嚴(yán) 順 枝

(衡水職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 衡水 053000)

電力變壓器是配電網(wǎng)的末端設(shè)備，是關(guān)系到用戶能否正常使用電能的重要組成部分．電力變壓器的屢屢被盜，嚴(yán)重破壞了電力系統(tǒng)正常的生產(chǎn)秩序，影響了經(jīng)濟(jì)建設(shè)和城鄉(xiāng)居民的正常生產(chǎn)生活．鑒于此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于LPC2136的新型變壓器防盜報(bào)警系統(tǒng)，無論電網(wǎng)是否正常均能正常工作，并能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，防盜報(bào)警．

1 系統(tǒng)基本工作原理

基于LPC2136 的電力變壓器防盜報(bào)警系統(tǒng)以LPC2136單片機(jī)為主要控制芯片，以M72DE模塊組成的GSM無線傳輸組件作為報(bào)警通訊方式，能將設(shè)備運(yùn)行信息及時(shí)地傳送出去．圖1所示，系統(tǒng)主要由信息采集、微處理器、緩沖驅(qū)動(dòng)、雙頻模塊、發(fā)送模塊及電源等模塊組成．信息采集模塊負(fù)責(zé)對(duì)配電變壓器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采集電力變壓器及系統(tǒng)各種運(yùn)行情況，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)送到微處理器進(jìn)行處理分析．一旦發(fā)生設(shè)備破壞或被盜事故，立即經(jīng)緩沖驅(qū)動(dòng)送入GSM雙頻模塊，以發(fā)送短信息的方式向設(shè)備負(fù)責(zé)人發(fā)送事故或報(bào)警信息．

圖1 系統(tǒng)整體方框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

配電變壓器防盜報(bào)警裝置主要是由防盜檢測(cè)和報(bào)警執(zhí)行兩部分組成．防盜檢測(cè)通過監(jiān)測(cè)變壓器的各種運(yùn)行參數(shù)，由單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的邏輯判斷，進(jìn)而監(jiān)控變壓器的運(yùn)行狀況；報(bào)警執(zhí)行主要是利用M72DE模塊進(jìn)行GSM無線短信報(bào)警，使被盜事故能得到及時(shí)處理．

2.1 防盜檢測(cè)部分

防盜檢測(cè)部分由信號(hào)采集單元、單片機(jī)信號(hào)處理單元構(gòu)成．這部分也是防盜報(bào)警系統(tǒng)的核心．它決定了防盜報(bào)警系統(tǒng)的防盜效果、運(yùn)行速度和功能強(qiáng)弱，所以它是硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵．

2.1.1 信號(hào)采集單元

本系統(tǒng)主要對(duì)設(shè)備劇烈震動(dòng)、設(shè)備開箱、變壓器失盜等信息進(jìn)行采集再送到微處理器進(jìn)行處理．當(dāng)施盜者發(fā)現(xiàn)監(jiān)控報(bào)警設(shè)備后，首先想到的是先破壞監(jiān)控報(bào)警設(shè)備，于是可能使用重物敲擊報(bào)警器，我們?cè)O(shè)計(jì)的報(bào)警器外殼非常堅(jiān)固抗沖擊，而且當(dāng)受到強(qiáng)烈沖擊后，內(nèi)部振動(dòng)傳感器連續(xù)接通短路接地，其信息由 R112送到微處理器LPC2136的55腳；施盜者敲擊無效可能想到要拆卸報(bào)警器，圖2所示，微處理器LPC2136的48腳實(shí)時(shí)發(fā)送檢測(cè)脈沖，檢測(cè)脈沖經(jīng) Q102放大后加到紅外光耦二極管兩端，由二極管發(fā)送紅外線，正常情況下外殼上的擋片把紅外線阻斷，光耦三極管截止．當(dāng)報(bào)警器外殼打開后擋片取下，光耦三極管受紅外線照射導(dǎo)通，Q102有高電平變低電平，然后由微處理器和雙頻模塊發(fā)送“報(bào)警設(shè)備被打開”短信；如果施盜者強(qiáng)行拆卸變壓器，串聯(lián)在緊固螺絲內(nèi)的斷線傳感器會(huì)被斷開，經(jīng)Q102放大后的檢測(cè)脈沖被切斷，微處理器LPC2136的9腳得不到檢測(cè)脈沖，由微處理器和雙頻模塊發(fā)送“斷線傳感器被觸發(fā)”短信；本報(bào)警系統(tǒng)還可以進(jìn)行變壓器冷卻油丟失報(bào)警電路原理與斷線報(bào)警相同.

