基于AT89S52的機(jī)載電氣盒測試儀的設(shè)計(jì)

1 引言
    飛機(jī)起飛前通常由地面電源向飛機(jī)機(jī)載設(shè)備供電，起飛后則由飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電為機(jī)載設(shè)備供電。供電電網(wǎng)的質(zhì)量直接關(guān)系到機(jī)載設(shè)備壽命及飛行安全，而機(jī)載電氣盒主要實(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)發(fā)電機(jī)網(wǎng)絡(luò)或地面電源網(wǎng)絡(luò)的電壓、頻率、差動(dòng)電流、相序等參數(shù)。無論是飛機(jī)起飛前的地面電源還是起飛后的發(fā)電機(jī)電網(wǎng)，一旦出現(xiàn)過壓、過過壓、欠壓、欠頻、欠欠頻、超頻、超超頻、逆序和差動(dòng)故障時(shí)，必須在延遲時(shí)間內(nèi)自動(dòng)斷開發(fā)電機(jī)或地面電源，采用后備電源向飛機(jī)供電，從而有效保護(hù)機(jī)載設(shè)備和飛行安全。本文提出一種采用AT89S52單片機(jī)設(shè)計(jì)的機(jī)載電氣盒測試儀，該測試儀可測試機(jī)載電氣盒的保護(hù)功能，測量延遲保護(hù)時(shí)間。

2 系統(tǒng)組成與工作原理
    該機(jī)載電氣盒測試儀硬件設(shè)計(jì)是由AT89S52單片機(jī)、顯示模塊、系統(tǒng)復(fù)位模塊、時(shí)鐘振蕩模塊、電源模塊、計(jì)時(shí)模塊、測試選擇模塊和接口電路組成(圖1)，其程控電源的電壓、頻率、相位、相序均可調(diào)，模擬地面電源或發(fā)電機(jī)電網(wǎng)的電源故障。該系統(tǒng)的工作原理：當(dāng)供電電網(wǎng)出現(xiàn)故障，接口電路發(fā)出一個(gè)控制信號將出現(xiàn)故障的電源引入電氣盒，同時(shí)接口電路給單片機(jī)一個(gè)信號，當(dāng)單片機(jī)收到該信號后，控制計(jì)時(shí)模塊開始計(jì)時(shí)，顯示模塊顯示過壓、過過壓、欠壓、欠頻、欠欠頻、超頻、超超頻、逆序和差動(dòng)等故障的具體故障項(xiàng)；經(jīng)過一段時(shí)間后，電氣盒發(fā)出一個(gè)控制信號，切斷電網(wǎng)向機(jī)載設(shè)備的供電，同時(shí)該控制信號進(jìn)入接口電路，接口電路控制計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)；讀取計(jì)時(shí)模塊時(shí)間，判斷該時(shí)間是否在系統(tǒng)允許范圍內(nèi)，若不在允許范圍內(nèi)或機(jī)載電氣盒未發(fā)出計(jì)時(shí)停止信號(切斷電網(wǎng)向機(jī)載設(shè)備供電的控制信號)，則不能實(shí)現(xiàn)電氣盒的該項(xiàng)故障監(jiān)控及保護(hù)功能，說明電氣盒出現(xiàn)故障。

3．1 AT89S52單片機(jī)
    AT89S52單片機(jī)是一款低功耗，高性能CMOS 8位微控制器，片內(nèi)有8 KB系統(tǒng)可編程flash的閃速存儲器，256字節(jié)內(nèi)部RAM，32條I／O端口線，看門狗定時(shí)(WDT)，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，3個(gè)16位定時(shí)，計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)晶體振蕩器及時(shí)鐘電路。AT89S52強(qiáng)大的功能可滿足該測試儀的設(shè)計(jì)要求。
3．2 系統(tǒng)復(fù)位、時(shí)鐘振蕩模塊
    系統(tǒng)復(fù)位模塊由S1、R1、R2和C3組成，其中S1為復(fù)位按鈕，C3為電解電容，R1、R2為精密電阻；而時(shí)鐘振蕩模塊由晶振Y1、C1和C2組成。

3．3 顯示模塊
    圖2中9個(gè)LED發(fā)光二極管用于顯示電氣盒正在測試具體故障。74LS154為4-16譯碼器，選通引腳G1、G2接地，A，B，C，D依次接單片機(jī)P1.0，P1．1，P1．2和P1. 3，通過向AT89S52的P1口寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)決定譯碼器選通的具體通道，譯碼器的輸出經(jīng)2片TTL7404非門反向后驅(qū)動(dòng)三極管，點(diǎn)亮相應(yīng)的LED。當(dāng)向P1口的低4位依次寫入0～8時(shí)，譯碼器輸出經(jīng)非門反向后驅(qū)動(dòng)三極管，分別點(diǎn)亮欠壓指示燈、過壓指示燈、過過壓指示燈、欠頻指示燈、欠欠頻指示燈、超頻指示燈、超超頻指示燈、逆序指示燈和差動(dòng)指示燈。當(dāng)P1口輸入均為高電平時(shí)，所有指示燈都熄滅。

