（光学工程专业论文）高电压环境温度实时监测系统.pdf

叫j a b s t r a c t l o c a lt e m p e r a t u r er i s i n g ，w h i c hi sc o u r s e db yt h eb a dc o n t a c to fc i r c u i tb r e a k e r sa n d s w i t c h e sa sw e l la st h ec a b l ec o n n e c t i o np o i n _ t ，i sa ni m p o r t a n tf a c t o ro ft h ei m p a c to f p o w e rg r i ds a f e t ya n dr e l i a b i l i t y t h eu s e o ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yf o rk e y c o m p o n e n t so fp o w e rs y s t e mi st h ee o i n t n o nm e a d st oe n s u r et h es a f eo p e r a t i o no ft h e p o w e rs y s t e m t r a d i t i o n a lt e m p e r a t u r em e 嬲u r e m e mm e t h o d sa r el a c ki nt h es e c u r i t y , r e l i a b i l i t y , a c c u r a c ya n dd a t ac o l l e c t i o na n dm a n a g e m e n t t i f f ss u b j e c t , u s i n gi n f r a r e d t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y , c o m b i n e d 谢t l l s i n g l e - c h i p a n de m b e d d e d t e c h n o l o g y , d e s i g n sar e a l - t i m et e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs y s t e ma p p l i e dt oh i g h - v o l t a g e e n v i r o n m e n t o nt h eb a s i so ft h ed e t a i l e da n a l y s i so fs e v e r a lc o 加m o n l yt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t t e c h n o l o g yp r i n c i p l e ，i n f r a r e dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tp r o g r a mi s s e l e c t e da n dt h e p r i n c i p l e so fi n f r a r e dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t i sr e s e a r c h e da n de x p l o r e d b yi n d i r e c t l y i m p r o v i n gi n f r a r e de m i s s i v i t yo ft h e m e a s u r e do b j e c t sa n dm a n yd a t a b a s ea n dd a t a s y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g y , t h es y s t e mw h i c hi su s et om o n i t o rt e m p e r a t u r eo fo b j e c t s w i t he l e c t r i c i t yi sd e s i g n e d t h es y s t e md e s i g ni n v o l v e si n f r a r e dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e mt e c h n o l o g y , d a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g ，8 - b i ts i n g l e c h i pa n d3 2 - b i ta r m 9e m b e d d e dc h i p ，心o s - i i a n dw m d o w sc ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，e m b e d d e dd a t a b a s et e c h n o l o g ya n d w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , c t c d a t ai st r a n s m i t t e di nw i r ea n dw i r e l e s sw a y , i no r d e rt om e e tt h en e e d so fm a n yv a r i e t ym o n i t o r i n gf i e l d s ，e n h a n c et h ea d a p t a b i l i t yo f t h es y s t e ma n dr e d u c et h ed i f f i c u l t yo ff i e l d sc o n s t r u c t i o n t h ee n do ft h i sa r t i c l ed e s c r i b e st h a tt h es y s t e mf u n c t i o n sa n dt h ea c c u r a c yo ft h e d a t ai st e s t e d a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，t h e r ea r es o m ea d v i c e sf o r f u r t h e rw o r k k e y w o r d sh i g h - v o l t a g ec h a r g e db o d y , i n f r a r e dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t , e m b e d d e ds y s t e m s ，r e a l - t i m em o n i t o r , 缸。j 1 一 。 产 ， e 、一 p 中文文摘 中文文摘 随着电力行业的不断发展，社会对电力系统的安全性稳定性等的要求越来越高， 实施对高压开关系统中关键部件温度的实时监测和对监测数据的分析与管理，能有 效预防因接触不良或过流而引起的供电事故发生，有利于预测和总结故障发生的规 律，对于保障电力系统的安全运行具有重要的现实意义。 本文详细介绍了高电压环境温度实时监测系统的设计，包含绪论及6 章内容： 绪论。分析了本课题的社会背景及意义。研究了当前国内外电力系统中常用的 测温方法，如贴片测温法、普通接触测温法、光纤测温法和红外测温法等，其中红 外测温法具有较高的安全性和可靠性，并且开发成本也比较适中，通过采用合适的 定标和校准，可以获得较高的测量准确度，可满足高压电力系统中对温度在线监测 精度的要求，因此，本系统选择了红外测温方案。本章最后简要概括了系统的创新 与特色，介绍了课题来源和研究的主要内容。 第一章红外测温的理论基础。介绍了红外测温原理及几个重要定律。自然界的 任何物体均可向外辐射包括红外波段在内的电磁波，而红外辐射与物体的温度之间 存在的一定的关系，其关系中比较重要的有基尔霍夫定律、普朗克分布定律、斯蒂 芬一玻尔兹曼定律和维恩位移定律等，因此，通过探测红外辐射的强度就可以间接 测得物体的温度。本章最后根据探测红外辐射强度的原理和实际监测目标的需求， 提出选用红外温度传感器的类型和技术参数要求，并对测量方法提出指导性原则。 第二章温度实时监测系统的总体设计。通过对系统的功能分析，系统被划分为 现场采集终端r t u 、数据集中器d i 及人机交互终端u i 三个部分。r t u 主要完成对 数据的采集和处理，d i 主要负责数据的集中管理与传输，u i 则实现与用户之间的 交互。最后根据各部分的功能和指标要求分别进行了系统设计。 第三章硬件设计。对系统的各个部分的硬件设计进行了详细的说明。r t u 采 用p i c 单片机作为处理器，选用v t i r - 3 8 1 6 红外传感器进行温度数据的采集，通过 n r f 9 0 5 无线通信模块或c a n 模块与d i 实现数据通信；d i 选用p h i l i p s s e m i c o n d u c o r s 的l p c 2 2 9 4 作为处理器，扩展了数据存储器，通过r s 4 8 5 与i j i 及上 位p c 机进行通信；u i 选用a r m 9 系列的s a m s u n g $ 3 c 2 4 4 0 作为处理核心，采用其 相应的开发板进行子系统设计。 