基于超高频法的gis局放报警系统的设计本科毕业设计(编辑修改稿)

基于超高频法的gis局放报警系统的设计本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

章 GIS 局放报警系统硬件设计 硬件系统结构 系统 硬件由 超高频传感器， 集成 检波器，比较器，单片机控制模块以及基于GSM 的报警模块 组成。 将超高频传感器贴在 GIS 外壁上， 通过 用 50 欧姆同轴电缆 将传感器接收超高频 局部放电 信号 输入 检波 器，再经过 比较 器的比较功能 形成脉冲信号进入单片机，使用单片机的脉冲累加 功能 进行计数，再 定时中断读取脉冲数判断是否达到局 部 放 电 的阈值，如果已经发生 局部放电 ，则通过 GSM 模块发送短信进行报警。 下图为基于超高频法的 GIS 局部放电在线监测系统结构 如 图 图 GIS 局放在线监测系统结构图 超高频（ UHF）传感器 作为 UHF 局部放电在线监测系统的关键 之一的 UHF 传感器 ， 它 具备抑制低频（ 300MHz 以下）干扰的能力 ，能够 检测 GIS 中由局部放电所激发的 电磁谐振波，主要 频率为 300MHz3GHz。 根据安装方式 ， UHF 传感器 可分为 外 置式和 内 置式两种。 前者 的灵 敏度要差一些，但 具有 不影响系统的运行、安全性较高、安装灵活 等优点 ， 在现有研发产品 得到了较为广泛的 应用。 后者 灵敏度 虽然高一些 ，但 由于 对制造安装的要求较高 的缺点 ， 很少被采用， 特别是 在 早期设计制造的 GIS 中，但 目前英国新制造的GIS 均要求加装内置传感器。 UHF 传感器 集成检波器 信号数字化模块 单片机控制模块 GSM报警 模块 湖南大学毕业设计（论文） 第 IX 页 下图 为 购买的 德国 产 UHF 传感器，图 为实验室研制的 UHF 传感 器 图 德国产 UHF 传感器 图 实验室研制的 UHF 传感器 湖南大学毕业设计（论文） 第 X 页 集成 检波器 由于 超高频传感器接收的是 类似已调波信号，载波频率相当的高，但 其包络 是 M级别的， 而我 们这 套系统只需提取其包络信号就能够判断是否有局放发生。 本套系统采用了 ADI 公司的一个集成 检波器 AD8361，安装其芯片手册上提供的参考电路如图 ，其检波出来的波形是反向的，由于我们这套系统只需要判断是否有局放发生，因此没有影响。 图 检波电路 比较器 检波后的 信号还是模拟信号，需要把它整成数字信号才能被单片机的脉冲累加器识别。 本套系统采用了 ADI 公司生产的一款比较器 AD8561，从改芯片的数据手册上可以看到，它可以单电源供电，也可以双电源供电，由于检波出来的信号是正向的，所以只要单电源供 电就行。 此外还可以看到 5 伏供电是该芯片只有7ns 的传播延时，理论上工作能够频率能达到 100 多兆，实验室测得其只能达到70M 左右，但已经足够满足我们的需求。 图 它的电路图，电路比较简单 图 比较器电路 湖南大学毕业设计（论文） 第 XI 页 1脚是供电脚，此套系统 5 伏供电； 2脚跟 3脚分别是比较器的正端跟负端，一个接检波输出，一个接参考电压； 4脚是双电源供电的负电源端，单电源供电接地即可； 5 脚的作用是锁存输出，高电平有效，本系统不要，接地即可； 6 脚是为地脚； 7 脚跟 8 脚为比较输出，一正一反，随便取哪个输出都可以。 此外为了让 比较器的参考电压能够任意调节，我 用了 TI 公司的一款 DA 芯片DAC081S101， 改款芯片可以 — 供电，采用串行通信，只要设置相关寄存器，就能输出预定的电压值 ，其电路图如图 图 DA 芯片电路图 1脚是输出脚，作为比较器的参考电压输入； 2脚是地脚； 3 脚为电源输入脚，本系统采用 5V供电； 4,5,6 脚为串行通信脚，接单片机。 GSM 模块 在 GIS设备正常工作时，其周围有一定的危险性，当 GIS发生局放时，为了安全性和及时性， 选择 GSM通信模块发出局放报警信号。 