毕业设计（论文）-高压系统温度在线监测.doc

目目 录录 1 1 绪论绪论 1 1 1 1 高压系统温度在线监测技术的重要意义 1 1 1 21 2 无线测温系统特点无线测温系统特点 1 1 1 31 3 实现功能实现功能 2 2 2 2 硬件电路的组成硬件电路的组成 3 3 2 12 1 单片机单片机 3 3 2 1 1 单片机 AT89C 3 2 1 2 AT89C51 系列主要特点 4 2 1 3 AT89C51 的寻址方式 4 2 1 4 AT89C51 的指令分类 5 2 22 2 温度传感器温度传感器 5 5 2 2 1 DS18B20 的内部结构 6 2 2 2 DS18B20 引脚定义 7 2 2 3 DS18B20 工作原理 7 2 32 3 显示数码管显示数码管 7 7 2 3 1 数码管工作原理及引脚 7 2 3 2 数码管的编码方法 8 2 3 3 显示数字对应的二进制电平信号 9 2 3 4 数码管的驱动方式 9 2 42 4 LEDLED 9 9 2 4 1 LED 优点 10 2 4 2 LED 的发光原理 10 2 52 5 蜂鸣器蜂鸣器 1010 2 5 1 蜂鸣器的类型 11 2 5 2 驱动方式 11 3 3 硬件电路的设计硬件电路的设计 1212 3 13 1 电源电路电源电路 1212 3 23 2 无线传输电路无线传输电路 1212 3 33 3 温度信号检测电路温度信号检测电路 1313 3 43 4 数码管温度显示电路数码管温度显示电路 1414 3 53 5 LEDLED 灯光提示驱动电路灯光提示驱动电路 1414 3 63 6 蜂鸣器报警电路蜂鸣器报警电路 1515 3 73 7 掉电保护电路掉电保护电路 1616 结束语结束语 1717 谢辞谢辞 1818 参考文献参考文献 1919 附录附录 2020 毕业设计论文 1 1 1 绪论绪论 在电力系统中 高压开关柜的应用相当广泛 担负着关合及开断电力线路 保护系统安全的双重功能 而柜内导电连接处的接触特性直接影响到开关柜工 作的可靠性 在电力生产的过程中 机械振动 触头烧蚀等原因都可能造成接 触处温度升高 引起接触处氧化 使接触电阻进一步增加 温度进一步上升 继而出现局部熔焊或产生火花甚至电弧放电 殃及周围绝缘材料 最终造成电 气设备的损坏 因此 对柜内触点进行实时的温度监测 实现过热报警是避免 重大事故发生及控制故障恶化的有力手段 由于被测点为高压带电部位 常规的测温方式难以使用 因而 非接触的测 温方式应运而生 利用红外传感器进行温度测量就是其中之一 它是通过接收 被测目标发出的红外辐射来确定其温度的 因此可以测量高温的 有腐蚀性的 高压带电的物体 并以其速度快 范围宽且对被测温场无干扰等优势在高压电 力设备的温度在线监测领域中得到越来越广泛的应用 1 11 1 高压系统温度在线监测技术的重要意义高压系统温度在线监测技术的重要意义 高压开关设备主要用于关合及开断电力线以输送及倒换电力负荷 以及从 电力系统退出故障设备和线段 是保证系统安全运行的重要设备 高压开关柜 隔离开关在电网运行设备中是必不可少的 它担负着与其它电气设备相互配合 保证与其它设备关合电流的重任 在长期运行过程中 开关柜中的触点和母线 排连接处等部位因老化 工差配合不良或接触电阻过大而发热 由此最终导致 火灾事故 一直以来 在电厂和变电站已经发生多起开关柜触点过热事故 造 成火灾和大面积的停电 由于触点温度过热而引发的安全事故 一方面来自开关柜本身的质量原因 更重要的原因在于目前缺乏针对开关柜触点温度进行有效监测的手段 目前对 高压开关柜触点温度监测大都采用人工定期巡查的方法来获得触点的温度数据 定期巡视的方法容易出现事故的漏报现象 由此可见 随着电网其它设备的逐 步完善和更新 对于高压开关柜隔离开关的安全监测已滞后于电网的安全需要 因此 研究开发一种性能可靠 结构简单 使用方便 易于维护 成本低廉的 高压开关柜触点实时超温监测系统 实现过热报警 是避免重大事故发生和控 