直升機(jī)起飛后，由飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電為機(jī)載設(shè)提供一個(gè)穩(wěn)定的115 V／400?Hz的交流電。所有用電的機(jī)載設(shè)備電源都是直接使用115 V／400 Hz或經(jīng)變換后使用，因此，該電源的穩(wěn)定性直接關(guān)系到機(jī)載設(shè)備的壽命及飛行安全。機(jī)載控制保護(hù)盒主要監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)電網(wǎng)的電壓、頻率等信號(hào)，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)過壓、欠壓、過頻、欠頻、過過頻、欠頻和差動(dòng)電流超標(biāo)時(shí)，在安全時(shí)間內(nèi)及時(shí)切斷主電路和發(fā)電機(jī)激磁電路轉(zhuǎn)為備用電源供電，從而有效保護(hù)機(jī)載設(shè)備和飛行安全。
? ? 某型直升機(jī)機(jī)載控制保護(hù)盒是上世紀(jì)80年代的產(chǎn)品，控制電路均由分立元件搭建的模擬電路實(shí)現(xiàn)，具有體積大、測(cè)量誤差大等缺點(diǎn)。本文采用AT89S52單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款數(shù)字化機(jī)載控制保護(hù)盒，該數(shù)字化機(jī)載控制保護(hù)盒在完成保護(hù)功能的基礎(chǔ)上提高了測(cè)量精度，縮短了保護(hù)時(shí)間，還增加了聲音告警功能。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

? ? 控制保護(hù)盒由AT89S52單片機(jī)系統(tǒng)、電源電路、復(fù)位電路、電壓檢測(cè)電路、頻率檢測(cè)電路、差動(dòng)電流檢測(cè)電路、主電路接觸器控制電路、27 V直流電源電路、發(fā)電機(jī)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(jī)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(cè)電路對(duì)機(jī)載交流電源采樣。采樣后變換成直流電，該直流電經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后，變換成數(shù)字信號(hào)與存儲(chǔ)在單片機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)比較，確定機(jī)載交流電是否發(fā)生過壓或欠壓，當(dāng)發(fā)生過壓或欠壓時(shí)，延時(shí)一定的時(shí)間后發(fā)出控制信號(hào)，切斷主電路接觸器和發(fā)電機(jī)激磁電路，同時(shí)發(fā)出聲音告警信號(hào)；頻率檢測(cè)電路將機(jī)載交流電轉(zhuǎn)換成與頻率相關(guān)的脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)計(jì)數(shù)后轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，當(dāng)發(fā)生過頻、過過頻、欠頻和欠欠頻故障時(shí)，單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)切斷主電路接觸器和發(fā)電機(jī)激磁電路，同時(shí)發(fā)出聲音告警信號(hào)；差動(dòng)電流檢測(cè)電路檢測(cè)機(jī)載三相交流電源，當(dāng)三相電源電流差值達(dá)到一定數(shù)值后，單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)切斷主電路接觸器和發(fā)電機(jī)激磁電路，同時(shí)發(fā)出聲音告警信號(hào)。

2 硬件設(shè)計(jì)

控制保護(hù)盒硬件部分由單片機(jī)系統(tǒng)、電源電路、頻率檢測(cè)電路、差動(dòng)電流檢測(cè)電路、電壓檢測(cè)電路、供電控制電路和發(fā)電機(jī)激磁電路7部分組成。AT89S52單片機(jī)系統(tǒng)采用最小單片機(jī)系統(tǒng)和按鍵復(fù)位設(shè)計(jì)，具體電路不再詳述，主要介紹其余6部分電路。

