（通信与信息系统专业论文）基于红外测温的传感器网络监测技术研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 开关柜具有裸露高压、大电流、满负荷等特点，若无法及时检测柜内电 气联结点故障，会引发局部温升超标，对开关柜的安全运行构成严重威胁。 传统测温采用人工巡查，这种故障检测方式效率低下，无法对庞大的电网系 统进行及时预检。近年来，虽然开发出接触式温度监测系统，这些系统解决 了故障检测效率低的问题，但是存在绝缘性隐患，始终未能应用于实际开关 柜。 本文研究了现存测温技术，将红外测温技术和短距离无线通信技术应用 于封闭式开关柜温度监测，解决了高压绝缘的难题，为开关柜稳定运行提供 可靠保障。系统采用红外测温传感器为感温器件，以无线数据收发芯片 c c 2 5 0 0 为射频收发器，研制针对封闭式开关柜的无线温度监测系统，实现 开关柜刀闸运行温度在线监测。 根据红外测温传感器的温度补偿特点，设计了基于环境温度的温度标定 方案，并实现了温度补偿算法。通过大量实验表明，无线温度监测系统运行 稳定、误差小，能够达到监测开关柜柜内刀闸温升情况的要求。 关键词：开关柜红外测温网络监测无线传输 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h es w i t c h g e a ri s o p e r a t i n gi n ah i g hv ol t a g e ，h i g hc u r r e n ta n df u l ll o a d e n v i r o n m e n t i ft h ef a u l to fe l e c t r i cj o i n t sc a nn o tb et i m e l yd e t e c t e d ，r i s eo ft h e l o c a l i z e dt e m p e r a t u r ee x c e e d st h el i m i t ，w h i c hi sas e r i o u st h r e a tt ot h es e c u r i t y o f t h es w i t c h g e a r w i t hm a n u a ii n s p e c t i o n s ，t r a d i t i o n a lt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t i su n a b l et ot i m e l yf o r e c a s tt h ef a u l to f al a r g ep o w e r g r i d i nr e c e n ty e a r s ，m o r e a n dm o r es c i e n t i f i cr e s e a r c hi n s t i t u t i o n sa n dm a n u f a c t u r e r sh a v ed e v el o p e d c o n t a c tt e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs y s t e m s t h e s es y s t e m ss o l v et h ep r o b l e mo fl o w e f f i c i e n c yo f t h ed i a g n o s i s h o w e v e r , t h e r ea l em a n yp o t e n t i a ls e c u r i t yp r o b l e m s i nt h e s e s y s t e m s s ot h e y c a nn o tb ea p p l i e dt ot h ea c t u a l s w i t c h g e a r t h i st h e s i sr e s e a r c h e st h ee x i s t i n gt 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 y , a n da p p l i e si n f r a r e d t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tt e c h n ol o g ya n ds h o r t - r a n g e w i r el e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y t o t e m p e r a t u r em o n i t o r i n go fc l o s e d s w i t c h g e a r i ts o l v e st h eh i g h - v ol t a g ei s o l a t i o np r o b l e m ，a n da f f o r d sar e l i a b l e g u a r a n t e ef o rt h es t a b l ew o r ki n go ft h es w i t ch g e a r w i t hi n f r