基于AT89S52某型直升機控制保護盒的數(shù)字化設(shè)計

王 朕，史賢俊，肖支才

（海軍航空工程學(xué)院 控制工程系，山東 煙臺 264001）

直升機起飛后，由飛機發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電為機載設(shè)備提供一個穩(wěn)定的115 V/400 Hz的交流電。所有用電的機載設(shè)備電源都是直接使用115 V/400 Hz或經(jīng)變換后使用，因此，該電源的穩(wěn)定性直接關(guān)系到機載設(shè)備的壽命及飛行安全。機載控制保護盒主要監(jiān)測發(fā)電機電網(wǎng)的電壓、頻率等信號，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)過壓、欠壓、過頻、欠頻、過過頻、欠頻和差動電流超標(biāo)時，在安全時間內(nèi)及時切斷主電路和發(fā)電機激磁電路轉(zhuǎn)為備用電源供電，從而有效保護機載設(shè)備和飛行安全。

某型直升機機載控制保護盒是上世紀80年代的產(chǎn)品，控制電路均由分立元件搭建的模擬電路實現(xiàn)，具有體積大、測量誤差大等缺點。本文采用AT89S52單片機設(shè)計了一款數(shù)字化機載控制保護盒，該數(shù)字化機載控制保護盒在完成保護功能的基礎(chǔ)上提高了測量精度，縮短了保護時間，還增加了聲音告警功能。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

控制保護盒由AT89S52單片機系統(tǒng)、電源電路、復(fù)位電路、電壓檢測電路、頻率檢測電路、差動電流檢測電路、主電路接觸器控制電路、27 V直流電源電路、發(fā)電機激磁控制電路和聲音告警電路組成，如圖1所示。其中電源電路為單片機提供+5 V直流電源、27 V直流電源電路為接觸器提供27 V電源。其工作原理如下：電壓檢測電路對機載交流電源采樣，采樣后變換成直流電，該直流電經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后，變換成數(shù)字信號與存儲在單片機內(nèi)的數(shù)據(jù)比較，確定機載交流電是否發(fā)生過壓或欠壓，當(dāng)發(fā)生過壓或欠壓時，延時一定的時間后發(fā)出控制信號，切斷主電路接觸器和發(fā)電機激磁電路，同時發(fā)出聲音告警信號；頻率檢測電路將機載交流電轉(zhuǎn)換成與頻率相關(guān)的脈沖信號，該信號經(jīng)計數(shù)后轉(zhuǎn)換成頻率信號，當(dāng)發(fā)生過頻、過過頻、欠頻和欠欠頻故障時，單片機發(fā)出控制信號切斷主電路接觸器和發(fā)電機激磁電路，同時發(fā)出聲音告警信號；差動電流檢測電路檢測機載三相交流電源，當(dāng)三相電源電流差值達到一定數(shù)值后，單片機發(fā)出控制信號切斷主電路接觸器和發(fā)電機激磁電路，同時發(fā)出聲音告警信號[1-2]。

2 硬件設(shè)計

控制保護盒硬件部分由單片機系統(tǒng)、電源電路、頻率檢測電路、差動電流檢測電路、電壓檢測電路、供電控制電路和發(fā)電機激磁電路7部分組成。AT89S52單片機系統(tǒng)采用最小單片機系統(tǒng)和按鍵復(fù)位設(shè)計，具體電路不再詳述，主要介紹其余6部分電路[1-3]。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Structure diagram of the system

2.1 頻率檢測電路和電壓檢測電路

頻率檢測電路，如圖2（a）所示。主要實現(xiàn)對機載交流電源頻率進行檢測，當(dāng)機載交流電源出現(xiàn)過頻、過過頻、欠頻和欠欠頻故障時，在規(guī)定時間內(nèi)切斷機載發(fā)電機激磁電路和機載設(shè)備供電電路。取機載交流電源任意一相輸入控制保護盒的5（或14）號和4號插針，交流電源流經(jīng)限流電阻和1.5 V穩(wěn)壓管，當(dāng)交流電源電壓瞬時值高于1.5 V時，穩(wěn)壓管反向?qū)ㄐ纬?.5 V電壓，三極管導(dǎo)通輸出0 V電壓，經(jīng)與非門整形后輸出邏輯高電平“1”，輸入單片機P3.5口；當(dāng)交流電源電壓低于1.5 V時，穩(wěn)壓管正向?qū)ǎ龢O管截止輸出5 V電壓，經(jīng)與非門整形后輸出邏輯低電平“0”，輸入單片機P3.5口；因此，每一個交流電周期，P3.5口得到一個高電平。AT89S52單片機在一定時間內(nèi)計數(shù)P3.5口的脈沖數(shù)，通過計算得到機載交流電源的電源頻率，完成頻率檢測。

