动力电缆断点检测与定位装置的设计与实现论文

摘要 I 摘要 电力电缆断线故障测距技术己经基本成熟，架空线路在线故障测距技术也日趋成熟并开始得到广泛地推广应用，虽然电力电缆在线故障测距技术还不成熟，但是电力系统对电力电缆在线故障测距的需求却越来越急迫。要实现电力电缆的在线故障测距，必须考虑的几个难题是 :中性点非直接接地系统是否能产生有效的故障暂态行波；故障信息在传播过程中的特性；故障点的特性对故障行波的影响；故障信息在测量点的变化特性；如何准确确定故障行波到达时刻等。 本文分析了行波故障测距方法的特点，明确了各类行波故障测距方法的优缺点。在比较了行波测距法与阻抗 测距法的基础上，发现行波测距法优于阻抗测距法，因此采用低压脉冲法实现故障测距。 关键词 ： 电力电缆；行波；故障测距 ABSTRACT II ABSTRACT Off-line fault location for power cable and on-line fault location for overhead transmission line have been accomplished in the past several decades. Nowadays power cable systems are in great need of on-line fault location technologies .Before achieving. this goal, several important and difficult problems should be thought of carefully .First, whether or not can effective traveling wave due to cable fault be found to locate the fault point in cable system whose transformer neutral point not directly grounded? Second ,whats the characteristic of the traveling wave during its propagation? Third, will the fault point characteristic affect the traveling wave ? Fourth ,how will the traveling wave change at the measuting point? And the last but not the least ,how to determine accurately the arriveal time of the traveling wave. This paper analyses the traveling wave the characteristics of fault location ,and we know lines of the various methods of wave fault location advantages and disadvantages。 In comparing the line-ranging law and the impedance ranging law, on the bast of we found in the power cable fault location in line-ranging method is better than the impedance ranging law ,we decision used to low-voltage pulse method to achieve fault location. Key words: power cables； traveling wave； fault location 目录 III 目 录 第 1章 引言 . 1 1.1 课题研究的背景及意义 . 1 1.2 电力电缆发生故障的原因与类型 . 2 1.2.1 故障原因 . 2 1.2.2 故障类型 . 3 1.3 电缆故 障测距概述的现状 . 4 1.3.1 阻抗法 . 4 1.3.2 行波法 . 5 1.3.3 其他方法 . 7 1.4 本章小结 . 7 第 2章 低压脉冲回波法的原理及液晶显示 LCD1602 . 9 2.1 低压脉冲回波法的原理 . 9 2.2 液晶显示模块 LCD1602 . 10 2.3 本章小结 . 12 第 3章 555 定时器及其单稳态电路 . 13 3.1 555 定时器的电路结构及其功能 . 13 3.2 555 定时器单稳态触发器 . 15 3.3 本章小结 . 16 第 4章 系统的实现 . 17 4.1 系统的硬件设计 . 17 4.1.1 单片机最小系统与串口通信 . 17 4.1.2 系统电源电路 . 22 4.1.3 键盘与显示模块电路 . 24 4.1.4 发射接收电路 . 25 4.1.5 PCB 板的制作 . 26 4.2 系统的软件设计 . 30 4.2.1 T0（ T1） 16 位工作模式初值计算 . 30 4.2.2 T2 作为波特率发生器时的初值计算 . 32 4.2.3 软件的流程 . 34 目录 IV 4.2.4 断点距离的计算 . 37 4.3 本章小结 . 38 第 5章 硬件测试结果 . 39 结束语 . 40 参考文献 . 41 致谢 . 42 附录 . 43 外文资料原文 . 45 翻译文稿 . 48 第 1 章 引言 1 第 1章 引言 1.1 课题研究的背景及意义 在“发展经济，电力先行”宗旨的指引下，中国的电力 事业蓬勃发展，新的输配电架空线路和电缆线路不断建成。在城市配电网中，架空线路占用过多地上空间，同时受恶劣天气影响而发生故障的机率比较高，而电力电缆线路在这方面有较大的优势，电力电缆多铺设在地下，不占用地上空间，有利于城市规划，得到广泛应用。 虽然电力电缆运行可靠性比架空线路高，但是由于各种因素的影响，在运行中，电力电缆也会发生故障。造成故障的主要原因大致可归结为 :机械损伤，绝缘受潮，绝缘老化变质，过电压，设计和制造工艺不良，材料缺陷，护层的腐蚀和电缆的绝缘物流失等。由于电力电缆都有厚的绝缘层，又多埋于地下， 一旦发生故障，寻找起来十分困难，往往需要花费大量的人力、物力，修复时间过长还会造成额外的停电损失。因此，寻求准确、迅速、经济的电力电缆故障测距方法非常重要。 目前现场使用的电力电缆故障测距装置，都为电力电缆故障停电后，解开电力电缆，通过相关的设备离线测量故障距离，即离线测距。这样的故障测距方法存在很多弊端，例如测距时间过长；电力电缆在运行中发生的故障有相当一部分是瞬时性的故障，利用离线故障测距方法查找故障点前，要用高压设备将故障点击穿，高电压对测试设备、电缆和工作人员造成安全隐患等。因此迫切需要电力电缆在线 故障测距方法来弥补离线测距的缺陷和不足 9。 若能实现电力电缆的在线故障测距，将具有重大意义： 当电力电缆发生故障时，迅速找到故障点，减小停电时间，提高经济效率。由于利用的是电力电缆故障瞬间产生的暂态信号实现故障测距，一旦发生故障就能算出故障距离，利于相关工作人员迅速赶到故障现场，并通过相关故障定点设备找到实际的故障点，根据故障情况或作接头，或抛弃一部分电缆并迅速恢复供电。这对单线供电的用户非常重要。 利用运行中故障缺陷能通过暂态信号反映出来的特点，可迅速找到离线电子科技大学学士学位论文 2 故障测距装置难以找到的瞬时性 故障发生处，大大提高故障测距装置 的适用范围。 提高运行中的电力电缆整体质量水平，及时淘汰绝缘受损严重的电力电缆，避免重要用户的停电。由于测出运行中的电力电缆的绝缘局部放电，监测绝缘受损情况，一旦发现绝缘局部放电严重，而且局部放电位置较多，就需要考虑更换这条电缆，以免该电力电缆真的发生事故，造成重要用户的停电。 可减少停电测试时间，大大提高供电可靠系数。实现电力电缆在线状态监测后，可以使目前现场普遍采用的停电测试周期大大延长，当在线监测发现有必要停电检修时才停电检修。这样，该线路持续供电时间增大 ，供电可靠系数大大提高。 逐渐同国际惯例接轨，取代定期停电测试，进一步提高供电可靠系数。国外供电可靠系数高是因为他们常用的办法是：一条线路平时不进行定期停电测试，只是在线路运行中发生故障后再停电处理。这样的好处是：避免了定期停电测试由于加入交、直流高压给电力电缆绝缘造成的不必要的伤害，使该电力电缆使用寿命更长，提高供电可靠系数。 传统的电力电缆离线故障测距装置需附加高压脉冲发生器，出于各种因素考虑，如人身安全，绝缘性能等，所加电压只有 30 40kV，达不到测量 110kV以上电压等级电力电缆故 障点击穿的要求，无法实现 110kV 以上电压等级电力电缆故障测距。在线故障测距装置的引入，完全利用电力电缆故障瞬间产生的信息，能够克服这方面的缺点。 1.2 电力电缆发生故障的原因与类型 任何设备都有正常运行期，电缆都有也有正常运行起，一般来讲，通信、电力电缆正常运行时间大约为 20 年。由于电缆要么架设在野外，要么深埋地下，绝缘橡胶会受到不同程度的腐蚀，造成电缆因故障而造成设备不能正常工作。本节将讨论电缆在非人力破坏情况下发生故障的原因及其分类 6。 