圖2 信息采集電路圖

2.1.2 單片機(jī)信號(hào)處理單元

單片機(jī)是防盜檢測(cè)單元的主要功能器件，用來對(duì)采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行儲(chǔ)存、處理．本系統(tǒng)采用ARM公司生產(chǎn)的LPC2136芯片．LPC2136芯片由恩智浦公司設(shè)計(jì)，包含一個(gè)32位ARM7TDMI-S微處理器內(nèi)核，支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤調(diào)試，并帶有256KB高速Flash存儲(chǔ)器．128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行．如圖3所示，LPC2136處理器采用3.3V供電，由X2、C203、C205構(gòu)成主頻定時(shí)網(wǎng)絡(luò)，X1、C201、C202構(gòu)成時(shí)鐘定時(shí)網(wǎng)絡(luò)，57腳為復(fù)位端子，該單片機(jī)外掛兩個(gè)存儲(chǔ)器24C64N和25X80AVSIG， 24C64為可電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)單片機(jī)運(yùn)行程序，25X80AVSIG可編程串行FLASH存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)．該單片機(jī)采用人性化設(shè)計(jì)在信息處理過程中會(huì)有相應(yīng)聲音和LED燈閃爍，由微處理器LPC2136的1腳發(fā)出斷續(xù)脈沖，Q202驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮發(fā)光二極管，LPC2136的2腳發(fā)出斷續(xù)脈沖，Q201驅(qū)動(dòng)由袖珍揚(yáng)聲器發(fā)出相應(yīng)的“嘀嘀”聲．

2.2 報(bào)警執(zhí)行部分

變壓器報(bào)警執(zhí)行部分即采用GSM技術(shù)通訊的短信模塊．如圖4所示．該部分的主要部件是M72DE模塊，M72DE模塊是上海移遠(yuǎn)通信技術(shù)有限公司生產(chǎn)的一款SMD類型的GSM/GPRS雙頻模塊[1]，可以很方便地嵌入到電子產(chǎn)品中． M72DE模塊基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，支持GSM/GPRS 900/1800MHz的短信、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽哂行〕叽?、低功耗的特點(diǎn)．M72DE模塊的工作電壓是3.3～5 V．如圖4所示，M72DE模塊3腳為數(shù)據(jù)請(qǐng)求發(fā)送端子，當(dāng)微處理器LPC2136的35腳發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求發(fā)送信號(hào)，該信號(hào)送到緩沖驅(qū)動(dòng)模塊LVC07A的11腳，經(jīng)緩沖放大后由10腳輸出，加到M72DE模塊3腳，M72DE模塊進(jìn)入到接收數(shù)據(jù)準(zhǔn)備狀態(tài)，報(bào)警數(shù)據(jù)由微處理器LPC2136的33腳發(fā)出，進(jìn)入緩沖驅(qū)動(dòng)模塊LVC07A的9腳，經(jīng)緩沖放大后8腳輸出，加到M72DE模塊2腳．經(jīng)編碼處理后由28腳發(fā)出信息，經(jīng)C301耦合后加到信號(hào)發(fā)送模塊S139的5腳經(jīng)射頻調(diào)制后，由3腳和1腳送到發(fā)送天線，3腳接的是主發(fā)送天線，1腳接的是副發(fā)送天線．當(dāng)施盜者破壞掉主天線后，還有特別隱蔽的副天線，不影響信號(hào)的發(fā)送．M72DE模塊上集成了一個(gè)與ISO7816.3 IC Card標(biāo)準(zhǔn)兼容的SIM接口．并添加CCIN引腳來檢測(cè)SIM卡支架中是否插有SIM卡．當(dāng)插入SIM卡，該引腳置為高電平，系統(tǒng)方可進(jìn)入正常工作．

圖4 報(bào)警執(zhí)行電路

2.3 電源及太陽能充電

本系統(tǒng)采用與供電線路脫離的獨(dú)立太陽能供電電源，這樣有3個(gè)好處：1) 節(jié)約了能源；2) 避免因引入高壓并長期不間斷工作，而使報(bào)警系統(tǒng)容易損壞的問題；3) 同時(shí)也避免了因報(bào)警設(shè)備問題引起的供電線路故障．本部分有3個(gè)模塊：太陽能充電電路、報(bào)警執(zhí)行電路電源和單片機(jī)檢測(cè)電路電源．

