基于SPE61A單片機(jī)的非接觸式高壓驗電器的開發(fā)

設(shè)計思想與總體方案

1 非接觸式驗電器的設(shè)計思想

本次開發(fā)的驗電器主要用于鐵路中高壓輸電線路的監(jiān)測工作，其設(shè)計要求是監(jiān)測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、無電信號通過發(fā)光二極管顯示出來，同時還要發(fā)出相應(yīng)狀態(tài)的語音提示信息。

另外，驗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)計方案和框圖

本驗電器以SPE61A單片機(jī)作為檢測和控制核心。裝置采用銅片式傳感器監(jiān)測高壓線附近電場，將電場信號轉(zhuǎn)化為電壓信號后送往信號處理電路，信號處理電路將該模擬信號轉(zhuǎn)換成直流的有電、無電的狀態(tài)信號送往單片機(jī)。單片機(jī)將接收到的信號與上一次信號進(jìn)行比較，如果本次采集的信號跟上次采集信號相同，則繼續(xù)下一次信號的采集，如果不同，則發(fā)出新的信號到語音模塊、指示模塊和信號傳送模塊，同時將本次采集的信號進(jìn)行鎖存，用以對下次采集的信號進(jìn)行比較。語音模塊收到信號后發(fā)出有電或無電語音提示；指示模塊收到信號后發(fā)出有電或無電指示；信號傳送模塊收到信號后發(fā)出有電或無電狀態(tài)信號送到室內(nèi)監(jiān)控計算機(jī)。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1 單片機(jī)

本系統(tǒng)采用凌陽SPE61A單片機(jī)作為檢測和控制核心。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16位結(jié)構(gòu)的微控制器。它設(shè)計有2個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)置式帶自動增益控制的擴(kuò)音器輸入通道、32768Hz實時時鐘以及低電壓復(fù)位/低電壓監(jiān)測系統(tǒng)。另外，SPE61A中還嵌入了LCD控制驅(qū)動和雙音多頻信令（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)放大器和自動增益控制(AGC)功能。這使得SPE61A具備了初步的語音播放和識別功能。

在本系統(tǒng)中，SPE61A單片機(jī)主要監(jiān)測和處理輸入信號。在接收到來自信號處理模塊的信號后單片機(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信號，是整個設(shè)備的信號源。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信號。本裝置中的傳感器采用銅片電容設(shè)計，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（稱為檢測地線）作為電路中指示模塊、語音提示模塊和信號傳送模塊的地線，用于判斷傳感器傳輸線路是否完好。此時，若信號傳輸線路斷開，則此地線亦斷開，那么指示模塊、語音提示模塊和信號傳送模塊均不能工作，信號指示燈不能發(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也同時斷掉，不會發(fā)出錯誤信號，提高了系統(tǒng)的可靠性，避免信號線斷開時發(fā)出錯誤的無電信號，造成事故。

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

3 信號處理模塊

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

相關(guān)文獻(xiàn)中對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。

圖2 信號處理電路功能模塊圖

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。

圖3 信號傳送

6 信號發(fā)傳送模塊

本驗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，還要將該信號送往室內(nèi)監(jiān)控計算機(jī)中進(jìn)行監(jiān)控。如果將信號通過驗電器裝置發(fā)送到計算機(jī)就遇到一個共地線問題，要讓計算機(jī)正確地識別驗電器傳送過來的信號就必須使計算機(jī)和驗電器共一個地線，否則，會因傳送線路過長不共地線而導(dǎo)致計算機(jī)識別信號出錯。本裝置的信號傳送方式如圖3所示，由計算機(jī)發(fā)送信號，驗電器內(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，若有電線路送來高電平信號，則無電線路送來低電平，此時高壓線有電；若無電線路送來高電平信號，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或低電平信號則電路出錯。

語音模塊中的功放電路、指示模塊中發(fā)光二極管和信號發(fā)送模塊中控制電路都以檢測地線作為地線，這樣就可以完成對傳感器傳輸線路的判斷，避免傳感器線路的斷開而發(fā)出錯誤的指示信息。
另外，由于硬件都必須在室外工作，因此，整個硬件設(shè)備都被安裝在以各特殊設(shè)計的防水金屬外殼中。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計

圖4 軟件流程圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計如圖4所示。在系統(tǒng)第一次上電運(yùn)行時先初始化到有電狀態(tài)并將該信號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1s后將狀態(tài)鎖存。系統(tǒng)先對輸入端口進(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)信號進(jìn)行鎖存，用于下一次采集信號時比較之用，然后進(jìn)入下一次循環(huán)。為了保證系統(tǒng)能正常運(yùn)行，在兩個分支循環(huán)中都設(shè)有清看門狗程序。

系統(tǒng)整個工作流程如下：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，否則延時結(jié)束會改變指示狀態(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，請注意安全”和“線路斷電”等兩句語音。

結(jié)束語

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