1.2.1 故障原因 电力 、通信 电缆线路故障率和多数电力设备一样 ， 投入运行初期 (1 5 年内 )容易发生运行故障 ， 主要原因是电缆及附件产品质量和电缆敷设安装质量问题 ；第 1 章 引言 3 运行中期 (5 25 年内 )， 电缆本体和附件基本进入稳定时期 ， 线路运行故障率较低 ，故障主要原因 是 电缆本体绝缘树枝状老化击穿和附 件 呼吸 效应 进潮而发生沿面放电 ； 运行后期 （ 25 年后 )， 电缆本体绝缘树枝老化 、 电热老化以及附件材料老化加剧 ， 电力电缆运行故障率 大幅上升 16。 1） 绝缘老化变质 。 2） 过热 ， 电缆绝缘内部气隙游离造成局部 过热 ， 使绝缘炭化 。 3） 机械损伤 。 4） 护层的腐蚀 。 5） 绝缘受潮 。 6） 过电压 ， 主要指大气过电压和 内过电压。 1.2.2 故障类型 电力电缆故障的分类方法比较多，本文采用开路故障、低阻故障、高阻故障的分类方法 11。 开路故障： 电缆相间或相对地绝缘电阻在要求的规范值范围内，但工作电压不能传输到终端；或者虽然终端有电压，但是负载能力很差。开路故障的典型例子就是断线故障。 低阻故障： 电缆相间或相对地绝缘受损，其绝缘电阻小到能用低压脉冲法测量的一类故障。故障电阻一般小于 10Zc(Zc 为电缆的波阻抗，一般不超过 40)。短路故障是低阻故障的特例。 高阻故障： 与低阻故障相对而言，电缆相间或者相 对地绝缘受损，但是绝缘电阻较大，不能用低压脉冲法测量的一类故障。故障电阻一般大于 10Zc。它又包括泄露性高阻故障和闪络性高阻故障两类。 电子科技大学学士学位论文 4 表 1.1 电缆故障类型 故障性质 绝缘电阻 R 间隙的击穿情况 开路 无穷大 直流或高压脉冲作用下击穿 低阻 小于 10Zc R 不是太低时可用高压脉冲击穿 高阻 大于 10Zc 高压脉冲击穿 闪络 无穷大 直流或高压脉冲作用下击穿 注：表中 Zc 为电缆的特性阻抗值，电缆的特性阻抗值一般为 10 40 之间 。 电力电缆故障分析主要有以下三方面的内容 : 故障诊断：通过测量电缆的导电性能和绝缘性能来检测故障是否存在，分辨故障和非故障电缆芯线，初步确定故障的类型。 故障粗测 (故障测距 )：在故障电缆芯线上施加测试信号或者在线测量、分析故障信息，初步确定故障的距离，为精确定点提供足够精确的信息。 精测定点：在粗测距离的基础上，精确地确定故障点所在实际位置，以便于立即进行检修。精测定点方法主要有声测定点法、感应定点法、时差定点法以及同步定点法等 12。 本课题主要探讨故障测距即故障粗测方法。 1.3 电缆故障测距概述 的现状 电力电缆的故障测距方法很多，总的来看，分为阻抗法和行波法两类。目前实际应用的大多是离线测距 4。 1.3.1 阻抗法 阻抗法通过测量和计算故障点到测量端的阻抗，然后根据线路参数，列写求解故障点方程，求得故障距离 13。该方法多以线路的集中参数建立模型，原理简单，易于实现，多年来是人们关注的热点。在实际的阻抗法电缆故障测距中，一般都是应用电桥法来实现的。阻抗法中最常用的就是经典电桥法。将被测电缆故障相与非故障相短接，电桥两臂分别接故障相与非故障相。调节电桥两臂上的一第 1 章 引言 5 个可调电阻器，使电桥平衡，利用比例关系和己知 的电缆长度就能得出故障距离。电桥法的优点是比较简单，精度较高，但是它的适用范围小，一般的高阻和闪络性故障，由于故障电阻很大，电桥电流很小，不易探测。电桥法必须已知电缆准确长度，当一条电缆线路内由导体材料或截面不同的电缆组成时还要进行换算。电桥法不能测量三相短路故障。经典的阻抗法以线路的集中参数，进行计算，当故障电阻比较大时，就无能为力了。为解决这个问题，提出一种计算高阻故障的方法，它以分布参数线路理论为基础，推导出故障测距方程，原理简述如下：对带有高阻故障的电缆施加正弦高压信号，使高阻故障点闪络，此时故障点 的高阻故障就变为电弧电阻。因电弧呈现电阻性，流过故障点的电流和故障点两端的电压同相位，采集到线路首端的电压与电流后，基于分布参数线路理论就可以求出沿线路各点的电压与电流，从而定位故障点。但该方法还存在一些缺陷，主要有： 故障距离与电缆测试端的电压相量和电流相量差密切相关，如果相量差为零，说明故障距离为零，相量差越大，故障距离越大。这样，当故障接近测试端时，相量差很接近于零，相对误差是很大的。另外，现场工频电场的干扰是不可忽略的，使得测量精度得不到保证。 该方法的出发点是电弧为纯电阻，事实上电 缆故障点的电弧是非线性的(特别是对小电流接地系统的单相接地故障来说 )，受其影响，用稳态电气量的方法进行故障测距会引起较大误差。 1.3.2 行波法 行波测距法，就是确定行波传播速度后，通过测量行波的传播时间来确定故障位置 2。总的来说，行波离线测距法有如下四类： 低压脉冲反射法：此方法乃本文的所采用的主要方法在这里不做介绍 ,将在后面做详细介绍和分析。 脉冲电压法：又称闪测法，利用直流高压或脉冲高压信号击穿电缆故障点，由放电电压脉冲在观察点与故障点之间往返一次的时间来测距，适用于高阻和闪络故障。该方法的优点是不必把高阻 或闪络性故障永久性烧穿，利用故障击穿产生的瞬间脉冲信号，测试速度快。 缺点是： 电子科技大学学士学位论文 6 安全性差，仪器与高压回路有电祸合，易发生高压信号窜入，损坏仪器。 用该方法测距时，高压电容对脉冲信号呈短路状态，需要串入电阻或者电感以便产生电压信号，这样就降低了高压电容放电时加在电缆上的电压，使故障点不容易击穿。 故障放电时，分压器祸合的电压波形变化不尖锐，不易分辨。 脉冲电流法 ： 脉冲电流法采用线性电流祸合器采集电缆中的电流行波信号，将电缆故障点用高电压击穿，使用仪器采集并记录下故障点击穿产生的电流行波信号， 通过分析判断电流行波信号在测量端与故障点往返一次所需时间来计算故障距离 5。 与脉冲电压法比较，脉冲电流法使用线性电流祸合器，与高压回路无直接电气连接，这样对试验仪器和试验人员比较安全 14。线性电流祸合器产生的电流脉冲信号也比较容易分辨。所以相比脉冲电压法而言，该方法得到了更为广泛的应用。 脉冲电流法有直流高压闪络法和冲击高压闪络法两种测试方法。 直流高压闪络法 (直闪法 )适用于测量闪络击穿性故障，该类故障的故障电阻很高，用高压设备把电压升高到一定数值时就会产生闪络击穿。通过调压器和一个高压试验变压器对 储能电容器充电，电容器串一电阻与电缆连接形成回路，线性电流祸合器与该回路祸合，检测信号。当电容器电压增加到一定数值时，电缆故障点被高压击穿，形成短路电弧，故障点电压迅速接近于零，产生一个突跳电压和突跳电流，从故障点向两端传播。在电缆的一端检测电流脉冲在测量端和故障点之间往返一次的时间就能获得故障距离。直闪法波形简单、容易理解，准确度较高。但是由于电容器本身以及电缆存在杂散电感，使得本来应该是负脉冲的波形上出现一个小的正脉冲，影响测距精度。而且，故障经过几次直闪法后，故障电阻下降，不能再用该方法，所以前几次的 试验非常重要。 冲击高压闪络法 (冲闪法 )适用于测试大部分闪络故障。冲闪法试验电路与直闪法基本相同，只是在充电电容器与电缆之间增加一个球型放电间隙。对充电电容充电，电压到达一定数值后，球型放电间隙就会击穿放电，电缆线路得到一个瞬时高压，当该高电压大于故障点临界击穿电压时，就使故障点击穿放电，产生电流电压信号向两端传播。捕捉到该信号就可以实现故障测距。与直闪法相比冲闪法波形比较复杂，辨别难度较大，准确度较低，但是适用范围更广一些。 第 1 章 引言 7 二次脉冲法 ： 二次脉冲法 (SIM)是最新发展的电缆故障预定位方法。特点是易操作、多 功能，回波图形解释简单。原理是 :由回波仪释放一个发射脉冲，在高阻或间歇性电缆故障点不能被反射，仪器将显示整个电缆长度的波形存储起来，此波形图叫 “完好轨迹犷设备高压电容器放电，使电缆故障点发生闪络，故障点的电弧表现为阻值非常低的电阻。同时回波仪被触发送出第二个发射脉冲 (低压脉冲 )，这个加在高压信号上的脉冲将从故障点反射。这样，带自动数据处理的回波仪存储故障点反射波形，并将完好轨迹和故障轨迹进行叠加，两条轨迹将有一个清楚的发散点。这个发散点就是故障点的反射波形点。 二次脉冲法的优点是，可以避开故障点闪络时引起强 烈的电磁干扰 ； 低压脉冲宽度可以调节 ； 较长线路也能记录到清晰的信号波形，提高测量精度。缺点是 ：所用仪器较多 ； 由于故障点电阻要降到很小的数值，如果故障点受潮严重，故障点击穿过程较长，测试时间相应增加 ； 故障点维持低阻状态的时间不确定，施加二次脉冲的控制有难度。 1.3.3 其他方法 除上述行波法和阻抗法之外 ， 还有利用分布式光纤温度传感器监测电缆沿线的温度变化情况来进行故障定位的方法 。 目前大部分电缆故障测距方法主要为离线进行 ， 但在线故障测距方法也已出现 。 其出发点 是 将环形线路开路或在线路末端设置开路点 ， 利 用 故障时产生的浪涌电压 或电流在开路点发生正 的 或负的全反射 ， 通过设于开路点附近的传感器 得到脉冲信号 ， 然后测出其脉冲间隔时间实现测距 。 另外采用脉冲电流法 ， 由光纤电流互感器测量 故障 时产生的浪涌电流信号 ， 利用快速 A/D 技术实现测距 ， 但也仅实现了不带分支出线电缆的在线故障测距 ， 在线测距在实际应用中并未得到推广 ， 其原因在于电缆线路在检修与维护方面的 特 殊性 ， 而且在线方法相对于离线方法并无明显 优 势 。 在电缆故障测距方法上 ， 离线与在线测距 方 法将会长期并存 ，但从长远来看 ， 在线测距才 是 未来的发展方向 。 