基于通信電纜電氣性能測試的設(shè)計

目錄TOC\o"1-3"\h\u第一章緒論 緒論1.1課題的背及意義隨著科學技術(shù)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，信息技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用也越來越重要。特別是在民用、工業(yè)生產(chǎn)制造、能量傳輸、電力行業(yè)鄰域中吳出不在，建筑及工廠內(nèi)部的供電以及通信線路，現(xiàn)階段采用最多的還是電纜的形式。無線傳輸技術(shù)還未能夠由成熟的發(fā)展前，電纜必將持續(xù)會大規(guī)模的應(yīng)用，就需要對電纜的應(yīng)用前做一些電氣性能測試，投入應(yīng)用的電纜也需要定期的做檢測和維護，這勢必對電纜的測試和運行維護提出更高的要求，因為電纜的定期測試與維護是保障設(shè)備正常工作的基礎(chǔ)。如圖1.1所示，是現(xiàn)在常用的電纜測試設(shè)備，萬用表和搖表。圖1.1電纜測試設(shè)備萬用表與搖表電纜在出廠安裝之前需要根據(jù)設(shè)計說明進行檢查，主要檢查其電阻特性、絕緣特性、抗電特性等。其次這些電纜由于使用、維護不當可能出現(xiàn)短路、斷路、或者隨著工作年限的增加也會出現(xiàn)性能退化、接觸不良的情況，其結(jié)果可能導(dǎo)致信息傳輸?shù)闹袛嗌踔量赡茉斐烧麄€系統(tǒng)的奔潰，所以必須對這些電纜進行定期的檢查與維護。那么如何測試電纜性能的好壞，如何迅速的找出問題，如何快速的進行故障定位，就顯得越來越重要了。通信電纜是指用于近距離音頻通信和遠距離高頻載波數(shù)字通信及信號傳輸?shù)碾娎|。廣泛應(yīng)用于通信線路傳輸、儀器儀表、電力等重要領(lǐng)域。為了保證工業(yè)通信電纜可靠工作，需要完善的檢測設(shè)備。通信電纜的電氣性能測試項目有:直流電阻、工作電容、對地電容不平衡、線對電容不平衡、衰減、阻抗、相角、近端串音、遠端串音回波損耗等參數(shù)。電纜大規(guī)模的應(yīng)用，勢必會對電纜的運行和維護帶來前所未有的挑戰(zhàn)，因為電纜的定期測試與維護是保障設(shè)備正常工作的基礎(chǔ)。通信電纜電氣性能的好壞將直接影響著電力安全生產(chǎn)、通信傳輸可靠性、保障信息傳送的快速性和準確性。在系統(tǒng)設(shè)計上，將電纜導(dǎo)通測量、絕緣電阻測量和電纜導(dǎo)通電阻測量融為一體，減小系統(tǒng)的體積和功耗。在數(shù)據(jù)處理和通信上，利用單片機嵌入式設(shè)計技術(shù)、LCD顯示技術(shù)、通信接口和計算機通信技術(shù)，大大提高了系統(tǒng)檢測的自動化程度，只需一名測試人員即可完成所有電纜性能的測試操作。由于電纜測試系統(tǒng)實現(xiàn)了快速自動的智能化測試，所以可以在短時間內(nèi)對被測電纜進行多次測量。通過對多次測量結(jié)果進行數(shù)據(jù)比對和綜合分析，可以進一步提高測量結(jié)果的準確度，為待測裝備系統(tǒng)的檢查、調(diào)試、維修提供一份有實際參考價值的資料。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)電纜電氣性能測試技術(shù)的研究發(fā)展我國對通信電纜的電氣性能檢測研究起步比較晚，但是發(fā)展迅速，而且出現(xiàn)了一些突破性的進展。在二十世紀六十年代以前，主要是利用電橋法，使用的是機械式的指針儀表來測試電纜的電氣性能。到了七十年代初，我國在電纜測試方面出現(xiàn)了新的突破主要是發(fā)明了測定埋地電力電纜的“沖擊閃絡(luò)法”并制造出了世界上第一臺利用此方法設(shè)計的“埋地電力電纜故障測尋儀”。類似的方法多年后才在國外出現(xiàn)。并且還開始利用脈沖反射的方法利用電子儀表來測試電纜的電氣性能。在1976年西安電子科技大學研究出了電纜始端數(shù)字顯示DCG-2型電力電纜電氣性能測試儀。目前西安科技大學—陜西三通儀器系統(tǒng)有限公司聯(lián)合實驗室推出了DG系類電氣性能測試儀。在電纜測試技術(shù)發(fā)展上有一定的地域差異，在應(yīng)用方面技術(shù)較好的公司基本集中在北京的和西安，具有代表性的是北京航天測控技術(shù)有限公司，該公司在國內(nèi)該領(lǐng)域開發(fā)設(shè)計的AMC-CTI系列電纜測試儀不僅性能優(yōu)良，在市場上占有很大的使用率，打破了國外的設(shè)備壟斷。