3．4 計(jì)時(shí)模塊
    計(jì)時(shí)模塊是由計(jì)時(shí)控制電路和計(jì)時(shí)器組成。其中，計(jì)時(shí)控制電路由2個(gè)NPN三極管和限流電阻組成；計(jì)時(shí)器是一個(gè)6位顯示的計(jì)時(shí)器，計(jì)時(shí)可精確到毫秒級，引腳2為計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)控制端，當(dāng)該引腳是低電平時(shí)，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)；當(dāng)為高電平時(shí)，計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)。因此，電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，接口電路向AT89S52發(fā)出控制信號，單片機(jī)將P0.3口置為低電平，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)。當(dāng)AT89S52收到由電氣盒發(fā)出并經(jīng)接口電路轉(zhuǎn)換的計(jì)時(shí)停止信號時(shí)，單片機(jī)將P0.3口置為高電平，計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)。這時(shí)可根據(jù)計(jì)時(shí)器讀數(shù)判斷延遲保護(hù)時(shí)間是否在允許范圍內(nèi)。按鈕開關(guān)S2為計(jì)時(shí)器的清零按鈕，按下S2計(jì)時(shí)器清零。
3．5 測試選擇模塊
    當(dāng)開關(guān)K1斷開時(shí)，三極管截止，單片機(jī)P0.0口為高電平，表明電氣盒對發(fā)電機(jī)電網(wǎng)參數(shù)的監(jiān)控與保護(hù)功能進(jìn)行測試；當(dāng)開關(guān)K1閉合時(shí)，三極管導(dǎo)通，單片機(jī)P00口的電平為低電平，表明電氣盒對地面電源參數(shù)的監(jiān)控與保護(hù)功能進(jìn)行測試。因?yàn)閱纹瑱C(jī)復(fù)位時(shí)。所有的I/O口為高電平，所以當(dāng)K1處于斷開狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)復(fù)位即進(jìn)入電氣盒對發(fā)電機(jī)電網(wǎng)參數(shù)的監(jiān)控與保護(hù)功能的測試狀態(tài)。
3．6 接口電路
    接口電路如圖3所示，當(dāng)?shù)孛骐娫闯霈F(xiàn)故障時(shí)，計(jì)時(shí)停止信號1通過電氣盒接地(0 V)，此時(shí)P0.1口為低電平，計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)；當(dāng)電氣盒切斷地面電源向機(jī)載設(shè)備的供電時(shí)，計(jì)時(shí)停止信號1通過電氣盒接電源(24 V)，此時(shí)P0.1口為高電平，計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)。當(dāng)飛機(jī)發(fā)電機(jī)電網(wǎng)出現(xiàn)故障，計(jì)時(shí)停止信號2通過電氣盒接電源(24 V)，此時(shí)P0.2口為低電平，計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)；當(dāng)電氣盒切斷發(fā)電機(jī)電網(wǎng)向機(jī)載設(shè)備的供電時(shí)，計(jì)時(shí)停止信號2通過電氣盒接電源(0 V)，此時(shí)P0.2口為高電平。計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)。