1.4 本章小结 电力电缆的离线故障测距发展己经较成熟且意 义深远，对低阻和断路故障而言，电桥法和低压脉冲反射法能很好地解决问题，同时达到很高的测距精度而直闪法、冲闪法以及二次脉冲法用于解决高阻和闪络故障，效果较理想。但是离线电子科技大学学士学位论文 8 测距意味着断电和较长的故障修复时间，所以，在线故障测距是发展的趋势。为了保证电力系统能安全、经济运行，除了要求迅速测定故障距离外，还要求能够对故障进行预测，以便降低故障发生的几率，减少经济损失，这就要求将电力电缆的在线状态检测和在线故障诊断、故障测距应该结合起来，组成实时的专家系统，使得这些故障检测技术能最大限度地发挥作用。 第 2 章 低压脉冲回波法的原理及液晶显示 LCD1602 9 第 2章 低压脉冲回波法 的原理及液晶显示 LCD1602 2.1 低压脉冲回波法的原理 在均匀传输线中，由传输电报方程的稳态解可得终端和始端的电压和关系，1 0 0010ccU U c h r l I Z s h r lUI I c h r l s h r lZ （ 2-1） 式中1U 、 0U为终端及始端的电压矢量，1I 、 0I为终端及始端的电流矢量， r为线路的传输常数， l 为线路长度，cZ为传输线的特性阻抗 2。 根据上述关系，当一个外加脉冲信号从电缆的始端向终端传输时，在终端会反射回一列波，它 与发射端的入射波相遇，在轴上这列波方向相反，当传输线终端开路时，反射系数的模为 1，也称全反射。 低压脉冲法是测试时向电缆注入一低压脉冲 ， 该脉冲沿电缆传播到阻抗不匹配点 ， 如断路点、短路点、中间接头等 ， 通过故障点反射脉冲与 发射 脉冲的时间差原理来测距 。 根据波形极性还可判断故障性质 ， 如短路故障的反射脉冲与发射脉冲 极性相反 ， 断路故障反射脉冲与发射脉冲极性向同 （如图 2.1 和图 2.2)， 因此低压脉冲法适用于测试交联电缆低阻、短路、断路故障 8。 图 2.1 电缆末端短路时首端理想测量波形 图 2.2 电缆末端 开路时首端理想测量波形 由于电缆本身存在着损耗，行波在电缆中传输会发生畸变现象，实际波形与电子科技大学学士学位论文 10 理想波形相比会有一定差距。 低压脉冲法测距公式为： 2tvL （ 2-2） 其中 L 为故障距离， t 为入射行波和反射行波之间的时间差， v 为行波在电缆中的传播速度。 低压脉冲反射法具有操作简单、 故障信号的波形直观、对电缆线路技术资料的 依赖性小等优点，并可测试电缆的全长和行波在电缆中的传播速度。 15 2.2 液晶显示模块 LCD1602 1602 采用标准的 16 脚接口，其中： 第 1 脚： VSS 为地电源。 第 2 脚： VDD 接 5V 正电源。 第 3 脚： V0 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个 10K的电位器调整对比度 第 4 脚： RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第 5 脚： RW 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS 和 RW 共同为低电 平时可以写入指令或者显示地址，当 RS 为低电平 RW 为高电平时可以读忙信号，当 RS 为高电平 RW 为低电平时可以写入数据。 第 6 脚： E 端为使能端，当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第 7 14 脚： D0 D7 为 8 位双向数据线。 第 15 16 脚：空脚。 1602 液晶模块内部的字符发生存储器（ CGROM)已经存储了 160 个不同的点阵字符图形，如表 2.1 所示，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母第 2 章 低压脉冲回波法的原理及液晶显示 LCD1602 11 “ A”的代码是 01000001B（ 41H），显示时模块把地址 41H 中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“ A” 表 2-1 CGROM 与 CGRAM 中字符代码与字符图形对应关系 1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令，如表 2-2 所示 : 表 2.2 LCD1602 指令表 指 令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 清显示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 光标返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 * 置输入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 1/D S 显示开 /关控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B 光标或字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * * 置功能 0 0 0 0 1 DL N F * * 置字符发生存储器地址 0 0 0 1 字符发生存储器地址（ AGG) 置数据存储器地址 0 0 1 显示数据存储器地址 (ADD) 读忙标志或地址 0 1 BF 计数器地址 (AC) 写数到 CGRAM 或 DDRAM 1 0 要写的数 从 CGRAM 或 DDRAM 读数 1 1 读出的数据 它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明： 1 为高电平、 0 为低电平） 指令 1：清显示，指令码 01H,光标复位到地址 00H 位置。 指令 2：光标复位，光标返回到地址 00H。 指令 3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移。电子科技大学学士学位论文 12 S：屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。 指令 4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关 显示。 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。 指令 5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标 指令 6：功能设置命令 DL：高电平时为 4位总线，低电平时为 8位总线。 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F：低电平时显示 5x7 的点阵字符，高电平时显示 5x10 的点阵字符。 指令 7：字符发生器 RAM 地址设置。 指令 8： DDRAM 地址设置。 指令 9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据 ，如果为低电平表示不忙。 指令 10：写数据。 指令 11：读数据。 液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符。 表 2-3 DM-1602 的内部显示地址 2.3 本章小结 综上所述，本章对 低压脉冲回波法的原理做了阐述，为系统的实现做好了准备； 对液晶显示 LCD1602 做了详细的介绍。通过本章的研究，我们对低压脉冲回波法检测电缆断点位置有了初步了解，对 LCD1602 的使用有了一定的了解与认识。下一章我们将介绍 555 定时器及其单稳态电路。 第 3 章 555 定时器及其单稳态电路 13 第 3章 555 定时器及其单稳态电路 555 定时器是一种模拟电路与数字电路相结合的中规模集成器件，其产品有双极性和 CMOS 型两类。按照集成电路内部定时器的个数又可以分为单定时器和双定时器；双极型单定时器电路的型号为 555，双定时器电路的型号为 556，其电源电压的范围为 5 18V。 CMOS 单定时器电路的型号为 7555，双定时器电路的型号为 7556，将四个定时器电路集成在一个芯片上的四定时器店里型号为 7558，其电源电压的范围为 2 18V。 CMOS 型定时器的最大负载电流要不双极型的小，两种类型的定时器管脚型号及其功能均一致 10。 3.1 555 定时器的电路结构及其功能 图 3-1（ a）是 555 定时器内部结构框架图，图 3-1（ a）中 1 8 是引脚号。图3-1（ b）为 555 定时器外引脚图。 555 定时器含有两个电压比较器、一个基本 RS触发器、一个放电三极管、一个反相器以及由三个电阻组成的分 压器。组成分压器的三个电阻的阻值均为 5K ， “ 555”由此得名。比较器 1A 的参考电压为32 ccU ，加在同相输入端，比较器 2A 的参考电压为31 ccU，加在反相输入端。比较器 1A 、 2A的输出端分别接基本 RS 触发器的输入端 R 、 S ， 基本 RS 触发器的输出即为 555定时器的输出。