（电力系统及其自动化专业论文）高压母线无线测温系统的设计.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 ，n l ed e s i g i lf o rw 曲l e s sm e 嬲研n g7 i h n p 咖es y s t i e mo f b u s b a ri n h i g l l - v o l t a g e a b s 仃a c t h v 刚t c h b o 删i sav e r yi n l p o n 柚te 】b 沲记a l 印弘瑚m s 鼯a tp o w e rs 铡a n d s u b s t 撕o md l l r i n gm el g 岫c 瑚加i i l g ，山e 唧钉a l m eo fb u s b 盯w o u l dr a i 断 c 啪p o u n d s 啦g o r h i g ht o u c hr 铝i s t a n c ee t c ，w h i c hc o u l dm a k ei n s u l a 虹蚰p a r tp 科f o 姗趾c e d e t e r i o 删龃de v 衄l e a dm ea c c i d t s s 切缸s 石c sh a v ei n d i c a t o d ，m 锄ya c c i d 即瞳si nt h e e l t r i c a lp o w 盯s y s t e ma m l a t e dt om et 瞰l p 豇a t u r e s o “i s 伪m i a it om 砌t o rt h e 锄n p 蹦l 伽o fb 嘴_ b 雒i 璐i d eh v 刚t c l 舢a r d b u t 坞b 璐鼯i m i d ch v 刚i t c h g c 盯c a b i n e t a 坞m l d 盯h i g hv 0 1 t a g e c d i t i o nm dt h e s p e i st o on a r r o wt om 翩删t h e 忱出肼嬲l u 1 1 l 伪c 坞a 的珊m a k et h ed i c tm 鲫煳吼to fi t st e i n p a a t l l av e r yd i 伍c u l t p 曲l 锄w 1 1 i c h l l 鹪t b 。e n l v e d i np i a c 6 c es o 缸 a i la tt t i ec h a 阳c t e r ! i s t i co ft 髓i 巾盯a l t l f cm 翩觚n g 内rh v 蝌i t c hb o 删，t l l i sp a p 盯p u t 细唧a r da 慨i 弘t l i a tb a s c do na t 8 9 c 5 2n l i d o d m r o l l et 0r 1 i z ec o n 舡d l ，u s i n gt l 虻w i r e l e s s m o d 锄o fp m 0 0 0t o a i i t h ew i l 髂sc 咖m u l l i c a t i 眦觚da d o p 娃n gs i l l 9 1 ew i 坞d i g i t a l 也e 皿咄咖d s l 8 8 2 0t om e a s u 咖a a t i l o ft h eb u s 伪m et 伽叩盯a t i l m 幽g s 锄s o ra r cf i x o do nm eb u s b a r d a t a sa 廿甜瞰n i t e dt h r o u g h 谳l 鼯s 乜i 蛐i 懿i o nm o d u l et o t h er o c e i v e 墙6 x e do nt h ed o o ro fh v 洲i 劬b o a r d 孤dw h e nt h et e 埘【p a 吲：弓i s a b n o r m i t y ，t h es y s t 锄a d o p tm 舡l ym c t h o d st o 船m 砌t h ew 谢i 硷墙t od e a lw i t ht h eq l 圮s 吐s t oa v o i dl o 跖b r o u g h tb y 撤i d e n 协 t h es y s 老锄i sm a d ei l po f m u m p o i mt e m p 盯咖m e 勰l l r i n ga p p 盯a t i i s 柚dai b m - p c 鹪 如刚s o r yc o m p u t 瓯n 却t sa 幽咀o f p r i n c i p a la n d 绷b o r d i m 瞳e 咖t i l r cb 船c do nr s - 4 8 5 b l 塔，t h et 即1 p 盯a t l l mm e 嬲u r i n g 印p a 删瑚c a n to n l y 姚ed a 扭p m c e s 咖ga 玎dc 蝴l m i s s i r e 印虹v e i y ，b u ta l 打 m s 船d a l at ol h e 跚刚s o r yc 伽叩咖t h e