通信工程车防触高压电及防雷报警器设计

通信工程车防触高压电及防雷报警器设计
摘要：近年来，部队抢险救灾及施工项目越来越多，经常有吊塔、吊车、高空
作业车等大型工程车辆需要在高压线、高压变电等危险环境中作业，作业时碰触
高压线造成车毁人亡的事件屡屡发生，其操作人员的生命安全、设备的安全、线
路的安全很难得到可靠的保障，往往还会造成巨大的财产损失，由于大型通信工
程车臂展十分长，所以就算操作工人已经意识到高压线可能造成的危害，也会受
设备运动惯性、个人视力范围、注意力、判断力等各种因素的影响，而未能第一
时间做出正确的反映，这是引发触电事故的一个主要原因。

因此，安装通信工程
车辆防触高压及防雷电报警器是很有必要的。

关键词：通信工程车；防触高压电；防雷报警器；设计
1总体设计
1.1整体设计思路
本设计是一个基于单片机的磁场检测装置，该装置具有避障，磁场检测，语
音报警等功能。

在避障功能上选用超声波测距模块来实现功能。

为实现语音报警
功能，选择串行控制芯片的语音芯片进行实现，选用数字传感器霍尼韦尔
HMC5883L实现磁场强度的检测，将检测到的相应数据显示在LCD上，同时还可
以通过按键进行门限值的设置。

1.2内部防雷
1.2.1电源防护
在整流设备尚未接入交流电源（外接车载发电机等电源屏输出的电源）前将
交流电源电涌保护器加安于整流设备之中，并确保流量在100kA以上，就近连接
车内接地系统，将直流电源电涌保护器加装于无线收发设备，其加装的时机是尚
未接入直流电源，且其通流量应该在5kA以上，就地连接于车内接地系统。

交流、直流电源电涌保护器的作用主要体现在：预防车体因为外部引入雷击过电压而遭
受不必要的损坏；预防直流电源侧设备在发生电位反击时发生损坏，此外还兼具
一定抑制雷击过电压的作用。

1.2.2天馈线防护
在接入设备前应至少对天馈线屏蔽层（天线、微波）进行两次接地措施；在
进入无线收发设备前应在天线馈线上安装相应的保护器，同时使该地线连接于车
内接地系统。

这有助于预防车体内设备发生雷击损坏。

1.2.3设备保护接地
利用40*4mm铜排完成接地汇排流的设置。

基于静止地板环形布置接地汇流，基于就近连接接地汇流排的原则连接直流电源地、设备金属外壳保护地、静电地、防雷地等，并连接多股铜芯线。

在连接多股铜芯线时应确保该导线大于35mm2，并连接于两条接地汇集线，其多股铜芯线不小于95mm2。

所有接地汇集线均连接于接地体。

接地体的长约为2.5m。

基于车外两侧平地布置接地体。

合理确定接地体的位置，具体需要满足两个条件：其一至少与车体水平距离5m；其二远离防
雷接地；同时其接地电阻应控制在10Ω以内。

在与防雷接地系统较在大距离的区
域设置设备保护接地系统，严防有工作人员两地系统间走动。

如果移动通信靠近
可避免其遭受雷击的建筑物，此时可充分发挥建筑物地网的作用，保护移动通信
车辆，其中常见的操作方法即使建筑物总接地端与车辆接地汇集线相互连接，同
时其多股铜芯线应在95mm2以上。

2硬件电路设计
2.1单片机系统设计
本设计主要由STC89C52单片机、HMC5883L传感器、HC-SR04超声波传感器、DS18B20温度传感器、LCD液晶显示屏、蜂鸣器和语音播放器组成。

利用
HMC5883L传感器检测磁场，超声波传感器HC-SR04检测距离、DS18B20传感器
检测温度的原理，在单片机内部程序的控制下，进行中断处理和数据的处理，计
算出磁场强度、距离、温度，实时的传输到液晶显示器显示，并分别由蜂鸣器、LED、语音进行报警提示。

2.2磁场强度模块设计
基于无铅表面封装技术的HMC5883L带有16引脚，尺寸为3.0X3.0X0.9mm。

磁场检测主要根据霍尼韦尔HMC5883L磁阻传感器电路进行设计的。

该电路在测
量磁场方面除了充分发挥三轴传感器的作用，同时融合了各特殊的辅助电路。

在
硅片上放置一个坡莫使金（镍铁），并将其组装成带式电阻元件，即磁阻传感器。

传感器在供电电源的作用下具有转化任何入射磁场的能力，即使测量轴上磁出变
成差分电压输出。

桥式电阻元件基于客观存在的磁场及其背景下，其一旦发生变化，那么必然会影响跨电桥输出电压的。

两两对齐的阻元件，被组建为共同的敏
感轴。

磁场不断提高方向敏感性，相应的电压也呈现出增长的趋势。

这是因为输
出并未与所有磁阻元件存在比例关系，其仅对应轴方向的元件。

一般在正交方向
上放置其它磁阻电桥，即可通过测量了解各个磁场的强度，且其测量的精度非常
之高。

2.3HC-SR04超声波集成模块
HC-SR04超声波集成模块，自上而下引脚可细分为：其一是电源引脚；其二
是触发引脚（超声波发送）；其三是响应引脚（回波信号）；其五是接地引脚。