反相器3G的作用是提高负载能力，并隔离负载对 555 定时的影响。 1 2 3 45678u oCOU CC555CRGND TRTHD a) b) 图 3-1 555 逻辑电路图和引脚图 各引脚功能如下： 引脚 6 为高触发输入端，由此输入触发脉冲时，为高电平触发。在管脚 5 不电子科技大学学士学位论文 14 外加高电平的情况下，当输入电压低于32 ccU时，比较器 1A 输出 1；当输入电压高于32 ccU时，比较器 1A 输出 0；使 RS 触发置 0。 555 定时器输出为 0。 引脚 2 为低触输入端，由此输入触发脉冲时，为低电平触发。在管脚 5 不外加高电平的情况下，当输入电压高于31 ccU时，比较器 2A 输出 1；当输入电压低于31 ccU时，比较器 2A 输出 0；使 RS 触发置 1。 555 定时器输出为 1。 引脚 3 为输出端，输出电流一般为 50mA，最大可达 200mA，可直接驱动小型继电器、发光二极管、指示灯、扬声器等。输出高电压约低于电压 13V。 引脚 4 为直接复位端，低电平有效，通常情况下，应为高电平。 引脚 5 为电压控制端，若在该端外加一个电压，就可以改变比较器的参考电压，高、低触发端的触发电压也随之改变。此端不用时，一般经 0.01 F 的电容接地，以提高比较器参考电压的稳定性。 引脚 7 为放电端，当 555 定时器输出为 1 时，即 RS 触发器的输出 Q =1， Q =0时，三极管 V 截至；定时器输出为 0；即 Q =0， Q =1 时，三极管 V 导通，外接电容即可通过三极管 V 放电。 引脚 8 为电源端。 引脚 1 为接地端。 555 定时器的功能表如表 3-1 所示 . 表 3-1 555 定时器的功能表 TH RT R OUT 晶体管 V 0 0 导通 32 ccU 31 ccU 1 0 导通 31 ccU 1 保持 保持 32 ccU 31 ccU，这时dS=1。若触发器初始状态为 0，则三极管 V 迅速导通，cu 0，dR=1，电路处于稳态，输出ou=0，为低电平。若触发器初始状态为 1，则三极管 V 截止，ccU经 R 对电容 C 充电；当cu32 ccU时，dR=0，使触发器输出 Q =0， Q =1，三极管 V 迅速放电，dR=1，电路进入稳态，输出ou为低电平。也就是说，无论触发器状态如何，未加触发脉冲时，电路始终为稳态，使输出ou为低电平。当负脉冲触发信号出现时，iu32 ccU时（在此之前，iu已超过31 ccU， dS =1）， d R =0，使触发器输出 Q =0， Q =1，三极管 V 迅速放电， dR =1，电路进入稳态，输出ou为低电平。 图 3-2（ b）为该单稳态触发器的工作波形。暂稳态持续时间 wT 就是电容 C 从0 充电至32 ccU所需时间，由外接电阻、电容的大小决定。 RC 电路零状态响应为： (1 )wTc c cu U e （ 3-1） 式中： =RC。 将 cu =32 ccU代入上式，可得脉冲宽度： l n l n 3 1 . 123ccwc c c cUT R C R C R CUU （ 3-2） 调整外接电阻 R、电容 C 的值，可调整输出的正脉宽 wT ，从而可用于定时控制，可直接驱动小型继电器，并可以使用复位端（ 4 脚）接低电平的方法来中止暂稳态，重新计时。 电子科技大学学士学位论文 16 图 3-2 单稳态触发器 单稳态触发器分为不可重复触发的单稳态 和可重触发的单稳态触发器。不可重复触发的单稳态触发器在暂稳态期间，外界的触发信号不起作用，只有在暂稳态结束后才能接受触发信号。可重触发的单稳态触发器，在电路的暂稳态期间，加入一个新的触发脉冲，会使暂稳态延续，如果下一个触发脉冲与新触发脉冲的时间间隔超过暂稳态持续时间wT，那么，延续的时间为原触发脉冲与新触发脉冲。的时间间隔，否则，暂稳态会一直延续下去，直到后一个触发脉冲与前一个触发脉冲相距的时间间隔超过暂稳态持续时间wT，电路才返回稳态。 3.3 本章小结 本章在充分理解 555 定时器内部电路的基础上，重点分析了 555 单稳态电路的工作原理，详细介绍了其工作电路、工作原理及其脉冲宽度的计算方法等内容。 下一章将介绍系统的实现。 第 4 章 系统的实现 17 第 4章 系统的实现 动力电缆的铺设一般为地下掩埋。 由于我们考虑的是电力电缆线，其本身就是信号的良好载体 ， 所以我们可以选择 低压脉冲回波法的方式进行测试。 简单地说，就是利用电力电缆线，在传送电力的同时，又 可传送弱电信号，这样就不需要再铺设信号电缆了。泄洪闸阀门供电是由专 用的电力变压器供给的，不作其他用途，电力线上的杂波或干扰比较少，因此应用脉冲回波法是一种可行的、简便的方法。 本论文的主要目的在于研究电缆断点检测及其断点定位，能够实现断点离发射端的距离测量，误差在 2%以内。 本章将分别介绍动力电缆断点检测与定位系统的硬件电路和软件实现。 4.1 系统的硬件设计 动力电缆断点检测与定位系统硬件电路主要由以下几部分组成：单片机最小系统与串口通信电路，系统电源电路，键盘与显示模块，以及发射接收电路。下面将分别予以介绍。 4.1.1 单片机最小系统与串口通信 1. 单片机的选型 动力电缆断点检测与定 位系统是由单片机为核心的嵌入式系统，为此单片机的选型就显得尤为重要。 AT89C52 单片机是 MCS51 系列的 8 位单片机 3。它具有 40 引脚，片内带 4KB闪烁存储器 EPROM，一般作程序存储器；片内带 256BRAM；提供 32 条 I/O 引脚，大部分引脚都可作数字和脉冲输入或输出； 2 个 16 位定时计数器，对外脉冲数可使用单片机的 P3.4 或 P3.5； 6 个中断源，其中直接提供外部中断处理可使用 P3.2或 P3.3； 1 个可编程标准串口，其引角为 P3.0 和 P3.1；时钟频率可达 0 24MHz；具有睡眠状态，指令系统与 8031 指令系统完全兼容。除上述技术性能外，还有价格低廉，保密性强，功耗低，应用灵活、方便等特点，故选择 AT89C52 单片机为该系统的核心是较佳的选择。 电子科技大学学士学位论文 18 2. 串行通信 串行通信是指通信的发送方和接收方之间数据信息的传输是在单根数据线上，以每次一个二进制位移动的。它的优点是只需一对传输线进行传送信息，因此其成本低，适用于远距离通信；它的缺点是传送速度低。 串行通信有异步通信和同步通信两种基本通信方式。同步通信适用于传送速度高的情况，其硬件复杂。而异步通信应用于传送速度在 50 到 19200 波特之间，是比较常用的传送方式 。在异步通信中，数据是一帧一帧传送的，每一串行帧的数据格式由一位起始位， 5-8 位的数据位，一位奇偶校验位 (可省略 )和一位停止位四部分组成。在串行通信前，发送方和接收方要约定具体的数据格式和波特率 (通信协议 )。 PC 机采用可编程串行异步通信控制器 8250 来实现异步串行通信。通过对 8250的初始化编程，可以控制串行数据传送格式和速度。在 PC 机中一般有两个标准RS-232C 串行接口 COM1 和 COM2。 MCS 51 系列单片机片内含有一个全双工的串行接口，通过编程也可实现串行通信功能。 RS-232C是由美国电子工业 协会 (Electronic Industry Association)于 1969年正式公布的在异步串行通信中应用最为广泛的标准总线接口，它的全称是“数据终端设备 (DTE)和数据通信设备 (DCE)之间的串行二进制数据交换接口技术标准”，适合于短距离通信或带调制解调器的通信应用场合。 RS-232C 标准规定在码元畸变小于 4 的情况下，传输电缆长度应为 15m，其实这个 4 的码元畸变是很保守的在实际应用中，约有 99的用户是按码元畸变 10 20 的范围工作的，所以实际使用中最大距离会超过 15m。采用 RS-232 标准进行数据 传输时，最大传输速率为19.2kbits。另外传输速率与传输距离之间具有相关性，适当降低传输速率就可加大传输距离，反之，适当减少传输距离就可提高传输速率。 RS-232C 采用负逻辑，用 -5 -15V 表示逻辑“ l”，用 +5 +15V 表示逻辑“ 0”。噪声容限为 2V，即要求接收器能识别低至 +3V 的信号作为逻辑“ 0”，高到 -3V 的信号作为逻辑“ 1”。 RS-232C 只能进行一对一的通信， RS-232C 可使用 9 针或 25针的 D 型连接器，表 4-1 列出了 RS-232C 接口各引脚信号的定义以及 9 针与 25 针引脚的对应关系。 RS-232 是早期为促进公共电话网进行数据通信制定的接口标准，其逻辑电平第 4 章 系统的实现 19 对地呈对称性，与 TTL、 CMOS 逻辑电平完全不同。 RS-232C 的逻辑“ 0”电平为 a)9 芯 DB9 插座 b)25 芯 DB25 插座 图 4-1 RS-232 串口插座 +5V +15V，逻辑“ l”电平为 -5 -15V，采用负逻辑，而 TTL， CMOS 采用正逻辑。两种逻辑电平的比较见表 4-2。 