实验室电气安全预警装置

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摘要:
本装置以MSP430单片机为核心，通过检测、处理实验室电源进线电流和重要部件的温度，对实验室电气设备进行预警及实时报警。系统由信号调理、有无人检测、单片机处理、预警电路和人机界面五个部分组成。

1作品简介
（1)设计目标
实验室电气设备使用不当通常会引发安全事故，如设备过载、线路短路、用电器散热不畅等。该设计针对这一问题，通过单片机处理重要部件的温度及类似钳型电流表探头感应电源进线电流得到的电压信号，对电气设备进行预警及实时报警。

(2) 功能及指标
1.根据用电器的不同，预警值通过键盘设定，电压范围:1.4~2.8V，温度范围:0～90℃C;
2.报警电路可根据现场是否有人做出不同反应——声报警（无人或光报警（(有人);
3.当温度或电流超过设定的预警值时报警;
4.液晶显示:预警值，实时显示温度值、电流对应电压值，预警状态以及自动断开电路时的最大温度、最大电压值；
5.具有复位功能;
6.可以实现无人检测，人体检测范围： 0~lm。


2方案设计
2.1系统分析
通过温度传感器获得温度信号，电流表探头获得电流信号，对信号进行放大、比较等处理后输入单片机，与初始设定的预警值比较。单片机做出判断后输出控制信号接通报警电路，驱动液晶显示。为区分实验室是否有人并据此做出不同的报警反应，装置增加了检测有无人的热释电红外传感器;由键盘、液晶组成友好的人机界面，键盘完成预警值的设定，LCD显示屏实时显示预警值、当前温度值、电流对应的电压值，预警状态以及自动断开电路时的最大温度、最大电压值。

2.2设计方案论证
(1)单片机选择:
方案一:使用单片机89C51,它以8位微处理器为核心，技术成熟，使用广泛，但其外围设备不够丰富。
方案二:采用TI公司16位的MSP430单片机，其具有功耗低，处理能力强，片上外围设备实用、丰富等特点[21，这提高了数据处理速度，简化了电路设计。综合以上考虑选择方案二，具体选择型号为MSP430F169，其内部的ADCI2模块能够实现12位精度的模数转换，该模块满足了我们对信号采集的要求:同时其中断功能配合低功耗模式使用，既提高效率，又降低功耗。

(2)电流信号采集
方案一:采用霍尔电流传感器间接地测量电流。将导线缠在霍尔传感器上，通过电磁感应得到电压信号供单片机采集，但是其缺点是霍尔电流传感器破坏了原来的电路:同时，导线必须绕在传感器上，操作麻烦，兼容性差。
方案二:采用类似钳型电流表的输入探头，将检测到的电流信号转换为电压信号，再将信号滤波、放大后输入单片机。此方案的最大优势在于它不需要破坏原来的电路，因此选用方案二。

(3)无人判断
该模块由热释电红外传感器，信号滤波和放大，信号处理等部分组成。其中红外探头探测人体运动时发射的红外线，并且为了仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面覆盖有特殊的滤光片，对环境的干扰有明显的抑制作用。

(4)显示
方案一:采用数码管显示。其亮度高、体积小，但显示的信息简单、有限，无法实现本系统中菜单、汉字显示的功能。
方案二:采用液晶显示器(LCD)。 LCD显示信息丰富，拥有较好的人机界面和强大的显示功能。通过它可以显示预警值、当前温度值、电流对应电压值，预警状态以及自动断开电路时的最大温度、最大电压值。基于功能考虑，我们采用方案二。

3系统实现
3.1硬件设计
3.1.1系统框图系统总体框图如图1所示，作品实物照片见图2。




该系统所用TI公司的器件包括单片机MSP430和温度调理模块中使用的两个精密放大器-0PA2335l41。 其中MSP430是整个装置的核心，作用有:接受输入信号(包括AD转换)，逻辑处理，输出控制信号等; 0PA2335 作用是对温度传感器AD590输出的模拟信号作精密放大。



3.1.2电路设计
(1)电流调理



图3为电流调理电路。制作一个类似钳型电流表的输入探头(见图4)，测量时输入探头的线圈感应被测载流导线的电流，在线圈两端并接一个10K的取样电阻将被测电流转换电压信号，该信号经钽电容滤波后输入运放A1进行正向放大，放大倍数设为可调，通过改变放大倍数可以使单片机采样到更微弱的电流信号；当以0V为基准正负交变的信号送至单电源运放工作时，要将其电平抬高，A1输出信号经A2进行抬高，得到的直流信号经电压跟随器后输入单片机，单片机对其进行采样。_




(2)温度调理



温度调理电路如图5所示，图中温度芯片采用AD590，AD590输出的电流luA，表示1K (开尔文)，接入10K电阻，将电流信号转化为电压信号1]; LM336 为精密基准电源，调节其为2.73V。两信号输入差分放大器，放大倍数为2.2,信号经过电压跟随器后输入单片机采样。

(3)有无人检测




图6为有无人判断电路。室内无人检测采用热释电红外传感器，该传感器能感应到人体的红外传感信号。传感器输出的信号经低通滤波，得到通带在0-34Hz    内的信号。信号再经过两级放大，获得足够的增益后输入窗口比较器。窗口比较器的上、下限电压可通过调节电位器RP2、RP3进行改变。输入电压在上、下限之间，输出保持低电平;否则，输出有高电平产生，表示检测到有人。高电平的值在4V左右，可直接输入单片机。

