基于超聲波檢測(cè)的電力設(shè)備安全運(yùn)行防控系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于超聲波檢測(cè)的電力設(shè)備安全運(yùn)行防控系統(tǒng)，包括立體超聲波檢測(cè)及信號(hào)處理模塊、單片機(jī)及其外圍驅(qū)動(dòng)模塊和電源變換模塊；立體超聲波檢測(cè)及信號(hào)處理模塊包括三路超聲波檢測(cè)及信號(hào)處理電路，每一路均包括順次連接的超聲波檢測(cè)傳感器、放大電路、帶通濾波電路、比較電路，三個(gè)超聲波檢測(cè)傳感器之間相距20cm；單片機(jī)及其外圍驅(qū)動(dòng)模塊包括：Atmega16單片機(jī)以及與Atmega16單片機(jī)連接的溫濕度傳感器sht11、聲光報(bào)警電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、RS232串口。通過(guò)超聲波探頭，檢測(cè)絕緣子污穢放電發(fā)出超聲波，通過(guò)檢測(cè)超聲波的強(qiáng)度來(lái)檢測(cè)絕緣子污穢放電程度，從而確定絕緣子污穢程度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于超聲波檢測(cè)的電力設(shè)備安全運(yùn)行防控系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種基于超聲波檢測(cè)的電力設(shè)備安全運(yùn)行防控系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]絕緣子在運(yùn)行過(guò)程中一直暴露在空氣中，大氣中的懸浮顆粒會(huì)沉積在絕緣子表面，日積月累形成污穢層，遇到霧、露、毛毛雨等濕潤(rùn)的氣候條件時(shí)，污穢中的電解質(zhì)溶解，污穢層成為導(dǎo)電層，造成絕緣水平下降。形成污穢放電，嚴(yán)重時(shí)可能造成整個(gè)絕緣子串發(fā)生污閃，危害整個(gè)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。整個(gè)污穢放電過(guò)程是與電、熱、化學(xué)等因素有關(guān)的污穢表面氣體電離以及局部電弧產(chǎn)生發(fā)展的熱動(dòng)力平衡過(guò)程，并與作用電壓、泄漏距離及污層電導(dǎo)率等有關(guān)，污閃放電伴隨著聲發(fā)射現(xiàn)象，聲信號(hào)的強(qiáng)度隨著污閃的強(qiáng)度的增加而增力口。由于變電站、輸電線(xiàn)路設(shè)備眾多，如何準(zhǔn)確確定污穢放點(diǎn)發(fā)生的位置，找出污穢嚴(yán)重的絕緣子并及時(shí)進(jìn)行預(yù)警控制，對(duì)提高電力系統(tǒng)運(yùn)行顯得至關(guān)重要。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0003]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種基于超聲波檢測(cè)的電力設(shè)備安全運(yùn)行防控系統(tǒng)。
[0004]—種基于超聲波檢測(cè)的電力設(shè)備安全運(yùn)行防控系統(tǒng)，包括立體超聲波檢測(cè)及信號(hào)處理模塊、單片機(jī)及其外圍驅(qū)動(dòng)模塊和電源變換模塊；立體超聲波檢測(cè)及信號(hào)處理模塊包括三路超聲波檢測(cè)及信號(hào)處理電路，每一路均包括順次連接的超聲波檢測(cè)傳感器、放大電路、帶通濾波電路、比較電路，三個(gè)超聲波檢測(cè)傳感器之間相距20cm ;單片機(jī)及其外圍驅(qū)動(dòng)模塊包括:Atmegal6單片機(jī)以及與Atmegal6單片機(jī)連接的溫濕度傳感器shtll、聲光報(bào)警電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、RS232串口 ；電源變換模塊包括9V到+5V降壓電路和9V到-5V變換電路。
[0005]所述的系統(tǒng)，所述的9V到+5V降壓電路，由穩(wěn)壓芯片7805、PNP三極管Q1、電容Cl、C2、電阻R1、發(fā)光二極管D2組成；穩(wěn)壓芯片7805的I號(hào)引腳接9V電池、2號(hào)引腳接地、3號(hào)引腳為5V輸出，PNP三極管Ql的射極、集電極與穩(wěn)壓芯片7805的I號(hào)引腳相連，集電極與3號(hào)引腳相連；所述9V到-5V電壓變換電路，由穩(wěn)壓芯片7905、電容C3、C4、電阻R2、發(fā)光二極管D3組成；穩(wěn)壓芯片7905的I號(hào)引腳接9V電池，2號(hào)引腳接地，3號(hào)引腳為-5V輸出。
