基于单片机的非接触式高压验电器的开发

      设计思想与总体方案

      1 非接触式验电器的设计思想

      本次开发的验电器主要用于铁路中高压输电线路的监测工作，其设计要求是监测铁路中高压线路的运行情况，要求能正确判断高压线是否带电，并将有电、无电信号通过发光二极管显示出来，同时还要发出相应状态的语音提示信息。

      另外，验电器通常安装在室外，因此本装置还要满足室外工作的要求。

      2 总体设计方案和框图

      本验电器以SPE61A单片机作为检测和控制核心。装置采用铜片式传感器监测高压线附近电场，将电场信号转化为电压信号后送往信号处理电路，信号处理电路将该模拟信号转换成直流的有电、无电的状态信号送往单片机。单片机将接收到的信号与上一次信号进行比较，如果本次采集的信号跟上次采集信号相同，则继续下一次信号的采集，如果不同，则发出新的信号到语音模块、指示模块和信号传送模块，同时将本次采集的信号进行锁存，用以对下次采集的信号进行比较。语音模块收到信号后发出有电或无电语音提示；指示模块收到信号后发出有电或无电指示；信号传送模块收到信号后发出有电或无电状态信号送到室内监控计算机。硬件结构图如图1所示。

图1 硬件结构图

      系统的硬件设计

      1 单片机

      本系统采用凌阳SPE61A单片机作为检测和控制核心。SPCE061A是继  μ'nSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技公司推出的又一个16位结构的微控制器。它设计有2个16位IO端口。该控制器可以在较宽的电源电压范围（2.6～5.5V）及系统时钟频率范围 （0.375～24.576 MHz）内工作，除了数据总线增至16位从而提高了工作速度外，SPE61A 16 位单片机内集成了更多的系统外围资源。其中有大容量ROM及静态RAM、红外通信接口、RS-232通用异步全双工串行接口、10位A/D及D/A转换、内置式带自动增益控制的扩音器输入通道、32768Hz实时时钟以及低电压复位/低电压监测系统。另外，SPE61A中还嵌入了LCD控制驱动和双音多频信令（DTMF）发生器功能等。

      SPE61A最大的特点就是内置7通道10位电压模／数转换器(ADC)和单通道声音模／数转换器，其中，声音模／数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能。这使得SPE61A具备了初步的语音播放和识别功能。

      在本系统中，SPE61A单片机主要监测和处理输入信号。在接收到来自信号处理模块的信号后单片机将相应的判断，并将处理结果发送到后续电路。

      2 传感器

      传感器用于读取电场信号，是整个设备的信号源。传感器被安装在距离高压线0.8m的正下方，用于读取和转换高压线附近的电场信号。本装置中的传感器采用铜片电容设计，从电容两端分别引出两根导线，其中一根导线作为信号输出的正极，另一根接地，作为地线。

      另外，为了安全需要，在传感器的地线端多引出了一条地线（称为检测地线）作为电路中指示模块、语音提示模块和信号传送模块的地线，用于判断传感器传输线路是否完好。此时，若信号传输线路断开，则此地线亦断开，那么指示模块、语音提示模块和信号传送模块均不能工作，信号指示灯不能发光，语音模块被能发出语音信息，传送电脑的有电和无电信号也同时断掉，不会发出错误信号，提高了系统的可靠性，避免信号线断开时发出错误的无电信号，造成事故。

      传感器采用封闭式半球形光滑外壳设计，能够彻底防水，满足室外工作要求。

      3 信号处理模块

      信号处理由信号跟随电路、滤波电路、倍压整流电路、减法电路、放大电路、施密特触发电路、信号指示和监控信号发送电路组成，其原理图如图2所示。输入信号来自传感器的送出的工频交流电压信号，该信号经过信号跟随电路跟随并正向偏置后进行滤波，然后将交流信号倍压整流成直流信号，减法器减掉相邻线路间的干扰信号，放大器将信号进行必要的放大后送入施密特触发器，触发器根据输入信号的大小送出有电、无电两种信号到单片机。

      相关文献中对本装置的各模块功能结构和原理已经进行过详细的论述，本文不再累述。

图2 信号处理电路功能模块图

      4 语音模块

      语音提示信息处理由SPE61A自带的语音模块完成。本系统中直接在该模块中外接功放电路和喇叭，语音提示信息通过外接喇叭发出。

      5 指示模块

      指示模块由两只发光二极管组成，分别为红色和绿色，红色表示有电，绿色表示无电。由于SPE61A端口有足够的驱动能力，因此，本系统中直接将发光二极管接入到单片机端口中。

图3 信号传送

      6 信号发传送模块

      本验电器不仅要把高压线是否带电状况在指示模块中显示出来，还要将该信号送往室内监控计算机中进行监控。如果将信号通过验电器装置发送到计算机就遇到一个共地线问题，要让计算机正确地识别验电器传送过来的信号就必须使计算机和验电器共一个地线，否则，会因传送线路过长不共地线而导致计算机识别信号出错。本装置的信号传送方式如图3所示，由计算机发送信号，验电器内部通过继电器开关来控制有电或无电线路的导通或断开，计算机接收由自己发送的经过继电器开关送来的两路信号，若有电线路送来高电平信号，则无电线路送来低电平，此时高压线有电；若无电线路送来高电平信号，则有电线路送来低电平，高压线无电，若两路线路都送来高电平信号或低电平信号则电路出错。

      语音模块中的功放电路、指示模块中发光二极管和信号发送模块中控制电路都以检测地线作为地线，这样就可以完成对传感器传输线路的判断，避免传感器线路的断开而发出错误的指示信息。

      另外，由于硬件都必须在室外工作，因此，整个硬件设备都被安装在以各特殊设计的防水金属外壳中。

      系统的软件设计

图4 软件流程图

      系统软件设计如图4所示。在系统第一次上电运行时先初始化到有电状态并将该信号端口中的指示模块中显示结果，调用语音子程序输出语音提示信息。延时1s后将状态锁存。系统先对输入端口进行扫描，再将扫描结果与锁存器中数据进行比较，如果相同则直接清看门狗返回到端口扫描进入下一次循环,如果不相同则将扫描结果（有电或无电）输出到端口中的指示模块中显示结果，然后调用语音子程序输出语音提示信息，再清看门狗，返回到状态锁存，将本次采集的状态信号进行锁存，用于下一次采集信号时比较之用，然后进入下一次循环。为了保证系统能正常运行，在两个分支循环中都设有清看门狗程序。

      系统整个工作流程如下：第一次上电工作或重启后工作显示为有电状态，并且发出有电语音提示，延时1秒后如果指示状态没有改变则表明线路有电，否则延时结束会改变指示状态，并且有无电语音提示，表明线路无电。

      另外，在语音输出中语音提示为“线路上电，请注意安全”和“线路断电”等两句语音。

      结束语

      非接触式验电器在进行验电工作时不需要与高压线直接接触，使用起来安全、方便。本文设计的验电器采用单片机作为检测和控制核心，在验电提醒时兼有视觉和语音提示，系统信号稳定，可靠性高。