2.3.1 太陽能充電電路

如圖5所示，太陽能電池板由D801的正極接入，經(jīng)防倒接二極管D801后加到Q404的漏極，Q404和Q403為復(fù)合管，在正常情況下Q403柵極由R408和R407直接供電，Q404和Q403導(dǎo)通正常供電，當(dāng)報(bào)警電路出現(xiàn)故障后，微處理器LPC2136的4腳發(fā)出高電平加到Q402的柵極，Q402導(dǎo)通，Q402漏極為低電平，Q404和Q403截止，充電無法進(jìn)行，從而保護(hù)了報(bào)警電路．

2.3.2 報(bào)警執(zhí)行電路電源

報(bào)警執(zhí)行電路的核心部分為M72DE芯片，M72DE芯片的工作電壓是3.3～5 V，我們選擇是常規(guī)的4.3 V，由穩(wěn)壓模塊MIC29302構(gòu)成的穩(wěn)壓電源供電．

如圖6所示，穩(wěn)壓模塊MIC29302的2腳接入的是6V蓄電池，4腳是輸出4.3V穩(wěn)壓電壓．5腳為穩(wěn)壓控制端子，4腳輸出的電壓高低由5腳決定，R402和R403為分壓電阻，合適的選擇R402和R403值，可使穩(wěn)壓電源輸出4.3V電壓．1腳為是否輸出電壓控制，正常情況下，Q401截止，1腳由R401供電6V，4腳輸出正常．當(dāng)報(bào)警執(zhí)行電路故障或沒插入SIM卡時(shí)，微處理器LPC2136的36腳發(fā)出高電平，Q401導(dǎo)通，MIC29302的1腳為低電平，MIC29302的1腳輸出為0V，從而保護(hù)了報(bào)警執(zhí)行電路和電源．

圖5 太陽能充電電路

圖6 報(bào)警執(zhí)行電路電源

2.3.3 單片機(jī)檢測(cè)電路電源

單片機(jī)檢測(cè)電路的核心部分為微處理器LPC2136，LPC2136的工作電壓為3.0～3.6 V，我們選擇的是3.3 V，穩(wěn)壓電源穩(wěn)壓模塊為L338，如圖7所示，穩(wěn)壓模塊L338的3腳接入6V蓄電池，經(jīng)穩(wěn)壓由5腳直接輸出3.3 V 電壓．

圖7 單片機(jī)檢測(cè)電路電源

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

基于 LPC2136的變壓器防盜系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分主要包括單片機(jī)數(shù)據(jù)處理部分和短信息發(fā)送兩部分組成．單片機(jī)數(shù)據(jù)處理部分主要負(fù)責(zé)報(bào)警信號(hào)的檢測(cè)，如：振動(dòng)檢測(cè)、斷線檢測(cè)、開蓋檢測(cè)等，報(bào)警信息的生成根據(jù)檢測(cè)的信息，由單片機(jī)生成對(duì)應(yīng)的報(bào)警信息，配置信息的處理，用戶要配置系統(tǒng)參數(shù)實(shí)時(shí)向模塊發(fā)送短消息實(shí)現(xiàn)的，單片機(jī)處理部分將解析并處理用戶的配置內(nèi)容； GSM短消息發(fā)送部分采用PDU模式，在PDU模式下，短消息必須轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制編碼[2]．程序流程圖如圖8所示．

圖8 程序流程圖

4 結(jié)束語

綜上所述，我們?cè)O(shè)計(jì)的電力變壓器防盜報(bào)警系統(tǒng)有以下幾方面的特點(diǎn)：采用太陽能獨(dú)立供電，節(jié)能環(huán)保；采用低電源供電和專用工業(yè)級(jí)ARM系統(tǒng)、GSM/GPRS模塊，功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定、使用壽命長；可設(shè)定5個(gè)接警用戶，其中一個(gè)為管理用戶，所有的參數(shù)及布防、撤防均可由管理用戶使用短信遠(yuǎn)程設(shè)置；該系統(tǒng)采用模塊最小化設(shè)計(jì)，體積小，重量輕，功能容易拓展，有廣泛的應(yīng)用前景．

[1] 徐月華.基于GPRS配電變壓器監(jiān)控系統(tǒng)終端設(shè)計(jì)[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006(9):35-38.

[2] 陶伶俐.基于GSM的配電變壓器防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].湖北電力,2008(2):23-25.