0 引言
为提高系统运行安全，防雷保护必须十分可靠，因此必须对雷电流进行在线跟踪测量。采用89C51单片机实现雷电流在线监测可以测量避雷针、铁塔等处的雷电流 。雷电发生时，只要流过避雷针、铁塔等处的雷电流达到一定的幅值，雷电流跟踪测量系统就会记录下雷电发生的时间、极性和幅值等数据。这种测量方法由单片机自动控制，用户可通过按键方便的查看已记录的数据。通过雷电流跟踪测量系统测量到的数据，可为系统中设备运行提供科学依据，同时还可为全国雷电流研究提供直接的数据，以利于对雷电流进行更深入的研究。
1 硬件构成
雷电流的跟踪测量系统的硬件由电流互感器、模拟信号处理电路、单片机控制器、A/D转换芯片、独立时钟电路、I2C总线数据存储器、看门狗电路、液晶显示电路及其它外围电路组成见图1。
1.1 电流互感器
测量冲击电流一般用无铁心的“空心”互感器，把副线圈围住载有被测电流的导体，以避免冲击电流高频分量产生的缺损影响测量准确度，且较高的di/dt也可感应出足够的测量信号［1］。此种测量用的副线圈即“罗哥夫斯基线圈”,其屏蔽盒外观见图2，其中1为罗哥夫斯线圈，2为铁屏蔽盒，3为被测物，4为切断环流开槽，5为切断磁旁路开槽。
罗哥夫斯基线圈主要考虑以下几个问题：
① 因雷电流的频带很宽(0～几百kHz)，须增加等效电感和减少等效电阻。使绕制的线圈线径尽可能大，寻找线圈的合适匝数可使等效电感增大。
② 为使后级电路线性，必须使从罗哥夫斯基线圈输出的电流的线性度好。
③ 采用高压传输可减少干扰，为避免线圈出口处引线分岔和外磁场的干扰，将线圈一端的引线回头穿入线圈内部，再从另一端出来，这样两端的出头便可合在一起见图3；同时，在整个线圈外加屏蔽以防线圈和测量回路受不必要的电容耦合。为避免屏蔽在线圈处形成短路匝，应在屏蔽上开个小缝见图3，以使主磁通进入线圈。
1.2 模拟信号处理电路
①电流的极性变换。为使测量适应不同极性的输入电压，须加极性变换电路,使后级电路在同一极下进行测量。
②电流的峰值保持。从罗哥夫斯基线圈中取出的电流变化很快(μｓ)，为测量电流值，采用峰值保持电路来达到保持电流峰值的目的。
③电流的幅值变换。采取一些幅值变换电路把太大的电流变小，达到ADC的采样要求，以利于后级电路的处理。
④极性信号的采集。采用极性采集电路，将电流的极性记录下来，然后送到后级电路进行处理。
⑤给后一级数字电路 控制信号。当电流幅值采样并进行处理后，为使后一级数字电路的ADC采集电流信号而加的控制信号，即当电流幅值采样并进行处理后，给单片机发控制信号，单片机接收到这个控制信号后，给ADC发采样信号使ADC工作。
1.3 单片机控制器
89C51 单片机是8位单片机。采用CMOS工艺，与Intel的8051单片机在管脚功能上完全兼容［2］，具有256字节的RAM，可用来存原始数据。4KB的EPROM可用来存原始数据。它具有8位并行I/O接口P0～P3，每个口即可作输入也可作输出。两个定时器可实现对计算机的控制。它还具有5个中断源的中断控制系统、片内振荡器和时钟产生电路。
1.4 复位与看门狗电路
当电源上电、掉电时，采用MAX813L作为电源监视和看门狗电路，可提供复位电平,且当其WDI管脚不能采集到翻转信号时，就会发送200ms的复位脉冲。用P1.2脚定时(≤1.5s)向看门狗电路发送电压翻转信号,当外部干扰或其他原因致死机或系统工作不正常时，看门狗自动发出复位信号。
1.5 12位逐次逼近型快速A/D转换器
该转换器转换速度最大为35μｓ，转换精度≤0.05%，AD574片内配有三态输出缓冲电路，可直接与各种典型的8位或16位微处理器相连，且与CMOS用TTL电平兼容。当89C51发生外部中断后，89C51给AD574一个信号，AD574则模拟信号转化为数字信号供89C51处理。
