基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计毕业设计论文Word格式.docx

基于无线通信的输电杆塔振动识别单元设计毕业设计论文Word格式.docx

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Thesimulationexperimentsandpracticalanalysishaveshowedthatthetransmissiontowervibrationidentificationunithasthefeaturesofhighaccuracy,longdistancemonitoringandstronganti-interferenceability.Towervibrationidentificationunithasimportantresearchsignificanceandpracticalvalue.

Keywords：

　　Transmissionlinetower；

　　FastFouriertransform（FFT）；

　　ZigBee；

　　Vibrationdetection

目　录

1绪论

1.1课题研究的意义

安全生产是电力企业永恒的主题，一旦电网出现故障，停电区域的工农业生产将完全停止，而电力安全事故绝大多数是由于输电网络的杆塔倒塔、导线断线等造成的。

输电网络分散，区域跨度大，基本延伸到了每一个角落，一般处在高山，河流等地质环境复杂的区域，仅靠电力系统的巡线人员去定期巡检，将会浪费大量的人力、物力，且不可能取得好的巡检效果。

随着智能电网建设的加速及国民经济高速发展导致用电量激增，国家电网为减少因为定期人工检修从而对设备“过渡”检修及造成人力浪费和对设备漏检造成杆塔灾害事故，进而降低输电杆塔运行的可靠性和造成电力企业自身的经济损失，迫切需要输电杆塔在线监测装置和故障诊断系统来即使可靠的提供杆塔运行状态以提示寻线人员进行针对性的巡检，以降低电力安全事故的发生概率，确保电网安全稳定运行。

本课题的研究意义为通过研制一套针对输电杆塔振动的在线识别监测系统为输电杆塔的安全稳定运行“保驾护航”。

通过实时动态监测，及时掌握输电杆塔的运行工作状态使输电杆塔的监测达到智能化水平；

通过故障诊断使得在后续的检修中，能够对故障点快速定位和对故障原因的了解，使得巡线人员能够及时地进行有针对性的故障排除工作，从而大大提高工作效率。

1.2国内外发展与现状

国外对输变电设备工作状态的监测研究工作开展的比较早，早在20世纪70年代，美国就开始了以在线监测为基础的状态检修技术的研究与应用，但是该技术应用到输变电设备上是从80年代才开始的，比较成功的有澳大利亚昆士兰的合成绝缘子泄漏电流监测设备；

美国电气研究协会研发的输电线路动态容量监测系统，国内方面，输变电设备的检修机制经历了故障发生后的事后检修到定期检修的管理制度再到现在先进的状态检修机制三个阶段。

随着近年来输电事故的频发，特别是2008年的南方电网特大冰雪灾害增强了对输电线路杆塔监测的紧迫性和必要性，国内科研院所也陆续展开了针对输电设备监测系统的研究与开发工作，武汉超高压研究所、国网电力科学研究院对雷击定位系统的研究；

清华大学和武汉超高压研究所研制了以微处理器为主的泄漏电流监测系统；

上海交通大学研究了通过对输电设备现场实际气象条件和输电线路自身属性参数等数据的综合分析来实时动态确定输电容量的监测系统；

视频远程监控方面，随着三大电信运营商3G无线通信网络的社会化和商用化，使得输电设备远程视频监控系统的应用发展迅速，在2008年南方电网冰雪灾害事故中，通过视频监控系统远程查看杆塔、导线的现场覆冰情况，有针对性地指导除冰融冰工作，总体上取得了比较理想的效果，武汉星创源科技有限公司，北京得多电力技术有限公司，杭州东信电力科技有限公司研制了系统化的诸如输电线路视频监测系统，输电线路覆冰在线监测系统，输电线路微气象在线监测系统，输电杆塔倾斜在线监测系统，输电线路风偏在线监测系统，输电线路导线温度在线监测系统等专业性的输电设备在线监测系统，实现一个屏幕控制整个电网的目标。