表 4-1 RS-232C 接口引脚信号定义 引脚号 （ 9 针） 引脚号 （ 25 针） 信号 方 向 功能 1 8 DCD IN 数据载波检测 2 3 RXD IN 接受数据 3 2 TXD OUT 发送数据 4 20 DTR OUT 数据终端装置（ DTE）就绪 5 7 GND 信号公共参考地 6 6 DSR IN 数据通讯装置（ DCE）就绪 7 4 RTS OUT 请求发送 8 5 CTS IN 清除发送 9 22 RT IN 振铃指示 表 4-2 RS-232 与 TTL、 CMOS 逻辑电平比较 逻辑 RS-232C 电平 /V TTL 电平 /V CMOS 电平 /V 0 +5+15 0+0.8 0+1.5 1 -5-15 +2+5 +3.5+5 由于 PC 机串行口使用的是 RS-232C 逻辑电平，而 AT89C52 单片机串行口的电子科技大学学士学位论文 20 输入输出均为 TTL 电平，因此，当 PC 机与单片机通信时必须进行电平转换。常见的电平转换方法有以下 3 种： 使用 MC1488 和 MC1489 电平转换器。由于 MC1488 和 MC1489 需要 15V或 12V 供电，所以使用不方便，而且工作稳定性和可靠性也不高。 使用 2 个三极管构成准 RS-232C 电平转换器。采用此方法串行通信只能工作于半双工状态，而且程序设计复杂 。 使用双向电平转换集成芯片。此方法优点是只需单一 +5V 电源供电，可靠性高，无需增加程序设计的复杂性，常用的芯片有 ICL232， MAX232， TSC232等。 本文采用最后一种方法，芯片选用 MAX232。 MAX232 的组成框图如图 4-2 所示。 MAX232 电平转换芯片是 MAXIM 公司生产的一种新型的电平转换芯片，其内部有电压倍增电路和电压转换电路，只需单一 +5V电源供电。它含有 4个反向器，可实现 2路 TTL/CMOS电平 +5V到 RS-232C电平 10V 的转换和 2 路 RS-232C 电平 10V 到 TTL/CMOS 电平 +5V 的转换。 在实际应用中， MAX232 器件对电源噪声敏感，因此，电源 VCC 应加上 l F的去耦电容，图 4-2 中 C1， C2， C3， C4 取 1 0 F 16V 的钽电解电容，安装时尽量靠近器件，以提高干扰能力。 MAX232 的引脚排列如图 4-3 所示。 图 4-2 MAX232 的组成框图 图 4-3 MAX232 的引脚排列图 第 4 章 系统的实现 21 如前所述，本文采用 MAX232 作为 PC 机与单片机的串行通信接口芯片。硬件连接时，可从 MAX232 中的 2 路发送器和接收器中任选一路，只要注意发送与接收的引脚对应关系即可。接口电路如图 4-4 所示。 图 4-4 单片机与 PC 机串行通信接口电路 3. 单片机最小系统与串口通信电路 结合上述两节的知识，可将单片机最小系统与串口通信电路原理图绘制如图4-5 所示： 电容 C4、 C5，晶振 Y1 构成单片机的时钟电路；电容 C3、电阻 R6、 R6，及复位按键 S2 构 成点单片机的手动复位电路；三极管 T1、电阻 R7、蜂鸣器 LS1 组成音频报警电路，以提示是否出现断点；上述电路与单片机一起组成最小系统。串口接口芯片 MAX232（ U12）及接插件 DC Connector（ P4）等构成单片机与 PC机的串行通信接口电路。 电子科技大学学士学位论文 22 图 4-5 单片机最小系统与串口通信电路图 4.1.2 系统电源电路 在计算机和通信领域，为了降低系统功耗提高电源效率，系统工作电压越来越低；另外，随着信息技术和微电子工艺技术的高速发展，器件的特征尺寸越来越小，集成电路的电源电压也越来越低。因为低电压器件的成本更低，性 能更优。对于一个实际的电子系统，要认真的分析它的电源需求。不仅仅是关心输入电压，输出电压和电流，还要仔细考虑总的功耗，电源实现的效率，电源部分对负载变化的瞬态响应能力，关键器件对电源波动的容忍范围以及相应的允许的电源纹波，还有散热问题等等。功耗和效率是密切相关的，效率高了，在负载功耗相同的情况下总功耗就少，对于整个系统的功率预算就非常有利了，对比 LDO 和开关电源，开关电源的效率要高一些。同时，评估效率不仅仅是看在满负载的时候电源电路的效率，还要关注轻负载的时候效率水平。至于负载瞬态响应能力，对于一些高性能的 CPU 应用就会有严格的要求，因为当 CPU 突然开始运行繁重的任务时，需要的启动电流是很大的，如果电源电路响应速度不够，造成瞬间电压下降过多过低，造成 CPU 运行出错。一般来说，要求的电源实际值多为标称值的 正负 5%，所以可以据此计算出允许的电源纹波，当然要预留余量的。散热问题对于那些大电流电源和 LDO 来说比较重要，通过计算也是可以评估是否合适的。 嵌入式控制系统的 MCU 一般都需要一个稳定的工作电压才能可靠工作。而设第 4 章 系统的实现 23 计者多习惯采用线性稳压器件（如 78xx 系列三端稳压器件 )作为电压调节和稳压器件来将较高的直流电压转变 MCU 所需的工作电压。这种线性稳压电源的线性调整工作方式在工作中会大的“热损失”（其值为 V 压降 I 负荷 )，其工作效率仅为30 50。加之工作在高粉尘等恶劣环境下往往将嵌入式工业控制系统置于密闭容器内的聚集也加剧了 MCU 的恶劣工况，从而使嵌入式控制系统的稳定性能变得更差。而开关电源调节器件则以完全导通或关断的方式工作。因此工作时要么是大电流流过低导通电压的开关管、要么是完全截止无电流流过。因此，开关稳压电源的功耗极低，其平均工作效率可达 70 90。在相同电压降的条件下，开关电源调节器件与线性稳压器件相 比具有少得多的“热损失”。因此，开关稳压电源可大大减少散热片体积和 PCB 板的面积，甚至在大多数情况下不需要加装散热片，从而减少了对 MCU 工作环境的有害影响。 一个开关电源一般包含有开关电源控制器和输出两部分，有些控制器会将MOSFET 集成到芯片中去，这样使用就更简单了，也简化了 PCB 设计，但是设计的灵活性就减少了一些。 开关控制器基本上就是一个闭环的反馈控制系统，所以一般都会有一个反馈输出电压的采样电路以及反馈环的控制电路。因此这部分的设计在于保证精确的采样电路，还有来控制反馈深度，因为如果反馈环响应过慢的 话，对瞬态响应能力是会有很多影响的。而输出部分设计包含了输出电容，输出电感以及 MOSFET等等，这些的选择基本上就是要满足一个性能和成本的平衡，比如高的开关频率就可以使用小的电感值（意味着小的封装和便宜的成本），但是高的开关频率会增加干扰和对 MOSFET 的开关损耗，从而效率降低。使用低的开关频率带来的结果则是相反的。 对于输出电容的 ESR 和 MOSFET 的 Rds_on 参数选择也是非常关键的，小的ESR 可以减小输出纹波，但是电容成本会增加，好的电容会贵嘛。开关电源控制器驱动能力也要注意，过多的 MOSFET 是不能 被良好驱动的。一般来说，开关电源控制器的供应商会提供具体的计算公式和使用方案供工程师借鉴的。 采用开关稳压电源来替代线性稳压电源作为 MCU 电源的另一个优势是：开关管的高频通断特性以及串联滤波电感的使用对来自于电源的高频干扰具有较强的抑制作用。此外，由于开关稳压电源“热损失”的减少，设计时还可提高稳压电源的输入电压，这有助于提高交流电压抗跌落干扰的能力。 电子科技大学学士学位论文 24 AMC2576系列开关稳压集成电路是线性三端稳压器件 (如 78xx系列端稳压集成电路 )的替代品，它具有可靠的工作性能、较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力， 从而为 MCU的稳定、可靠工作提供了强有力的保证 。它提供固定输出电压为 3.3V,5V和一可调输出的版本。由于它具有很小的外部结构，不仅可以减少电路板的尺寸，还能减少散热片的使用。有些情况下，还不需要散热器。 电源电路如下图所示： 图 4-6 系统电源 接插件 J34为系统电源输入口，系统电源为 24V直流。直流输入源经 AMC2576稳压后向系统各电路提供高质量的直流 5V 电源。 4.1.3 键盘与显示模块电路 在测量中，要选择合适的脉冲宽度值，可以使测量误差减小。需要选择的参数按实践经验分析，而且与电缆的材料结构有关。对称 电缆 v=220m/us，中同轴电缆 v=287m/us，小同轴电缆 v=280m/us，为方便单片机计算，在后面的主程序中通过设定传输速度不同初值来进行运算。最好的办法是扩展一键盘，通过步进（退）的方式来修改计算式中的系数来达到控制速度的目的。键盘采用查询方式。 显示模块采用 LCD1602，选择直接访问工作方式，其数据线 DB0 DB7经74LS245双向锁存器与 AT89C52的 P0数据口连接， CPU的 /RD和 /WR直接作为液晶模块的读、写控制信号，液晶块的使能端接 P3.7,V0为液晶显示器对比度调整端，第 4 章 系统的实现 25 接正电 源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生 “鬼影 ”，通过一个 10K的电位器调整对比度 。 图 4-7 键盘与显示模块电路 4.1.4 发射接收电路 发射接收电路是动力电缆断点检测的核心电路。由于单片机发出的脉冲因受晶体震荡器最高频率的限制，其机器周期最小只能为 0.5us 左右，又考虑到脉冲传输速度，要求脉宽在 0.10.4us 之间，故采用 555 定时器的单稳态电路来实现脉冲的发射。 射极跟随器（又称射极输出器，简称射随器或跟随器）是一种共集接法的连接方式，它从基极输入信号，从射极输出信号。