設(shè)備兼容性強，采用虛擬技術(shù)，不需要過多的人力操作，自動化水平高，能夠快速準確的發(fā)現(xiàn)電纜中的問題，達到快速檢測的目的。在測試過程只需簡單的硬件連接配合以及儀器操作即可完成各類設(shè)備電纜的導(dǎo)通電阻、絕緣電阻、抗電強度和分布式電容等電氣性能參數(shù)的自動測量。該系列產(chǎn)品具有功能強、測試精度高、測量速度快等突出特點，廣泛適用于軍用、民用領(lǐng)域中大型設(shè)備、分系統(tǒng)、單元設(shè)備在開發(fā)、調(diào)試、生產(chǎn)和檢測維護過程中電纜的自動檢測。在飛機線纜測試方面具有高水平測試方法的是位于景德鎮(zhèn)的中國直升機設(shè)計研究所研制的線纜測試儀;此外成都飛機工業(yè)集團公司和西北工業(yè)大學聯(lián)合研制的整機電纜綜合測試設(shè)備對電纜測試方面也有突出的貢獻；他們確保了飛機線束網(wǎng)絡(luò)的正確，為我國在飛機線纜測試方面積累了寶貴的經(jīng)驗。雖然國內(nèi)的電纜測試設(shè)備已經(jīng)做得比較齊全的品類，但是相對集中在一些工業(yè)應(yīng)用和特殊領(lǐng)域，設(shè)備的使用價值相對較高，民用測試設(shè)備相對較少。開發(fā)的便攜式設(shè)備在應(yīng)用中往往效率低下、缺乏擴展能力、不能適應(yīng)線纜長度、芯數(shù)的變化等，這些缺點已經(jīng)成為便攜式通用設(shè)備的弊病，因此迫切需要研究設(shè)計具有有高效檢測能力的電纜測試設(shè)備，適合信息產(chǎn)業(yè)的普及和發(fā)展。1.2.2國內(nèi)電纜電氣性能測試研究現(xiàn)狀國外的研究代表有英國的MK線纜測試公司、美國的DIT_MCO公司以及法國賽峰等都是世界領(lǐng)先的軍工儀器研發(fā)企業(yè)，都具有設(shè)計生產(chǎn)大型專用檢測設(shè)備的能力。英國MK公司生產(chǎn)的航空發(fā)動機線纜測試儀可以實現(xiàn)發(fā)動機在線和離線電氣性能檢測，檢測時間只需3分鐘。美國DIT_MCO公司已經(jīng)成功的將通斷、電阻、電容、絕緣、耐壓等多種測試項目集成于一臺設(shè)備，并提供3萬點以上的測試容量，全部測試點可編程，可擴展。還有美國CIRRIS公司其推出的CH2線纜測試儀測試點數(shù)高達20000點，而其推出的1000H/1000H+測試儀能夠自動執(zhí)行導(dǎo)通阻抗測試和絕緣阻抗測試/絕緣擊穿(高壓)測試，這種測試可以確保更好的消除可能潛在的缺陷。通過國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的比較，我們不難發(fā)現(xiàn)國內(nèi)電纜電氣性能測試的發(fā)展速度遠滯后于一些技術(shù)領(lǐng)先的國家。因此，在將來的發(fā)展中，研發(fā)高精度的測試設(shè)備，深入開發(fā)功能豐富、易于擴展、測試能力強的通用性線纜測試系統(tǒng)具有極強的現(xiàn)實意義。1.3本文研究的目的及主要內(nèi)容信息和電力傳輸在現(xiàn)代生活中、科學技術(shù)發(fā)展上發(fā)揮著不能替代的作用，越來越多的信息科技產(chǎn)品融入到人們的生活之中，為人們生活帶來了極大的便捷，這些都離不開電纜的傳輸作用，特別是互聯(lián)網(wǎng)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)以及未來城市的發(fā)展，本文主要是圍繞線纜在應(yīng)用前的檢測和投入使用后的維護系統(tǒng)的設(shè)計展開的，利用單片機作為設(shè)計系統(tǒng)的核心和控制MCU，完成電纜電氣性能的測試系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計，并設(shè)計相應(yīng)的最小系統(tǒng)和外圍電路，具體內(nèi)容如下：第一章首先講述了本課題研究的背景及意義，分析了國內(nèi)外的相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，并對電氣性能測試起源和發(fā)展歷程進行了探討和詳細分析。