基于單片機的實(shí)驗室配電箱無(wú)線(xiàn)安全監測系統

摘要：設計了一種基于MSP430的實(shí)驗室配電箱無(wú)線(xiàn)安全監測系統，詳細介紹了該系統的硬件模塊和軟件模塊。該系統以MSP430為處理器芯片，由無(wú)線(xiàn)數傳模塊APC230和其他控制電路構成的設計方案，無(wú)線(xiàn)模塊將數據發(fā)送至主機，系統對電流電壓溫度信號大小設定了報警范圍，能有效監測實(shí)驗室配電箱的安全，給出了各部分硬件電路設計和軟件流程。

關(guān)鍵詞：安全監測;APC230;MSP430

實(shí)驗室是教學(xué)科研的重要基地，實(shí)驗室的安全管理是實(shí)驗工作正常進(jìn)行的基本保證，實(shí)驗室是培養學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng )新能力的重要環(huán)節。實(shí)驗室供電線(xiàn)路的安裝必須符合實(shí)驗教學(xué)的需要和安全用電的有關(guān)規定。實(shí)驗室中線(xiàn)路組裝在配電箱，因此，對實(shí)驗室配電箱安全的監測研究，是實(shí)驗室人員設備安全的保證。

本設計采用單片機控制對實(shí)驗室配電箱的電流電壓溫度等信息進(jìn)行數據采集、調理、分析，通過(guò)數碼管顯示所收集到的數據，用發(fā)光二極管顯示控制器的狀態(tài)，傳統的實(shí)驗室監控方式采用模擬信號傳輸的視頻監控，而本文使用無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊發(fā)送至上位機。若所采集數據有異常，則系統自動(dòng)報警。

1 系統硬件設計

MSP430單片機是一款新型高速、超低功耗、抗超強干擾的單片機。內部集成高速10位或12位A/D轉換器，最大轉換速度可以達到200 k/s，在強電磁干擾的場(chǎng)合依然不會(huì )降低精度，能夠滿(mǎn)足大多數數據采集應用。最高工作頻率可達25 M，實(shí)現40 ns的指令周期，可以高效有序地完成系統數據采集分析。內部自帶2個(gè)不同的時(shí)鐘系統，還有豐富的片內外設，為系統的單片解決方案提供了極大的方便。另外，MSP430單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時(shí)靈活方便。當系統處于省電的低功耗狀態(tài)時(shí)，中斷喚醒只需5μs。它的方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以滿(mǎn)足系統的要求。系統硬件的總體框圖如圖1所示。

系統主要由信號采集調理模塊、單片機控制模塊、數據顯示模塊和無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊組成。系統中的信號采集調理模塊通過(guò)電流電壓互感器將接收到的電流、電壓信號進(jìn)行處理發(fā)送至單片機，顯示模塊將顯示采集到的數據，同時(shí)無(wú)線(xiàn)發(fā)射APC230將采集的數據發(fā)送至主機，若有異常，給出報警信號，系統響應報警。

1.1 無(wú)線(xiàn)發(fā)射

APC230是高度集成半雙工微功率無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊，其嵌入高速單片機和高性能射頻芯片，傳輸距離長(cháng)，可達1 800 m(9 600 bps)，且體積小，功耗低，成本低，使用便捷，傳輸效率高。實(shí)驗室距離辦公室電腦有一定距離，需要設備抗干擾強以及靈敏度高，APC230可符合，它最大可以糾24 bits連續突發(fā)錯誤，達到業(yè)內的領(lǐng)先水平。APC230模塊提供了多個(gè)頻道的選擇，可在線(xiàn)修改串口頻率，發(fā)射功率，射頻速率等各種參數。還能夠透明傳輸任何大小的數據，無(wú)須編寫(xiě)復雜的設置與傳輸程序，工作頻率范圍為418～455 MHz(1 kHz步進(jìn))，大于100個(gè)頻道，GFSK的調制方式，UART接口，RS232/RS485可定制，超大的256bytes數據緩沖區，適合大數據量傳輸，內置看門(mén)狗，保證長(cháng)期可靠運行。實(shí)際使用中，APC230模塊除了正常的地和電源腳以外，只有接收端和發(fā)送端與單片機設備相連以及SET參數設置腳與設備相接，其他腳可懸空。

1.2 信號采集模塊

信號采集調理模塊分為信號采集以及信號調理兩部分。信號采集使用立式穿芯精密交流TA1016-1 M電流互感器和微型精密交流TV1013—1M電壓互感器以及DS18B20溫度傳感器分別采集電流、電壓和溫度信號?；ジ袡z測法一般用于高電壓大電流的地方，并且是交流，因此用互感器，所用電流電壓互感器的體積小，精度高，電壓隔離能力強，安全可靠。TA1016-1M四個(gè)引腳端，1、2腳懸空，電線(xiàn)穿芯通過(guò)電流互感器的3、4腳，電流檢測的方法實(shí)際上就是檢測電壓，再計算出電流。圖2是電流互感器的實(shí)際應用圖。

