【正文】 1212CBD24W+5V 圖 QS1212CBD 電源轉(zhuǎn)換模塊引 腳圖 基于無(wú)線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)稱值 5V，輸出電壓標(biāo)稱值 12VDC? ，輸出電流 o4. 2 m A I 42 m A?? 。我們選擇寬電壓輸入 QS1212CBD24W 電源轉(zhuǎn)換模塊，其輸入電壓范圍 335V，輸出電壓范圍 ，電流 2A?？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。如圖 所示為系統(tǒng)整個(gè)電源分配結(jié)構(gòu)圖，以下將詳細(xì)介紹電源轉(zhuǎn)換各模塊的實(shí)現(xiàn)方法。 12V，177。 基于無(wú)線通信的輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元設(shè)計(jì) 10 3 輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元的硬件實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì) 電源設(shè)計(jì)是決定本設(shè)計(jì)優(yōu)劣的一個(gè)重要因素，在此前介紹 的硬件電路設(shè)計(jì)中，都需要提供電源支持，因此電源電路的穩(wěn)定性決定 其他器件的穩(wěn)定性，最終決定實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。軟件設(shè)計(jì)方案中描述了整體軟件設(shè)計(jì)構(gòu)架。三個(gè)部分具體的連接使用，將在后續(xù)章節(jié)具體闡述。如圖 所示為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)程序流程圖。而這些主要的軟件設(shè)計(jì)部分主要是由對(duì)芯片 C8051F060 編程來(lái)完成。 Vin＝＋ ～＋ 15V， Vout＝（典型值），為了配 8P 插座，還專門(mén)設(shè)置了 5 個(gè)空腳。 A S 1 1 1 7V i nV o u tG N D / A D JC 1C 2R l o a d 圖 AS1117 固定版本典型應(yīng)用圖 MC1403 是美國(guó)摩 托羅拉公司生產(chǎn)的高準(zhǔn)確度、低溫漂、采用激光修正的帶隙基準(zhǔn)電壓源 。其引腳排列圖如圖 所示。芯片內(nèi)部包括啟動(dòng)電路，偏置電路，電壓基準(zhǔn)源電路，過(guò)熱保護(hù)，過(guò)流保護(hù)，功率管極其驅(qū)動(dòng)電路等。 基于無(wú)線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 低壓差線性穩(wěn)壓器，能提供多種固定電壓版本，輸出電壓有 ， ， ， 5V。電磁兼容性良好，輸出文波及噪聲小，適用于供電電源穩(wěn)定的電路。以下為各轉(zhuǎn)換模塊的簡(jiǎn)介。 12V和177。 5V，直流 5V 轉(zhuǎn) ，直流5V 轉(zhuǎn) 。 電源轉(zhuǎn)換模塊 從圖 系 統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框架中，我們可以看到，本系統(tǒng)需要的電源種類多，因此為了使用方便，在硬件電路中，我們?cè)O(shè)計(jì)了多種電源轉(zhuǎn)換模塊，其中涉及到總輸入電源轉(zhuǎn)換，直流 5V 轉(zhuǎn) 24V，直流 5V 轉(zhuǎn)177。組網(wǎng)完成后， ZigBee 模塊間實(shí)行透明傳輸數(shù)據(jù)方式。 Zigbee網(wǎng)絡(luò)通常由三種節(jié)點(diǎn)構(gòu)成： Coordinator：用來(lái)創(chuàng)建一個(gè) Zigbee 網(wǎng)絡(luò)，并為初次加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分配地址，每個(gè) Zigbee 網(wǎng)絡(luò)需要且只需要一個(gè) Coordinator； Router：可以收發(fā)數(shù)據(jù)，起到路由的作用； End Device：終端節(jié)點(diǎn)，通常定義為電池供電的低功耗設(shè)備。 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。 ZigBee 協(xié)議從下到上分別為 物理層 (PHY)、媒體訪問(wèn)控制層基于無(wú)線通信的輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元設(shè)計(jì) 6 (MAC)、傳輸層 (TL)、 網(wǎng)絡(luò)層 (NWK)、 應(yīng)用層 (APL)等。 無(wú)線通信 Zigbee 是基于 標(biāo)準(zhǔn)的低功耗廣域網(wǎng) 協(xié)議 。 C8051F060 MCU 內(nèi)部有 5 個(gè)計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器，這些計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器可以用于測(cè)量時(shí)間間隔、對(duì)外部事件計(jì)數(shù)或產(chǎn)生周期性的中斷請(qǐng)求。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。 C8051F060MCU 內(nèi)部有兩個(gè)全雙工增強(qiáng)型 UART， UART0 是一個(gè)具有地址識(shí)別硬件和幀錯(cuò)誤檢測(cè)的增強(qiáng)型串行口。當(dāng)禁止時(shí) ADC 處于低功耗關(guān)斷方式。 C8051F060 的 ADC 系統(tǒng)包括兩個(gè) 1Msps、 16 位分辨率的逐次逼近寄存器型 ADC，其中集成了跟蹤保持電路、可編程窗口檢測(cè)器和 DMA 接口。下面列出了一些主要特性： ? 高速、流水線結(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。傳感器與外接信號(hào)調(diào)理電路原理簡(jiǎn)圖如圖 所示。 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。 輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元的硬件設(shè)計(jì)方案 振動(dòng)識(shí)別單元的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示，從圖中我們可以看出，整個(gè)硬件電路可以分為信號(hào)調(diào)理電路，電源模塊，微處理器電路，及通信模塊。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。 微 處 理 器ZigBee模塊傳 感 器L C 0 1 0 4調(diào) 理 電 路ZigBee模塊主 站Z i g B e eU A R TR S 2 3 2 圖 系統(tǒng)整體構(gòu)架 振動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的操作原理為： 安裝在輸電桿塔上的傳感器，實(shí)時(shí)地將桿塔的振動(dòng)情況轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的信號(hào)將直接送入調(diào)理電路，調(diào)理電路中將信號(hào)放大適當(dāng)倍數(shù)并作濾波處理，同時(shí)通過(guò)限幅，加法等電路，將信號(hào)處理成單片機(jī)可采樣的信號(hào)（單片機(jī) C8051F060 采樣引腳電壓輸入范圍 ）。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。 