2．1 頻率檢測(cè)電路和電壓檢測(cè)電路

頻率檢測(cè)電路，如圖2(a)所示。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載交流電源頻率進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)機(jī)載交流電源出現(xiàn)過頻、過過頻、欠頻和欠欠頻故障時(shí)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)切斷機(jī)載發(fā)電機(jī)激磁電路和機(jī)載設(shè)備供電電路。取機(jī)載交流電源任意一相輸入控制保護(hù)盒的5(或14)號(hào)和4號(hào)插針，交流電源流經(jīng)限流電阻和1．5 V穩(wěn)壓管，當(dāng)交流電源電壓瞬時(shí)值高于1．5 V時(shí)，穩(wěn)壓管反向?qū)ㄐ纬?．5 V電壓，三極管導(dǎo)通輸出0 V電壓，經(jīng)與非門整形后輸出邏輯高電平“1”，輸入單片機(jī)P3．5口；當(dāng)交流電源電壓低于1．5 V時(shí)，穩(wěn)壓管正向?qū)?，三極管截止輸出5 V電壓，經(jīng)與非門整形后輸出邏輯低電平“0”，輸入單片機(jī)P3．5口；因此，每一個(gè)交流電周期，P3．5口得到一個(gè)高電平。AT89S52單片機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)P3．5口的脈沖數(shù)，通過計(jì)算得到機(jī)載交流電源的電源頻率，完成頻率檢測(cè)。

電壓檢測(cè)電路，如圖2(b)所示，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載交流電源電壓進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)機(jī)載交流電源出現(xiàn)過壓和欠壓故障時(shí)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)切斷機(jī)載發(fā)電機(jī)激磁電路和機(jī)載設(shè)備供電電路。取機(jī)載交流電源任意一相輸入控制保護(hù)盒23號(hào)和4號(hào)插針，交流電源經(jīng)變壓器變壓和二極管整流后，在AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD570的輸入端得到穩(wěn)定的直流電壓，該電壓經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到8位的數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)的P1口，即P1口得到機(jī)載交流電源的電壓檢測(cè)值，完成電壓檢測(cè)。

2．2 差動(dòng)電流檢測(cè)電路和電源電路

差動(dòng)電流檢測(cè)電路，如圖3(a)所示，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載三相交流電源三相電流進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)機(jī)載交流電源出現(xiàn)三相差動(dòng)電流達(dá)到極限值時(shí)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)切斷發(fā)電機(jī)激磁電路和機(jī)載設(shè)備供電電路。三相檢測(cè)電流由控制盒1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)插針輸入，經(jīng)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(gè)通過電阻分壓設(shè)定的值，故當(dāng)差動(dòng)電流達(dá)到極限值時(shí)，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(jīng)與非門整形后，變?yōu)檫壿嫺唠娖健?”，輸入單片機(jī)P3．2中斷口，完成差動(dòng)電流檢測(cè)。

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(jī)載三相交流電源由11號(hào)、12號(hào)和13號(hào)插針輸入控制保護(hù)盒，變壓器變壓后，經(jīng)三相橋式整流電路得到穩(wěn)定的48 V直流電源，該直流電源經(jīng)DC／DC模塊RSO-4827SZ和RSO-4805SZ后得到27 V和5 V直流穩(wěn)壓電源；其中27 V電源用于控制發(fā)電機(jī)激磁電路的繼電器和機(jī)載設(shè)備供電控制電路的繼電器，5 V電源用于給單片機(jī)、比較器和數(shù)字芯片供電。

2．3 供電控制電路和發(fā)電機(jī)激磁電路

供電控制電路如圖4(a)所示，機(jī)載電源通過15號(hào)插針和17號(hào)插針向設(shè)備供電，機(jī)載電源正常時(shí)，P2．0口輸出低電平，光耦斷開，繼電器吸合，機(jī)載電源向機(jī)載設(shè)備供電；當(dāng)機(jī)載電源出現(xiàn)過壓、欠壓、過頻等故障時(shí)，AT89S52單片機(jī)系統(tǒng)的P2．0口輸出高電平，光耦導(dǎo)通，繼電器控制線圈兩端電壓為零，繼電器斷開，機(jī)載電源與機(jī)載設(shè)備之間電路斷開。

