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1、东 北 农 业 大 学成 栋 学 院 毕 业 论 文 论文题目： 发电厂电缆防火监测系统的设计 学生姓名： 指导教师： 魏东辉 讲师 所学专业： 电气工程及其自动化 2012年6月Chengdong College of NortheastAgricultural UniversityThesis Thesis topic：The Design Of Power Cable Monitoring SystemStudent name Tutor name： Lecturer Specialty：Electrical engineering and Automation June 2012发电厂
2、电缆防火监测系统的设计摘 要电缆火灾问题一直困挠着发电厂的安全生产。目前所采用的电缆防火措施，其基本思路是将电缆隧道分割成若干个相对独立的封闭空间，以控制着火后火灾的蔓延和防止外部设备着火引燃电缆。这些措施不能从根本上防止火灾的发生。本文旨在抓住电缆火灾的特点，并据此研制一套能对电缆火灾起到预警作用的发电厂电缆防火监测系统。统计表明，电缆火灾绝大多数是由于电缆中间头故障引起的。电缆中间头故障是一个渐变过程，由过热到引起火灾时间较长;电缆火灾发生前，常常伴有绝缘烧焦的气味并产生烟雾。针对这个特点，本文研制了集实时监测电缆中间头温度和电缆隧道内烟雾于一体的发电厂电缆防火监测系统。该监测系统采用单线
3、数字温度传感器DS18B20和1412离子感烟器作为温度和烟雾传感器。根据发电厂电缆分布实际情况，提出了分散一集中一再集中的监测系统总体设计方案。设计了以89C52单片机为控制核心的终端采集器，用以采集各传感器的数据，并将数据送至工控机内进行显示和处理。每个终端采集器可驱动8路温度传感器单线和8个离子感烟器，每路单线可驱动多只DS18B20。终端采集器还具有显示功能，可实时显示所带各传感器的数据，具备独立运行的功能。终端采集器配备RS-485串行口，采用串行传输协议与工控机通讯。本文从主电源电路、烟雾传感器电路、温度传感器数据采集电路、显示电路、通讯电路等几个方而对终端采集器硬件组成进行了细致
4、的描述，同时阐述了终端采集器软件设计的思路，并对系统的抗干扰问题进行了认真的探讨。本文也对系统安装的要点及应注意的事项进行了说明。关键词：电缆火灾；监测；温度传感器；烟雾传感器；抗干扰Power Cable Monitoring System DesignAbstractThe cable fire has been a perplexing problem that imperils the safety in production of power. The cable fire fighting measures implemented at present are all set up
5、 on such a badic principle that cable tunnels are devided into several close spaces which are relatively independent of each other. In this way, cable fire spread is restrained and cables are also pretected against the firecaused by other equipment. However these measures fail to prevent a cable fir
6、e radically and effectively.This dissertation aims to make clear the reasons and the characteristics of cable fires, and to further design a cable fireproof monitoring system for power plants to forewarn about a latent cable fire.It is shown by statistics that the majority of cable fires are caused