a r e dt e m p e r a t u r e s e n s o ra st h es e n si n gt e m p e r a t u r ed e v i c e sa n dw i r el e s sd a t at r a n s c e i v e rc h i p c c 2 5 0 0f o rr ft r a n s c e i v e r , aw i r el e s s t e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs y s t e m i s d e s i g n e df o ro n - l i n em o n i t o r i n go fs w i t c h g e a rw o r k i n gt e m p e r a t u r e a c c o r d i n g t ot h e t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nc h a r a c t e r i s t i c o fi n f i a r e d t e m p e r a t u r es e n s o r ，t h i st h e s i sd e s i g n sat e m p e r a t u r ec a l i b r a t i ons c h e m eb a s e do n t h ea m b i e n t t e m p e r a t u r e ，a n d a c h i e v e s t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n o u r e x p e r i m e n t s s h o wt h a tt h ew i r el e s s t e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs y s t e m c a n a c c u r a t e l ya n dr e l i a b l ym o n i t o rt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n so fas w i t c h g e a ra n dt h e s y s t e m i so fg o o ds t a b i l i t y a n dh i g ha c c u r a c y k e yw ords ：s w i t c h g e a r ；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 tt e c h n ol o g y ； n e t w o r km o n i t o r i n g ；w i r e l e s st r a n s m i s s i o n 西南科技大学硕士研究生学位论文第l 页 1 绪论 1 1本文背景及研究意义 随着国民经济的发展和社会经济结构的调整，各地用电需求量与日俱增， 并且对供电质量提出更高要求【l 】。同时无人值守变电站不断增多，定期人工 检修已经无法维护越来越复杂的电力系统f 2 】。 开关柜参与电能生产与传输的各个环节，是电力系统的核心电气设备， 不仅对电力系统起到控制的作用，而且保护系统稳定运行【3 1 。开关柜稳定运 行对电能安全生产、传输、运营等过程具有重要影响【4 1 ，因此，开关柜状态 检测已经成为电力系统长期安全运行的一项非常紧迫的任务【5 1 。 开关柜长期运行于复杂干扰的高压环境中，若无法对柜内关键部件故障 进行及时检修【6 】，如连接点接触不良、老化、松动等，将会导致柜内局部温 升超标，严重地影响开关柜的安全运行。据统计，变电站发生事故中约有4 0 是由过热导致的。随着开关柜数量的急增，热故障已成为电力故障的重要组 成部分，部件过热成为开关柜安全运行的重要瓶颈。 传统开关柜温度故障检测一般依靠人工方式，这种故障检测方式效率低 下，对检修人员经验过度依赖，无法对庞大的电网系统进行及时检修【7 】【8 1 。 同时，封闭式开关柜的密闭性和空间狭小使传统人工方式无法对柜内故障点 进行检查。采用电子技术、传感技术以及计算机技术【9 】，可以实现对开关柜 关键部件进行温度在线实时监测；开关柜温度实时监测解决了传统温度检测 对人员经验依赖的弊病，能够极大提高开关柜维护质量与效率，有助于提高 整个电网的维护水平与效率。同时，开关柜安全运行对电网安全具有重要作 用，开关柜温度实时监测能够提前发现安全隐患，杜绝开关柜烧毁事故，从 而避免大面积停电事故，确保整个电网的安全运行。 1 2 国内外研究现状 国内外开关柜温度监测厂商从上个世纪8 0 年代就开始研究各种温度监 测技术，并且陆续推出相关温度监测产品，这些产品采用的测温方法有热电 偶测温【10 1 、光纤温度传感【1 、红外测温【12 1 、无线测温【1 3 1 等，但由于产品价 格太高、可靠性得不到保证等原因使目前的产品未能得到推广。开关柜在线 温度监测系统的研究热点主要集中在现场温度的获取方式和现场采集设备与 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 监控中心的布网方式两个方面f 1 4 】。 