第四章软件设计。详细介绍了系统的各个部分的软件设计。r t u 使用m i c r o c h i p i ， e j j ， 福建师范大学工学硕士学位论文 公司的m p l a bv 7 4 3 作为软件开发平台，r t u 实现对现场温度数据的采集、显示， 并将数据通过无线或c a n 总线方式传送给d i ；d i 采用a d s l 2 作为开发平台，移 植了| lc o s i i 作为操作系统，并通过多任务机制完成对数据采集、数据管理及与 或p c 机之间通信的功能设计；u i 采用w m d o w sc e 操作系统，在此基础上，进 行驱动及其应用程序的开发。本章最后介绍了各子系统之间的通信协议。其中r t u 与d i 之间的通信，采用主从分布式网络，每次通信由d i 发起，向指定r t u 发送设 置或查询指令，r t u 则响应d i 的指令；p c 机或u i 与d i 的通信采用半双工串口通 信，p c 机或u i 采用主动方式，d i 采用被动方式。 第五章系统测试。介绍了系统测试的相关内容。在完成系统设计之后，系统重 点测试了温度数据的准确度。由于影响红外测温精度的因素比较多，除了受到仪器 本身影响外，还有被测物体表面的红外线发射率和反射率、背景辐射、大气衰减、 测量距离、环境温度等因素的影响。通过测试及误差的分析研究发现，系统中被测 物体( 金属) 表面的发射率比较低，成为影响测量精度的主要因素，通过采用间接 提高被测物体红外辐射率的方法，可以有效提高测量精确度，通过定标和校正后， 在测量范围内，绝对测量误差3 0 ，可以满足高压电力系统中温度在线监测精度 的要求。 第六章结论。对电力设备关键部件的温度监测方面进行了探索和研究，采用红 外测温技术、数据采集与处理技术和嵌入式系统的软硬件技术，设计并实现了一套 适用于高压开关系统关键部件温度实时监测的系统。已完成的工作包括对红外测温 技术的研究，系统的软硬件设计，通信协议的开发及其部分系统测试。提出了进一 步完善系统功能和提高系统性能指标的思路。 i v 、 目录 目录 中文摘要。i a b s t r a c t 中文文摘h i 目j 录、r 绪论1 第一章红外测温的理论基础5 第一节红外测温的原理5 第二节红外温度传感器件的选取7 第二章温度实时监测系统的总体设计9 第一节设计目标9 第二节系统设计方案9 第三节r t u 的系统设计1 0 第四节d i 的总体设计1 1 第五节的总体设计1 1 第三章系统硬件设计。- 1 3 第一节r t u 硬件设计1 3 第二节d i 硬件设计1 6 第三节u i 硬件设计2 2 第四章系统软件设计2 5 。 第一节r t u 软件设计2 5 第二节d i 软件设计2 6 。 第三节软件设计2 9 第四节通信协议3 9 第五章系统测试4 3 第一节提高测量精度的研究实验4 3 。 第二节误差的原因及校正4 4 v 。 福建师范大学工学硕士学位论文 第六章结论。4 7 附录 参考文献 4 9 - 5 7 攻读学位期间取得的主要成果6 1 致谢 6 ：! 2 。人简历6 3 福建师范大学学位论文使用授权声明6 4 ， 一 d 尸 绪论 课题背景及意义 近年来，随着经济及科技的迅猛发展，电网得到了进一步的推广普及【1 1 1 2 1 ，工业 及日常生活用电的安全性稳定性也越来越受到政府及社会各界的重视。在电力供电 系统中，由断路器和开关的触点以及电缆连接点接触不良引起的局部温升，是影响 电网安全可靠运行的重要因素【3 1 1 4 1 5 1 。而日常的人工巡检则可能出现漏检或巡检间隔 期内出现故障的情况。实施对关键部件温度的实时监测和对监测数据的分析与管理， 有利于预测和总结故障发生的规律，可有效防止意外的发生，对于保障电力系统的 安全运行具有重要的现实意义 6 1 1 7 1 。 近年来，国外相继开发了一些基于不同检测原理的电气设备温度在线检测装置 阎。a b b 公司研制的“s a f eg u a r d 装置，它是一种非接触型温度监测系统，主要用 于配电开关柜中关键部位的温度连续监测，也有监测断路器其他工作状态的功能； 日本电力工业研究中心利用测量接触点周围磁场的变化，直接判断母线连接和气体 绝缘开关中的异常接触状况。我国也开发研制相应的温度测量设备，并取得了一定 的成就。如扬州工学院于1 9 9 4 年提出一种非接触式智能激光温度计，它应用石英晶 体传感器进行温度测量。由于石英晶体传感器不导电，故解决了高电压绝缘问题； 哈尔滨工业大学也结合了红外测温与光纤测温的方法，研制了红外光纤辐射温度计。 然而这些测温装置生产成本高昂，且在安全性、可靠性、准确度和数据的采集与管 理上存在一定的不足，不利于大面积推广使用。随着各种测温技术、嵌入式技术、 数据库技术等的发展，建立一套具有低生产成本、高安全性可靠性、有效数据管理 的温度实时监测系统成为了一种趋势【9 】【1 0 1 。 