張 寶，易吉良，童文超，周亞星，黃林森

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

機(jī)車高壓安全報(bào)警器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 寶，易吉良，童文超，周亞星，黃林森

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

為了電力機(jī)車維護(hù)人員的人身安全，設(shè)計(jì)了一種基于STC11F04E單片機(jī)的高壓報(bào)警器系統(tǒng)。系統(tǒng)由高壓感應(yīng)部件、信號(hào)處理模塊、語音警示模塊以及電源管理模塊等組成。系統(tǒng)能感應(yīng)出機(jī)車車頂高壓電場并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過信號(hào)處理模塊測量是否含有高壓并進(jìn)行報(bào)警。本系統(tǒng)通過多家權(quán)威部門檢測，現(xiàn)已裝車使用。

機(jī)車；高壓；報(bào)警；單片機(jī)；語音

0 引言

近年來，我國電氣化鐵路發(fā)展異常迅速，電氣化區(qū)段不斷延伸。在電氣化區(qū)段，各電力機(jī)務(wù)段機(jī)車入庫整備作業(yè)時(shí)，檢修職工每天上車頂作業(yè)多達(dá)上百次，如出現(xiàn)違章現(xiàn)象或其他意外情況極易造成重大人身傷害[1]。為了避免機(jī)務(wù)部門職工高壓觸電傷亡事故的發(fā)生，迫切需要研制機(jī)車高壓報(bào)警裝置，利用科技手段給車頂作業(yè)增加一道安全屏障。

現(xiàn)在已有較為先進(jìn)的電力機(jī)車登頂作業(yè)安全監(jiān)控裝置，它采用計(jì)算機(jī)、PLC、視頻圖像識(shí)別等高新技術(shù)，對(duì)登頂作業(yè)過程實(shí)施全方位監(jiān)控[2]。雖然它的優(yōu)點(diǎn)很突出，但是也有一些不足：首先是成本問題，這樣的一套裝置價(jià)格十分昂貴；其次，該裝置只能裝在庫內(nèi)，工作人員要上車頂，還需要把機(jī)車調(diào)入庫內(nèi)，這大大增加了調(diào)度作業(yè)量，降低了工作效率。所以，急需一種可以大量裝備，自動(dòng)化程度高，操作簡單，安全準(zhǔn)確的登頂作業(yè)保護(hù)裝置[3]。

本文設(shè)計(jì)了一套機(jī)車車頂高壓報(bào)警器，如圖1所示。該裝置克服了現(xiàn)有機(jī)車車頂高壓報(bào)警裝置的不足，能夠?qū)崟r(shí)提示機(jī)車車頂高壓線的帶電狀態(tài)，并給出語音警示。同時(shí)，對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部電源管理系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，使電池的使用壽命增長。

圖1 高壓安全報(bào)警器Fig.1 High voltage protection alarm system

1 報(bào)警器設(shè)計(jì)原理

1.1 高壓檢測原理

TAB1A型高壓安全報(bào)警器采用感應(yīng)式傳感器，它具有結(jié)構(gòu)簡單和絕緣安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，傳感器和顯示控制器的連接示意圖如圖2所示。

圖2 傳感器和報(bào)警顯示系統(tǒng)連接示意圖Fig.2 The diagram for sensor and alarm display system connection

感應(yīng)式傳感器是一個(gè)靠近高壓帶電體的對(duì)地絕緣的感應(yīng)電極，通過感應(yīng)電極和高壓帶電體之間的雜散電容，耦合高壓帶電體上的交變電壓信號(hào)。通過電纜把這一信號(hào)傳送到顯示控制器進(jìn)行放大和處理，最終實(shí)現(xiàn)高壓線有電報(bào)警。

感應(yīng)式傳感器的等效電路如圖3所示。

圖3 傳感器等效電路圖Fig.3 Sensors equivalent circuit diagram

通常，感應(yīng)電極與高壓帶電體之間的電容C1為幾微法量級(jí)，感應(yīng)電流iC1在幾微安到幾十微安量級(jí)。根據(jù)圖2所示，報(bào)警顯示系統(tǒng)所獲得的電壓信號(hào)為uZ，它是C2∥C3∥Z與C1的分壓。感應(yīng)電極從高壓帶電體上藕合的電流iC1將被3個(gè)支路分流，即

