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摘要：介紹一種單片機型水位測量裝置的原理和設計方案及抗感應雷電措施。

關鍵詞：抗感應雷電單片計算機水位測量裝置

1前言

我國南方各省水力資源豐富，有較多的中小型水電廠。壩頭水位測量裝置是各個水電廠不可缺少的裝置之一，其基本要求是準確、可靠。但我國的南方各省屬多雷區(qū)，現(xiàn)行的水位測量裝置由于抗感應雷電沖擊能力普遍較差，在雷雨季節(jié)常無法正常工作，甚至由于雷擊而損壞。本文介紹的水位測量裝置主要是以AT89C51單片機為核心，由它來完成控制及顯示功能；另外考慮到在數(shù)據(jù)傳輸線和電源線上易受到感應雷電的沖擊，對此設計了較為可行的防雷保護措施。

2裝置的硬件部分

裝置的硬件框圖如圖1所示。包括遠端和主機端兩部分：遠端由傳感器及放大變送電路組成，主機端包括了顯示、告警、參數(shù)設定、復位及看門狗等電路。工作時，被測水位由壓阻式傳感器轉換成微弱的電壓信號，經(jīng)差分放大及變送芯片XTRl05轉換成4-20mA的電流信號后，經(jīng)雙絞線遠距離傳送到主機端，主機端通過一只100歐姆電阻將4-20mA電流轉換成0.4-2V的電壓信號，再由雙積分型A／D轉換器ICL7135將它轉換成數(shù)字信號，經(jīng)單片機AT89C51進行處理及標度變換后得到實際的水位信號。

放大及變送電路采用XTRl05專用放大及變送電路芯片，它能將壓阻型傳感器輸出的毫伏級電壓信號轉換成4-20mA的電流輸出。該芯片是包含有精密儀用放大器在內的二線制4～20mA變送器，是用輸入電壓控制輸出電流的一種集成電路。由于輸出是電流信號，所以可遠距離傳送，二線制方式使得該電路的電源可由主機端提供，免除了由遠端直接提供電源帶來的麻煩。A／D轉換電路選用ICL7135芯片，它是專用的41／2位的雙積分型數(shù)字電壓表電路單片A／D轉換器，具有精度高、抗干擾性能強、價格低廉等優(yōu)點。

看門狗及復位電路采用的是X25045芯片。該芯片將上電復位、看門狗定時器、電壓監(jiān)控和E2PROM組合在單個封裝之內。這種組合降低了系統(tǒng)成本并減少了對電路板空間的要求。其E2PROM可用于存放水位的標度系數(shù)、修正系數(shù)、告警上、下限值及海拔高程等數(shù)據(jù)。設置了4個按鍵用于參數(shù)顯示和選擇及參數(shù)的設定。

采用單片機內部串行接口工作方式來實現(xiàn)靜態(tài)顯示，外接6片74Lsl64移位寄存器驅動LED數(shù)碼管，顯示內容由“顯示”按鍵選擇。

當水位越上、下限值時，主機端面板上相應LED指示燈點亮，同時相應的告警繼電器動作，該繼電器輸出觸點可引至主控室用于聲光報警。

3軟件部分

軟件框圖如圖2所示

4防雷措施

由于電子設備的絕緣強度低，過電壓和過電流耐受能力差，在遭雷電危害之后容易造成工作失靈，或永久性損壞。而數(shù)據(jù)傳輸線以及電源線易受到感應雷電的沖擊，對此分別采用了較為可行的雷電防護措施。

(1)傳輸線的雷電防護電路

對傳輸線采用了暫態(tài)來波防護器，它集箝位、限流、高能泄放功能于一體，如圖3所示。將它串聯(lián)在4～20mA的遠距離電流傳輸線上。它是由SR金屬陶瓷氣體放電管、LR電感線圈、。MOVS壓敏器件及TVS瞬變電壓抑制器組成的三級暫態(tài)來波防護電路。

當雷電波沿線侵入防護器時，由于TVS、MOVS、SR的響應時間不同，分別為ps級(1×10-18S、ns級(1×10-9s)、us級(1×10-6s)。波峰到來之前，LR電感限流模塊進行動作，呈現(xiàn)高阻態(tài)，吸收雷電波中的大部分能量。由于TVS響應最快，擊穿電壓最低，首先導通泄放能量，保護數(shù)據(jù)線路，TVS瞬時脈沖電流可達數(shù)十安到數(shù)百安，同時TVS還具有箝位功能，將電壓限制在允許的范圍內；隨著波峰推進，MOVS導通放電泄流，通流量可達數(shù)百到數(shù)千安培，SR金屬陶瓷氣體放電管沖擊擊穿電壓高，最后導通并產生弧光放電，耐沖擊電流可達數(shù)千安以上。在導通和放電過程中，SR、MOVS和TVS端電壓保持恒定。當雷電波過去后，SR、MOVS和TVS依次恢復為高阻態(tài)，數(shù)據(jù)線路自動恢復傳輸數(shù)據(jù)。

(2)電源線的防護電路

為了消除電源進線路上入侵的雷電波，我們在電源模塊輸入端增加了雙極性TVS瞬變電壓抑制器。

5結束語

該測量裝置已在省內的幾個中小型水電廠中投入運行。結果表明：該裝置運行穩(wěn)定，測量準確，抗感應雷電能力強。

參考文獻

l楊振江編著．新型集成電路使用指南及其典型應用．西安：西安電子科技大學出版社。1990,01．

2涂時亮，張友德編著．單片微機控制技術．上海：復旦大學出版社，1994，11．