动态电压放大倍 数小于 1 并接近 1，且输出电压与输入电压同相但是输出电阻低，具有 电流 放大作用，所以有功率放大作用。其特点为输入阻抗高，输出阻抗低， 输入信号与输出信号相位相同， 电压放大系数略低于 1，负载能力强。也可认为是一种电流放大器。常作阻抗变换和级间隔离用 7。 如图 4-8 所示，发射接收电路由光电耦合、射极跟随器、单稳态电路及电压整形限幅电路等组成。射极跟随器利用高频三极管开关电路将脉冲波幅度提高到24V，以提高驱动 能力，避免有脉冲在电缆传输中的极快衰减而带来的反射波幅值极小问题。在断点处产生的反射脉冲波，通过降压整形至 AT89C52 的 /INT1 端产生中断请求。 CONTROL 端接单片机的 I/O 口 P1.7，单片机通过此 I/O 口每隔一定时间输出负脉冲触发信号，以触发 555 定时器输出脉冲波。 555 中控制脉宽的 R与 C 分别取为 20K和 10pf，以达到脉宽为 0.22us 的目的。 电子科技大学学士学位论文 26 图 4-8 发射接收电路 4.1.5 PCB 板的制作 制 作 PCB 板图时，由于 PCB 库中没有 AMC2576 的元件的封装，因此需要自己制作元件库。 PCB 元件封装图 库建立的方法： 对于项目中的 PCB 图，执行 design/make PCB library，系统将自动生成与 PCB图同名的 .pcblib 库文件，其中包含 PCB 图中所有的元件封装。在新的原理图库， 执行 file/new/PCB library，利用 Protel DXP 提供的 PCB 库编辑器绘制元件封装。如下图所示为所画的 AMC2576 封装。 图 4-9 电源芯片 AMC2576 封装 在把建立好的元件库装入 PCB 版图后，装入网络表。装入网络表后，每一个元件的引脚上都会有一根虚线显示其与其他元件的连接状态，同时，会显 示网络第 4 章 系统的实现 27 表状态，网络表状态可自动检查出每个元件的引脚连接是否与原理图一致，错误会显示出来，如自制元件的引脚位置不对，符号不对，根据指出的错误进行修改，当网络表状态不再有错误时，这时，就可以根据那些虚线的指示，可以安排元件在 PCB 板上的位置了，安放元件的位置还要考虑布线是否合理，设备使用是否方便，减少元件之间相互干扰。当元件放置好后，就可以进行布线了，布线可以采用手工布线和自动布线两种方法，对于布线量较大的 PCB 图，可以采用自动步线，这样做可以减少劳动量，提高布线效率。本系统采用手工布线制作。当布线完成后，再进 行设计规则检测 (DRC)，如果布线有误，可根据错误信息和标记进行修改，直至检测通过，这样， PCB 板图就制好了。下图即为所画的 PCB 图： 图 4-10 PCB 全图 Protel布线设计应注意的事项 1.单面焊盘： 不要用填充块来充当表面贴装元件的焊盘，应该用单面焊盘，通常情况下单面焊盘不钻孔，所以应将孔径设置为 0。 2.过孔与焊盘： 过孔不要用焊盘代替，反之亦然。 电子科技大学学士学位论文 28 3.文字要求： 字符标注等应尽量避免上焊盘，尤其是表面贴装元件的焊盘和在 Bottem 层上的焊盘，更不应印有字符和标注。如果实在空间太小放不了字 符而需放在焊盘上的，又无特殊声明是否保留字符，我们在做板时将切除 Bottem层上任何上焊盘的字符部分（不是整个字符切除）和切除 TOP 层上表贴元件焊盘上的字符部分，以保证焊接的可靠性。大铜皮上印字符的，先喷锡后印字符，字符不作切削。板外字符一律做删除处理。 4.阻焊绿油要求： A.凡是按规范设计，元件的焊接点用焊盘来表示，这些焊盘（包括过孔）均会自动不上阻焊，但是若用填充块当表贴焊盘或用线段当金手指插头，而又不作特别处理，阻焊油将掩盖这些焊盘和金手指，容易造成误解性错误。 B.电路板上除焊盘外，如果需要某些区 域不上阻焊油墨（即特殊阻焊），应该在相应的图层上（顶层的画在 Top Solder Mark 层，底层的则画在 Bottom Solder Mask 层上）用实心图形来表达不要上阻焊油墨的区域。比如要在 Top 层一大铜面上露出一个矩形区域上铅锡，可以直接在 Top Solder Mask 层上画出这个实心的矩形，而无须编辑一个单面焊盘来表达不上阻焊油墨。 C对于有 BGA 的板， BGA 焊盘旁的过孔焊盘在元件面均须盖绿油 5.铺铜区要求： 大面积铺铜无论是做成网格或是铺实铜，要求距离板边大于 0.5mm。对网格的无铜格点尺寸 要求大于 15mil 15mil，即网格参数设定窗口中 Plane Settings 中的， (Grid Size 值 )-(Track Width 值 ) 15mil， Track Width 值 10,如果网格无铜格点小于 15mil 15mil 在生产中容易造成线路板其它部位开路，此时应铺实铜，设定 :(Grid Size 值 )-(Track Width 值 ) -1mil。 6.外形的表达方式： 外形加工图应该在 Mech1层绘制，如板内有异形孔、方槽、方孔等也画在 Mech1层上，最好在槽内写上 CUT 字样及尺寸，在绘制方孔、方槽等的 轮廓线时要考虑加工转折点及端点的圆弧，因为用数控铣床加工，铣刀的直径一般为 2.4mm，最小不小于 1.2mm。如果不用 1/4 圆弧来表示转折点及端点圆角，应该在 Mech1层上用箭头加以标注，同时请标注最终外形的公差范围。 第 4 章 系统的实现 29 7.焊盘上开长孔的表达方式： 应该将焊盘钻孔孔径设为长孔的宽度，并在 Mech1 层上画出长孔的轮廓，注意两头是圆弧，考虑好安装尺寸。 8.金属化孔与非金属化孔的表达： 一般没有作任何说明的通层（ Multilayer）焊盘孔，都将做孔金属化，如果不要做孔金属化请用箭头和文字标注在 Mech1 层上 。对于板内的异形孔、方槽、方孔等如果边缘有铜箔包围，请注明是否孔金属化。常规下孔和焊盘一样大或无焊盘的且又无电气性能的孔视为非金属化孔。 9.元件脚是正方形时如何设置孔尺寸： 一般正方形插脚的边长小于 3mm时，可以用圆孔装配，孔径应设为稍大于（考虑动配合）正方形的对角线值，千万不要大意设为边长值，否则无法装配。对较大的方形脚应在 Mech1 绘出方孔的轮廓线。 10.当多块不同的板绘在一个文件中，并希望分割交货请在 Mech1 层为每块板画一个边框，板间留 100mil的间距。 11.钻孔孔径的设置与焊盘最小值的关系 ： 一般布线的前期放置元件时就应考虑元件脚径、焊盘直径、过孔孔径及过孔盘径，以免布完线再修改带来的不便。如果将元件的焊盘成品孔直径设定为 X mil，则焊盘直径应设定为 X+18mil。过孔设置类似焊盘：一般过孔孔径 0.3mm，过孔盘设为 X+16mil。 12. 线路的铺设宽度与间距如下表所示： 表 4-3 PCB 布线的宽幅 13成品孔直径（ X）与电地隔离盘直径（ Y）关系： Y X+42mil，隔离带宽12mil。以上参数的下限值为工艺极限，为了更可靠请尽量略大于此值。 线宽 线距 焊盘与线间距 焊盘与焊盘间距 字符线宽 字符高度 建议值 8mil 8mil 8mil 8mil 8mil 45mil 极限值 5mil 5mil 5mil 5mil 6mil 35mil 电子科技大学学士学位论文 30 4.2 系统的软件设计 动力电缆断点检测与定位系统是以 AT89C52 为核心的单片机嵌入式系统。因此软件设计围绕单片机程序展开，通过操作单片机内部资源，达到控制过程对象的目的。 AT89C52 内部资源主要包括：中断系统，定时器 T0、 T1 和 T2，串行通信系统等。本节将先介绍定时器 T0（ T1）工作在 16 位定时计数模式的初值计算 ,然 后介绍系统软件设计的流程。 4.2.1 T0（ T1） 16 位工作模式初值计算 定时器 T0、 T1 的工作模式由控制寄存器 TMOD 决定。 TMOD 各位的含义如表 4-4 所示 1。 TMOD 的低半个字节定义定时 /计数器 T0，高半个字节定义定时 /计数器 T1。定时 /计数器的启动，由门控开关 GATE 进行控制， GATE=0 时，寄存器 TCON 中的 TR0、 TR1 启动定时； GATE=1 时，外部中断引脚 /INT0、 /INT1 和TR0、 TR1 联合启动定时。定时或计数工作方式的选择，由 C/T 位控制， C/T=0 为定时工作方式， C/T=1 为定时计数方式。每 个定时 /计数器共有方式 0、方式 1、方式 2、方式 3 四种工作方式，分别由 M1M0 的值 00、 01、 10、 11 实现控制。 当 TMOD 中的 M1M0=01 时，定时 /计数器选定方式 1 进行工作。图 4-11 是Tx（ x=0， 1）工作在方式 1 下的逻辑结构图。其逻辑结构是两个 8 位的寄存器 THx（ x=0， 1）和 TLx（ x=0， 1）全部构成一个 16 位的定时 /计数器。 