CN211263652U - 一种基于stm32单片机的线路负载及故障检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于STM32单片机的线路负载及故障检测系统，其特征在于，包括控制模块、信号发生器模块、程控放大模块、有效值检波模块、负载检测模块、AD采样模块、非平衡电桥模块、显示模块和电源模块，控制模块、信号发生器模块、程控放大模块、负载检测模块、有效值检波模块和AD采样模块依次连接，AD采样模块及显示模块与控制模块连接。本实用新型可以进行故障检测以及线路负载网络检测的功能，具有响应时间短、测量精度高、功能较多、综合性高且系统输入输出稳定的优点，具有一定的市场推广意义。

Description

一种基于STM32单片机的线路负载及故障检测系统

技术领域

本实用新型涉及电子线路故障技术领域，具体说是一种基于STM32单片机的线路负载及故障检测系统。

背景技术

电子信息类学术的发展与科研的深入对电子线路负载的检测精度以及电子线路故障的排除提出了更高的要求，也对电子线路检测的相关器件展现出了更大的需求，便携、精度高、可排除故障的线路检测系统是提高线路可靠性的必要工具。市场上现有的电子类测量仪表中最典型的有万用表，其一般以测量电压、电流和电阻为主要目的，不具有故障检测以及线路负载网络检测的功能，同时电容、电感值的测量也稍有不便。针对以上需求，研究和制作一款线路负载及故障检测系统十分必要。

发明内容

本实用新型的目的是针对上述现有技术中的不足，提供一种基于STM32单片机的线路负载及故障检测系统。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于STM32单片机的线路负载及故障检测系统，包括控制模块、信号发生器模块、程控放大模块、有效值检波模块、负载检测模块、AD采样模块、非平衡电桥模块、显示模块和电源模块，所述控制模块、信号发生器模块、程控放大模块、负载检测模块、有效值检波模块和AD采样模块依次连接，所述AD采样模块及显示模块与所述控制模块连接，所述电源模块为检测系统供电。

所述控制模块采用32位微控制器STM32单片机，用于控制所述信号发生器模块产生正弦波扫频信号、接收所述AD采样模块输出是信号并判断线路负载状态、控制显示模块显示线路负载状态信息。

所述信号发生器模块采用直接数字频率合成器AD9854，用于产生正弦波扫频信号，将信号传递给所述程控放大模块进行放大。

所述程控放大模块用于放大并稳定正弦波扫频信号，将信号传入所述负载检测模块。

所述负载检测模块由一个定值电阻与两根长直导线构成，所述定值电阻的两端分别与所述程控放大模块信号输出端和一根长直导线的一端相连接，另一根长直导线的一端与所述有效值检波模块的信号输入端口相连，两根长直导线的另一端与待检单个负载或线路负载网络连接。

所述有效值检波模块采用AD637芯片，用于直接将从负载检测模块输入的信号转换为线性的直流信号。

所述AD采样模块采用STM32单片机片上AD转换模块，接收所述负载检测模块的信号并进行转换，传给所述控制模块。

本实用新型进一步的设计方案中，上述基于STM32单片机的线路负载及故障检测系统，其特征在于，所述程控放大模块包括初级放大模块和后级放大模块，所述初级放大模块采用可编程增益放大器VCA810，所述后级放大模块采用OPA690芯片与THS3001芯片搭建电路实现。

本实用新型进一步的设计方案中，上述基于STM32单片机的线路负载及故障检测系统，其特征在于，还包括非平衡电桥模块，用于在线路出现短路故障时，在两根长直导线上发生短路故障的两端处接入非平衡电桥模块，经非平衡电桥模块的信号输入到AD转换模块再送入控制模块后进行信号分析，同时控制模块控制显示模块显示分析结果。

本实用新型进一步的设计方案中，上述基于STM32单片机的线路负载及故障检测系统，其特征在于，还包括扫频信号源切换键盘，所述扫频信号源切换键盘与所述控制模块连接。

本实用新型具有以下突出的有益效果：

本实用新型可针对单个元器件的线路负载进行自动识别所测电子元件种类（电阻电容电感）、测量此电子元件的值并显示；也可针对多个元器件所构成的负载网络（电容电阻电感的串并联网络）进行负载网络的检测并显示；还可快速检测线路故障（短路断路）以及短路故障点位置。本实用新型综合以上多种功能于一体，弥补了现有测量仪器的功能不足，为线路负载的相关检测、线路故障的定点排除带来了诸多有益效果，其实际的应用可较大程度上提升电路的性能，为电路相关产业的进一步发展创造更加便利的技术基础。综合来看，本实用新型装置具有响应时间短、测量精度高、功能较多、综合性高且系统输入输出稳定的优点，具有一定的市场推广意义。