第二章是對電纜電氣性能測試的原理、方法等進行詳細的分析，對設(shè)計的測試功能做了總體概述，重點分析了監(jiān)測原理，給出了導(dǎo)通電阻測試、絕緣電阻測試、電纜通斷檢測各個部分的原理圖，把用到的測試方法進行了比較，對電容充電法、電流電壓法、電橋測試法每種方法的應(yīng)用場合做了詳細的論述。第三章主要對通信電纜電氣性能測試系統(tǒng)重點部分的硬件進行了電路設(shè)計，包塊單片機模塊的選擇和模塊介紹，最小系統(tǒng)電路的搭建。對測量模塊模塊進行了重點分析，特別是各個電氣量的采集方案的確定。還對顯示模塊、電源模塊、控制與驅(qū)動模塊通信接口模塊進行了設(shè)計與分析。達到了系統(tǒng)的硬件需求。第四章主要是給出了大棚溫濕度控制系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)設(shè)計，通過每個功能流程圖的設(shè)計，給出了整個系統(tǒng)和模塊的邏輯思想，給出了部分模塊的具體設(shè)計流程，對設(shè)計的電氣性能測試系統(tǒng)進行了調(diào)試分析。第二章電纜電氣性能測試原理分析2.1測試系統(tǒng)功能簡介電纜測試的一般性指標包括：導(dǎo)通電阻(一般情況為0到幾十歐姆)；電纜之間的絕緣電阻(對其不同定義的導(dǎo)體之間或是導(dǎo)體和其外殼之間的絕緣電阻提出一個最低要求，一般不得小于200MΩ)；電纜之間的電容、電纜的電感；電纜之間的抗電電壓(不同電纜各自獨有的正常范圍)。所以為了提高電纜保障水平，電纜測試儀的研究也是非常有必要的了。所以說電纜故障診斷技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景，而且市場潛力是巨大的。目前的傳輸電纜故障的診斷多是通過多種測試設(shè)備的相互配合來完成故障定位的任務(wù)的。對于導(dǎo)通電阻測試一般選擇電壓比較的方法(一根電纜兩端的電阻和整體加上參考電壓的參考電阻進行比較)來測試；對于絕緣電阻的測試一般選擇橋式電阻加直流高壓的方法；電容、電感的測試則利用LC振蕩電路測頻率的方法，若是大的電容則利用電容充電放電的時間來測量。因此各項電氣性能測試都有測試的技術(shù)方法，在理論上的完全可以實現(xiàn)的。2.2檢測原理分析電纜電阻根據(jù)阻值大小的不同分為三種，分別是高阻值、中阻值、和低阻值，其對應(yīng)的電阻值分別是：大于、和小于，電阻值范圍的不同，為了保證測量的精度，就需要利用不同的測量方法，利用不同的測量原理。2.2.1導(dǎo)通電阻測量原理分析直流電阻的測量是電氣性能測試首要進行的測試項目，直流電阻表征著電纜的導(dǎo)電性能。通過直流電阻能夠判斷出電纜的好壞和線徑的粗細，間接根據(jù)電導(dǎo)率推出電芯的材料。在一定的橫截面積下，直流電阻值主要取決于導(dǎo)體的材料。測試按照國家頒布的GB/T3956測試標準，依照標準的要求，規(guī)定導(dǎo)體在，標準單位為，把每公里的電纜的電阻值作為測量的基準，測得的數(shù)據(jù)換算成20℃下的電阻值，就為該段導(dǎo)線的直流電阻值，按照以下的公式進行計算：（2.1）在式（2.1）中，的意義是20℃時每公里長度電阻值，單位是（）；為待測電阻值，單位為（）；是待測電電纜導(dǎo)體的長度，單位為（）；是代表測量時的環(huán)境溫度，（℃），是電纜導(dǎo)體的所用材料在20℃時的電阻溫度的系數(shù)。根據(jù)測量得到的的值能夠初步判斷電纜是否合格，如果得到的測量電阻值小于標準規(guī)定值，可以判斷測量的電線電纜是合格的，如果測量值大于規(guī)定值，則該段電纜不合格。2.2.2絕緣電阻測量原理絕緣電阻是判斷絕緣質(zhì)量好壞以及絕緣品質(zhì)變化的最典型依據(jù)，也是電線電纜總體質(zhì)量的一個重要的衡量指標。當絕緣層加上直流電壓時，沿絕緣表面和絕緣內(nèi)部均有微弱電流通過，對應(yīng)于這兩種電流的電阻分別稱為表面絕緣電阻和體積絕緣電阻。一般不加特別說明的絕緣電阻均指體積絕緣電阻，只有極少數(shù)的產(chǎn)品的表面絕緣電阻的要求。在恒定的電壓作用下，通過介質(zhì)或絕緣內(nèi)部的電流主要由以下幾部分構(gòu)成：（1）電容電流/幾何電流因介質(zhì)極化而產(chǎn)生，實際是以導(dǎo)體和外極(絕緣層)作為一對電極構(gòu)成一個電器的電容電流，電容電流按指數(shù)規(guī)律隨時間很快的衰減，一般在數(shù)毫秒時間內(nèi)接近消失。