基于AT89S52的机载电气盒测试仪的设计

1 引言
    飞机起飞前通常由地面电源向飞机机载设备供电，起飞后则由飞机发动机带动发电机发电为机载设备供电。供电电网的质量直接关系到机载设备寿命及飞行安全，而机载电气盒主要实时监控飞机发电机网络或地面电源网络的电压、频率、差动电流、相序等参数。无论是飞机起飞前的地面电源还是起飞后的发电机电网，一旦出现过压、过过压、欠压、欠频、欠欠频、超频、超超频、逆序和差动故障时，必须在延迟时间内自动断开发电机或地面电源，采用后备电源向飞机供电，从而有效保护机载设备和飞行安全。本文提出一种采用AT89S52单片机设计的机载电气盒测试仪，该测试仪可测试机载电气盒的保护功能，测量延迟保护时间。

2 系统组成与工作原理
    该机载电气盒测试仪硬件设计是由AT89S52单片机、显示模块、系统复位模块、时钟振荡模块、电源模块、计时模块、测试选择模块和接口电路组成(图1)，其程控电源的电压、频率、相位、相序均可调，模拟地面电源或发电机电网的电源故障。该系统的工作原理：当供电电网出现故障，接口电路发出一个控制信号将出现故障的电源引入电气盒，同时接口电路给单片机一个信号，当单片机收到该信号后，控制计时模块开始计时，显示模块显示过压、过过压、欠压、欠频、欠欠频、超频、超超频、逆序和差动等故障的具体故障项；经过一段时间后，电气盒发出一个控制信号，切断电网向机载设备的供电，同时该控制信号进入接口电路，接口电路控制计时器停止计时；读取计时模块时间，判断该时间是否在系统允许范围内，若不在允许范围内或机载电气盒未发出计时停止信号(切断电网向机载设备供电的控制信号)，则不能实现电气盒的该项故障监控及保护功能，说明电气盒出现故障。

3．1 AT89S52单片机
    AT89S52单片机是一款低功耗，高性能CMOS 8位微控制器，片内有8 KB系统可编程flash的闪速存储器，256字节内部RAM，32条I／O端口线，看门狗定时(WDT)，2个数据指针，3个16位定时，计数器，一个 6向量2级中断结构，一个全双工串行通信口，片内晶体振荡器及时钟电路。AT89S52强大的功能可满足该测试仪的设计要求。[page]

3．2 系统复位、时钟振荡模块
    系统复位模块由S1、R1、R2和C3组成，其中S1为复位按钮，C3为电解电容，R1、R2为精密电阻；而时钟振荡模块由晶振Y1、C1和C2组成。

3．3 显示模块
    图2中9个LED发光二极管用于显示电气盒正在测试具体故障。74LS154为4-16译码器，选通引脚G1、G2接地，A，B，C，D依次接单片机P1.0，P1．1，P1．2和P1. 3，通过向AT89S52的P1口写相应的数据决定译码器选通的具体通道，译码器的输出经2片TTL7404非门反向后驱动三极管，点亮相应的LED。当向P1口的低4位依次写入0～8时，译码器输出经非门反向后驱动三极管，分别点亮欠压指示灯、过压指示灯、过过压指示灯、欠频指示灯、欠欠频指示灯、超频指示灯、超超频指示灯、逆序指示灯和差动指示灯。当P1口输入均为高电平时，所有指示灯都熄灭。

3．4 计时模块
    计时模块是由计时控制电路和计时器组成。其中，计时控制电路由2个NPN三极管和限流电阻组成；计时器是一个6位显示的计时器，计时可精确到毫秒级，引脚2为计时器的计时控制端，当该引脚是低电平时，计时器开始计时；当为高电平时，计时器停止计时。因此，电网出现故障时，接口电路向AT89S52发出控制信号，单片机将P0.3口置为低电平，计时器开始计时。当AT89S52收到由电气盒发出并经接口电路转换的计时停止信号时，单片机将P0.3口置为高电平，计时器停止计时。这时可根据计时器读数判断延迟保护时间是否在允许范围内。按钮开关S2为计时器的清零按钮，按下S2计时器清零。
3．5 测试选择模块
    当开关K1断开时，三极管截止，单片机P0.0口为高电平，表明电气盒对发电机电网参数的监控与保护功能进行测试；当开关K1闭合时，三极管导通，单片机P00口的电平为低电平，表明电气盒对地面电源参数的监控与保护功能进行测试。因为单片机复位时。所有的I/O口为高电平，所以当K1处于断开状态时，单片机复位即进入电气盒对发电机电网参数的监控与保护功能的测试状态。
3．6 接口电路
    接口电路如图3所示，当地面电源出现故障时，计时停止信号1通过电气盒接地(0 V)，此时P0.1口为低电平，计时器计时；当电气盒切断地面电源向机载设备的供电时，计时停止信号1通过电气盒接电源(24 V)，此时P0.1口为高电平，计时器停止计时。当飞机发电机电网出现故障，计时停止信号2通过电气盒接电源(24 V)，此时P0.2口为低电平，计时器计时；当电气盒切断发电机电网向机载设备的供电时，计时停止信号2通过电气盒接电源(0 V)，此时P0.2口为高电平。计时器停止计时。

