毕业设计（论文）-动力电缆断点检测与定位装置的设计与实现.doc

摘要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51abstractabstractoff-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目录目 录第1章引言11.1 课题研究的背景及意义11.2 电力电缆发生故障的原因与类型21.2.1 故障原因21.2.2 故障类型31.3 电缆故障测距概述的现状41.3.1 阻抗法41.3.2 行波法51.3.3 其他方法71.4 本章小结7第2章低压脉冲回波法的原理及液晶显示lcd160292.1 低压脉冲回波法的原理92.2 液晶显示模块lcd1602102.3 本章小结12第3章555定时器及其单稳态电路133.1 555定时器的电路结构及其功能133.2 555定时器单稳态触发器153.3 本章小结16第4章系统的实现174.1 系统的硬件设计174.1.1 单片机最小系统与串口通信174.1.2 系统电源电路224.1.3 键盘与显示模块电路244.1.4 发射接收电路254.1.5 pcb板的制作264.2 系统的软件设计304.2.1 t0（t1）16位工作模式初值计算304.2.2 t2作为波特率发生器时的初值计算324.2.3 软件的流程344.2.4 断点距离的计算374.3 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3040kv，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(15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；运行中期(525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。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10zcr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1040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： 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。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第2章 低压脉冲回波法的原理及液晶显示lcd16022.1 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， （2-1）式中、为终端及始端的电压矢量，、为终端及始端的电流矢量， 为线路的传输常数，为线路长度，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，实际波形与理想波形相比会有一定差距。低压脉冲法测距公式为： （2-2）其中l为故障距离，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。152.2 液晶显示模块lcd16021602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714脚：d0d7为8位双向数据线。第1516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“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rsr/wd7d6d5d4d3d2d1d0清显示0000000001光标返回000000001*置输入模式000000011/ds显示开/关控制0000001dcb光标或字符移位000001s/cr/l*置功能00001dlnf*置字符发生存储器地址0001字符发生存储器地址（agg)置数据存储器地址001显示数据存储器地址(add)读忙标志或地址01bf计数器地址(ac)写数到cgram或ddram10要写的数从cgram或ddram读数11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。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518v。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218v。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18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。比较器的参考电压为，加在同相输入端，比较器的参考电压为，加在反相输入端。比较器、的输出端分别接基本rs触发器的输入端、，基本rs触发器的输出即为555定时器的输出。反相器的作用是提高负载能力，并隔离负载对555定时的影响。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不外加高电平的情况下，当输入电压低于时，比较器输出1；当输入电压高于时，比较器输出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，当输入电压高于时，比较器输出1；当输入电压低于时，比较器输出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=1，=0时，三极管v截至；定时器输出为0；即=0，=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定时器的功能表晶体管v00导通10导通1保持保持，这时=1。若触发器初始状态为0，则三极管v迅速导通，0，=1，电路处于稳态，输出=0，为低电平。若触发器初始状态为1，则三极管v截止，经r对电容c充电；当时，=0，使触发器输出=0，=1，三极管v迅速放电，=1，电路进入稳态，输出为低电平。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，使输出为低电平。当负脉冲触发信号出现时，时（在此之前，已超过，=1），=0，使触发器输出=0， =1，三极管v迅速放电，=1，电路进入稳态，输出为低电平。图3-2（b）为该单稳态触发器的工作波形。暂稳态持续时间就是电容c从0充电至所需时间，由外接电阻、电容的大小决定。rc电路零状态响应为： （3-1）式中：=rc。将=代入上式，可得脉冲宽度： （3-2）调整外接电阻r、电容c的值，可调整输出的正脉宽，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。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，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，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024mhz；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。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。mcs51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1020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18dcdin数据载波检测23rxdin接受数据32txdout发送数据420dtrout数据终端装置（dte）就绪57gnd信号公共参考地66dsrin数据通讯装置（dce）就绪74rtsout请求发送85ctsin清除发送922rtin振铃指示表4-2 rs-232与ttl、cmos逻辑电平比较逻辑rs-232c电平/vttl电平/vcmos电平/v0+5+150+0.80+1.51-5-15+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的去耦电容，图4-2中c1，c2，c3，c4取1016v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。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3050。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7090。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。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