圖2 頻率檢測電路和電壓檢測電路Fig.2 Frequency measure circuit and voltage measure circuit

電壓檢測電路，如圖2（b）所示，主要實現(xiàn)對機載交流電源電壓進行檢測，當(dāng)機載交流電源出現(xiàn)過壓和欠壓故障時，在規(guī)定時間內(nèi)切斷機載發(fā)電機激磁電路和機載設(shè)備供電電路。取機載交流電源任意一相輸入控制保護盒23號和4號插針，交流電源經(jīng)變壓器變壓和二極管整流后，在AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD570的輸入端得到穩(wěn)定的直流電壓，該電壓經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到8位的數(shù)字信號，該數(shù)字信號輸入單片機的P1口，即P1口得到機載交流電源的電壓檢測值，完成電壓檢測。

2.2 差動電流檢測電路和電源電路

差動電流檢測電路，如圖3（a）所示，主要實現(xiàn)對機載三相交流電源三相電流進行檢測，當(dāng)機載交流電源出現(xiàn)三相差動電流達到極限值時，在規(guī)定時間內(nèi)切斷發(fā)電機激磁電路和機載設(shè)備供電電路。三相檢測電流由控制盒1號、2號和3號插針輸入，經(jīng)半波整流后輸入比較器的反向輸入端，而比較器的正向輸入端為一個通過電阻分壓設(shè)定的值，故當(dāng)差動電流達到極限值時，比較器反向輸入端電壓高于正向輸入端電壓，比較器輸出低電壓0 V，經(jīng)與非門整形后，變?yōu)檫壿嫺唠娖健?”，輸入單片機P3.2中斷口，完成差動電流檢測[4]。

圖3 差動檢測電路和電源電路Fig.3 Differential current measure circuit and power circuit

電源電路如圖3（b）所示，該電路輸出27 V和5 V兩路直流電源。機載三相交流電源由11號、12號和13號插針輸入控制保護盒，變壓器變壓后，經(jīng)三相橋式整流電路得到穩(wěn)定的48 V直流電源，該直流電源經(jīng)DC/DC模塊RSO-4827SZ和RSO-4805SZ后得到27 V和5 V直流穩(wěn)壓電源；其中27 V電源用于控制發(fā)電機激磁電路的繼電器和機載設(shè)備供電控制電路的繼電器，5 V電源用于給單片機、比較器和數(shù)字芯片供電。

2.3 供電控制電路和發(fā)電機激磁電路

供電控制電路如圖4（a）所示，機載電源通過15號插針和17號插針向設(shè)備供電，機載電源正常時，P2.0口輸出低電平，光耦斷開，繼電器吸合，機載電源向機載設(shè)備供電；當(dāng)機載電源出現(xiàn)過壓、欠壓、過頻等故障時，AT89S52單片機系統(tǒng)的P2.0口輸出高電平，光耦導(dǎo)通，繼電器控制線圈兩端電壓為零，繼電器斷開，機載電源與機載設(shè)備之間電路斷開。

發(fā)電機激磁電路如圖4（b）所示，機載電源通過控制盒8號插針和10號插針向機載發(fā)電機激磁電路注入交流電建立發(fā)電機的磁場，發(fā)電機在發(fā)動機的帶動下發(fā)出115 V/400 Hz的交流電；機載發(fā)電機發(fā)出的電壓正常時，P2.1口輸出高電平，光耦導(dǎo)通，繼電器控制線圈兩端電壓為27 V，繼電器吸合，發(fā)電機保持恒定磁場；當(dāng)機載電源出現(xiàn)過壓、欠壓、過頻等故障時，P2.1口輸出低電平，光耦斷開，繼電器控制線圈兩端電壓為零，繼電器斷開，機載發(fā)電機激磁電路斷開，磁場消失，發(fā)電機停止發(fā)電。

