【正文】 桿塔傾斜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，輸電線(xiàn)路風(fēng)偏在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，輸電線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)溫度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等專(zhuān)業(yè)性的輸電設(shè)備在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)屏幕控制整個(gè)電網(wǎng)的目標(biāo)。 隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的加速及國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展導(dǎo)致用電量激增，國(guó)家電網(wǎng)為減少因?yàn)槎ㄆ谌斯z修從而對(duì)設(shè)備“過(guò)渡”檢修及造成人力浪費(fèi)和對(duì)設(shè)備漏檢造成桿塔災(zāi)害事故，進(jìn)而降低輸電桿 塔運(yùn)行的可靠性和造成電力企業(yè)自身的經(jīng)濟(jì)損失，迫切需要輸電桿塔在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置和故障診斷系統(tǒng)來(lái)即使可靠的提供桿塔運(yùn)行狀態(tài)以提示尋線(xiàn)人員進(jìn)行針對(duì)性的巡檢，以降低電力安全事故的發(fā)生概率，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。 微處理器芯片外圍電路設(shè)計(jì) ...................................................................................... 15 JTAG 調(diào)試接口 .................................................................................................... 16 晶體振蕩電路 ....................................................................................................... 16 通訊模塊的實(shí)現(xiàn) .......................................................................................................... 16 本章總結(jié) ...................................................................................................................... 17 4 輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元的軟件實(shí)現(xiàn) ................................................................................ 18 總體程序設(shè)計(jì) .............................................................................................................. 18 基于無(wú)線(xiàn)通信的輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元設(shè)計(jì) IV 單片機(jī)相關(guān)配置 .......................................................................................................... 20 端口配置 ............................................................................................................... 20 ADC0 和 DMA0 ................................................................................................... 21 MODBUS通信協(xié)議 ...................................................................................................... 22 快速傅里葉變換 .......................................................................................................... 22 本章總結(jié) ...................................................................................................................... 25 5 測(cè)試與分析 ........................................................................................................................ 26 系統(tǒng)功耗測(cè)試 .............................................................................................................. 26 調(diào)理電路測(cè)試與分析 .................................................................................................. 26 無(wú)線(xiàn)通信測(cè)試與分析 .................................................................................................. 28 6 結(jié)束語(yǔ) ................................................................................................................................ 30 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 31 致 謝 ........................................................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐分析表明，輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元準(zhǔn)確性高，監(jiān)測(cè)距離長(zhǎng)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。具體方法：在輸電 桿塔上安裝振動(dòng)傳感器，采集輸電桿塔受外部異物撞擊時(shí)的振動(dòng)信號(hào)。輸電桿塔大多處在復(fù)雜的野外自然環(huán)境，并且具有高聳入云的特殊結(jié)構(gòu)。一旦輸電桿塔遭到破壞，將導(dǎo)致電力供應(yīng)中斷，影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民群眾的正常生活，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)等次生災(zāi)害，造成無(wú)法挽回的經(jīng)濟(jì)損失。信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路處理后，送入單片機(jī)進(jìn)行處理。桿塔振動(dòng)識(shí)別單元具有重要的研究意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。 附錄 A ........................................................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 本課題的研究意義為通過(guò)研制一套針對(duì)輸電桿塔振動(dòng)的在線(xiàn)識(shí)別監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為輸電桿塔的安全穩(wěn)定運(yùn)行“保駕護(hù)航”。 