通信线路故障的定位系统学士学位论文.docx
- 文档编号:15440154
- 上传时间:2023-07-04
- 格式:DOCX
- 页数:39
- 大小:836.63KB
通信线路故障的定位系统学士学位论文.docx
《通信线路故障的定位系统学士学位论文.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《通信线路故障的定位系统学士学位论文.docx(39页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
通信线路故障的定位系统学士学位论文
各专业完整优秀毕业论文设计图纸
通信线路故障定位系统
作者姓名:
学号:
指导教师:
摘要
本论文介绍了通信线路短路检测系统的设计和开发。
该系统使用方便,成本低,能较精确的实现检测功能。
论文详细介绍通信线路故障定位系统的组成,硬件系统和软件系统的开发过程。
给出了系统的框图、原理图,以及主要程序设计的流程图和程序源码。
在硬件方面重点分析了单片机与液晶模块的接口电路、检测电路、独立按键电路、发声电路以及单片机最小系统。
在软件方面重点分析了系统程序的执行流程、参数设置流程、数据滤波算法和按键扫描算法。
整个系统由电池供电,使用方便。
通过控制单元完成系统参数设置、导线测量等功能。
关键词:
短路检测,线路检测算法,单片机最小系统
Abstract
Thispaperdescribesthedesignanddevelopmentofcommunicationshortcircuitdetectionsystems.Thesystemiseasytouse,lowcost,toachieveaccuratecrossdetection.
Papersdetailingthedevelopmentprocesscommunicationslinefailuredetectionsystemcomposedofhardwareandsoftwaresystems.Ablockdiagramofthesystem,schematics,flowchartsandproceduresaswellasthemainprogramming.OnthehardwaresidefocusesonthemicrocontrollerandLCDmoduleinterfacecircuit,thedetectioncircuit,theindependentbuttoncircuit,voicecircuitandthesmallestsingle-chipsystems.Intermsofsoftwareanalyzestheimplementationprocessoftheprogram,parametersettingprocesses,datafilteringalgorithmandkeyscanningalgorithms.Thesystemconsistsofabattery-powered,easytouse.Bythecontrolunittocompletethesystemparametersetting,wiremeasurementfunction.
Keywords:
Short-circuitdetection,linedetectionalgorithm,smallestsystemofMCU
目录
目录1
第1章绪论3
1.1选题背景及意义3
1.2线路故障定位发展现状3
1.3主要设计内容及目标4
第2章系统结构及原理5
2.1系统结构5
2.2短路故障定位原理6
2.3断路故障确定原理7
第3章硬件系统设计8
3.1单片机最小系统设计8
3.1.1单片机选型8
3.1.2单片机最小系统9
3.2液晶显示电路设计11
3.2.112864液晶介绍11
3.2.212864液晶电路设计14
3.3测量电路设计14
3.4时钟电路设计16
3.5按键电路设计19
3.6声音提醒电路设计21
3.7供电电路设计22
第4章软件系统设计22
4.1软件总体流程23
4.2参数设置流程25
4.3线路检测算法27
4.4数据滤波算法29
4.5按键扫描算法30
第5章系统调试及实验结果及分析32
5.1单片机最小系统调试32
5.2液晶电路调试33
5.3时钟芯片DS1302调试33
5.4硬件实物图34
5.5实验结果分析36
第7章总结与展望38
致谢39
参考文献40
附录1电路原理图41
附录2系统部分子函数42
第1章绪论
1.1选题背景及意义
随着中国经济的发展,人们生活水平的提高,普通人对互联网的需求越来越多。
因此,互联网的普及程度越来越高,目前中国宽带产业全行业有线宽带用户1.56亿户。
虽然普及率不及发达国家,但是发展速度快。
互联网的已经融入了的人们的工作和生活。