    以发电机电网过电压故障为例，结合图2、图3，当闭合K8时，三极管导通，电气盒引脚通过电阻、二极管和三极管接地，此时，发电机电网出现过电压(由程控电源模拟)，P0.4口变为低电平，单片机控制P0.3为低电平，计时器开始计时，同时向P1口写数据，点亮过压指示灯；单片机不停检测P0.2口，经一定延迟后，电气盒切断发电机电网向机载设备的供电。计时停止信号2使P0.2口变为高电平，一旦单片机检测到P0.2口变为高电平，则向P0.3口写入高电平，计时器停止计时，读出计时器数据，判断该时间是否在允许范围内。此时单片机不停检测P0.4口，一旦断开K8，P0.4口变为高电平，单片机向P1 口写入数据，过压指示灯熄灭。完成电气盒对发电机电网过压故障保护功能的测试。

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    各接口模块与AT89S52的端口连接，可完成不同测试功能。其中，与P0.4相连可用来测试电气盒对发电机电网过压故障保护功能，与P0.5相连用来测试电气盒对发电机电网欠压故障保护功能，与P0.6相连用来测试电气盒对发电机电网过过压故障保护功能，与P0.7相连用来测试电气盒对发电机电网欠频故障保护功能，与P2.7相连用来测试电气盒对发电机电网欠欠频故障保护功能，与P2.6相连用来测试电气盒对发电机电网差动故障保护功能；与P2.5相连用来测试电气盒对地面电源欠压故障保护功能，与P2.4相连用来测试电气盒对地面电源过压故障保护功能，与P2.3相连用来测试电气盒对地面电源过过压故障保护功能，与P2.2相连用来测试电气盒对地面电源欠频故障保护功能，与P2.1相连用来测试电气盒对地面电源超频故障保护功能，与P2.0相连用来测试电气盒对地面电源超超频故障保护功能，与P3.1相连用来测试电气盒对地面电源逆序故障保护功能。

4 系统软件设计
    上电复位后，单片机首先查询P0.0口，当P0.0为高电平时，表明正在测试电气盒对发电机电网故障保护功能，当P0.0为低电平时，表明正在测试电气盒对地面电源故障保护功能。因为复位后单片机I／O口均为高电平，所以复位后，测试仪自动进入电气盒对发电机电网故障保护功能的测试，单片机循环查询P0.0、P0.4、P0.5、P0.6、P0.7、P2.7和P2.6当检测到P0.4、 P0.5、P0.6P0.7、P2.7和P2.6中任意一个为低电平时，进入相应的故障保护功能测试；而当检测到P0.0口为低电平时，测试仪进入电气盒对地面电源故障保护功能的测试，单片机循环查询P0.0、P2.5、P2.4、P2.3、P2.2、P2.1、P2.0和P3.1当检测到P2.5、 P2.4、P2.3、P2.2、P2.1、P2.0和P3.1中的任意一个为低电平时，则进入相应的故障保护功能测试。
    一旦进入故障保护功能测试，首先判断确实是电网故障，然后点亮相应的指示灯，并控制计时器开始计时；等计时停止信号到来时，控制计时器停止计时，计时器读数为延迟时间，待故障消失后，指示灯熄灭，退出测试；若计时停止信号不会到来或延迟时间远超过允许时间，则该项保护功能无法实现，断开故障电网，故障消失，指示灯熄灭，退出该项测试。图4为电气盒测试仪的程序流程。

5 结束语
    电磁干扰是测试仪在研制过程中遇到的主要问题，测试仪采用金属盒封装切断电磁干扰传播路径、电路板布线及元件布局带来的串扰，并采用数据冗余保护与纠错在软件上解决干扰问题，从而大大提高测试仪的抗干扰性。实际应用表明，该测试仪具有测试准确，性能先进，工作可靠，操作方便，成本低等优点，在日常机务维护和故障诊断中发挥着重要作用。