本套系统采用的 SIM900A模块，它是一款尺寸紧凑的 GSM/GPRS 模块，采用 SMT 封装，基于 STE 的单芯片方案，采用 ARM926EJS 架构 ,性能强大，可以内置客户应用程序。 可广泛应用于车载跟踪、车队管理、无线 POS、手持 PDA、智能抄表与电力监控等众多方向。 下图 是 其 电路图 湖南大学毕业设计（论文） 第 XII 页 图 GSM 模块电路图 其有几个重要的地方， J1是天线， J2是 SIM 卡座， P1 是接 纽扣电池，给芯片临时供电的（本套系统可以不要的） ， P6 是 一步串口 通信引脚，接单片机 串行通信脚， S1 是模块正常工作有休眠的转换按钮， U3 是 TVS，起过压保护 ,此外该模块要求一个 3V 和一个 4V 电源供电 单片机 系统 本套系统 选用了 MC9S12XS128 单片机作为主控芯片。 MC9S12XS128 是 16 位单片机，由 16 位中央处理单元（ CPU12X）、 128KB 程序 Flash(Plash)、 8KB RAM、8KB 数据 Flash(Dlash)组成片内存储器。 主要功能模块包括：内部存储器、内部 PLL 锁相环模块、 2个异步串口通讯 SCI、 1个串行外设接口 SPI、 MSCAN 模块 、1 个 8 通道输入 /输出比较定时器模块 TIM、 周期中断定时器模 块 PIT、 16 通道A/D 转换模块 ADC、 1个 8通道脉冲宽度调制模块 PWM、 输入 /输出数字 I/O 口。 MC9SXS128 的 3 种封装的引脚数不一样，具有的通用端口的引脚功能也有一定差异， 表 列出了 3 种封装对应的引脚和引脚数目。 湖南大学毕业设计（论文） 第 XIII 页 表 MC9S12XS128 单片机不同封装对应的引脚及其数量 我选用的 112 引脚的（因为之前有使用过这款芯片，手头有剩余，其实 64脚也足够满足本套系统的需求），主要使用到单片机的 SCI 模块， AD 模块， 脉冲累加器， PIT 模块， IO 口等模块。 其中利用两个 SCI 串口分别跟 GSM 和电 脑通信，AD 模块用来监测电池电压， 脉冲累计对比较器输出的脉冲进行计数， PIT 模块产生定时中断读取 脉冲累加器的值。 下图 该单片机的最小系统电路图 湖南大学毕业设计（论文） 第 XIV 页 图 MC9S12XS128 单片机的最小系统电路图 供电模块 本套系统供电结构如下 图 ，使用了 TI公司的 电源芯片 UCC3835 和TPS70302 图 系统供电结构图 蓄电池 V UCC3835 检波器 比较器 DA芯片 单片机 TPS70302 5V GSM 模块 3V 4V 湖南大学毕业设计（论文） 第 XV 页 UCC3835是一款常见的低压差稳压芯片，输出电压 5V，输出电流可高达 3A，最小输入输出电压差 为 ，最大输入电压 9V，工作温度范围 55176。 C 150176。 C，内含静态电流降低电路 、 电流限制 、 过压保护 、 电池反接和反插入 保护电路，其电路图如图 所示。 图 UCC3835 电路图 TPS70302 为双路可调输出，通道一输出电流可达 1A，通道二输出电流可达2A,两个通道输出的电压不能高于 ，最大输入电压最好不超过 6V，工作温度范围 40176。 125176。 C，内含静态电流降低电路 、 电流限制 、 过压保护 、 电池反接和反插入 保护电路。 由于 GSM 需要一个 3V和一个 4V 电压供电，此款芯片是个很好的 选择，其电路图如图 所示。 图 TPS70302 电路图 湖南大学毕业设计（论文） 第 XVI 页 硬件电路模块 PCB 板设计 图 和图 PCB 板的顶层和底层，其上主要有检波器，比较器，单片机， UCC383 电源芯片以及一些接插件等。 图 分别是 GSM 模块 PCB 板的顶层和底层，其上主要有 SIM900A 模块， TPS70302 电源芯片以及一些接插件等。 这是两个双层板，板面空置部分接地，以抑制一般的噪声。 图 主控板 PCB 板顶层 图 主控板 PCB 板底层 湖南大学毕业设计（论文） 第 XVII 页 图 GSM 模块 PCB 板顶层 图 GSM 模块 PCB 板底层 为了确保板层间的低阻抗连接，可以将上下层地平面通过过孔连接到一起。 