其中ADSL是有线网络的主要接入方式,这就决定了通信线路需要大量的使用。
由于通信线路的本身性质,决定了通信线路在数据传输中不能过长,一般为2000米。
超过这个距离后会导致通信的不稳定。
大量的用户必然需要大量的通信电缆,因此通信线路的安全运行是人们方便生活和高效工作的重要保障。
1.2线路故障定位发展现状
人们对通信的要求依赖性越来越强,通信电缆线路事故必然会对人们产生重大的影响,所以当线路出现故障后能及时定位故障位置,快速解决故障是减小线路故障的影响的重要措施。
然而,目前在实际使用的通信线路故障定位设备有的精度很高,功能齐全,但是存在价格贵、体积大、使用不方便等缺点。
这种设备中很多功能在实际使用中很少用到,针对这种情况,本文设计了针对通信线路短路故障定位的系统。
该系统体积小,操作简单,价格低,能较高精度的实现短路故障的定位。
1.3主要设计内容及目标
本设计主要设计内容:
该系统基于电阻测量的原理,通过比例法计算出通信线路短路位置。
在系统设计时首先设计系统框图,确定实施方案。
然后使用AltiumDesigner软件设计原理图,由于系统并不复杂,所以这里不画PCB,直接使用万用板焊接元件。
原理图设计好以后开始选购元件,由于不使用PCB,在选购元件的时候都选用DIP封装的元件。
再次焊接电路,做硬件调试。
硬件部分没有问题后开始设计系统的软件。
在软件设计的时候,使用keil4单片机开发环境。
最后联合调试,完成整个系统的设计任务。
设计要实现的目标:
1、实现测量短路故障位置的基本功能呢。
2、具有时钟显示功能。
3、可以设置时间和线路总长度。
4、具有声音提示功能。
5、液晶背光可控,不需要的时候可以关闭,节省电能。
6、使用电池供电,方便使用。
第2章系统结构及原理
2.1系统结构
系统设计的第一步就是要设计系统的构架,一个好的构架可以为下一步的工作打下良好的基础。
图2.1.1系统结构图
由系统结构图可以看出系统分为七个部分,其中供电单元为整个系统提供电能;显示单元和独立按键单元属于人机交互的部分,系统通过显示单元显示数据,操作人员通过独立按键设置系统参数;发声单元也是人机交互的一部分,通过声音提示信息;时钟单元是为系统提供实时时钟信号的,同时系统可以对其进行设置;测量单元是系统的关键部分,提供待测线路的接口,并将数据输入系统控制单元;系统控制单元是整个系统的核心,负责其他单元的协调控制与数据交换的工作。
以上就是整个系统的组成,以及各个部分的作用。
2.2短路故障定位原理
通信线路的一般每千米的环阻为132欧姆到472欧姆。
同时通信线路一般最长距离不会超过2千米,超过2千米以后不能完成通信功能。
如果距离过短,线路的电阻会很小,不易测量,所以设计了以下方法,兼顾长距离和短距离通信线。
电路的测量原理如下所示:
图2.2.1测量原理
V1,V2,V3分别表示电压;R1,R2分别为待测的线路总电阻和短路电阻。
计算方法如下:
........................................................
(1)
........................................................
(2)
由
(1)和
(2)左右两边同除可得:
................................(3)
由(3)可得:
.................................(4)
电阻比求出以后长度比就可以求出,总长度已知,因此可以求出短路长度。
2.3断路故障确定原理
断路故障的确定可以根据图2.2.1进行分析。
假设R1电阻出现断路,可以等效为电阻R1此时的电阻无穷大。
当电阻R1阻值为无穷大时,电压V2=V1,由式(4)可以知道,此时R2/R1结果为0,所以最终结果为0。
如果线路中出现结果为零时可以判断出线路存在短路故障,或者是操作者没有将线路接入测试仪器中。
如果线路接入测试仪器,但是结果为0,说明线路存在断路故障。
确定线路存在断路故障后同样使用2.2节的原理定位断路故障。
因为导线断路后电阻会变的很大,此时必须将电压V1提高,同样电阻R也要提高,在设备上通过按键切换测量模式。
这样通过2.2节的原理即可定位断路故障的位置。
第3章硬件系统设计
硬件系统包括:
单片机最小系统、液晶显示电路、测量电路、时钟电路、按键电路、声音提示电路、供电电路。
以下分别具体说明各个单元的实现过程及原理。
3.1单片机最小系统设计
单片机最小系统是整个系统的控制核心,从单片机的选型到最小系统的电路设计都要从保证系统稳定性和经济实用的角度出发。
选择高性能、低成本的单片机作为系统的主控芯片,最小系统的设计要选择成熟稳定的电路作为参考。
一下从单片机选型和最小系统设计分别描述。
3.1.1单片机选型
