抗感应雷电冲击的水位测量装置

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    摘要： 介绍一种单片机型水位测量装置的原理和设计方案及抗感应雷电措施。

     关键词： 抗感应雷电 单片计算机 水位测量装置

     1前言

     我国南方各省水力资源丰富，有较多的中小型水电厂。坝头水位测量装置是各个水电厂不可缺少的装置之一，其基本要求是准确、可靠。但我国的南方各省属多雷区，现行的水位测量装置由于抗感应雷电冲击能力普遍较差，在雷雨季节常无法正常工作，甚至由于雷击而损坏。本文介绍的水位测量装置主要是以AT89C51单片机为核心，由它来完成控制及显示功能；另外考虑到在数据传输线和电源线上易受到感应雷电的冲击，对此设计了较为可行的防雷保护措施。

     2 装置的硬件部分

     装置的硬件框图如图1所示。包括远端和主机端两部分：远端由传感器及放大变送电路组成，主机端包括了显示、告警、参数设定、复位及看门狗等电路。工作时，被测水位由压阻式传感器转换成微弱的电压信号，经差分放大及变送芯片XTRl05转换成4-20mA的电流信号后，经双绞线远距离传送到主机端，主机端通过一只100欧姆电阻将4-20mA电流转换成0.4-2V的电压信号，再由双积分型A／D转换器ICL7135将它转换成数字信号，经单片机AT89C51进行处理及标度变换后得到实际的水位信号。

    放大及变送电路采用XTRl05专用放大及变送电路芯片，它能将压阻型传感器输出的毫伏级电压信号转换成4-20mA的电流输出。该芯片是包含有精密仪用放大器在内的二线制4～20mA变送器，是用输入电压控制输出电流的一种集成电路。由于输出是电流信号，所以可远距离传送，二线制方式使得该电路的电源可由主机端提供，免除了由远端直接提供电源带来的麻烦。A／D转换电路选用ICL7135芯片，它是专用的4 1／2位的双积分型数字电压表电路单片A／D转换器，具有精度高、抗干扰性能强、价格低廉等优点。

     看门狗及复位电路采用的是X25045芯片。该芯片将上电复位、看门狗定时器、电压监控和E2PROM组合在单个封装之内。这种组合降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求。其E2PROM可用于存放水位的标度系数、修正系数、告警上、下限值及海拔高程等数据。设置了4个按键用于参数显示和选择及参数的设定。

     采用单片机内部串行接口工作方式来实现静态显示，外接6片74Lsl64移位寄存器驱动LED数码管，显示内容由“显示”按键选择。

     当水位越上、下限值时，主机端面板上相应LED指示灯点亮，同时相应的告警继电器动作，该继电器输出触点可引至主控室用于声光报警。

     3 软件部分

     软件框图如图2所示

    4 防雷措施

     由于电子设备的绝缘强度低，过电压和过电流耐受能力差，在遭雷电危害之后容易造成工作失灵，或永久性损坏。而数据传输线以及电源线易受到感应雷电的冲击，对此分别采用了较为可行的雷电防护措施。

     (1) 传输线的雷电防护电路

     对传输线采用了暂态来波防护器，它集箝位、限流、 高能泄放功能于一体，如图3所示。将它串联在4～20mA的远距离电流传输线上。它是由SR金属陶瓷气体放电管、LR电感线圈、。MOVS压敏器件及TVS瞬变电压抑制器组成的三级暂态来波防护电路。

    当雷电波沿线侵入防护器时，由于TVS、MOVS、SR的响应时间不同，分别为ps级(1×10-18S、ns级(1×10-9s)、us级(1×10-6s)。波峰到来之前，LR电感限流模块进行动作，呈现高阻态，吸收雷电波中的大部分能量。由于TVS响应最快，击穿电压最低，首先导通泄放能量，保护数据线路，TVS瞬时脉冲电流可达数十安到数百安，同时TVS还具有箝位功能，将电压限制在允许的范围内；随着波峰推进，MOVS导通放电泄流，通流量可达数百到数千安培，SR金属陶瓷气体放电管冲击击穿电压高，最后导通并产生弧光放电，耐冲击电流可达数千安以上。在导通和放电过程中，SR、MOVS和TVS端电压保持恒定。当雷电波过去后，SR、MOVS和TVS依次恢复为高阻态，数据线路自动恢复传输数据。

     (2)电源线的防护电路

     为了消除电源进线路上入侵的雷电波，我们在电源模块输入端增加了双极性TVS瞬变电压抑制器。

     5 结束语

     该测量装置已在省内的几个中小型水电厂中投入运行。结果表明：该装置运行稳定，测量准确，抗感应雷电能力强。

     参考文献

     l杨振江编著．新型集成电路使用指南及其典型应用．西安：西安电子科技大学出版社。1990,01．

     2 涂时亮，张友德编著．单片微机控制技术．上海：复旦大学出版社，1994，11．

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