近年来，国内外相关研究机构和企业正在积极开展机器人和无人直升机对输电线路的检修工作。

1.3本文主要研究内容

本文主要研究的内容是设计出对高压输电杆塔振动的识别单元，整个单元的设计分为硬件部分和软件部分，主要实现的内容具体可分为三个部分：

信号采集，数据处理，无线通信技术。

其具体流程简单描述如下：

安装在输电杆塔上的传感器，将杆塔的振动情况转换成电信号，采集信号送入调理电路，调理电路对信号进行放大，滤波，限幅等，将信号处理成可用的有效信号。

经调理电路处理后的信号，送入单片机。

单片机连续采样得到信号的数据信息，经快速傅里叶变换（FFT）处理数据后，得到振动信号的频率及振幅，据此判断输电杆塔的振动情况。

同时利用无线通信ZigBee技术将判定结果实时的发送至远端的上位机主站。

本文在如下的内容中详细介绍整个系统的整体设计方案，硬件设计，软件设计以及系统测试与分析。

2输电杆塔振动识别单元的整体设计方案

输电杆塔振动识别单元是针对输电杆塔特殊的高耸入云结构及所处的特殊外部环境，设计的一套针对高压线路杆塔的振动识别实时系统。

其具体组成为是：

输电杆塔上安装的感应设备——传感器；

针对监测输电杆塔面临的外部异物撞击振动信号的调理电路——调理电路块；

用来处理信号数据信息的微处理器——单片机；

以及处理后数据的传输——通信模块等。

其连接示意图如图2.1所示。

图2.1系统整体构架

振动识别系统的操作原理为：

安装在输电杆塔上的传感器，实时地将杆塔的振动情况转换成电信号，转换过来的信号将直接送入调理电路，调理电路中将信号放大适当倍数并作滤波处理，同时通过限幅，加法等电路，将信号处理成单片机可采样的信号（单片机C8051F060采样引脚电压输入范围0-2.5V）。

单片机连续采样得到信号的数据信息，经傅里叶变换（FFT）处理数据后，得到振动信号的频率及振幅，据此判断输电杆塔的振动情况。

2.1输电杆塔振动识别单元的硬件设计方案

振动识别单元的硬件设计结构图如图2.2所示，从图中我们可以看出，整个硬件电路可以分为信号调理电路，电源模块，微处理器电路，及通信模块。

图2.2系统硬件设计结构框架

2.1.1传感器

系统采用秦皇岛朗斯公司LC01系列的内装微型IC放大器的振动传感器LC0104，在传感器内部，它将传统的压电式加速度传感器与电荷放大器集成在一起，同时它兼容性良好，能直接与具有记录、显示功能的采集仪器相连接，从而很大程度上降低了测试系统的复杂性，同时在确保系统可靠性的情况下，提高系统的测试精度，该类传感器广泛用于航空航天、电力、机械、铁路、桥梁、建筑、车船、地质等领域。

内装IC压电加速度传感器有微型IC放大器和压电加速度传感器组成。

传感器信号输出具有两线联接特征，信号输出线与供传感器工作用的恒流源输入线为同一根线，另一根线为地线。

传感器与外接信号调理电路原理简图如图2.3所示。

图2.3压电加速度传感器与外界电路原理图

LC0104内装IC压电加速传感器技术指标参数如表2.1所示，另有指标如下：

输出偏压：

8-12VDC

恒定电流：

2-20mA，典型值：

4mA

激励电压：

18-30VDC，典型值：

24VDC

表2.1LC0104技术指标参数

型号

灵敏度mV/g

量程g

频率范围（Hz）

分辨率g

重量mg

用途

LC0104

100

50

0.5-9000

0.0002

28

通用测振

2.1.2微处理器

C8051F060是完全集成的混合信号片上系统型MCU，采用SiliconLab的专利CIP-51微控制器内核，具有59个数字I/O引脚。

下面列出了一些主要特性：

Ø

高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）；

两个16位、1Msps的ADC，带DMA控制器；

全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）；

两个12位DAC，具有可编程数据更新方式；

64KB可在系统编程的FLASH存储器；

4352（4K+256）字节的片内RAM；

硬件实现的SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口；

5个通用的16位定时器；

片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器。

本文用到了微处理器中ADC16位数据采样、DMA接口、UART串口通信、定时器。

C8051F060的ADC系统包括两个1Msps、16位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，其中集成了跟踪保持电路、可编程窗口检测器和DMA接口。

两个ADC及相应的跟踪保持电路都可以被独立使能和禁止。

当禁止时ADC处于低功耗关断方式。

DMA接口的作用是与ADC协同工作，将ADC输出数据在不经过处理器指令而直接写入指定的XRAM区域。

C8051F060MCU内部有两个全双工增强型UART，UART0是一个具有地址识别硬件和帧错误检测的增强型串行口。

它可以工作在半双工同步方式和全双工一步方式。

UART0有两个中断源，一个发送中断标志和一个接收中断标志。

UART0提供四种工作方式，四种方式提供不同的波特率和通信协议。

C8051F060MCU内部有5个计数器/定时器，这些计数器/定时器可以用于测量时间间隔、对外部事件计数或产生周期性的中断请求。

其中定时器0和定时器1有四种工作方式；

定时器2、定时器3和定时器4是16位自动重装载并具有捕捉功能的定时器，这三个定时器用法完全相同。

2.1.3无线通信

Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗广域网协议。

ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。

ZigBee协议从下到上分别为物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、传输层（TL）、网络层（NWK）、应用层（APL）等。

