帶來(lái)人員傷亡。電力故障突發(fā)性強，往往不以人們的意志為轉移。在這種情況下，備用電源就顯得異常重要?！陡邔用裼媒ㄖ?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/設計">設計防火規定》，《民用建筑電器設計規范》就嚴格規定：“一級負荷應由兩個(gè)電源供電，當一個(gè)電源發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)電源應不致同時(shí)損壞。一級負荷重要的負荷，除上述兩個(gè)電源外，還必須增設應急電源”[1][2]。消防應急電源，專(zhuān)門(mén)為消防設備和一級負荷或照明用電設計，它是建筑物內出現緊急情況下，為疏散照明提供集中供電的應急專(zhuān)用電源設備。

1 系統的原理和組成

應急電源也稱(chēng)EPS，全稱(chēng)是Emergency Power Supply。消防應急電源是用于消防，允許短時(shí)電源中斷的應急電源裝置。作為消防應急電源系統，當建筑物發(fā)生火災時(shí)，為疏散照明和其它重要的一級供電負荷提供集中供電，消防應急電源系統組成如圖1所示，主要包括整流充電器、蓄電池組、逆變器、互投裝置等部分。其中逆變器是功率核心，主要采用SPWM（正弦脈寬調制）技術(shù)。整流器的作用是將交流電變成直流電，實(shí)現對蓄電池智能充電以?xún)Υ婺芰?。逆變器的作用則是將蓄電池儲存的直流電變換成工頻交流電，供給負載設備穩定持續的電力?；ネ堆b置保證負載在市電及逆變器輸出間的順利切換。系統控制器對整個(gè)系統進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，可以發(fā)出聲光報警信號，同時(shí)可通過(guò)串行口（RS485總線(xiàn)或CAN總線(xiàn)）與計算機或Modem連接，上位機采用組態(tài)軟件MCGS實(shí)現對供電系統的微機監控和遠程監控。

工作原理如圖2所示。在正常情況時(shí)，由交流市電經(jīng)過(guò)互投裝置給重要負載供電，當交流市電斷電后，互投裝置將立即切換至逆變器供電方式，啟動(dòng)逆變器給負載裝置供電，供電時(shí)間由蓄電池的容量決定，當市電電壓恢復時(shí)，將由應急電源供電恢復為市電供電[3][4]。

圖1　EPS應急電源的系統組成

擁有Modbus通信模塊的控制器即可用作標準Modbus設備，以主(即上位機)—從(即下位機)方式與上位機通訊?？蓪⑷舾膳_控制器或其它Modbus設備通過(guò)ＲＳ485總線(xiàn)組建成Modbus網(wǎng)絡(luò )，統一納入上位機監控平臺,實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化遠程監控。

圖2 消防應急電源工作原理

2 主電路硬件設計

系統采用Atmega16作為控制器的CPU。Atmega16單片機是AVR系列單片機中的高檔產(chǎn)品，集成了許多功能，省卻了外擴電路，如：具有16K字節的系統內可編程Flash，512字節的EEPROM可以保存故障記錄和操作記錄，1K字節的內部SRAM，可以通過(guò)SPI實(shí)現系統內編程，足夠系統使用，不用外擴存儲器?？梢援a(chǎn)生10位的PWM波，足夠系統要求的精度和頻率。一路SPI接口與PC機通信和蓄電池板通信。內部集成看門(mén)狗定時(shí)器，無(wú)需外接看門(mén)狗芯片。其具有8路模擬通道。

根據單相消防應急電源系統要求，以及分析的控制器功能，設計出控制器硬件，包括以下部分?？刂破骺傮w硬件結構如圖3所示：

圖3 系統硬件總體結構框圖

2.1 時(shí)鐘

由于系統中需要記錄應急啟動(dòng)時(shí)間和應急持續時(shí)間，在主菜單中也有系統年月日和時(shí)間顯示，所以系統中需要設計時(shí)鐘電路?？刂破鬟x用DS1302作為時(shí)鐘，因為DS1302是DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，它可以對年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計時(shí)，且具有閏年補償功能。采用三線(xiàn)接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節的時(shí)鐘信號或RAM數據。

2.2 JTAG

Atmega16具有JTAG 接口（與IEEE 1149.1標準兼容），可以通過(guò)JTAG接口實(shí)現對Flash, EEPROM, 熔絲位和鎖定位的編程，這給程序調試帶來(lái)了及大的方便。

2.3 鍵盤(pán)中斷

根據系統的要求設計了三個(gè)按鍵即復位鍵、翻屏鍵和確認鍵，所以采用獨立式按鍵結。為了保證實(shí)時(shí)性鍵盤(pán)子程序都通過(guò)中斷程序處理對MCU的三個(gè)I/O口進(jìn)行掃描。

2.4 液晶顯示

本系統采用的液晶是M126411SLYH-J3，它能顯示4行8列，藍色的底色。它是不帶字庫的，接受的是點(diǎn)陣，顯示一個(gè)漢字需要32個(gè)字節的數據。該液晶和MCU相連的有吧根數據線(xiàn)、R/W是讀寫(xiě)控制線(xiàn)、D/I是數據和指令的方向控制線(xiàn)。自身還有E使能控制線(xiàn)和復位線(xiàn)。

2.5 信號采集

信號采集電路分為數字信號和模擬信號采集兩部分。數字信號采集就是開(kāi)關(guān)量要檢測，比如市電接觸器、逆變接觸器、中間繼電器、直流接觸器等的返回接點(diǎn)，強啟、自動(dòng)/手動(dòng)、充電等開(kāi)關(guān)和各輸出支路的檢測都可以轉換成檢測開(kāi)關(guān)量的方式來(lái)判斷它們的狀態(tài)變化。開(kāi)關(guān)量檢測單元電路有光電耦合器、多路模擬轉換開(kāi)關(guān)組成，同時(shí)在光電耦合器的前端為每個(gè)開(kāi)關(guān)返回節點(diǎn)接了一只發(fā)光二極管，當節點(diǎn)合上時(shí)，相應的二極管發(fā)光從而能直觀(guān)判斷出來(lái)。

