近年來隨著消防報警設(shè)備在各類建筑中的推廣普及，市場上對消防設(shè)備電源監(jiān)控系統(tǒng)的需求與日俱增。在一項目中筆者就需要設(shè)計一種針對消防設(shè)備電源的監(jiān)測設(shè)備，其能夠?qū)崟r監(jiān)測消防設(shè)備電源的運行狀態(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現(xiàn)消防設(shè)備電源中單相或三相交流電源的實時監(jiān)控和采集。交流電源電壓和電流的檢測原理，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)換成單片機可以檢測處理的低電壓。根據(jù)實際應(yīng)用需求，交流電壓檢測范圍為AC200V-AC400V，交流電流檢測范圍為AC0.5A-AC5A。

如圖1所示，電源的交變電壓信號通過串聯(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轉(zhuǎn)換為電壓信號，送單片機采樣處理。串聯(lián)電路選用了5個49.9KΩ電阻，當輸入電壓分別為220V時和380V時，電流分別為0.88mA和1.5mA，滿足互感器2mA的線性變換范圍。

如圖2所示，交流電源的電流信號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轉(zhuǎn)換為電壓信號，在經(jīng)過運放放大后，送單片機采樣處理。

器件選型

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

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

總結(jié)

瑞薩R5F117BC單片機內(nèi)部具有豐富的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道和多路運算放大器，非常適合需要對多路模擬信號進行轉(zhuǎn)換和放大處理的應(yīng)用場合。其模擬外設(shè)的高度集成性，使用戶省去了外加運放和AD轉(zhuǎn)換器的煩惱。當系統(tǒng)設(shè)計方案對整體功耗、線路板尺寸、BOM成本等方面有較高要求時，該芯片是一個較好的選擇。事實上，瑞薩RL78/I1D系列中的多款單片機芯片都是為多路信號處理而設(shè)計的，用戶可以根據(jù)自身需要選擇性價比適合的單片機。