红外测温技术是利用红外测温原理的一种非接触式的测温方法，结合嵌入式系 统、网络通信、多设备数据库的分级缓存及其数据同步技术等，可有效降低生产成 本，提高系统性能，弥补传统测温技术的不足1 1 】【1 2 1 。 但是，采用红外测温方法受外部因素影响较多【1 3 】，且电力设备是在高电压大电 流的环境下工作，存在强电磁场干扰。如何对红外测温系统进行校准，克服强电磁 场的干扰以保证测量数据的准确性及数据传输的可靠性，实现温度的实时监测成为 本课题极富挑战的关键技术。 本课题就是在这种背景下，经导师悉心指导后选定的。 福建师范大学工学硕士学位论文 温度实时监测技术现状 在电力系统中进行温度监测的对象，往往是工作于高电压大电流状态的带电体， 伴有强电磁场干扰。因此，对监测系统的耐压和抗电磁干扰的性能提出了严峻的挑 战。 早期的测量方法是采用贴温度色片法，其原理是利用物体受热后发生一系列化 学和物理变化，由分子结构的改变，导致反射光的颜色发生变化。例如，晶型转化、 升华、失水、氧化、分解引起光散射的频带转移这一机理研发而成的。贴测温贴片 法使用简单方便，目前部分地区仍在使用，但是其测温准确度低、可靠性差，无法 实现实时测量，并且也不能对封闭的高压环境中的设备进行测量【1 4 1 。 随着电子技术及传感器技术的不断发展，温度测量技术也逐渐成熟起来，从原 理上看，目前在电力设备温度测量方面运用比较多的方法主要有3 种： 1 、普通接触测温法 普通接触测温法【1 5 1 是指将热电偶、热电阻、半导体温度传感器等探头直接紧贴 于被测物体进行温度探测，将温度信号转化为电信号，此电信号通过金属导线进行 传输至温度采集器，温度采集器将电信号进行适当的处理之后，通过无线或有线的 方式再传输给上位机。此测温法的一般原理如图1 所示。 图1 接触测温法 f i g u r e1c o n t a c tt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t 该测量技术比较成熟，但是由于需要金属导线供电和传输信号，绝缘性能不能 保证，显然不能满足本课题的需求。 2 、光纤测温法 光纤测温法有两种形式：光纤作为传输介质和光纤作为温度传感器。 ( 1 ) 光纤作为传输介质 测量时，由温度传感器将温度信号转换为电信号，通过电光转换得到光信号， 此光信号利用光纤传输至温度测量仪器内部后，进行光电转换获得代表温度信息的 电信号，经处理后可以得到相应的温度值【1 6 1 。 ( 2 ) 光纤作为温度传感器 光纤温度传感器的原理是指利用温度变化引起光纤的传输性能的变化，再利用 光电探测器件分析光信号的变化，从而测得被测温度【1 砸1 8 1 。 根据工作原理的不同，该方法又可以分为外调制型与光纤调制型两种。 外调制型光纤温度传感器的基本原理是利用温敏元件的光谱透过率t ( 入，t ) 为温度和波长的函数，当光源的光强和光谱分布一定时，随着温度升高，温敏元件 透过率曲线向长波移动，这样光电探测器收到的光强度减弱，由光信号的变化即可 测得温度。 光纤调制型光纤传感器的基本原理是：光纤中光信号的变化是刻纹段被挤压时 模体积变化的结果，而模体积的变化又归结于光纤被挤压时纤芯折射率及纤半径的 变化。当一段未刻纹的介质折射率为阶跃型的多模光纤在被沿垂直于轴线方向的应 力挤压时，光纤的模体积发生变化，对光纤中光强进行了调制，但调制量极小，不 易测量，如果在温度测量所使用的光纤上刻纹并镀铝，就比较容易地调制光纤中的 光强，这种光纤传感器有较高的灵敏度，当外界温度变化时，镀在光纤表面的铝涂 层发生热胀冷缩，使光纤受到拉伸或压缩，引起光纤内传输的模体积变化，从而导 致了光强度的改变，通过光电检测器就可以测量出温度值【1 9 2 0 。 光纤测温法可用于测量高温，并且具有本质绝缘、耐腐蚀、抗电磁干扰、防爆、 响应快等优点，但是制造工艺复杂，成本较高，还可能存在光纤表面粉尘污染而产 生“污闪”的危险【2 1 】瞄】。 3 、红外测温法 红外测温的基本原理是：凡是温度高于绝对零度的物体都可以产生红外辐射 c 2 3 】【2 4 】。物体所发出的红外辐射能量的强度与其温度成比例。物体的温度越高，所发 出的红外辐射能量也越强。测温仪的光学系统将物体辐射的能量会聚到探测器上， 探测器将入射的辐射转换成为电信号，电信号再经过信号处理及补偿之后就可以得 到相应的温度数据。红外测温法原理方框图如图2 所示。 - 一 福建师范大学工学硕士学位论文 图2 红外测温原理示意图 f i g u r e2p r i n c i p l e so fi n f r a r e dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t 被 +。光 - - q 信号处理电路卜 显 测学 探 目 系 +测 不 标 统 器 _ 一信号补偿电路f - 器 红外测温法可以避免直接接触带高压的被测物体，很好地解决了高压隔离等问 题，提高了系统的可靠性，但其温度测量精度比较低。 