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)正在積極開(kāi)展機(jī)器人和無(wú)人直升機(jī)對(duì)輸電線(xiàn)路的檢修工作。單片機(jī)連續(xù)采樣得到信號(hào)的數(shù)據(jù)信息，經(jīng) 快速 傅里葉變換（ FFT）處理數(shù)據(jù)后，得到振動(dòng)信號(hào)的頻率及振幅，據(jù)此判斷輸電桿塔的振動(dòng)情況。其具體組成為是：輸電桿塔上安裝的感應(yīng)設(shè)備 —— 傳感器；針對(duì)監(jiān)測(cè)輸電桿塔面臨的外部異物撞擊振動(dòng)信號(hào)的調(diào)理電路 —— 調(diào)理電路塊；用來(lái)處理信號(hào)數(shù)據(jù)信息的微處理器 —— 單片機(jī)；以及處理后數(shù)據(jù)的傳輸 —— 通信模塊等。單片機(jī)連續(xù)采樣得到信號(hào)的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)傅里葉變換（ FFT）處理數(shù)據(jù)后，得到振動(dòng)信號(hào)的頻 率及振幅，據(jù)此判斷輸電桿塔的振動(dòng)情況。 內(nèi)裝 IC 壓電加速度傳感器有微型 IC 放大器和壓電加速度傳感器組成。下面列出了一些主要特性： ? 高速、流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)的 8051 兼容的 CIP51 內(nèi)核（可達(dá) 25MIPS）； ? 兩個(gè) 16 位、 1Msps 的 ADC，帶 DMA 控制器； ? 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）； ? 兩個(gè) 12 位 DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式； ? 64KB 可在系統(tǒng)編程的 FLASH 存儲(chǔ)器； ? 4352（ 4K+256）字節(jié)的片內(nèi) RAM； ? 硬件實(shí)現(xiàn)的 SPI、 SMBus/I2C 和兩個(gè) UART 串行接口； ? 5 個(gè)通用的 16 位定時(shí)器； ? 片內(nèi) 看門(mén)狗定時(shí)器、 VDD 監(jiān)視器和溫度傳感器。當(dāng)禁止時(shí) ADC 處于低功耗關(guān)斷方式。UART0 有兩個(gè)中斷源，一個(gè)發(fā)送中斷標(biāo)志和一個(gè)接收中斷標(biāo)志。 無(wú)線(xiàn)通信 Zigbee 是基于 標(biāo)準(zhǔn)的低功耗廣域網(wǎng) 協(xié)議 。 ZigBee 模塊以其工業(yè)級(jí)應(yīng)用設(shè)計(jì)、穩(wěn)定可靠、標(biāo)準(zhǔn)易用、功能強(qiáng)大等突出特點(diǎn)，在通信市場(chǎng)發(fā)展迅猛， 已廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中的 M2M 行業(yè)，如智能電網(wǎng)、智能交通、移動(dòng) POS 終端、工業(yè)自動(dòng)化、供應(yīng)鏈自動(dòng)化、智能建筑、公共安全、環(huán)境保護(hù)、遙感勘測(cè)、農(nóng)業(yè)、煤礦、石化等領(lǐng)域。組網(wǎng)完成后， ZigBee 模塊間實(shí)行透明傳輸數(shù)據(jù)方式。 5V，直流 5V 轉(zhuǎn) ，直流5V 轉(zhuǎn) 。以下為各轉(zhuǎn)換模塊的簡(jiǎn)介。 基于無(wú)線(xiàn)通信的輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元設(shè)計(jì) 7 Vin1GND2+Vo70V10V09IA0512S2WU14 圖 IAS2W 引腳圖 AS1117 低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器，能提供多種固定電壓版本，輸出電壓有 ， ， ， 5V。其引腳排列圖如圖 所示。 Vin＝＋ ～＋ 15V， Vout＝（典型值），為了配 8P 插座，還專(zhuān)門(mén)設(shè)置了 5 個(gè)空腳。如圖 所示為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)程序流程圖。軟件設(shè)計(jì)方案中描述了整體軟件設(shè)計(jì)構(gòu)架。 12V，177?？紤]到輸電桿塔所處的地理位置及特殊的外部環(huán)境，我們需要保證本設(shè)計(jì)能適用于更多的特殊、偏遠(yuǎn)、條件落后的環(huán)境下，我們采用可調(diào)節(jié)的寬電壓輸入的電源模塊。 Vin+1Vin2Vo4Vo+3QS1212CBDU17QS1212CBD24W+5V 圖 QS1212CBD 電源轉(zhuǎn)換模塊引 腳圖 基于無(wú)線(xiàn)通信的輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元設(shè)計(jì) 11 IAS2W 系列 DCDC 轉(zhuǎn)換器 IA0512S2W 電源轉(zhuǎn)換模塊輸入電壓標(biāo)稱(chēng)值 5V，輸出電壓標(biāo)稱(chēng)值 12VDC? ，輸出電流 o4. 2 m A I 42 m A?? 。 3 21V VGNDINOUTU12 AS111710uFC39C40C4110uHL110uFC43C42DV3 AV3GNDAGNDVo+ 圖 AS1117 芯片 5V 轉(zhuǎn) 電源電路 電路功能：將直流 5V 轉(zhuǎn)換成 的模擬電源和 數(shù)字電源輸出。 電路元器件說(shuō)明： MC1403 是低壓基準(zhǔn)芯片。 振動(dòng)信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì) 各種傳感器輸出的信號(hào)很微弱，所 處的環(huán)境噪聲很大，后續(xù)模塊很難檢測(cè)到，信號(hào)頻率成分也十分復(fù)雜，因此需要對(duì)各種傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行有針對(duì)性的調(diào)理，來(lái)達(dá)到后續(xù)模塊的采集要求。 電路元器件說(shuō)明： 1RV 為變阻器，在調(diào)試電路時(shí)，根據(jù)需要改變變阻器的阻值來(lái)調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。 圖 Multisim 中放大電路仿真結(jié)果 濾波電路設(shè)計(jì) 如圖 所示，為信號(hào)濾波電路。二階低通濾波電路傳遞函數(shù)的典型表達(dá)式為： 基于無(wú)線(xiàn)通信的輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元設(shè)計(jì) 14 ? ? 20c22c csAAss Q???? ?? () 其中 c? 為截止頻率 ， 此設(shè)計(jì)中 24 5 7 281c R R C C? ? ，品質(zhì)因數(shù) ? ， 當(dāng) 2VA? 時(shí)電路穩(wěn)定， 1VA? ，即運(yùn)算放大器的負(fù)端與輸出端短 路連接，從而滿(mǎn)足穩(wěn)定要求。 圖 中濾波電路仿真結(jié)果 限幅電路設(shè)計(jì) 如圖 所示，為信號(hào)限幅電路。 1KR9D1D2+5V5V3261 574U5+12V12VC11C1210KRV2Single_In3Single_Out3 圖 限幅電路 仿真：圖 所示為限幅電路在 Multisim 中仿真 結(jié)果 。該款單片機(jī)在提高速度的同時(shí)，集成了眾多的硬件資源，不需要和傳統(tǒng)的單片機(jī)一樣去外擴(kuò)大量的器件，就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜且高速的數(shù)據(jù)采集功能。其中模擬電源和數(shù)字電源接 ，數(shù)字地和模擬地均接地。 13579246810U11TDOTMSTDIR20DV3DV3TCK 圖 JTAG 調(diào)試接口 晶體振蕩電路 C8051F060 芯片振蕩頻率最大不能超過(guò) 25MHz， C8051F060 包含一個(gè)可編程內(nèi)部振蕩器和一個(gè)外部振蕩器驅(qū)動(dòng)電路。 具體元器件的參數(shù)：電容 C31 和 C32 的值為 33pF，石英晶體振蕩器的標(biāo)準(zhǔn)頻率為。 基于無(wú)線(xiàn)通信的輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元設(shè)計(jì) 17 RX24TX25GND31ZigBee32U18DV3 圖 Zig