基于ATmega16的礦井電纜故障精確定位儀

張國(guó)軍，任 榮

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧葫蘆島 125105)

0 引言

對(duì)于煤礦，電力電纜大量的使用在照明和生產(chǎn)機(jī)械電器設(shè)備所使用的輸電線路上，一旦電力電纜發(fā)生接地、短路故障后，如果不及時(shí)排除，會(huì)引起爆炸，給礦井的生產(chǎn)造成極大的問(wèn)題，因此，快速、有效地檢測(cè)電纜故障并進(jìn)行故障定位顯得尤為重要。目前國(guó)外，已有一些電纜定位的產(chǎn)品，但這些產(chǎn)品價(jià)格昂貴，給企業(yè)帶來(lái)很大的成本壓力[1]。而國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上現(xiàn)有的電纜故障定位儀品種較多，但均顯笨、大、繁，操作不方便[2]。因此，文中研制了一種攜帶方便、智能化程度高及檢測(cè)準(zhǔn)確的電纜故障定位儀。采用新型的阻抗定位法，該方法消除了故障電阻對(duì)測(cè)量精度的影響和故障電纜的長(zhǎng)度的限制，A/D轉(zhuǎn)換芯片采用24位的LTC2411-1MS，而且該定位儀適用于各種采煤方式的煤礦，包括露天與井下煤礦，裝置電流小，安全、穩(wěn)定、可靠，相比于當(dāng)前類似產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了更精確的故障定位，而且不會(huì)在高瓦斯環(huán)境下造成安全隱患。

1 工作原理

礦用電纜精確定位儀有自動(dòng)定位的功能，將健全相始端和故障相始端、健全相末端和接地線末端以及故障相末端和接地線末端分別短接，然后分別與儀器檢測(cè)觸點(diǎn)相連接，用戶將電纜長(zhǎng)度L、橫截面積S、電纜材料等各項(xiàng)數(shù)據(jù)通過(guò)鍵盤輸入到儀器中，按下確定鍵，儀器便開(kāi)始自動(dòng)定位，定位結(jié)束后，將其測(cè)量值在顯示器上顯示，即可知道故障點(diǎn)位置。由于需要對(duì)外輸出直流電流信號(hào)，而且要求高精度的信號(hào)輸出，故以AVR Atmega16單片機(jī)作為定位儀的核心，考慮到保證系統(tǒng)的精度要求，采用24位的LTC2411采樣芯片為系統(tǒng)的A/D組成部件，顯示采用串行輸入控制的LCD5110，鍵盤由6功能鍵構(gòu)成。

(1)

根據(jù)式(1)，便可確定故障點(diǎn)位置。

2 定位儀硬件電路設(shè)計(jì)

礦井電纜精確定位儀的硬件基本框圖如圖1所示，主要包括電源模塊、電流檢測(cè)模塊，A/D轉(zhuǎn)換電路，LCD顯示電路，按鍵選擇電路等功能模塊。現(xiàn)場(chǎng)被測(cè)電流信號(hào)首先經(jīng)過(guò)采樣和處理，然后該信號(hào)經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換和單片機(jī)的處理得到與之對(duì)應(yīng)的電壓數(shù)據(jù)，最后該數(shù)據(jù)通過(guò)單片機(jī)分析計(jì)算，通過(guò)液晶顯示。

圖1 定位儀硬件結(jié)構(gòu)框圖

2．1電源模塊

在電源模塊的設(shè)計(jì)中，充分考慮了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性問(wèn)題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多個(gè)獨(dú)立電源，分別為單片機(jī)系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)等供電。將數(shù)字地與模擬地分開(kāi)設(shè)計(jì)，并通過(guò)0 Ω電阻單點(diǎn)連接。圖2為基準(zhǔn)穩(wěn)壓電源，給AD芯片提供穩(wěn)定的參考電壓，該參考電壓的精確度對(duì)系統(tǒng)的精度有很大的影響。

圖2 基準(zhǔn)穩(wěn)壓電源

2．2電流檢測(cè)模塊

電流檢測(cè)模塊包括參考電壓選取電路，電壓跟隨電路，低通濾波電路，AD轉(zhuǎn)換電路。根據(jù)負(fù)載的大小的變化，改變AD參考電壓選取范圍，可有效提高轉(zhuǎn)換精度。

參考電壓選取電路核心器件是TS3A5017雙通道4路模擬選擇開(kāi)關(guān)，數(shù)字輸入端IN1和IN2決定通道的選取，EN1和EN2為各通道的使能引腳。2通道的公共端連接電壓基準(zhǔn)2.500 V，另外4個(gè)引腳分別連接4個(gè)不同阻值電阻200 Ω，2 kΩ，20 kΩ和200 kΩ，電阻末端連接一起作為AD轉(zhuǎn)換電路參考電壓負(fù)極。1通道的4路引腳和2通道4路引腳對(duì)應(yīng)相連，公共端輸入?yún)⒖茧妷旱恼龢O。該電路與后級(jí)電路共同決定參考電壓值，選取不同通道，參考電壓不同，如圖3所示。