如圖2.1所示。圖2.1施加電壓后流過絕緣介質(zhì)的電流主要組成示意圖（2）吸收電流這部分電流主要是由于絕緣介質(zhì)內(nèi)部偶極子在電場作用下發(fā)生轉(zhuǎn)向極化（或稱之為松弛極化）所產(chǎn)生的電流，它隨著時間成負指數(shù)減小，但它比電容電流要慢得多，可能會幾分鐘也可能更長，是一個絕緣體緩慢極化的過程，取決于絕緣體的結(jié)構(gòu)、不均勻度以及電介質(zhì)的性質(zhì)。如上圖2.1所示。（3）泄露電流/電導(dǎo)電流這是由于帶電絕緣介質(zhì)中存在的自由離子和導(dǎo)電雜質(zhì)在電場作用下遷移所產(chǎn)生的。由電介質(zhì)在直流電場中的導(dǎo)電率所決定的，是一個純阻性電流。這種電流不隨施加的電壓和時間而變，在電場強度不太高時符合歐姆定律，對應(yīng)的電阻值是絕緣電阻的主要組成部分，是反映絕緣優(yōu)劣的主要方面。因此，絕緣電阻就是指絕緣介質(zhì)上施加的直流電壓與泄漏電流之間的比值。由于施加電壓后，絕緣中存在著三種隨時間而衰減的電流，因此，理論是應(yīng)該等這三種電流全部衰減完后，才讀出泄漏電流的數(shù)值，以計算絕緣電阻，但由于可吸收電流要經(jīng)數(shù)分鐘后才趨于消失，考慮到測量系統(tǒng)長時間的穩(wěn)定性，測量時間不宜太長。有實驗證明，在同樣測量條件，讀數(shù)時間不同會造成很大差別，讀數(shù)時間長，將造成數(shù)值偏大。因此GB5023.3標準中明確規(guī)定在接通電流1分鐘后讀數(shù)(也可在1分鐘時讀數(shù))，既保證了非泄漏電流大部分已消失，又使測量時間有了統(tǒng)一，使數(shù)值具有重復(fù)性和可比性。2.2.3電纜通斷檢測原理通斷檢測主要目的是檢測電纜電線中是否含有已斷的芯線。其檢測方法是通過STC89C51單片機的端口輸出一個高(或者低)電平到待測線芯的一端，然后從另一端讀取電平，比較電平值，如果相同則表示導(dǎo)通，否則就不導(dǎo)通。2.3檢測原理分析電氣性能測試常用方法根據(jù)測試原理，目前常用的電纜電阻的測試方法大致有以下幾種:串聯(lián)法、并聯(lián)法、電壓比較法、電容充放電法和電橋法。每種方法各有優(yōu)點，適用的故障類型也不盡相同?？紤]電纜的實際情況和可測方式，本節(jié)簡單介紹了幾種常用的測試方法:電容充電法、電流電壓法和電橋法。2.3.1電容充電法電容充電法主要應(yīng)用于測量大電阻，其測量原理如圖2.2所示，為被測電纜的絕緣等效電阻；為電源電壓，經(jīng)給標準電容充電。是電容的漏電阻。電容上的電壓為：（2.2）根據(jù)實際測試的情況，式（2.2）中的一般是未知數(shù)，為減少非線性和漏電所引起的誤差，常在的情況下測量，由于和都是同數(shù)量級的絕緣電阻，則中的電流很小，可以略去，則電容中的電流：（2.3）在充電過程中可認為是常量，因此，電容C上的電荷：（2.4）當時，電容C上的電荷：（2.5）則可以得到：（2.6）在計算的過程中，式（2.5）和（2.6）中的是由沖擊檢流設(shè)備測試得到的。圖2.2電容充電法測試原理圖2.3.2電流電壓法在常用的測試方法中，電流電壓法用得最多，測試的基本原理如圖2.2所示。圖2.3電流電壓法測試原理圖在測量電壓一定的條件下，采樣電阻兩端的電壓與回路中的電流成正比，如圖2.3所示，為限流電阻，為被測電纜的等效電阻。為采樣電阻。由回路電流法可得：（2.7）測量電壓為穩(wěn)定電壓源的輸出值，限流電阻和采樣電阻均為已知的固定值，因此，由上式就可求得被測等效電阻的值為：（2.8）2.3.3電橋測試法電橋法包括兩種，單臂電橋法，又稱為惠斯登電橋，常用來測量電纜電阻在以上的導(dǎo)體電阻；另一種是雙臂電橋法，一般主要是測量以下的電阻。單臂橋測量法的原理如圖2.4所示，由被測電阻和另外的三個電阻、、構(gòu)成電橋的四個橋臂，用檢流計檢測電橋兩端的電壓。圖2.4單臂橋法測試原理圖雙電橋測量(開爾文電橋)電阻是運用電橋平衡原理，將未知電阻值和已知的標準電阻值相比較，是一種比較測量法。電阻均采用四接點接線，消除了接觸電阻和導(dǎo)線電阻的影響，對提高測量低電阻的精度起到很大的作用。雙電橋可以測量到量級的低電阻，但是電橋平衡條件的得出采用了近似處理。測量原理如圖2.5所示。圖2.5雙電橋測試原理圖2.4本章小結(jié)本章首先介紹了設(shè)計的測試系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，具體包括電纜電氣性能測試的的指標。