報(bào)警顯示系統(tǒng)所得到的電流信號(hào)為iZ。當(dāng)

有

此時(shí)電纜參數(shù)對(duì)信號(hào)傳感將沒有顯著影響。因此，報(bào)警顯示系統(tǒng)輸入的電壓信號(hào)為

對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理識(shí)別，可做出有電無電判斷。

1.2 報(bào)警顯示系統(tǒng)原理

報(bào)警顯示系統(tǒng)是TAB1A型高壓安全報(bào)警器的核心部分，報(bào)警顯示系統(tǒng)的信號(hào)處理功能好壞及完善程度會(huì)直接影響報(bào)警器性能的好壞。系統(tǒng)分為3個(gè)模塊，即信號(hào)處理模塊、語音警示模塊以及電池管理模塊，3個(gè)模塊通過MCU協(xié)調(diào)控制使其能實(shí)現(xiàn)所需功能。信號(hào)處理模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的保護(hù)、濾波、放大和整形處理，使輸入信號(hào)以合適的幅度傳輸至MCU。語音告警模塊根據(jù)信號(hào)識(shí)別情況，由MCU提供語音命令，使其播放識(shí)別結(jié)果的語音。電池管理模塊用于給鋰電池充電提供有效管理，延長電池使用壽命。報(bào)警顯示系統(tǒng)的原理框圖如圖4所示。

圖4 報(bào)警器系統(tǒng)原理框圖Fig.4 Schematic diagram of alarm system

2 硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

針對(duì)報(bào)警器功能需求，硬件上將系統(tǒng)分為3個(gè)模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，即信號(hào)處理模塊、語音警示模塊以及電源管理模塊。

2.1 信號(hào)處理電路

該模塊通過天線接收鐵路網(wǎng)線高壓信號(hào)，經(jīng)過四級(jí)處理后送入MCU的P3.5進(jìn)行有電識(shí)別，四級(jí)電路分別是保護(hù)電路、濾波電路、放大電路和比較器電路。其中保護(hù)電路通過放電管和TVS管實(shí)現(xiàn)雷擊保護(hù)浪涌保護(hù)；濾波電路采用RC組成，能夠?yàn)V除信號(hào)中的紋波和諧波，提取純凈的穩(wěn)壓信號(hào)；放大電路由運(yùn)放組成同相比例放大電路，用于將信號(hào)放大至合適的強(qiáng)度；比較電路用于設(shè)定合適的閾值將有效穩(wěn)壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為一定占空比的矩形波信號(hào)，然后送至MCU進(jìn)行識(shí)別。該模塊原理框圖如圖5所示。

圖5 信號(hào)檢測與處理模塊原理框圖Fig.5 Schematic diagram of signal detection and processing module

2.1.1 比例放大系數(shù)

在信號(hào)處理模塊中，比例放大電路采用同相比例放大，如圖6所示，第一個(gè)運(yùn)放組成同相比例放大電路，其放大系數(shù)k由下式計(jì)算[4]：

設(shè)置可調(diào)電阻RP1是為了在調(diào)試過程中可以調(diào)整放大系數(shù)，由于RP1為0～50kΩ可調(diào)，故Uo1=2～12.64V可調(diào)。

圖6 比例放大和比較器電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of proportional amplifier and a comparator circuit

2.1.2 比較器電路閾值

圖6中右側(cè)運(yùn)放組成了比較器電路，Uo2翻轉(zhuǎn)的輸入閾值電壓Uref由下式?jīng)Q定：

因RP2為0～50kΩ可調(diào)，則Uref為0.125～2.830V可調(diào)。

2.1.3 報(bào)警閾值確定

通過現(xiàn)場實(shí)測，鐵路本道網(wǎng)壓有電時(shí)，比例放大電路接收的輸入信號(hào)為交流有效值70mV以上，在本道無電旁道有電的情況下信號(hào)強(qiáng)度會(huì)小于20mV。故將報(bào)警閾值設(shè)為交流有效值36mV，因比例放大電路接收的輸入信號(hào)強(qiáng)度與電網(wǎng)電壓呈線性關(guān)系，設(shè)為現(xiàn)在的閾值即使網(wǎng)壓下降50%也能夠有效報(bào)警，同時(shí)能夠有效避免誤報(bào)警。

