基于單片機(jī)的實驗室配電箱無線安全監(jiān)測系統(tǒng)

摘要：設(shè)計了一種基于MSP430的實驗室配電箱無線安全監(jiān)測系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的硬件模塊和軟件模塊。該系統(tǒng)以MSP430為處理器芯片，由無線數(shù)傳模塊APC230和其他控制電路構(gòu)成的設(shè)計方案，無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至主機(jī)，系統(tǒng)對電流電壓溫度信號大小設(shè)定了報警范圍，能有效監(jiān)測實驗室配電箱的安全，給出了各部分硬件電路設(shè)計和軟件流程。

關(guān)鍵詞：安全監(jiān)測;APC230;MSP430

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

本設(shè)計采用單片機(jī)控制對實驗室配電箱的電流電壓溫度等信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、調(diào)理、分析，通過數(shù)碼管顯示所收集到的數(shù)據(jù)，用發(fā)光二極管顯示控制器的狀態(tài)，傳統(tǒng)的實驗室監(jiān)控方式采用模擬信號傳輸?shù)囊曨l監(jiān)控，而本文使用無線發(fā)射模塊發(fā)送至上位機(jī)。若所采集數(shù)據(jù)有異常，則系統(tǒng)自動報警。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

MSP430單片機(jī)是一款新型高速、超低功耗、抗超強(qiáng)干擾的單片機(jī)。內(nèi)部集成高速10位或12位A/D轉(zhuǎn)換器，最大轉(zhuǎn)換速度可以達(dá)到200 k/s，在強(qiáng)電磁干擾的場合依然不會降低精度，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。最高工作頻率可達(dá)25 M，實現(xiàn)40 ns的指令周期，可以高效有序地完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分析。內(nèi)部自帶2個不同的時鐘系統(tǒng)，還有豐富的片內(nèi)外設(shè)，為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。另外，MSP430單片機(jī)的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的低功耗狀態(tài)時，中斷喚醒只需5μs。它的方便高效的開發(fā)環(huán)境，可以滿足系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)硬件的總體框圖如圖1所示。

系統(tǒng)主要由信號采集調(diào)理模塊、單片機(jī)控制模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和無線發(fā)射模塊組成。系統(tǒng)中的信號采集調(diào)理模塊通過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(jī)，顯示模塊將顯示采集到的數(shù)據(jù)，同時無線發(fā)射APC230將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至主機(jī)，若有異常，給出報警信號，系統(tǒng)響應(yīng)報警。

1.1 無線發(fā)射

APC230是高度集成半雙工微功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，其嵌入高速單片機(jī)和高性能射頻芯片，傳輸距離長，可達(dá)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。實驗室距離辦公室電腦有一定距離，需要設(shè)備抗干擾強(qiáng)以及靈敏度高，APC230可符合，它最大可以糾24 bits連續(xù)突發(fā)錯誤，達(dá)到業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先水平。APC230模塊提供了多個頻道的選擇，可在線修改串口頻率，發(fā)射功率，射頻速率等各種參數(shù)。還能夠透明傳輸任何大小的數(shù)據(jù)，無須編寫復(fù)雜的設(shè)置與傳輸程序，工作頻率范圍為418～455 MHz(1 kHz步進(jìn))，大于100個頻道，GFSK的調(diào)制方式，UART接口，RS232/RS485可定制，超大的256bytes數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，適合大數(shù)據(jù)量傳輸，內(nèi)置看門狗，保證長期可靠運(yùn)行。實際使用中，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(jī)設(shè)備相連以及SET參數(shù)設(shè)置腳與設(shè)備相接，其他腳可懸空。