對測試原理進行了詳細分析，分別從導(dǎo)通電阻測量原理、絕緣電阻測量原理和電纜通斷檢測原理上做了闡述。重點分析了電纜電氣性能測試系統(tǒng)常用的測試方法，對每一種測試方法進行了詳細的原理分析，并給出了測試原理圖。第三章通信電纜電氣性能測試硬件設(shè)計3.1總體硬件結(jié)構(gòu)在該系統(tǒng)中主要由單片機控制部分，液晶顯示部分，接收信號部分以及電源供電部分等幾個模塊組成。其中接收信號部分主要負責接收衛(wèi)星信號，然后將接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C，那么單片機就負責處理接收到的數(shù)據(jù)，主要是對數(shù)據(jù)進行篩選和轉(zhuǎn)換，單片機同時要控制液晶屏將處理后的信息進行顯示。按鍵部分主要就是通過單片機來控制液晶屏的顯示。整個系統(tǒng)的電源都由供電部分來提供。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示。圖3.1硬件結(jié)構(gòu)框圖3.2單片機控制部分一個設(shè)計主控芯片不是說一定要選擇好的芯片，而是要選擇最合適的主控芯片。如果選擇的芯片太差會影響系統(tǒng)的正常工作，如果選擇的太好又會造成浪費，本設(shè)計中主控芯片主要有如下幾種選擇方案。方案一：該方案中使用最簡單的51單片機，51單片機是大學中接觸最多的單片機，也是使用最多的單片機，同時這種單片機的各種資料也比較齊全。考慮到本設(shè)計中主要要使用單片機的串行口與GPS模塊通信，然后控制液晶屏進行顯示，這對單片機的要求并不是特別高，51單片機完全可以滿足要求。所以本設(shè)計選擇方案一。方案二：該方案可以選擇用PIC單片機，PIC單片機采用精簡指令集，使用哈佛雙總線結(jié)構(gòu)，具有指令集簡潔，簡單易學，速度快功能強，功耗低等一系列優(yōu)點。但是考慮到本設(shè)計51可以滿足要求，而且個人之前并未深入了解該單片機，所以并未采用該方案。3.2.1STC89C52單片機STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。該單片機具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KBEEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個16位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口。另外STC89C52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。其引腳如圖3.2所示。圖3.2STC89C52引腳圖3.2.2最小系統(tǒng)設(shè)計單片機作為該系統(tǒng)的核心控制部分，其工作的穩(wěn)定性將直接決定測量的結(jié)果。本設(shè)計使用的是STC公司生產(chǎn)的STC89C52RC單片機，該單片機負責與測量模塊進行串行通信并將處理后的信息顯示在液晶屏上。其單片機最小系統(tǒng)原理圖如圖3.3所示。最小系統(tǒng)中主要包括時鐘電路和復(fù)位電路兩部分。圖3.3最小系統(tǒng)電路原理圖3.3通信接口電路設(shè)計（1）RS232通信接口由于單片機是互聯(lián)型的器件，接口都可以被配置成RS232通信或者RS485通信。根據(jù)實際情況的不同，部分外設(shè)被配置成為RS232通信。電平轉(zhuǎn)換芯片采用的是SP3232，配合一些外部器件使得通信信號更加穩(wěn)定。RS232的硬件電路圖如圖3.4所示。圖3.4RS232硬件電路圖（2）RS485通信接口RS485通信具有較多的優(yōu)點，如抗干擾的能力強，外部電路簡單等。因此在系統(tǒng)可能收到干擾最強烈的智能電表部分，采用的是RS485通信模式。另外，RS485由于采用了抗干擾能力很強的差分信號通信，配合雙絞線，可以進行遠距離的穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸，所以與上位機的通信也采用了RS485通信。RS485的硬件電路如圖3.5所示。圖3.5RS485硬件電路圖3.4電源模塊設(shè)計優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的電源在系統(tǒng)中有至關(guān)重要的地步。