f h v a r eo f 龇 s u p 酬鲫f y l p u t c ra d 叩t s v b 6 ot or e a i i z ct h es c f i a ip o nc 瑚l m i c 鲥、鲫h i c d i s p l a y i n g 粕dd a t a b 舔ea c c 舔st e c h 1 0 黟硼砖p cc 衄c o m m l 钾e r ys l a v c 唧u t e r a n d p f o c 髓s j n g 黝l y 商唱d a t a 、d i s p l a y i n g 卸dp r 衄血gd a t ab yt h e f h v a r e ，稿t o a l i z c c 伽c c i 】衄a t c dm 卸a g j n g 卸do p t i m a lc 1 一i i i t h es y g t c 枥i s 翘i n 蛔鲥地耐a p p 觚咖so fp r e c i s i o nt a 唧d a t u f em e 勰u 增，m ew i r c i e 瞄 d a 惚c 啪m 诚c a t i o na n dr s 4 8 5b l l s n es 弘t 咖淄龉 v e rs y s t 锄卸t o n l ；砸l 唧i 龃d h a ss u c c e 路蹦l ya p p l i c a t i o n 衄1 0 k v d i s 仃i b u t i 衄s y 卧眦o fm 卸ys t c e l w 甜虹c s oi li g 心勰0 m b l et os a ym a tt b i ss y s t e m 、耐l lb eu s e dw i d e l y 姐dm a k em o 坞c o n t r i b 眦i t 0l 量l e 8 画锣o f p o 弭惯s y s t 锄。阳谢伽 1 ( e yw o r d 矗：两p b 叠ri nh i g h v o l t 曩船。 t e m p e n t | l 腿m e 舶u 阳m 明t ，w i r d 嚣l t r a n 薯m i s s i o n ，v 缸u a lb a 墨i c r v 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：解日期：丑研j 汐 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名：剑日期： z 。订1 丐 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源和研究意义 电力系统安全稳定运行是电力系统控制的根本目标和进行电力市场交易的重要保 障l 。随着现代电力系统向着高电压、大机组、大容量的迅速发展，对电力系统供电可 靠性的要求越来越高。影响电力系统安全运行的因素有很多，其中一个重要方面是电气 设备自身的安全运行问题。由于绝大多数的电气设备采用封闭式结构，散热效果差，热 积累大，并长期处于高电压，大电流和满负荷的条件下运行，其结果导致热量集结加剧， 如果不对温升采取有效的监测措施，将会危及电气设备的安全运行。特别是当电力系统 发生短路故障时，强大的电流使电气设备内部温升加剧，电气绝缘遭到严重破坏，并使 电气设备寿命缩短，甚至造成电气设备被烧毁的严重事故。据统计，电力系统发生事故 原因中有相当一部分与过热问题有关，因此电气设备温度在线监测问题已经成为电力系 统中电气设备安全运行所急需解决的实际问题，是提高电气设备可靠性的迫切需要，对 保障电力系统安全稳定运行具有十分重要的意义l 甜。 发电厂、变电站的高压开关柜是重要的电气设备。在设备长期运行过程中，开关柜 中的触点和母线排连接处等部位因老化或接触电阻过大而发热，而这些发热部位的温度 无法监测，由此最终导致火灾事故。近年来，在电厂和变电站已发生多起开关柜过热事 故，造成火灾和大面积的停电，解决开关柜过热问题是杜绝此类事故发生的关键。通过 监测开关柜内触点温度的运行情况，可有效防止开关柜的火灾发生。但由于开关柜内狭 小的结构，无法进行人工巡查测温，因此实现温度在线监测是保证高压开关柜安全运行 的重要手段。 本课题来源于企业的实际生产需要，针对工矿企业、发电厂及变电所等部门在其电 气设备实际生产运行中出现的在高电压、大电流、强磁场环境下，母线温度实时在线监 测困难的情况，受沈阳蓝光自动化技术有限公司委托，专门开发设计的一套高压母线温 度在线监测系统。主要对高压母线温度的在线监测进行研究。 母线是电气主接线的中间环节，起着汇集和分配电能的作用，在电力系统中起着非 常重要的作用，电力装置中的高压载流母线常常因接触部位氧化、接触松动、负荷过大、 高压母线无线测温系统的设计 相问短路、散热环境差等原因而使温度升高，如不及时发现处理，有时会酿成安全事故， 从长期安全运行要求考虑，高压母线温度应限制在一定范围之内。因此采用一种适合的 温度监测方法，对电力装置中的高压载流母线的温度进行在线实时监测是十分必要的。 因此本课题对于保障电气设备安全运行具有十分重要的实际工程意义，并且为高压母线 实现智能测温提供了一条有效途径。 