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，電纜越來越廣泛地應(yīng)用于電力、通信、交通等國民經(jīng)濟的諸多行業(yè)。同時，由于很難測定斷點的準(zhǔn)確位置，一些機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)注的問題。

1 系統(tǒng)總體功能設(shè)計

低壓電纜故障檢測系統(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)出第一個脈沖波時，單片機AT89C51開始啟動定時計數(shù)（這里采用機器周期作時基計數(shù)脈沖）。脈沖波發(fā)出后在電纜中傳播，遇到高阻的斷點、終端點或短路點就會發(fā)生反射波脈沖。單片機接收反射波脈沖，使之在接收到第一個反射的脈沖波時，觸發(fā)單片機停止計數(shù)。最后讀出定時計數(shù)器的值，就可計算出故障點的位置。

圖1 低壓電纜故障檢測系統(tǒng)的工作原理圖

假定此時單片機AT89C51定時計數(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間t=（2N+1）T，其中T為單片機機器周期。脈沖波在電纜中的傳播速度值的計算公式為：

式中：V是脈沖波在電纜中的傳播速度；L是電纜中的斷點與脈沖送入端的距離。

通過運算就可測出電纜中斷點的準(zhǔn)確位置。需要指出的是，在測量中，選擇合適的脈沖波周期，可以使測量誤差減小。通過實驗得出1000 m以上長度的此電纜，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，不易受外界信號干擾，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)按實踐經(jīng)驗分析，而且與電纜的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)。

2 硬件電路設(shè)計

本系統(tǒng)電路包含單片機、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，在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器，利用定時器的計數(shù)功能記錄脈沖發(fā)射的時間和收到反射波的時間差。當(dāng)收到脈沖反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負(fù)跳變，在外部中斷輸入端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離，并顯示出來，然后繼續(xù)下一次的測量。鍵盤用來改變脈沖的周期。

圖2 低壓電纜故障檢測系統(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。脈沖信號由AT89C51單片機產(chǎn)生。D/A轉(zhuǎn)化電路主要由D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832和運算放大器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)兩個運算放大器F032輸出。由于單片機接收和輸出的只能是數(shù)字量，所以在實際的低壓電纜故障檢測系統(tǒng)中，通過單片機擴展D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)模擬脈沖輸出。DAC0832輸出是電流型的，而在此設(shè)計中需要的是脈沖輸出信號，還需要外接運算放大器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在本設(shè)計中應(yīng)用兩片F(xiàn)032芯片以代替雙運放來構(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)射點時，波形與原發(fā)射點波形反相。所以，反射的脈沖需要經(jīng)過4093施密特觸發(fā)器反相，整形后，輸入由運算放大器的負(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，單片機進(jìn)入中斷后停止計數(shù)，并對數(shù)值進(jìn)行處理。由于脈沖經(jīng)故障電纜反射后信號很微弱，為毫安級，如果直接送給AT89C51檢測不到，所以還需要經(jīng)過適當(dāng)放大。

2.2 鍵盤及顯示電路

為實現(xiàn)該系統(tǒng)對各種不同場合的不同結(jié)構(gòu)電纜的斷點測定，需改變脈沖波的周期值和傳播速度。為此，在AT89C51的P1口擴展一個鍵盤電路，用來改變脈沖波的周期。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，要測出故障點到測試端的距離，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)計了 10 個數(shù)字鍵（0～9）、2 個功能鍵（a、b 鍵），a 為確定鍵，b為刪除鍵，用來設(shè)定脈沖周期的數(shù)值。其余的按鍵待以后擴展功能時使用。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

3.1 軟件設(shè)計思想

本系統(tǒng)是一個利用脈沖反射原理制作的單片機為主的低壓電纜故障檢測系統(tǒng)，軟件采用C語言編程。主要包括以下過程：

（1）開機自檢，四位數(shù)碼管依次顯示0～9，然后熄滅。

（2）由定時/計數(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。

（3）采用P3.4口接收脈沖計數(shù)，到P3.2接收到反射脈沖時停止計數(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)，計數(shù)并運算，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，首先要確定各個量的大概范圍。L為四位顯示，可知 20

為了使測量相對準(zhǔn)確點，我們把脈沖長度限定為：4～150。

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

5 結(jié)語

本文設(shè)計的這種用低壓脈沖反射法測定電纜斷點位置的系統(tǒng)，能對低壓電纜接地、短路、斷線三類故障進(jìn)行檢測，可較準(zhǔn)確地測定斷點位置，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)實踐，可有效解決電纜斷點測定的難題，將有力推動相關(guān)行業(yè)的快速發(fā)展。

[1]于將，楊斌.電纜故障檢測技術(shù)及實際經(jīng)驗淺談[J].華中電力，1999．

[2]周航慈.單片機應(yīng)用程序設(shè)計技術(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).世界流行單片機技術(shù)手冊美國系列[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

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