高压来电警示装置制作
高压来电警示装置的制作
摘要：本文根据现变电站高压室与操作室相距较远的实际，为解决高压来电后第一时间让值班人员知道的问题，提出了一种高压来电警示装置的制作，该装置主要由信号采集电路、信号处理电路、稳压电路、闪光电路、报警电路组成。通过装置的制作应用，降低了操作人员工作强度，有效缩短了送电时间，同时该高压来电警示装置也可用于高压柜检修现场，当高压柜带电时发出语音警示，起到语音提醒检修人员的作用。
关键词：高压柜光电耦合器单片机
一、引言
目前10KV的变电站高压室离操作室的距离一般较远，如我车间的变电站，操作室在四楼，而高压室在一楼，如图1，两者相距距离较远，垂直距离12米，楼梯折线距离约45米，按快步行0.5米/秒速度计算，操作人员一个来回得要3分钟左右的时间，造成高压来电后而操作室人员不能及时知道，操作人员只有频繁往返于四楼与一楼之间来回观察，既耗费体力也浪费大量时间，更重要的是不能及时把电送出，耽误各用电部门正常工作时间，严重影响车间的生产。
为降低操作人员劳动强度，解决高压来电后值班人员无法及时得知已来电的问题，决定研制一种高压来电警示装置，通过在高压柜增设感应检测装置，将高压来电信号引到操作室
来，经过语音装置发出语音提示，保证高压柜来电后让值班人员可第一时间得知。该高压来电警示装置也可用于高压柜检修现场，当高压柜带电时发出语音警示，起到语音提醒检修人员的作用。
二、方案的提出
通过制作一种高压来电警示装置，高压来电后第一时间发出声音警示，提醒值班人员。具体实施为从高压柜感应指示灯上取一个电压信号，加设一根三芯屏蔽信号线将该感应电压信号引到4楼操作室信返屏上来。通过制作一个光电检测装置，将感应电压信号的有、无，转换成一个高电平和低电平信号去触发一个语音报警装置，用CF卡预先录制好不同的语音文件放在语音报警装置中，从而实现高压来电自动语音提示。将采集到的开关量信号分成两组，一组接在信返屏的来电指示灯上，另外接入现有的配电监控系统，从而进行一个来电时间的历史记录。
三、总体原理框图
根据方案提出的要求，绘制出总体原理框图，从一楼的10KV高压柜感应带电装置开始，经三芯屏蔽线信号到光电转换电路，从光电转换电路得到的开关量信号进入单片机，经单片机处理后信号一路进入语音报警装置，一路进入闪光电路。总体原理框图如下：
图2 总体原理框图
四、方案可行性分析
通过对通用控制技术的整理分析，结合市场上各种成型信号器件技术参数进行分析，整理出研发高压来电警示装置的各项技术要点，并做了可行性分析：
表1：高压来电警示装置可行性分析表
五、方案分解论证
根据方案中所涉及的各项功能和特点，对方案作进一步的分解，如图：
图3 分解方案图
1、信号采集电路方案选择
选择适合该信号采集电路的信号转换装置，确保达成设计所需“光-电”转换要求的同时兼顾经济性。从经济性和使用安装简易性考虑，决定采用光电耦合器来设计信号转换装置。光电耦合器亦称光电隔离器，简称光耦。光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种“电-光-电”转换器件。
光电耦合器的特点：
①光信号单向传输。
②隔离性能好。
③不受电磁波干扰，稳定可靠。
④响应速度快，传输效率高。
⑤抗共模干扰能力强。
⑥无触点，使用寿命长，体积小，耐冲击能力强。
⑦工作温度范围宽。
⑧经济性较好。
2、信号处理电路方案选择
选择适合信号处理元件，对采集电信号进行逻辑运算，输出所需电平信号。保证其引脚足够完成信号输入输出、程序录入修改简便、兼容性佳。单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能。综合考虑决定选用AT89C2051单片机来设计信号处理电路。
AT89C2051单片机的特点：
①系统结构简单，使用方便，实现模块化。
②单片机可靠性高，可工作到10^6 ~10^7小时无故障。
③处理功能强，速度快。
④低电压，低功耗，便于生产便携式产品。
⑤控制功能强。
⑥经济性较好。