单片机是系统的控制核心,该系统采用STC12C5A60S2单片机,STC12C5A60S2单片机中包含中央处理器(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时/计数器、UART串口、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。
该单片机几乎包含了系统所需要的单元模块,可称得上一个片上系统。
以下具体说明该单片机的特点:
增强型8051CPU,1T,单时钟/机器周期,指令代码完全兼容传统8051,降低开发难度。
工作电压:
5.5V-3.5V,电压范围宽,可以使用电池供电。
工作频率范围:
0~35MHz,相当于普通8051的0~420MHz,速度快。
用户应用程序空间为60K字节,满足以后系统升级的需要。
片上集成1280字节RAM,为程序设计提供大容量RAM。
通用I/O口36个,复位后为准双向口/弱上拉(与普通51相同)。
可设置成四种模式:
准双向口/弱上拉,强推挽/强上拉,仅为输入/高阻,开漏,每个I/O口驱动能力均可以达到20mA,但整个芯片最大不要超过120mA。
I/O口的这种特点可以满足系统设计的需求,根据I/O口的不同用处选择不同的模式。
ISP(在系统可编程),无需专用编程器,可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序,数秒即可完成程序烧写。
这样就可以省去专用编程器,降低开发成本。
看门狗,单片机内部集成硬件看门狗,当单片机程序跑飞后可以实现单片机复位,提高系统的稳定性。
内部集成MAX810专用复位电路。
A/D转换,10位精度ADC,共8路,转换速度可达250K/s(每秒钟25万次),满足系统设计的要求。
工作温度范围:
-40~+85℃(工业级)/0~75℃(商业级),在系统中使用工业级芯片,满足不同工作条件下的使用要求。
3.1.2单片机最小系统
单片机最小系统的设计包括复位电路的设计,时钟电路的设计以及外围扩展等等。
单片机最小系统如下图所示:
图3.1.2.1单片机最小系统原理图
由上图可以看出单片机最小系统包括复位电路、振荡电路、滤波电路。
首先分析复位电路,系统上电后电容C4开始充电,此时单片机RST端口是高电位状态。
当RST处于高电平的时候单片机处于复位状态,随着电容充电的完成,回路中的电流越来越小,电容C4处于开路状态,此时RST端口变成低电平,单片机完成复位。
如果单片机正在正常运行,这时通过按键S6也可以使单片机复位。
按下按键S6后,电容C4开始放电,松开按键以后电容重新充电,与上面的过程一样,完成单片机复位的功能。
再次分析时钟电路,STC12C5A60S2单片机有两个时钟源:
内部R/C振荡时钟和外部晶体时钟。
芯片内部的R/C振荡器在5V单片机常温下频率是11MHz-17MHz,内部R/C振荡器的频率会有一些温飘,再加上制造误差,故内部R/C振荡器只适用于对时钟频率要求不敏感的场合。
在该系统的设计中使用了时钟芯片和液晶,单片机的控制需要满足一定的时序,才能完成对芯片和液晶的操作,所以需要的时钟比较精确。
我们使用外部晶体时钟,为系统提供较高的时钟信号。
在这里选择12MHz晶振,电容C5,C6为晶振电容,这两个电容叫做晶振的负载电容分别接在晶振的两个脚上和对地端。
它会影响到晶振的谐振频率和输出幅度,根据单片机的数据手册选择30p的瓷片电容。
最后分析滤波电路,此处的滤波电路比较简单,在单片机的VCC端和GND端并联上一个0.1uF的电容作为滤波电容C1。
这样如果电源中有高频干扰就会通过滤波电容流入GND,起到滤波的作用,减小高频干扰对单片机的影响。
3.2液晶显示电路设计
显示部分是人机交互的重要组成部分,系统所有的参数都要通过显示部分显示出来,系统各个参数的范围也要通过显示单元进行设置,显示单元是人与系统进行交流的桥梁,所以显示单元的重要性不言而喻。
在设计系统的过程中显示单元如何设计至关重要。
从系统的运行环境及系统成本上考虑,选择带中文字库的12864液晶比较合适,该液晶价格低运行稳定,便于开发。
3.2.112864液晶介绍
12864的特点描述如下:
12864液晶显示模块是128×64点阵地汉字图形型液晶模块,可显示汉字及图形,内置8192个中文汉字、128个字符及64×256点阵显示RAM。
可与CPU直接接口,具有多种功能:
光标显示、画面移位、睡眠模式等。
表3.2.1.1引脚说明
引脚
名称
方向
说明
1
VSS
-
GND(0V)
2
VDD
-
SupplyVoltageForLogic(+5V)
3
VO
-
SupplyVoltageForLCD(悬空)
4
RS
O
H:
DataL:
InstructionCode
5
R/W
O
H:
ReadL:
Write
6
E
O