我們設(shè)計的測試系統(tǒng)中，總共有三個電源模塊需要設(shè)計。分別為將系統(tǒng)電壓12V穩(wěn)定成為5V的電源模塊，一個產(chǎn)生±12VPWM波的電源模塊，還有一個將5V轉(zhuǎn)化為單片機芯片專用的3.3V的電源芯片。電源模塊的硬件電路圖如圖3.6所示。圖3.6電源模塊硬件原理圖3.5顯示模塊設(shè)計現(xiàn)在液晶顯示屏的種類特別多，選擇上也有多種選擇，需要根據(jù)設(shè)計的要求選擇合適的顯示屏。本設(shè)計中主要有如下幾種方案。(1)在該方案中選擇最便宜，顯示最簡單的1602液晶顯示屏。1602液晶顯示屏體積小，成本低，可以顯示兩行字符，不能顯示漢字。考慮到本設(shè)計中要能夠顯示漢字而且要顯示的內(nèi)容也比較多，所以不會選擇該方案；(2)在該方案中可以選擇圖形顯示屏12864，這種液晶屏不僅可以顯示漢字還能夠顯示圖形，這種液晶顯示屏每行可以顯示8個漢字，總共可以顯示4行。但是12864液晶屏有帶中文字庫的也有不帶中文字庫的?？紤]到這種液晶屏顯示內(nèi)容豐富，操作簡單，特別是帶中文字庫的可以直接顯示漢字。所以在本設(shè)計中選用了12864的液晶屏。(3)最近幾年OLED液晶屏非常熱門，這種屏使用有機電激發(fā)光二極管（OrganicLight-EmittingDiode，OLED）他的優(yōu)勢在于同時具備自發(fā)光，在一般情況下使用，不需背光源、而且與LCD顯示進行相比較，不經(jīng)色彩的對比度高更加艷，而且可以做到厚度超薄，從不同角度看上去基本沒有太大的差異，避免了視角的不同影響給人眼睛的錯覺。但是這種屏成本較高，考慮到經(jīng)濟性本設(shè)計沒有使用這種屏，但是后期如果這種屏幕的成本降低可以考慮使用OLED液晶屏。帶中文字庫的LCD12864液晶屏他的使用歷史比較早，是一款很常用的具有4位/8位并行，雖然12864液晶顯示器與TFT彩色顯示器相比，其不能顯示中文字符成為其致命缺陷，但它美觀精致，價格昂貴，并且系統(tǒng)不需要顯示漢字?；谏鲜龅膬烧邔Ρ龋到y(tǒng)設(shè)計決定使用LCD1602液晶顯示模塊做為整個系統(tǒng)的顯示模塊，其優(yōu)勢主要在于其顯示的輸入方式以及其電路的連接非常簡單，軟件操作簡單,并易于實現(xiàn)等優(yōu)點，也可以顯示英文字母，且體積較小，可以調(diào)整背光，與數(shù)碼管相比有明顯的優(yōu)勢，是該系統(tǒng)的液晶顯示模塊是第一選擇。其基本特性如下：(1)低電源電壓(VDD:+3.0--+5.5V)。(2)顯示分辨率:128×64點。(3)內(nèi)置漢字字庫，提供8192個16×16點陣漢字(簡繁體可選)。(4)內(nèi)置128個16×8點陣字符。(5)2MHZ時鐘頻率。(6)顯示方式：STN、半透、正顯。(7)驅(qū)動方式：1/32DUTY，1/5BIAS。(8)視角方向：6點。(9)背光方式：側(cè)部高亮白色LED，功耗僅為普通LED的1/5—1/10。(10)通訊方式：串行、并口可選。(11)內(nèi)置DC-DC轉(zhuǎn)換電路，無需外加負壓。(12)無需片選信號，簡化軟件設(shè)計。(13)工作溫度:0℃-+55℃,存儲溫度:-20℃-+60℃。接口說明：1：VSS0V電源地；2：VCC5V電源正；3：V0對比度(亮度)調(diào)整；4：RS(CS）H/L，RS=“H”,表示DB7——DB0為顯示數(shù)據(jù)，RS=“L”,表示DB7——DB0為顯示指令數(shù)據(jù)；5：R/W(SID)H/L，R/W=“H”,E=“H”,數(shù)據(jù)被讀到DB7——DB0，R/W=“L”,E=“H→L”,DB7——DB0的數(shù)據(jù)被寫到IR或DR；6：E(SCLK)H/L使能信號；7：DB0H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線；8：DB1H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線；9：DB2H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線；10：DB3H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