7、by cable joint faults.A cable joint failure is gradually formed and takes a long time from overheat to fire. Before a cable catches a fire, a smell of insulation burning and smoke usually send out. According to such characteristics, a cable fireproof monitoring system for power plants is developed w
8、hich operates in real time to detect both the temperature of cable joints and the smoke spreaded in cable tunnels.In this monitoring system, a digital temperature sensor DS18B20 with single line and an ion smoke sensor 1412 are implemented as the detectors of temperature and smoke respectively.An ov
9、erall design scheme of the system.Distribution-concentration-reconcentration, is advanced based on the actual cable distribution in a power plant. A terminal collecting device with an 89C52MCU being its control core is designed to gather the data from the sensors and transfer them to a PC for proces
10、sing and displaying. Each terminal collecting device can deal with 8 single lines of temperature sensors and 8 ion smoke sensors, and each single line can be used to drive several DS 18B20 sensors.The collecting device also has a displaying function to show the real-time data from the sensors that i
11、t drives, thus it has the ability to operate independently. ARS-485 port is equipped in the collecting device, by which serial communication with the PC can be realized.The hardware construction of the terminal collecting device is outlined in details from the aspects of power circuits, smoke sensor
12、 circuits, data sampling circuits of temperature sensors, displaying circuits, communication circuits and so on. The software design for the terminal collecting device is also set forth. The anti-interferance problems in the monitoring system are seriously discussed. Besides, the main points the mat
13、ters needing attention for installing the monitoring system are explained.Key words:Cable fire;Monitoring;Temperature sensor;Smoke sensor Anti-interferrance目 录摘要IAbstractII1 引言11.1选题意义11 .2发电厂电缆防火现状及分析11.2.1电缆火灾的原因11.2.2研制电缆火灾预警系统的必要性21.3论文的主要工作32 电缆防火监测系统的硬件设计42.1系统的总体构成42.2传感器选型52.2.1温度传感器选型52.2.2