EnableSignal
7
DB0
I
数据0
8
DB1
I
数据1
9
DB2
I
数据2
10
DB3
I
数据3
11
DB4
I
数据4
12
DB5
I
数据5
13
DB6
I
数据6
14
DB7
I
数据7
15
PSB
O
H:
ParallelModeL:
SerialMode
16
NC
空脚
17
/RST
O
ResetSignal低电平有效
18
NC
空脚
19
LEDA
背光源正极(LED+5V)
20
LEDK
背光源负极(LED0V)
图3.2.1.112864写时序图
图3.2.1.212864读时序图
在显示单元设计时选择并行数据传输方式,将液晶所用引脚全部引出,只需将液晶插入相应接口即可。
3.2.212864液晶电路设计
图3.2.2.1液晶接口电路
由图可知D0-D7为液晶的数据接口,数据传输采用并行方式,RS、RW、EN和RST分别为液晶控制引脚,通过对单片机I/O口操作,实现对12864的控制。
Q1三极管用来控制液晶的背光,LG为高电平的时候液晶背光关闭,LG为低电平的时候液晶背光打开。
精密可调电阻R4用来调整液晶字符显示对比度。
电阻R2为上拉电阻,选择液晶为并行传输方式。
3.3测量电路设计
由前面的分析可知,系统使用电阻分压的方法测量导线电阻。
图3.3.1通信线路环阻
由上表可以看出通信线路环阻的最小值为131.6Ω/km,最大值为472Ω/km,同时通信线路在传输数据的时候最远距离不能超过2km,所以需要测量的电阻范围的最大值为263.2Ω-944Ω,考虑到线路距离比较短的时候电阻会很小,为了兼顾长距离和短距离的线路都能被精确检测,分压电阻选择50Ω。
具体电路如下图所示:
图3.3.2测量电路原理图
上图中P3为外部导线接口,1端和2端接总线路,3端和2端接短路部分线路,R8和R14两个100Ω电阻并联,这样相当于串联电阻为50Ω,R13和R15同理。
测量电路不需要实时供电,通过三极管Q3控制打开和关闭测量电路供电。
当需要供电的时候,单片机I/O给CON_REF低电平,这时三极管导通,给测量电路供电,数据采集完成以后单片机I/O给CON_REF高电平,三极管截止。
这样就能保证在不测量的时候停止对测量电路供电,同时防止测量导线过短,长时间通电导致电阻发热的问题。
ADV1、ADV2和ADV3分别为单片机AD采集电压端口,采集以后的数据处理在软件部分详细描述。
3.4时钟电路设计
系统中设计时钟电路是为了检测时候方便工作人员记录检测结果,时间作为一个参考必不可少。
在时钟电路设计中选用DS1302芯片作为时钟芯片,DS1302具有以下特点:
时钟计数功能,可以对秒、分钟、小时、月、星期、年的计数。
年计数可达到2100年。
有31*8位的额外数据暂存寄存器最少I/O引脚传输,通过三引脚控制工作电压:
2.0-5.5V工作电流小于320纳安(2.0V)读写时钟寄存器或内部RAM(31*8位的额外数据暂存寄存)可以采用单字节模式和突发模式。
8-pinDIP封装或8-pinSOICs。
兼容TTL(5.0V)。
可选的工业级别,工作温度-40–85摄氏度。
兼容DS1202较DS1202增加的功能:
1.可通过Vcc1进行涓流充电。
2.双重电源补给。
3.备用电源可采用电池或者超级电容(0.1F以上),可以用老式电脑主板上的3.6V充电电池。
如果断电时间较短(几小时或几天)时,就可以用漏电较小的普通电解电容器代替。
100μF就可以保证1小时的正常走时。
DS1302在第一次加电后,必须进行初始化操作。
初始化后就可以按正常方法调整时间。
工作过程:
图3.4.1DS1302结构
主要工作原理图如图3.4.1所示:
移位寄存器,控制逻辑,晶振,时钟和RAM。
在进行任何数据传输时,必须被制高电平(注意虽然将它置为高电平,内部时钟还是在晶振作用下走时的,此时,允许外部读写数据),在每个SCLK上升沿时数据被输入,下降沿时数据被输出,一次只能读写一位,适度还是写需要通过串行输入控制指令来实现(也是一个字节),通过8个脉冲便可读取一个字节从而实现串行输入与输出。
最初通过8个时钟周期载入控制字节到移位寄存器。
如果控制指令选择的是单字节模式,连续的8个时钟脉冲可以进行8位数据的写和8位数据的读操作,SCLK时钟的上升沿时,数据被写入DS1302,SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据。
8个脉冲便可读写一个字节。
在突发模式,通过连续的脉冲一次性读写完7个字节的时钟/日历寄存器(注意时钟/日历寄存器要读写完),也可以一次性读写8~328位RAM数据(可按实际情况读写一定数量的位,不必全部读写,两者的区别)。
控制指令:
图3.4.2DS1302控制时序
控制指令(8位)如图3.4.2所示:
每个字节的传输是有控制字节指定的,控制字节的最高位Bit7必须是‘1’,如果是‘0’,写入将被禁止,因此我们如果将这位置一,可以禁止写入。
bit6为‘0’则指定对时钟/日历寄存器控制读写操作,为‘1’则为RAM区数据的控制读写操作,bir1~bit5指定相关寄存器待进行输入输出操作,最低位bit0指定是输入还是输出,为‘0’则为输入,相反则输入有效,输入输出根据脉冲的上升沿和下降沿串行进行(前面已经提到)。
DS1302电路设计如下图所示:
图3.4.3时钟电路原理图
P5为DS1302时钟芯片的备用电源接口,在作品中使用1220纽扣电池作为备用电源。
DS1302的1引脚是接主电源的,在1引脚和GND之间接入0.1uF电容,滤除高频干扰。
芯片的5、6、7引脚分别为芯片的控制引脚和数据传输引脚,通过单片机控制,实现数据的读出和写入。
芯片的2、3引脚接入32768Hz的晶振,为芯片提供振荡脉冲。
3.5按键电路设计
键盘是系统不可缺少的输入部分,是实现人机对话的纽带。
按其结构形式,键盘可以分为非编码键盘和编码键盘,前者用软件方法产生键码,而后者则用硬件方法产生键码。
在单片机中使用的大部分都是非编码键盘,因为非编码键盘结构简单成本低廉。
按键形式有独立式和矩阵式两种。
在该系统中选用独立式。
独立式按键每个按键各接一根输入线,每根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。
因此,通过检测输入线的电平状态可以很容易的判断哪个按键按下。
按键在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动,抖动时间的长短由按键的机械特性决定,一般为5-10ms。
按键稳定闭合期的长短,则有操作人员的按键动作所决定,一般为十分之几秒到几秒。
按键的闭合与否,反映在电压上就是呈现出高电平或低电平,通过电平高低的检测,可以确定按键按下与否。
为了确保CPU对一次按键动作值只确认一次,必须消除抖动的影响。
图3.5.1按键抖动信号
通常有硬件、软件两种消除抖动的方法,本系统中采用软件消除抖动的方法。
若CPU检测到有按键按下时,先执行一段延时程序后再检测此按键,若仍为按下状态,则CPU认为该按键确实按下。
这样就消除了抖动的影响。
电路如图17所示:
图3.5.2独立按键原理图
按键没有按下的时候K1,K2,K3和K4端都是高电平,如果其中一个按键按下怎对应的端口就变成低电平,单片机扫描到对应的IO口为低电平后就知道该按键按下。
按键从左到右依次分别为S2、S3、S4、S5,定义为“设置”,“加1”,“减1”,“确定”。
“设置”按键用来设置线路长度参数和时间参数。
“加1”和“减1”按键用来调整要设置的参数。
当设置参数确定后通过“确定”按键退出设置模式。
在测量状态下,“加1”和“减1”按键可以打开和关闭液晶的背光。
如果要测量的导线接好以后通过按下“确定”按键完成检测。
3.6声音提醒电路设计
当测量完成的时候需要声音的提示,所以在这里选择有源蜂鸣器作为发声源。
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器,采用直流电压供电,广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。
蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
1、压电式蜂鸣器:
压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。
多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。
当接通电源后(1.5~15V直流工作电压),多谐振荡器起振,输出1.5~2.5kHZ的音频信号,阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。
在陶瓷片的两面镀上银电极,经极化和老化处理后,再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。
2、电磁式蜂鸣器:
电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。
接通电源后,振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈,使电磁线圈产生磁场。
振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下,周期性地振
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 通信线路 故障 定位 系统 学士学位 论文