2.2 電源管理模塊

電源管理模塊用于實(shí)現(xiàn)鋰電池的充電管理，包括電源輸入控制模塊、保護(hù)模塊、電壓檢測和控制模塊、充電電路等。保護(hù)模塊對(duì)輸入電源中的干擾、浪涌等進(jìn)行濾除；電源輸入控制模塊在上電時(shí)提供2s的電源供電時(shí)間，給DC/DC電源模塊和充電電路供電，用于電壓檢測和充電控制模塊檢測鋰電池電壓，并判斷是否進(jìn)行充電。需要充電時(shí)，該模塊控制繼電器K2使電源輸入控制模塊保持接通輸入電源，并接通鋰電池充電，電源管理模塊的輸入電源為DC110V，鋰電池的額定電壓為7.4V。采用上述鋰電池充電管理方法和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，能減少充電電路的通電時(shí)間，減少鋰電池的充電次數(shù)和避免鋰電池一直處于接近滿容量的狀態(tài)，延長鋰電池及其充電電路的使用壽命。該模塊的原理框圖如圖7所示。

圖7 電源管理模塊原理框圖Fig.7 Schematic diagram pf power management module

2.3 語音報(bào)警模塊

語音報(bào)警模塊由語音芯片電路和功率放大電路組成，其中語音芯片以串口方式接收MCU的語音播放控制信號(hào)，并將需要播放的語音信號(hào)通過DAC方式輸出至功放電路；功放電路由LM386及其外圍電路組成，使揚(yáng)聲器達(dá)到足夠的輸出功率。該模塊的原理框圖如圖8所示。

圖8 電源管理模塊原理框圖Fig.8 Schematic diagram of power management module

2.4 微處理器單元

微處理器選用宏晶科技生產(chǎn)的STC11F04E。單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，速度是傳統(tǒng)8051的8～12倍。大容量1280字節(jié)SRAM內(nèi)部集成高可靠復(fù)位電路，針對(duì)高速通信，智能控制，強(qiáng)干擾場合。定時(shí)器0、定時(shí)器1、串行口與傳統(tǒng)8051兼容，增加了獨(dú)立波特率發(fā)生器，省去了定時(shí)器2。微處理器指令執(zhí)行速度全面提升，同時(shí)還具有電源檢測、內(nèi)置系統(tǒng)ISP監(jiān)控程序和硬件看門口電路，使系統(tǒng)更加可靠、抗干擾性和加密性更強(qiáng)[5]。該微處理單元可以很好地協(xié)調(diào)信號(hào)處理模塊、語音警示模塊以及電源管理模塊等的正常工作。微處理器單元結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。

圖9 微處理器結(jié)構(gòu)框圖Fig.9 Microprocessor structure diagram

3 軟件的設(shè)計(jì)

本測試系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方式，主要包括語音提示模塊、自檢中斷模塊、高壓信號(hào)檢測模塊以及主程序模塊等[6]。

設(shè)計(jì)思想是當(dāng)檢修人員需要登上機(jī)車車頂時(shí)，將車頂門向上推開，此時(shí)車頂門聯(lián)鎖開關(guān)將接通高壓安全報(bào)警器的電源，如果供電網(wǎng)線有電，報(bào)警器將重復(fù)發(fā)出“請(qǐng)注意！有電危險(xiǎn)！”的報(bào)警聲并伴有燈光閃爍。若未檢測到網(wǎng)線有電，報(bào)警器會(huì)提示作業(yè)人員進(jìn)行自檢，自檢通過后，報(bào)警器就對(duì)機(jī)車供電網(wǎng)線是否有電進(jìn)行檢測，檢測過程中，如果供電網(wǎng)線有電，報(bào)警器將重復(fù)發(fā)出“請(qǐng)注意！有電危險(xiǎn)！”的報(bào)警聲并伴有燈光閃爍。若未檢測到網(wǎng)線有電，則給出“無高壓，可以登頂作業(yè)”的提示。報(bào)警器的主程序流程如圖10所示。產(chǎn)品實(shí)物圖如圖11所示。