制故障恶化的有力手段 1 21 2 无线测温系统特点无线测温系统特点 无线测温系统结构简单 易于实现 集精确测温 无线数据传输和总线监测 网络于一体 满足了对供电系统开关柜内温度实时在线监测的要求 采用了红外 传输技术 没有电磁干扰 最限度地降低了周围电磁场尤其是开关开 合闸的影 毕业设计论文 2 响 有效地保证了测温精度 提高了设备使用寿命 监控软件通过与数据库的连 接 可以对温度数据进行存储 查询和显示 1 31 3 实现功能实现功能 监控计算机监控软件具有以下功能 1 实时显示监测点的温度数据 2 当监测点温度超过预设报警时自动报警 3 可以根据监测数据快速找出故障点 4 可以根据需要设定报警值 5 掉电保护功能 毕业设计论文 3 2 2 硬件电路的组成硬件电路的组成 2 12 1 单片机单片机 1994 年美国 ATMEL CORPORATION 爱特梅尔公司 通过技术交换取得 8031 单片机内核的使用权 并结合自身 EEPROM 存储设计 制造领域内的优势 将一 定容量的 FLASH 存储器集成了 80C31 单片机内核 形成独具特色的 AT89C 系列 的单片机芯片与 INTEL 公司 MCS 51 保持 100 兼容 价格低廉 程序修改灵活 片内 FLASH 存储器可以重复擦除 1000 次 2 1 12 1 1 单片机单片机 AT89CAT89C AT89C 系列的单片机型号主要有 AT89C51 AT89LV51 AT89C52 AT89C1051 AT89C2051 和 AT89S8252 其中 AT89C51 AT89LV51 硬件资源 引脚排列 指令系统与 INTEL 公司的 80C31 完 全兼容 AT89C52 AT89LV52 硬件资源 引脚排列 指令系统与 INTEL 公司的 80C32 完全兼容 芯片引脚如图 2 1 所示 图 2 1 AT89C51 引脚图 毕业设计论文 4 2 1 22 1 2 AT89C51AT89C51 系列主要特点系列主要特点 1 用 INTEL80C31 内核 硬件资源 引脚排列 指令系统分别与 MCS 51 系列 100 兼容 2 片内程序存储器类型号为 FLASH 容量为 4K 可重复擦写 1000 次 3 工作压为 5V 时钟频率为 0HZ 24HZ 4 同于采用 80C31 内核 同样具有正常 节电 掉电三种操作方式 5 三级程序存储器加密功能 6 可以利用 P0 P2 口扩展程序存储器和数据存储器空间 7 AT89C51 是 DIP40 脚封装 它有 P0 P1 P2 P3 四组 IO 口每共有 32 个 IO 口 其中 P1 口结构最简单 功能也单一仅作为普通数据输入 输出端口使用 P0 口端口较为复杂在需要扩展外部存储器时 它可以作为地址 数据总线使用 当然也可以普通 IO 端口使用 当作为普通 IO 端口使用时 P0 口要接上拉电阻才 能正常使用 P2 口 1 可以作为普通 IO 口使用也可以作为地址总线 在没有外 部程序存储器或虽有外部数据存储器但容量不大于 256B 不需要高 8 位地址时 P2 口可以作为 I O 端口使用 P2 口端口作为地址总时 P2 口将输出高 8 位地 址总线 与 P0 口不同无须分时使用 因此 P2 口上的地址信息或数据地址寄存 器高 8 位 DPH 保存时间长 无须锁存 P3 口是个多功能口除了可以作为普通 I O 端口外还具有第二功能 如表 2 1 所示 表 2 1 P3 口管脚的第二功能 2 1 32 1 3 AT89C51AT89C51 的寻址方式的寻址方式 AT89C51 单片机七种寻址方式 1 立即数寻地址 P3 口引脚第二功能备注 P3 0RXD 串行输入端 输入 P3 1TXD 串行输出端输出 P3 2IN0 外部中断 0 输入 P3 3IN1 外部中断 1 输入 P3 4T0 定时 计数器 0 的外部输入端 输入 P3 5T1 定时 计数器 1 的外部输入端 输入 P3 6WR 外部数据存储器写信号 输出 P3 