圖4 供電控制電路和發(fā)電機激磁電路Fig.4 Power control circuit and generator magnetic circuit

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)主程序流程如圖5（a）所示，上電復(fù)位后系統(tǒng)初始化，首先對機載電源電壓進行檢測得到檢測值，該電壓值首先與固化到單片機內(nèi)部的過壓故障電壓值進行比較，若超過過壓故障電壓值，則進入故障處理子程序；然后與欠壓故障電壓值進行比較，若低于欠壓故障電壓值，則進入故障處理子程序；若電壓檢測值高于欠壓故障電壓值而低于過壓故障電壓值，則表示無電壓故障。若無電壓故障，則系統(tǒng)對電源頻率進行檢測，得到的檢測值分別與固化到單片機內(nèi)部的過頻故障值、過過頻故障值、欠頻故障值和欠欠頻故障值進行比較，若檢測值超過過頻故障值和過過頻故障值，則進入故障處理子程序；若檢測值低于欠頻故障值和欠欠頻故障值，則進入故障處理子程序；否則，表示電源無頻率故障。若無頻率故障，則檢測差動電流，當(dāng)差動電流達到故障值時，產(chǎn)生中斷，進入故障處理子程序；若仍無差動電流故障，則循環(huán)檢測電源的電壓、頻率和差動電流[5-6]。

頻率檢測子程序流程圖如圖 5（b）所示，由圖 2（a）可知，機載交流電源每一個周期，計數(shù)器增加一個脈沖；當(dāng)定時中斷時，讀取計數(shù)器的脈沖數(shù)，同時將計數(shù)器清零，并將定時器初始化；得到的脈沖數(shù)與定時器的定時時間相除，即得到機載電源的頻率；單片機系統(tǒng)計算出頻率后輸出，同時開啟定時器和計數(shù)器，開始下次頻率檢測。

故障處理子程序流程圖如圖5（c）所示，當(dāng)機載電源發(fā)生故障時，系統(tǒng)進入故障處理子程序，單片機開始計時，并切斷供電電路保護機載設(shè)備、切斷發(fā)電機激磁電路轉(zhuǎn)由備用電源供電；供電電路和發(fā)電機激磁電路切斷后，進行計時補償，補償由于切斷供電電路和發(fā)電機激磁電路過程中產(chǎn)生的延時誤差，得到真實的從機載電源發(fā)生故障到切斷電路的延時時間并進行顯示；而后發(fā)出相應(yīng)的聲音告警，直到故障消失或系統(tǒng)強制復(fù)位；退出故障處理子程序。

圖5 程序流程圖Fig.5 Flow chart of the procedure

4 實驗結(jié)果

采用AT89S51設(shè)計的數(shù)字化發(fā)電機控制盒 （編號為060320和080734）實驗結(jié)果如表1所示。表中第3列為機載電源故障動作點理論值，第4列為故障時機載電源從發(fā)生故障到控制盒切斷供電回路的延時時間理論值。第5列和第6列為控制盒060320測試時施加的故障電源動作點值和故障電源施加到供電回路被切斷的延時時間實測值；第7列和第8列為控制盒080734測試時施加的故障電源動作點值和故障電源施加到供電回路被切斷的延時時間實測值。從實驗結(jié)果看，設(shè)計的控制盒完全能滿足機載電源保護延時要求。

表1 實驗結(jié)果Tab.1 Experiment results

5 結(jié)束語

針對某型直升機機載電源控制保護盒測量誤差大、報警系統(tǒng)單一、體積大等缺點，本文采用AT89S51單片機設(shè)計了一款數(shù)字化機載電源控制保護盒，由于采用了延時時間補償，提高了測量精度，使該控制盒測量精度可達到1/100，同時增加了語音告警功能。部隊實際應(yīng)用表明，文中設(shè)計的控制保護盒具有測量精確、報警功能豐富、體積小、工作可靠、成本低等優(yōu)點，可完全代替原品。

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