影响红外测温精度的因素众多，主要有被测物体的红外线发射率、大气对辐射 能的吸收及背景噪声等。首先，由于实际测量的物体不是黑体，其发射率不可能等 于l 。而材料的发射率与其温度、表面粗糙度、表面处理方法等都有关系，尤其是 金属与非金属之间发射率的差异较大；大气中的某此成分能吸收部分波段内的红外 辐射，如水蒸气和二氧化碳，这种吸收将减弱被测物体的红外辐射强度；背影噪声 包括反射周围物体的辐射能和大气辐射两项。如果通过有效的校准，就可以得到比 较准确的温度值，满足工业领域对温度监测的要求【2 卯。 通过对以上测量方案的对比分析，本系统最终采用红外测温法进行项目开发。 本文的创新和特色之处 本系统适用于对多目标、大范围的高压带电体温度的分布式监测与数据的集中 管理； 提出采用间接提高被测物体红外发射率方法，解决被测金属部件红外发射率低 的问题： 多设备数据库的分级缓存及其数据同步技术。 课题来源及主要研究内容 本课题依托福建省教育厅项目“s h 6 0 2 h 系列开关室环境智能监控系统”( 项 目编号：j b 0 6 2 0 6 ) ，其主要研究内容有： 1 、应用红外测温技术实现对金属高压带电体温度的非接触测量； 2 、嵌入式实时操作系统的选择与移植： 3 、温度实时监测系统的软硬件设计； 4 、红外测温系统的定标与校正。 5 、实现分布式监测与数据集中管理。 第一章红外测温的理论基础 第一章红外测温的理论基础 第一节红外测温的原理 自18 0 0 年赫胥尔首先发现红外辐射以来，经过几代科学家的探索、实验与研究， 红j , l , i 9 l t j 温原理得到了成熟和完善，为成功研制红外测温系统奠定了理论基础。 在自然界中，一切温度高于绝对零度k 的物体，由于分子的热运动，都在不停地 向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波，其中波长范围在0 7 6 - 1 0 0 0 l am 间的称 为红外光波。红外光具有很强的温度效应，通过测量红外光的强度，可以推算物体 的温度值 2 a l 2 r l 。 在红j , b 钡t j 温理论领域主要存在四个定律：基尔霍夫定律、普朗克分布定律、斯 蒂芬一玻尔兹曼定律和维恩位移定律。 1基尔霍夫定律 由基尔霍夫定律可得，在任何温度和波长下，一个热平衡不透明腔体的发射率 占等于其吸叫率口，即 口= g( 1 1 ) 式( 1 - 1 ) 中，f 为发射率；口为吸收率 根据能量守恒，有 口+ ，+ f = 1( 1 2 ) 式( 1 - 2 ) 中，口为吸收率；，为反射率；，为透射率。 对于不透明材料，= 0 ，即口+ ，= 1 可知 占= 口= 1 一，( 1 3 ) 式( 1 3 ) 表明，高反射表面一定是弱发射体，对于黑体，有，= 0 ，t = 0 ，即 占= 口= l( 1 4 ) 2普朗克分布定律 普朗克分布定律揭示了黑体辐射能量在不同温度下按波长的分布规律，其数学 表达式为 e b 2 = 篙 ( 1 - 5 ) 式( 1 5 ) 中，历。为黑体辐射出度，w ( m 2 l am ) ；c 1 为第一辐射常数，c 1 = 3 7 4 1 5 福建师范大学工学硕士学位论文 1 0 8w e m 2 l am ? ；c 2y 擤- 辐射常数，c 2 = 1 4 3 87 9 1 0 4t am 4 k ；入为波 长，um ；t 为绝对温度，k 。 这个公式揭示了红外辐射能量与黑体温度及响应波长之间的关系，如图1 一l 所 示【1 l 】。 图1 - 1 黑体辐射的光谱分布 f i g u r e1 - 1 口。8 oi23 孑o7 罩箩：o1 1i zl s1 41 5 。；0 。，：i、： i ： 健怪钿妨 由图1 - 1 曲线，可以得到如下重要的结论： ( 1 ) 随着温度升高，辐射能量也增加； ( 2 ) 随着温度升高，辐射峰值的波长向着短波方向移动； ( 3 ) 辐射能量随温度的变化率，短波处比长波处大。 3斯蒂芬一玻尔兹曼定律 将式( 1 - 5 ) 对波长从0 o o 积分，得 岛= o q 4 ( 1 6 ) 式( 1 - 6 ) 中，e b 为黑体全辐射度，w m 2 ；仃为斯蒂芬一玻尔兹曼常数，w k ) 。 该定律表明，黑体的全辐射度与其绝对温度的四次方成正比，这是全辐射测温 仪的理论基础。 7 6 5 4 3 2 ， o 默 纯 仅 m 仅 优 瓴 耄基，敞v端瓿lll壤驿罄采 第一章红外测温的理论基础 4维恩位移定律 由维恩位移定律可得，在任意温度下，黑体光谱辐射通量最大值所对应的峰值 波长 肼与温度丁乘积为一常数，即 九t = a( 1 - 7 ) 式( 1 7 ) 中，a 用为光谱辐射出射度的峰值波长；a 为一常数。 由此可得，光谱辐射出射度的峰值波长与绝对温度成反比。 第二节红外温度传感器件的选取 红外温度传感器件的使用受到多方面因素的限制，如被测物体的大小、传感器 与被测物体之间的距离长短、红外传感器感应的波长范围、工作原理等的影响。