圖10 主程序流程圖Fig.10 The main program flow chart

圖11 產(chǎn)品實(shí)物圖Fig.11 Product picture

3.1 高壓信號(hào)檢測模塊

高壓信號(hào)采集采用定時(shí)（20μs）中斷方式實(shí)現(xiàn)，信號(hào)經(jīng)過放大器放大1～11倍后輸入比較器與閾值比較。若在固定時(shí)間內(nèi)檢測到大于某固定值的信號(hào)個(gè)數(shù)超過10個(gè)，則判定有高壓，語音和燈光報(bào)警同時(shí)報(bào)警。兩紅燈閃爍報(bào)警，語音提示將重復(fù)發(fā)出“請(qǐng)注意！有電危險(xiǎn)！”提示有高壓。當(dāng)大于閾值的信號(hào)個(gè)數(shù)小于等于10個(gè)，則判定為干擾信號(hào)，無高壓存在語音提示“無高壓，可以登頂作業(yè)”。

3.2 自檢中斷模塊

外部中斷采用下降沿引起中斷的方式，CPU在每個(gè)機(jī)器周期順序采樣每個(gè)中斷源，如查詢到某個(gè)中斷源的中斷標(biāo)志為1，中斷系統(tǒng)通過硬件自動(dòng)將相應(yīng)的中斷矢量裝入PC，進(jìn)入中斷服務(wù)程序。

4 試驗(yàn)測試

4.1 天線信號(hào)強(qiáng)度測試試驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)于2011年4月6日在株洲南車電力機(jī)車廠進(jìn)行機(jī)車環(huán)境測試，主要完成各車道機(jī)車牽引線對(duì)報(bào)警器的電磁信號(hào)影響測試、信號(hào)接收器與機(jī)車牽引線距離對(duì)電磁信號(hào)影響測試。測試高壓報(bào)警器接收到的電壓值的大小，進(jìn)行報(bào)警閾值設(shè)計(jì)。主要測試數(shù)據(jù)如表1～2所示。

表1 各車道高壓牽引線電磁信號(hào)影響測試Table1 The electromagnetic signals impact tests of driveway high-voltage traction lines mV

表2 高壓牽引線與接收器距離對(duì)電磁信號(hào)影響測試Table2 The effect of the distance between high traction line and receiver on electromagnetic signals mV

4.2 溫度環(huán)境影響測試試驗(yàn)

本測試目的主要是測量一定范圍內(nèi)溫度對(duì)報(bào)警器閾值的影響情況。2011年4月28日在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了高低溫試驗(yàn)，同時(shí)測試了溫度驟變的影響。16:35進(jìn)行零下40℃低溫試驗(yàn)，17:05結(jié)束；17:10開始高溫試驗(yàn)，17:25溫度達(dá)70℃，17:55結(jié)束高溫試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 低溫試驗(yàn)(-40 ℃)Table3 Low temperature test (-40 ℃)

表4 高溫試驗(yàn)(70 ℃)Table4 High temperature test (70 ℃)

上述結(jié)果表明，低溫零下40℃環(huán)境對(duì)閾值無影響、70℃高溫環(huán)境對(duì)閾值也無影響。即本產(chǎn)品在復(fù)雜溫度環(huán)境中運(yùn)行狀態(tài)良好。

產(chǎn)品已經(jīng)通過湖南省電子產(chǎn)品檢驗(yàn)分析所的型式試驗(yàn)，包括外觀檢查、性能試驗(yàn)、振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)、水密性試驗(yàn)、電壓波動(dòng)試驗(yàn)等。