其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE802.15.4标准的规定。

ZigBee模块以其工业级应用设计、稳定可靠、标准易用、功能强大等突出特点，在通信市场发展迅猛，已广泛应用于物联网产业链中的M2M行业，如智能电网、智能交通、移动POS终端、工业自动化、供应链自动化、智能建筑、公共安全、环境保护、遥感勘测、农业、煤矿、石化等领域。

本文所采用ZigBee模块是基于ZigBee2007协议，可视传输距离可达1600米的ZigBee技术应用，该模块具有自动组网的功能，所有的模块上电即自动组网。

Zigbee网络通常由三种节点构成：

Coordinator：

用来创建一个Zigbee网络，并为初次加入网络的节点分配地址，每个Zigbee网络需要且只需要一个Coordinator；

Router：

可以收发数据，起到路由的作用；

EndDevice：

终端节点，通常定义为电池供电的低功耗设备。

本文中配置振动识别端ZigBee模块为Router，用来为下位机收发数据；

上位机端ZigBee模块为Coordinator，作为组网的主机；

当全部上电，Coordinator自动将所在范围内所有Router组网并分配地址。

组网完成后，ZigBee模块间实行透明传输数据方式。

ZigBee模块参数如下：

输入电压范围：

2.6V-3.6V，标准电压DC3.3V；

串口速率可设置9600bps，19200bps，38400bps，57600bps，115200bps；

无线频率：

2.4G（2460MHz）；

传输距离：

可视，开阔，传输距离1600米；

工作电流：

发射：

120mA（最大），80MA（平均），

接收：

45mA（最大），

待机：

40MA（最大）；

接口：

UART3.3V。

2.1.4电源转换模块

从图2.2系统硬件设计结构框架中，我们可以看到，本系统需要的电源种类多，因此为了使用方便，在硬件电路中，我们设计了多种电源转换模块，其中涉及到总输入电源转换，直流5V转24V，直流5V转±

12V，直流5V转±

5V，直流5V转3.3V，直流5V转2.5V。

在本设计中用IA_S-2W系列DC-DC转换器实现直流5V转24V、±

12V和±

5V；

用AS1117低压差的线性稳压器实现直流5V转3.3V，用MC1403实现直流5V转2.5V。

以下为各转换模块的简介。

IAS-2W系列DC-DC转换器采用厚膜电路、高效的稳压芯片、陶瓷电容，全SMT加工工艺，性能优良，稳定可靠。

电磁兼容性良好，输出文波及噪声小，适用于供电电源稳定的电路。

如图2.4所示为IAS-2W系列引脚图。

图2.4IAS-2W引脚图

AS1117低压差线性稳压器，能提供多种固定电压版本，输出电压有1.8V，2.5V，2.85V，3.3V，5V。

外围应用电路简单，固定电压版本只需要输入输出两个电容和负载。

芯片内部包括启动电路，偏置电路，电压基准源电路，过热保护，过流保护，功率管极其驱动电路等。

本文选择3.3V输出版本供微处理器芯片使用。

其引脚排列图如图2.5所示。

图2.5AS1117引脚排列图

AS1117固定版本典型应用如图2.6所示。

图2.6AS1117固定版本典型应用图

MC1403是美国摩托罗拉公司生产的高准确度、低温漂、采用激光修正的带隙基准电压源。

它采用DIP－8封装，引脚排列如图2.7所示。

Vin＝＋4.5V～＋15V，Vout＝2.5V（典型值），为了配8P插座，还专门设置了5个空脚。

图2.7MC1403引脚排列图

2.2软件设计方案

振动识别单元由安装在杆塔上的传感器模块+微处理器+ZigBee无线通信+PC监控中心组成，软件设计涉及到对信号的采样，采样数据的运算，及与远端上位机的通信程序。

而这些主要的软件设计部分主要是由对芯片C8051F060编程来完成。

C8051F060具有两个16位、1Msps的ADC，带DMA控制器，4k片内RAM，两个UART串行接口，以及定时器可供使用，能满足软件设计的配置要求。

如图2.8所示为系统软件设计程序流程图。

图2.8系统软件设计程序流程图

从图中可知，软件设计部分也涉及到系统设计的三个主要具体功能，信号采集部分，数据处理部分，以及信息通信部分。

三个部分具体的连接使用，将在后续章节具体阐述。

2.3本章总结

本章主要介绍了输电杆塔振动检测系统的整体设计方案，并分别，对其中的硬件设计方案及软件设计方案进行了详细的介绍，在硬件设计方案中给出了整体硬件框架，并介绍了系统监测系统中选取的元器件，简单描述了它们的工作原理。