7RD 外部数据存储器读信号 输出 毕业设计论文 5 2 直接寻址方式 3 寄存器寻址方式 4 寄存器间接寻址方式 5 位寻址方式 6 变址寻址方式 7 相对寻址方式 2 1 42 1 4 AT89C51AT89C51 的指令分类的指令分类 1 数据传送类指令 2 算术运算类指令 3 逻辑运算类与移位类指令 4 控制指令转移类指令 5 位操作指令 2 22 2 温度传感器温度传感器 目前用于断路器触头温度在线测量的方法主要分为两种 l 接触式测量 采用热敏电阻或半导体温度传感器等提取发热点的温度 2 非接触式测量 采用光纤温度传感器 红外温度传感器等提取发热点的 温度 接触式测量所用到的传感器价格低廉 结构简单 但是需要与断路器触头 附近的带电部分接触 会给测量装置引入高电压绝缘问题 而非接触式测量可 以实现远距离测量 不需要与测量点接触 为了避免断路器在线监测装置的高 电压绝缘问题 本文中采用非接触式测量的方式实现断路器触头的温度测量 目前 非接 触式温度测量的传感器主要有两种 光纤温度传感器和红外温度传感器 光纤温度传感器由光纤和感温原件构成 它的原理是利用感温元件对光的 吸收性随温度变化而变化的特性 将待测物体温度变化转化为光信号的变化 再通过光监测电路及滤波电路输出模拟电压量 温度测量通过光信号转化为电 信号 但是采用光纤温度传感器需要在测温点引出光纤电缆 而且光纤温度传 感器的价格目前还是比较高 相对而言性价比较低 红外温度传感器原理是通过接收测量物体的电磁辐射 将辐射波长的变化 转化成模拟电信号输出 其体积小 结构简单 综合比较 采用红外温度传感 器能够实现远距离测量 对断路器本体结构不产生影响 在断路器触头温度测 量中可行性高 由于断路器触头位于灭弧室中 外界不能直接观察到 所以不 能直接测量到断路器触头的温度 但是根据热传导原理 导电体通过电流温度 升高 和它接触的其它零部件的温度也会升高 断路器触头与灭弧室端盖或母 毕业设计论文 6 线连接处之间的接触可近似的看作平面接触 温度传感器主要由数字式温度传感器 中央处理单元和红外传输模块组成 温度传感器直接安装在被测物体表面 真实地反映被测点的实时温度 数字式温 度传感器采用 TI 公司生产的 DS18B20 图 2 2 它具有测量精度高 线性度好 性能比较稳定的特点 测量温度可为 55 125 温度传感器采用高性能锂电 池供电 具有馈电自检测功能 当电池电压低于 3 V 时 将自动报警 图 2 2 DS18B20 2 2 12 2 1 DS18B20DS18B20 的内部结构的内部结构 DS18B20 内部结构主要由四部分组成 64 位光刻 ROM 温度传感器 非挥 发的温度报警触发器 TH 和 TL 配置寄存器 该装置信号线高的时候 内部电 容器 储存能量通由 1 线通信线路给片子供电 而且在低电平期间为片子供电直 至下一个高电平的到来重新充电 DS18B20 的电源也可以从外部 3V 5 5V 的 电压得到 DS18B20 采用一线通信接口 因为一线通信接口 必须在先完成 ROM 设定 否则记忆和控制功能将无法使用 主要首先提供以下功能命令之一 1 读 ROM 2 ROM 匹配 3 搜索 ROM 4 跳过 ROM 5 报警检查 这些指令操作作用在没有一个器件的 64 位光刻 ROM 序列号 可以在挂在一 毕业设计论文 7 线上多个器件选定某一个器件 同时 总线也可以知道总线上挂有有多少 什 么样的设备 若指令成功地使 DS18B20 完成温度测量 数据存储在 DS18B20 的存储器 一个控制功能指挥指示 DS18B20 的演出测温 测量结果将被放置在 DS18B20 内 存中 并可以让阅读发出记忆功能的指挥 阅读内容的片上存储器 温度报警 触发器 TH 和 TL 都有一字节 EEPROM 的数据 如果 DS18B20 不使用报警检查指 令 这些寄存器可作为一般的用户记忆用途 在片上还载有配置字节以理想的 解决温度数字转换 写 TH TL 指令以及配置字节利用一个记忆功能的指令完成 