基于单片机的馈线拉力实时监测及报警系统的设计

李树栋

国家新闻出版广电总局763台

摘要

本文利用拉力传感器、风速传感器、温度传感器、单片机及上位机编程软件的组合设计了馈线拉力的实时监测和报警系统。

关键词

馈线 拉力 传感器 单片机 监测 报警

馈线是发射机与天线之间的桥梁，是节目播出链路中重要的、但容易被忽略的环节。目前，大多数中波发射台调节馈线拉力的方法主要是天线工依据自己的工作经验和天气的季节变化来进行调整。这种调整方式存在的不足之处是：缺乏可信的数据作为调整的依据；难以应对短时间内的天气骤变；要对不同地势，不同区段馈线拉力的微弱变化做出准确的、有区别的调整较为困难；缺乏对馈线拉力变化感知的灵敏度；新参加工作的天线工短时间内很难准确掌握调整馈线力度的方法。

针对上述情况，本文利用拉力传感器、风速传感器、温度传感器、单片机及上位机编程软件的组合设计了馈线拉力的实时监测和报警系统。该系统实施后，每隔1秒钟会对拉力、温度、风速等影响馈线稳定的因素进行取样，取样值会与预置的门限值做比较，发生越限时，系统自动发出声、光报警，提醒工作人员进行相应的处理，同时每间隔10分钟的取样值会自动存储在数据库中便于日后查询、比较之用。

通过实施本系统，任何维护馈线的工作人员都可以完成对馈线进行精确、方便地调节，并且可以大大减轻巡线人员的工作量。当馈线出现突发事故时，本系统还可以快速定位故障点，指示出抢修人员抵达故障点所需的时间等信息，有利于快速解除故障，缩短停劣播时间。

连接发射机输出端和天线的导线称为传输线或馈线。馈线的主要任务是有效地传输信号能量。它能将发射机输出的信号以最小的损耗传送到发射天线的输入端，同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号。这样，就要求传输线应该进行屏蔽或尽量采用平衡传输模式。

所谓平衡式传输模式，就是在信号的传输过程中，使用三条通路来保障信号传递。其中一条为地线或屏蔽线，剩下的两条用来构成信号通路。如果采用平衡式馈线则其前端发射机的功放也必须是平衡式的。但是，采用平衡式功放，要求它使用两套完全相同的功放电路分别对正负半周的信号进行放大，它对两套电路的配对性要求极高，否则信号就不能完美的耦合。 正因如此，平衡式放大器比不平衡式昂贵很多,所以很多中波机采用的是不平衡输出模式。

图中内部一圈信号线为高电位，外部一圈屏蔽线接地。信号线和屏蔽线沿圆周均匀分布，信号线的粗细及数量由馈线所传导的功率大小而决定。表1列出了一些中波馈线的参考数据。

表中的N1为馈线的内导体数,即信号线的数量；r1为内导体的半径；R1为内导体组成的圆的半径；N2为外导体数，即屏蔽线的数量；r2为外导体的半径；R2为外导体组成的圆的半径；H为馈线中心距地高度；Z0为馈线阻抗的实际计算值。

DX-600中波发射机的馈线系统参考了序号3所标注的标准。由特性阻抗为75欧姆，内导体12根，外导体24根的铜包钢金属线组成，内导体截面半径为3毫米，外导体截面半径为2毫米，如图2所示。

高频馈电系统中的阻抗匹配十分重要，阻抗失配会使输送到负载的功率降低；传输大功率时易导致器件击穿；而且由于输入阻抗的电抗分量随着位置的不同而改变，对信号源有频率牵引作用。

当负载上得到的功率为最大时，称此时的负载阻抗与信号源内阻抗匹配。当信号源与负载阻抗间有传输线或四端网络插入，则要求传输线或四端网络的输入阻抗等于信号源的内阻抗，而输出阻抗等于负载阻抗，这称为无反射匹配。本文介绍的馈线系统前端接DX-600发射机，后端接定向中波天线，要达到的目标正是无反射匹配。