图 4-11 定时 /计数器工作在方式 1 的逻辑结构图 第 4 章 系统的实现 31 表 4-4 工作方式控制寄存器 TMOD 各位的功能 定时 /计数器 位序 位符 为定义 位值 功能 T1 B7 GATE 门控位 0 当 TR1=1 时定时器 1 被允许，与/INT1 的逻辑电平无关 1 只有当 TR1=1 并且 /INT1=逻辑 1时定时器 1 被允许 B6 C/T 定时或计数选择位 0 定时器功能 1 计数器功能 B5 M1 工作方式选择位 M1M0=00 方式 0： 13 位计数器 /定时器 M1M0=01 方式 1： 16 位计数器 /定时器 B4 M0 M1M0=10 方式 2：自动重装载的 8 位计数器 /定时器 M1M0=11 方式 3：定时器 1 停止运行 T0 B3 GATE 门控位 0 当 TR0=1 时定时器 0 被允许，与/INT0 的逻辑电平无关 1 只有当 TR0=1 并且 /INT0=逻辑 1时定时器 0 被允许 B2 C/T 定时或计数选择位 0 定时器功能 1 计数器功能 B1 M1 工作方式选择位 M1M0=00 方式 0： 13 位计数器 /定时器 M1M0=01 方式 1： 16 位计数器 /定时器 B0 M0 M1M0=10 方式 2：自动重装载的 8 位计数器 /定时器 M1M0=11 方式 3：定时器 1 停止运行 在该工作方式下， 作为计数器使用时，其计数范围是 1 65536( 162 )。当作为定时器使用时，定时器的定时时间 dT 为： 电子科技大学学士学位论文 32 16( 2 )d c yT c o u n t T （ 4-1） 其中cyT是单片机的机器周期， count 是欲求的定时 /计数器的初值。 设单片机晶振频率是 22.1184MHz，要求定时器 T0 产生 1 S 的定时，则初值 Count的可按下列方法计算。 由16(2)dcyount得： 6 1 6 6121 1 0 ( 2 ) 2 2 . 1 1 8 4 1 0c o u n t （ 4- ） 即： Count=0XFFFE 所以 TH0 = 0XFF， TL0 = 0XFE。 定时程序为： TMOD &= 0xF0； TMOD= 0x0； /设置定时器 T0 为 16 位定时器 TH0=0XFF； TL0=0XFE； /1us 定时附初值 TR0=1； /启动定时器 4.2.2 T2 作 为波特率发生器时的初值计算 通过设置 T2CON 中的 TCLK 或 RCLK 可选择定时器 T2 作为波特率发生器。如果定时器 T2 作为发送或接收波特率发生器，定时器 1 可用作它用，发送和接收的波特率可以不同。如图 4-12 所示，设置 RCLK 和（或） TCLK 可以使定时器 2工作于波特率产生模式。 波特率产生工作模式与自动重载模式相似，因此， TH2 的翻转使得定时器 2寄存器重载被软件预置 16 位值的 RCAP2H 和 RCAP2L 中的值。 模式 1 和模式 3 的波特率由定时器 2 溢出速率决定，具体如下公式： T213 16 定 时 器 的 溢 出 率模 式 和 模 式 波 特 率 （ 4-3） 定时器可设置成定时器，也可为计数器。在多数应用情况下，一般配置成定时方式（ CP/T2=0）。定时器 2 用于定时器操作与波特率发生器有所不同，它在每一机器周期（ 1/12 晶振周期）都会增加；然而，作为波特率发生器，它在每一机器状态（ 1/2 晶振周期）都会增加。波特率计算公式如下： 13 3 2 6 5 3 3 6 2 2R C A P H R C A P L 晶 振 频 率模 式 和 模 式 的 波 特 率 ， （ 4-4） 第 4 章 系统的实现 33 其中，（ RCAP2H,RCAP2L）是 RCAP2H 和 RCAP2L 组成的 16 位无符号整数。 图 4-12 定时器 T2 波特率发生器模式逻辑结构图 定时器 2 作为波特率发生器，如图 4-12 所示。图中仅仅在 T2CON 中 RCLK或 TCLK 1 才有效。特别强调， TH2 的翻转并不置位 TF2，也不产生中断； EXEN2置位后， T2EX 引脚上 1 0 的下跳变不会使（ RCAP2H， RCAP2L）重载到（ TH2，TL2）中。因此，定时器 2 作为波特率发生器， T2EX 也还可以作为一个额外的外部中断。 定时器 2 处于波特率产生模式， TR2=1，定时器 2 正常工作。 TH2 或 TL2 不应该读写。 在这种模式下，定时器在每一状态都会增加，读或写就不会准确。寄存器 RCAP2 可以读，但不能写，因为写可能和重载交迭，造成写和重载错误。在读写定时器 2 或 RCAP2 寄存器时，应该关闭定时器（ TR2 清 0）。 设单片机晶振频率是 22.1184MHz，定时器 T2 作为波特率发生器，波特率为19200。则根据式（ 4-2）有： 62 2 . 1 1 8 4 1 0192003 2 6 5 3 3 6 2 2R C A P H R C A P L ， （ 4-5） 可得 RCAP2H=0XFF， RCAP2L=0XDC。 串口初始化程序为： SCON=0X50； /串口方式 1,允许接受 T2CON=0X30； /T2 作波特率发生器 ,16 位自动重装模式 RCAP2L=0Xdc； TL2= 0Xdc； /设置 T2 初值 ,波特率 :19200 晶振 22.1184MHz 电子科技大学学士学位论文 34 RCAP2H=0XFF； TH2= 0XFF； TR2=1； /开波特率发生器 TI=1； /发送开始 4.2.3 软件的流程 1. 总体流程图 软件总体流程图如图 4-13 所示 ： 系统开始上电后先进行初始化工作。系统初始化主要包括配置定时器 工作方 式，中断系统的配置等。显示开机欢迎信息后检查按键是否被按下。由于 555 单稳态电路需要单负脉冲触发，所以在初始化之后单片机产生单负脉冲触发测量电 路正常工作。 555 单稳态电路发射的正脉冲有两个沿：上升沿和下降沿。单片机检测出上升沿后，进入上升沿中断服务程序。上升沿中断服务程序启动内部定时器计时开始，并将程序中设定的软件计数器清零。当定时器计数达到最大值后定时器溢出引起定时器中断。在定时器中断服务程序中，软件计数器值增大 1 并且重新启动内部定时器定时。通过 R 与 C 的选择，发射的正脉冲宽度为 0.1 0.4us,单片机的晶振频率为 22.1184MHz,一条指令约为 0.5us，所以当单片机检测出下降沿的时候即为检测到的反射波的下降沿，从而进入下降沿中断服务程序，下降沿中断服务程序停止内部定时器定时并且关闭中断系统，此时得到的时间即为发射波与反射波之间的时间。为了保证后续程序计算结果的正确性以及中断程序的正确执行，程序延时 20ms，等待时间的正确测量结束。通过所测得的时间，利用式（ 2-2）而算出反射面与初始端的距离，显示距离。如果结果小于被测电缆的实际距离，则电缆有断点 ,并启动报警电路。 第 4 章 系统的实现 35 图 4-13 系统总流程图 2 中断服务程序 中断服务程序包括：上升沿服务程序 , 外部中断服务程序 ,以及定时器 T0 溢 电子科技大学学士学位论文 36 设 置 定 时 器 T 0 的 初 值T R 0 = 0 ；T H 0 = F F ；T L 0 = F E ； 软 件 定 时 器 计 数 c o u n t + +重 新 设 置 定 时 器 T 0 初 值T R 0 = 0 ；T H 0 = F F ；T L 0 = F E ；启 动 定 时 器 T 0 ；T R 0 = 1 ； 软 件 定 时 器 清 0 ； c o u n t = 0 ； 启 动 定 时 器 T 0 ； T R = 1 ； 图 4.14a上升沿开中断程序流程图 图 4.14b 定时器 T0 溢出中断程序流程图 开 闭 定 时 器 0 ：T R 0 = ；关 中 断 系 统 ： E A = 0 ； 图 4.14c 外部中断程序流程图 出中断服务程序。上图为三个中断服务程序的流程图。 单片机检测出上升沿后，进入上升沿中断服务程序。上升沿中断服务程序启动内部定时器计时开始，并将程序中设定的软件计数器清零。当定时器计 数达到最大值后定时器溢出引起定时器中断。在定时器中断服务程序中，软件计数器值增大 1 并且重新启动内部定时器定时。当单片机检测出下降沿后，进入外部中断服务程序。外部中断服务程序停止内部定时器定时并且关闭中断系统。 为了保证后续程序计算结果的正确性以及中断程序的正确执行，程序延时30ms，等待外部中断结束。外部中断结束后，软件计数器的值再乘以内部定时器第 4 章 系统的实现 37 的定时值就是测量电路输出的时间。上升沿中断占用外中断 0，定时器 T0 中断占用内中断 1，外部中断占用外中断 2。 为了保证测量结果的正确，在中断优先级上，将外部沿中断优先 级设置为 1，最高，其余为 0 级中断，并且在外部中断服务程序中关闭中断系统。 4.2.4 断点距离的计算 脉冲正常测量后，软件计数器的值再乘以内部定时器的定时值就是测量电路输出的时间。利用此结果再运用式（ 2-2）及预定选择的电缆参数即可得出断点距离。 式（ 2-2）为： 2vtL 在程序中 t =软件计数器值 count内部定时器定时时基。假如时基为 10us，则 -61 1 0t v c o u n t （ s） （ 4-5） 由式（ 2-2）可得： 61 1 02v c o u n tL （ m ） （ 4-6） 为了减小测量误差，考察定时器 T0 溢出中断服务程序的执行时间。中断 1 服务程序如下： void T0count() interrupt 1 /中断响应时间 3 个机器周期，中断函数 13 个机器周期 count+； TR0 = 0； /暂时停止定时器（在重新设置初值之前必须暂停 ） TH0 = 0XFF； TL0 = 0XFE； /1us 定时 TR0 = 1； /重新启动定时器 由参考文献知， MSC-51 单片机的中断响应时间为 3 个机器周期至 8 个机器周期 1。