單相消防應(yīng)急電源系統(tǒng)控制器設(shè)計方案

引言

社會生活的現(xiàn)代化對供電的要求越來越高，許多大型建筑尤其是公共建筑設(shè)施如機(jī)場、高速公路、隧道、商場、辦公大樓、展覽中心等，一旦供電系統(tǒng)產(chǎn)生突發(fā)故障，會產(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，甚至帶來人員傷亡。電力故障突發(fā)性強(qiáng)，往往不以人們的意志為轉(zhuǎn)移。在這種情況下，備用電源就顯得異常重要。《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)定》，《民用建筑電器設(shè)計規(guī)范》就嚴(yán)格規(guī)定：“一級負(fù)荷應(yīng)由兩個電源供電，當(dāng)一個電源發(fā)生故障時，另一個電源應(yīng)不致同時損壞。一級負(fù)荷重要的負(fù)荷，除上述兩個電源外，還必須增設(shè)應(yīng)急電源”[1][2]。消防應(yīng)急電源，專門為消防設(shè)備和一級負(fù)荷或照明用電設(shè)計，它是建筑物內(nèi)出現(xiàn)緊急情況下，為疏散照明提供集中供電的應(yīng)急專用電源設(shè)備。

1 系統(tǒng)的原理和組成

應(yīng)急電源也稱EPS，全稱是Emergency Power Supply。消防應(yīng)急電源是用于消防，允許短時電源中斷的應(yīng)急電源裝置。作為消防應(yīng)急電源系統(tǒng)，當(dāng)建筑物發(fā)生火災(zāi)時，為疏散照明和其它重要的一級供電負(fù)荷提供集中供電，消防應(yīng)急電源系統(tǒng)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(diào)制）技術(shù)。整流器的作用是將交流電變成直流電，實現(xiàn)對蓄電池智能充電以儲存能量。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(fù)載設(shè)備穩(wěn)定持續(xù)的電力?；ネ堆b置保證負(fù)載在市電及逆變器輸出間的順利切換。系統(tǒng)控制器對整個系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控，可以發(fā)出聲光報警信號，同時可通過串行口（RS485總線或CAN總線）與計算機(jī)或Modem連接，上位機(jī)采用組態(tài)軟件MCGS實現(xiàn)對供電系統(tǒng)的微機(jī)監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

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

圖1　EPS應(yīng)急電源的系統(tǒng)組成

擁有Modbus通信模塊的控制器即可用作標(biāo)準(zhǔn)Modbus設(shè)備，以主(即上位機(jī))—從(即下位機(jī))方式與上位機(jī)通訊?？蓪⑷舾膳_控制器或其它Modbus設(shè)備通過ＲＳ485總線組建成Modbus網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)一納入上位機(jī)監(jiān)控平臺,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖2 消防應(yīng)急電源工作原理

2 主電路硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用Atmega16作為控制器的CPU。Atmega16單片機(jī)是AVR系列單片機(jī)中的高檔產(chǎn)品，集成了許多功能，省卻了外擴(kuò)電路，如：具有16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，512字節(jié)的EEPROM可以保存故障記錄和操作記錄，1K字節(jié)的內(nèi)部SRAM，可以通過SPI實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程，足夠系統(tǒng)使用，不用外擴(kuò)存儲器?？梢援a(chǎn)生10位的PWM波，足夠系統(tǒng)要求的精度和頻率。一路SPI接口與PC機(jī)通信和蓄電池板通信。內(nèi)部集成看門狗定時器，無需外接看門狗芯片。其具有8路模擬通道。

根據(jù)單相消防應(yīng)急電源系統(tǒng)要求，以及分析的控制器功能，設(shè)計出控制器硬件，包括以下部分?？刂破骺傮w硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)框圖

2.1 時鐘

由于系統(tǒng)中需要記錄應(yīng)急啟動時間和應(yīng)急持續(xù)時間，在主菜單中也有系統(tǒng)年月日和時間顯示，所以系統(tǒng)中需要設(shè)計時鐘電路?？刂破鬟x用DS1302作為時鐘，因為DS1302是DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘芯片，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進(jìn)行計時，且具有閏年補(bǔ)償功能。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。

2.2 JTAG

Atmega16具有JTAG 接口（與IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)兼容），可以通過JTAG接口實現(xiàn)對Flash, EEPROM, 熔絲位和鎖定位的編程，這給程序調(diào)試帶來了及大的方便。

2.3 鍵盤中斷

根據(jù)系統(tǒng)的要求設(shè)計了三個按鍵即復(fù)位鍵、翻屏鍵和確認(rèn)鍵，所以采用獨立式按鍵結(jié)。為了保證實時性鍵盤子程序都通過中斷程序處理對MCU的三個I/O口進(jìn)行掃描。

2.4 液晶顯示

本系統(tǒng)采用的液晶是M126411SLYH-J3，它能顯示4行8列，藍(lán)色的底色。它是不帶字庫的，接受的是點陣，顯示一個漢字需要32個字節(jié)的數(shù)據(jù)。該液晶和MCU相連的有吧根數(shù)據(jù)線、R/W是讀寫控制線、D/I是數(shù)據(jù)和指令的方向控制線。自身還有E使能控制線和復(fù)位線。