如果已经设置好的馈线参数由于某种原因发生了改变，必然会导致负载与信号源不再匹配，即天线和发射机发生了阻抗失配，这将带来很多问题。

失配时由于发射机的功率放大器不是工作在最佳状态，天线将不能从发射机吸取最大功率，降低了功率放大器的效率。由于传输线与天线间阻抗不匹配，天线不能吸收发射机输出的全部功率，并以反射波形式将一部分功率反送回发射机，天线将只能获得入射波和反射波的功率差。阻抗失配时，馈线上的反射波与入射波叠加后形成驻波，即沿线各点的电压和电流的振幅不同，以1/2波长为周期进行变化，传输线上损耗加大，失配愈严重，馈线上最大电压（电流）与最小电压（电流）之比越大，由此引起的介质损耗、漏电损耗、馈线发射等现象越严重。 当最大电压点处于调幅正峰时，在这点上就容易出现馈线打火，甚至由此造成停播。当馈线呈现驻波状态时，馈线阻抗将是距离的函数，由发射机向馈线看过去的阻抗不是馈线的特性阻抗，而是一个很大的，且不稳定的电抗性阻抗，这将给发射机的调整和稳定工作带来巨大困难。

中波馈线在野外露天架设,受环境因素影响很大, 尤其是在东北寒冷的山区表现得更加明显,一旦出现故障,短时间内很难修复,极易造成长时间的停播事故。所以有必要对故障成因进行深入分析，提前做好完善的应对措施。

馈线中窜入含有巨大能量的雷电，不但会危及前端的发射机部件，还可能会造成馈线打火，甚至烧断馈线，造成停播。其应对措施是架设避雷线，加强对接地装置的检查、维护，及时处理线路中的不良接地，定期测量馈线的接地电阻,阻值不得超过4Ω。

架设在野外的馈线及馈杆，容易招致鸟类在其上筑巢或栖息，鸟类带来的树枝或杂物及鸟粪在馈线或绝缘子上堆积起来，容易造成馈线打火或短路。此种情况可以通过线路巡视、人工处理进行解决，还可以通过设置防鸟害措施来解决。

馈线上的绝缘子发生断裂的主要原因是质量问题和馈线拉力问题。发生断裂时内圈信号线和外圈屏蔽线之间的距离发生改变，易引起线间打火、驻波比变大等故障，甚至会造成信号线与屏蔽线间短路，使得发射机无法开机，而造成停播事故。

应对措施：选用质量合格的绝缘子，定期进行清洁，及时更换有问题的绝缘子；通过本文所设计的软硬件系统对馈线拉力进行科学的、可靠的监测，并及时进行调整。

风是一种无形的，变化不定的影响因素。长时间的风力吹拂，会在馈线上形成风压，产生水平方向上的荷载，从而使馈线的应力增大，馈杆产生附加弯矩，会引起断线、倒杆事故。风力的不断吹拂还会引起馈线振动，易造成线材疲劳，尤其是当风力突然急剧变大，馈线拉力也处在临界值时，会产生馈线崩断的可能。

应对措施：通过本文所设计的系统对风力进行实时监测，同时结合馈线拉力的变化，根据具体情况及时对馈线的松紧度进行调整。

由于金属存在热涨冷缩现象,所以温度越高，馈线就伸得越长，拉力变小；温度越低，馈线就缩得越短，拉力变大。如果不及时、准确地对馈线的拉力做出相应的调整，不但会使馈线的特性阻抗发生改变，引起系统失配，还会引起馈线打火、放电，或者发生断裂事故。

应对措施：通过本文设计的系统对气温进行准确的、不间断的监测，并对短时间内出现的温度骤变设置警戒阈值，以提醒工作人员对馈线进行及时的处理和调整。

通过上述分析知道，引起馈线参数发生变化的主要因素都与馈线的拉力有关，所以如果能利用软、硬件系统做好馈线拉力的实时、准确监测，并根据监测数据及时做出调整，就能保证馈线系统时刻运行在最佳状态，为电台的播音工作提供安全、可靠的信号通路。因此，本文利用拉力传感器、风速传感器、温度传感器、单片机及编程软件的组合设计了馈线拉力的实时监测和报警系统。

拉力传感器又叫电阻应变式传感器，隶属于称重传感器系列，是一种将物理信号转变为可测量的电信号输出的装置。它使用两个拉力传递部分传力，由弹性体元件和粘贴在其上的电阻应变片构成，能够将弹性体上的应变转换为电阻的变化，其结构如图3所示。