通过缓存器读寄存器 所有数据的读 写都是从最低位开始 2 2 22 2 2 DS18B20DS18B20 引脚定义引脚定义 1 DQ 为数字信号输入 输出端 2 GND 为电源地 3 VDD 为外接供电电源输入端 在寄生电源接线方式时接地 2 2 32 2 3 DS18B20DS18B20 工作原理工作原理 DS18B20 的读写时序和测温原理与 DS1820 相同 只是得到的温度值的位 数因分辨率不同而不同 且温度转换时的延时时间由 2s 减为 750ms DS18B20 测温原理如图 3 所示 图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小 用于 产生固定频率的脉冲信号送给计数器 1 高温度系数晶振 随温度变化其振荡率 明显改变 所产生的信号作为计数器 2 的脉冲输入 计数器 1 和温度寄存器被 预置在 55 所对应的一个基数值 计数器 1 对 低温度系数晶振产生的脉冲信 号进行减法计数 当计数器 1 的预置值减到 0 时 温度寄存器的值将加 1 计 数器 1 的预置将重新被装入 计数器 1 重 新开始对低温度系数晶振产生的脉冲 信号进行计数 如此循环直到计数器 2 计数到 0 时 停止温度寄存器值的累加 此时温度寄存器中的数值即 为所测温度 斜率累加器用于补偿和修正测温过程 中的非线性 其输出用于修正计数器 1 的预置值 2 32 3 显示数码管显示数码管 2 3 12 3 1 数码管工作原理及引脚数码管工作原理及引脚 数码管由七个发光二极管级成 行成一个日字形 它们可以共阴极 也可 以共阳极 通过解码电路得到的数码接通相应的发光二极管而形成相应的字 七段数码管它在家电及工业控制中有着很广泛的应用 例如可以用来显示 温度 数量 日期 时间等等 具有显示醒目 直观的优点 七段数码管是由 七个独立的二极管采用共阴或共阳的方法连接而成 通常将这 7 个独立的二极 管做成 a b c d e f g 这 7 个笔划 如图 2 3 所示 毕业设计论文 8 图 2 3 七段数码管 2 3 22 3 2 数码管的编码方法数码管的编码方法 如果要显示 0 则要 a b c d e f 六个字段亮 就 0 而 g 和 dp 段不 亮 只要向 p0 口送出相应的代码就可以显示 表 2 2 编码方法 dpgf edcba P0 7P0 6P0 5P0 4P0 3P0 2P0 1P0 0 显示 字符 编 号 110000000C0H 111010111F3H 101001002A4H 101010003B0H 10001001499H 10000010592H 10000010682H 111110007F8H 10000000880H 10010000998H 10001000A88H 10001110F8BH 毕业设计论文 9 2 3 32 3 3 显示数字对应的二进制电平信号显示数字对应的二进制电平信号 表 2 3 数字显示二进制电平信号表 显示数字abcdefd 01111110 10110000 21101101 31111001 40110011 51011011 60011111 71110000 81111111 90001101 2 3 42 3 4 数码管的驱动方式数码管的驱动方式 1 直流驱动 是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的 I O 端口进行驱动 或者 使用如 BCD 码二 十进制译码器译码进行驱动 优点是编程简单 显示亮度高 缺点是占用 I O 端口多 2 动态显示驱动 是将所有数码管通过分时轮流控制各个数码管的的 COM 端 就使各个数码 管轮流受控显示 将所有数码管的 8 个显示笔划 a b c d e f g dp 的同名端 连在一起 另外为每个数码管的公共极 COM 增加位选通控制电路 位选通由各 自独立的 I O 线控制 当单片机输出字形码时 所有数码管都接收到相同的字 形码 