[0006]本發(fā)明的系統(tǒng)通過(guò)超聲波探頭，檢測(cè)絕緣子污穢放電發(fā)出超聲波，通過(guò)檢測(cè)超聲波的強(qiáng)度來(lái)檢測(cè)絕緣子污穢放電程度，從而確定絕緣子污穢程度。而且在系統(tǒng)中采用三個(gè)超聲波探頭，各探頭之間相距20cm，通過(guò)三個(gè)探頭對(duì)超聲波檢測(cè)，通過(guò)相位法來(lái)來(lái)判斷聲源的位置，并采用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)對(duì)三個(gè)探頭檢測(cè)中心點(diǎn)進(jìn)行位置調(diào)整，準(zhǔn)確確定聲源的位置。污穢放電所產(chǎn)生的聲信號(hào)頻率范圍很寬，但聲波信號(hào)的能量集中在30?50kHz的頻率范圍，且高頻段聲波信號(hào)在空氣中傳播時(shí)的衰減極大，聲波傳感器難以監(jiān)測(cè)到。且干擾噪聲的頻率都在20kHz以下，所以超聲波頻率選擇為40kHz左右，超聲波探頭選擇富士FUS-40BT/BR型傳感器?！緦?zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0007]圖1是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，；
[0008]圖2-圖4分別為三路超聲波檢測(cè)及信號(hào)處理電路的原理圖；
[0009]圖5是單片機(jī)及其外圍驅(qū)動(dòng)模塊；
[0010]圖6是電源模塊；
[0011]圖7是主程序流程圖；
[0012]圖8是中斷程序流程圖；
【具體實(shí)施方式】
[0013]以下結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0014]本系統(tǒng)采用是日本富士公司生產(chǎn)的FUS-40BT/BR型超聲波傳感器，超聲波接受靈敏度可達(dá)_57dB。本系統(tǒng)采用三片F(xiàn)US-40BT/BR，各探頭之間相距20cm，通過(guò)三個(gè)傳感器對(duì)超聲波檢測(cè)，經(jīng)過(guò)放大電路、濾波電路、比較電路產(chǎn)生方波，送到Atmegal6單片機(jī)中。單片機(jī)以其中一路傳感器作為基準(zhǔn)，通過(guò)相位法來(lái)檢測(cè)另外兩路傳感器的與第一路傳感器的相位差，計(jì)算出聲源到個(gè)傳感器的距離，進(jìn)而來(lái)判斷聲源的位置。并采用兩個(gè)直流電機(jī)自動(dòng)對(duì)三個(gè)探頭檢測(cè)中心點(diǎn)進(jìn)行位置調(diào)整，準(zhǔn)確確定聲源的位置，從而確定線(xiàn)路放電的位置。在放電位置確定后，裝置開(kāi)始對(duì)超聲波的強(qiáng)度開(kāi)始進(jìn)行測(cè)量，并結(jié)合聲源到本裝置的距離、溫度、濕度來(lái)綜合分析電力設(shè)備的污穢放電強(qiáng)度，從而進(jìn)一步分析電力設(shè)備污穢程度。
[0015]本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如附圖1，系統(tǒng)包括立體超聲波檢測(cè)及信號(hào)處理模塊、單片機(jī)及其外圍驅(qū)動(dòng)模塊、電源變換模塊:
[0016]A:立體超聲波檢測(cè)及信號(hào)處理模塊；
[0017]立體超聲波檢測(cè)及信號(hào)處理模塊包括三路超聲波檢測(cè)及信號(hào)處理電路，每一路均包括順次連接的超聲波檢測(cè)傳感器、放大電路、帶通濾波電路、比較電路，三個(gè)超聲波檢測(cè)傳感器之間相距20cm。當(dāng)電力設(shè)備污穢放電發(fā)出的超聲波傳到FUS-40BT/BR型超聲波傳感器中時(shí)，傳感器就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)頻率的微弱電流，由于聲源到每個(gè)傳感器的距離是不同的，因此載波在空間走的時(shí)間不同，從而在三個(gè)傳感器中感應(yīng)出電流信號(hào)的相位不同。圖2-圖4是立體超聲波檢測(cè)及信號(hào)處理模塊的電路原理圖，該模塊電路可以分為四個(gè)部分:
[0018]I)、超聲波檢測(cè)傳感器電路，包括電阻Rl、R2、R3、R13、R14、R15、R25、R26、R27，電容Cl、C2、C7、C8、C13、C14和傳感器LS1、LS2、LS3 (FUS-40BT/BR)。該電路是給傳感器施加電源激勵(lì)，以L(fǎng)Sl所在電路為例，5V電源通過(guò)電阻R1、R2接到FUS-40BT/BR的正極，再通過(guò)傳感器負(fù)極接R3到地。當(dāng)傳感器感受到超聲波后，產(chǎn)生震動(dòng)使其內(nèi)部的電容值發(fā)生變化，然后傳感器兩端形成電流的充放電，從而產(chǎn)生電流信號(hào)。電容Cl與電阻Rl組成簡(jiǎn)單50Hz電源濾波，減少紋波對(duì)信號(hào)的干擾。C2是隔直電容，用于將電流信號(hào)中的直流分量去除。
[0019]2)、信號(hào)放大電路，包括三片AD620儀表放大器UA1、UA2、UA3，電阻R4、R16、R28。該電路的主要功能是將微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成幅值很大的電壓信號(hào)，放大倍數(shù)可以達(dá)到1000倍而不會(huì)失真。
[0020]3)、濾波電路，包括 6 片 0P37A 運(yùn)算放大器 UB1、UB2、UB3、UC1、UC2、UC3，電阻 R5、R6、R7、R8、R9、R10、RU、R12、R17、R18、R19、R20、R21、R22、R23、R29、R30、R31、R32、R33、R34、R35、R36,電容 C3、C4、C5、C6、C9、CIO、Cll、C12、C15、C16、C17、C18。該電路是 40kHz帶通濾波器，主要濾除信號(hào)中干擾信號(hào)，提高信號(hào)的純凈度。通過(guò)濾波器出來(lái)的信號(hào)有兩個(gè)去向，一個(gè)是直接通過(guò)端子Al、A2、A3送往單片機(jī)的PA2、PA3、PA4的AD引腳，另一個(gè)送至比較電路。
[0021]4)、比較電路，由三個(gè)LM393比較器UD1、UD2、UD3組成。每個(gè)比較器處理一路經(jīng)放大濾波后的傳感器信號(hào)，將信號(hào)整理成5V的方波信號(hào)。比較電路產(chǎn)生的方波信號(hào)通過(guò)outl、out2、out3端子送至單片機(jī)的PD2、PD3、PB2引腳，且分別為外部INTO、INTl、INT2中斷口，然后由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
[0022]B:單片機(jī)及其外圍驅(qū)動(dòng)模塊；單片機(jī)及其外圍驅(qū)動(dòng)模塊包括:Atmegal6單片機(jī)、溫濕度傳感器shtl 1、聲光報(bào)警電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、RS232串口。
[0023]圖5是單片機(jī)及其外圍驅(qū)動(dòng)模塊的電路原理圖。單片機(jī)采用英特梅爾公司的Atmegaie單片機(jī)，用于采集傳感器模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)以及驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。該模塊電路主要分為五個(gè)部分:
[0024]I)、單片機(jī)，主要有六個(gè)功能:
[0025]①、通過(guò)PA2、PA3、PA4引腳對(duì)傳感器放大濾波信號(hào)進(jìn)行AD采集，采集精度為1/1024V，滿(mǎn)量程為5V ；
[0026]②、通過(guò)TO2引腳的外部中斷INTO接受outl的方波信號(hào)，以上升沿產(chǎn)生外部中斷，在INTO中斷函數(shù)中通過(guò)Η)3、PB2引腳的外部中斷INTU INT2接受out2、out3信號(hào)上升沿，并通過(guò)內(nèi)部計(jì)數(shù)來(lái)計(jì)算out2、out3信號(hào)相對(duì)于outl的相位差；
[0027]③、通過(guò)引腳PAO、PAl產(chǎn)生高低電平來(lái)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和LED燈；
[0028]④、通過(guò)PC1、PC2來(lái)驅(qū)動(dòng)溫濕度傳感器shtll來(lái)采集溫濕度數(shù)據(jù)；功能5、通過(guò)PC4?PC7、PD4?PD5來(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)；