附图说明

图1为实施例中基于STM32单片机的线路负载及故障检测系统工作结构框图；

图2为实施例中基于STM32单片机的线路负载及故障检测系统程序流程框图；

图3为实施例中信号发生器模块的直接数字频率合成器工作原理图；

图4为实施例中非平衡电桥模块原理接线图；

图5为实施例中负载检测模块示意图。

图中，1-控制模块，2-信号发生器模块，3-程控放大模块，4-负载检测模块，5-有效值检波模块，6- AD采样模块，7-显示模块，8-扫频信号源切换键盘。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

参见图1，本实用新型中的基于STM32单片机的线路负载及故障检测系统，包括控制模块1、信号发生器模块2、程控放大模块3、有效值检波模块5、负载检测模块4、AD采样模块6、非平衡电桥模块、显示模块7、扫频信号源切换键盘8和电源模块，控制模块1、信号发生器模块2、程控放大模块3、负载检测模块4、有效值检波模块5和AD采样模块6依次连接，AD采样模块6、扫频信号源切换键盘8及显示模块7与控制模块1连接，电源模块为检测系统供电；电源模块采用直流稳压电源，具有体积小、功率密度大、良好的输出短路和过流保护等性能，模块增加去耦电容滤除电源纹波干扰，满足系统所需的电压与工作温度要求，适用于本系统。

控制模块1采用32位微控制器STM32单片机，用于控制信号发生器模块2产生正弦波扫频信号、接收AD采样模块6输出是信号并判断线路负载状态、控制显示模块7显示线路负载状态信息；STM32系列专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计，电源位2.0V-3.6V供电，其带唤醒功能的低功耗优势可实现在72MHz时消耗36mA所有外设处于工作状态，待机时下降到2μA，工作温度范围可处于-40°C至+85°C或105°，其上述条件非常适合应用在本实用新型系统里。此外控制模块1还包括4*4矩阵键盘，与单片机通过导线相连。

显示模块7由TFTLCD系列的7寸液晶屏通过并口与单片机相连。

信号发生器模块2采用直接数字频率合成器AD9854，用于产生正弦波扫频信号，将信号传递给程控放大模块3进行放大；采用直接数字频率合成器（DDS）,可用软件或硬件实现不同频率正弦波的产生，即用累加器按频率要求对相应的相位增量进行累加，再以累加器相位值作为地址码，取存放于ROM中的波形数据，经D/A转换，滤波即得到所需波形方法简单，频率分辨率高，易于实现精密相位调节。图3是本模块DDS的工作原理图。

程控放大模块3用于放大并稳定正弦波扫频信号，将信号传入负载检测模块4；程控放大模块3包括初级放大模块和后级放大模块，初级放大模块采用可编程增益放大器VCA810，VCA810是一款低噪声、宽带的可变增益放大器，±5V供电时增益从-40dB到+40dB线性变化，满足本系统的设计需要，适用于本系统。后级放大模块利用OPA690与THS3001芯片搭建电路实现，OPA690是一款采用±5V双电源供电时单位增益稳定达到200MHZ的电压反馈运放，内部结构提供高转换速率。OPA690高电流能力的大输出摆幅能力可以满足驱动后级50Ω负载，稳定输出电压波形。因此采用OPA690作为多级放大电路模块的过渡级放大。为了在信号源输出阻抗50Ω、正负12V供电的条件下提高输出电压的峰峰值为10V，需采用一款能够使用正负12V供电的轨到轨运放芯片满足幅值要求。THS3001输出电压最大可达正负12V，最大共模输入电压可接近Vcc，最大输出电流为100mA的特性可满足电路搭建的要求。因此采用THS3001作为放大电路的最后一级。

负载检测模块4由一个定值电阻与两根长直导线构成，具体结构如图5所示，100欧姆的定值电阻的两端分别与程控放大模块3信号输出端和一根长直导线的一端相连接，实现信号经程控放大模块3后进入负载检测模块4，实现信号经负载检测模块4后进入有效值检波模块5；另一根长直导线的一端与有效值检波模块的信号输入端口相连，两根长直导线的另一端与待检单个负载或线路负载网络连接；负载检测模块4整体实现当信号流经负载检测模块4后，进入有效值检波模块，然后送入到AD采样模块6进行检测。负载检测模块4中的两根长直导线上距离其左侧端口的任意相同距离点处都可引入短路断路故障，此时整个检测系统可自动进行故障类型（短路或者断路）的检测，加以平衡电桥模块的辅助，本系统还可用于短路故障发生位置的检测，即故障点距离两根长直导线最左端的距离的检测。

有效值检波模块5采用AD637芯片，用于直接将从负载检测模块4输入的信号转换为线性的直流信号；AD637芯片的频率响应范围为0.1~8MHZ，可以直接将输入信号转换为线性的直流信号，适用于本系统。