本文在如下的內(nèi)容中詳細(xì)介紹整個(gè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)測(cè)試與分析。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。其具體流程簡(jiǎn)單描述如下： 安裝在輸電桿塔上的傳感器，將桿塔的振動(dòng)情況轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，采集信號(hào)送 入調(diào)理電路，調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，濾波，限幅等，將信號(hào)處理成可用的有效 信號(hào)。 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)輸電線路的檢修工作。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀 國(guó)外對(duì)輸變電設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)研究工作開(kāi)展的比較早，早在 20 世紀(jì) 70 年代，美國(guó)就開(kāi)始了以在線監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)的狀態(tài)檢修技術(shù)的研究與應(yīng)用，但是該技術(shù)應(yīng)用到輸變電設(shè)備上是從 80 年代才開(kāi)始的，比較成功的有澳大利亞昆士蘭的合成絕緣子泄漏電流監(jiān)測(cè)設(shè)備；美國(guó)電氣研究協(xié)會(huì)研發(fā)的輸電線路動(dòng)態(tài)容量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)方面，輸變電設(shè)備的檢修機(jī)制經(jīng)歷了故障發(fā)生后的事后檢修到定期檢修的管理制度再到現(xiàn)在先進(jìn)的狀態(tài)檢修機(jī)制三個(gè)階段。 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”。輸電網(wǎng)絡(luò)分散，區(qū)域跨度大，基本延伸到了每一個(gè)角落，一般處在高山，河流等地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜的區(qū)域，僅靠電力系統(tǒng)的巡線人員去定期巡檢，將會(huì)浪費(fèi)大量的人力、物力，且不可能取得好的巡檢效果。 附錄 A ........................................................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。s normal life, even will lead to serious secondary disasters such as fire, resulting in irreparable economic losses. Therefore, the tower vibration analysis and monitoring has important research value and use value. The main content of this paper: in view of the special structure of the transmission tower high into the sky and the special external environment around it, a transmission line tower vibration state recognition unit is designed. Specific methods: vibration sensors are installed on transmission tower, collecting the vibration signals when transmission tower is hit by objects from outside. After processed by adjusting circuit， signals are sent into the microcontroller for processing. It will get the vibration frequency and the corresponding amplitudes after Fourier transform (FFT) of the sampled Vibration data, as vibration characteristic parameters to determine the vibration transmission tower. At the same time using the ZigBee wireless munication technology, the monitoring results in realtime will be sent to the remote host. The simulation experiments and practical analysis have showed that the transmission tower vibration identification unit has the features of high accuracy, long distance monitoring and strong antiinterference ability. Tower vibration identification unit has important research significance and practical value. Key words： Transmission line tower； Fast Fourier transform(FFT)； ZigBee； Vibration detection 基于無(wú)線通信的輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元設(shè)計(jì) III 目 錄 1 緒論 ...................................................................................................................................... 1 課題研究的意義 ............................................................................................................ 1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀 ........................................................................................................ 1 本文主要研究?jī)?nèi)容 ........................................................................................................ 2 2 輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元的整體設(shè)計(jì)方案 .......................................................................... 3 輸電桿塔振動(dòng)識(shí)別單元的硬件設(shè)計(jì)方案 .................................................................... 3 傳感器 ...............................................