另外，硬件电路中电流调理模块和温度调理模块的后一-级都加上了电压跟随器，以提高其带载能 力;为减小电源电压纹波的影响，电路中每个芯片的电源端都并联了100uF 和0.1uF的电容进行滤波。

其它电路诸如装置复位、蜂鸣器报警、断路保护等电路原理在此就不再赘述。

3.2软件设计
3.2.1程序流程框图



主程序流程框图如图7所示。程序初始化后执行“预警值设定”键盘可以输入预警值，使用者可以按C链获得装置默认的预警值(V-2.0,T-50)，也可通过数字键加入B键获得在允许范围内(电压：1.4-2.8V，温度:0-90C)自由设定预警值:完成预警设定后，执行电压、温度A/D转换，MSP430自带的MD转换装置采集从 P6.0和P6.1口输入电压信号和温度信号，采集到的值与初始设定的预值和软件给定的最大值比较，若两者均在预警值以下，表示实验室一切正常:若两着至少有其一超过最大值，表示实验室可能出现断路、过载等危险情况，单片机发出控制信号断开电源回路：其余均为预警状态，单片机根据现场是否有人选择不同的报路方式(有人，LED报警：无人，蜂鸣器报警)。

3.2.2各模块子程序设计
(1)预警值设定:预警值设定用键盘实现，键盘选择4*4阵列式键盘，并选择具有中断功能的P1口作为输入口，程序编写上选择了能体现 MSP430低功耗特点的中断方式，使用到中断语句#pragma veetor=PORTI VECTORinterrupt void PORT ISR( void ))而低功耗的实现使用了“BIS SR( LPMO bits + GIE)：”语句，装置进入LPM0模式(2]

(2)液品显示模块:液品型号为 LM12864，电源电压为3.3V。采用P2口作为数据输出口。液品的作用包括:显示输入的预警值:实时显示当前的电压值、温度值:暴示汉学等，其中动态显示通过设定诸如“mum[i」"的可变数组来实现
(3)AD转换模块：软件中使用了 MSP430自带的 ADCI2完成模数转换，时钟信号为SMCLK，采用内部参考电压，序列通道多次转换模式。从 P6.0输入的电压信号为正弦信号，在半个周期内采样10次:P6.1口输入的温度信号是缓慢变化的直流信号，因此只采样一次，得值 ADCIReal.

(4)声光报警模块：通过对P5.2口清0、置1，加延时程序实现光报警。声报警由蜂鸣器实现，同样通过对P5.5清0、置1，加延时程序产生频率为500l1z的方信号3作蜂鸣器发音报警。

3.2.3 编程感想及软件设计注意事项
(1)“知之者不如好之者，好着不如乐之着"，要想编好程，对其要有兴趣。

(2)对编译时的逻辑错误，通过单步运行或设置断点，发现程序运行的先后关系，对比自己所设想的情况，找到问题的症结。

(3)对比较复杂的程序，先完成基本的功能，再根据要求逐一增加模块，    实现所要求的功能。比如动态显示，编程的开始先让液晶显示给定的数值，完成调试后，再将需要显示的数取各个位的值赋给数组num，通过语言“display(2,32,1,num,2,2):”实现动态显示。

(4)程序调试分模块进行，然后再综合调试，一举成功!

4作品性能测试与分析(方法、数据及误差分析)
(1)红外检测测试方法:在距离热释电传感器一米的位置，人以垂直传感器面向的方向经过传感器，此时观察连接红外电路输出端子的示波器波形的变化和输出端的黄色LED的变化。有人时示波器将检测并显示高电平；否则，信号保持低电平，LED保持熄灭。需要补充的是，在电路刚刚工作时，有一段7到9秒的进入稳定时期。

(2)电流检测测试方法:将电源拖线板的火线穿过电流检测探头，在拖线板上插上用电器:接通电源后，用示波器检测该电路模块的输出信号，记录其峰峰值:单片机对该信号采样，取其峰值，峰值通过软件比例运算后由液晶显示出来。比较进线电流值、电压峰峰值与液晶显示值，观察它们是否相接近或成比例(见表1)。




注:上表中， 进线电流通过纯阻性负载电烙铁获得，由I=P/U，一个电烙铁工作时的额定电流为136mA。根据表中电流和电压的值可知，电流与电压在此范围内成线性关系。
误差分析:电烙铁的工作电流随自身温度而变化; AD转换有误差;放大器精度不够等。

(3)温度检测在常温下，调节温度调理电路中的电位器，使液晶显示的温度与温度计显示温度相同:双手分别握紧AD590和温度计，待温度稳定下来记录两者的读数:取- -杯热水，同时将AD590和温度计放入其中，记录两者的读数(见表2)。将AD590与铁片接触，用工作着的电烙铁加热铁片，液晶显示的温度可以达到99°C。




误差分析:AD590和常用温度计的导热材料不同，AD590表面为金属壳，而温度计为玻璃，金属较玻璃更易导热:放大器的精度不够:AD转化有误差等。

5总结与展望
本系统通过检测电流、温度，对实验室的安全进行实时监测:通过事先设定预警值，用户可以更及时地发现实验室的电气安全隐患，从而防患于未然。

在实际应用中，可通过提高AD转换的基准电压以增大检测电流的范围:增加温度传感器实现温度的多方位检测:采用多种警报方式提高预警的成功率:预警设定也可根据不同实验室的具体情况进行更人性化的软件编写。总之，通过对功能的细化，该装置有投放市场的潜力。


7附录

bluesky

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wy2589

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