1.6 独立时钟电路
时钟/日历电路采用DS1302高性能、低功耗带RAM的实时时钟芯片，提供时间等信息，记录雷电发生的时间，能对2000年问题和<31天的月自动进行调整。DS1302具有慢速充电功能，可独立运行，这样即使主电源发生停电仍可由备用电源供电，保证了DS1302的正常运行。
1.7 I2C数据存储器
采用的24LC65是8K×8(64K位)的串行EEPROM(电可擦除PROM)，工作电压范围很宽(2.5V到6.0V)。24LC65采用可与I2C互操作的2线接口，大大减少了系统接口。
1.8 数据的显示
采用16×2(字符×行)的字符型液晶模块，具有低功率、长寿命、高可靠性，可使用户能直观的观察到已记录的雷电流数据。
2 程序设计
程序设计主要由主程序、中断服务程序、数值处理程序。编程时着重考虑了对单片机的正确初始化、数据的采集与处理和数据的存储与显示等。
2.1 主程序
主程序主要完成系统的初始化：定时向看门狗电路发送电压翻转信号；液晶显示数据；查询复位按键和液晶显示翻页按键的状态，其流程图见图4。
首先初始化各寄存器及堆栈地址，然后初始化8155，再从数据存储器中读取信息，并分别显示后查询复位按键和液晶显示翻页按键的状态。
若查询到液晶显示翻页按键的状态为“1”，则调用液晶翻页显示子程序。先读取组数值，再读取组数、极性、电流幅值、时间等数据，并调用液晶显示子程序,同时注意加延时并在每1.5s内给看门狗一条指令CPL P1.2以确保看门狗能正常工作。
若查询到复位键已按下，需再反复查询若干次以确保不是误操作的影响，此时可清除数据存储器中已记录的数据次数和一系列标志。
2.2 中断服务子程序
当前级模拟处理电路有数据到来将会发出中断请求信号，中断流程图见图5。当单片机检测到外部的中断信号后，就会转向服务子程序。在中断服务子程序中要完成对A/D转换、数据的变换、存储及其它操作。中断服务子程序也是软件设计的核心 ，在检测到外部中断后，要处理以下事务：
① A/D转换。前级模拟处理电路的信号是模拟量，须经A/D处理后再将信号送入单片机。
② 数据的变换。由于前级模拟处理电路进行过幅值处理，故需对数据进行变换。
③ 数据存储。为防意外掉电及便于查询，须存储次数、电流极性、幅值及发生时间等数值。
2.3 数值处理子程序
为保证数据的准确性须进行数值处理。当中断触发电路发送中断信号后，每隔一定的时间让AD574采集一次数据并存储。根据前面采集并已存储的数据进行Lagrange插值多项式运算，即pn(x)
因采用了幅值变换电路，故要根据所测结果提出修正系数并在程序中相乘。
3 采取的可靠性措施及实测数据
设计时采取了以下措施：① 看门狗电路具有自动复位的功能。② 软件设计时对复位按键的状态进行一系列的判断检查，能够确保正确查询，防止误操作。③ I2C总线连接的E2PROM可在异常情况下保存住现场信息，故可大大提高整个系统的可靠性。
实验室实测数据见表1。
4 结论
a.雷电流的跟踪测量系统的测量误差<±3%，符合标准要求［3］，达到了设计的目的。
b.雷电流的跟踪测量系统充分利用了所选器件的资源，试验研究表明，工作稳定，容错能力强。
参考文献
1 华中工学院，上海交通大学等.高电压试验技术.北京：水利电力出版社，1993
2 李华等.MCS—51系列单片机实用接口技术.北京：北京航空航天大学出版社，1997
3 解广润.电力系统过电压.北京：水利电力出版社，1985
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