基于ATmega16的矿井电缆故障精确定位仪

张国军，任 荣

(辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛 125105)

0 引言

对于煤矿，电力电缆大量的使用在照明和生产机械电器设备所使用的输电线路上，一旦电力电缆发生接地、短路故障后，如果不及时排除，会引起爆炸，给矿井的生产造成极大的问题，因此，快速、有效地检测电缆故障并进行故障定位显得尤为重要。目前国外，已有一些电缆定位的产品，但这些产品价格昂贵，给企业带来很大的成本压力[1]。而国内市场上现有的电缆故障定位仪品种较多，但均显笨、大、繁，操作不方便[2]。因此，文中研制了一种携带方便、智能化程度高及检测准确的电缆故障定位仪。采用新型的阻抗定位法，该方法消除了故障电阻对测量精度的影响和故障电缆的长度的限制，A/D转换芯片采用24位的LTC2411-1MS，而且该定位仪适用于各种采煤方式的煤矿，包括露天与井下煤矿，装置电流小，安全、稳定、可靠，相比于当前类似产品，实现了更精确的故障定位，而且不会在高瓦斯环境下造成安全隐患。

1 工作原理

矿用电缆精确定位仪有自动定位的功能，将健全相始端和故障相始端、健全相末端和接地线末端以及故障相末端和接地线末端分别短接，然后分别与仪器检测触点相连接，用户将电缆长度L、横截面积S、电缆材料等各项数据通过键盘输入到仪器中，按下确定键，仪器便开始自动定位，定位结束后，将其测量值在显示器上显示，即可知道故障点位置。由于需要对外输出直流电流信号，而且要求高精度的信号输出，故以AVR Atmega16单片机作为定位仪的核心，考虑到保证系统的精度要求，采用24位的LTC2411采样芯片为系统的A/D组成部件，显示采用串行输入控制的LCD5110，键盘由6功能键构成。

(1)

根据式(1)，便可确定故障点位置。

2 定位仪硬件电路设计

矿井电缆精确定位仪的硬件基本框图如图1所示，主要包括电源模块、电流检测模块，A/D转换电路，LCD显示电路，按键选择电路等功能模块。现场被测电流信号首先经过采样和处理，然后该信号经A/D模数转换和单片机的处理得到与之对应的电压数据，最后该数据通过单片机分析计算，通过液晶显示。

图1 定位仪硬件结构框图

2．1电源模块

在电源模块的设计中，充分考虑了系统的稳定性和抗干扰性问题，系统设计了多个独立电源，分别为单片机系统、采样系统、信号处理系统等供电。将数字地与模拟地分开设计，并通过0 Ω电阻单点连接。图2为基准稳压电源，给AD芯片提供稳定的参考电压，该参考电压的精确度对系统的精度有很大的影响。

图2 基准稳压电源

2．2电流检测模块

电流检测模块包括参考电压选取电路，电压跟随电路，低通滤波电路，AD转换电路。根据负载的大小的变化，改变AD参考电压选取范围，可有效提高转换精度。

参考电压选取电路核心器件是TS3A5017双通道4路模拟选择开关，数字输入端IN1和IN2决定通道的选取，EN1和EN2为各通道的使能引脚。2通道的公共端连接电压基准2.500 V，另外4个引脚分别连接4个不同阻值电阻200 Ω，2 kΩ，20 kΩ和200 kΩ，电阻末端连接一起作为AD转换电路参考电压负极。1通道的4路引脚和2通道4路引脚对应相连，公共端输入参考电压的正极。该电路与后级电路共同决定参考电压值，选取不同通道，参考电压不同，如图3所示。

图3 参考电压选取电路

为提高电压采样输入阻抗和后级输出能力，采用通用运算放大器LM324构成的电压跟随电路。

有源低通滤波器采用压控正反馈型结构，由运放LM324和若干电阻电容组成，电阻电容参数按切比雪夫公式计算得出。切比雪夫滤波器具有陡峭衰减特性，能够有效滤除现场电磁扰动产生的高次谐波，阶数越高截频特性越好。设计中，有效信号为直流信号，可以把截止频率设定很低，煤矿井下均是工频的奇次谐波，故低通截止频率设定10 Hz，采用二阶切比雪夫滤波器，如图4所示。

图4 切比雪夫低通滤波器

AD转换电路由具有超高精度的LTC2411-1MS构成，有效精度达24位。+5 V供电，参考电压采用差模输入，参考电压正极(REF+)至少大于参考电压负极(REF-)0.1 V以上。模拟信号也采用差模输入，模数转换范围在-0.5 Vref和+0.5 Vref之间。内置17.5 kHz时钟，FO引脚接地时，其转换周期是146.71 ms．FO引脚可外接时钟脉冲，此时转换周期是20510与外接时钟频率(按kHz计算)的比值。LTC2411-1MS数字输出端口采用三线串行传输，单片机通过SPI总线读取转换结果，数据传输率可达2 Mbits/s．高精度A/D转换电路如图5所示。

图5 高精度AD转换电路

2．3单片机系统

Atmega16是一款高性能、低功耗的8位AVR微处理器，使用RISC精简指令集，单时钟指令周期，在8 MHz时钟下可达8 MIPS，内置2个时钟周期的硬件乘法器，数据运算能力强。性价比高，片上外设丰富，集成中断控制器，定时器，看门狗，SPI，EEPROM，AD等，简化了系统设计。正常工作时，需外接复位电路和8 MHz晶振，并接两端的22 pF电容可有效帮助启振，瓷片电容为佳，晶振外壳接地以提高屏蔽性能，稳定运行[3]。

