2021年03月02日 | 基于单片机的实验室配电箱无线安全监测系统

实验室是教学科研的重要基地，实验室的安全管理是实验工作正常进行的基本保证，实验室是培养学生实践能力和创新能力的重要环节。实验室供电线路的安装必须符合实验教学的需要和安全用电的有关规定。实验室中线路组装在配电箱，因此，对实验室配电箱安全的监测研究，是实验室人员设备安全的保证。

本设计采用单片机控制对实验室配电箱的电流电压温度等信息进行数据采集、调理、分析，通过数码管显示所收集到的数据，用发光二极管显示控制器的状态，传统的实验室监控方式采用模拟信号传输的视频监控，而本文使用无线发射模块发送至上位机。若所采集数据有异常，则系统自动报警。

1 系统硬件设计

MSP430单片机是一款新型高速、超低功耗、抗超强干扰的单片机。内部集成高速10位或12位A/D转换器，最大转换速度可以达到200 k/s，在强电磁干扰的场合依然不会降低精度，能够满足大多数数据采集应用。最高工作频率可达25 M，实现40 ns的指令周期，可以高效有序地完成系统数据采集分析。内部自带2个不同的时钟系统，还有丰富的片内外设，为系统的单片解决方案提供了极大的方便。另外，MSP430单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的低功耗状态时，中断唤醒只需5μs。它的方便高效的开发环境，可以满足系统的要求。系统硬件的总体框图如图1所示。

系统主要由信号采集调理模块、单片机控制模块、数据显示模块和无线发射模块组成。系统中的信号采集调理模块通过电流电压互感器将接收到的电流、电压信号进行处理发送至单片机，显示模块将显示采集到的数据，同时无线发射APC230将采集的数据发送至主机，若有异常，给出报警信号，系统响应报警。

1.1 无线发射

APC230是高度集成半双工微功率无线数据传输模块，其嵌入高速单片机和高性能射频芯片，传输距离长，可达1 800 m(9 600 bps)，且体积小，功耗低，成本低，使用便捷，传输效率高。实验室距离办公室电脑有一定距离，需要设备抗干扰强以及灵敏度高，APC230可符合，它最大可以纠24 bits连续突发错误，达到业内的领先水平。APC230模块提供了多个频道的选择，可在线修改串口频率，发射功率，射频速率等各种参数。还能够透明传输任何大小的数据，无须编写复杂的设置与传输程序，工作频率范围为418～455 MHz(1 kHz步进)，大于100个频道，GFSK的调制方式，UART接口，RS232/RS485可定制，超大的256bytes数据缓冲区，适合大数据量传输，内置看门狗，保证长期可靠运行。实际使用中，APC230模块除了正常的地和电源脚以外，只有接收端和发送端与单片机设备相连以及SET参数设置脚与设备相接，其他脚可悬空。

1.2 信号采集模块

信号采集调理模块分为信号采集以及信号调理两部分。信号采集使用立式穿芯精密交流TA1016-1 M电流互感器和微型精密交流TV1013—1M电压互感器以及DS18B20温度传感器分别采集电流、电压和温度信号。互感检测法一般用于高电压大电流的地方，并且是交流，因此用互感器，所用电流电压互感器的体积小，精度高，电压隔离能力强，安全可靠。TA1016-1M四个引脚端，1、2脚悬空，电线穿芯通过电流互感器的3、4脚，电流检测的方法实际上就是检测电压，再计算出电流。图2是电流互感器的实际应用图。

电流互感器的额定输入电流是额定输出电流的1 000倍，I1是输入电流，I2是互感后的电流，通过互感器输出的电压是电阻Rf两端的电压，最后计算时要I2放大1000倍得到电线输入电流，额定采样电压≤0.5倍IC电源电压。电流互感器初级串联于被测电流回路中，次级应近似工作于短路状态。电流互感器次级电路不允许开路，所以不要装熔断器。电压检测比较简单，通常可以并接在待测电压的线端，这里的TV1013-1M四个引脚中，1、2脚接输入电压，互感后3、4脚输出电压，通过互感器后得到的电压就是电阻Rf两端的电压。图3是电压互感器的实际应用图。

