低壓電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)

劉 楊，朱兆優(yōu)

（東華理工大學(xué)，江西 撫州 344000）

隨著工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，電纜越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于電力、通信、交通等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的諸多行業(yè)。同時(shí)，由于很難測(cè)定斷點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，一些機(jī)械或腐蝕的原因引起電纜中金屬導(dǎo)線的斷裂，給電纜的修復(fù)工作帶來(lái)了很大的困難。如何準(zhǔn)確，迅速，精確地查找電纜故障，并加以排除，迅速恢復(fù)供電，減少停電時(shí)間，降低因停電造成的損失，便成了供電部門日益關(guān)注的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)總體功能設(shè)計(jì)

低壓電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。波形發(fā)生器產(chǎn)生一系列脈沖波，當(dāng)波形發(fā)生電路發(fā)出第一個(gè)脈沖波時(shí)，單片機(jī)AT89C51開始啟動(dòng)定時(shí)計(jì)數(shù)（這里采用機(jī)器周期作時(shí)基計(jì)數(shù)脈沖）。脈沖波發(fā)出后在電纜中傳播，遇到高阻的斷點(diǎn)、終端點(diǎn)或短路點(diǎn)就會(huì)發(fā)生反射波脈沖。單片機(jī)接收反射波脈沖，使之在接收到第一個(gè)反射的脈沖波時(shí)，觸發(fā)單片機(jī)停止計(jì)數(shù)。最后讀出定時(shí)計(jì)數(shù)器的值，就可計(jì)算出故障點(diǎn)的位置。

圖1 低壓電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理圖

假定此時(shí)單片機(jī)AT89C51定時(shí)計(jì)數(shù)器記錄下的脈沖波數(shù)為N，那么從發(fā)射到接收到反射的脈沖波所用的時(shí)間t=（2N+1）T，其中T為單片機(jī)機(jī)器周期。脈沖波在電纜中的傳播速度值的計(jì)算公式為：

式中：V是脈沖波在電纜中的傳播速度；L是電纜中的斷點(diǎn)與脈沖送入端的距離。

通過(guò)運(yùn)算就可測(cè)出電纜中斷點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。需要指出的是，在測(cè)量中，選擇合適的脈沖波周期，可以使測(cè)量誤差減小。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出1000 m以上長(zhǎng)度的此電纜，建議使用2 μs，傳播速度采用20 m/μs。脈沖波的寬度值為2 μs，為高頻信號(hào)，不易受外界信號(hào)干擾，可直接將脈沖波送入電纜中。其它情況下，需要選擇的參數(shù)按實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析，而且與電纜的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)電路包含單片機(jī)、脈沖發(fā)生電路、脈沖接收電路、數(shù)碼管顯示電路、鍵盤等幾部分組成，如圖2所示，在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄脈沖發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間差。當(dāng)收到脈沖反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在外部中斷輸入端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離，并顯示出來(lái)，然后繼續(xù)下一次的測(cè)量。鍵盤用來(lái)改變脈沖的周期。

圖2 低壓電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)硬件電路方框圖

圖3 脈沖發(fā)送及接收電路圖

2.1 脈沖發(fā)送及接收

脈沖發(fā)送及接收電路圖如圖3所示。脈沖信號(hào)由AT89C51單片機(jī)產(chǎn)生。D/A轉(zhuǎn)化電路主要由D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832和運(yùn)算放大器F032組成。該電路采用DAC0832的直通連接方式，AT89C51的數(shù)據(jù)線與DAC0832的數(shù)字端相連。D/A轉(zhuǎn)換電路采用雙極性輸出，即經(jīng)兩個(gè)運(yùn)算放大器F032輸出。由于單片機(jī)接收和輸出的只能是數(shù)字量，所以在實(shí)際的低壓電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)中，通過(guò)單片機(jī)擴(kuò)展D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模擬脈沖輸出。DAC0832輸出是電流型的，而在此設(shè)計(jì)中需要的是脈沖輸出信號(hào)，還需要外接運(yùn)算放大器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在本設(shè)計(jì)中應(yīng)用兩片F(xiàn)032芯片以代替雙運(yùn)放來(lái)構(gòu)成雙極性輸出。