14、烟雾传感器简介62.3终端采集器电路设计72.3.1主电源电路82.3.2烟雾传感器电路102.3.3温度传感器数据采集电路112.3.4通讯电路142.3.5地址编码及液晶显示部分162 .4 RS485-RS232转换接口193 终端采集器软件设计213.1主程序设计213.1 .1系统初始化213.1 .2温度数据采集子程序233.1 .3感烟报警子程序313.1 .4显示部分333.2串行口中断服务子程序设计354 抗干扰设计384.1硬件抗干扰措施384.1.1终端采集器内部所采取的抗干扰措施384.1 .2长线(电缆)传输干扰的抑制394.2单片机自动复位404.3 RS-485抗
15、干扰设计404.3.1 RS-485通讯网络的配置404.3.2总线匹配414.3.3地线与接地424.3.4瞬态保护434.4软件抗干扰措施444.4.1输入信号的数字滤波444.4.2程序容错技术455 电缆防火监测系统的调试与试运行475.1监测系统调试475.2工控机调试486结论49参考文献50致谢511 引言1.1选题意义 随着发电厂机组容量的增大，自动化水平的逐步提高，电缆的使用量也越来越大。一台200 MW机组，各类电缆的长度可达200-300km。某电厂一期工程2台600MW超临界参数发电机组，电缆用量达到3000km。显然，电力电缆己经成为发电厂、变电站维持正常运行的重要组
16、成部分。但是，由于电缆长度增加，其火灾事故的发生几率也相应增加。 火力发电厂一旦发生电缆火灾，将造成严重损失。目前在建和运行中的火力发电厂，大多仍采用普通电缆，因此，电缆防火问题尤为突出。 在我国，据有关资料统计，近20年来，火电厂发生电缆火灾140多次，其中1986-1992年7年间竟达75次。有24个电厂发生过两次及以上电缆火灾事故，个别电厂高达4-6次。70%以上的电缆火灾所造成的损失非常严重，其中2/5的火灾事故造成特大损失。电缆火灾事故有其特殊的危害性。一方而，它造成巨大的直接损坏，据不完全统计，近十年来，在全国因电缆着火蔓延成灾的重大事故中，累计烧毁电缆32万多米，事故后恢复重建工
17、作耗资大、费时长，仅少发电量的损失就达100多亿元;另一方而，控制回路电缆烧损则会造成事故的进一步扩大，甚至损坏主设备，如发生飞车，而且修复困难，长时间不能恢复生产。电缆在发电厂、变电站内的广布性、电缆的易燃性、电缆着火的串延性、电缆着火后果的严重性，使得电缆防火成为极其重要的工作。防患于未然，采取有效的预报手段来避免电缆火灾事故的发生，对电力系统的安全可靠运行有非常重要的意义。本论文就是要从分析电缆火灾原因入手，抓住电缆火灾的基本特征，据此开发研制一种能有效预报电缆火灾的发电厂电缆防火监测系统。1.2发电厂电缆防火现状及分析1.2.1电缆火灾的原因电缆火灾的原因很多，主要有：(1)电缆过负荷
18、通电时间较长，导致过热而引起火灾。电缆过负荷运行的原因，往往是电缆选型时通流容量选择太小，不满足正常负载运行的需要，或者是电缆所带的负载长时间过负荷，导致电缆容量不够等。电缆过负荷导致的过热是一个恶性循环过程：电缆过负荷、导线过热、导线表层形成氧化、电阻增大、过热程度加剧，直至引起火灾。(2)电缆绝缘不良引起的火灾。如电缆内部绝缘存在缺陷、绝缘老化、受潮、损伤等，引起电缆短路，短路电弧引燃电缆而着火。(3)其他设备着火引燃电缆。可引燃电缆的有：充油电气设备和输煤、制粉系统、汽机油系统等。当这些设备和系统失火时，有可能使火延烧到电缆。(4)电缆头质量不良。据统计，因电缆头故障而导致的电缆火灾、爆
19、炸事故占到电缆总事故的70%左右。电缆头发生过热的主要原因是电缆中间头制作质量不良，具体有以下几种情况： 1)电缆头的压接管压接不紧，压接头接触电阻过大，在运行中过热； 2)电缆头的三相压接头几何位置不对称，产生不对称电场，加快绝缘的老化； 3)电缆头绝缘填充物及热缩管在制作中产生的残余气泡，在电场作用下发生局部放电，最终导致绝缘击穿;电缆头制作过程中，压接管压接后的金属毛刺处理不净，运行中产生尖端放电，最终导致绝缘贯穿性放电。1.2.2研制电缆火灾预警系统的必要性事实证明，上述这些规定对电缆防火起到了突出的作用，有效地防比了的其它设备着火引燃电缆，强有力地抑制了电缆火灾的蔓延，降低了事故的直
