漏电火灾监控探测器
近年来电气火灾居高不下，为了遏制电气火灾的上升势头，政府有关部门相继制订或修改了有关标准规范，要求在建筑中设置漏电火灾报警系统。
GB 13955-2005《剩余电流动作保护装置的安装和运行》中对漏电火灾报警系统的定义是：剩余电流动作电气火灾监控系统指的是用监测剩余电流的互感器、剩余电流探测器、报警器或控制器构成的电气火灾实时监测并实施报警或切断电源的装置。
已于2006年6月1日实施的GB 14287-2005《电气火灾监控系统》新标准将“防火漏电电流动作报警器”更名为“电气火灾监控系统”，并细分为3部分，第1部分：电气火灾监控设备;第2部分：剩余电流式电气火灾监控探测器;第3部分：测温式电气火灾监控探测器。相关定义如下：
(1)电气火灾监控系统：当被保护线路中的被探测参数超过设定值时，能够发出报警信号、控制信号并能指示报警部位的系统，它由电气火灾监控设备、电气火灾监控探测器组成。
(2)电气火灾监控探测器：探测被保护线路中的剩余电流、温度等电气火灾危险参数变化的探测器。
(3)电气火灾监控设备：能接收来自电气火灾监控探测器的报警信号，能发出声、光报警信号和控制信号，指示报警部位，记录并保存报警信息的装置。
本文针对国家标准设计了防火漏电探测器，采用51核心单片机，主要实现对多路三相交流电漏电电流的采样，以及对相应故障进行脱扣控制实施保护。文中从硬件和软件设计两部分来说明防火漏电探测器的设计。
1 总体设计
1.1 系统组成
防火漏电报警系统由一台计算机作为主控上位机，配合防火漏电报警系统终端、剩余电流探测器和若干带分励脱扣功能的断路器，通过二总线连接到主控上位机，通过应用软件组成一个完整的防火漏电报警系统，如图1所示。主控机具有巡检、监控、声音报警、打印及查询系统等多种功能，完成智能化的管理。该系统采用集散控制方案，一台微型计算机可以监控512台防火漏电系统终端;防火漏电系统终端能够独立工作，可以通过系统终端现场查看用电的各项参数。
1.2 漏电检测原理
剩余电流探测器采用零序电流互感器(ZCT)， 铁芯是环状的，主电路导线穿越其中或在其上绕几圈作为一次绕组，二次绕组则用漆包线均匀而对称地绕在铁芯上。当被保护电路无漏电故障时，由基尔霍夫电流定律可知，在正常情况下通过零序电流互感器的一次绕组电流的相量和恒等于零，即：
即使三相负载不对称，上式也同样满足。这样，各相线工作电流在零序电流互感器环状铁芯中所产生的磁通相量和也恒等于零。因而，零序电流互感器的二次绕组没有感应电动势产生，漏电保护电器不动作，系统保持正常供电。一旦被保护电路或设备出现漏电故障或有人触电时，将产生漏电电流(也称剩余电流)，使得通过零序电流互感器的一次绕组的各相电流的相量和不再恒定为零，即：
I A即为漏电电流。由此，在零序电流互感器的环状铁芯上将有励磁磁动势产生，所产生的磁通的相量和也不再恒定等于零。
因此，零序电流互感器的二次绕组在交变磁通5 Wb的作用下，产生了感应电动势E A，当达到预定值时，使脱扣线圈通电，电路断开。零序电流互感器使用高性能的坡莫合金作为铁芯的磁性材料，其输出电压在一定范围内有良好的线性，很便于计算机处理。
2 硬件设计
剩余电流探测器由A/D采样、脱扣控制、声光报警、键盘及液晶显示、外部EEPROM、RS485总线和时钟/日历发生器等部分构成，功能框图如图2所示。
2.1 信号传感器
本系统不但对剩余电流信号进行监控还应对烟雾、温度、气体信号进行采集。本系统就火灾监测的目标而选用以下传感器：
(1)气体传感器。火灾发生时一般伴有有毒有害气体的释放，这是物品燃烧的第一信息。如果是在存有有毒有害物品的场所，有毒有害气体的泄漏爆炸是引起火灾的重要原因，因此选用广谱的气体传感器是非常必要的。广谱型半导体气体传感器对可燃气体、烟雾等均有较高的灵敏度。
(2)烟雾传感器。这种传感器是通常的火灾报警系统首选的传感器。大多数的火灾发生时，首先出现的物理现象是产生了烟雾，这是火灾发生的重要信息。烟雾传感器采用红外光电衰减式，并且设计为差分输出信号，有效地消除了外界杂散光的干扰。