1 2 高压母线温度监测技术的现状及分析 由于高压电气设备一般都处于高电压、大电流和强磁场的环境中，在实际监控中， 必须要求监控对象与监测仪器之阅进行电压隔离，其测试信号进行有效传输也是一直比 较难以解决的问题，因此一些常规的测温方法很难适合在高压电气设备中得到应用，目 前，母线温度检测主要有以下几种方案： ( 1 ) 采用色片 利用其颜色随温度的不同而变化，根据其颜色即可判断温度，缺点是准确度低，可 靠性差，不能进行定量测量，而且对高压母线触点等来说，在运行时几乎看不见颜色。 ( 采用热红外检测技术 优点是测量范围大，准确度高，缺点是设各昂贵，无法检测封闭在机柜内的高压母 线，而且无法实现高压设备和温度在线检测的一体化集成。 ( 3 ) 光纤测温技术 光纤式温度在线监测装置，一般是采用光纤传导信号，不受高压和环境盼干扰。缺 点是光纤具有易折，易断、不耐高温的特点，在柜内布线难度较大。 ( 4 ) 无线温度监测技术 无线式温度在线监测装置采用无线通讯技术进行高压隔离和信号传输，利用其固有 的绝缘性和抗电磁场干扰性能，较好地解决了高压开关柜内触点运行温度不易监测的难 题。 目前，国内外多家公司科研院校已经分别研制出了多种母线温度在线检测测量系 统。如a b b 公司研制的“s 缸k m 棚”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，也有监测断路器其它工作状态的功能。该装 置采用石英晶体声表面波元件作为温度敏感元件，直接粘附在待测点上，由它组成的振 沈阳工业大学硕士学位论文 荡回路输出与温度有关的频率信号。整个系统采用全数字化设计以抑制强电磁场干扰， 可实现过热报警，并可用微机联网集中监测。 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。其原理是：导电连接处电流路径的改变，必然使得周围磁 场发生畸变，采用光磁传感器检测磁场畸变，以光纤传送信号。这种检测方法不仅要求 传感器有足够的灵敏度，而且要求电流足够大，才能把电流集中引起的磁场畸变检测出 来，而且传感器所处位置也相当重要。此外，设备的金属外壳最好是非铁磁性材料。 扬州工学院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，所以解决了高电压绝缘问题。并利用石英晶 体旋光性和温度的关系得出信号，再由a 仍转换器转换成数字量送入微机进行处理。这 种测量方法与光强变化、光路衰减无关，抗电磁干扰能力强，耐化学腐蚀，响应速度快， 精度为o 0 1 ，测量范围8 0 + 5 5 0 。但结构复杂、成本高、现场应用有局限性。 1 9 9 5 年，福州大学也提出红外测温技术。红外辐射能量q 与温度有蹦，关系( 8 为物体表面发射率：o 为常数；，为物体绝对温度) ，对物体的温度进行无接触监测。 由于q 正比于r 的4 次方，故灵敏度较高，并具有不改变被测物体热状态的特点。其核 心红外传感器，由红外光学系统与红外探测器组成。由于q 本身及热电堆输出的电信号 极微弱( v 级) ，所以要求有完备的光学系统和抗干扰能力很强的放大器进行信号放 大，各接头所用的探测器等元件特性的分散性及背景波的干扰都会影响测量精度，因此 这项技术尚没有普遍推广嘲。 长期以来，高压开关柜内触点运行温度很难监测，这是因为柜内具有裸露高压，空 间狭小，通常的温度测量方法不能使用。尽管国内外已经研究了多种方案来监测母线温 度，但均有一定的局限性和不足【4 】。 综合目前已经应用的母线测温技术的优缺点，我们设计的温度在线监测装置采用了 无线通讯技术进行高压隔离和信号传输，利用其固有的绝缘性和抗电磁场干扰性能，从 根本上解决了高压开关柜内触点运行温度不易监测的难题。无线温度监测方法与其它测 温技术相比较，其优势主要体现在以下几点： ( 1 ) 无线温度监测方法与普通测温的比较 高压母线无线测温系统的设计 普通的温度监测方法主要采用热电偶、热电阻、半导体温度传感器等温度传感元件 实现的，这些温度传感器都需要金属导线传输信号，由于无法保证具有稳定的绝缘性能， 无法在高压开关柜内的触点上使用。 无线式温度监测装置中，传感器采用无线通讯传输温度信号，具有优异的绝缘性能， 能够隔离开关柜的高压，因此能够直接安装到开关柜内的高压触点上，准确测量高压触 点的运行温度，实现开关柜触点运行温度的在线监测。 ( 2 ) 无线温度监测方法与红外测温的比较 无线式温度监测装置，是采用无线传递温度信号，装置所带的测温传感器能够安装 到带电物体的表面，直接测量带电物体的温度，而红外测温为非接触式测温，易受环境 及周围的电磁场干扰，需人工操作，无法实现在线测量。开关柜内的空间非常狭小，无 法安装红外测温探头( 因为探头必须与被测物体保持一定的安全距离，并需要正对被测 物体的表面) ( 3 1 无线温度监测方法与光纤测温的比较 光纤式温度测温仪采用光纤传递信号，温度传感器安装在带电物体的表面，测温仪 与温度传感问用光纤连接。光纤具有易折、易断、不耐高温的特点，在柜内布线难度较 大，而无线式测温装置免除了柜内光纤布线。 1 3 课题的主要工作 本课题涉及的高压母线测温系统由两人合作完成，本文作者主要负责上位机监控软 件和母线测温装置部分软、硬件的设计。