發(fā)電機(jī)激磁電路如圖4(b)所示，機(jī)載電源通過控制盒8號(hào)插針和10號(hào)插針向機(jī)載發(fā)電機(jī)激磁電路注入交流電建立發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)，發(fā)電機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下發(fā)出115 V／400?Hz的交流電；機(jī)載發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓正常時(shí)，P2．1口輸出高電平，光耦導(dǎo)通，繼電器控制線圈兩端電壓為27 V，繼電器吸合，發(fā)電機(jī)保持恒定磁場(chǎng)；當(dāng)機(jī)載電源出現(xiàn)過壓、欠壓、過頻等故障時(shí)，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(jī)載發(fā)電機(jī)激磁電路斷開，磁場(chǎng)消失，發(fā)電機(jī)停止發(fā)電。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序流程如圖5(a)所示，上電復(fù)位后系統(tǒng)初始化，首先對(duì)機(jī)載電源電壓進(jìn)行檢測(cè)得到檢測(cè)值，該電壓值首先與固化到單片機(jī)內(nèi)部的過壓故障電壓值進(jìn)行比較，若超過過壓故障電壓值，則進(jìn)入故障處理子程序；然后與欠壓故障電壓值進(jìn)行比較，若低于欠壓故障電壓值，則進(jìn)入故障處理子程序；若電壓檢測(cè)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(tǒng)對(duì)電源頻率進(jìn)行檢測(cè)，得到的檢測(cè)值分別與固化到單片機(jī)內(nèi)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(jìn)行比較，若檢測(cè)值超過過頻故障值和過過頻故障值，則進(jìn)入故障處理子程序；若檢測(cè)值低于欠頻故障值和欠欠頻故障值，則進(jìn)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(cè)差動(dòng)電流，當(dāng)差動(dòng)電流達(dá)到故障值時(shí)，產(chǎn)生中斷，進(jìn)入故障處理子程序；若仍無差動(dòng)電流故障，則循環(huán)檢測(cè)電源的電壓、頻率和差動(dòng)電流。

頻率檢測(cè)子程序流程圖如圖5(b)所示，由圖2(a)可知，機(jī)載交流電源每一個(gè)周期，計(jì)數(shù)器增加一個(gè)脈沖；當(dāng)定時(shí)中斷時(shí)，讀取計(jì)數(shù)器的脈沖數(shù)，同時(shí)將計(jì)數(shù)器清零，并將定時(shí)器初始化；得到的脈沖數(shù)與定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間相除，即得到機(jī)載電源的頻率；單片機(jī)系統(tǒng)計(jì)算出頻率后輸出，同時(shí)開啟定時(shí)器和計(jì)數(shù)器，開始下次頻率檢測(cè)。

故障處理子程序流程圖如圖5(c)所示，當(dāng)機(jī)載電源發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入故障處理子程序，單片機(jī)開始計(jì)時(shí)，并切斷供電電路保護(hù)機(jī)載設(shè)備、切斷發(fā)電機(jī)激磁電路轉(zhuǎn)由備用電源供電；供電電路和發(fā)電機(jī)激磁電路切斷后，進(jìn)行計(jì)時(shí)補(bǔ)償，補(bǔ)償由于切斷供電電路和發(fā)電機(jī)激磁電路過程中產(chǎn)生的延時(shí)誤差，得到真實(shí)的從機(jī)載電源發(fā)生故障到切斷電路的延時(shí)時(shí)間并進(jìn)行顯示；而后發(fā)出相應(yīng)的聲音告警，直到故障消失或系統(tǒng)強(qiáng)制復(fù)位；退出故障處理子程序。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用AT89S51設(shè)計(jì)的數(shù)字化發(fā)電機(jī)控制盒(編號(hào)為060320和080734)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。表中第3列為機(jī)載電源故障動(dòng)作點(diǎn)理論值，第4列為故障時(shí)機(jī)載電源從發(fā)生故障到控制盒切斷供電回路的延時(shí)時(shí)間理論值。第5列和第6列為控制盒060320測(cè)試時(shí)施加的故障電源動(dòng)作點(diǎn)值和故障電源施加到供電回路被切斷的延時(shí)時(shí)間實(shí)測(cè)值；第7列和第8列為控制盒080734測(cè)試時(shí)施加的故障電源動(dòng)作點(diǎn)值和故障電源施加到供電回路被切斷的延時(shí)時(shí)間實(shí)測(cè)值。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，設(shè)計(jì)的控制盒完全能滿足機(jī)載電源保護(hù)延時(shí)要求。