基于AT89S52某型直升機控制保護盒的數字化設計

王 朕，史賢俊，肖支才

（海軍航空工程學院 控制工程系，山東 煙臺 264001）

直升機起飛后，由飛機發動機帶動發電機發電為機載設備提供一個穩定的115 V/400 Hz的交流電。所有用電的機載設備電源都是直接使用115 V/400 Hz或經變換后使用，因此，該電源的穩定性直接關系到機載設備的壽命及飛行安全。機載控制保護盒主要監測發電機電網的電壓、頻率等信號，當電網出現過壓、欠壓、過頻、欠頻、過過頻、欠頻和差動電流超標時，在安全時間內及時切斷主電路和發電機激磁電路轉為備用電源供電，從而有效保護機載設備和飛行安全。

某型直升機機載控制保護盒是上世紀80年代的產品，控制電路均由分立元件搭建的模擬電路實現，具有體積大、測量誤差大等缺點。本文采用AT89S52單片機設計了一款數字化機載控制保護盒，該數字化機載控制保護盒在完成保護功能的基礎上提高了測量精度，縮短了保護時間，還增加了聲音告警功能。

1 系統組成與工作原理

控制保護盒由AT89S52單片機系統、電源電路、復位電路、電壓檢測電路、頻率檢測電路、差動電流檢測電路、主電路接觸器控制電路、27 V直流電源電路、發電機激磁控制電路和聲音告警電路組成，如圖1所示。其中電源電路為單片機提供+5 V直流電源、27 V直流電源電路為接觸器提供27 V電源。其工作原理如下：電壓檢測電路對機載交流電源采樣，采樣后變換成直流電，該直流電經AD轉換后，變換成數字信號與存儲在單片機內的數據比較，確定機載交流電是否發生過壓或欠壓，當發生過壓或欠壓時，延時一定的時間后發出控制信號，切斷主電路接觸器和發電機激磁電路，同時發出聲音告警信號；頻率檢測電路將機載交流電轉換成與頻率相關的脈沖信號，該信號經計數后轉換成頻率信號，當發生過頻、過過頻、欠頻和欠欠頻故障時，單片機發出控制信號切斷主電路接觸器和發電機激磁電路，同時發出聲音告警信號；差動電流檢測電路檢測機載三相交流電源，當三相電源電流差值達到一定數值后，單片機發出控制信號切斷主電路接觸器和發電機激磁電路，同時發出聲音告警信號[1-2]。

2 硬件設計

控制保護盒硬件部分由單片機系統、電源電路、頻率檢測電路、差動電流檢測電路、電壓檢測電路、供電控制電路和發電機激磁電路7部分組成。AT89S52單片機系統采用最小單片機系統和按鍵復位設計，具體電路不再詳述，主要介紹其余6部分電路[1-3]。

圖1 系統原理框圖Fig.1 Structure diagram of the system

2.1 頻率檢測電路和電壓檢測電路

頻率檢測電路，如圖2（a）所示。主要實現對機載交流電源頻率進行檢測，當機載交流電源出現過頻、過過頻、欠頻和欠欠頻故障時，在規定時間內切斷機載發電機激磁電路和機載設備供電電路。取機載交流電源任意一相輸入控制保護盒的5（或14）號和4號插針，交流電源流經限流電阻和1.5 V穩壓管，當交流電源電壓瞬時值高于1.5 V時，穩壓管反向導通形成1.5 V電壓，三極管導通輸出0 V電壓，經與非門整形后輸出邏輯高電平“1”，輸入單片機P3.5口；當交流電源電壓低于1.5 V時，穩壓管正向導通，三極管截止輸出5 V電壓，經與非門整形后輸出邏輯低電平“0”，輸入單片機P3.5口；因此，每一個交流電周期，P3.5口得到一個高電平。AT89S52單片機在一定時間內計數P3.5口的脈沖數，通過計算得到機載交流電源的電源頻率，完成頻率檢測。

圖2 頻率檢測電路和電壓檢測電路Fig.2 Frequency measure circuit and voltage measure circuit

電壓檢測電路，如圖2（b）所示，主要實現對機載交流電源電壓進行檢測，當機載交流電源出現過壓和欠壓故障時，在規定時間內切斷機載發電機激磁電路和機載設備供電電路。取機載交流電源任意一相輸入控制保護盒23號和4號插針，交流電源經變壓器變壓和二極管整流后，在AD模數轉換器AD570的輸入端得到穩定的直流電壓，該電壓經模數轉換后得到8位的數字信號，該數字信號輸入單片機的P1口，即P1口得到機載交流電源的電壓檢測值，完成電壓檢測。

2.2 差動電流檢測電路和電源電路

差動電流檢測電路，如圖3（a）所示，主要實現對機載三相交流電源三相電流進行檢測，當機載交流電源出現三相差動電流達到極限值時，在規定時間內切斷發電機激磁電路和機載設備供電電路。三相檢測電流由控制盒1號、2號和3號插針輸入，經半波整流后輸入比較器的反向輸入端，而比較器的正向輸入端為一個通過電阻分壓設定的值，故當差動電流達到極限值時，比較器反向輸入端電壓高于正向輸入端電壓，比較器輸出低電壓0 V，經與非門整形后，變為邏輯高電平“1”，輸入單片機P3.2中斷口，完成差動電流檢測[4]。

圖3 差動檢測電路和電源電路Fig.3 Differential current measure circuit and power circuit

電源電路如圖3（b）所示，該電路輸出27 V和5 V兩路直流電源。機載三相交流電源由11號、12號和13號插針輸入控制保護盒，變壓器變壓后，經三相橋式整流電路得到穩定的48 V直流電源，該直流電源經DC/DC模塊RSO-4827SZ和RSO-4805SZ后得到27 V和5 V直流穩壓電源；其中27 V電源用于控制發電機激磁電路的繼電器和機載設備供電控制電路的繼電器，5 V電源用于給單片機、比較器和數字芯片供電。