当被测物理量作用在弹性元件上时, 弹性元件的变形引起应变片的阻值变化, 通过测量电路将其转变成电压或电流输出, 输出电量的变化反映了被测物理量的变化。

本文采用的是S型拉力传感器来测量馈线的拉力值。为了保证安全运行,制造厂规定馈线所用瓷棒出厂试验拉力为两吨，为了留够冗余量，本文采用了最大量程为3吨的拉力传感器作为测量器具。见图4所示。

系统硬件电路设计原理图如图5所示。系统由温度传感器、拉力传感器、风速传感器、运算放大器、滤波器、采样/保持器、模拟多路开关、A/D转换器、单片机AT89C51、恒压电源、晶振电路、复位电路、PC机编程软件、报警装置等部分组成。

工作原理：系统加电后，首先由单片机内部的CPU完成对系统中可编程器件的初始化及通道数的预置，系统所需的时序由单片机内部的8253定时/计数器提供。当拉力传感器、温度传感器、风速传感器完成非电量到电量的转换后，放大器将传感器输出的微弱电信号进行放大，再送入滤波器滤除杂散信号，然后通过采样/保持电路进行处理后送入模拟多路选择开关电路，轮流把采集到的三种电信号送到单片机的高速A/D转换器AD579中，完成模拟量到数字量的转换。这个过程采用的是同时采样，分时转换的方式。在内部地址寄存器DMAC8237的控制下，将采集到的数据高速传送、存储在数据寄存器中，然后通过RS232接口传入PC机，由编程软件对采集到的数据进行分析和处理。当某项采样值超过预设阈值时，与PC机相连的报警装置就会发出声、光报警，提醒技术人员对馈线进行必要的巡视和调整。

单片机程序由主程序和中断子程序组成。主程序负责对来自上位机的命令进行解析和读取拉力值、温度值、风速值等数据，并执行存储、输出等控制。中断服务程序只负责单片机和上位机之间的数据发送与接收。

由单片机实时采集到的温度、风速、拉力等数据，通过RS232接口传输到上位机PC，利用Visual Basic中的通信控件Mscomm属性设置和事件响应，实现与单片机间的串行通信。

在上位机的软件中能够实现以下功能：实时的拉力、温度、风速监测；报警系统的设置和管理；采样数据的统计分析；历史数据查询；馈线检修记录；操作人员管理；软件系统设置等。如图6所示。

实时拉力监测：A01和A02两部DX-600发射机的馈线路，依据双门馈杆的分布被自然地分成了多段，每段馈线上放置4个拉力传感器。系统对所有馈线段传感器的拉力值每隔1秒钟采样一次，并与系统预置的拉力阈值进行比较，给出状态显示。当拉力值越限时，软件界面显示文字提示，警灯图标连续闪烁，音箱发出声音报警。在“馈线拉力总状态”页面，显示出了报警馈线段的示意图，标注了其距离电台台区的距离，步行及乘车到达故障点所需的时间等信息。

实时温度、风速监测：与拉力监测类似，各采用1个传感器对室外馈线路的温度值和风速值进行取样，并进行存储和用于报警比较。

数据统计分析：对存储在数据库中的拉力、温度、风速等数据进行加权处理后分别形成曲线图、柱状图、饼图等以显示监测项目的发展趋势。趋势图可以按照每月、每季度、每年为时间段来形成。对发展趋势差异较大的时间段做好分析报告，存储在数据库中以备日后查询、比较之用。

历史数据查询：可以按照时间、机号、馈线段号、传感器标号、故障记录等多种选项进行数据查询。

本文设计的系统正式实施后，不但会使馈线拉力的调节过程变得更简便、更科学、更精确，还会随着系统运行时间的增加积累大量的实用数据，为更好地维护馈线提供坚实的依据。即使在极端情况下，监测软件发生了崩溃，馈线维护人员也可以通过手持设备直接连接馈线上的拉力传感器，进行数据读取和馈线调整等操作。在未来，监测系统运行成熟后，还可以安装远程自动化控制装置，实现馈线拉力的远程手动、自动调节功能。

参考文献

张学田 李英华 尤巩圻 刘洪才 《广播电视技术手册》 国防工业出版社