焊接好的电路板如图 湖南大学毕业设计（论文） 第 XVIII 页 图 整体系统焊好的 PCB 板 湖南大学毕业设计（论文） 第 XIX 页 第 4 章 GIS 局放报警系统软件设计 软件设计平台 系统软件主要是对单片机进行 C 语言编程，该系统采用的 MC9S12XS128 单片机，可以在飞思卡尔公司的 CodeWarrior IDE 平台上进行 编程，调试，下载等。 该软件使用起来非常方便，具有项目管理器，编辑器 ，搜索器，源代码浏览器，编译系统，调试器等特点，并具有交叉平台开发，支持多种语言，开发环境界面统一，支持插件工具等优点，受到使用者亲睐。 图 是它的工作界面 图 CodeWarrior IDE 工作界面 软件系统结构 本套系统重点跟难点在他的硬件设计，软件设计相对 简单 ， 软件流程图 图 所示 湖南大学毕业设计（论文） 第 XX 页 开 始系 统 硬 件 初 始 化（ P L L ， I O ， A D , U A R T ， P I T ，脉 冲 累 加 器 ） 并 使 能 中 断P I T 产 生 2 0 m s 的定 时 中 断读 取 脉 冲 累 加器 的 值该 值 是 否 超 过 预设 的 阀 值计 数 值c o u n t = 0YN计 数 值c o u n t + +c o u n t 是 否 大 于预 设 阀 值报 警 标 志a l a r m _ f l a g = 0N报 警 标 志a l a r m _ f l a g = 1Y此 次 中 断结 束通 过 A D 采 样 ， 读 取 电池 电 压电 压 值 是 否 小 于预 设 阀 值通 过 G S M 发 出 电压 过 低 的 警 告根 据 D A _ V A L U E 的 值 设 置外 部 D A 芯 片 的 值YN进 行 G S M 的 短 信 处 理 ：预 先 约 定 好 的 格 式 读 取短 信 内 容 ， 根 据 短 信 内容 改 变 系 统 参 数 设 置。 读 完 短 信 后 删 除 ， 防 止S I M 卡 内 存 爆 满a l a r m _ f l a g 是否 等 于 1通 过 G S M 发 出 局 放已 经 发 生 的 警 告YNU A R T 串 口 接 收 中断 ， 接 收 G S M 给 单 片机 发 送 的 信 息接 收 完 毕 ， 此次 中 断 结 束警 告 是 否 发出NY警 告 是 否发 出NY 图 软件流程图 湖南大学毕业设计（论文） 第 XXI 页 数据 分析及 处理 本套系统需要处理的数据主要有 AD 采样电池电压值，脉冲累加器对局放脉冲的计数值以 及 GSM 接收到的短信内容。 （ 1） 由于本套系统采用的是蓄电池供电，所以需要对电池电压进行监测，防止电压过低， 导致 系统不能正常工作。 当 AD 采样的电池电压值低于预设阀值， 则单片机控制 GSM 发出电压过低的警告。 （ 2） 利用 单片机的脉冲累加功能，能很方 便 的读取比较器输出的脉冲个数。 在 PIT 每 20ms 就会 产生的中断函数中读取脉冲累加的计数值， ，而且如果 GIS 局放一旦发 生，则就会一直发生，程序中设置了要连续检测到局放发生一定次数后才会发出局放发生的警告，从而降低由于偶然干扰导致误测的可能性。 （ 3） GSM 通信是双向的，工厂控制中心不仅可 以接收来自 GSM 模块发出的警告信息，而且能发送信息给 GSM 模块，从而改变系统的参数设置。 例如，改变 DA_VALUE 的值来改变外部 DA 芯片的输出值以及 GSM 发送短信的接收号码，通过这个方法能很方便进行更改 ，而不需要将系统从 GIS 设备上拿下来，再下载程序更改。 当然，给 GSM 模块发送的短信内容需要预先设定一个格式，防止干扰。 如改变 DA_VALUE 的值时，短信内容为： XXXXXXXXXXXXDA。 改变接收号码时，短信内容为：XXXXXXXXXXXNO 湖南大学毕业设计（论文） 第 XXII 页 第 5 章 实验步骤及结果。