同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)產(chǎn)品做了大量試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性和可靠性，主要包括：

1）天線信號(hào)強(qiáng)度測量，報(bào)警閾值與環(huán)境相關(guān)性試驗(yàn)；2）電池充放電試驗(yàn)，充電閾值試驗(yàn)，過充保護(hù)試驗(yàn)等；3）語音報(bào)警的聲音強(qiáng)度試驗(yàn)，連續(xù)播放持續(xù)工作時(shí)間試驗(yàn)等。

5 結(jié)語

本文介紹的高壓報(bào)警器系統(tǒng)具有良好的抗電磁干擾能力，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、安裝方便，具有推廣使用價(jià)值。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)裝車運(yùn)行2年，性能穩(wěn)定，經(jīng)受了機(jī)車上的強(qiáng)電磁干擾、振動(dòng)等惡劣環(huán)境考驗(yàn)，為鐵路維修作業(yè)安全提供了可靠的安全輔助設(shè)施。

[1] 肖 寧. TAB1型機(jī)車高壓安全報(bào)警器的改進(jìn)措施[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2009，28(12)：116. Xiao Ning. TAB1 Type Locomotive High-Voltage Safety Alarm Measures[J]. Technological Development of Enterprise，2009，28(12)：116.

[2] 趙 帥，朱昌平，張 佳，等.高壓電柜自動(dòng)安全報(bào)警器裝置[J].工礦自動(dòng)化，2006(3)：20-22. Zhao Shuai，Zhu Changping，Zhang Jia，et al. The Annunciator of Automation and Safety for High-Voltage Electric Tank[J]. Industry and Mine Automation，2006(3)：20-22.

[3] 雷曉娟，李勇智. 采用單片機(jī)技術(shù)的內(nèi)電機(jī)車高壓報(bào)警器[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2009(3)：71-72. Lei Xiaojuan，Li Yongzhi. The Single Chip Microcomputer Technology of High Pressure Alarm of Electric Locomotive [J]. Electric Drive for Locomotives，2009(3)：71-72.

[4]康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ)：模擬部分[M]. 北京：高等教育出版社，2008：325-374. Kang Huaguang. Basic Electronic Technology：Simulated [M]. Beijing：Higher Education Press，2008：325-374.

[5] 歐偉明，何 靜，凌 云，等.單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009：20-40. Ou Weiming，He Jing，Ling Yun，et al. Single Chip Microcomputer Principle and Application[M]. Beijing：Electronic Industry Press，2009：20-40.

[6] 易吉良，黃曉峰，鄒豪杰，等. 一種機(jī)車車頂高壓報(bào)警裝置：中國，ZL201120526513.8[P]. 2012-08-22. Yi Jiliang，Huang Xiaofeng，Zou Haojie，et al. A Locomotive Roof Pressure Alarm Device：China，ZL201120526513.8[P]. 2012-08-22.

（責(zé)任編輯：申 劍）

Design and Implementation of High Voltage Protection Alarm System

Zhang Bao，Yi Jiliang，Tong Wenchao，Zhou Yaxing，Huang Linsen
（School of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou Hunan 412007, China）

For the safety of maintenance personnel of electric locomotive, a high voltage protection alarm system is designed based on STC11F04E microcontroller. The system consists of high voltage induction part, signal processing module, voice alarm module and power management module, etc. The system can detect the high voltage electric field of locomotive roof and convert it into voltage signal, and through the measurement of signal processing module, decides whether an alarm should be given. This system has been qualified through several testing authority and put into use.

locomotive；high voltage；alarm；microcontroller；voice

TM64

：A

：1673-9833(2014)01-0093-05

2013-10-23

湖南省自然科學(xué)株洲市聯(lián)合基金資助項(xiàng)目（12JJ9042），湖南工業(yè)大學(xué)研究生科研創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（CX1302），湖南工業(yè)大學(xué)科研基金資助項(xiàng)目（2011HZX07）

張 寶（1987-），男，安徽宿州人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)化集成技術(shù)與應(yīng)用，

E-mail：Zhangbao361@126.com

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.01.019