20、接损失。但是，我们仔细分析这些防火措施，便不难发现，所有的防火措施均不能从根本上对火灾的发生起到预警作用，这也是为什么虽然我们的防火措施如此完善却仍频繁发生电缆火灾事故的根本原因。因此，我们如果能对电缆故障的特点进行深入的分析，并针对这些特点，着手采取一些措施，势必可从根本上消灭电缆火灾事故。如上而所述，电缆头故障引起的电缆着火在电缆火灾事故中占70%因此，我们就首先分析一下电缆头故障有哪些特点。先看以下几个实例。(1)黑龙江富拉尔基电厂试验人员在查找电缆故障时，采用电容脉冲击穿法，上午没找到故障点，但此时故障点己被击穿并引燃该处的电缆，几小时后电缆隧道引起火灾，电缆大而积着火，造成被迫停机的
21、重大事故。(2)黑龙江某发电厂1999年6月12日5号循环水泵电机电缆中间接头由于压接不牢，接触不良，产生过热，导致该电缆中间头烧毁，造成该机组停运。(3)浑江发电厂2号循环水泵的电缆中间接头过热引起火灾，烧毁该沟内所有动力电缆及控制电缆，造成两台100MW发电机组被迫停机。发生事故的当天上午，有人在距故障电缆中间接头80多米远的竖井上己经嗅到了绝缘烧焦的气味，下午7时便引发了火灾。(4) 1998年，在浑江发电厂，因一台循环水泵的一条电缆的中间接头过热,引燃并烧穿同一电缆槽盒的其它循环水泵电缆，造成两台200MW机组被迫停机。(5)浑江发电厂多年来一直定期对电缆隧道内电缆中间头进行温度检测，
22、表1-1记载了1999年#3中继线4号电缆中间头的检测结果：表1-1检测结果 3月份4月份5月份6月份7月份8月份绝对温度（）374052657980环境温度（）5912203131 温升（）323140454849于8月末将#3中继线停下，剖开电缆头，发现有明显的过热痕迹。分析上述几个实例，不难看出，从电缆中间头过热到引起火灾发生的速度比较缓慢，时间较长，是一个渐变过程;而且电缆火灾发生前，是有预警的，有绝缘烧焦的气味并产生烟雾。 实际上，对电缆中间头定期测温己经在很多电厂形成了制度。原吉林省电力工业局就明文规定要求所属各电厂每周对电缆中间头进行一次巡视检查并测温，原国家电力公司2000年颁
23、布的“防止电力生产重大事故的二十五项重要要求”第1.1.11条款中也明确要求“对电缆中间头定期测温”。但通过人工定期对电缆中间头测温会浪费大量的人力，这对人员配置较少的发电厂来说，往往很难做到。因此，研制一个能实时采集电缆中间头温度，并同时兼有实时监测电缆隧道内烟雾状况的电缆防火监测系统是非常有必要的。 本论文就是要实现这个目标，即研制综合电缆中间头温度监测和烟雾监测于一体的电缆防火监测系统。1.3论文的主要工作 本论文在总结传统电缆防火措施优缺点的基础上，指出了研制电缆火灾预报警装置的必要性，并开展电缆防火监测系统的具体研制工作。 针对上述目标，本论文主要进行以下几方而工作。首先，对传统电缆
24、防火措施进行评价，分析并找出电缆火灾前的重要特征，提出解决方案；第二，设计电缆防火监测系统的系统框架，选择合适的传感器，并进行相关的硬软件设计；第三，在发电厂现场对电缆防火监测系统进行实际安装调试，通过试运行来检验该系统的有效性和可靠性。 论文的具体内容安排如下： 介绍论文选题的背景和意义，总结传统电缆防火措施并进行评价，提出论文的主要工作内容。电缆防火监测系统硬件设计。提出电缆防火监测系统的构成方案，并详细介绍其硬件电路设计，同时对其中的关键元件传感器的选型及其特性进行介绍。电缆防火监测系统软件设计。介绍电缆防火监测系统软件设计的基本构想及其实现框图。抗干扰设计。针对本系统在工业现场实际运行
25、中可能遇到的干扰问题，提出具体的抗干扰解决方案。2 电缆防火监测系统的硬件设计电缆防火监测系统完成对电缆中间头温度、电缆隧道内烟雾情况的实时监测。系统的硬件设计中既要考虑完成系统的总体任务，又要力求使用尽可能少的部件并确保编程简单化，以提高系统的可靠性。本章介绍了电缆防火监测系统的总体硬件构成，对传感器选型进行了介绍，并详细讲解了采集器的硬件电路的设计方案。2.1系统的总体构成 发电厂的电缆大部分敷设在电缆隧道内。电缆隧道可看作是由多个相对独立的沟道组成，这是因为：发电厂电缆隧道纵横交错，每个纵横交错的空间都是一个相对独立的空间；同时为防比电缆火灾的蔓延，在厂用母线分段处、公用主隧道或沟内引接
26、的分支处、通向控制室和配电装置室的入口处和厂区围墙处、电缆隧道内每间距100m处均设置了防火墙，这些防火墙又人为地将电缆隧道再次分割，这种分割将电缆隧道本己纵横交错空间又分割成多个完全封闭的小沟道。在装机容量为650MW的发电厂(以浑江发电厂为例)，这种被分割后的相对独立沟道多达近50个。 根据发电厂电缆分布的这种实际情况和特点，本文研制的电缆防火监测系统的总体硬件设计采用“分散集中再集中”的方案。系统硬件的总体结构设计如图2-1所示。它包括以下几个部分。 (1)传感器 处于系统最基层的是各传感器，即温度传感器和烟雾传感器。根据电缆的实际分布情况，将它们以“分散”的形式布置在需要检测的各电缆头