电压互感器的额定输入电流是额定输出电流的1 000倍，I1是输入电流，I2是互感后的电流，通过互感器输出的电压是电阻Rf两端电压，最后计算时要I2缩小一半得到电线输入电流，额定采样电压 ≤0.5倍IC电源电压。电压检测比较简单，通常可以并接在待测电压的线端，这里的TV1013-1M四个引脚中，1、2脚接输入电压，互感后3、4脚输出电压，通过互感器后得到的电压就是电阻Rf两端的电压。

1.3 信号调理

配电箱中电线输入交流信号，因而通过互感器输出的电压电流是交流信号，所以调理电路中采用的是双电源运放uA 741，调理电路输出的信号要接到单片机MSP430的A/D口，A/D口是单极性的，信号大小要控制在0～5 V之间，因此需要将互感器输出的信号抬高使采集到的信号在高速采样时峰峰值都在0～5 V之间。设定电流互感器的输入电流最大不超过8 A，超过8 A判定为异常。则电阻Rf两端电压最大为1.92 V，通过调理电路，使电压上抬2.5 V，输出电压在0.58 V～4.42 V之间。通过高速采样，将采到的信号取平均值，除以1.414得到直流信号，输送给单片机的A/D口引脚。

电压互感器的调理电路与电流信号的调理电路一样，只是调理电路中上抬后的电压大小不一样。得到输出电压在0.5 V～4.5 V之间，高速采样后，将采到的信号取平均值，然后除以1.414得到直流信号，可以输送给单片机的A/D口引脚。

1.4 显示及报警模块

该模块由数码管显示和按键控制部分组成。设定电流不超过8 A，电压不超过380 V，温度不超过-20℃～80℃，若超过，则蜂鸣器报警。按键控制包含复位按键和消除报警键。当参数超过系统设定值，复位键用于系统初始化，消除报警键可取消蜂鸣器报警，及时处理各种问题。四位数码管显示测量数据，每次只显示一项测量值，每两秒更换一次，用LED灯区分不同显示数据，便于工作人员对实验室实时监测。

2 软件设计

本文中的软件设计部分全部采用C语言编程，可提高程序的运行速度和效率，采用模块化的程序结构，各个功能子模块独立，调试方便，便于控制功能的进一步扩展。首先单片机STC12C5A60S2和温度传感器DS18B20分别初始化，60S2接收传感器和互感器传输来的数据，进行判断，是否超出预警值，如超过则报警，数据正常，则显示数据并APC230无线发射数据。这是整个方案的软件设计流程，如图4所示。

3 系统测试

本文主要测试电压电流信号，高压电比较危险，因此用模拟箱测试分析结果。用模拟电子箱测试电流互感器可得到如表1的数据。

在模拟电子箱上电流互感器输入的电压太小，致使输出的电压很小，进而计算所得的电流太小，实际的配电箱中电压输入比模拟时大的多，电压输出也会增大，同样电流也大。这里测得的输入电流达到系统要求，实验数据在可测范围内。

用模拟电子箱测试电压互感器可得到如表2的数据。

经检测，实际输出电压比理论值偏小，可能是电阻比实际小一些，引起的电压偏小或电路中消耗掉一部分电压引起的。互感器测试的电流、电压在传输过程中，受外界的干扰，在检测数据时会出现电流电压偏小的现象，另外电流电压输入的值偏小，容易引起较大的误差。但基本不影响互感器的使用，本设计的电压电流互感器都是可以正常使用的。

4 结束语

本设计完成了对配电箱电流电压温度的采样分析，实时发送测量数据给工作人员，监测系统工作可靠，测量精度高，设计成本低，不需要大型设备，互感器耐压值高，受外界干扰小，具有报警提示功能可及时处理突发事故，可以达到监控要求，在实验室安全监测方面有较大实用价值。