软件设计方案中描述了整体软件设计构架。

系统的整体设计思路，让我们在做系统之前有一个明确的认识，能更好更清晰的去完成每一个环节。

3输电杆塔振动识别单元的硬件实现

3.1系统电源设计

电源设计是决定本设计优劣的一个重要因素，在此前介绍的硬件电路设计中，都需要提供电源支持，因此电源电路的稳定性决定其他器件的稳定性，最终决定实验结果的准确性。

在硬件电路设计方案中，我们可以看出，在调理电路中，我们需要能提供直流24V，±

12V，±

5V，3.3V，2.5V的电源。

如图3.1所示为系统整个电源分配结构图，以下将详细介绍电源转换各模块的实现方法。

图3.1系统电源转换示意图

在本设计中，我们改变变阻器阻值设置电源转换模块输出为直流的+5V。

考虑到输电杆塔所处的地理位置及特殊的外部环境，我们需要保证本设计能适用于更多的特殊、偏远、条件落后的环境下，我们采用可调节的宽电压输入的电源模块。

为后期的使用提供更多的选择。

我们选择宽电压输入QS-1212CBD-24W电源转换模块，其输入电压范围3-35V，输出电压范围1.2-30V，电流2A。

其引脚图如图3.2所示。

图3.2QS-1212CBD电源转换模块引脚图

3.1.1IAS-2W系列DC-DC转换器

IA0512S-2W电源转换模块输入电压标称值5V，输出电压标称值

，输出电流

。

IA0505S-2W电源转换模块输入电压标称值5V，输出电压标称值

如图3.3所示，给出了电源转换模块的连接电路图。

图3.3电源转换模块电路连接图

3.1.2AS1117芯片电路连接图

数据采集芯片C8051F060供电需要3.3V的模拟电源和数字电源，本文用AS1117芯片固定输出3.3V版本，其电路连接图如图3.4所示。

图3.4AS1117芯片5V转3.3V电源电路

电路功能：

将直流5V转换成3.3V的模拟电源和3.3V数字电源输出。

供C8051F060使用。

电路元器件说明：

电路中电容起到滤波的作用，电感L1和C41、C43组成的

型电路，电感的作用是起滤波作用，另外当数字电路工作在高频时电源的脉动比较大，如果和模拟电源一起使用时就会给模拟电源造成干扰，电感在这里使数字电源和模拟电源互不影响，都保持比较稳定的状态。

3.1.3MC1403电路连接图

图3.5MC1403芯片引脚连接图

这部分的电源转换模块作用是输出固定2.5V电压，作为减法电路中的减数。

MC1403是低压基准芯片。

一般用作需要基本精准的基准电压的场合。

因为输出是固定的，所以电路很简单。

就是Vin接电源输入，GND接底，Vout加一个0.1uF~1uF的电容就可以了。

3.2振动信号调理电路设计

各种传感器输出的信号很微弱，所处的环境噪声很大，后续模块很难检测到，信号频率成分也十分复杂，因此需要对各种传感器的输出信号进行有针对性的调理，来达到后续模块的采集要求。

整个调理电路是由电流稳压电路、放大电路、滤波电路、跟随与限幅电路、减法与反相电路组成。

以下为调理电路结构图：

图3.6调理电路结构图

3.2.1放大电路设计

如图3.7所示，为信号放大电路。

放大信号；

传感器采集的信号是很微弱的，因此首先将信号做放大处理，本文采用简单的同相放大电路，利用R3和RV1的阻值比例关系，达到放大信号的目的。

为变阻器，在调试电路时，根据需要改变变阻器的阻值来调节放大倍数。

图3.7信号放大电路

其放大的输出信号

计算式为：

（3.1）

因此电路的放大倍数为

仿真：

如图3.8所示为放大电路在Multisim中仿真结果。

输入为50HZ、2V的正弦波形，放大倍数设置为

图3.8Multisim中放大电路仿真结果

3.2.2滤波电路设计

如图3.9所示，为信号滤波电路。

采用二阶有源低通滤波器，滤去信号中的高频部分。

电路说明：

如图3.9所示，这是一个典型的二阶有源低通滤波电路，它是由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，这样输入阻抗高，输出阻抗低。

同相比例放大电路的电压增益就是低通滤波器的通带电压增益，本设计中同相比例放大电路的电压增益设置为1，即

二阶低通滤波电路传递函数的典型表达式为：

（3.2）

其中

为截止频率，此设计中

，品质因数

，当

时电路稳定，

，即运算放大器的负端与输出端短路