常用开关柜温度监测方式有接触式和非接触式【1 5 】。常见接触式测温有热 电偶测温和光纤测温法，热电偶测温的测量精度非常高，但是其高压绝缘性 差，无法满足开关柜绝缘的要求；光纤测温法是利用光在光纤传输中发生的 拉曼散射温度效应测温【1 6 】，由于光纤有良好的绝缘性能，能够实现高压隔离 测温，但是光纤成本高且不易维护。因此，柜内测温很少大量采用上述方式。 而现有的非接触测温方式主要依靠红外测温仪和红外热成像仪，优点是可以 远距离测量柜内关键部件运行温度，缺点是这些设备价格昂贵，需要维护人 员定时巡检，无法做到实时在线监测温度。 传统监测系统数据传输方式主要有串口总线、光纤以及双绞线等，由于 开关柜结构复杂且空间小，常规的有线监控产品难以施工，采用无线传输并 实现组网已成为很多监控系统新的发展趋势。因此，为保证监测系统跟测量 对象和测量环境完全隔离，需要综合考虑测温方式和数据传输方式，以确保 开关柜安全运行【1 7 儿1 8 。 1 3 论文的主要工作 本文是某电业局一科技项目，目前该电业局管辖的变电站采用人工巡检， 这种测温方式存在明显的弊端：首先，无法及时地发现和记录开关柜温度故 障信息，从而错失维护检修的良机；其次，开关柜的数量庞大，采用人工巡 检需要大量劳动力，增加变电站的维护成本，同时，也很可能因人为因素而 遗漏了重要的故障信息；更重要的是随着变电站数量急增，电力事故一旦发 生将造成不可估量的损失，预防变电站事故是当前变电站维护的可行之策， 而且是一项艰巨任务，因此，拥有一套在线温度监测系统对电力维护意义重 大。 本文的目的是解决当前开关柜温度故障的问题，采用非接触检测手段和 无线传输方式，实现开关柜远程网络化测控。本文基于红外测温传感器和无 线传输技术，研制一种开关柜非接触温度检测系统，实现开关柜远程温度故 障的无人化管理、存储与预警，为维护人员提供快速便捷的故障定位帮助。 本论文的主要工作是根据电业局开关柜维护需求，研制基于红外测温的 开关柜温度非接触在线检测系统，该系统主要用于检测开关柜柜内接触刀闸 的运行温度，实现温度数据采集、传输、存储、显示以及人机界面的交互。 内容包括研制开关柜温度非接触在线检测系统的硬件和软件，完成监测网络 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 的组网与管理，研究红外温度标定原理，实现系统温度标定。 本文章节安排如下： 第一章：主要介绍项目背景、研究意义、国内外研究现状，最后阐述论 文中开展的工作。 第二章：主要介绍高压开关柜非接触测温系统方案设计，详细分析系统 设计需求及性能指标，阐述所设计系统的结构及工作原理，其中包括红外测 温原理和无线数据传输技术。 第三章：完成红外非接触测温系统硬件设计及实现，介绍红外测温节点 和接收节点的硬件设计，最后讨论硬件抗干扰设计。 第四章：完成红外非接触测温系统软件设计及实现。首先设计整个无线 监测系统的通信协议，接下来介绍监测网络的组网与仿真，最后完成红外测 温节点、接收节点、上位机终端的软件设计。 第五章：完成整个系统温度标定工作，包括确定温度标定方案、实施温 度标定实验、讨论多传感器温度标定问题。 第六章：完成整个系统测试工作，包括节点外壳结构设计、搭建实验模 拟平台、测试温度数据采集、分析实验结果。 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 2 系统方案设计 2 1 系统设计的技术要求 本文设计的开关柜非接触温度在线监测系统，用于封闭式开关柜接触刀 闸( 后简称“热点”) 温度监测，结合无线通信技术和红外测温技术，对开关 柜内热点进行非接触监测。在保障电力系统安全的基础上，实现相应的热故 障预警及其温度数据存档处理。用户利用监控终端实时监测热点工作情况， 采用声响报警及时提醒值班人员，极大提高开关柜维护效率，对保障变电站 开关柜稳定运行起到重要作用。 系统设计需求主要包括：系统采集柜内多个热点( 默认6 个点) ，采集信 息采用无线传输，通过上位机对前端红外测温节点进行管理，同时实现人机 交互、信息的智能管理与告警分析功能。具体内容如下： ( 1 ) 对红外测温传感器要求：温度测量范围是0 1 5 0 。c ，测量安全距离 1 2 0 - 3 0 0 m m ，解决红外测温传感器安装视角对准问题。 ( 2 ) 对处理器平台的要求：考虑柜内安装空间受限，所研制的设备必须小 型化，这就要求选用高度集成单片机。 ( 3 ) 对传输方式的要求：为确保节点与柜内设备有充足的高压隔离，红外 测温节点与接收节点之间采用无线通信。 ( 4 ) 对上位机监控终端界面要求：温度监测系统的各种工作参数可灵活配 置，各测试点温度数据以表格方式存储，选通的显示通道实现实时绘制更新， 并要求系统能够实现监测点温度异常告警，对现场数据进行归类、分析、管 理与存档。 ( 5 ) 对系统整体要求：实行模块化设计，预留扩充接口，对每个热点采用 独立监测以确保局部节点故障对系统运行影响最小。 针对开关柜接触刀闸热故障问题，本文开发的非接触温度在线监测系统 的主要技术指标如下所示： 开关柜内测量距离：之1 2 0 m m ； 适合导线直径：芝4 l m m ： 开关柜系统电压等级：o 4 。l o k v ： 采样间隔： 2 m i n ； 测温示值误差：殳5 ； 测温范围：0 。