曹冬梅，王灿田

（1.江苏农牧科技职业学院，江苏 泰州 225300；2.江苏联合职业技术学院南京分院，江苏 南京 210000）

0 引 言

本文设计了一种感应式带电检测设备，通过感应电原理检测附近的电信号。由于空间中的磁场均可在感应设备上产生感应信号，从而导致周围的变压器或者通信设备均可在感应器上产生感应信号，造成设备误判，因此可以使用滤波器对采集的信号进行过滤，还原有用信号频段，提高信噪比，将无用信号过滤，准确测量是否有50 Hz的交流电，并屏蔽变压器等电磁干扰带来的干扰信号造成的误报[1-3]。

1 系统架构

图1所示为本系统所述的系统架构。本系统采用硬件电路对采集的信号进行放大，并使用数字滤波器对采集的信号进行滤波，过滤60 Hz以上的频段[4-5]。

图1 系统架构

单片机将采集的信号处理后，对信号做二次处理判断，并通过指示灯判断其是否带电。

2 硬件设计

2.1 放大电路

图2所示是本系统所使用的放大电路，该放大电路为共射集放大电路，采用两级放大电路串联实现感应信号的放大，可将信号放大到0～5 V电压范围。

图2 放大电路

为保证放大后的信号不产生较严重的失真，影响信号的采集和识别，因此使用一级跟随电路作为信号的保护级。

2.2 单片机模块

本系统中使用了STC8A8K32S系列单片机，其工作主频为24 MHz。系统中使用了一路12位ADC采集引脚和一路I/O口作为指示灯驱动引脚。由于该款单片机内部集成晶振电路并将复位引脚内部上拉，因此在外围电路设计时，仅需提供供电电路即可使用[6-7]。MCU电路如图3所示。

图3 MCU电路

3 滤波算法设计

3.1 滤波算法选择

在本系统中有用信号为50 Hz的交流信号，而干扰信号主要为高频信号，因此使用一个低通滤波器即可实现大部分噪声的过滤。

目前常用的经典滤波算法有巴特沃斯算法、切比雪夫算法、贝塞尔算法。这三种滤波算法的滤波效果各不相同，其信噪比不同带来的滤波效果也不相同，因此在本系统中选用了幅值相对平缓的巴特沃斯算法。巴特沃斯低通滤波算法幅值响应曲线如图4所示。

图4 幅值响应曲线

如图4所示，在200 Hz时，幅值已达到了-60 dB的滤波效果，因此可以有效过滤高频干扰信号。

3.2 巴特沃斯滤波算法

巴特沃斯的系统函数如下所示：

由于该公式中包含z变换因式，不便于计算机计算，因此将系统函数变为线性差分方程，以方便计算。

巴特沃斯的线性差分方程如下所示：

从公式中可看出，当前滤波后数据与当前采样值和前n次的采样值有关，n为该滤波器的阶数。

为了得到较好的滤波效果，需选择合适的阶数才可将杂波有效滤除。考虑到计算的复杂度和运算量以及滤波效果，选择滤波器的阶数为6阶[8-9]。

4 实验结果

如图5所示，黑色波形为滤波前波形，红色波形为滤波后波形。

图5 滤波效果

由图中可看出，原始波形中50 Hz以上的谐波分量均得到了有效滤除，留下的50 Hz谐波分量几乎不含杂质信号。

需要注意的是，由于该滤波器为线性滤波器，因此在输入时需要一段时间的振荡才会归于平稳。可以看到，起始的第一个周期中，有较大的尖波出现，在程序滤波时，需要注意将一个周期的波形截取才可以得到平稳的波形信号。由于该算法本身固有的特性，会造成波形的相位漂移，因此滤波后的波形会向后相位漂移一定的角度[10]。

5 结 语

本系统介绍了通过STC8A8K32S系列单片机，配合放大电路和程序滤波算法实现的电力设备带电检测装置。该款装置可以有效实现干扰信号的过滤，拥有较强的抗干扰性，可防止设备误报，因此可广泛应用于一些条件恶劣的场所，对电力设备的带电状态进行检测。

经过实际测试，该设备工作可靠，可准确测量并对干扰信号有较强的抵御能力。