2．4人机交互与存储模块

显示模块采用LCD5110液晶屏，可显示6×14个字符，蓝色背光灯。+3.3 V或+5 V供电，5引脚(CS、SCK、SDIN、DC和RST)串行输入控制，TTL电平。为了能在光线昏暗时看清屏幕，设计了触摸延时点亮背光灯电路，按下LIGHT键，5110背光灯亮10 s，如图4所示。上电时，C36没有存储电荷，A点电压为低电平，Q1不导通。按下LIGHT键，A点接+5 V快速给C36充电，Q1饱和导通，B点为+5 V大于C点电压(0.45 V)，比较器输出高电平，经电压跟随器后E点为高电平，Q2导通，LCD5110背景灯亮。按键抬起时，C36开始放电，Q1保持导通，背光灯保持亮度。随着C36存储电荷减少，B点电压逐渐下降，低于0.45 V时D点输出低电平，Q2截止，背光灯灭。

图6 LCD5110背光灯延时点亮电路

以74LS148编码器为核心构成6键独立输入模块，74LS148编码输入端连接按键，带外部4.7 kΩ上拉电阻，低电平有效，按键按下，编码输出端A2，A1和A0输出按键码值，同时选通端EO输出高电平表示有键按下。

存储单元使用ATmega16片上集成的512字节EEPROM，掉电后数据不丢失，可擦写100 000次，通过ATmega16内部寄存器控制数据存取。

3 软件设计

软件设计采用结构化的设计方法[4]，主程序流程图如图7所示。定位仪软件包括键盘输入，模数转换，数据存储，液晶显示和算法处理，为提高程序执行效率，键盘输入采用中断处理方式，电参数采样周期采用定时器计时，避免延时，有效节省CPU资源，降低功耗。

装置上电初始化后，首先对自身硬件电路状态进行检测，确保不带故障工作。定位功能开启后，首先需输入线路长度L等系统参数。定位仪人机交互部分采用自行设计的UI菜单系统，6按键功能分设为：“左移”、“右移”、“增加”、“减小”、“确定”和“取消”。显示屏上光标闪烁的位置可输入0～9的数值，通过“增加”键或“减小”键进行调节，“左移”、“右移”键改变光标位置，实现对个、十、百、千位的数字输入，按“确定”键进入下一参数输入界面，“取消”返回上级菜单。

3次线路的电参数采集过程关键在于对LTC2411-1MS转换结果的读取。LTC2411-1MS采用串行数据接口，一次完整的数据输出包含32位信息。前3位表示AD转换结果的状态信息，后24位即表示当前AD转换结果，转换结果采用补码形式，最后5位是转换结果的冗余信息。ATmega16通过控制SPI外设寄存器(SPCR、SPDR)读取LTC2411-1MS转换结果，每次读取1字节即8位信息，分4次读完，转换结果存放在4字节的long型变量中。为保证每路电参数的采集更有效准确，在进行故障定位计算前对每路电参数采样10次，经中值滤波算法去除误差较大的转换结果。根据式(1)、参数设定值和测量参数计算出故障位置，实现定位功能。

图7 主程序流程图

测量每路电参数时，根据读取转换结果，控制TS3A5017的IN1和IN2调节LTC2411-1MS的参考电压，使每次的转换结果达到最高精度。每次电参数的测量结果和故障位置均在LCD5110上显示，由用户选择决定是否将计算出的故障位置进行EEPROM存储，方便故障定位分析，提高工作效率。

4 结束语

矿用电缆精确定位仪应用智能化的方法和巧妙的算法，采用高精度的放大器、AD芯片等，提高了测量的灵敏度，减小了测量误差，提高了测量的精确性，解决了漏电故障中对地阻抗不确定性的问题和测量误差对定位精度的影响问题，该精确定位仪有如下特点：(1)高测量精度以先进的故障定位理论为基础，并结合计算机技术，使得故障定位精度进一步提高。(2)通过对电路进行创新性的设计，提高了抗干扰性和检测精度，解决了以往采用阻抗法故障定位无法测量高阻接地的问题。(3)对算法进行改进，采用多路同时输入，单片机对数据进行综合分析，使电压的测量精度达到10-5V．(4)以低电压、小电流的方式进行故障定位测量，具有本质安全的特点，适合煤矿井下环境的要求。(5)产品、，定位误差小，硬件投资小，容易实现。

参考文献：

[1]孙立红，成泰民．便携式温度仪表校验仪．仪表技术与传感器，2013 (4)：62-63．

[2]喻冬梅，王子薇，王体浩．电缆故障定位方法及应用研究．电测与仪表，2009，46 (9)：1-3．

[3]郝树奋，乔建民．便携式漏电保护器检测仪的研制．计量与测试技术，2012，33 (11)：39-41．

[4]孙志勇，王仲生．基于单片机技术的电缆故障定位仪设计．计算机测量与控制，2008，16 (10)：1510-1515．

作者简介：张国军(1960—)，教授，主要研究方向为智能检测与控制以及煤矿安全供电。E-mail：zhangguojun_305@163．com

任荣(1988—)(通讯作者)，硕士研究生，主要研究方向为节能型电力电子技术及应用。E-mail：rxx881003@163．com