線；11：DB4H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線；12：DB5H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線；13：DB6H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線；14：DB7H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線；15：PSBH/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式；16：NC-空腳；17：RESETH/L復(fù)位端，低電平有效（見注釋2）18：NC-空腳；19：AVDD背光源正端（+5V）；20：KVSS背光源負端。3.6測量電路設(shè)計（1）絕緣電阻測量電路絕緣電阻的測量使用的是電流電壓法，其采集電路也很簡潔。如圖3.7所示：圖3.7絕緣電阻測量電路設(shè)計圖濾波電路的主要目的是為了消除電路中的主要干擾，對于模擬濾波器的設(shè)計，通常采用電阻、電容、運放搭接而成，設(shè)計電路如圖3.8所示。圖3.8濾波電路設(shè)計圖3.7繼電器驅(qū)動電路測試系統(tǒng)設(shè)計時，考慮到單片機、傳感器等其他系統(tǒng)組成部分都是工作在很小的電流下，而且容易受到外界的干擾，為了防止控制系統(tǒng)由于受到干擾而進行誤動作，所以把強電與弱電做了隔離設(shè)計，避免了弱電和強電之間有電接觸可能，這樣不僅可以抑制電磁干擾，提高控制的可靠性，而且在一定程度上保證了整個系統(tǒng)的安全。因為還要實現(xiàn)弱電能夠控制強電，所以在強電控制與驅(qū)動模塊采用光電耦合器。當大棚內(nèi)濕度超過設(shè)定的上限時，單片機P2.4腳輸出低電平信號，經(jīng)7407驅(qū)動MOC3061內(nèi)部發(fā)光二極管發(fā)光，輸出電壓從其輸出端4腳和6腳間得到輸出，雙向可控硅KS受觸發(fā)導(dǎo)通，繼電器模塊電路如圖3.9所示。圖3.9繼電器模塊設(shè)計圖3.8本章小結(jié)本章首先介紹了本次系統(tǒng)設(shè)計使用的單片機模塊，對其性能、最小系統(tǒng)和應(yīng)用電路做了詳細介紹；設(shè)計了系統(tǒng)通信接口電路，接著對電源模塊、顯示模塊、測量電路、強電控制與驅(qū)動模塊等系統(tǒng)重要模塊電路進行了設(shè)計。第四章通信電纜電氣性能測試軟件設(shè)計與調(diào)試分析4.1測試系統(tǒng)程序設(shè)計流程圖本設(shè)計程序主要由單片機控制程序，LCD12864液晶屏的驅(qū)動程序，51單片機串行通信程序，數(shù)據(jù)篩選程序以及主程序組成。各部分負責完成不同的任務(wù)，其程序流程圖如圖4.1所示。圖4.1程序流程圖4.2系統(tǒng)主程序測量的開始程序是從主程序開始并在主程序中結(jié)束。主程序主要是調(diào)用其他程序，使用其它程序提供的服務(wù)。在本設(shè)計中主程序主要是使用數(shù)據(jù)篩選程序篩選出來測量的數(shù)據(jù)，調(diào)用顯示子程序來完成數(shù)據(jù)的顯示。是整個設(shè)計中最重要的部分。其程序流程圖如圖4.2所示。圖4.2主程序流程圖voidmain(void){signedcharhour;unsignedintsd;unsignedchari;init_devices();//各模塊初始化delay(500);while(1){if(buf_full==0)//沒有接收到數(shù)據(jù){dsp_count++;//刷新次數(shù)加1if(dsp_count>=65000)//刷新次數(shù)大于一定值{lcd_init();//液晶屏初始化i=0;4.3測試程序設(shè)計在主控模塊流程圖中簡介了控制程序的核心思路，其中進入測試功能的程序設(shè)計思路是有測試電路開始，通過測試程序的設(shè)計可以更好的展示設(shè)計的電纜電氣性能測試執(zhí)行過程中的每個步驟。測試程序為主控模塊設(shè)計流程圖中的進入循環(huán)等待程序，其中間過程如下圖4.3所示。圖4.3電氣性能測試程序流程圖4.3調(diào)試記錄與分析（1）檢查線路和地址為了逐點建立I/O分配表，請確保它是正確的。