1 5 0 ： 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 红外传感器距离系数比：8 ：1 ； 红外线光谱波段：8 一1 4 u m ； 系统供电方式：采用2 2 0 v 市电供应； 报警方式：声响报警，同时工作指示灯告警； 工作环境温度：o 6 0 ； 室内无线接收距离： 2 0 m ； 2 2 系统结构与工作原理 监测系统由监测单元和监控中心组成，系统结构如图2 1 所示，其中a 表示为接收节点、r 表示为路由节点、e 表示为红外测温节点。 监控中心 l 节点e ：测温节点 节点r ：路由节点 节点a ：接收节点l 图2 - 1系统结构 fig 2 1t h es t r u c t u r eo f t h es y s t e m 监控中心位于电业局的电力管理维护中心，提供电力监控系统的相关接 口。它的主要功能是：控制和维护各个现场监测单元，保证监测系统的稳定： 将现场数据及时上传电力管理维护系统，以供维护人员分析管理。 监测单元是整个系统的核心部分，单个变电站所管辖开关柜数量有限， 一般将站内开关柜划为一个监测单元。每个监测单元配备一台现场监测上位 机、多个路由节点和数十个红外测温节点，完成对该变电站开关柜内刀闸运 行温度的监测。监测单元采用集中监控方式对所管辖节点进行协调管理，并 且安装上位机数据管理系统，能够完成本单元数据处理，同时接受监控中心 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 管理。 监测单元的典型系统如图2 2 所示，其中包含红外测温节点、接收节点 和上位机终端。红外测温节点安装在开关柜支架上，以单片机为控制核心， 通过红外辐射获取刀闸温度，并负责温度数据的采集、处理以及信息的传输 与控制；接收节点包含微控制器、射频模块和串口通信三个部分，实现与上 位机终端交互信息，管理监测单元中各种网络设备，收集温度数据；上位机 终端提供友好的人机交互界面，完成对所获取的温度信息进行分析和判断， 实现温度变化曲线的绘制、超温报警及数据存储等，并且负责与监控中心交 互信息。 出 闸 上位机 徽馓 毋 开关柜 图2 - 2 典型系统 f i g 2 - 2 t h et y p i c a i s y s t e m 监测单元的工作原理是：系统以接收节点为网络协调器，采用自定义通 信协议实现对柜内节点的管理和数据传输。用户通过上位机终端向接收节点 发送温度监测命令，接收节点向红外测温节点转播命令。红外测温节点监听 到上位机命令并判断监测通道正确后，采集当前监测对象温度信息，反馈监 测结果给接收节点。接收节点获得监测结果后，解析监测数据同时上传采集 结果。上位机接收到采集结果后，进行数据解析、曲线绘制、存档以及故障 诊断等处理。 系统开发的核心技术是红外测温技术和无线数据传输技术，下面分别对 其原理做详细介绍。 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 2 3 红外测温原理 2 3 1红外探测原理 物体温度在绝对零度以上都要向外界辐射热量，热量的大小取决于物体 表面温度【”】。对于“黑体”物质而言，也就是对波长没有选择性吸收和发射 的物体，辐射的光谱只与物体表面温度有关。普朗克定律【2 0 】给出黑体辐射强 度与辐射波长、黑体温度的关系： m ) = c l 【e x p ( c 2 , t t ) 一1 】 ( 2 1 ) 其中嘞，7 ) 为绝对黑体的辐射出射度【2 1 】( w c m 2 m ，) ，a 为波长聊，g ，为第一 辐射常数【22 1 ，q 为第二辐射常数【2 3 1 ，黑体波谱图如图2 3 所示，图中记录黑 体在不同温度下向外发射的各段波长及其强度；从图知，不同温度下辐射强 度曲线不相交，物体的温度可通过测量辐射强度获取。 瓣”h 。渊粉、：、 ，、 粼 、毽 麓濯麟。 7 ，n：s & 。 。粼鬣秽，一：义患、 ，溯，、专s 漆。 ：黼鬻醺|感 j l 黼 l - f t2 0 0 0k j f l o ok i f 嚣燃1，。i 1i o1 f w t 帕皓n 争l h i n 岬 图2 - 3黑体波谱图 f i g 2 - 3 t h es p e c t r o g r a mo f t h eb i a c k b o d y 黑体在自然界中不存在【2 4 1 。各种物质发生能量交换时，必须遵循基尔霍 夫定律【2 5 】【2 6 】【2 7 】【2 8 】： a + b + c = l( 2 - 2 ) 式中a 为吸收率，b 为发射率，c 为穿透率。对于大部分物体而言c = o ，称其 为灰体，因此，口= 1 b 。同等温度下物体发射率8 等于吸收率，即= 乜= j b 。 而灰体的辐射强度与同等温度下的黑体辐射强度相近，同时满足斯蒂芬玻尔 tj球善tl，t三、互p喜一摹一s弓簪【l鼍i晖奄 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 兹曼定律【2 9 儿3 0 】【31 】： m ：占盯t 4( 2 - 3 ) 式中为物体表面发射率，盯为斯蒂芬玻尔兹曼常数，丁为物体表面绝对温 度。随着物体绝对温度增加，物体的辐射通量近似四次方增长。从上式可知， 物体在同一温度下辐射能量大小不仅与表面温度有关，还跟物体发射率有关， 其大小取决于物体的物理属性以及物体表面温度。