模擬信號采集主要包括對市電電壓、電流，蓄電池的電壓、電流和環(huán)境溫度的監測。對這些模擬量的檢測通過(guò)TLC2543采集，TLC2543是TI公司的串行A/D，它擁有12位的高精度，11路通道，快達10us的轉換時(shí)間。有3個(gè)控制輸入端片選/CS、輸入輸出時(shí)鐘I/O CLOCK和地址輸入（數據輸入）AIN。它可以通過(guò)一個(gè)串行三態(tài)輸出與處理器或外設的串口進(jìn)行通訊。

2.6 聲光報警

為了方便用戶(hù)，控制器配有指示燈和蜂鳴器。四個(gè)燈是鍵盤(pán)上的四個(gè)指示燈（主電、應急、充電、故障），當出現應急或故障時(shí)開(kāi)通蜂鳴器。用TLP521-4隔離光偶芯片作為驅動(dòng)并防止干擾MCU。

2.7 通訊接口

以Modbus協(xié)議串行通信時(shí)一幀收發(fā)的過(guò)程和原理如下：數據發(fā)送的過(guò)程(以發(fā)送5到8 位數據位的幀為例)是:程序檢測到數據寄存器空標志位UDRE置位時(shí),CPU通過(guò)將待發(fā)送的數據寫(xiě)入UDR發(fā)送數據寄存器來(lái)加載發(fā)送緩沖器，緩沖的數據待移位寄存器準備就緒時(shí)被移入

圖4 通訊流程圖

其中,再由硬件自動(dòng)發(fā)送，并在TXD引腳上出現。數據接收的過(guò)程則與發(fā)送相反。數據發(fā)送或接收都可用輪詢(xún)和中斷兩種方式[5]。遠程串行通信的系統結構見(jiàn)圖4。

3 上位機的實(shí)現

上位機一般指PC機或其他功能較強的嵌入式系統，主要用來(lái)處理其他設備（下位機）發(fā)送來(lái)的數據，并對其發(fā)號司令，上位機是相對于下位機而言，一般情況下一個(gè)上位機對應幾個(gè)下位機，把下位機的數據轉發(fā)給服務(wù)器或者把服務(wù)器的控制信息發(fā)送給下位機，有時(shí)候上位機本身就充當服務(wù)器。本系統需要用上位機處理控制器傳來(lái)的各種數據，比如對數據的監測存儲等。

3.1 工控軟件MCGS的介紹

MCGS (Monitor and Control Generated System，通用監控系統)是一套用于快速構造和生成計算機監控系統的組態(tài)軟件，它能夠在基于Microsoft（各種32位Windows平臺上）運行，通過(guò)對現場(chǎng)數據的采集處理，以動(dòng)畫(huà)顯示、報警處理、流程控制、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)、歷史曲線(xiàn)和報表輸出等多種方式向用戶(hù)提供解決實(shí)際工程問(wèn)題的方案。

3.2 工控軟件MCGS在本設計的實(shí)現

工控軟件MCGS在本設計中最主要的作用就的數據檢測，仿真測試方法如下：先用一根RS232串行通信線(xiàn)在本地近距離連接上位ＰＣ機和測試儀，在MCGS的設備組態(tài)窗口中選擇通用串口父設備,再給它添加“莫迪康RTU”子設備，并詳細配置其對應數據對象(實(shí)時(shí)數據庫中)、寄存器地址等參量,配置及仿真測試界面見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)，選中“設備調試”選項卡后通道值一欄已填滿(mǎn)實(shí)際數據，即組態(tài)軟件已采集到所連下位設備發(fā)來(lái)的數據。因收發(fā)數據傳輸的距離近，故該微機監控系統的實(shí)時(shí)性很好，幾乎無(wú)時(shí)間延遲和網(wǎng)絡(luò )傳輸滯后問(wèn)題?，F場(chǎng)運行表明，該系統穩定可靠，雖因數據串行傳輸而有時(shí)會(huì )出現網(wǎng)絡(luò )傳輸延遲，但還不至于丟失數據，原因是程序中采用標志變量控制機制，即用一個(gè)布爾型變量來(lái)標志一幀數據是否收發(fā)結束，只有按協(xié)議規定完整收發(fā)一個(gè)數據幀后標志位的值才會(huì )變化，程序才會(huì )繼續向下執行，否則程序處于等待狀態(tài)直到網(wǎng)絡(luò )傳輸延遲結束。這就比簡(jiǎn)單按照網(wǎng)絡(luò )傳輸延遲來(lái)計算幀間隔時(shí)間要可靠得多，從而保證數據不會(huì )丟失。

圖5　MCGS通訊測試界面

4 結論

目前，單相應急電源已廣泛的用于消防系統中，是一些智能樓宇必不可卻的設備之一。本課題設計一個(gè)以Atmega16為核心CPU的單相消防應急電源系統控制器，作為一個(gè)智能控制器，它實(shí)現了多種功能，為整個(gè)系統可靠性工作提供了保障?？刂破髂軌蚝芎玫膶κ须姾托铍姵剡M(jìn)行檢測，可以通過(guò)485總線(xiàn)，通過(guò)Modbus協(xié)議將數據發(fā)送到幾百米的安全寬敞的總的控制臺，然后通過(guò)上位機組態(tài)軟件與AVR單片機實(shí)時(shí)通信。