近年來隨著消防報(bào)警設(shè)備在各類建筑中的推廣普及，市場(chǎng)上對(duì)消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)的需求與日俱增。在一項(xiàng)目中筆者就需要設(shè)計(jì)一種針對(duì)消防設(shè)備電源的監(jiān)測(cè)設(shè)備，其能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)消防設(shè)備電源的運(yùn)行狀態(tài)，判斷消防設(shè)備電源是否出現(xiàn)供電中斷、欠壓、過壓和過流等故障。

工作原理

消防設(shè)備電源來自于電網(wǎng)220V工頻交流電。常用交流電壓和電流互感器來實(shí)現(xiàn)消防設(shè)備電源中單相或三相交流電源的實(shí)時(shí)監(jiān)控和采集。交流電源電壓和電流的檢測(cè)原理，就是通過電壓互感器和電流互感器將交流電源的高壓高電流轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以檢測(cè)處理的低電壓。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，交流電壓檢測(cè)范圍為AC200V-AC400V，交流電流檢測(cè)范圍為AC0.5A-AC5A。

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如圖1所示，電源的交變電壓信號(hào)通過串聯(lián)限流電阻輸入電流型電壓互感器的一次側(cè)繞組，經(jīng)互感器二次側(cè)輸出，輸出匹配電阻將輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，送單片機(jī)采樣處理。串聯(lián)電路選用了5個(gè)49.9KΩ電阻，當(dāng)輸入電壓分別為220V時(shí)和380V時(shí)，電流分別為0.88mA和1.5mA，滿足互感器2mA的線性變換范圍。

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如圖2所示，交流電源的電流信號(hào)直接接入電流互感器一次側(cè)繞組，感應(yīng)電流經(jīng)互感器的二次側(cè)輸出，輸出匹配電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，在經(jīng)過運(yùn)放放大后，送單片機(jī)采樣處理。

器件選型

對(duì)于三相交流電源，根據(jù)電路的檢測(cè)原理，在硬件上需要具有3路ADC和3路運(yùn)算放大器分別實(shí)現(xiàn)電壓和電流的檢測(cè)。針對(duì)電路需求，筆者選用了瑞薩RL78/I1D系列中的R5F117BC單片機(jī)作為主控制芯片。該芯片內(nèi)部有12路AD轉(zhuǎn)換通道和4路運(yùn)算放大器，在引腳功能上集成在一起（每路運(yùn)放3個(gè)引腳，4路運(yùn)放正好集成12路AD），因此滿足筆者的監(jiān)測(cè)電路的設(shè)計(jì)需求。

在電路的管腳分配上，將運(yùn)放amp0集成的3個(gè)AD通道分別用于與三相電源對(duì)應(yīng)的三路電壓互感器輸出信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換；將運(yùn)放amp1，amp2，amp3用于三路互感器電流信號(hào)的放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換（芯片內(nèi)部已經(jīng)將運(yùn)放輸出與相應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換通道相連），系統(tǒng)連接如圖3所示。
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總結(jié)

瑞薩R5F117BC單片機(jī)內(nèi)部具有豐富的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道和多路運(yùn)算放大器，非常適合需要對(duì)多路模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大處理的應(yīng)用場(chǎng)合。其模擬外設(shè)的高度集成性，使用戶省去了外加運(yùn)放和AD轉(zhuǎn)換器的煩惱。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案對(duì)整體功耗、線路板尺寸、BOM成本等方面有較高要求時(shí)，該芯片是一個(gè)較好的選擇。事實(shí)上，瑞薩RL78/I1D系列中的多款單片機(jī)芯片都是為多路信號(hào)處理而設(shè)計(jì)的，用戶可以根據(jù)自身需要選擇性價(jià)比適合的單片機(jī)。