(3)温度传感器。温度的变化也是探测火灾的重要的物理信息，它可以提供两方面的信息，一是现场的绝对温度值，二是温度变化的速率。温度传感器采用铂电阻温度传感器。这3种传感器的选用基本上可以实现火灾发生时的全源信息的采集，从不同角度对环境的态势进行监测，最大限度地消除信息的模糊不确定性。
2.2 单片机及外围电路
单片机采用的是PLCC44封装的STC89LE516AD， 该系列单片机是新一代超强抗干扰、低功耗、对外界的电磁辐射少、高速的单片机，它的指令集完全兼容传统的51单片机，自带看门狗功能。
1)内置ISP监控程序，64 KB闪存，512字节SRAM。
2)能满足高速运算，外部时钟0～90 MHz，工作电压1.9～3.6 V。
3)增加P4口，P1口复用8位精度的高速A/D转换功能，共8路，电压输入型。
4)双数据指针，3个定时器。
由于在线的探测器要保存历史记录供查询，所以采用24LC256扩展存储。
A/D信号调理电路电流采集系统中，采用精密电阻对8路剩余电流互感器的电流信号取样放大并用分段函数线形校准，然后采用精密整流电路将交流电压信号转换为直流电压信号，采用LM324运放处理后输入到单片机的A/D口，这是设计的重点之
一，电路图如图3所示。
考虑到单片机I/O口不够用，所以采用了I2C总线来实现脱扣和键盘的控制。其中ZLG7290芯片可以实现I2C的64个键盘接口和8个数码管的驱动。在本设计中用到16个按键以及8个脱扣控制，如图4所示。
由于驱动不够所以用到了两块ULN2003A达林顿管提高驱动能力，高低电平控制继电器HK4100-12V的通断，从而控制带分励的断路器，脱扣可选项。为了防止干扰在ULN2003A前采用两块TPL521-4芯片做电源隔离，同时为保证I2C通信准确，防止误动作，在PCB布局时将ZLG7290靠近MCU，如图5所示。
实时时钟采用的是美国DALLAS公司推出的低功耗串行通信接口专用芯片DS1302，采用3线串行方式与单片机通信。片内有31字节的静态RAM，日历时钟可自动进行闰年补偿。实时时钟实现日历功能，在运行或记录时实时显示时钟信息。LCM模块采用串口模式带中文字库的RTL12864-S芯片，实现操作可视化和显示实时化，如图6、图7所示。
通信接口采用LTC485芯片和6N137芯片做隔离，保证通信的稳定可靠，如图8所示。
RS485总线型网络系统连接。数据传输采用主从站的方式，主机为PC机，从机为探测器单片机。每个从机拥有自己的固定地址，由主机控制完成网上的每一次通信。 R为平衡电阻，通常取为120Ω。
电源模块将220 V交流电经变压器、整流滤波电路和LM7812/LM7805模块完成交直流转换，分别得到两路隔离的电压，提供给各个芯片和模拟控制电路，如图9所示。探测器还具有烟雾传感器、气体传感器、温度传感器和消防等多种接口及声光报警功能。
3 软件设计
主程序流程图如图10所示。
软件包括主程序、中断程序、数据处理程序、按键判断及阈值更新程序、A/D转换延时程序、显示程序、RS485通信程序、实时时钟程序等。系统启动后自检，经过初始化，单片机设置8路参数、温度报警值、漏电流报警值、电流互感器变比、报警与预警延时时间，然后每隔50 ms接收8路实时数据。程序开始运行时首先采集烟雾探测器信号和温度探测器信号，经过信号与处理以后，通过当前的结果可以判断是否有火灾发生。如果能判断起火，则输出火警信号，并驱动相应继电器，切断电源。如果判断温度短时间内异常升高或烟雾信号，电流信号到达异常值则发出预警信号， 并进一步关注温度和烟雾信号的变化趋势，如果趋势继续升高则报警并作后续工作，否则取消报警。对于电流信号超出设定值20 s则认为是故障信号。如果根据预处理后的信息不能够明显判断出是否有火灾发生，则配合气体探测器采集的信号，将气体、烟雾、温度探测器信号输入模糊控制器进行判断。
4 结语
本设计的漏电火灾监控探测器是校企的合作项目，实现最多8路的漏电检测报警和独立可选脱扣控制的功能，同时可以消防接入，能有效地监控漏电引起的电气火灾，经实验检测达到预期的目的，且采用模块化设计易于升级，人机接口易于操作，价格成本低，易于市场化。
