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基于AVR单片机的高压防护系统的研究
heshw99 发表于 2007-9-14 8:47:00
目前，我国铁路上运行的电力机车所使用的电源，是接触网提供的25kV单相交流电。在电气化铁路区段运行和整备作业的机车，经常需要作业人员通过人孔盖登上车顶，对机车进行检查维修工作。通常在上车顶工作前，作业人员应当按照登顶作业程序，在地面对作业网断电，再打开车顶人孔盖登顶作业。


然而，因为作业人员疏忽大意，未认真执行接触网断电的操作程序，在接触网上仍带电的情况下，就盲目登车顶工作，多次造成被电击伤亡的事故。针对这一情况，我们研制了机车车顶人孔盖安全报警联运接地装置，可以为登顶作业的工作人员提供可靠、有效的人身安全保护，确保登顶作业人员的人身安全。


本文将介绍一套可靠检测接触网有无高电压的告警装置和一套受告警装置控制的联运接地装置。

系统组成


系统报警接地装置分三大部分组成：高压检测与报警部分、电控部分和机械接地装置部分。



图1  系统组成


当检测到接触网有高电压存在时，人孔盖电控锁处于原来的闭锁状态，接地装置不升起，高压检测装置发出声光告警，提醒作业人员不可以登顶作业；当高压检测告警装置检测到接触网没有高电压存在时，在发出安全作业告警提示的情况下，打开人孔盖、升起接地装置，使接触网对地短路（防止接触网意外情况下出现高电压），作业人员即可登顶机车实施业务。

控制系统设计


本系统采用了AVR单片机，AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精简指令集高速8位单片机。AVR单片机具有高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位等特点，可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。

ATmega128是ATMEL公司嵌入式AVR单片机中功能最强的一款，它的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。


1 硬件部分


本系统控制电路包括了为单片机提供稳定的工作电流的电源模块；控制开关接口，确定系统是否处于工作状态；通信模块，通过RS232接口，采用MAX232对电平进行转化，与PC进行通信；电机控制模块，采用电机驱动芯片ULN2003控制电机的转动，为接地装置提供了稳定的动力；电流采样接口模块，接收从电流传感器传回的信号，确定机车上是否带电；报警模块，在确定机车还带电的情况下，发出报警信号，如声音、灯光等，阻止工作人员上车作业，保证安全。


其系统结构如图2所示。



图2  系统结构图


控制系统硬件具体结构如图3所示。



图3  控制系统硬件具体结构图


2 软件部分


人孔盖高压告警联动接地装置的控制软件结合了作业现场的实际，充分考虑到告警的安全和人身的安全及设备的安全。并且根据要求电器控制系统设计了自动控制和手动控制两套方案。


当检测到机车带电的时候，系统会发出“滴”、“滴”的报警声，以阻止作业人员登上车顶而发生危险，其程序如下：


# include <avr/io.h>
# include <avr/delay.h>
void waitms (unsigned int time)  //延时子函数
{
unsigned int i;
for (i=0;i<time;i++)
{
 _delay_ms(1);
 }
}
int main (void)
{
DDRD=(0<<DDD2)|(1<<ddd3);  //设置PD2为输入，PD3为输出
PORTD=(1<<PD2)|(1<<PD3);   //PD2上拉电阻有效，PD3输出高电平
while (1)
{
if (!(PIND&(1<<PIND2)))
{
PORTD&=~(1<<PD3);
waitms (10);
PORTD 1=(1<<PD3);
waitms (10);
}
}
}
return (0);


系统控制软件流程如图4所示。



图4  系统控制软件流程


本控制系统采用了AVR-GCC编译器，它是流行的GNU C编译器在AVR平台上的移植，有一个针对Win32平台的Win AVR软件包，具备更新速度快、代码效率高、可移植性强的优点。


用AVR Studio作为仿真调试工具，它不仅能仿真出MCU的时序，而且能仿真出几乎所有的片上I/O模型和内存，无须外接硬件，所有的工作全部在计算机内存中完成。


使用PonyProg2000进行程序下载，以更好地体现AVR单片机的ISP优点。


系统启动自检后，处于待机状态，等待用户进行工作状态的选择，然后控制软件比较各传感器送来信号的状态，判断高压的有无并进入相应的控制程序。高压检测环节采取多次检测的方法来判断高压的有无，且必须保证几次采集的信号一致才最终确认信号的正确性。

结语


上述系统人机对话方便简洁、稳定可靠，具有通用性和可扩展性，维护方便，能确实解决人为疏忽和管理漏洞所带来的不安全问题，具有重大的实际和推广意义。

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