低压电缆故障检测系统

2010-07-10朱兆优

时代农机 2010年3期

刘杨，朱兆优

（东华理工大学，江西抚州 344000）

随着工业化进程的发展，电缆越来越广泛地应用于电力、通信、交通等国民经济的诸多行业。同时，由于很难测定断点的准确位置，一些机械或腐蚀的原因引起电缆中金属导线的断裂，给电缆的修复工作带来了很大的困难。如何准确，迅速，精确地查找电缆故障，并加以排除，迅速恢复供电，减少停电时间，降低因停电造成的损失，便成了供电部门日益关注的问题。

1 系统总体功能设计

低压电缆故障检测系统的工作原理如图1所示。波形发生器产生一系列脉冲波，当波形发生电路发出第一个脉冲波时，单片机AT89C51开始启动定时计数（这里采用机器周期作时基计数脉冲）。脉冲波发出后在电缆中传播，遇到高阻的断点、终端点或短路点就会发生反射波脉冲。单片机接收反射波脉冲，使之在接收到第一个反射的脉冲波时，触发单片机停止计数。最后读出定时计数器的值，就可计算出故障点的位置。

图1 低压电缆故障检测系统的工作原理图

假定此时单片机AT89C51定时计数器记录下的脉冲波数为N，那么从发射到接收到反射的脉冲波所用的时间t=（2N+1）T，其中T为单片机机器周期。脉冲波在电缆中的传播速度值的计算公式为：

式中：V是脉冲波在电缆中的传播速度；L是电缆中的断点与脉冲送入端的距离。

通过运算就可测出电缆中断点的准确位置。需要指出的是，在测量中，选择合适的脉冲波周期，可以使测量误差减小。通过实验得出1000 m以上长度的此电缆，建议使用2 μs，传播速度采用20 m/μs。脉冲波的宽度值为2 μs，为高频信号，不易受外界信号干扰，可直接将脉冲波送入电缆中。其它情况下，需要选择的参数按实践经验分析，而且与电缆的材料和结构有关。

2 硬件电路设计

本系统电路包含单片机、脉冲发生电路、脉冲接收电路、数码管显示电路、键盘等几部分组成，如图2所示，在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器，利用定时器的计数功能记录脉冲发射的时间和收到反射波的时间差。当收到脉冲反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在外部中断输入端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离，并显示出来，然后继续下一次的测量。键盘用来改变脉冲的周期。

图2 低压电缆故障检测系统硬件电路方框图

图3 脉冲发送及接收电路图

2.1 脉冲发送及接收

脉冲发送及接收电路图如图3所示。脉冲信号由AT89C51单片机产生。D/A转化电路主要由D/A转换芯片DAC0832和运算放大器F032组成。该电路采用DAC0832的直通连接方式，AT89C51的数据线与DAC0832的数字端相连。D/A转换电路采用双极性输出，即经两个运算放大器F032输出。由于单片机接收和输出的只能是数字量，所以在实际的低压电缆故障检测系统中，通过单片机扩展D/A转换器实现模拟脉冲输出。DAC0832输出是电流型的，而在此设计中需要的是脉冲输出信号，还需要外接运算放大器进行转换。在本设计中应用两片F032芯片以代替双运放来构成双极性输出。

由波的反射性质可知：脉冲波反射回到发射点时，波形与原发射点波形反相。所以，反射的脉冲需要经过4093施密特触发器反相，整形后，输入由运算放大器的负反馈电路组成的限幅稳压电路，以防止脉冲在传输中幅值有所增大，造成接口芯片损坏。经过限幅稳压后的脉冲就可直接输入AT89C51的INT0端，触发AT89C51产生外部中断，单片机进入中断后停止计数，并对数值进行处理。由于脉冲经故障电缆反射后信号很微弱，为毫安级，如果直接送给AT89C51检测不到，所以还需要经过适当放大。

2.2 键盘及显示电路

为实现该系统对各种不同场合的不同结构电缆的断点测定，需改变脉冲波的周期值和传播速度。为此，在AT89C51的P1口扩展一个键盘电路，用来改变脉冲波的周期。由于不同电缆的电阻率不同，脉冲波在电缆中的传播速度也就不同，要测出故障点到测试端的距离，必须知道脉冲波在电缆中的传播速度。本系统键盘采用P1口接成4×4行列式键盘，其中设计了 10 个数字键（0～9）、2 个功能键（a、b 键），a 为确定键，b为删除键，用来设定脉冲周期的数值。其余的按键待以后扩展功能时使用。为节约成本，显示电路采用4位数码管显示。