触发引脚接收到TTL高电平信号（其一般为10μs以上），传感器发送超声波（方波信号，40KHz）。

响应引脚在收到返回的回波信号后，会输出一个高电平。

发
送超声波直到接收超波两者的时间差，即持续高电平的时间。

一般认为只有将该
时间控制在60ms内，才可实现精准的测量。

2.4设计超声波发射模块
本电路图主要由MAX232和超声波发射换能器组成。

本设计采用MAX232代
替反相器，为了使发射驱动电压最大化，利用其中推挽的方式，这有助于转换高
压电。

工作时，单片机发送40KHz脉冲信号，信号通过MAX232放大后即可基于
超声波进行叠加，超声波发射换能器在被上述声波的驱动下，发射声波。

2.5设计超声波接收模块
结合模块内部接收电路，分析其结构主要包括如下两大部分：其一是超声波
接收换能器；其二是TLO74运算放大器。

反射波经整形滤波后，被还原成脉冲并
进入ECHO引脚之中。

2.6显示报警模块设计
2.6.1液晶显示模块设计
本设计所使用的1602液晶为5V电压驱动，带背光，可显示两行，每行16
个字符，只有并行接口，没有串行接口，不能显示汉字，内置含128个字符的ASCII字符集字库。

液晶显示主要用于显示当前的环境温度，测得的距离值以及测得的磁场强度。

2.6.2报警模块设计
报警模块主要分为两步进行，通过给单片机设置一个预定值，利用
HMC5883L传感器来检测高压输电线周围的磁场强度。

当系统检测到预定值时，
蜂鸣器响起，同时指示灯变为红色，电路图如图1所示；当达到门限值时，播放
器会发出语音报警“有电危险，请勿靠近”。

语音报警模块采用的是MiniVoiceM3
播放器，本语音模块内置功率放大器和喇叭，支持MP3、WMA、WAV文件，支
持TTL电平串口控制，主要应用于需要语音提示的场合，例如对话机器人、单片
机等，可接51单片机、STM32等芯片。

3系统软件设计
由于STC提供的下载工具支持*.Bin，*.Hex文件，因此在下载用户程序代码时还用到了一个集成开发环境Keilu Vision2。

Keilu Vision2 IDE是一个基于Windows
的开发平台，它包括一个项目管理器、一个高效的编辑器和一个MAKE工具。

同
时uVision2还支持所有的KeilC51工具，包括目标代码、C编译器、连接/定位器、宏汇编器到Hex的转换器。

要想在Keilu Vision2开发环境中相应的完成应用的创建。

具体可结合下述（1）Vision2启动后，新建项目文件并基于器件库选择适宜
的器件。

（2）新建一个源文件并把它加入到项目文件。

（3）针对目标硬件设置
工具选项。

（4）编译项目并生成可以编程到程序存储器的Hex文件。

（5）下载
到单片机中进行调试。

4结束语
本设计完成了基于STC89C52单片机的通信工程车防触高压电及防雷报警器系统，解决了实际存在的问题：（1）可实时准确的从单片机上采集所需的数据，
在LCD液晶显示屏上显示出来，供操作人员参考，延迟时间较短。

（2）报警兼
有蜂鸣器、灯光提示以及语音报警，误报率低。

毋庸置疑雷电是一种随机性很强、形成原因复杂的自然现象，人类基于电气工程应用领域，通过长时间的观测并形
成相关数据而提出雷电的数学模型，仅管如此但是雷电仅可用于说明某些与雷电
主放电有关的共性问题，但是自然界同的雷电除了包含主放电，其随后通常会形
成诸多回击。

针对这一情况，未来的研究应该进一步深入探索如何构建能够充分
反映雷电上述现象的数学模型。

参考文献
[1]专利名称:防雷器压敏组件脱扣报警装置[J].电瓷避雷器,2013, 05:30.
[2]胡全玲,周艳,周俊.新农村建筑周界报警系统受雷击的原因及防雷措施[J].现
代农业科技,2012,17:347-348.
[3]杨庆鸿.浅析火灾自动报警系统的防雷设计[J].中国科技信息,2012,12:153.。