27、和各电缆沟道处。温度传感器负责采集电缆头的温度，烟雾传感器负责采集沟道内烟雾含量。 (2)终端采集器 终端采集器是监测系统中信息传输和处理的关键环节，处于承上启下的地位，即：一方而，它对一定数量的温度传感器和烟雾传感器输出的信息进行收集整理，并完成必要的保护功能，起着“集中”的作用；另一方而，为了完成对来自所有传感器的信息的处理，监测系统中需要适当分散布置多个终端采集器，这些终端采集器输出的信息再传送给其上位机。 为了实现和上位机的通讯，终端采集器需要具有数据通讯接口。考虑到传输距离和抗干扰能力等因素，在终端采集器上采用了RS-485串行接口，以RS-485串行通讯协议与上位机进行通讯。终端采
28、集器按其容量范围及电缆隧道实际状况合理分布在电缆隧道内。整个系统所允许的终端采集器数量是由所使用RS-485通讯芯片的驱动能力来决定。 考虑到对终端采集器可能有不依赖上位机而独立工作的要求，还为各终端采集器配置了液晶显示单元，以循环显示各传感器采集到的数据和报警等信息。 (3)上位机上位机接收来自各终端采集器的数据，并进行必要的分析、判断和显示，对整个监测系统的运行进行统一调度管理，以实现“再集中”。它完成的任务有：循环访问各终端采集器，并对采集器的数据进行收集；显示电缆隧道分布模拟图及相应温度传感器、烟雾传感器分布位置；实时显示各传感器数据；通过程序扩展，可完成全厂电缆管理。图2-1 电缆防
29、火监测系统的总体结构示意图本监测系统中，上位机采用的是工控机。由于工控机的标准配置为RS-232接口，而终端采集器采用的是RS-485串行接口，因此需要配置一个接口转换装置，实现RS-485和RS-232接口间的转换。2.2传感器选型 传感器是电缆防火监测系统中的重要元件，其工作特性和可靠性对系统起着关键的作用。选择合适的传感器，可使系统硬件设计简化、布线简便，并可使系统的稳定性和可靠性大大提高。因此，传感器选型是监测系统设计中的重要任务之一。2.2.1温度传感器选型 目前常用的温度监测方法主要有以下几种。 (1)感温电缆式测温：将感温电缆与电缆平行安放，当电缆温度超过固定温度值时，感温电缆被
30、短路。 (2)热敏电阻式测温：利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的特性来测量温度。可以根据电阻变化值来显示温度值。 (3)热电偶式测温：根据热电效应原理，将两个成分不同的导体连接在一起，由温度差产生电动势来测量温度。 (4)数字温度传感器测温：数字温度传感器是在20世纪80年代中期问世的。目前，数字温度传感器己成为集成温度传感器中最具活力和发展前途的一种新产品。数字温度传感器内部包含温度传感器、A/D转换器、存储器(或寄存器)和接口电路。 下面对上述四种方法进行比较。 感温电缆式测量方法，一方面造价高，另一方面系统仅能一次性使用，不能测出电缆的实际温度值，同时电缆数量多，系统安装及维护工
31、作不够方便，设备易损坏。 热敏电阻式和热电偶测温方式，虽然己可以进行在线测量设备温度值，但每个元件都需要独立的接线，布线复杂且热敏电阻易损坏、维护量大，传感器不具备自检功能，需要经常校验，不适于总线布置。 数字温度传感器，它不仅可实现温度测量的实时性，更由于它有较高的集成度，能将温度信号直接转换成串行数字信号，直接与数字控制设备接口，适合于总线布置，因此可以大大降低系统设计和布置的复杂性。它是当前温度传感器中最为先进的一种。因此，本系统选用数字温度传感器。2.2.2烟雾传感器简介 常见的感烟探测器有三种，即透射式、散射式和离子式。 透射式感烟探测器是利用烟雾的颗粒性来进行探测的，这是因为烟雾由
32、微小的颗粒组成。在发光管和光敏元件之间如为纯净空气，则完全透光；如有烟雾时，则接受的光减少。这种方法适合于长距离的直线段自动监测，因此也叫“线型探测器”。 散射式感烟探测器是由发光管和光敏元件构成，在两者之间有遮挡屏，结构如图2-2(a)所示。图中虚线圆圈代表了金属丝网或多孔板。平时在纯净空气里，因为有遮挡屏，光敏元件接受不到发光管的信号。但是空气里含有烟雾时，烟雾的微粒对光有散射作用，光敏元件就收到了信号，经过放大就可以驱动报警电路。为了避免环境可见光引起的错误报警，选用非可见光的红外光谱，或采取避光保护措施。通常用脉冲光，每34s一个脉冲，每个脉冲的宽度是100s，这样有利于抗环境干扰。