3、稳压电路方案选择
选择适合的稳压装置来完成稳压电路电源模块的设计，对信号处理模块进行供电，为整个高压来电警示系统的运行提供稳定合适的电源。三端稳压器，均采用串联型稳压电路。在线性集成稳压器中，由于三端稳压器只有三个引出端子，外接元件少。能实现低电压的不同电压之间的转换。所以选用7805三端稳压器来设计稳压电路。
三端稳压器的特点：
①外接元件少，整个结构较为简单。
②使用方便，安装3条引脚即可。
③性能稳定。
④只能实现低电压之间的转换。
⑤价格低廉。
4、闪光电路方案选择
选择电子型脉冲输出单元电路闪光器件来完成闪光电路的设计，使闪光电路闪光效果好、可视性较好同时兼顾经济性。发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（As）、磷（P）、氮
（N ）、铟（In ）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。经比较后决定采用高亮度LED 来设计闪光电路 高亮度LED 的特点：
①工作电压很低（有的仅一点几伏）。
②工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）。 ③抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长。
④通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。 ⑤价格低廉。 5、报警电路方案选择
选择适合的语音提示器来完成报警电路的设计，使报警电路报警效果好，声音清晰，声波扩散效果好，同时兼顾经济性。由语音模块、控制电路、喇叭、电源和外壳构造成的放音器，可以用来播报产品信息，安全提示性语句，门铃音乐或警报声音的工具，在信息传播上有很广泛的使用。经挑选后采用HSTAPL03语音提示器来设计报警电路。 HSTAPL03语音提示器的特点:
①可用于播报具有一定长度的语音提示语句，提示效果较好。 ②触发简便，控制程序简便。
③抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长。
六、方案实施
实施步骤1：信号采集电路设计
选用PC929型号的光电耦合器。PC929光电耦合器具有体积小、电光电转换速度快、性能可靠，的特点，常用于集成电路块。 电路原理图设计如图4：
实施步骤2：信号处理电路设计
选用AT89C2051型号的单片机来完成本次设计，低电压、高性能的AT89C2051单片机，含有含2k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM ）和128bytes 的随机数据存储器（RAM ），器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51
指令系
图4 信号采集电路图
统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。引脚接线图如下：
┏━┓┏━┓
RET ┫1 ┗┛20┣Vcc
RXD P3.0 ┫2 19┣P1.7
TXD P3.1 ┫3 18┣P1.6
-INT0 P3.2 ┫6 17┣P1.5
-INT1 P3.3 ┫7 16┣P1.4
T0 P3.4 ┫8 15┣P1.3
T1 P3.5 ┫9 14┣P1.2
P3.7 ┫11 13┣P1.1 A1(+)
X1┫4 12┣P1.0 A0(-)
X2┫5 10┣GND
┗━━━━┛
图 5AT89C2051管脚功能示意图
信号处理电路原理图如下：
图6 信号处理电路图
图中电容C2、C3、石英晶体时钟振动器J，构成CPU的主频电路，提供CPU工作所需的频率脉冲。5V直流电压供CPU使用。C4为滤波电容，R4为限流电阻，SB为确认消音按钮。
依照硬件电路进行单片机控制程序编写，调试完成后用编程器写入单片机，汇编语言程序如下：
