基于CAN总线的电气火灾监控仪表的开发

论文摘要

随着社会的发展,用电设备和用电量激增,由此引发的电气火灾在各类火灾中所占的比例越来越高,造成的损失也越来越严重,而预防电气火灾最有效的方法就是安装电气火灾监控系统。目前国内电气火灾监控系统的国家标准和法规尚有待完善,与其相关的产品质量也参差不齐,因此,本课题研究出一种严格符合国家标准,使用当前先进的信息技术,融合时下大多数产品的特色功能,安装方便,性能可靠,智能化,网络化的电气火灾监控仪表,并由该仪表构建智能网络化的电气火灾监控系统,会有很好的市场应用前景。本课题严格按照国家标准,提出仪表设计要求,采用32位高性能嵌入式微控制器STM32,依托其A/D转换器、SPI接口、定时器等丰富的硬件资源搭建系统平台,利用其强大的向量中断控制器(NVIC)进行软件任务管理,采用8位微控制器STM8在CAN总线上实现了Mobus协议,设计出一款性能优异的电气火灾监控仪表。该仪表能够对现场漏电流、温度、各相电流、各相电压等参数进行测量,根据用户的设定进行报警和保护性操作,对故障、报警等状态进行记录和查询,并且可以通过CAN总线组成一个实时的监控网络,对故障及报警点迅速定位,实时查询监控线路的运行状态。本课题通过研读国家标准,分析得出电气火灾监控仪表要实现的功能,如测量、报警、保护、故障自识别、自检、时间、记录、人机交互、操作级别、通信等功能,提出基于CAN总线的电气火灾监控仪表的总体设计思路和实现方法,提出硬件和软件总体设计方案,设计出各个功能模块的硬件电路和软件任务,最后对仪表进行实验室和现场的调试,直至满足设计要求。系统的软硬件设计模块化进行,包含信号处理、数据存储管理、人机交互、报警保护、通信等模块。硬件设计主要围绕系统核心嵌入式微控制器进行,根据系统功能要求,选取相关芯片,设计各部分功能电路。软件设计构建了任务管理、数据管理和通信管理三种机制,实现了对各功能模块软件任务的有序调度。系统采用方均根值的算法计算电流和电压的有效值,采用快速傅里叶变换实现了对电流谐波含量这一新电气火灾隐患的预防,采用快速排序法、二分查表法和线性插值法计算温度,液晶显示器图像显示时使用了图像字模压缩算法。系统的调试及抗干扰设计贯穿于软硬件设计之中,通过不断地调试,发现问题,优化软硬件设计的实现方法,改进抗干扰设计方案,保证系统性能指标的实现。调试工作主要有人机交互测试、测量参数测试、自检功能测试、系统时间功能测试、报警功能测试、通信功能测试等。系统采用的抗干扰设计方法主要有光电隔离、继电器隔离、布线隔离、硬件滤波、电源抗干扰、CPU抗干扰、软件滤波、关键参数保护等技术。论文最后对本课题完成的工作进行了总结,并对系统有待改进之处进行了介绍。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 课题的研究现状
• 1.3 课题的研究内容
• 1.4 创新点
• 1.5 章节安排
• 第2章 总体设计及实现
• 2.1 相关标准和规范
• 2.2 仪表性能指标
• 2.2.1 仪表主要功能
• 2.2.2 仪表技术指标设计要求
• 2.3 系统实现方法
• 2.3.1 设计思路
• 2.3.2 实现方法
• 第3章 硬件设计及实现
• 3.1 硬件的总体设计
• 3.2 功能电路分析
• 3.2.1 嵌入式微控制器电路设计
• 3.2.2 信号采集与调理电路设计
• 3.2.3 数据存储电路设计
• 3.2.4 报警保护电路设计
• 3.2.5 人机交互电路设计
• 3.2.6 通信电路设计
• 第4章 软件设计及实现
• 4.1 软件总体设计思想
• 4.1.1 任务管理机制
• 4.1.2 数据管理机制
• 4.1.3 通信管理机制
• 4.2 软件总体设计流程
• 4.3 各功能模块软件设计
• 4.3.1 数据采集与计算
• 4.3.2 数据存储与管理
• 4.3.3 人机交互
• 4.3.4 报警保护
• 4.3.5 SPI通信
• 4.3.6 CAN通信
• 第5章 算法设计及实现
• 5.1 电流和电压有效值算法
• 5.2 电流谐波含量算法
• 5.2.1 电流谐波含量算法原理
• 5.2.2 快速傅里叶变换（FFT）
• 5.2.3 本设计FFT算法流程
• 5.3 温度算法
• 5.3.1 快速排序法
• 5.3.2 二分法查表和线性插值
• 5.4 液晶显示器图像字模压缩算法
• 第6章 调试及抗干扰设计
• 6.1 系统测试
• 6.1.1 人机交互测试
• 6.1.2 测量参数测试
• 6.1.3 自检功能测试
• 6.1.4 系统时间功能测试
• 6.1.5 报警功能测试
• 6.1.6 通信功能测试
• 6.2 误差分析
• 6.2.1 硬件电路误差
• 6.2.2 软件计算误差
• 6.3 抗干扰设计
• 6.3.1 硬件抗干扰设计
• 6.3.2 软件抗干扰设计
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表