圖3 參考電壓選取電路

為提高電壓采樣輸入阻抗和后級(jí)輸出能力，采用通用運(yùn)算放大器LM324構(gòu)成的電壓跟隨電路。

有源低通濾波器采用壓控正反饋型結(jié)構(gòu)，由運(yùn)放LM324和若干電阻電容組成，電阻電容參數(shù)按切比雪夫公式計(jì)算得出。切比雪夫?yàn)V波器具有陡峭衰減特性，能夠有效濾除現(xiàn)場(chǎng)電磁擾動(dòng)產(chǎn)生的高次諧波，階數(shù)越高截頻特性越好。設(shè)計(jì)中，有效信號(hào)為直流信號(hào)，可以把截止頻率設(shè)定很低，煤礦井下均是工頻的奇次諧波，故低通截止頻率設(shè)定10 Hz，采用二階切比雪夫?yàn)V波器，如圖4所示。

圖4 切比雪夫低通濾波器

AD轉(zhuǎn)換電路由具有超高精度的LTC2411-1MS構(gòu)成，有效精度達(dá)24位。+5 V供電，參考電壓采用差模輸入，參考電壓正極(REF+)至少大于參考電壓負(fù)極(REF-)0.1 V以上。模擬信號(hào)也采用差模輸入，模數(shù)轉(zhuǎn)換范圍在-0.5 Vref和+0.5 Vref之間。內(nèi)置17.5 kHz時(shí)鐘，F(xiàn)O引腳接地時(shí)，其轉(zhuǎn)換周期是146.71 ms．FO引腳可外接時(shí)鐘脈沖，此時(shí)轉(zhuǎn)換周期是20510與外接時(shí)鐘頻率(按kHz計(jì)算)的比值。LTC2411-1MS數(shù)字輸出端口采用三線串行傳輸，單片機(jī)通過(guò)SPI總線讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)2 Mbits/s．高精度A/D轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖5 高精度AD轉(zhuǎn)換電路

2．3單片機(jī)系統(tǒng)

Atmega16是一款高性能、低功耗的8位AVR微處理器，使用RISC精簡(jiǎn)指令集，單時(shí)鐘指令周期，在8 MHz時(shí)鐘下可達(dá)8 MIPS，內(nèi)置2個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器，數(shù)據(jù)運(yùn)算能力強(qiáng)。性價(jià)比高，片上外設(shè)豐富，集成中斷控制器，定時(shí)器，看門狗，SPI，EEPROM，AD等，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。正常工作時(shí)，需外接復(fù)位電路和8 MHz晶振，并接兩端的22 pF電容可有效幫助啟振，瓷片電容為佳，晶振外殼接地以提高屏蔽性能，穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

2．4人機(jī)交互與存儲(chǔ)模塊

顯示模塊采用LCD5110液晶屏，可顯示6×14個(gè)字符，藍(lán)色背光燈。+3.3 V或+5 V供電，5引腳(CS、SCK、SDIN、DC和RST)串行輸入控制，TTL電平。為了能在光線昏暗時(shí)看清屏幕，設(shè)計(jì)了觸摸延時(shí)點(diǎn)亮背光燈電路，按下LIGHT鍵，5110背光燈亮10 s，如圖4所示。上電時(shí)，C36沒(méi)有存儲(chǔ)電荷，A點(diǎn)電壓為低電平，Q1不導(dǎo)通。按下LIGHT鍵，A點(diǎn)接+5 V快速給C36充電，Q1飽和導(dǎo)通，B點(diǎn)為+5 V大于C點(diǎn)電壓(0.45 V)，比較器輸出高電平，經(jīng)電壓跟隨器后E點(diǎn)為高電平，Q2導(dǎo)通，LCD5110背景燈亮。按鍵抬起時(shí)，C36開(kāi)始放電，Q1保持導(dǎo)通，背光燈保持亮度。隨著C36存儲(chǔ)電荷減少，B點(diǎn)電壓逐漸下降，低于0.45 V時(shí)D點(diǎn)輸出低電平，Q2截止，背光燈滅。

圖6 LCD5110背光燈延時(shí)點(diǎn)亮電路

以74LS148編碼器為核心構(gòu)成6鍵獨(dú)立輸入模塊，74LS148編碼輸入端連接按鍵，帶外部4.7 kΩ上拉電阻，低電平有效，按鍵按下，編碼輸出端A2，A1和A0輸出按鍵碼值，同時(shí)選通端EO輸出高電平表示有鍵按下。