因此，本课题我负责的主要工作为以下几部分： ( 1 ) 高压母线测温系统中的母线测温装置的整体设计以及上位机监控软件的编写。 ( 2 1 母线测温装置的硬件设计和p c b 板的绘制。硬件设计主要完成六路温度数据的 采集、显示以及数据的无线传输。通过p m t e l 绘制硬件电路原理图和p c b 图。 ( 3 ) 母线测温装置的软件设计。本软件由单片机c 5 1 语言编写，根据系统的功能， 本软件设有主程序模块、定时处理模块( 包括温度数据采集模块和数据存储模块) 、显 示模块、无线通信模块以及中断处理等模块。 ( 4 ) 母线测温装置的软、硬件调试。首先检查硬件电路，无误后，通过仿真器进行 系统的仿真调试，使该硬件系统能够正确、稳定的实现温度数据的采集、存储、处理、 4 一 沈阳工业大学硕士学位论文 显示及通信等功能，最后烧录芯片，脱机运行。 ( 5 ) p c 机监控软件的设计及调试。本软件编写工具为v b 6 o ，利用该软件可以实现 母线测温装置与上位机的数据通信以及温度数据的显示、整理、查询、绘制曲线、制作 和打印报表等功能。 高压母线无线测温系统的设计 2 系统总体设计 2 1 系统功能 本系统的功能： ( 1 ) 每台主机可最多监测3 2 台母线测温装置，若增设中继器，可使系统扩展大于 3 2 台测温装置。 ( 2 ) 每台测温装置可检测6 个测试点，这样一般系统总灼测试点个数可达3 2 6 = 1 9 2 个。 ( 3 ) 温度采集测试点与母线测温装置接收模块的最远距离不超过3 0 米。 ( 4 ) 主机与测温装置间可远距离通信，最大通信距离1 2 1 【m ，若增设中继器，可使 最大通信距离超过1 2 k m 。 ( 5 ) v b 6 o 编写主机用户监测软件，全图形界面；实时显示系统中各个开关柜的温 度并报警，当工作人员需要查看母线温度时，能随时响应，并能给出单台，部分或全部 开关柜的母线温度检测结果。 ( 6 ) 以温度曲线及数据形式实时显示母线温度数据变化情况。 ( 7 ) 温度数据实时存储，并可随时查询、打印历史数据。 ( 8 ) 当采集的温度数据超过其警戒值时，监测计算机及测温装置均发出报警信号， 同时通过温度曲线显示出报警点位置。 2 2 系统的总体结构 如图2 ，l 所示，整个监测系统从结构上分为三层：第一层是由计算机等组成的用户 监测层作为上位机；第二层是由单片机a t 8 9 c 5 2 构成母线温度采集装置作为下位机， 该下位机一般安装在检测的开关柜的柜门外侧；最底层是由单片机p 8 9 l p c 9 3 1 和 d s l 8 8 2 0 构成的温度值采集及传输模块组成。该模块安装在开关柜的三相母线上，每 相设置两个温度采集结点，所以每台开关柜上有3 2 = 6 个温度结点，其中各温度结点 均为满足1 w 碗通信规约的数字化结点，温度采集结点与下位机之间的数据传输和高 压隔离采用无线传输模块p h o o o 来实现，上位机与下位机之间的通信为总线结构的 r s 4 8 5 通信网。 沈阳工业大学硕士学位论文 图2 1 系统总体结构图 f i g 2 1 ms 仉| c 岫c h a f t o f m es y s t e m 一 一 高压母线无线测温系统的设计 本系统采用基于r s 4 8 5 总线的主从分布式结构，以测温装置接收模块中的单片机 a t 8 9 c 5 2 为控制核心的从机，既可以独立地完成数据处理、显示和越限报警等任务，又 可以将数据传给上位主机。主机将这些数据进行处理、显示、打印，同时将各种控制命 令传给各个从机，以实现集中管理和最优控制。 本设计研制的母线测温装置具有以下几个特点： ( 1 ) 多路数据检测 每台母线温度测温装置可检测6 路信号。 ( 2 ) 硬件结构简单可靠 所选用器件集成度高、功耗低、可靠性高 ( 3 ) 数据无线传输 采用无线传输代替信号的传输导线，避免了导线内阻和分布电容的影响、环境温度 对导线的影响以及环境的电磁干扰，这种传输的多同通道的温度测量可适用于母线温度 检测的场合，克服了因导线带来的种种不便。 ( 4 ) 抗干扰能力强 从硬件和软件两方面采取多项措施提高测温装置的抗干扰能力。 ( 5 ) 掉电保护功能 本系统中，选用非易失性数据存储器，可以在系统掉电时保护数据，因而提高了系 统的可靠性。 ( 6 ) 低功耗 为了延长电池电源的使用寿命，本系统尽可能选用低功耗的c m o s 器件。考虑到 本系统每5 分钟采集次温度数据，其他时间整个系统不工作，所以利用时基电路，使 单片机系统每5 分钟上电一次，进行数据采集、存储、数据传输等操作，操作完毕后整 个系统( 除定时电路) 断电。这样就可以大大降低系统的功耗。 ( 7 ) 良好的入机交互界面。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 3 系统的工作原理 本系统把温度传感器直接安装在发热点上，利用直接接触方式来采集母线温度，然 后通过无线方式将数据发送到安装在开关柜柜门表面的接收装置上。接收装置可以同时 接收多个温度传感器的数据，并且整理保存后轮换显示。 温度数据还可以通过r s 4 8 5 通信网络发送到后台监视计算机上，由上位机软件进 行数据处理和保存，并可以用温度曲线的方式显示以便分析。