了 解红外温度传感器的主要性能参数，才能够对其做出正确选择【船1 2 9 1 。 l红外温度传感器件的主要性能参数 ( 1 ) 测温范围是指该红外传感器所测量温度的范围大小。 ( 2 ) 光谱响应波段是指影响红外传感器输出信号的红外波段。这与要测量的温 度范围有关，一般而言，所测温度越高，则响应波段就越往短波方向偏移。 ( 3 ) 响应时间是指该红外传感器响应被测物体温度变化的最短时间，该值越 小，说明传感器越灵敏，反应越快。 ( 4 ) 距离系数s d 即测温仪到被测物的距离s 与测温目标直径d 的比值。此 系数越大，表明光学分辨率越高，即在同样的距离下，能测更小的目标。此系数也 就是测温仪的视场。由于单波段测温仪显示的温度是其视场的平均值，所以被测物 必须充满视场，而且要有一定的余量，最好有1 5 倍的余量。 2本系统中红外传感器的选取 考虑到现场及系统的需要，本系统选用的是光谱响应波段为8 - - - , 1 4 9 m 热电堆红 外传感器v t i r - 3 8 1 6 ，该波段可以有效避免大气尘埃和水汽对红外线传输中的衰减， 可有效滤除因杂散光产生的噪声以及环境温度突变引起的输出信号漂移，具有很强 针对性的红外辐射探测能力；v t i r 3 8 1 6 的测温范围为一2 0 3 0 0 ，响应时间为 2 5 0 - 5 0 0 m s ，完全满足本课题测量范围卟1 2 5 的需求；本课题的测量对象是1 0 k v 高压开关柜内的机械接触部件等，其中柜内铜( 或铝) 排的宽度为8 0 1 5 0 m m ，考 虑到1 0 k v 电气安全距离7 0 0 m m 3 2 1 和开关柜内部具备1 0 0 0 1 5 0 0 m m 安装空间，因 此选择距离系数s d = 1 0 的传感器v t i r - 3 8 1 6 【3 0 】p 。 福建师范大学工学硕士学位论文 - 8 - 一 第二章温度实时监测系统的总体设计 第二章温度实时监测系统的总体设计 第一节设计目标 1主要技术指标 测量系统与被测对象的距离满足1 0 k v 电气安全距离要求： ，7 0 0 m m ； 传感器光谱范围：8 1 4pm ； 测温范围：0 - , 1 2 5 ； 工作环境温度：0 6 0 c ； 距离系数：1 0 ：1 ； 测温分辨率：0 5 ； 测温示值误差：2 ； 温度超限的本地报警响应时间：1 0 s ； 通信距离( 可视) 5 0 m 。 2主要功能 实时温度数据能够现场显示和集中显示，并具有与控制中心计算机通信的功 能； r t u 和d i 之间实现无线和有线两种通信方式； 具有带时间标签的报警数据存储和查询功能； i j i 和控制中心计算机均能够对d i 和r t u 进行设置和数据交互。 第二节系统设计方案 本系统的设计方案如图2 1 所示，主要由r t u ( r e m o t et e r m i n a lu 1 1 i t ) 、d i ( d a t a i n t e g r a t i o n ) 、u i ( u s e ri n t e r f a c e ) 及各种通信链路组成。 福建师范大学工学硕士学位论文 图2 - 1 系统的总框架 f i g u r e2 - 1t h eo v e r a l lf r a m e w o r ko fs y s t e m 采集点 r t u 主要进行温度数据的采集和处理，并将处理后的数据发送至d i ；d i 完成 数据通信和集中处理，并将数据传输给u 或高端服务器；i j i 实现人机交互，便于 工作人员对数据的查询和对系统的设置。 由图2 - 1 可知，r t u 与d i 间采用无线通信或者c a n 总线通信方式；d i 与u 或高端服务器均采用r s 4 8 5 的通信方式。 第三节r t u 的系统设计 r t u 的系统设计如图2 2 所示，主要由处理器、传感采集、显示、通信及调试 等四个模块组成。 其中，传感采集模块进行现 场各种数据的采集，并将采集到 的原始数据传送给处理器模块； 处理器模块对原始数据进行必 要的分析、处理( 如软件滤波) 、 转换，然后将处理后的现场数据 图2 - 2r t u 的总体设计 l 传感采集卜- 一一通讯 处理器 i 显示k -叫调试 第二章温度实时监测系统的总体设计 送至显示模块进行显示，并根据协议通过通信模块与d i 进行通信；调试模块用于 r t u 的调试与升级，以适应不同的应用环境。 第四节d i 的总体设计 由于d i 实现数据的传输、存储、分析及与上位机的通信，在系统中起着核心 的作用，所以，d i 在设计过程中必须优先考虑其可靠性及足够的存储空间。d i 的 系统设计框图如图2 - 3 所示。 d i 主要由处理器、外围电路、 报警控制、通信及调试五个模块构 成。 