由波的反射性質(zhì)可知：脈沖波反射回到發(fā)射點(diǎn)時(shí)，波形與原發(fā)射點(diǎn)波形反相。所以，反射的脈沖需要經(jīng)過(guò)4093施密特觸發(fā)器反相，整形后，輸入由運(yùn)算放大器的負(fù)反饋電路組成的限幅穩(wěn)壓電路，以防止脈沖在傳輸中幅值有所增大，造成接口芯片損壞。經(jīng)過(guò)限幅穩(wěn)壓后的脈沖就可直接輸入AT89C51的INT0端，觸發(fā)AT89C51產(chǎn)生外部中斷，單片機(jī)進(jìn)入中斷后停止計(jì)數(shù)，并對(duì)數(shù)值進(jìn)行處理。由于脈沖經(jīng)故障電纜反射后信號(hào)很微弱，為毫安級(jí)，如果直接送給AT89C51檢測(cè)不到，所以還需要經(jīng)過(guò)適當(dāng)放大。

2.2 鍵盤及顯示電路

為實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)對(duì)各種不同場(chǎng)合的不同結(jié)構(gòu)電纜的斷點(diǎn)測(cè)定，需改變脈沖波的周期值和傳播速度。為此，在AT89C51的P1口擴(kuò)展一個(gè)鍵盤電路，用來(lái)改變脈沖波的周期。由于不同電纜的電阻率不同，脈沖波在電纜中的傳播速度也就不同，要測(cè)出故障點(diǎn)到測(cè)試端的距離，必須知道脈沖波在電纜中的傳播速度。本系統(tǒng)鍵盤采用P1口接成4×4行列式鍵盤，其中設(shè)計(jì)了 10 個(gè)數(shù)字鍵（0～9）、2 個(gè)功能鍵（a、b 鍵），a 為確定鍵，b為刪除鍵，用來(lái)設(shè)定脈沖周期的數(shù)值。其余的按鍵待以后擴(kuò)展功能時(shí)使用。為節(jié)約成本，顯示電路采用4位數(shù)碼管顯示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)思想

本系統(tǒng)是一個(gè)利用脈沖反射原理制作的單片機(jī)為主的低壓電纜故障檢測(cè)系統(tǒng)，軟件采用C語(yǔ)言編程。主要包括以下過(guò)程：

（1）開機(jī)自檢，四位數(shù)碼管依次顯示0～9，然后熄滅。

（2）由定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1方式1產(chǎn)生脈沖從P0輸出，后經(jīng)DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。

（3）采用P3.4口接收脈沖計(jì)數(shù)，到P3.2接收到反射脈沖時(shí)停止計(jì)數(shù)。

（4）使用掃描法采集4×4矩陣鍵盤以輸入數(shù)值，為提高可靠性，程序中加入去抖。

（5）根據(jù)本系統(tǒng)的功能，主程序主要完成：初始化系統(tǒng)，調(diào)用鍵盤掃描子函數(shù)，調(diào)用脈沖發(fā)生子函數(shù)，計(jì)數(shù)并運(yùn)算，結(jié)果送顯示，如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

3.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)原理我們知道，L=V×（2N+1）T/2。要程序?qū)崿F(xiàn)公式，首先要確定各個(gè)量的大概范圍。L為四位顯示，可知 20

為了使測(cè)量相對(duì)準(zhǔn)確點(diǎn)，我們把脈沖長(zhǎng)度限定為：4～150。

L V N T 0～10000 uint 20常量<65535 uint 4～150常量

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的這種用低壓脈沖反射法測(cè)定電纜斷點(diǎn)位置的系統(tǒng)，能對(duì)低壓電纜接地、短路、斷線三類故障進(jìn)行檢測(cè)，可較準(zhǔn)確地測(cè)定斷點(diǎn)位置，可大大提高電纜的使用壽命和有效利用率，具有較廣闊的應(yīng)用前景。該裝置系統(tǒng)一旦應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，可有效解決電纜斷點(diǎn)測(cè)定的難題，將有力推動(dòng)相關(guān)行業(yè)的快速發(fā)展。

[1]于將，楊斌.電纜故障檢測(cè)技術(shù)及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)淺談[J].華中電力，1999．

[2]周航慈.單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1991.

[3]唐俊翟，許雷，張群瞻.單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

[4]余永權(quán).世界流行單片機(jī)技術(shù)手冊(cè)美國(guó)系列[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[5]童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2000.