当温度超过预先设定的上 限值时，系统将进行声音报警和屏幕提示处理，提醒值班人员进行紧急处理【5 锕。 高压母线无线测温系统的设计 3 系统硬件设计 本系统是基于母线测温装置，由r s 4 8 5 通讯网络组成的主从分布式温度监测与管 理系统。硬件主要由母线测温装置( 由温度数据采集与传输模块和数据传输与控制模块 组成) 、r s 4 8 5 网络通信模块和上位机组成。母线测温装置结构框图如图3 1 所示【9 】： | a 牺躐螭卜 、 信号 j e 缝 | b 榴黜啪卜 采薹 收发 控制 丧块 蕾元 | c 硼蝴 - 、- 、 i i 度数据采集与传输横块 秃缝 檀号墨 收发。 处理 一 刁霉 控制 羹块 簟元 攘 警 、，一 数据传镰与控制模块 图3 1 母线测温装置结构框图 f i g 3 1 t l 蝣s 岫l c 嘶c h a r t o f t 即即t i l f e 如e 舔嘶n g 卵唧哦i 岫 3 1 温度数据采集与传输模块 温度数据采集与传输模块硬件样机如图3 2 所示： 图3 2 温度数据采集与传输模块 f i g - 3 2 m 廿a i l 础州o f l b es y s t e m 沈阳工业大学硕士学位论文 本模块主要负责母线温度采集以及将采集数据通过无线传输模块唧0 0 0 传输到 数据传输与控制模块，由其进行处理与显示等。其硬件电路主要由数字式温度传感器 d s l 8 8 2 0 无线传输模块p r r r 4 0 0 0 单片机p 8 9 l p c 9 3 l 等其它相关元器件组成【1 0 1 2 1 。 3 1 1 温度传感器d s l 8 8 2 0 ( 1 ) 温度传感器d s l 8 8 2 0 的简介 d s l 8 8 2 0 是由美国d a i i ，a s 公司提供的一种单总线系统的数字温度传感器，支持 多点组网功能，多个d s l 8 8 2 0 可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。d s l 8 8 2 0 的 引脚图和实物图分别如图3 - 3 和图3 4 所示： i 。刚b 加 g n dd q v d d 图3 3d s l 8 8 2 0 的引脚图图3 4 温度传感器d s l 8 8 2 0 实物图 f i g 3 3d s l 8 8 2 0p i nc o n n g 峨砸咖f i g 3 4n d s l 8 8 2 0d i g i 乜l1 1 l 麒m m n 曲e r 其中g n d 是地线，d q 是数据输入和输出，v d d 是电源。数字式温度传感器主要 有以下几方面特点： 1 1 测量温度范围为5 5 十1 2 5 ，在1 0 + 8 5 范围内，精度为士o 5 。 2 ) 测量结果以9 1 2 位( 可选) 数字量方式串行传送。 3 1 转换温度时间小于l s 。 4 1 能够实施多点测量。 5 1 可以通过数据线提供能量。 价只有唯一的一根线与外部进行通讯。 刀可以设置温度报警值。 ( 2 ) d s l 8 8 2 0 的结构 d s l 踞2 0 内部可分为4 个部分，如图3 5 所示： 高压母线无线测温系统的设计 电 邂 检 治 6 4 位 r o m 和i 线口 存酶器和梭翻逻辑 暂 襻 寄 存 嚣 8 位c r c 魅发器 滋黢铸撼器 滔援上鞭群存器t h 澎泼下黻寄存嚣t l 配擞寄存瓣 圈3 5d s l 8 8 2 0 内部结构图 f i g 3 51 1 i eb t 黝is 嘶t 山屯o f t h ed s l 8 8 2 0 1 ) 6 4 位光刻r o m 数据存储器。 2 19 字节的片内r a m ，用于保存芯片检测到的温度数据以及临时保存温度报警上 下限和配置。 3 13 字节的e p r o m ，用于永久性保存温度报警上下限、转换位数配置。 舢温度传感器。 每个传感器含有特定的6 4 位r o m 编码即d 号，它是区别不同传感器芯片的唯一 编号。所以多个d s l 8 8 2 0 能够连接在同一条数据线上而不会造成混乱，这为温度的多 点测量带来了极大的方便。 温度传感器的转换结果以1 6 位二进制补码的形式存放在存储器中，如果测量结果 的温度值高于温度报警触发器1 l 玉或低于t l 中的值，则d s l 8 8 2 0 的内部报警标志位就 被置位，表示温度测量值超出范围。温度报警触发器和设置寄存器都由非易失性电可擦 写存储器( e p r o m ) 组成，设置值可以通过相应命令写入，一旦写入不会因为掉电而 丢失。 ( 3 ) d s l 8 8 2 0 的测温原理 沈阳工业大学硕士学位论文 d s l 8 8 2 0 的温度传感器是利用温敏振荡器的频率随温度变化的关系，通过对振荡周 期的计数来实现温度的测量，如图3 6 所示。 图3 6 测温原理图 f i g 3 6t h e h e m a d cd i a g 舳f o rt t l et e ：m p c 咖盯m e 鹤u 黜n t d s l 8 8 2 0 内部有两个不同温度系数的振荡器。低温度系数振荡器输出的时钟脉冲信 号在高温度系数振荡器产生的门周期而被计数，计数器被预置在与- 5 5 相对应的一个 基权值。