基于SPE61A單片機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。單片機將接收到的信號與上一次信號進行比較，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行鎖存，用以對下次采集的信號進行比較。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。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

本系統(tǒng)采用凌陽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。

相關(guān)文獻中對本裝置的各模塊功能結(jié)構(gòu)和原理已經(jīng)進行過詳細的論述，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)控計算機中進行監(jiān)控。如果將信號通過驗電器裝置發(fā)送到計算機就遇到一個共地線問題，要讓計算機正確地識別驗電器傳送過來的信號就必須使計算機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(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)先對輸入端口進行掃描，再將掃描結(jié)果與鎖存器中數(shù)據(jù)進行比較，如果相同則直接清看門狗返回到端口掃描進入下一次循環(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)信號進行鎖存，用于下一次采集信號時比較之用，然后進入下一次循環(huán)。為了保證系統(tǒng)能正常運行，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。