基于單片機(jī)的非接觸式高壓驗(yàn)電器的開發(fā)

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(wú)電信號(hào)通過(guò)發(fā)光二極管顯示出來(lái)，同時(shí)還要發(fā)出相應(yīng)狀態(tài)的語(yǔ)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(wú)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(yǔ)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(yǔ)音模塊收到信號(hào)后發(fā)出有電或無(wú)電語(yǔ)音提示；指示模塊收到信號(hào)后發(fā)出有電或無(wú)電指示；信號(hào)傳送模塊收到信號(hào)后發(fā)出有電或無(wú)電狀態(tài)信號(hào)送到室內(nèi)監(jiān)控計(jì)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(jì)

1 單片機(jī)

本系統(tǒng)采用凌陽(yáng)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(yáng)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(yǔ)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(lái)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(yǔ)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(yǔ)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(yǔ)音模塊被能發(fā)出語(yǔ)音信息，傳送電腦的有電和無(wú)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(wú)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(lái)自傳感器的送出的工頻交流電壓信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)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(wú)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(guò)詳細(xì)的論述，本文不再累述。

圖2 信號(hào)處理電路功能模塊圖

4 語(yǔ)音模塊

語(yǔ)音提示信息處理由SPE61A自帶的語(yǔ)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(yǔ)音提示信息通過(guò)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(wú)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。

圖3 信號(hào)傳送

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(lái)，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(guò)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(wèn)題，要讓計(jì)算機(jī)正確地識(shí)別驗(yàn)電器傳送過(guò)來(lái)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(guò)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(guò)繼電器開關(guān)來(lái)控制有電或無(wú)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(guò)繼電器開關(guān)送來(lái)的兩路信號(hào)，若有電線路送來(lái)高電平信號(hào)，則無(wú)電線路送來(lái)低電平，此時(shí)高壓線有電；若無(wú)電線路送來(lái)高電平信號(hào)，則有電線路送來(lái)低電平，高壓線無(wú)電，若兩路線路都送來(lái)高電平信號(hào)或低電平信號(hào)則電路出錯(cuò)。

語(yǔ)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)

圖4 軟件流程圖

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(yǔ)音子程序輸出語(yǔ)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(wú)電）輸出到端口中的指示模塊中顯示結(jié)果，然后調(diào)用語(yǔ)音子程序輸出語(yǔ)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(yǔ)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(wú)電語(yǔ)音提示，表明線路無(wú)電。

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

結(jié)束語(yǔ)

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(lái)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(yǔ)音提示，系統(tǒng)信號(hào)穩(wěn)定，可靠性高。