基于SOC的电力线路杆塔倾斜传感器_资讯

摘要：针对测量电力线路杆塔倾斜角的问题，以 SCA100T高精度双轴传感器为基础，采用80C51单片机为控制器，光纤为传输载体。设计了一款低成本易实现的杆塔倾角测量系统，该系统可以采集到杆塔实时倾斜角度，并通过光纤传送到地面基站，使线路养护人员能够随时观察到线路的运行状况以及杆塔的受力情况。
　　关键词：单片机;SCA100T;倾斜角;电力杆塔
　　1引言
　　近年来随着国家电网的逐渐完善，有些建设在高海拔、高湿度区域的电路线路因为气候原因导致输电线路不同程度的覆冰，其常常造成导线断线、杆塔倒塌等事故，给国家和社会造成了巨大的经济损失。特别是倒塔引发的电力线路事故损失尤为惨重，且维修时间长，给当地的生产生活都带来了极大的影响。因此开发出一种能够实时监测杆塔状态的传感器是十分有意义的。现有输电线路在线监测方法主要有气象法、线路称重法、导线温度倾角法和视频图像监控器法，以上方法中被广泛认可的主要是的是线路称重法和导线温度倾斜法，但这些方法主要的弊病是必须将传感器连接在线路绝缘子端，这样做势必会改变原有线路的设计，在实施过程中要对线路重新挂载和紧线，这样不利于实现已有线路的监控。
　　鉴于现有监控手段的多种弊病，能够直接对线路杆塔的倾斜角做监控是最简单、对线路改变最小、最容易推广的
　　2整体设计
因为现有电力线路基本都包含OPGW(光纤复合架空地线)或者ADSS(全介质自承式光缆)，所以采用现有线路的光纤做为数据传输介质是最合适的，传感器端系统采用80C51单片机控制SCA100T倾角传感器实时检测杆塔的倾角变化，将传感器输出的数字量进行通过电光转换成光信号，再通过线路内的光线传送到地面基站监控室内，而后在通过光电转换为成数字信号，客户可以通过PC机读取转换器转换后的数字信号，便可以知道杆塔的倾斜情况从而实现线路监控。系统结构如：图 1

图 1

　　整个系统可以设计成两种模式，一种是直接在客户端提供倾斜角度数据，另一种将SOC通信报文提供给客户，由客户将其做为集成系统的一部分。
　　3倾斜角传感器选择
　　SCA100T是芬兰VTI公司利用微电子技术开发并推出的加速度传感器，器件内部包含了一个敏感电容传感器和一个ASIC专用集成电路、A/D转换器、信号放大器、温度传感器和SPI串行通信接口，该传感器的集成程度较高，可以节省大量的外围电路设计，SPI串行通信借口也方便了上位机对其读写的操作。在功能上SCA100T双轴倾角传感器具有内部温度测量以及补偿功能，而且具备自检功能，输出范围在±30°。工作原理是利用测量中加速度的分量，当传感器静止时，即没有水平或垂直方向的加速度时，重力加速度方向和传感器灵敏度轴的夹角就是倾斜角。该传感器是一种极距变化型电容式传感器，根据所受重力的大小而改变其电容两极板之间的距离，从而改变其电容大小，最终引输出电压的变化。其角度计算方法为：

Ax=g×sinα→α=arcsin（Ax/g） ——公式（1）

　　其中，Ax表示水平轴测出的加速度值，α为水平轴倾角，g表示重力加速度。

4.SOC设计

　　考虑到生产成本以及系统功耗，采用80C51做为SOC核心。SOC的主要功能就是：1)获取SCA100T的测量数据;2)通过采集到的数据计算出杆塔的倾斜角;3)将计算出的数据通过RS232传送到光电转换器中。在与SCA100T的通信是采用了SPI接口，但由于80C51不具备SPI功能，因此需要在软件上做出模拟SPI协议。
　　SPI( ( Serial Peripheral Interface ) 串行外设接口) 是摩托罗拉公司推出的一种同步串行通讯接口,用于微处理器P微控制器和外围扩展芯片之间的串行连接, 现已发展成为一种工业标准。SPI总线一共有四条I/O线，分别是SCK(串行时钟线)、CSB(从机选择，即使能线)、MOSI(信号输入端)、MISO(信号输出端)。信号传输时序图如图

　　图4 SPI数据读取时序图

　　图5 SCA100T 信号读取指令图6 接线图

#define Low 0;                          //定义低电平
#define High 1;                         //定义高电平
#define READX 010;                     //SCA100T 读取X轴传感器指令
#define READY 011;                     //SCA100T 读取Y轴传感器指令
sbit SCK P1^0;                          //定义管脚地址
sbit CSB P1^3;
sbit MOSI P1^1;
sbit MISO P1^2;
void Delay(uchar T)                      //CLOCK延迟
{
int i;
for(i=0;i

　　在传感器数据采集过程中，当CSB引脚为低电平时有效，允许数据传输。其数据的传输格式是高位( MSB) 在前, 低位( LSB) 在后。MISO线上的数据在SCK时钟线下降沿传输，MOSI线上的数据在时钟线上升沿传输。单片机首先通过MOSI线向传感器发送组数据读取指令，传感器在接收到读取命令后，根据接收到的数据请求指令开始发送数据。根据图(5)可知数据读取命令为8位指令，应答的数据为11位数据。其中MEAS为测量模式、RWRT为读写温度数据寄存器、RDSR为读取状态寄存器、STX为激活X自测通道、STY为集活Y自测通道、RDAX为读取X通道加速度、RDAY为读取Y通道加速度。因此在该项目当中，单片机主要向SCA100T发送010和011指令即可获得所需的数据。经过公式(1)即可算出倾斜角度。　　5 数据信号转换
　　项目中的传感器主要安装在野外电力传输线路上，因此数据传输是着重考虑的问题点，因为系统主要靠太阳能蓄电池采集能源，而且系统距离基站的距离非常远(有十几甚至上百公里)因此靠沿途数字信号放大其成本和稳定性都不合适，因此我们主要考虑通过光电转换将数字信号转换为光信号再借助现有线路中的光纤做为传输载体，这个方案无论在可行性和成本节约以及稳定性上都是最好的。本项目中实现光电信号转换主要是通过采购现有的光电转换模块后再通过RS232端口直接将数字信号转换成光信号。

　　图7 光电转换模块图8 技术指标

　　RS232为工业中最常见的串口数据传输接口，是美国电子工业协会制定的，如今在嵌入式系统和PC机上被广泛的采用，在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。项目中SOC就集成了由美信公司提供的MAX232芯片，通过对MAX232芯片的操作实现串口通信。该通信方法十分普及、常见因此本文不再赘述。
　　6结论
　　近年来国家十二五规划中就提出了智能电网的概念，通过现有的高技术手段保障我国输电线路网络能够长期稳定的运行是直接关系到国家和百姓利益的重点项目，因此通过基于加速度传感器的杆塔倾斜装置无疑是能够对输电线路运行状况起到很好的检测和保护作用，不仅大大节省了人力成本同时也能够很好的防微杜渐，通过数据杆塔倾斜数据提前做好防灾、减灾准备。
　　参考文献
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