SPE61A單片機為核心開(kāi)發(fā)新式驗電器的設計思想和方

本文設計思想與總體方案

1 設計思想

針對于鐵路中高壓輸電線(xiàn)路的監測工作，本次開(kāi)發(fā)的驗電器設計要求是監測鐵路中高壓線(xiàn)路的運行情況，要求能正確判斷高壓線(xiàn)是否帶電，并將有電、無(wú)電信號通過(guò)發(fā)光二極管顯示出來(lái)，同時(shí)還要發(fā)出相應狀態(tài)的語(yǔ)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(mǎn)足室外工作的要求。

2 總體設計方案和框圖

本驗電器以SPE61A單片機作為檢測和控制核心。裝置采用銅片式傳感器監測高壓線(xiàn)附近電場(chǎng)，將電場(chǎng)信號轉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換成直流的有電、無(wú)電的狀態(tài)信號送往單片機。單片機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，則繼續下一次信號的采集，如果不同，則發(fā)出新的信號到語(yǔ)音模塊、指示模塊和信號傳送模塊，同時(shí)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(yǔ)音模塊收到信號后發(fā)出有電或無(wú)電語(yǔ)音提示;指示模塊收到信號后發(fā)出有電或無(wú)電指示;信號傳送模塊收到信號后發(fā)出有電或無(wú)電狀態(tài)信號送到室內監控計算機。硬件結構圖如圖1所示。

圖1 硬件結構圖

系統的硬件設計

1傳感器

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

另外，為了安全需要，在傳感器的地線(xiàn)端多引出了一條地線(xiàn)(稱(chēng)為檢測地線(xiàn))作為電路中指示模塊、語(yǔ)音提示模塊和信號傳送模塊的地線(xiàn)，用于判斷傳感器傳輸線(xiàn)路是否完好。此時(shí)，若信號傳輸線(xiàn)路斷開(kāi)，則此地線(xiàn)亦斷開(kāi)，那么指示模塊、語(yǔ)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(yǔ)音模塊被能發(fā)出語(yǔ)音信息，傳送電腦的有電和無(wú)電信號也同時(shí)斷掉，不會(huì )發(fā)出錯誤信號，提高了系統的可靠性，避免信號線(xiàn)斷開(kāi)時(shí)發(fā)出錯誤的無(wú)電信號，造成事故。

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

2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、信號指示和監控信號發(fā)送電路組成，其原理圖如圖2所示。輸入信號來(lái)自傳感器的送出的工頻交流電壓信號，該信號經(jīng)過(guò)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(xiàn)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)器根據輸入信號的大小送出有電、無(wú)電兩種信號到單片機。

相關(guān)文獻中對本裝置的各模塊功能結構和原理已經(jīng)進(jìn)行過(guò)詳細的論述，本文不再累述。

圖2 信號處理電路功能模塊圖

3 單片機

本系統采用凌陽(yáng)SPE61A單片機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(yáng)科技公司推出的又一個(gè)16位結構的微控制器。它設計有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)及系統時(shí)鐘頻率范圍 (0.375～24.576 MHz)內工作，除了數據總線(xiàn)增至16位從而提高了工作速度外，SPE61A 16 位單片機內集成了更多的系統外圍資源。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轉換、內置式帶自動(dòng)增益控制的擴音器輸入通道、32768Hz實(shí)時(shí)時(shí)鐘以及低電壓復位/低電壓監測系統。另外，SPE61A中還嵌入了LCD控制驅動(dòng)和雙音多頻信令(DTMF)發(fā)生器功能等。

SPE61A最大的特點(diǎn)就是內置7通道10位電壓模/數轉換器(ADC)和單通道聲音模/數轉換器，其中，聲音模/數轉換器輸入通道內置麥克風(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)音播放和識別功能。

在本系統中，SPE61A單片機主要監測和處理輸入信號。在接收到來(lái)自信號處理模塊的信號后單片機將相應的判斷，并將處理結果發(fā)送到后續電路。

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端口有足夠的驅動(dòng)能力，因此，本系統中直接將發(fā)光二極管接入到單片機端口中。

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(xiàn)是否帶電狀況在指示模塊中顯示出來(lái)，還要將該信號送往室內監控計算機中進(jìn)行監控。如果將信號通過(guò)驗電器裝置發(fā)送到計算機就遇到一個(gè)共地線(xiàn)問(wèn)題，要讓計算機正確地識別驗電器傳送過(guò)來(lái)的信號就必須使計算機和驗電器共一個(gè)地線(xiàn)，否則，會(huì )因傳送線(xiàn)路過(guò)長(cháng)不共地線(xiàn)而導致計算機識別信號出錯。本裝置的信號傳送方式如圖3所示，由計算機發(fā)送信號，驗電器內部通過(guò)繼電器開(kāi)關(guān)來(lái)控制有電或無(wú)電線(xiàn)路的導通或斷開(kāi)，計算機接收由自己發(fā)送的經(jīng)過(guò)繼電器開(kāi)關(guān)送來(lái)的兩路信號，若有電線(xiàn)路送來(lái)高電平信號，則無(wú)電線(xiàn)路送來(lái)低電平，此時(shí)高壓線(xiàn)有電;若無(wú)電線(xiàn)路送來(lái)高電平信號，則有電線(xiàn)路送來(lái)低電平，高壓線(xiàn)無(wú)電，若兩路線(xiàn)路都送來(lái)高電平信號或低電平信號則電路出錯。

語(yǔ)音模塊中的功放電路、指示模塊中發(fā)光二極管和信號發(fā)送模塊中控制電路都以檢測地線(xiàn)作為地線(xiàn)，這樣就可以完成對傳感器傳輸線(xiàn)路的判斷，避免傳感器線(xiàn)路的斷開(kāi)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(gè)硬件設備都被安裝在以各特殊設計的防水金屬外殼中。

系統的軟件設計

圖4 軟件流程圖

系統軟件設計如圖4所示。在系統第一次上電運行時(shí)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果，調用語(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。系統先對輸入端口進(jìn)行掃描，再將掃描結果與鎖存器中數據進(jìn)行比較，如果相同則直接清看門(mén)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果(有電或無(wú)電)輸出到端口中的指示模塊中顯示結果，然后調用語(yǔ)音子程序輸出語(yǔ)音提示信息，再清看門(mén)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(shí)比較之用，然后進(jìn)入下一次循環(huán)。為了保證系統能正常運行，在兩個(gè)分支循環(huán)中都設有清看門(mén)狗程序。

系統整個(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(méi)有改變則表明線(xiàn)路有電，否則延時(shí)結束會(huì )改變指示狀態(tài)，并且有無(wú)電語(yǔ)音提示，表明線(xiàn)路無(wú)電。

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

結束語(yǔ)

非接觸式驗電器在進(jìn)行驗電工作時(shí)不需要與高壓線(xiàn)直接接觸，使用起來(lái)安全、方便。本文設計的驗電器采用單片機作為檢測和控制核心，在驗電提醒時(shí)兼有視覺(jué)和語(yǔ)音提示，系統信號穩定，可靠性高。