機車高壓安全報警器的設計與實現

張 寶，易吉良，童文超，周亞星，黃林森

（湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

機車高壓安全報警器的設計與實現

張 寶，易吉良，童文超，周亞星，黃林森

（湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

為了電力機車維護人員的人身安全，設計了一種基于STC11F04E單片機的高壓報警器系統。系統由高壓感應部件、信號處理模塊、語音警示模塊以及電源管理模塊等組成。系統能感應出機車車頂高壓電場并轉換為電壓信號，通過信號處理模塊測量是否含有高壓并進行報警。本系統通過多家權威部門檢測，現已裝車使用。

機車；高壓；報警；單片機；語音

0 引言

近年來，我國電氣化鐵路發展異常迅速，電氣化區段不斷延伸。在電氣化區段，各電力機務段機車入庫整備作業時，檢修職工每天上車頂作業多達上百次，如出現違章現象或其他意外情況極易造成重大人身傷害[1]。為了避免機務部門職工高壓觸電傷亡事故的發生，迫切需要研制機車高壓報警裝置，利用科技手段給車頂作業增加一道安全屏障。

現在已有較為先進的電力機車登頂作業安全監控裝置，它采用計算機、PLC、視頻圖像識別等高新技術，對登頂作業過程實施全方位監控[2]。雖然它的優點很突出，但是也有一些不足：首先是成本問題，這樣的一套裝置價格十分昂貴；其次，該裝置只能裝在庫內，工作人員要上車頂，還需要把機車調入庫內，這大大增加了調度作業量，降低了工作效率。所以，急需一種可以大量裝備，自動化程度高，操作簡單，安全準確的登頂作業保護裝置[3]。

本文設計了一套機車車頂高壓報警器，如圖1所示。該裝置克服了現有機車車頂高壓報警裝置的不足，能夠實時提示機車車頂高壓線的帶電狀態，并給出語音警示。同時，對產品內部電源管理系統進行了改進，使電池的使用壽命增長。

圖1 高壓安全報警器Fig.1 High voltage protection alarm system

1 報警器設計原理

1.1 高壓檢測原理

TAB1A型高壓安全報警器采用感應式傳感器，它具有結構簡單和絕緣安全可靠的優點，傳感器和顯示控制器的連接示意圖如圖2所示。

圖2 傳感器和報警顯示系統連接示意圖Fig.2 The diagram for sensor and alarm display system connection

感應式傳感器是一個靠近高壓帶電體的對地絕緣的感應電極，通過感應電極和高壓帶電體之間的雜散電容，耦合高壓帶電體上的交變電壓信號。通過電纜把這一信號傳送到顯示控制器進行放大和處理，最終實現高壓線有電報警。

感應式傳感器的等效電路如圖3所示。

圖3 傳感器等效電路圖Fig.3 Sensors equivalent circuit diagram

通常，感應電極與高壓帶電體之間的電容C1為幾微法量級，感應電流iC1在幾微安到幾十微安量級。根據圖2所示，報警顯示系統所獲得的電壓信號為uZ，它是C2∥C3∥Z與C1的分壓。感應電極從高壓帶電體上藕合的電流iC1將被3個支路分流，即

報警顯示系統所得到的電流信號為iZ。當

有

此時電纜參數對信號傳感將沒有顯著影響。因此，報警顯示系統輸入的電壓信號為

對該信號進行處理識別，可做出有電無電判斷。

1.2 報警顯示系統原理

報警顯示系統是TAB1A型高壓安全報警器的核心部分，報警顯示系統的信號處理功能好壞及完善程度會直接影響報警器性能的好壞。系統分為3個模塊，即信號處理模塊、語音警示模塊以及電池管理模塊，3個模塊通過MCU協調控制使其能實現所需功能。信號處理模塊實現信號的保護、濾波、放大和整形處理，使輸入信號以合適的幅度傳輸至MCU。語音告警模塊根據信號識別情況，由MCU提供語音命令，使其播放識別結果的語音。電池管理模塊用于給鋰電池充電提供有效管理，延長電池使用壽命。報警顯示系統的原理框圖如圖4所示。

圖4 報警器系統原理框圖Fig.4 Schematic diagram of alarm system

2 硬件的設計與實現

針對報警器功能需求，硬件上將系統分為3個模塊分別進行設計，即信號處理模塊、語音警示模塊以及電源管理模塊。

2.1 信號處理電路

該模塊通過天線接收鐵路網線高壓信號，經過四級處理后送入MCU的P3.5進行有電識別，四級電路分別是保護電路、濾波電路、放大電路和比較器電路。其中保護電路通過放電管和TVS管實現雷擊保護浪涌保護；濾波電路采用RC組成，能夠濾除信號中的紋波和諧波，提取純凈的穩壓信號；放大電路由運放組成同相比例放大電路，用于將信號放大至合適的強度；比較電路用于設定合適的閾值將有效穩壓信號轉換為一定占空比的矩形波信號，然后送至MCU進行識別。該模塊原理框圖如圖5所示。

圖5 信號檢測與處理模塊原理框圖Fig.5 Schematic diagram of signal detection and processing module