電流互感器的額定輸入電流是額定輸出電流的1 000倍，I1是輸入電流，I2是互感后的電流，通過(guò)互感器輸出的電壓是電阻Rf兩端的電壓，最后計算時(shí)要I2放大1000倍得到電線(xiàn)輸入電流，額定采樣電壓≤0.5倍IC電源電壓。電流互感器初級串聯(lián)于被測電流回路中，次級應近似工作于短路狀態(tài)。電流互感器次級電路不允許開(kāi)路，所以不要裝熔斷器。電壓檢測比較簡(jiǎn)單，通?？梢圆⒔釉诖郎y電壓的線(xiàn)端，這里的TV1013-1M四個(gè)引腳中，1、2腳接輸入電壓，互感后3、4腳輸出電壓，通過(guò)互感器后得到的電壓就是電阻Rf兩端的電壓。圖3是電壓互感器的實(shí)際應用圖。

電壓互感器的額定輸入電流是額定輸出電流的1 000倍，I1是輸入電流，I2是互感后的電流，通過(guò)互感器輸出的電壓是電阻Rf兩端電壓，最后計算時(shí)要I2縮小一半得到電線(xiàn)輸入電流，額定采樣電壓 ≤0.5倍IC電源電壓。電壓檢測比較簡(jiǎn)單，通?？梢圆⒔釉诖郎y電壓的線(xiàn)端，這里的TV1013-1M四個(gè)引腳中，1、2腳接輸入電壓，互感后3、4腳輸出電壓，通過(guò)互感器后得到的電壓就是電阻Rf兩端的電壓。

1.3 信號調理

配電箱中電線(xiàn)輸入交流信號，因而通過(guò)互感器輸出的電壓電流是交流信號，所以調理電路中采用的是雙電源運放uA 741，調理電路輸出的信號要接到單片機MSP430的A/D口，A/D口是單極性的，信號大小要控制在0～5 V之間，因此需要將互感器輸出的信號抬高使采集到的信號在高速采樣時(shí)峰峰值都在0～5 V之間。設定電流互感器的輸入電流最大不超過(guò)8 A，超過(guò)8 A判定為異常。則電阻Rf兩端電壓最大為1.92 V，通過(guò)調理電路，使電壓上抬2.5 V，輸出電壓在0.58 V～4.42 V之間。通過(guò)高速采樣，將采到的信號取平均值，除以1.414得到直流信號，輸送給單片機的A/D口引腳。

電壓互感器的調理電路與電流信號的調理電路一樣，只是調理電路中上抬后的電壓大小不一樣。得到輸出電壓在0.5 V～4.5 V之間，高速采樣后，將采到的信號取平均值，然后除以1.414得到直流信號，可以輸送給單片機的A/D口引腳。

1.4 顯示及報警模塊

該模塊由數碼管顯示和按鍵控制部分組成。設定電流不超過(guò)8 A，電壓不超過(guò)380 V，溫度不超過(guò)-20℃～80℃，若超過(guò)，則蜂鳴器報警。按鍵控制包含復位按鍵和消除報警鍵。當參數超過(guò)系統設定值，復位鍵用于系統初始化，消除報警鍵可取消蜂鳴器報警，及時(shí)處理各種問(wèn)題。四位數碼管顯示測量數據，每次只顯示一項測量值，每?jì)擅敫鼡Q一次，用LED燈區分不同顯示數據，便于工作人員對實(shí)驗室實(shí)時(shí)監測。

2 軟件設計

本文中的軟件設計部分全部采用C語(yǔ)言編程，可提高程序的運行速度和效率，采用模塊化的程序結構，各個(gè)功能子模塊獨立，調試方便，便于控制功能的進(jìn)一步擴展。首先單片機STC12C5A60S2和溫度傳感器DS18B20分別初始化，60S2接收傳感器和互感器傳輸來(lái)的數據，進(jìn)行判斷，是否超出預警值，如超過(guò)則報警，數據正常，則顯示數據并APC230無(wú)線(xiàn)發(fā)射數據。這是整個(gè)方案的軟件設計流程，如圖4所示。

3 系統測試

本文主要測試電壓電流信號，高壓電比較危險，因此用模擬箱測試分析結果。用模擬電子箱測試電流互感器可得到如表1的數據。

在模擬電子箱上電流互感器輸入的電壓太小，致使輸出的電壓很小，進(jìn)而計算所得的電流太小，實(shí)際的配電箱中電壓輸入比模擬時(shí)大的多，電壓輸出也會(huì )增大，同樣電流也大。這里測得的輸入電流達到系統要求，實(shí)驗數據在可測范圍內。

用模擬電子箱測試電壓互感器可得到如表2的數據。

經(jīng)檢測，實(shí)際輸出電壓比理論值偏小，可能是電阻比實(shí)際小一些，引起的電壓偏小或電路中消耗掉一部分電壓引起的?；ジ衅鳒y試的電流、電壓在傳輸過(guò)程中，受外界的干擾，在檢測數據時(shí)會(huì )出現電流電壓偏小的現象，另外電流電壓輸入的值偏小，容易引起較大的誤差。但基本不影響互感器的使用，本設計的電壓電流互感器都是可以正常使用的。

4 結束語(yǔ)

本設計完成了對配電箱電流電壓溫度的采樣分析，實(shí)時(shí)發(fā)送測量數據給工作人員，監測系統工作可靠，測量精度高，設計成本低，不需要大型設備，互感器耐壓值高，受外界干擾小，具有報警提示功能可及時(shí)處理突發(fā)事故，可以達到監控要求，在實(shí)驗室安全監測方面有較大實(shí)用價(jià)值。