存儲(chǔ)單元使用ATmega16片上集成的512字節(jié)EEPROM，掉電后數(shù)據(jù)不丟失，可擦寫100 000次，通過(guò)ATmega16內(nèi)部寄存器控制數(shù)據(jù)存取。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法[4]，主程序流程圖如圖7所示。定位儀軟件包括鍵盤輸入，模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，液晶顯示和算法處理，為提高程序執(zhí)行效率，鍵盤輸入采用中斷處理方式，電參數(shù)采樣周期采用定時(shí)器計(jì)時(shí)，避免延時(shí)，有效節(jié)省CPU資源，降低功耗。

裝置上電初始化后，首先對(duì)自身硬件電路狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，確保不帶故障工作。定位功能開(kāi)啟后，首先需輸入線路長(zhǎng)度L等系統(tǒng)參數(shù)。定位儀人機(jī)交互部分采用自行設(shè)計(jì)的UI菜單系統(tǒng)，6按鍵功能分設(shè)為：“左移”、“右移”、“增加”、“減小”、“確定”和“取消”。顯示屏上光標(biāo)閃爍的位置可輸入0～9的數(shù)值，通過(guò)“增加”鍵或“減小”鍵進(jìn)行調(diào)節(jié)，“左移”、“右移”鍵改變光標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)、十、百、千位的數(shù)字輸入，按“確定”鍵進(jìn)入下一參數(shù)輸入界面，“取消”返回上級(jí)菜單。

3次線路的電參數(shù)采集過(guò)程關(guān)鍵在于對(duì)LTC2411-1MS轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取。LTC2411-1MS采用串行數(shù)據(jù)接口，一次完整的數(shù)據(jù)輸出包含32位信息。前3位表示AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的狀態(tài)信息，后24位即表示當(dāng)前AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，轉(zhuǎn)換結(jié)果采用補(bǔ)碼形式，最后5位是轉(zhuǎn)換結(jié)果的冗余信息。ATmega16通過(guò)控制SPI外設(shè)寄存器(SPCR、SPDR)讀取LTC2411-1MS轉(zhuǎn)換結(jié)果，每次讀取1字節(jié)即8位信息，分4次讀完，轉(zhuǎn)換結(jié)果存放在4字節(jié)的long型變量中。為保證每路電參數(shù)的采集更有效準(zhǔn)確，在進(jìn)行故障定位計(jì)算前對(duì)每路電參數(shù)采樣10次，經(jīng)中值濾波算法去除誤差較大的轉(zhuǎn)換結(jié)果。根據(jù)式(1)、參數(shù)設(shè)定值和測(cè)量參數(shù)計(jì)算出故障位置，實(shí)現(xiàn)定位功能。

圖7 主程序流程圖

測(cè)量每路電參數(shù)時(shí)，根據(jù)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，控制TS3A5017的IN1和IN2調(diào)節(jié)LTC2411-1MS的參考電壓，使每次的轉(zhuǎn)換結(jié)果達(dá)到最高精度。每次電參數(shù)的測(cè)量結(jié)果和故障位置均在LCD5110上顯示，由用戶選擇決定是否將計(jì)算出的故障位置進(jìn)行EEPROM存儲(chǔ)，方便故障定位分析，提高工作效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

礦用電纜精確定位儀應(yīng)用智能化的方法和巧妙的算法，采用高精度的放大器、AD芯片等，提高了測(cè)量的靈敏度，減小了測(cè)量誤差，提高了測(cè)量的精確性，解決了漏電故障中對(duì)地阻抗不確定性的問(wèn)題和測(cè)量誤差對(duì)定位精度的影響問(wèn)題，該精確定位儀有如下特點(diǎn)：(1)高測(cè)量精度以先進(jìn)的故障定位理論為基礎(chǔ)，并結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，使得故障定位精度進(jìn)一步提高。(2)通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)，提高了抗干擾性和檢測(cè)精度，解決了以往采用阻抗法故障定位無(wú)法測(cè)量高阻接地的問(wèn)題。(3)對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)，采用多路同時(shí)輸入，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，使電壓的測(cè)量精度達(dá)到10-5V．(4)以低電壓、小電流的方式進(jìn)行故障定位測(cè)量，具有本質(zhì)安全的特點(diǎn)，適合煤礦井下環(huán)境的要求。(5)產(chǎn)品、，定位誤差小，硬件投資小，容易實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：張國(guó)軍(1960—)，教授，主要研究方向?yàn)橹悄軝z測(cè)與控制以及煤礦安全供電。E-mail：zhangguojun_305@163．com

任榮(1988—)(通訊作者)，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣?jié)能型電力電子技術(shù)及應(yīng)用。E-mail：rxx881003@163．com