2.3 供電控制電路和發電機激磁電路

供電控制電路如圖4（a）所示，機載電源通過15號插針和17號插針向設備供電，機載電源正常時，P2.0口輸出低電平，光耦斷開，繼電器吸合，機載電源向機載設備供電；當機載電源出現過壓、欠壓、過頻等故障時，AT89S52單片機系統的P2.0口輸出高電平，光耦導通，繼電器控制線圈兩端電壓為零，繼電器斷開，機載電源與機載設備之間電路斷開。

發電機激磁電路如圖4（b）所示，機載電源通過控制盒8號插針和10號插針向機載發電機激磁電路注入交流電建立發電機的磁場，發電機在發動機的帶動下發出115 V/400 Hz的交流電；機載發電機發出的電壓正常時，P2.1口輸出高電平，光耦導通，繼電器控制線圈兩端電壓為27 V，繼電器吸合，發電機保持恒定磁場；當機載電源出現過壓、欠壓、過頻等故障時，P2.1口輸出低電平，光耦斷開，繼電器控制線圈兩端電壓為零，繼電器斷開，機載發電機激磁電路斷開，磁場消失，發電機停止發電。

圖4 供電控制電路和發電機激磁電路Fig.4 Power control circuit and generator magnetic circuit

3 軟件設計

系統主程序流程如圖5（a）所示，上電復位后系統初始化，首先對機載電源電壓進行檢測得到檢測值，該電壓值首先與固化到單片機內部的過壓故障電壓值進行比較，若超過過壓故障電壓值，則進入故障處理子程序；然后與欠壓故障電壓值進行比較，若低于欠壓故障電壓值，則進入故障處理子程序；若電壓檢測值高于欠壓故障電壓值而低于過壓故障電壓值，則表示無電壓故障。若無電壓故障，則系統對電源頻率進行檢測，得到的檢測值分別與固化到單片機內部的過頻故障值、過過頻故障值、欠頻故障值和欠欠頻故障值進行比較，若檢測值超過過頻故障值和過過頻故障值，則進入故障處理子程序；若檢測值低于欠頻故障值和欠欠頻故障值，則進入故障處理子程序；否則，表示電源無頻率故障。若無頻率故障，則檢測差動電流，當差動電流達到故障值時，產生中斷，進入故障處理子程序；若仍無差動電流故障，則循環檢測電源的電壓、頻率和差動電流[5-6]。

頻率檢測子程序流程圖如圖 5（b）所示，由圖 2（a）可知，機載交流電源每一個周期，計數器增加一個脈沖；當定時中斷時，讀取計數器的脈沖數，同時將計數器清零，并將定時器初始化；得到的脈沖數與定時器的定時時間相除，即得到機載電源的頻率；單片機系統計算出頻率后輸出，同時開啟定時器和計數器，開始下次頻率檢測。

故障處理子程序流程圖如圖5（c）所示，當機載電源發生故障時，系統進入故障處理子程序，單片機開始計時，并切斷供電電路保護機載設備、切斷發電機激磁電路轉由備用電源供電；供電電路和發電機激磁電路切斷后，進行計時補償，補償由于切斷供電電路和發電機激磁電路過程中產生的延時誤差，得到真實的從機載電源發生故障到切斷電路的延時時間并進行顯示；而后發出相應的聲音告警，直到故障消失或系統強制復位；退出故障處理子程序。

圖5 程序流程圖Fig.5 Flow chart of the procedure

4 實驗結果

采用AT89S51設計的數字化發電機控制盒 （編號為060320和080734）實驗結果如表1所示。表中第3列為機載電源故障動作點理論值，第4列為故障時機載電源從發生故障到控制盒切斷供電回路的延時時間理論值。第5列和第6列為控制盒060320測試時施加的故障電源動作點值和故障電源施加到供電回路被切斷的延時時間實測值；第7列和第8列為控制盒080734測試時施加的故障電源動作點值和故障電源施加到供電回路被切斷的延時時間實測值。從實驗結果看，設計的控制盒完全能滿足機載電源保護延時要求。

表1 實驗結果Tab.1 Experiment results

5 結束語

針對某型直升機機載電源控制保護盒測量誤差大、報警系統單一、體積大等缺點，本文采用AT89S51單片機設計了一款數字化機載電源控制保護盒，由于采用了延時時間補償，提高了測量精度，使該控制盒測量精度可達到1/100，同時增加了語音告警功能。部隊實際應用表明，文中設計的控制保護盒具有測量精確、報警功能豐富、體積小、工作可靠、成本低等優點，可完全代替原品。

[1]張毅剛，彭喜源，譚曉鈞.MCS-51單片機應用設計[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1997.

[2]國營一○○七廠.XXX-XX型控制保護器產品使用說明書[M].國營一○○七廠，1980.

[3]王朕，劉陵順，劉學鋒.基于AT89S52的機載電器盒測試儀的設計[J].電子設計工程，2009（8）：73-75.

WANG Zhen， LIU Ling-shun， LIU Xue-feng.Design of a tester for helicopter-electrical-box based on AT89S52[J].Electronic Design Engineering，2009（8）:73-75.

[4]陳良.電子工程師常用手冊[M].北京：中國電力出版社，2010.

[5]武慶生，仇梅.單片機原理與應用[M].成都：電子科技大學出版社，2003.

[6]張華鋒，李濤，孫旭波.基于TDC-GP2的微波延時測量儀的設計與實現[J].現代科學儀器，2011（3）：58-59.

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