一般物体发射率大概在 o 9 5 ( 如人的皮肤) ，但有些物体发射率极低，如抛光铜的发射率只有o 0 2 。 同等温度下低发射率物体表面辐射能量极弱，严重影响传感器灵敏度，需对 其表面做处理【3 2 】。 黑体波谱图描绘了辐射黑体最大辐射能量的波长，辐射温度与波长成反 比，一般低温物体辐射的能量主要处于红外波段【33 1 。维恩位移定律【3 4 】定量地 描述物体辐射的最大波长和辐射温度的关系： 以t = 2 8 9 8 9 m k ( 2 - 4 ) 维恩位移定律提供检测物体最大辐射能量的波段，如2 5 时物体辐射能量的 最大波长2 m a x 9 7 1 p r o ，10 0 。c 时该物体的辐射光谱最强的波长是厶似7 8 0 # m ， 检测该温度范围的光谱波段是8 和1 1 ，这样能检测辐射的主要部分；本系统 所采用的红外温度传感器工作在此波段。 2 3 2 传感器工作原理 传感器内部一般有吸收器，用于吸收被测物的红外辐射，如图2 4 所示。 当传感器对准辐射源，吸收器和热电偶缓慢变暖，经过反应时间后，它们产 生稳定温差，热电偶将温差转换为热电势【35 1 。 热辐射目 温差 图2 - 4传感器结构 fi9 2 4t h es t r u c t u reo f t h es e n s o r 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 红外温度探测器高于绝对零度也会向外辐射红外能量，辐射能量大小是 关于自身温度的函数。实际中，传感器检测的是被测物和传感器之间的温差 信号，其感温原理如图2 5 所示，被测物表面辐射的热通量通过传感器的吸 收器到达传感器的热端，最终形成温度梯度并被转换成电压信号。因此，传 感器吸收的辐射功率尸，口d 表示为 = k i ( ，4 一乃4 ) ( 2 5 ) 其中k 、为经验因子( 也叫仪器因子，包含斯蒂芬玻尔兹曼常数和传感器的 视角等影响因子) ，t o b j 是被测物表面的发射率，s 姗，为传感器自身的发射率， 死是等效环境绝对温度。 当被测物处在传感器的视角9 之内，周边的红外辐射形成热干扰，因此 需要考虑传感器的视角，这时传感器接收的辐射功率为 = k ( 4 一乞。r 0 4 ) s i n 2 ( 缈2 ) ( 2 6 ) 而热电堆传感器输出的电压信号u t p 还与器件灵敏度s 有关，其电压大小为 = s k ( 4 - 6 , 。乙4 ) s i n 2 ( 伊2 ) ( 2 7 ) 由上式可知，等效环境温度恒定时被测物体的温度和传感器的输出呈一维函 数关系。 图2 - 5传感器工作原理 f i g 2 - 5 t h eo p e r a t i n gp rir i g i p i eo ft h es e n s o r 从上述传感器工作原理可知，传感器输出电压信号不仅与目标物表面温 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 度有关，而且与传感器本身的环境温度也有关系，因此，对红外测温传感器 的标定需要解决环境温度对传感器输出电压的影响，这将在后续章节系统温 度标定中详细介绍。 2 4 无线数据传输技术 2 4 1无线数据传输原理 信息以电信号形式在无线数据传输系统中传递，无线数据传输系统包括 信源、信道和信宿三部分【3 6 】。信源通过发送系统将信息转为适于信道传输的 电信号，电信号通过天线以电磁波能量形式在信道中传输，信宿通过天线接 收到电磁波能量转成电信号，再利用接收系统将电信号还原为信息，并将其 传送给接收用户。典型无线传输系统如图2 6 所示。 信源 图2 - 6 信道信宿 无线数据传输系统原理 o fw ir e i e s sd a t a t r a n s m is si o ns y s t e m 2 4 2 射频收发器的选型 目前，射频收发器芯片种类多，如挪威n o r d i c 公司的n r f 系列，美国 t i ( c h i p c o n ) 公司的c c 系列等，其选型可综合考虑微控制器、编码、尺寸、 功耗、发射功率( 通信距离) 、价格等因素。基于上述考虑，选用t i 公司的 c c 系列产品c c 2 5 0 0 芯片。 c c 2 5 0 0 是一种低成本的u h f ( 频率2 4 0 0 - - 2 4 8 3 5m h z ) 收发器，专为低功 耗无线应用而设计。c c 2 5 0 0 内部硬件结构框图如图2 7 所示。从图2 7 可以 看出，c c 2 5 0 0 芯片的接收器部分包含l n a 、混频器、带通滤波器、模数转 化器a d c 、数字解调器。其中，数字解调器具有数据信号强度指示( r s s i ) 、 增益控锘i j ( a g c ) 、信道滤波和解调等功能。发射器部分由数字调制器、数模 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 转换器、低通滤波器、混频器和功率放大器等组成。其中数字调制器具有数 字滤波、调制和功率控制等功能。 图2 - 7c c 2 5 0 0 内部硬件电路结构图 fig 2 - 7t h es c h e m a tico fc c 2 5 0 0 in t e r n aih a r d w a r e 2 5本章小结 本章首先分析系统的客户需求及相关指标，接着提出系统的总体结构， 同时分析系统各部分的工作原理；然后就本文中使用到的红外测温技术和无 线数据传输技术进行详细介绍；最后讨论射频收发器的选型要求，并详细介 绍本文所使用射频收发器c c 2 5 0 0 的硬件特点。