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[導(dǎo)讀]設(shè)計(jì)思想與總體方案1 非接觸式驗(yàn)電器的設(shè)計(jì)思想本次開發(fā)的驗(yàn)電器主要用于鐵路中高壓輸電線路的監(jiān)測(cè)工作,其設(shè)計(jì)要求是監(jiān)測(cè)鐵路中高壓線路的運(yùn)行情況,要求能正確判斷高壓線是否帶電,并將有電、無電信號(hào)通過發(fā)光二極

設(shè)計(jì)思想與總體方案

1 非接觸式驗(yàn)電器的設(shè)計(jì)思想

本次開發(fā)的驗(yàn)電器主要用于鐵路高壓輸電線路的監(jiān)測(cè)工作,其設(shè)計(jì)要求是監(jiān)測(cè)鐵路中高壓線路的運(yùn)行情況,要求能正確判斷高壓線是否帶電,并將有電、無電信號(hào)通過發(fā)光二極管顯示出來,同時(shí)還要發(fā)出相應(yīng)狀態(tài)的語音提示信息。

另外,驗(yàn)電器通常安裝在室外,因此本裝置還要滿足室外工作的要求。

2 總體設(shè)計(jì)方案和框圖

本驗(yàn)電器以SPE61A單片機(jī)作為檢測(cè)和控制核心。裝置采用銅片式傳感器監(jiān)測(cè)高壓線附近電場(chǎng),將電場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后送往信號(hào)處理電路,信號(hào)處理電路將該模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流的有電、無電的狀態(tài)信號(hào)送往單片機(jī)。單片機(jī)將接收到的信號(hào)與上一次信號(hào)進(jìn)行比較,如果本次采集的信號(hào)跟上次采集信號(hào)相同,則繼續(xù)下一次信號(hào)的采集,如果不同,則發(fā)出新的信號(hào)到語音模塊、指示模塊和信號(hào)傳送模塊,同時(shí)將本次采集的信號(hào)進(jìn)行鎖存,用以對(duì)下次采集的信號(hào)進(jìn)行比較。語音模塊收到信號(hào)后發(fā)出有電或無電語音提示;指示模塊收到信號(hào)后發(fā)出有電或無電指示;信號(hào)傳送模塊收到信號(hào)后發(fā)出有電或無電狀態(tài)信號(hào)送到室內(nèi)監(jiān)控計(jì)算機(jī)。

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1 單片機(jī)

本系統(tǒng)采用凌陽SPE61A單片機(jī)作為檢測(cè)和控制核心。SPCE061A是繼 μ"nSP系列產(chǎn)品SPCE500A等之后凌陽科技公司推出的又一個(gè)16位結(jié)構(gòu)的微控制器。它設(shè)計(jì)有2個(gè)16位IO端口。該控制器可以在較寬的電源電壓范圍(2.6~5.5V)及系統(tǒng)時(shí)鐘頻率范圍 (0.375~24.576 MHz)內(nèi)工作,除了數(shù)據(jù)總線增至16位從而提高了工作速度外,SPE61A 16 位單片機(jī)內(nèi)集成了更多的系統(tǒng)外圍資源。其中有大容量ROM及靜態(tài)RAM、紅外通信接口、RS-232通用異步全雙工串行接口、10位A/D及D/A轉(zhuǎn)換、內(nèi)置式帶自動(dòng)增益控制的擴(kuò)音器輸入通道、32768Hz實(shí)時(shí)時(shí)鐘以及低電壓復(fù)位/低電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。另外,SPE61A中還嵌入了LCD控制驅(qū)動(dòng)和雙音多頻信令(DTMF)發(fā)生器功能等。

SPE61A最大的特點(diǎn)就是內(nèi)置7通道10位電壓模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和單通道聲音模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,其中,聲音模/數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風(fēng)放大器和自動(dòng)增益控制(AGC)功能。這使得SPE61A具備了初步的語音播放和識(shí)別功能。

在本系統(tǒng)中,SPE61A單片機(jī)主要監(jiān)測(cè)和處理輸入信號(hào)。在接收到來自信號(hào)處理模塊的信號(hào)后單片機(jī)將相應(yīng)的判斷,并將處理結(jié)果發(fā)送到后續(xù)電路。

2 傳感器

傳感器用于讀取電場(chǎng)信號(hào),是整個(gè)設(shè)備的信號(hào)源。傳感器被安裝在距離高壓線0.8m的正下方,用于讀取和轉(zhuǎn)換高壓線附近的電場(chǎng)信號(hào)。本裝置中的傳感器采用銅片電容設(shè)計(jì),從電容兩端分別引出兩根導(dǎo)線,其中一根導(dǎo)線作為信號(hào)輸出的正極,另一根接地,作為地線。

另外,為了安全需要,在傳感器的地線端多引出了一條地線(稱為檢測(cè)地線)作為電路中指示模塊、語音提示模塊和信號(hào)傳送模塊的地線,用于判斷傳感器傳輸線路是否完好。此時(shí),若信號(hào)傳輸線路斷開,則此地線亦斷開,那么指示模塊、語音提示模塊和信號(hào)傳送模塊均不能工作,信號(hào)指示燈不能發(fā)光,語音模塊被能發(fā)出語音信息,傳送電腦的有電和無電信號(hào)也同時(shí)斷掉,不會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤信號(hào),提高了系統(tǒng)的可靠性,避免信號(hào)線斷開時(shí)發(fā)出錯(cuò)誤的無電信號(hào),造成事故。