如果计数器在高温度系数振荡周期结束前计数到零，表示测量的温度值高于 5 5 ，被预置在5 5 的温度寄存器的值就增加1 ，然后重复这个过程，直到高温度 系数振荡周期结束为止，这时温度寄存器中的值就是被测温度值，这个值以1 6 位二进 制补玛的形式存放在便笺式存贮器中。温度值由主机通过发读存贮器命令读出，经过取 补和十进制转换，得到实测的温度值。斜率累加器用于补偿和修正温度振荡器的非线性。 由于每片d s l 8 8 2 0 内部都设有一个唯一的d 号，所以多个d s l 8 8 2 0 可以并联在 同一条线上，而不会产生混乱现象。再加上传感器在使用中不需要任何外围元件，大大 减少了系统的电缆数：布线采用带屏蔽层的双绞线电缆和三线制的连接方式，传感器探 头采用不锈钢密封，因此提高了系统的稳定性和抗干扰性【l ”l 。 d s l 8 8 2 0 独特的结构，决定了它特别适合于大型多路温度测控系统的温度检测。我 们设计的母线测温装置较好地利用了d s l 8 8 2 0 的独到特点，使系统得到了极大的简化。 高压母线无线测温系统的设计 3 1 2p 8 9 l p c 9 3 1 单片机 p 8 9 l p c 9 3 l 是p h i l m s 公司推出的低成本、少引脚、高集成度f l a s h 单片机， p 8 9 l p c 9 3 1 采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需2 到4 个时钟周期。6 倍 于标准8 0 c 5 1 器件。 p 8 9 l p c 9 3 1 集成了许多系统级的功能，这样可大大减少元件的数目和电路板面积 并降低系统的成本。更好的电磁兼容性能。适合于许多要求高集成度、低成本的场合。 可以满足多方面的性能要求口们。其引脚结构图如图3 7 所示： o 图3 7p 8 9 l p c 9 3 l 引脚图 f i g 3 7p 8 9 l p c 9 3 l p i nc f i g u r a t i o 璐 p 8 9 l p c 9 3 l 单片机主要功能特性： ( 1 ) 8 l 出f l 础程序存储器，1 k b ”船可擦除扇区，6 4 b y t c s 可擦除页规格和字节擦除。 ( 2 ) 工作电压为2 4 v 3 6 v ，哟可承受+ 5 v 的t t l 电平 ( 3 ) 字节擦除允许程序存储器用于存储数据( e e p r o m ) ( 4 ) 2 5 6 b y t e s 的内部鼬气m 。 ( 5 ) 在线编程( i c p ) 允许用户e p r ( ) m 实现简单的串行代码编程，使得程序存储 器可用于非易失性数据的存储。 一1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 6 ) 在应用中编程( i a p ) 和字节擦写功能使得程序存储器可用于非易失性数据的 存储( e e p r o m ) 。 ( 7 ) 2 个1 6 位定时计数器。每个端口均可设置为溢出时触发相应端口输出或作为 p w m 输出。 ( 8 ) 4 0 0 m z 字节带宽的心c 通信总线。 ( 9 ) 2 个数据指针( d p ，i r ) ( 1 0 ) 4 个中断优先级，2 个外中断，8 个键盘中断输入。 ( 1 1 ) w d t ( 看门狗定时器) 具有独立的振荡器，无需外接元件，w d t 具有8 种选 择的预分频器。 ( 1 2 ) 内置上电复位电路，无需外接复位元件，复位计数器和复位干扰抑制电路可防 止不充分复位，同时提供软件复位功能。 ( 1 3 ) 低电压复位功能，器件可检测掉电状态并使单片机安全关闭系统。亦可将该功 能设置为一个中断源。 ( 1 4 ) 使用片内p c 振荡器时钟振荡源无需外接任何元件，可方便地选择振荡频率， 同时系统具有时钟振荡器失效检测功能。 ( 1 5 ) 软件设置片内振荡器的工作频率，选择范围：2 m z 1 2 加陇。 ( 1 6 ) 灵活的可编程口输出模式，准双向口、开漏输出、推挽输出或仅为输入功 能。 ( 1 7 ) 端口输入模式匹配检测：当p o 口的值与可编程的模式是否匹配即可产生一个 中断。 ( 1 8 ) 端口的输出斜率可控，最小的跳变时间约为1 0 n 8 ，通过此功能可有效改变电 磁兼容性能。 ( 1 9 ) 增强i j a r t ，具有波特率发生器，间隔检铡，帧错误检测，自动地址识别和通 用的中断功能。 ( 2 0 ) 最少2 3 个l 端口，选择片内振荡和片内复位时可达2 6 个口。 ( 2 1 ) 空闲和掉电模式，掉电模式耗电仅为1 “a ( 比较器关闭时) 。键盘中断具有从 掉电模式中唤醒功能。 高压母线无线测温系统的设计 3 1 3 无线收发芯片的选择 随着射频电子技术的发展，无线收发芯片的集成度、性能都大幅度提高，芯片的种 类和数量比较多，性能也各有特色。目前，世界各大芯片制造商研制开发出了各种新型 射频芯片，使短距离无线通信装置的设计开发趋于容易，便捷、周期短、成本低。生 产此类芯片的厂家主要有n o r d i c 、m i c s 、t i 、m 缸i m 、c h i p c 等。 