MOV P3,#0FFH
MOV P1,#0FFH
SETB B.0
SETB B.1
MAIN: JNB P3.3,T
AJMP K
T: SETB P3.0
SETB P3.1
K: JNB P1.0,Y
ACALL DEL
JNB P1.0,Y
JNB B.1,MAIN
SETB P3.0
CLR P3.1
CLR B.1
SETB B.0
Y: ACALL DEL
JNB P1.0,Y1
AJMP MAIN
Y1: JNB B.0,MAIN
SETB P3.1
CLR P3.0
CLR B.0
SETB B.1
AJMP MAIN
DEL: MOV R7,#100
LOOP2: MOV R6,#100
LOOP1: NOP
NOP
DJNZ R6,LOOP1
DJNZ R7,LOOP2
RET
END
实施步骤3：稳压电路设计
选用7805三端稳压器，用78系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠方便，而且价格便宜。
稳压电路原理图如下：
图7 稳压电路图
实施步骤4：闪光电路设计
选择555定时器来完成闪光电路的设计，555定时器可方便地构成单稳态触发器，多谐振荡器，施密特触发器等电路，闪光电路是利用多谐振荡器产生的脉冲信号控制而成，为使闪光电路闪光效果好，采用高亮度LED来做闪光体。闪光电路原理图如下：
图8 闪光电路图
实施步骤5：语音报警电路设计
语音报警电路采用HSTAPL03新一代语音提示器，内部采用华邦工业级语音芯片，功放采用数字式功放做为功率放大部件,从而设计出大功率高品质的语音提示器。支持6-20K动态采样，动态加载不同采样率音频文件不需要改动外部时钟。
根据高压来电报警提示语音，女声音提示“值班人员请注意，10千伏高压进线已来电，请做好相关处理工作，确认核实后请按消音按钮终止本次语音提示”。语音文件灌录好以后用USB线将文件从电脑下载到语音提示器的存储器中，完成报警提示语音的制作。
语音报警电路原理图如下：
图9 音响模块电路图
实施步骤6：将各部分电路对接，设计出总体电路
根据功能设计，加工、采用热转移方式进行PCB线路布局、制作电路板，同时对电子元器件进行焊接，通过计算机将已编写完成的单片机控制程序导入单片机，将已导入报警语音的语音提示器及消音按钮用导线连接在报警电路板上，完成警示装置的制作。
印刷电路板：
图10 制作好的印刷电路板
高压来电警示装置整体电路原理图如下：
图11 高压来电警示装置整体电路原理图
图中：引自高压柜带电感应装置的信号采集线接入光电耦合电路模块，当高压来电时，感应相电压经过D1整流，R1、R2分压，通过R3进入光电耦合器，二极管发光使光电耦合器PC929光敏三极管饱和导通，A点呈现低电平，单片机IC1的12脚为低电平输入，信号经单片机处理后，在IC1的2脚输出自保持的低电平，去触发音响模块的来电报警端，电声转换元件扬声器开始播放来电语音提示。同时低电平触发555定时器的2脚，闪光电路工作。当高压断电时，无感应相电压产生，二极管不发光，光电耦合器PC929光敏三极管截止，A点呈现高电平，单片机IC1的12脚为高电平输入，信号经单片机处理后，在IC1的3脚输出自保持的低电平，去触发音响模块的断电报警端，扬声器播放断电语音提示。
七、结束语
高压来电警示装置装设后停送电步骤大幅减少，免去频繁往返于四楼与一楼间查看来电情况的困扰，极大的降低操作人员劳动强度，减少了来回查看来电情况所耗时长，提升了工作效率，有效降低了送电时间。
经过综合计算，高压来电警示装置的制作成本为310元，在很多操作室与高压室相距较远的变电站具有较强的推广价值，可广泛运用于电力生产及供配电行业。
参考文献：
【1】清华大学电子学教研室组编,杨素行主编:《模拟电子技术简明教程》(第二版),北京,高等教育出版社,1998
【2】蔡惟铮，王立欣. 《基础电子技术》.北京：高等教育出版社，2004
【3】刘瑞新等《单片机原理及应用教程》机械工业出版社， 2003.7