不能用電檢查，就是檢查線路，比較麻煩。也可以用電來檢查。加入信號后，檢查電子控制系統(tǒng)的操作是否達到設(shè)計目的。（2）檢查模擬輸入/輸出。查看輸入和輸出模塊是否正確，指示它是否正常，以及工作是否正常。（3）設(shè)計電路調(diào)試電路調(diào)試時逐步進行根據(jù)原理圖測試走線是否正常，修正走線短路、斷路等明顯故障；測試各元器件焊接是否正常，電路能夠得到正確的輸出，如圖4.4是濾波電路的測試結(jié)果，能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。圖4.4濾波電路測試結(jié)果在調(diào)試過程中，也遇到了一些問題。有些繼電器不能正常吸合，有抖動的現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)這些繼電器的驅(qū)動電壓偏低，對此，采取了降低限流電阻的措施。4.4本章小結(jié)本章對電纜測試設(shè)計的軟件部分進行了設(shè)計，給出了各主要部分的設(shè)計流程圖，包括系統(tǒng)的設(shè)計整體流程構(gòu)成圖、主程序流程、測試程序等部分。對調(diào)試記錄和結(jié)果進行了分析，各個設(shè)計電路部分滿足系統(tǒng)設(shè)計工作要求。第五章結(jié)束語設(shè)計時以電纜的電氣性能測試為主要設(shè)計對象展開，詳細說明了整個設(shè)計過程和設(shè)計的各個模塊，給出了測試系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。畢業(yè)設(shè)計是大學本科最后一年中非常難得的一次理論學習與實際操作相結(jié)合的機會，在本次畢業(yè)設(shè)計中我對單片機有了新的了解，在論文的書寫過程中我進一步的將大學專業(yè)基礎(chǔ)知識進行提煉與升華，同時在設(shè)計過程中提高了我對于實際工程進行解決的能力，另外也提高我查閱文獻資料、對文獻資料的主要內(nèi)容的提取的能力，以及在如何使自己的畢業(yè)論文設(shè)計規(guī)范，如何進行電腦制圖等其他專業(yè)能力都得到了較大的提升。而且通過對畢業(yè)論文整體設(shè)計的全面掌握，對其中局部的取舍，以及對專業(yè)知識的認真探討，都讓我的個人能力得到了進一步的鍛煉，我的人生經(jīng)驗得到了進一步的豐富。在本次畢業(yè)設(shè)計的過程中也發(fā)現(xiàn)了設(shè)計的控制系統(tǒng)有很大提升的地方：（1）可以研究更加精確的電路性能參數(shù)的測量模型，設(shè)計精度更加搞的測試電路。（2）可以增加App管理系統(tǒng)。隨著智能手機和其他移動智能終端的興起和發(fā)展，可以提供一個對應(yīng)的App監(jiān)控系統(tǒng)，方便人們對電纜性能的實時了解和查詢。參考文獻[1]楊冉.基于嵌入式計算機的電氣產(chǎn)品測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù)與軟件工程,2017(15):201-201.[2]林淑娜,林茂青,林若波.全屏蔽半絕緣銅管母線的系統(tǒng)設(shè)計與性能測試[J].電力學報,2017(04):50-54.[3]郝曉紅,王勇,張建芳,等.基于PHM的STM32F4平衡力式繼電器性能檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2018(6).[4]CheX,YunS,BoL,etal.DesignandsystemperformancetestofakindofPLCwithwirelesscommunicationfunction[C]//InternationalConferenceonControl.2017.[5]TengC,LiW,SiC.DesignandperformancetestsindifferenttestscenariosbasedontheTD-LTEtrain-groundcommunicationsystem[C]//IEEEInternationalConferenceonComputer&Communications.2017.[6]ChenY,XuB,WenJ,etal.DesignofNovelWearable,Str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