2.1.1 比例放大系數

在信號處理模塊中，比例放大電路采用同相比例放大，如圖6所示，第一個運放組成同相比例放大電路，其放大系數k由下式計算[4]：

設置可調電阻RP1是為了在調試過程中可以調整放大系數，由于RP1為0～50kΩ可調，故Uo1=2～12.64V可調。

圖6 比例放大和比較器電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of proportional amplifier and a comparator circuit

2.1.2 比較器電路閾值

圖6中右側運放組成了比較器電路，Uo2翻轉的輸入閾值電壓Uref由下式決定：

因RP2為0～50kΩ可調，則Uref為0.125～2.830V可調。

2.1.3 報警閾值確定

通過現場實測，鐵路本道網壓有電時，比例放大電路接收的輸入信號為交流有效值70mV以上，在本道無電旁道有電的情況下信號強度會小于20mV。故將報警閾值設為交流有效值36mV，因比例放大電路接收的輸入信號強度與電網電壓呈線性關系，設為現在的閾值即使網壓下降50%也能夠有效報警，同時能夠有效避免誤報警。

2.2 電源管理模塊

電源管理模塊用于實現鋰電池的充電管理，包括電源輸入控制模塊、保護模塊、電壓檢測和控制模塊、充電電路等。保護模塊對輸入電源中的干擾、浪涌等進行濾除；電源輸入控制模塊在上電時提供2s的電源供電時間，給DC/DC電源模塊和充電電路供電，用于電壓檢測和充電控制模塊檢測鋰電池電壓，并判斷是否進行充電。需要充電時，該模塊控制繼電器K2使電源輸入控制模塊保持接通輸入電源，并接通鋰電池充電，電源管理模塊的輸入電源為DC110V，鋰電池的額定電壓為7.4V。采用上述鋰電池充電管理方法和實現系統，能減少充電電路的通電時間，減少鋰電池的充電次數和避免鋰電池一直處于接近滿容量的狀態，延長鋰電池及其充電電路的使用壽命。該模塊的原理框圖如圖7所示。

圖7 電源管理模塊原理框圖Fig.7 Schematic diagram pf power management module

2.3 語音報警模塊

語音報警模塊由語音芯片電路和功率放大電路組成，其中語音芯片以串口方式接收MCU的語音播放控制信號，并將需要播放的語音信號通過DAC方式輸出至功放電路；功放電路由LM386及其外圍電路組成，使揚聲器達到足夠的輸出功率。該模塊的原理框圖如圖8所示。

圖8 電源管理模塊原理框圖Fig.8 Schematic diagram of power management module

2.4 微處理器單元

微處理器選用宏晶科技生產的STC11F04E。單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，速度是傳統8051的8～12倍。大容量1280字節SRAM內部集成高可靠復位電路，針對高速通信，智能控制，強干擾場合。定時器0、定時器1、串行口與傳統8051兼容，增加了獨立波特率發生器，省去了定時器2。微處理器指令執行速度全面提升，同時還具有電源檢測、內置系統ISP監控程序和硬件看門口電路，使系統更加可靠、抗干擾性和加密性更強[5]。該微處理單元可以很好地協調信號處理模塊、語音警示模塊以及電源管理模塊等的正常工作。微處理器單元結構框圖如圖9所示。

圖9 微處理器結構框圖Fig.9 Microprocessor structure diagram

3 軟件的設計

本測試系統軟件采用模塊化設計方式，主要包括語音提示模塊、自檢中斷模塊、高壓信號檢測模塊以及主程序模塊等[6]。

設計思想是當檢修人員需要登上機車車頂時，將車頂門向上推開，此時車頂門聯鎖開關將接通高壓安全報警器的電源，如果供電網線有電，報警器將重復發出“請注意！有電危險！”的報警聲并伴有燈光閃爍。若未檢測到網線有電，報警器會提示作業人員進行自檢，自檢通過后，報警器就對機車供電網線是否有電進行檢測，檢測過程中，如果供電網線有電，報警器將重復發出“請注意！有電危險！”的報警聲并伴有燈光閃爍。若未檢測到網線有電，則給出“無高壓，可以登頂作業”的提示。報警器的主程序流程如圖10所示。產品實物圖如圖11所示。

圖10 主程序流程圖Fig.10 The main program flow chart

圖11 產品實物圖Fig.11 Product picture

3.1 高壓信號檢測模塊

高壓信號采集采用定時（20μs）中斷方式實現，信號經過放大器放大1～11倍后輸入比較器與閾值比較。若在固定時間內檢測到大于某固定值的信號個數超過10個，則判定有高壓，語音和燈光報警同時報警。兩紅燈閃爍報警，語音提示將重復發出“請注意！有電危險！”提示有高壓。當大于閾值的信號個數小于等于10個，則判定為干擾信號，無高壓存在語音提示“無高壓，可以登頂作業”。

3.2 自檢中斷模塊

外部中斷采用下降沿引起中斷的方式，CPU在每個機器周期順序采樣每個中斷源，如查詢到某個中斷源的中斷標志為1，中斷系統通過硬件自動將相應的中斷矢量裝入PC，進入中斷服務程序。