    以發(fā)電機(jī)電網(wǎng)過電壓故障為例，結(jié)合圖2、圖3，當(dāng)閉合K8時(shí)，三極管導(dǎo)通，電氣盒引腳通過電阻、二極管和三極管接地，此時(shí)，發(fā)電機(jī)電網(wǎng)出現(xiàn)過電壓(由程控電源模擬)，P0.4口變?yōu)榈碗娖?，單片機(jī)控制P0.3為低電平，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，同時(shí)向P1口寫數(shù)據(jù)，點(diǎn)亮過壓指示燈；單片機(jī)不停檢測P0.2口，經(jīng)一定延遲后，電氣盒切斷發(fā)電機(jī)電網(wǎng)向機(jī)載設(shè)備的供電。計(jì)時(shí)停止信號2使P0.2口變?yōu)楦唠娖剑坏﹩纹瑱C(jī)檢測到P0.2口變?yōu)楦唠娖?，則向P0.3口寫入高電平，計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，讀出計(jì)時(shí)器數(shù)據(jù)，判斷該時(shí)間是否在允許范圍內(nèi)。此時(shí)單片機(jī)不停檢測P0.4口，一旦斷開K8，P0.4口變?yōu)楦唠娖?，單片機(jī)向P1 口寫入數(shù)據(jù)，過壓指示燈熄滅。完成電氣盒對發(fā)電機(jī)電網(wǎng)過壓故障保護(hù)功能的測試。
    各接口模塊與AT89S52的端口連接，可完成不同測試功能。其中，與P0.4相連可用來測試電氣盒對發(fā)電機(jī)電網(wǎng)過壓故障保護(hù)功能，與P0.5相連用來測試電氣盒對發(fā)電機(jī)電網(wǎng)欠壓故障保護(hù)功能，與P0.6相連用來測試電氣盒對發(fā)電機(jī)電網(wǎng)過過壓故障保護(hù)功能，與P0.7相連用來測試電氣盒對發(fā)電機(jī)電網(wǎng)欠頻故障保護(hù)功能，與P2.7相連用來測試電氣盒對發(fā)電機(jī)電網(wǎng)欠欠頻故障保護(hù)功能，與P2.6相連用來測試電氣盒對發(fā)電機(jī)電網(wǎng)差動(dòng)故障保護(hù)功能；與P2.5相連用來測試電氣盒對地面電源欠壓故障保護(hù)功能，與P2.4相連用來測試電氣盒對地面電源過壓故障保護(hù)功能，與P2.3相連用來測試電氣盒對地面電源過過壓故障保護(hù)功能，與P2.2相連用來測試電氣盒對地面電源欠頻故障保護(hù)功能，與P2.1相連用來測試電氣盒對地面電源超頻故障保護(hù)功能，與P2.0相連用來測試電氣盒對地面電源超超頻故障保護(hù)功能，與P3.1相連用來測試電氣盒對地面電源逆序故障保護(hù)功能。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    上電復(fù)位后，單片機(jī)首先查詢P0.0口，當(dāng)P0.0為高電平時(shí)，表明正在測試電氣盒對發(fā)電機(jī)電網(wǎng)故障保護(hù)功能，當(dāng)P0.0為低電平時(shí)，表明正在測試電氣盒對地面電源故障保護(hù)功能。因?yàn)閺?fù)位后單片機(jī)I／O口均為高電平，所以復(fù)位后，測試儀自動(dòng)進(jìn)入電氣盒對發(fā)電機(jī)電網(wǎng)故障保護(hù)功能的測試，單片機(jī)循環(huán)查詢P0.0、P0.4、P0.5、P0.6、P0.7、P2.7和P2.6當(dāng)檢測到P0.4、 P0.5、P0.6P0.7、P2.7和P2.6中任意一個(gè)為低電平時(shí)，進(jìn)入相應(yīng)的故障保護(hù)功能測試；而當(dāng)檢測到P0.0口為低電平時(shí)，測試儀進(jìn)入電氣盒對地面電源故障保護(hù)功能的測試，單片機(jī)循環(huán)查詢P0.0、P2.5、P2.4、P2.3、P2.2、P2.1、P2.0和P3.1當(dāng)檢測到P2.5、 P2.4、P2.3、P2.2、P2.1、P2.0和P3.1中的任意一個(gè)為低電平時(shí)，則進(jìn)入相應(yīng)的故障保護(hù)功能測試。
    一旦進(jìn)入故障保護(hù)功能測試，首先判斷確實(shí)是電網(wǎng)故障，然后點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈，并控制計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)；等計(jì)時(shí)停止信號到來時(shí)，控制計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)器讀數(shù)為延遲時(shí)間，待故障消失后，指示燈熄滅，退出測試；若計(jì)時(shí)停止信號不會到來或延遲時(shí)間遠(yuǎn)超過允許時(shí)間，則該項(xiàng)保護(hù)功能無法實(shí)現(xiàn)，斷開故障電網(wǎng)，故障消失，指示燈熄滅，退出該項(xiàng)測試。圖4為電氣盒測試儀的程序流程。

5 結(jié)束語
    電磁干擾是測試儀在研制過程中遇到的主要問題，測試儀采用金屬盒封裝切斷電磁干擾傳播路徑、電路板布線及元件布局帶來的串?dāng)_，并采用數(shù)據(jù)冗余保護(hù)與糾錯(cuò)在軟件上解決干擾問題，從而大大提高測試儀的抗干擾性。實(shí)際應(yīng)用表明，該測試儀具有測試準(zhǔn)確，性能先進(jìn)，工作可靠，操作方便，成本低等優(yōu)點(diǎn)，在日常機(jī)務(wù)維護(hù)和故障診斷中發(fā)揮著重要作用。