2.5 信號采集

信號采集電路分為數(shù)字信號和模擬信號采集兩部分。數(shù)字信號采集就是開關(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，強(qiáng)啟、自動/手動、充電等開關(guān)和各輸出支路的檢測都可以轉(zhuǎn)換成檢測開關(guān)量的方式來判斷它們的狀態(tài)變化。開關(guān)量檢測單元電路有光電耦合器、多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)組成，同時在光電耦合器的前端為每個開關(guān)返回節(jié)點接了一只發(fā)光二極管，當(dāng)節(jié)點合上時，相應(yīng)的二極管發(fā)光從而能直觀判斷出來。

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(jiān)測。對這些模擬量的檢測通過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(dá)10us的轉(zhuǎn)換時間。有3個控制輸入端片選/CS、輸入輸出時鐘I/O CLOCK和地址輸入（數(shù)據(jù)輸入）AIN。它可以通過一個串行三態(tài)輸出與處理器或外設(shè)的串口進(jìn)行通訊。

2.6 聲光報警

為了方便用戶，控制器配有指示燈和蜂鳴器。四個燈是鍵盤上的四個指示燈（主電、應(yīng)急、充電、故障），當(dāng)出現(xiàn)應(yīng)急或故障時開通蜂鳴器。用TLP521-4隔離光偶芯片作為驅(qū)動并防止干擾MCU。

2.7 通訊接口

以Modbus協(xié)議串行通信時一幀收發(fā)的過程和原理如下：數(shù)據(jù)發(fā)送的過程(以發(fā)送5到8 位數(shù)據(jù)位的幀為例)是:程序檢測到數(shù)據(jù)寄存器空標(biāo)志位UDRE置位時,CPU通過將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入UDR發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器來加載發(fā)送緩沖器，緩沖的數(shù)據(jù)待移位寄存器準(zhǔn)備就緒時被移入

圖4 通訊流程圖

其中,再由硬件自動發(fā)送，并在TXD引腳上出現(xiàn)。數(shù)據(jù)接收的過程則與發(fā)送相反。數(shù)據(jù)發(fā)送或接收都可用輪詢和中斷兩種方式[5]。遠(yuǎn)程串行通信的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。

3 上位機(jī)的實現(xiàn)

上位機(jī)一般指PC機(jī)或其他功能較強(qiáng)的嵌入式系統(tǒng)，主要用來處理其他設(shè)備（下位機(jī)）發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并對其發(fā)號司令，上位機(jī)是相對于下位機(jī)而言，一般情況下一個上位機(jī)對應(yīng)幾個下位機(jī)，把下位機(jī)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(jī)，有時候上位機(jī)本身就充當(dāng)服務(wù)器。本系統(tǒng)需要用上位機(jī)處理控制器傳來的各種數(shù)據(jù)，比如對數(shù)據(jù)的監(jiān)測存儲等。

3.1 工控軟件MCGS的介紹

MCGS (Monitor and Control Generated System，通用監(jiān)控系統(tǒng))是一套用于快速構(gòu)造和生成計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件，它能夠在基于Microsoft（各種32位Windows平臺上）運行，通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，以動畫顯示、報警處理、流程控制、實時曲線、歷史曲線和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案。

3.2 工控軟件MCGS在本設(shè)計的實現(xiàn)

工控軟件MCGS在本設(shè)計中最主要的作用就的數(shù)據(jù)檢測，仿真測試方法如下：先用一根RS232串行通信線在本地近距離連接上位ＰＣ機(jī)和測試儀，在MCGS的設(shè)備組態(tài)窗口中選擇通用串口父設(shè)備,再給它添加“莫迪康RTU”子設(shè)備，并詳細(xì)配置其對應(yīng)數(shù)據(jù)對象(實時數(shù)據(jù)庫中)、寄存器地址等參量,配置及仿真測試界面見圖5。由圖5可見，選中“設(shè)備調(diào)試”選項卡后通道值一欄已填滿實際數(shù)據(jù)，即組態(tài)軟件已采集到所連下位設(shè)備發(fā)來的數(shù)據(jù)。因收發(fā)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x近，故該微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的實時性很好，幾乎無時間延遲和網(wǎng)絡(luò)傳輸滯后問題?，F(xiàn)場運行表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，雖因數(shù)據(jù)串行傳輸而有時會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲，但還不至于丟失數(shù)據(jù)，原因是程序中采用標(biāo)志變量控制機(jī)制，即用一個布爾型變量來標(biāo)志一幀數(shù)據(jù)是否收發(fā)結(jié)束，只有按協(xié)議規(guī)定完整收發(fā)一個數(shù)據(jù)幀后標(biāo)志位的值才會變化，程序才會繼續(xù)向下執(zhí)行，否則程序處于等待狀態(tài)直到網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲結(jié)束。這就比簡單按照網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲來計算幀間隔時間要可靠得多，從而保證數(shù)據(jù)不會丟失。

圖5　MCGS通訊測試界面

4 結(jié)論

目前，單相應(yīng)急電源已廣泛的用于消防系統(tǒng)中，是一些智能樓宇必不可卻的設(shè)備之一。本課題設(shè)計一個以Atmega16為核心CPU的單相消防應(yīng)急電源系統(tǒng)控制器，作為一個智能控制器，它實現(xiàn)了多種功能，為整個系統(tǒng)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485總線，通過Modbus協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到幾百米的安全寬敞的總的控制臺，然后通過上位機(jī)組態(tài)軟件與AVR單片機(jī)實時通信。