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 3系统硬件设计及实现 3 1红外测温节点硬件设计 3 1 1 红外测温节点硬件框图 红外测温节点完成温度感知、信息处理以及配合接收节点执行监测任务 等功能。根据其功能特点，硬件包含红外温度检测电路、单片机控制电路、 射频收发电路、电源管理电路和激光对准电路五部分，具体如图3 1 所示。 传感器输出信号分别是电偶温差电压信号和传感器本身温度信号。节点以 m s p 4 3 0 单片机为控制核心，采用4 3 0 内部数字时钟作系统时钟。本节点通 过射频收发器c c 2 5 0 0 与接收节点进行信息交互与数据传输。节点电源采用 柜内2 2 0 v 统一供应，以保障节点稳定工作。 图3 - 1红外测温节点硬件框图 fig 3 1t h ebio c kdia g r a mo fin f r a r e dt e m p e r a t u rem e a s u r e m e n tn o d e 3 1 2红外温度检测电路设计 红外温度检测电路的功能是感知热点温度，实现热量与电量的转换，其 检测灵敏度影响系统的精度。红外温度检测电路包括模拟参考电压源、红外 温度传感器、信号调理放大电路和电阻电压转换电路，具体如图3 - 2 所示。 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 红外温度 传感器 信号调理放大 温差电压信号 本体温度 电压信号 电阻电压转换 图3 - 2 红外温度检测电路框图 f i g 3 - 2 t h eb i o c kd i a g r a mo fi n f r a r e dt e m p e r a t u r es e n s in gc if c l i i t 模拟参考电压源的作用：第一，调整传感器输出信号的量程，使其处于 单片机片内a d 的处理范围；第二，给传感器提供稳定的参考电位。节点使 用t ir e f l1 12 作红外温度检测电路的模拟参考电压源，r e f1 l1 2 【3 7 】是一款两 端并联参考电压源，主要应用于功率和空间受限场合，典型应用有电池供电 仪器、手持设备、医疗设备、微功耗电流电压参考等，具体性能参数如下所 示： ( 1 ) 微封装：s o t 2 3 3 ( 2 ) 宽电流范围：lp at o5 m a ( 3 ) 高初始精度：o 2 ( 4 ) 温度系数：50 p p m 。c ( m a x ) f m m - 4 0 0 ct o + 8 5 0 c ( 5 ) 参考电压：1 2 5 v 0 2 红外温度传感器选型需考虑测温范围、距离系数、滤光镜片、响应时间、 补偿方式等因素【38 1 。被测对象的测量直径大概5 0 m m ，测量距离范围在 1 2 0 3 0 0 m m ，要求传感器的距离系数( 视场的直径与测量距离的比值) 约l ：8 。 监测目标温度变化范围是o 15 0 c ，辐射温度处于远红外波段，本文选用 t p s 3 3 4 l 5 5 ，具体参数【3 9 】如下所示： ( 1 ) 直流灵敏度：5 5 v w ( 2 ) 反应常数：2 5 瞄 ( 3 ) 噪声电压：3 5 n v h z ( 4 ) 视角：7 。 ( 5 ) 热敏电阻：3 0 k f 2 传感器输出直流信号非常微弱，需要采用运算放大器对信号进行调理。 本系统选用运放o p 2 7 3 5 ，o p 2 7 3 5 4 0 】属于c m o s 运放，内部采用自动稳零技 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 术，同时提供低的失调电压和漂移，具体性能特点如下所示： ( 1 ) 低失调电压：5 v ( 眦i x ) ( 2 ) 零漂动：o 0 5 v 。c ( m a x ) ( 3 ) 宽温度操作范围：- 4 0 t o + 1 5 0 ( 4 ) 宽电源供应：2 7 v 1 2 v ( 1 3 5 v 士6 v ) 信号调理电路采用同相比例放大电路，传感器参考温度采用电阻分压方 式获取，详细电路如图3 3 所示。 图3 - 3红外温度检测电路 f i g 3 - 3 in f r a r e d t e m p e r a t u r es e n s i n gc ir c u i t 3 1 3 单片机控制电路设计 由于开关柜环境复杂，需要选用抗干扰性强的单片机。同时，作为核心 控制器，必须保证性能稳定，具备一定的处理速度，能够协调各种设备。本 文选用t i1 6 位f l a s h 单片机m s p 4 3 0 f 2 6 1 8 ，该款单片机内置丰富的外设 资源，提高了硬件的集成度，处理器主频高达l6 m ，能够处理节点不同任务 的响应。 m s p 4 3 0 f 2 6 l8 单片机具有宽电压工作范围，内置高达1 2 0 k b 的f l a s h 存 储器与8 k b 的r a m ，可满足需要较高处理能力的系统需求，非常适合在低 功耗z i g b e e 网络中工作【4 1 1 。 