处理器是d i 设计的核心模块， 负责定时发送采集数据的指令给 r t u ，并将r t u 回送的现场数据进 图2 - - 3d i 的总体设计 f i g u r e2 3d e s i g no fd i 防围电路卜- 一通信 处理器 i 报警控制卜一叫调试 行存储和分析，当数据出现异常报警情况时，及时采用应对措施。同时，d i 还负责 及时响应u i 或上位机发送的读取数据或设置的指令，将现场数据回送或进行参数的 设置更改；通信模块用于d i 与其他设备，如r t u 、u i 、p c 机等的数据交互。在采 集现场数据时，采用无线或有线的方式采集现场数据。当u i 或上位机等需要相应的 数据时，则d i 将采集到的数据通过光纤或c a n 等通信方式传输给该u i 或上位机； 外围电路主要用于支持处理器工作，由于需要d i 存储大量的现场温度数据及程序更 新，仅靠处理器芯片内部集成的存储器不能满足需求，因此，需要进行存储空间的 扩展。为了保证处理器芯片正常持续的工作，时钟电路、复位电路等也是必不可少； 报警控制模块则处理异常或报警情况，如数据连续出现超过报警门限，温度上升速 度过快等，通过该模块可以控制现场的扬声器、报警灯等；调试模块便于d i 设计过 程中功能的开发与调试，主要采用j t a g 技术，实现在线调试和程序的烧写。 第五节u i 的总体设计 u i 是直接与用户交互的平台【3 3 】踟，在用户 界面的设计过程中，除了要完成显示数据及控 制功能外，还需要考虑界面的美观、使用方便 等因素。的总体设计如图2 - 4 所示。 u i 由处理器、显示、控制及通信五个模块 图2 - 4u i 的总体设计 f i g u r e2 - 4d e s i g no fu i 控 制 处理器 福建师范大学工学硕士学位论文 构成。其中处理器模块用于数据处理，是核心模块：通信模块主要用于与d i 进行数 据交互，可以获取或修改d i 数据库的数据；显示模块则将数据通过表格、曲线等方 式进行显示，以供用户查询；控制模块则负责报警的相关参数设置，如报警的上下 限等。 第三章系统硬件设计 第三章系统硬件设计 系统硬件设计是指在硬件层面上，为系统设计方案提供相应的硬件电路，其中 包括元器件的选型和具体功能电路的设计等。硬件设计是系统设计方案的基础，直 接决定了系统的性能参数，包括系统安全性和可靠性。 本系统的硬件设计有三个部分：r t u 、d i 和i j i 的硬件设计。 第一节r t u 硬件设计 r t u 的硬件电路主要由p i c 单片机p i c l 8 l f 、红外温度传感器v t i r - 3 8 1 6 、定 标基准电路1 8 8 2 0 和无线通信模块n r f 9 0 5 组成，如图3 1 所示。 图3 - 1r t u 的硬件设计 f i g u r e3 - 1r t uh a r d w a r ed e s i g n 1p i c 单片机 考虑到系统应用现场的高电压、大电流工作环境，选用抗电磁干扰能力强的p i c 单片机p i c l 8 l f 作为处理器。 p i c l 8 l f 含有一个1 0 位a d 转换器，集成了多种接口含有s p i 、1 2 c 及u a r t ， 并且支持c a n 通信协议：此外，存储空间也较充裕，具有3 2 k 的程序存诸空间、 1 5 3 6 字节的数据存诸空间及2 5 6 字节的e e p r o m 3 5 1 ，可以大大简化外围电路，具 有性能稳定和抗电磁干扰能力强的特点，可满足本系统对r t u 的设计需求。 2红外温度数据采集模块 根据系统需求选择合适的传感器，是系统参数能否达到设计要求的关键。本模 块中选用的是光谱响应波段为8 1 4 1 a m 热电堆红外传感器v t i r - 3 8 1 6 。该响应波段 既可以避免大气尘埃和水汽对红外线传输中的衰减，又可以滤除因杂散光产生的噪 声以及环境温度突变引起的输出信号漂移，具有很强针对性的红外辐射探测能力。 福建师范大学工学硕士学位论文 其距离系数比为1 0 ：1 ，可满足绝缘和电气安全的要求【3 6 1 。 该红外传感器的输出为较弱的双极性电流信号，需要经过调理之后，才可以进 行a d 转换，以获得分辨率较高的温度数据。其调理电路如图3 2 所示。 图3 - 2 调理电路 f i g u r e3 - 2c o n d i t i o n i n gc i r c u i t + s v 红外传感器根据被测物体的红外辐射产生相应的电流信号，通过电流传感器 z x c t l 0 1 0 进行i 变换和放大，再经过由电阻r 3 0 3 和c 3 0 0 组成的r c 滤波电路 滤波后，送入到单片机进行a d 转换。z x c t l 0 1 0 是一款低功耗高精度的电流传感 器，其主要性能参数如下： ( 1 ) 最大输出电压2 5 v ； ( 2 ) 供电电压范围2 5 v 一2 0 v ； ( 3 ) 典型失调电流3 0 0 n a ； ( 4 ) 静态工作电流3 5 | ia ； ( 5 ) 测量精度1 。 