33、离子式感烟探测器的原理如图2-2(b)所示。在两个金属平板之间加上直流电压，并在附近放上一小块同位素媚241。当周围空气无烟雾时，媚241放射出微量的a射线，使其附近的空气电离。于是，在平板电极之间的直流电压的作用下，空气里就会有离子电流产生。与两个金属平板相联的的外电路中就有电流流过。而当周围空气有烟雾时，由于烟雾是由微粒组成，微粒会将一部分离子吸附，因此空气中的离子减少；此外，微粒本身也吸收a射线。这两个因素使得离子电流减小，且烟雾越浓，离子电流减少得越明显，外电路中的电流也越小。因此，根据外电路中的电流大小就可检测出烟雾浓度的高低。比较这三种感烟探测器，第一种主要适用于长距离的直线段自动
34、监测，但由于电缆沟沟道较为狭窄，此种不适用于电缆沟内安装；第二种与第三种均适用于现场安装，但资料显示第三种的动作可靠性明显优于第二种。烟雾颗粒烟雾颗粒 (a)散射式感烟探测器 (b)离子式感烟探测器图2-2 感烟探测器 下面简要介绍一下目前在消防系统中广泛使用的1412离子感烟器。 1412离子感烟器是开关量式烟雾传感器，其外形如图2-3所示。它的基本特性是： 系统电压为12V； 供电电压11.317.3V；瞬间断电复位方式；静态电流100A；报警电流35.270mA；提供一对常开接点作为报警输出。图2-3 1412离子感烟器2.3终端采集器电路设计终端采集器是整个系统最核心的部件，它以Int
35、el89C52单片机为核心，由主电源电路、烟雾传感器电路、温度采集电路、通讯电路及地址编码和液晶显示电路几个部分组成，负责完成采集温度传感器和烟雾传感器传输的数据、显示数据结果、并以RS-485通讯协议与上位机通讯等功能。终端采集器具有显示功能是考虑到现场中存在将终端采集器作为独立设备使用的情况(主要应用在电缆隧道较小，整个系统使用的终端采集器很少，无需将所有数据集中显示情况下)，为此，将终端采集器设计为可独立工作，即通过液晶显示屏将采集的数据显示出来，并同时显示自检结果、报警类型等必要的参数。图2-4终端采集器原理框图 每一个终端采集器可外挂8条DS18B20单线、8路烟雾传感器。一套系统中
36、每一个终端采集器都有一个唯一的地址编码，地址编码由采集器上地址开关来确定。 终端采集器原理框图如图2-4所示。以后的各小节里，将逐一介绍终端采集器各部分电路。 终端采集器采用Intel89C52单片机为控制核心，89C52具有8kB的EEPROM作为程序存储器，256B的RAM作为数据存储器。89C52各端口分配方式如下：内部并行端口PO用于液晶显示器的数据传输线。端口P1用于终端采集器与温度传感器之间的单总线数据传输。端口P2的低3位通过八选一模拟开关CD4051对烟雾传感器的八路数据进行数据切换，P2的高5位通过两片多路开关CD4053用于液晶显示器的控制信号和采集器地址开关的编码采集。P
37、3.0、P3.1用于串行RS-485通讯。P3.2用于控制看门狗1232，实现定时喂狗。P3.3用于控制RS-485收发转换。P3.4用于控制地址编码和感烟端口/LCD的切换。P3.5接在八选一多路开关CD4051的X端，用于接收各个感烟数据。时钟电路由外接石英晶体振荡器和电容构成的三点式振荡电路及内部反向放大器构成，时钟频率为11.0592MHZ。 考虑到一台终端采集器要连接多个传感器，且距离较远，为此增加了驱动接口电路，由光电藕合器件连接传感器，以提高采集器的抗干扰能力和可靠性。2.3.1主电源电路 主电源为监测系统各个元件提供可靠、稳定的电源。监测系统中有两种电源，一种是DC12V，供给
38、感烟回路；一种是DC5V，分成完全独立的两路，供给CPU、光藕、温度传感器、各芯片等。电路图如图2-5所示。 主电源电路的输入为交流电压，为了保证能够让LM317工作在稳定情况下，延长使用寿命，并考虑系统实际抗干扰需求，交流电压选择36V左右。外部电源引入后，先经由整流桥整流并滤波后引入各稳压模块(芯片的输入端。电源由一片三端稳压器（LM317)和两片输入电压为36V、输出电压为5 V的DC/DC电源模块组成。其中12V电源是为烟雾传感器使用；两个完全隔离的+5V直流电源，分别供给光藕隔离两侧元器件。 监测系统+5V电源采用的是03-24S05电源模块，其基本参数如下：输入电压范围1836V，
39、输出电压5V，输出额定负载电流0.6A，纹波系数1%。它具有完善的过载、过压保护能力。 12V电源采用的是LM317的典型应用电路。取样电阻由R12、R1构成。LM317的最小负载电流IL=5 mA。取R12=240，此时IL=1.5V/2406mA，R1选用6.8k可调电阻。调整R1获得1.2537V的稳压输出(本系统为12V)。电容C可滤除R1两端的纹波，使之不能经放大后从输出端输出。一般取C= 10F，纹波抑制比为80dB。D4是保护二极管，一旦输入或输出端发生短路故障，由D4给C提供泄放回路，避免C经过LM317内部放电而损坏芯片。C2作用是防止输出端产生自激振荡，宜选用1F钽的电容。