1.2 信號采集模塊

信號采集調(diào)理模塊分為信號采集以及信號調(diào)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(qiáng)，安全可靠。TA1016-1M四個引腳端，1、2腳懸空，電線穿芯通過電流互感器的3、4腳，電流檢測的方法實際上就是檢測電壓，再計算出電流。圖2是電流互感器的實際應(yīng)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，通過互感器輸出的電壓是電阻Rf兩端的電壓，最后計算時要I2放大1000倍得到電線輸入電流，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(yīng)近似工作于短路狀態(tài)。電流互感器次級電路不允許開路，所以不要裝熔斷器。電壓檢測比較簡單，通?？梢圆⒔釉诖郎y電壓的線端，這里的TV1013-1M四個引腳中，1、2腳接輸入電壓，互感后3、4腳輸出電壓，通過互感器后得到的電壓就是電阻Rf兩端的電壓。圖3是電壓互感器的實際應(yīng)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，通過互感器輸出的電壓是電阻Rf兩端電壓，最后計算時要I2縮小一半得到電線輸入電流，額定采樣電壓 ≤0.5倍IC電源電壓。電壓檢測比較簡單，通常可以并接在待測電壓的線端，這里的TV1013-1M四個引腳中，1、2腳接輸入電壓，互感后3、4腳輸出電壓，通過互感器后得到的電壓就是電阻Rf兩端的電壓。

1.3 信號調(diào)理

配電箱中電線輸入交流信號，因而通過互感器輸出的電壓電流是交流信號，所以調(diào)理電路中采用的是雙電源運(yùn)放uA 741，調(diào)理電路輸出的信號要接到單片機(jī)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峰峰值都在0～5 V之間。設(shè)定電流互感器的輸入電流最大不超過8 A，超過8 A判定為異常。則電阻Rf兩端電壓最大為1.92 V，通過調(diào)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(jī)的A/D口引腳。

電壓互感器的調(diào)理電路與電流信號的調(diào)理電路一樣，只是調(diào)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(jī)的A/D口引腳。

1.4 顯示及報警模塊

該模塊由數(shù)碼管顯示和按鍵控制部分組成。設(shè)定電流不超過8 A，電壓不超過380 V，溫度不超過-20℃～80℃，若超過，則蜂鳴器報警。按鍵控制包含復(fù)位按鍵和消除報警鍵。當(dāng)參數(shù)超過系統(tǒng)設(shè)定值，復(fù)位鍵用于系統(tǒng)初始化，消除報警鍵可取消蜂鳴器報警，及時處理各種問題。四位數(shù)碼管顯示測量數(shù)據(jù)，每次只顯示一項測量值，每兩秒更換一次，用LED燈區(qū)分不同顯示數(shù)據(jù)，便于工作人員對實驗室實時監(jiān)測。

2 軟件設(shè)計

本文中的軟件設(shè)計部分全部采用C語言編程，可提高程序的運(yùn)行速度和效率，采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)，各個功能子模塊獨(dú)立，調(diào)試方便，便于控制功能的進(jìn)一步擴(kuò)展。首先單片機(jī)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的數(shù)據(jù)，進(jìn)行判斷，是否超出預(yù)警值，如超過則報警，數(shù)據(jù)正常，則顯示數(shù)據(jù)并APC230無線發(fā)射數(shù)據(jù)。這是整個方案的軟件設(shè)計流程，如圖4所示。

3 系統(tǒng)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(jié)果。用模擬電子箱測試電流互感器可得到如表1的數(shù)據(jù)。

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，實際的配電箱中電壓輸入比模擬時大的多，電壓輸出也會增大，同樣電流也大。這里測得的輸入電流達(dá)到系統(tǒng)要求，實驗數(shù)據(jù)在可測范圍內(nèi)。

用模擬電子箱測試電壓互感器可得到如表2的數(shù)據(jù)。

經(jīng)檢測，實際輸出電壓比理論值偏小，可能是電阻比實際小一些，引起的電壓偏小或電路中消耗掉一部分電壓引起的。互感器測試的電流、電壓在傳輸過程中，受外界的干擾，在檢測數(shù)據(jù)時會出現(xiàn)電流電壓偏小的現(xiàn)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(shè)計的電壓電流互感器都是可以正常使用的。

4 結(jié)束語

本設(shè)計完成了對配電箱電流電壓溫度的采樣分析，實時發(fā)送測量數(shù)據(jù)給工作人員，監(jiān)測系統(tǒng)工作可靠，測量精度高，設(shè)計成本低，不需要大型設(shè)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處理突發(fā)事故，可以達(dá)到監(jiān)控要求，在實驗室安全監(jiān)測方面有較大實用價值。