[0029]⑤、通過(guò)roo、PDl的USART串行通訊功能來(lái)與電腦進(jìn)行通訊。
[0030]2)、溫濕度傳感器是shtll的2號(hào)引腳為數(shù)據(jù)DATA引腳、3號(hào)引腳為時(shí)鐘CLK引腳，DATA用于與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，CLK用于與單片保持時(shí)鐘同步。通過(guò)數(shù)字信號(hào)就可將溫濕度信息上傳到單片。，單片機(jī)會(huì)隔2分鐘保存一次溫濕度數(shù)據(jù)，通過(guò)將現(xiàn)有數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)做對(duì)比分析，來(lái)判斷溫濕度對(duì)磁場(chǎng)檢測(cè)產(chǎn)生的影響。
[0031]3)、聲光報(bào)警系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)控制LED燈和蜂鳴器來(lái)實(shí)現(xiàn)。聲光報(bào)警電路包含有電阻R1、R2、R3、R4，D1紅色LED，NPN三極管Ql、Q2，蜂鳴器BUZl。當(dāng)PA0、PA1引腳產(chǎn)生高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)三極管Ql、Q2的基極，使三極管集電極和發(fā)射機(jī)導(dǎo)通，然后點(diǎn)亮LED燈和蜂鳴器。
[0032]4)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298，電容C1、C2，二極管D2?D9，兩個(gè)直流電機(jī)motorl、motor2。L298的INl?IN4引腳與單片機(jī)PC4?PC7引腳相連，ENA、ENB與單片機(jī)H)4、PD5相連。IN1、IN2用于控制電機(jī)motorl的轉(zhuǎn)向，當(dāng)INl為高點(diǎn)平(邏輯I)INT2為低電平(邏輯0)時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之反轉(zhuǎn)，INT3、INT4用于控制motor2的轉(zhuǎn)向。兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)用于自動(dòng)對(duì)三個(gè)探頭檢測(cè)中心點(diǎn)進(jìn)行位置調(diào)整，準(zhǔn)確確定聲源的位置，ENA、ENA通過(guò)接受單片機(jī)的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可以控制兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電容C1、C2是電源濾波與穩(wěn)壓。8個(gè)二極管是用于電機(jī)過(guò)流保護(hù)。
[0033]5)、RS232通訊是利用單片機(jī)的USART串行通訊功能與電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通過(guò)單片機(jī)的RXD (roo)、TXD (PDl)連接無(wú)線(xiàn)串口模塊、以無(wú)線(xiàn)方式通訊。
[0034]C電源變換模塊。電源變換模塊包括+5V電源變換電路和-5V電源變換電路兩部分。圖6是電源變換模塊電路原理圖，包含9V到+5V降壓電路，9V到-5V變換電路。9V電源由鋰電池提供，SI為開(kāi)關(guān)，Dl為方向二極管，防止電池接反燒毀電路。
[0035]I)、9V到+5V降壓電路，由穩(wěn)壓芯片7805，PNP三極管Ql,電容C1、C2，電阻Rl，發(fā)光二極管D2組成。7805的I號(hào)引腳接9V電池，2號(hào)引腳接地、3號(hào)引腳為5V輸出，三極管Ql的射極、集電極與7805的I號(hào)引腳相連，集電極與3號(hào)引腳相連，電容Cl、C2為輸入輸出的電源濾波。電阻Rl與LED燈D2為5V電源指示燈，提示使用者5V電源正常。
[0036]2)、9V到-5V電壓變換電路，由穩(wěn)壓芯片7905，電容C3、C4，電阻R2，發(fā)光二極管D3組成。7905的I號(hào)引腳接9V電池，2號(hào)引腳接地、3號(hào)引腳為-5V輸出，電容C3、C4為輸入輸出的電源濾波。電阻R2與LED燈D3為-5V電源指示燈，提示使用者-5V電源正常。