40、若采用普通铝壳电解电容，容量需增加到22F。当稳压器的输出端接大容量负载电容时(如本系统)，D3可起到保护作用，一旦稳压器的输入端发生短路，负载上积存的电荷便经过D3对地放电。正常情况下D3不起作用。图2-5主电源电路图 输出电压U。的计算公式为： （2-1） 显然，当输出电压UO为12V时，R1应取2k2.3.2烟雾传感器电路 烟雾传感器电路包括感烟复位电路和感烟数据采集电路。 离子感烟器灵敏度较高，少量的烟雾便会使其报警。为了防止因电缆隧道内窜入烟雾或施工中产生烟雾等非电缆火灾现象而使监测系统误报警，设计了自动复位电路。即当出现报警信号时，先自动切断感烟回路电源，使离子感烟器复归，过一段时
41、间后再进行采集。若三次连续采集均为报警，则认为是真实报警。感烟数据采集电路主要完成对各离子感烟器的数据进行采集，检查是否有报警现象存在。 (1)感烟复位电路 感烟复位电路电路如图2-6所示。 图中IRFU9024是P沟道增强型场效应管，在没有报警的情况下，89C52的端口P3.4输出高电平，光藕导通，IRFU9024的G、S极之间产生-12V电压，根据场效应管原理，IRFU9024的D、S极之间短路，感烟电源输出为+12V电压，使离子感烟器正常工作;相反，有报警时，P3.4给出一个低电平脉冲，使光藕关断，G、S极之间无电压，离子感烟器工作电源消失，达到复位报警功能。图2-6 感烟复位电路 (2
42、)感烟数据采集电路感烟数据采集电路如图2-7所示。其工作原理如下：八路感烟传感器输出的8路开关量信号经光电隔离后再经CD4051进行八选一，CD4051的输出端连接至89C52的端口P3.5，由CPU经P3.5逐个将8路感烟信号数据读入。图2-7 感烟数据采集电路采用光电隔离是为了防止感烟传感器外部电路故障时可能会造成整个单片机系统的瘫痪。本系统中采用两片TLP521-4光电藕合器，每片有4对光电藕合驱动接口，共为8对，分别供8路烟雾传感器使用。光电藕合器输入端的电流一般为1020mA，发光二极管的压降约为1.21.5V。限流电阻R由下式计算： R=（VCC-VF）/IF (2-2)式中，Vc
43、c为电源电压；VF为输入端发光二极管的压降，取为1.5V；If为发光二极管的工作电流。对本系统，Vcc= 12V，则R取值范围为0.51k，可取为750。八选一芯片CD4051的选用是考虑了CPU接口数量有限，为节约端口数量，8路感烟信号经光藕隔离后进行了八选一，由CPU逐个将8路信号数据读入。CD4051芯片的管角在图2-10中己给出，其中X0一X7为八路模拟开关的8个输入/出端，作多路传输时为输入端，作信号分离时为输出端；X为公共端，传输信号时为输出端，分离信号时变成输入端；INH为禁比端，INH=1时模拟开关均断开，输出呈现高阻态；A、B、C是二进制地址码输入端，当INH=0时根据地址码
44、选中相应的通道，例如当C=0，B=1， A=1时，地址码为011(所对应的十进制数为3)，就接通第3路。UEE为负电源端。本系统中，采用了P2.0P2.2端口控制CD4051二进制地址码输入端A、B、C，用以选择各路感烟传感器信号；CD4051的输出端X引至89C52的端口P3.5，用以读取各路感烟传感器信号。2.3.3温度传感器数据采集电路 温度传感器数据采集电路主要完成对终端采集器所带的各温度传感器DS18B20的实时数据采集。DS18B20有两种供电方式，一种是寄生电源供电(parasite power)方式，如图2-8(A)所示；一种是外部VDD供电(external supply)方
45、式，如图2-8(B)所示。图2-8 DS18B20的供电方式 DS18B20在温度变换过程中，DQ线上必须提供足够的功率。为保证温度变换期间DS18B20能得到足够的供电电流，寄生电源供电方式在电路设计时需使用一个MOSFET将DQ线接至+5V，且需多采用CPU的一个管脚，回路设计复杂，软件设计麻烦。而外部VDD供电方式，无需这种强上拉，总线上主机不需强制上拉便在温度变换期间使DQ线保持高电平，回路和软件设计简单。本系统中温度传感器电路采用的就是外部电源供电方式。 系统中DS18820数据采集电路如图2-9所示，各DS18B20数据线DQ直接与89C52的P1端口相连，其采集的温度数据经端口P1传输到CPU内；各DS18B20的电源线VDD由系统+5V模块提供，从而构成外部电源供电模式。系统设计时为改善接收信号质量问题，采用二极配方式，利用二极管的钳位作用迅速削弱反射信号，以保证传输质量。图2-9 DS18B20数据采集电路考虑到当系统运行中，数据系统的安全，造成系统崩溃。因此，系统