此中断服务程序响应时间为 3 个机器周期。 MSC-51 单片机的机器周期是晶振振荡周期的 12 倍。此系统的晶振频率为 22.1184MHz，则 3 个机器周期为 6101184.221216 S。将式（ 4-6）修订如下： 6612( 1 1 0 3 )2 2 . 1 1 8 4 1 02v c o u n tL （ m ） （ 4-7） 其中 v（传输速度） 取决于电缆的传输特性，对称电缆 v=220m/us,中同轴电缆电子科技大学学士学位论文 38 v=287m/us， 小同轴电缆 v=280m/us。 4.3 本章小结 本章首先明确了课题的主要任务，并规定了系统的性能要求，详细阐述了动力电缆断点检测及定位系统的硬件电路设计和软件设计 。 硬件电路设计方面，我们就每个电路单元的原理给予充分地说明，详细介绍了串口通信的工作原理，然后就每个电路模块的设计我们也做出了详细的阐述。最后介绍了 PCB 的设计与结果。 软件设计方面，我们整体介绍了系统软件设计总体流程图，然后就中断模块我们也做出了更加详细的阐述说明。此外，还着重阐述了定时器 T0 的初值计算方法和定时器 T2 作为波特率发生器时的初值计算方法。 最后实现了断点距离的测试，给出了计算公式。 第 5 章 总结与应用 39 第 5章 硬件测试结果 通过本文设计基于 555 单稳态电路和单片机嵌入式技术，完成对通信电缆断点检测与定位系统的开发，并在实验室环境下对系统进行了功能模拟测试。 所得结果如表 5-1 所示： 表 5-1 断点检测定位系统测量精度表 传输速度/m/us 电缆总长度 /m 故障点长度 /m 所测的脉冲时间差/us 计算所得断点距离/m 断路测量误差 /（ %） 220 1000 700 5 744.1 +4.4 220 4000 1600 9 1624.1 +1.2 220 8000 2800 14 2724.1 -1.0 280 1000 700 4 667.0 -3.7 280 4000 1550 7 1507.0 +1.1 280 8000 3800 15 3747.0 -0.6 287 1000 350 3 396.7 +4.6 287 4000 3200 13 3266.7 +1.6 287 8000 4800 18 4701.7 +1.2 根据表中数据可知，低压脉冲回波法的检测距离在线路高于 4000m 时能够达到课题设计的要求，当线路较短时，测量的误差比较大，但考虑到线路短时，查找断点相对而言比长线简单，所以得出结论，低压脉冲回波法在检测动力电缆断点时是可行的。 电子科技大学学士学位论文 40 结束语 本文完成了动力电缆断点检测与定位装置的实现与设计。 经过这 4 个月的努力，在指导老师的帮助下，我最终能顺利的完成了毕业设计任务。本文研究了单片机的控制电路，设计出了动力电缆断点检测装置的电路，实现了断点检测功 能，达到了课题要求的目标。但由于电缆故障问题的复杂性，也有不足之处，还需考虑到回波耗损与噪声的影响。 整个设计过程，通过亲自动手，理论与实践得到紧密的结合，培养了我独立思考和解决问题的能力。通过这次设计，我学习了 Protel的基本应用，掌握了原理图及 PCB 图的画法，还进一步掌握了 Keil C 软件的应用。另外许多知识是无法在课本上找到的，这就需要去查阅各种资料，尤其是一些芯片的应用资料。通过这次毕业设计，提高了我的查阅资料的能力，也同时提高了外文的阅读能力。 参考文献 41 参考文献 1 徐惠民， 安德宁 .单片微型计算机原理 、接口及应用 .北京邮电大学出版社， 2000， 162177 2 何梅波，周拥华，吴昕，张有兵， J.NGUIMBIS，程时杰 .低压电力线载波通信研究与应用现状 .继电器， 2001， 29（ 7）： 1216 3 孙育才 .ATMEL 新型 AT 89C52 系列单片机及其应用 .北京 :清华大学出版社 ,2005 4 刘劲，孙扬声，罗毅 .一种基于时间域的实用单侧电量故障测距方法 .电力系统自动化 .1994， 18(5):52 一 56 5 汤效军 .电力线载波通信技术的发展及特点 .电力系统通信， 2003(1)： 4751 6 高锋，董亚波 .低压电力线载波通信中 的信号传输特性分析 .电力系统自动化， 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lookup algorithmsJ,IEEE Network,2001,(2)8- 23 电子科技大学学士学位论文 42 致谢 首先，要衷心感谢我的指导老师张昌 华，在整个毕业设计期间和论文的撰写过程中，一直得到他的悉心指导。他的启发式的思维方式和开放式的教育方式使我在实际工作和学习中得到全面的锻炼和提高，为我以后的工作和生活打下了坚实的基础。老师渊博的学识，严谨的治学态度，一丝不苟的科研作风使我受益匪浅。在此，还要对他们对我在工作和生活上的关心表示真诚的谢意。 感谢毕业设计期间和我一起工作、学习的同学和朋友们，没有它们的帮助我不可能顺利完成这次设计。 最后衷心感谢为审阅本文付出辛勤劳动的各位专家和学者！ 谢谢大家。 附录 43 附录 附录 程序 sbit OUT = P17； sbit IN = P33； sbit WARN = P15； void main(void) unsigned char key=0； unsigned char vchar3=0,0,0,lchar5=0,0,0,0,0； unsigned int i； unsignedint v5=220,287,280,300,400； /对 称电缆，中同轴电缆，小同轴电缆（单位：m/us) unsigned int vtemp=200； /初值 unsigned int l=0； /距离 TMOD &= 0xF0； TMOD |= 0x01；/定时器 T0 delay（）用 TMOD &= 0x0F； /将定时器 T1 设置为计数器 TMOD |= 0x10； /定时器 T1 TR1 = 0； /暂时停止定时器（在重新设置初值之前必须暂停） TH1 = 0XFF； TL1 = 0XFE； /1us 定时 SCON=0X50； /串口方式 1,允许接受 T2CON=0X30； /T2作波特率发生器 ,16位自 动重装模式 RCAP2L=0Xdc； TL2= 0Xdc； / 设置 T2 初值 , 波特率 :19200 晶振 22.1184MHz RCAP2H=0XFF； TH2= 0XFF； TI=1； /发送开始 TR2=1； /开波特率发生器 printf(n)； /换行 IT1=1； /外中断脉冲触发 P1=1； /外中断 1 优先级高 EX1=1； ET1=1； InitLCD1602()；/初始化 LCD1602 ClearLCD1602()；/清 LCD 显示 Display1602(Welcome,7,0,0)； Display1602(v=,2,0,1)； Display1602(200,3,4,1)； Display1602(l=,2,0,2)； Display1602(10000,5,4,2)； /显示距离 Display1602(m,1,8,2)； for(；) for(i=0；i100；i+) delay(5)； /延时 50ms key = KeyScan()； if(key!=0) key = 0； delay(1)； /延时防抖 10ms key = KeyScan()； if(key!=0) break； switch(key)/判断键值，执行具体功能 case 1: vtemp = v0； IntToChar3(vtemp,vchar)； Display1602(vchar,3,4,1)； break； case 2: vtemp = v1； IntToChar3(vtemp,vchar)； Display1602(vchar,3,4,1)； break； case 3: vtemp = v2； IntToChar3(vtemp,vchar)； Display1602(vchar,3,4,1)； break； case 4: vtemp = v3； IntToChar3(vtemp,vchar)； Display1602(vchar,3,4,1)； break； case 5: vtemp = v4； IntToChar3(vtemp,vchar)； Display1602(vchar,3,4,1)； break； default: 电子科技大学学士学位论文 44 break； key = 0； IN = 1； OUT = 1； / p1.7 口输出 1 delay(10)；/delay（）用定时器做 100ms EA = 1； /开 总中断 TR1 = 1； OUT = 0； /p1.7 输出 0 OUT = 1； /p1.7 口输出 ,s 输出负脉冲 delay(5)； /延时 50ms l = count*10*vtemp/2； /算出距离，单位： m IntToChar5(l,lchar)； Display1602(lchar,5,4,2)； printf(The length equals %f m. ,l)；/显示距离 if(l10000) WARN = 1；报警 外文资料原文 45 外文