AD采样模块6采用STM32单片机片上AD转换模块，接收负载检测模块4的信号并进行转换，传给控制模块1。

非平衡电桥模块，用于在线路出现短路故障时，在两根长直导线上发生短路故障的两端处接入非平衡电桥模块，经非平衡电桥模块的信号输入到AD转换模块再送入控制模块1后进行信号分析，同时控制模块1控制显示模块7显示分析结果。非平衡电桥模块采用电桥回线法测量故障距离。使用电桥回线法测量电缆单相接地故障的原理接线如图4所示。按图将电桥的测量端子X1和X2分别接往电缆的故障相C和完好相B，B、C相的另一端用跨接线短接构成环线，于是电桥本身有R1、R2两个桥臂，故障点两侧的环线电阻构成电桥的另两个桥臂。实际使用时由于我们无法确定平衡电桥的另外3个电阻的阻值，所以我们采用非平衡电桥，利用两端电压之比，折算出最终的值。

参看图2，本实用新型线路负载及故障检测系统的工作过程为：打开系统的电源模块开关为系统电路供电，此时控制模块1上电复位，默认本系统可检测单个元器件构成的线路负载或者线路的短路断路故障，此时控制模块1控制信号发生器模块2产生相应的正弦波扫频信号，该扫频信号传输到与信号发生器模块2相连的程控放大模块3，经程控放大模块3放大后获得一个幅值较小的扫频信号，该信号传输到与程控放大模块3相连的后级放大模块进行信号的再次放大，此时可通过对程控放大模块3进行手动调节，经两级放大后输出一个幅值为2V的扫频信号，该输出信号输入到负载检测模块4，流经该模块上所连单个负载或者短路断路故障后所得的信号输入到AD采样模块6，信号经AD转换后输入到控制模块1，此时控制模块1判断线路负载情况，接着控制显示模块7显示线路负载相关信息。此外，若显示模块7显示线路出现短路故障，可把负载检测模块4接入短路故障的线路两端接入非平衡电桥模块，其余原有电路模块不变，经此新电路所产生的信号送回到控制模块1后，控制模块1可判断出短路故障位置并控制显示模块7显示短路故障距离。

此外，若想通过本系统检测线路负载网络，可通过控制模块1进行系统检测程序切换，此时控制模块1控制信号发生器模块2产生相应的不同频率段下的正弦波扫频信号，该信号通过与上述相同的电路模块后，输送回控制模块1，此时控制模块1判断线路负载网络类型，接着控制显示模块7显示线路负载网络相关信息。

以上是本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本实用新型技术方案的范围时，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于STM32单片机的线路负载及故障检测系统，其特征在于，包括控制模块(1)、信号发生器模块(2)、程控放大模块(3)、有效值检波模块(5)、负载检测模块(4)、AD采样模块(6)、非平衡电桥模块、显示模块(7)和电源模块，所述控制模块(1)、信号发生器模块(2)、程控放大模块(3)、负载检测模块(4)、有效值检波模块(5)和AD采样模块(6)依次连接，所述AD采样模块(6)及显示模块(7)与所述控制模块(1)连接，所述电源模块为检测系统供电；

所述控制模块(1)采用32位微控制器STM32单片机，用于控制所述信号发生器模块(2)产生正弦波扫频信号、接收所述AD采样模块(6)输出是信号并判断线路负载状态、控制显示模块(7)显示线路负载状态信息；

所述信号发生器模块(2)采用直接数字频率合成器AD9854，用于产生正弦波扫频信号，将信号传递给所述程控放大模块(3)进行放大；

所述程控放大模块(3)用于放大并稳定正弦波扫频信号，将信号传入所述负载检测模块(4)；

所述负载检测模块(4)由一个定值电阻与两根长直导线构成，所述定值电阻的两端分别与所述程控放大模块(3)信号输出端和一根长直导线的一端相连接，另一根长直导线的一端与所述与所述有效值检波模块的信号输入端口相连，两根长直导线的另一端与待检单个负载或线路负载网络连接；

所述有效值检波模块(5)采用AD637芯片，用于直接将从负载检测模块(4)输入的信号转换为线性的直流信号；

所述AD采样模块(6)采用STM32单片机片上AD转换模块，接收所述负载检测模块(4)的信号并进行转换，传给所述控制模块(1)。

2.根据权利要求1所述的基于STM32单片机的线路负载及故障检测系统，其特征在于，所述程控放大模块(3)包括初级放大模块和后级放大模块，所述初级放大模块采用可编程增益放大器VCA810，所述后级放大模块采用OPA690芯片与THS3001芯片搭建电路实现。

3.根据权利要求1所述的基于STM32单片机的线路负载及故障检测系统，其特征在于，还包括非平衡电桥模块，用于在线路出现短路故障时，在两根长直导线上发生短路故障的两端处接入非平衡电桥模块，经非平衡电桥模块的信号输入到AD转换模块再送入控制模块(1)后进行信号分析，同时控制模块(1)控制显示模块(7)显示分析结果。

4.根据权利要求1所述的基于STM32单片机的线路负载及故障检测系统，其特征在于，还包括扫频信号源切换键盘(8)，所述扫频信号源切换键盘(8)与所述控制模块(1)连接。

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