此类产品收发合一，工作频率一般为国际通用的塔m 频段，无需申请许可证，采 用低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用时对周围干扰很小，调制方式大多为a s k 、 f s k ，传输速率为几k 到几百k b i 讹，传输距离受环境影响，一般在几十米到数百米。 选择无线收发芯片时，应考虑以下几个因素： ( 1 ) 芯片的数据传输是否需要进行曼彻斯特编码及传输速度 采用曼彻斯特编码的芯片，在编程上会需要较高的技巧和经验，需要更多的内存和 程序容量，并且曼彻斯特编码大大降低数据传输的效率，一般仅能达到标称速率的1 3 。 而采用串口传输的芯片，应用及编程非常简单，传送的效率很高，标称速率就是实际速 率，因为对串口的编程也很方便。 ( 2 ) 芯片所需的外围元件数量 芯片外围元件的数量的直接决定设计的成本，因此应该选择外围元件少的收发芯 片。有些芯片似乎比较便宜，可是外围元件使用很多昂贵的元件如变容管以及声表滤波 器等；有些芯片收发分别需要两根天线，会大大加大成本。 ( 3 ) 功毒毛 大多数无线收发芯片是应用在便携式产品上的，因此功耗也非常重要，应该根据需 要选择综合功耗较小的产品。 ( 4 ) 发射功率 在同等条件下，为了保证有效和可靠的通信，应该选用发射功率较高的产品。但是 也应该注意，有些产品标称的发射功率虽然较高，但是由于其外围元件多，调试复杂， 往往实际的发射功率远远达不到标称值。 ( 5 ) 芯片的封装和管脚数 沈阳工业大学硕士学位论文 较少的管脚以及较小的封装，有利于减少p c b 面积降低成本，适合便携式产品的 设计，也有利于开发和生产。还有接受灵敏度、从待机模式到工作模式的唤醒时间、以 及当地无线电管理的规定等因素也要考虑。 随着射频电子技术的发展，世界各大芯片制造商研制开发出了各种新型射频芯片， 使短距离无线传输装置的设计开发趋于容易、便捷、周期短、成本低。挪威n o r d i c s 锄i c 咖d u c t o r 公司生产的n r f 系列无线收发芯片，具有体积小、功耗低、外围元件少 等诸多优点，广泛地应用于众多无线传输场合。 本论文设计的数据采集系统通过无线模块传输现场采集数据，是分布式的结构，系 统所处环境较为恶劣，对数据传输的可靠性要求较高。综合考虑以上因素，采用以 n r f 2 4 0 1 为核心芯片的无线数传模块。n r f 2 4 0 1 可通过软件设置4 0 b i t 的地址，适合点 对多点的数据传输；内置了c r c 纠检错硬件电路和协议，提高了系统的可靠性，且不 再需要用软件对传输数据进行差错控制编码，简化了软件编程：工作温度范围为4 0 + 8 5 ，适合在工业现场使用：数据传输速率为1 m b p s ，低功耗，体积小。 3 1 4n r f 2 4 0 1 芯片的介绍 ( 1 ) 概述 n r f 2 4 0 l 是n o r m cs 锄i c o n d 叮盼公司生产的单片式无线收发芯片。它工作在全球 开放的2 4 g h z 的i s m 频段。n r f 2 4 0 1 由完全集成的频率合成器、功率放大器、晶体振 荡器和调制器组成。 n r f 2 4 0 1 具有三线式串行接口，发射功率和频道等所有工作参数可编程设置。 n m 2 4 0 1 电源电流消耗低，在输出功率为5 d b m 时，电源电流消耗为1 0 5 m a ；在接收 模式时，电源电流消耗为1 8 m a ：并具有低功耗模式。n r f 2 4 0 1 具有1 2 5 个频道，可满 足多频及跳频需要。数据传输速率为1 m b p s ，信道转换时间屯o o 肛。电源电压为1 9 3 6 v ，满足低功耗设计需要。它仅需要两个外部元件( 一个晶振和一个电阻) 便可组成 无线收发系统。芯片内部设置了专门的稳压电路，使用各种电源包括d c 仍c 开关电源 均有很好的通信效果。每个芯片可以通过软件设置最多4 0 b i t 地址，只有收到本机地址 时才会输出数据( 提供一个中断指示) ，编程很方便。内置了c r c 纠检错硬件电路和 协议，对于软件开发十分方便：d l i o c c i v e r 技术可以同时接收两个n 砣4 0 1 的数据。 高压母线无线测温系统的设计 该芯片广泛适用于无线鼠标、无线键盘、手持终端p d a 、无线耳机、数字视频、遥 感，遥测、工业用传感器以及其他短距离高速无线传输应用。 ( 动内部结构 砷汪2 4 0 l 内部结构如图3 8 所示： 图3 8n r f 2 4 0 1 内部结构方框图 f i g 3 8n i l f 2 4 0 lw i m 面l 黝lc o m p 0 彻吣 n r f 2 4 0 l 芯片内部包含有频率合成器( 缸q u e n c y s y n t h e s i s 盯) 、功率放大器( p a ， p o w c ra m p l i 丘c r ) 、中频带通滤波器( b p f ) 、解调器( d e m o d ) 、时钟恢复数据限 幅器( c l o c k v e f y d a t a s 】i c 盯) 、地址解码( a d d rd o d e ) 、f 礤0 输入，输出( f 球o i n 0 u t ) 、c r c 编码解码( c r cc o d e ，d e c o d e ) 、g f s k 滤波器( g f s kf i l t e r ) 、双超外 差式接收器( d u o c e i v e r ) 突然爆发( s h o c k b u r s t ) 等电路。