单片机控制电路以m s p 4 3 0 f 2 6 1 8 为控制核心，利用内置1 2 位a d 对红 外温度检测电路的输出信号进行采集，通过单片机内置s p i 接口控制射频收 发电路，记录节点工作状态信息。 外围电路包括复位电路、j t a g 调试接口、外围低频晶振、电源去耦电 路等。由于单片机内部包含模拟电路和数字电路，需要对电源和地分别做隔 西南科技大学硕士研究生学位论文第l5 页 离处理，以避免数字信号干扰模拟电路，本电路采用零欧电阻进行隔离，具 体电路如图3 4 所示。 图3 - 4单片机控制电路图 f i g 3 - 4 t h es c h e m a t i co fb c uc o n t r o ic ir c u i t 3 1 4 射频收发电路设计 由于c c 2 5 0 0 属于低功耗射频收发器，同时室内障碍物对无线信号衰减 非常大，开关柜外壳对无线信号具有极强屏蔽作用。为提高节点的无线性能， 节点在硬件上增加射频前端c c 2 5 9 1 4 2 】，这款射频前端是t i 公司为其射频收 发器或片上系统设计的距离扩展器。它通过功率放大器和低噪声放大器来提 高输出功率和接收机灵敏度，因此，增加了无线链路预算( 发射功率提高了 1 8 d b m ，接收灵敏度提高了8 d b m ) ，改善射频收发电路的无线性能。其内部 包含功率放大器、低噪声放大器、收发开关、射频匹配以及平衡与不平衡转 换器，具体功能框图如图3 5 所示。 c c 2 5 9 1 性能参数如下所示： ( 1 ) 2 4 g h z 低功耗射频芯片的距离扩展器； ( 2 ) 输出功率提升至1 j + 2 2d b m ； ( 3 ) 链路预算增加到2 8d b ； ( 4 ) 视线范围扩大1 5 倍以上； 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 6 页 图3 - 5c c 2 5 9 1 功能框图 f i g 3 - 5 c c 2 5 9 1f u n c t i o n aib i o c kd i a g r a m c c 2 5 9 l 的功率控制是通过控制输入信号功率来控制输出功率【4 3 1 ，属于 a b 类功放，输入信号越强，功放的效率越高；它是通过四根数字控制线 0 a a e n 、e n 、r x t x 和h g m ) 对无线发射功率和接收信号灵敏度进行控制， 调整无线信号的强度，提高无线传输性能，c c 2 5 0 0 与c c 2 5 9 1 级联如图3 - 6 所示。 图3 - 6c c 2 5 0 0 与c c 2 5 9 1 级联图 fig 3 - 6c c 2 5 0 0a n dc c 2 5 91c a s c a d ec h ar t 射频收发电路原理图如图3 7 所示。c c 2 5 0 0 的外围电路包括电源去耦、 晶振和偏置电阻等，而c c 2 5 9 1 的外围电路除电源去耦和偏置电阻外，还需 设计传输线电感以及电容电感网络。电源去耦是在电源引脚附近放置去耦电 容，用于减小电流返回路径，电容大小根据实际印制电路板堆栈层的寄生电 容而定。去耦电容的布局和尺寸、电源线滤波和印制电路板传输线对c c 2 5 0 0 和c c 2 5 9 1 的无线性能有重要影响。c c 2 5 9 l 的输出电容电感网络实现输出带 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 7 页 限滤波。 童 兰 亘 占 图3 - 7射频收发电路原理图 为保证射频收发电路的无线性能，将其设计成4 层电路板。顶层放置器 件和信号走线，在空白处覆铜并利用过孔将铜皮接到地。c c 2 5 0 0 和c c 2 5 9 1 芯片的底面须通过过孔可靠接地。第二层是整板地层，保证信号都能找到最 短电流返回路径，以最快方式返回系统地，避免干扰其他信号回路。第三层 是整板电源层，用于减少电源层的阻抗和电源辐射。底层用于信号走线，与 项层一样，在空白处覆铜接地，电路实物如图3 8 所示。 纛钱 c c 2 5 f 1 箍攘 图3 - 8射频收发电路实物图 f i g 3 - 8 r ft r a n s o e iv e t c ir c u i t p h y s i c a im a p 西南科技大学硕士研究生学位论文第l8 页 3 1 5电源处理电路 按照现场需求，红外测温节点采用2 2 0 v 统一供电，因此，节点电源需 要进行相应的降压和稳压处理。节点6 v 电压是通过2 2 0 v 交流两次转换获得。 具体转换流程是a c d c 模块先将2 2 0 v 交流转换为1 2 v ，为保证红外测温节 点之间有良好的隔离，每个节点配置一个d c d c 模块，再将前级输出的12 v 转换成6 v ，这样有利于隔离交流和滤除a c d c 模块的电源噪声，其电源分 布如图3 - 9 所示。 红外测温节点 电源分布 镒爹hs a s 黜宝k 。 1 2 v 1 2 v 1 2 v d c - d c 6 y i 测温节点1 s u 5 - 1 2 s 0 6 一j 一电源6 v d c d c 6 v l 测温节点2 s u 5 1 2 s 0 6 一jh 电源6 v d c d c 1 6 v l 测温节点9 s u 5 1 2 s 0 6 一j 一电源6 v 图3 - 9节点电源框图 f i g 3 - 9 t h eb i o c kd i a g r a mo fp o w e rs u p p i yo f t h e n o d e a c d c 模块选用s a s 3 0 0 1 2 - k 6 4 4 1 ，其输出功率3 0 0 w ，满足大量红外 测温节点使用，输入采用宽压8 52 6 5 v a c ，输出电压为1 2 v 。