[0037]圖7是主程序流程圖，步驟包括:1)單片機(jī)初始化、溫濕度傳感器初始化；2)使能INT2外部中斷，當(dāng)檢測(cè)有上升沿時(shí)，進(jìn)入中斷程序；3)采集溫濕度值；4)讀取INTO中斷中計(jì)數(shù)器1、計(jì)數(shù)器2的值；5)計(jì)算相位2、3號(hào)傳感器與I號(hào)傳感器的相位差DetaFl、DetaF2 ；6)判斷DetaFl值是否超前，超前則執(zhí)行“7”步，不超前則執(zhí)行“8”步；7)驅(qū)動(dòng)電機(jī)I正轉(zhuǎn)；8)驅(qū)動(dòng)電機(jī)I反轉(zhuǎn)；9)判斷DetaF2值是否超前，超前則執(zhí)行“ 10”步，不超前則執(zhí)行“ 11”步；10)驅(qū)動(dòng)電機(jī)I正轉(zhuǎn)；11)驅(qū)動(dòng)電機(jī)2反轉(zhuǎn)；11)判斷聲源是否確定，是則執(zhí)行“12”步，否則執(zhí)行“13”；12)AD采集Al?A3模擬信號(hào)，計(jì)算放電強(qiáng)度。13)串口上傳數(shù)據(jù)，并返回至IJ “3”循環(huán)執(zhí)行。
[0038]圖8是中斷程序流程圖，檢測(cè)到ro2(outl)的上升沿后，中斷觸發(fā)，進(jìn)入中斷。步驟:1)進(jìn)入中斷INTO ;2)打開(kāi)計(jì)數(shù)器，開(kāi)始計(jì)數(shù)；3)判斷PD3是否有上升沿，有則執(zhí)行“4”步，沒(méi)有則執(zhí)行“5”步；4)記錄計(jì)數(shù)器值tl;5)判斷PB2是否有上升沿，有則執(zhí)行“6”步，沒(méi)有則執(zhí)行“7”步；6)記錄計(jì)數(shù)器值t2 ；7)關(guān)閉計(jì)數(shù)器；8)退出中斷。
[0039]應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)上述說(shuō)明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本實(shí)用新型所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于超聲波檢測(cè)的電力設(shè)備安全運(yùn)行防控系統(tǒng)，其特征在于，包括立體超聲波檢測(cè)及信號(hào)處理模塊、單片機(jī)及其外圍驅(qū)動(dòng)模塊和電源變換模塊；立體超聲波檢測(cè)及信號(hào)處理模塊包括三路超聲波檢測(cè)及信號(hào)處理電路，每一路均包括順次連接的超聲波檢測(cè)傳感器、放大電路、帶通濾波電路、比較電路，三個(gè)超聲波檢測(cè)傳感器之間相距20cm ;單片機(jī)及其外圍驅(qū)動(dòng)模塊包括:Atmegal6單片機(jī)以及與Atmegal6單片機(jī)連接的溫濕度傳感器shtl1、聲光報(bào)警電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、RS232串口 ；電源變換模塊包括9V到+5V降壓電路和9V至IJ-5V變換電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的9V到+5V降壓電路，由穩(wěn)壓芯片.7805、PNP三極管Q1、電容C1、C2、電阻R1、發(fā)光二極管D2組成；穩(wěn)壓芯片7805的I號(hào)引腳接9V電池、2號(hào)引腳接地、3號(hào)引腳為5V輸出，PNP三極管Ql的射極、集電極與穩(wěn)壓芯片.7805的I號(hào)引腳相連，集電極與3號(hào)引腳相連；所述9V到-5V電壓變換電路，由穩(wěn)壓芯片.7905、電容C3、C4、電阻R2、發(fā)光二極管D3組成；穩(wěn)壓芯片7905的I號(hào)引腳接9V電池，2號(hào)引腳接地，3號(hào)引腳為-5V輸出。
【文檔編號(hào)】G01R31/12GK203772408SQ201320760165
【公開(kāi)日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2013年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月28日
【發(fā)明者】易文韜, 徐淵, 程江洲 申請(qǐng)人:國(guó)家電網(wǎng)公司, 江西南昌供電公司, 三峽大學(xué)