外部接口有三线接口( 3 - w 的 砷伽e ) 、数据通道l ( d a t a c h 卸n c l1 ) 、数据通道2 ( d a 土a c h 锄c 1 2 ) 和电源导通控 制( p w ru p ) 等。 ( 3 ) 工作模式 n r f 2 4 0 1 有四种模式：激活状态模式、结构配置模式、待机模式和低功耗模式。 沈阳工业大学硕士学位论文 n r f 2 4 0 1 激活状态模式有两种：突发模式( s h o c kb u r s tm o d e ) 和直接模式( d i r 鳅 m o d e ) 。器件在这两种模式中的功能取决于结构配置字。 s h o c kb u r s t 模式：利用芯片上的f o 用低速数据速率时记录数据，用高速数据速 率发射数据，芯片间歇工作，以节省电源消耗。在该模式下芯片可自动加帧头、作c r c 校验。当n 2 4 0 1 工作在s h o c kb u r s t 模式，且在2 4 g h z 频带时，能够达到非常高的数 据速率，而且不需要价格昂贵的、高速微控制器来进行数据处理，可降低成本。 d i 删模式：n r f 2 4 0 1 的工作就像是一个传统的射频芯片。但不能自动完成叠加帧 头和c i 汇校验的工作，须在微处理器中进行。 在突发模式和直接模式中，n 恐4 0 1 可以配置成双超外差接收模式( d u o c e i v 盯) ， 以最大的数据速率同时接收2 个并行、独立的频率通道的信号。 在结构配置模式中，一个结构配置字可多达1 5 字节，可通过三线接口被下载到 n l 强2 4 0 l 中。 待机模式用来在保持最小启动时间时，减少平均电流消耗。 在低功耗模式，n 融2 4 0 l 不使能，具有最小的电流消耗l 蚣，其结构配置字的内容 被保持【2 1 】。 3 ，1 4p t r 4 0 无线数传模块 基于无线收发芯片，加上少量的外围元件，构成了无线数传模块。信号的稳定性、 传输距离、传输速率可以得到改善，还可以非常方便与单片机串口连接。无线数传模块 的体积越来越小，功能越来越强，因此缩短了开发周期，降低了成本。 p 1 r 4 0 0 0 无线数传模块以n r f 2 4 0 1 无线收发芯片为核心，工作在2 4 g h z 自由频段， 支持多点间通信，最高传输速率1 m b p s ，体积小巧( 不包括天线，2 4 2 4 n 姐) ，功耗 低，标准d m 间距接口，便于嵌入式系统使用。该模块实物图如图3 9 所示。 应用领域：遥控，遥测、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集、无线标签、 身份识别、非接触r f 智能卡、机器人控制、信息家电、无线2 3 2 4 8 5 数据通信等。 高压母线无线测温系统的设计 图3 9 p t r 4 0 0 0 实物图 f i g 3 9p r r 柏0 0w 西l 既sm o d 旺l e 针对高压开关柜母线温度监测环境的特点，本系统在设计中采用无线传输方式来实 现电压的隔离与温度数据的传输，p 1 r 4 0 0 0 无线数据传输模块接收发射合一，通过实验， 比较发送数据和接收数据，其室外数据无差错传输的距离可达3 5 米。超过此距离后， 接收不到任何数据。比较发送数据和接收数据，其室内数据无差错传输的距离可达1 5 米。超过此距离后接收不到任何数据。本系统采用p 哺0 0 0 无线数据传输模块实现数 据无线传输的距离完全满足设计的需要。因此，在本设计中采用了该模块。 ( 1 ) p u o o o 模块产品特性 1 ) 2 4 g l l 2 全球开放i s m 频段，免许可证使用。 2 ) 最高工作速率1 m b p s 。高效g m s k 调制，抗干扰能力强。 3 ) 1 2 5 频道，满足多点通信和跳频通信需要。 4 ) 内置硬件c r c 检错和点对多点通信地址控制。 5 ) 低功耗，工作电压为1 9 3 6 v ，p o w 盯d o w n 模式下状态仅为l “a 。 6 ) 发射功率和工作频率等所有工作参数可全部通过软件设置。 7 ) 内置2 4 g k 天线，体积小巧约2 叙2 4 n 吼( 不包括天线) ： 8 ) 模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据( 提供中断指示) ，可 直接接各种单片机使用，软件编程非常方便 9 ) 内置专门稳压电路，使用各种电源包括d c 仍c 开关电源均有很好的通信效果。 1 0 ) 标准d 口间距接口，便于嵌入式应用。 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 引脚说明( 顶视图) l r l 刚0 0 0 无线数据传输模块引脚说明图如图3 1 2 所示，各引脚功能如表3 1 述。 坫1 5 啪秭 隰 口嫩 a m a 孤l a d t