4 試驗測試

4.1 天線信號強度測試試驗

本實驗于2011年4月6日在株洲南車電力機車廠進行機車環境測試，主要完成各車道機車牽引線對報警器的電磁信號影響測試、信號接收器與機車牽引線距離對電磁信號影響測試。測試高壓報警器接收到的電壓值的大小，進行報警閾值設計。主要測試數據如表1～2所示。

表1 各車道高壓牽引線電磁信號影響測試Table1 The electromagnetic signals impact tests of driveway high-voltage traction lines mV

表2 高壓牽引線與接收器距離對電磁信號影響測試Table2 The effect of the distance between high traction line and receiver on electromagnetic signals mV

4.2 溫度環境影響測試試驗

本測試目的主要是測量一定范圍內溫度對報警器閾值的影響情況。2011年4月28日在實驗室進行了高低溫試驗，同時測試了溫度驟變的影響。16:35進行零下40℃低溫試驗，17:05結束；17:10開始高溫試驗，17:25溫度達70℃，17:55結束高溫試驗。試驗數據如表3所示。

表3 低溫試驗(-40 ℃)Table3 Low temperature test (-40 ℃)

表4 高溫試驗(70 ℃)Table4 High temperature test (70 ℃)

上述結果表明，低溫零下40℃環境對閾值無影響、70℃高溫環境對閾值也無影響。即本產品在復雜溫度環境中運行狀態良好。

產品已經通過湖南省電子產品檢驗分析所的型式試驗，包括外觀檢查、性能試驗、振動和沖擊試驗、水密性試驗、電壓波動試驗等。

同時，在實驗室對產品做了大量試驗，驗證了系統的有效性和可靠性，主要包括：

1）天線信號強度測量，報警閾值與環境相關性試驗；2）電池充放電試驗，充電閾值試驗，過充保護試驗等；3）語音報警的聲音強度試驗，連續播放持續工作時間試驗等。

5 結語

本文介紹的高壓報警器系統具有良好的抗電磁干擾能力，整個系統結構簡單、成本低、安裝方便，具有推廣使用價值。目前，該系統已經裝車運行2年，性能穩定，經受了機車上的強電磁干擾、振動等惡劣環境考驗，為鐵路維修作業安全提供了可靠的安全輔助設施。

[1] 肖 寧. TAB1型機車高壓安全報警器的改進措施[J].企業技術開發，2009，28(12)：116. Xiao Ning. TAB1 Type Locomotive High-Voltage Safety Alarm Measures[J]. Technological Development of Enterprise，2009，28(12)：116.

[2] 趙 帥，朱昌平，張 佳，等.高壓電柜自動安全報警器裝置[J].工礦自動化，2006(3)：20-22. Zhao Shuai，Zhu Changping，Zhang Jia，et al. The Annunciator of Automation and Safety for High-Voltage Electric Tank[J]. Industry and Mine Automation，2006(3)：20-22.

[3] 雷曉娟，李勇智. 采用單片機技術的內電機車高壓報警器[J].機車電傳動，2009(3)：71-72. Lei Xiaojuan，Li Yongzhi. The Single Chip Microcomputer Technology of High Pressure Alarm of Electric Locomotive [J]. Electric Drive for Locomotives，2009(3)：71-72.

[4]康華光. 電子技術基礎：模擬部分[M]. 北京：高等教育出版社，2008：325-374. Kang Huaguang. Basic Electronic Technology：Simulated [M]. Beijing：Higher Education Press，2008：325-374.

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[6] 易吉良，黃曉峰，鄒豪杰，等. 一種機車車頂高壓報警裝置：中國，ZL201120526513.8[P]. 2012-08-22. Yi Jiliang，Huang Xiaofeng，Zou Haojie，et al. A Locomotive Roof Pressure Alarm Device：China，ZL201120526513.8[P]. 2012-08-22.

（責任編輯：申 劍）

Design and Implementation of High Voltage Protection Alarm System

Zhang Bao，Yi Jiliang，Tong Wenchao，Zhou Yaxing，Huang Linsen
（School of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou Hunan 412007, China）

For the safety of maintenance personnel of electric locomotive, a high voltage protection alarm system is designed based on STC11F04E microcontroller. The system consists of high voltage induction part, signal processing module, voice alarm module and power management module, etc. The system can detect the high voltage electric field of locomotive roof and convert it into voltage signal, and through the measurement of signal processing module, decides whether an alarm should be given. This system has been qualified through several testing authority and put into use.

locomotive；high voltage；alarm；microcontroller；voice

TM64

：A

：1673-9833(2014)01-0093-05

2013-10-23

湖南省自然科學株洲市聯合基金資助項目（12JJ9042），湖南工業大學研究生科研創新基金資助項目（CX1302），湖南工業大學科研基金資助項目（2011HZX07）

張 寶（1987-），男，安徽宿州人，湖南工業大學碩士生，主要研究方向為自動化集成技術與應用，

E-mail：Zhangbao361@126.com

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.01.019