3定标基准电路 定标基准电路用于采集准确的环境温度，以 便完成对测量系统的定标和校准。采用测温性能 稳定的数字温度传感器1 8 8 2 0 3 7 1 ，该传感器的工 作电压为3 0 - - - - 5 5 v ，测量范围为一5 5 + 1 2 5 ，测量精度在一1 0 , - - + 8 5 范围内为士o 5 ， 输出为数字温度信号，具有抗干扰能力强，测量 精度较高，测量电路简单的特点。考虑到本系统 的测量精度为士2 ，因此选用1 8 8 2 0 作为定标基 准电路最方便，具体电路如图3 3 所示。 图3 - 3 定标参考电路 第三章系统的硬件设计 4l e d 显示模块 显示模块用于实时显示现场数据。采用l e d 显示模式，其实现电路简单、直接， 视觉效果好，有利于工作人员第一时间( 特别是夜间) 查询到相关数据。具体电路 相h = ，好 图3 - 4 显示电路 f i g u r e3 - 4d i s 锺r0 0 0 l 疆咄0 2 曩m 0 4 秘1 x0 5 e0 6 们 如图3 。4 所示。显示信息首先通过s p i 接口送至移位寄存器7 4 h c 5 9 5 进行锁存，之 后通过l e d 进行显示。 5无线通信模块 无线通信模块主要完成r t u 与集中器d i 的通信，特别适用于现场布线困难的 应用场合。此模块采用n r f 9 0 5 进行设计【3 8 】【3 9 】，n r f 9 0 5 共有3 个频段： 4 3 3 8 6 8 9 1 5 m h z ，工作电压为2 7 3 3 v ，采用f s k g m s k 调制方式，最大输出功 率为+ 1 0 d b m ，硬件集成c r c 校验功能，最大工作速率可达7 2 8 k b i f f s 。在硬件设计 上，只需对n r f 9 0 5 提供相应的s p i 接口就可以与其进行交互，其接口电路如图3 5 所示。 图3 - 5n l f 9 0 5 接口电路 t 。j 福建师范大学工学硕士学位论文 6c a n 通信模块 c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k 的缩写) ，是i s o 国际标准化的串行通信协议， 其特点是在网络上不需要主机控制就可以实现其设备间直接互相通信。c a n 协议采 用c r c 检验，并可提供相应的错误处理功能和较完善的仲裁机制，保证了数据通信 的可靠性，通信介质为双绞线、同轴电缆或光纤，在4 0 米内其通信速率可达1 1 v l b s ， 在降低速率的情况下，可以增长传输距离【4 0 】【4 1 1 ，该协议被广泛的应用于汽车和工业 电子设备等领域。 c a n 通信的外围电路如下图3 - 6 所示。其中p i c 芯片内部集成有c a n 通信协 议，设计时只需增加c a n 通信的外围电路即可，为了增强通信可靠性，增加了光耦 隔离电路。 图3 - 6 c a n 外围电路 信号c a n t x 、c a n r x 与单片机相连，经过光耦隔离芯片6 n 1 3 7 后，通过c a n 总线控制芯片p c a 8 2 c 2 5 0 进行通信。 第二节d i 硬件设计 d i 的核心采用a r m 内核的嵌入式处理器，其硬件系统如图3 7 所示，其中无 线通信电路和c a n 通信电路与r t u 设计相同。 第三章系统的硬件设计 图3 - 7 d i 硬件设计 电源 i _ l 无线通信l i 时钟 l c a n 通信 i 复位 l a 瑚 单片机 存储 r s 4 8 5 通信 调试l ，l 控制电路 i 1 删处理器 考虑d i 对所需处理器的要求，如i o 口数量、存储空间、外围电路等，选用p h i l i p s 公司a r m 7 内核的嵌入式芯片l p c 2 2 9 4 作为d i 的处理器。 a r m 架构是一个3 2 位精简指令集处理器架构，广泛应用于嵌入式系统设计中。 l p c 2 2 9 4 是一个包含支持仿真的a r m 7t d m i s 架构的单片处理器。其片上资源丰 富，集成有2 5 6 k 的f l a s h 存储器和1 6 k 字节静态r a m ，4 个c a n 通道，8 个1 0 位a d 通道，还带有外部存储器接口，2 个3 2 位定时器，p w m 单元( 6 路输出) ， 多个串行接1 ：3 和包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、高速1 2 c 接口( 4 0 0 k h z ) 和2 个s p i 接1 2 ，可使用的g p i o 高达7 6 ( 使用了外部存储器) 1 1 2 个( 单片应用) 【4 2 】。 2电源电路 本系统需要使用4 组电源，分别是1 2 v 、5v 、3 3 v 、1 8 v 。 该电源电路如图3 - 8 ( a ) 、图3 8 所示，其输入为1 2 v 和5 v 直流电源，保险丝 f u s