隔离电阻为 5 0 0 m q ，隔离电压大于l5 0 0 v a c 。 d c d c 模块选用s u 5 1 2 s 0 6 4 5 1 ，其输出功率5 w ，输入电压9 18 v d c ， 输出电压为6 v ，内置过流保护，隔离电压大于2 5 0 0 v a c 。 为保证电源有较低输入纹波，应用d c d c 模块时，需在接口处放置电 解电容和陶瓷电容。这样既可以滤除输入电源的瞬间干扰脉冲，又可以防止 节点的电磁辐射干扰供电系统及其他设备，电路如图3 1 0 所示。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 9 页 图3 - 1 0 f i g 3 1 0 e x t e r n a i 节点外部电源电路 p o w e rs u p p i yc ir c u i t o f t h e n o d e 节点内部包括模拟电路和数字电路，需分开供电以防止数字噪声干扰模 拟电路。输入电源和地规定为数字电源和数字地，模拟电源和地分别通过磁 珠和0 欧电阻隔离获取。 节点工作时产生电磁辐射，会干扰周围电气设备。同时节点也可能受到 柜内其他电气设备的电磁干扰，这可能导致节点工作不稳定甚至损坏。为确 保节点稳定工作，免受电源线的瞬态传导脉冲干扰，电源直流滤波器的设计 是节点电源滤波的重点【4 6 1 。 直流电源滤波器采用最大程度阻抗失配原则设计。对于供电系统的瞬态 干扰脉冲而言，电感是高阻，电容是低阻，d c d c 模块内阻是高阻，线性稳 压器l d o 输入阻抗也是高阻，因此，本设计采用的直流滤波器是丌形结构， 具体电路如图3 1 l 所示。 图3 - 1 1直流滤波器电路图 f i g 3 1 1 t h es c h e m t i co f d cf ii t e rc ir c u i t 电路中t v s 为瞬态抑制二极管，能有效抑制瞬态干扰，吸收浪涌电流。 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 0 页 选用仙童公司的1 5 k e 6 8 a ，该管的工作电压v a w m 是5 8 v ，反向击穿电压 v b r 是6 4 5 7 1 4 v ，确定最大钳位电压v c 是1 0 5 v ，满足实际电路应用要求。 直流滤波器中有两种电容，一种是大电容，用于滤除低频纹波，容值越 大越好，考虑节点尺寸，选用2 2 0 u f 电解电容：另一种是小电容，容值覆盖 范围越广越好，这样，高频瞬态干扰脉冲噪声即可被抑制。电容频率特性与 取值有关，电容值越小高频特性越好。考虑硬件尺寸、器件成本等因素，选 用2 2 p f 、3 3 p f 、1 n f 、4 7 n f 、0 1 u f 、l u f 六种陶瓷电容。 直流滤波器中电感选型需考虑磁芯材料特性，如频率范围、磁导通率等 因素，电感体积越大通过电流就越大。直流电源滤波器处在节点的电源输入 端，节点所需电流大概为2 5 0 m a ，这里选用1 5 u h 0 4 5 a 的贴片电感。 为抑制周围噪声或电源纹波等干扰，模拟处理电路的电源单独处理，本 文采用低噪声、微功耗线性稳压器l t l 9 6 2 5 【4 7 】做降压稳压处理。l t l 9 6 2 5 稳压器的输入输出压差在2 7 0 m v 左右，线性稳压器输出3 0 0 m a 、5 v 电源， 输出电源噪声低( 1 0 h z 到1 0 0 k h z 的输出噪声为2 0 , v r m s ) ，电源噪声对模拟 电路干扰极小，模拟5 v 线性稳压电路如图3 1 2 所示。 s h d hg n d t 苛3 e n cb y p弄蹴丰盛 n ca d ， 玳o u t 图3 - 1 2模拟5 v 线性稳压电路 f i g 3 1 2a n a i o g5 v ii n e a rr e g u i a t o rc ir c u i t 图3 - 1 3数字3 3 v 电源转换电路 f i g 3 1 3 d i g i t a i3 3 vd o w e rc o n v e r s io nc ir c u i t u 旺 2 如 、l 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 l 页 节点内部数字电路使用3 3 v 电源，输入的6 v 电源需做稳压降压处理。 数字d c d c 选型需要考虑电压转换方式、输出电流大小、转换效率以及外围 电路等，本文采用高效率的d c d c 转换器t p s 6 2 2 0 3 d b v 完成6 v 到3 3 v 的 转换，该芯片只需3 个外围器件( 输入电容、输出电容和电感) 就能实现稳定 输出，电路如图3 。1 3 所示。 3 2 接收节点硬件设计 3 2 1接收节点硬件框图 接收节点负责的任务：监听与转播上位机监测命令，接收并解析前端监 测数据，向上位机上传数据。根据接收节点功能特点，硬件电路主要包括单 片机控制电路