傳感器采用封閉式半球形光滑外殼設(shè)計(jì),能夠徹底防水,滿足室外工作要求。

3 信號(hào)處理模塊

信號(hào)處理由信號(hào)跟隨電路、濾波電路、倍壓整流電路、減法電路、放大電路、施密特觸發(fā)電路、信號(hào)指示和監(jiān)控信號(hào)發(fā)送電路組成,其原理圖如圖2所示。輸入信號(hào)來自傳感器的送出的工頻交流電壓信號(hào),該信號(hào)經(jīng)過信號(hào)跟隨電路跟隨并正向偏置后進(jìn)行濾波,然后將交流信號(hào)倍壓整流成直流信號(hào),減法器減掉相鄰線路間的干擾信號(hào),放大器將信號(hào)進(jìn)行必要的放大后送入施密特觸發(fā)器,觸發(fā)器根據(jù)輸入信號(hào)的大小送出有電、無電兩種信號(hào)到單片機(jī)。

相關(guān)文獻(xiàn)中對(duì)本裝置的各模塊功能結(jié)構(gòu)和原理已經(jīng)進(jìn)行過詳細(xì)的論述,本文不再累述。

4 語音模塊

語音提示信息處理由SPE61A自帶的語音模塊完成。本系統(tǒng)中直接在該模塊中外接功放電路和喇叭,語音提示信息通過外接喇叭發(fā)出。

5 指示模塊

指示模塊由兩只發(fā)光二極管組成,分別為紅色和綠色,紅色表示有電,綠色表示無電。由于SPE61A端口有足夠的驅(qū)動(dòng)能力,因此,本系統(tǒng)中直接將發(fā)光二極管接入到單片機(jī)端口中。


6 信號(hào)發(fā)傳送模塊

本驗(yàn)電器不僅要把高壓線是否帶電狀況在指示模塊中顯示出來,還要將該信號(hào)送往室內(nèi)監(jiān)控計(jì)算機(jī)中進(jìn)行監(jiān)控。如果將信號(hào)通過驗(yàn)電器裝置發(fā)送到計(jì)算機(jī)就遇到一個(gè)共地線問題,要讓計(jì)算機(jī)正確地識(shí)別驗(yàn)電器傳送過來的信號(hào)就必須使計(jì)算機(jī)和驗(yàn)電器共一個(gè)地線,否則,會(huì)因傳送線路過長(zhǎng)不共地線而導(dǎo)致計(jì)算機(jī)識(shí)別信號(hào)出錯(cuò)。本裝置的信號(hào)傳送方式如圖3所示,由計(jì)算機(jī)發(fā)送信號(hào),驗(yàn)電器內(nèi)部通過繼電器開關(guān)來控制有電或無電線路的導(dǎo)通或斷開,計(jì)算機(jī)接收由自己發(fā)送的經(jīng)過繼電器開關(guān)送來的兩路信號(hào),若有電線路送來高電平信號(hào),則無電線路送來低電平,此時(shí)高壓線有電;若無電線路送來高電平信號(hào),則有電線路送來低電平,高壓線無電,若兩路線路都送來高電平信號(hào)或低電平信號(hào)則電路出錯(cuò)。

語音模塊中的功放電路、指示模塊中發(fā)光二極管和信號(hào)發(fā)送模塊中控制電路都以檢測(cè)地線作為地線,這樣就可以完成對(duì)傳感器傳輸線路的判斷,避免傳感器線路的斷開而發(fā)出錯(cuò)誤的指示信息。

另外,由于硬件都必須在室外工作,因此,整個(gè)硬件設(shè)備都被安裝在以各特殊設(shè)計(jì)的防水金屬外殼中。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)如圖4所示。在系統(tǒng)第一次上電運(yùn)行時(shí)先初始化到有電狀態(tài)并將該信號(hào)端口中的指示模塊中顯示結(jié)果,調(diào)用語音子程序輸出語音提示信息。延時(shí)1s后將狀態(tài)鎖存。系統(tǒng)先對(duì)輸入端口進(jìn)行掃描,再將掃描結(jié)果與鎖存器中數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,如果相同則直接清看門狗返回到端口掃描進(jìn)入下一次循環(huán),如果不相同則將掃描結(jié)果(有電或無電)輸出到端口中的指示模塊中顯示結(jié)果,然后調(diào)用語音子程序輸出語音提示信息,再清看門狗,返回到狀態(tài)鎖存,將本次采集的狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行鎖存,用于下一次采集信號(hào)時(shí)比較之用,然后進(jìn)入下一次循環(huán)。為了保證系統(tǒng)能正常運(yùn)行,在兩個(gè)分支循環(huán)中都設(shè)有清看門狗程序。

系統(tǒng)整個(gè)工作流程如下:第一次上電工作或重啟后工作顯示為有電狀態(tài),并且發(fā)出有電語音提示,延時(shí)1秒后如果指示狀態(tài)沒有改變則表明線路有電,否則延時(shí)結(jié)束會(huì)改變指示狀態(tài),并且有無電語音提示,表明線路無電。

另外,在語音輸出中語音提示為“線路上電,請(qǐng)注意安全”和“線路斷電”等兩句語音。

結(jié)束語

非接觸式驗(yàn)電器在進(jìn)行驗(yàn)電工作時(shí)不需要與高壓線直接接觸,使用起來安全、方便。本文設(shè)計(jì)的驗(yàn)電器采用單片機(jī)作為檢測(cè)和控制核心,在驗(yàn)電提醒時(shí)兼有視覺和語音提示,系統(tǒng)信號(hào)穩(wěn)定,可靠性高。

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