但究竟是那个数码管会显示出字形 取决于单片机对位选通 COM 端电路 的控制 所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开 该位就显示出字 形 没有选通的数码管就不会亮 2 42 4 LEDLED LED Light Emitting Diode 发光二极管 是一种固态的半导体器件 它可以直接把电转化为光 LED 的心脏是一个半导体的晶片 晶片的一端附 LED 灯株在一个支架上 一端是负极 另一端连接电源的正极 使整个晶片被环氧 树脂封装起来 半导体晶片由两部分组成 一部分是 P 型半导体 在它里面空 穴占主导地位 另一端是 N 型半导体 在这边主要是电子 但这两种半导体连 毕业设计论文 10 接起来的时候 它们之间就形成一个 P N 结 当电流通过导线作用于这个晶 片的时候 电子就会被推向 P 区 在 P 区里电子跟空穴复合 然后就会以光子 的形式发出能量 这就是 LED 发光的原理 而光的波长决定光的颜色 是由形 成 P N 结材料决定的 2 4 12 4 1 LEDLED 优点优点 1 体积小 2 耗电量低 3 使用寿命长 4 高亮度 低热度 5 环保 6 坚固耐用 7 多变幻 8 技术先进 2 4 22 4 2 LEDLED 的发光原理的发光原理 发光二极管是由 族化合物 如 GaAs 砷化镓 GaP 磷化镓 GaAsP 磷砷化镓 等半导体制成的 其核心是 PN 结 因此它具有一般 P N 结 的 I N 特性 即正向导通 反向截止 击穿特性 假设发光是在 P 区中发生的 那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光 或者先被发光中心捕获后 再与空穴复合发光 除了这种发光复合外 还有些 电子被非发光中心 这个中心介于导带 介带中间附近 捕获 而后再与空穴 复合 每次释放的能量不大 不能形成可见光 发光的复合量相对于非发光复 合量的比例越大 光量子效率越高 由于复合是在少子扩散区内发光的 所以 光仅在靠近 PN 结面数 m 以内产生 理论和实践证明 光的峰值波长 与发光区域的半导体材料禁带宽度 Eg 有关 即 1240 Eg 1240 Eg mmmm 式中 Eg 的单位为电子伏特 eV 若能产生可见光 波长在 380nm 紫 光 780nm 红光 半导体材料的 Eg 应在 3 26 1 63eV 之间 比红光波长长的 光为红外光 现在已有红外 红 黄 绿及蓝光发光二极管 但其中蓝光二极 管成本 价格很高 使用不普遍 2 52 5 蜂鸣器蜂鸣器 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器 采用直流电压供电 广泛应用于 计算机 打印机 复印机 报警器 电子玩具 汽车电子设备 电话机 定时 毕业设计论文 11 器及家电控制系统等电子产品中作发声器件 2 5 12 5 1 蜂鸣器的类型蜂鸣器的类型 蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型 压电式蜂鸣器 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器 压电蜂鸣片 阻抗匹配 器及共鸣箱 外壳等组成 有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管 电磁式蜂鸣器 电磁式蜂鸣器由振荡器 电磁线圈 磁铁 振动膜片及外 壳等组成 2 5 22 5 2 驱动方式驱动方式 由于自激蜂鸣器是直流电压驱动的 不需要利用交流信号进行驱动 只需 对驱动口输出驱动电平并通过三极管放大驱动电流就能使蜂鸣器发出声音 很 简单 这里就不对自激蜂鸣器进行说明了 这里只对必须用 1 2duty 的方波信 号进行驱动的他激蜂鸣器进行说明 单片机驱动他激蜂鸣器的方式有两种 一种是 PWM 输出口直接驱动 另一 种是利用 I O 定时翻转电平产生驱动波形对蜂鸣器进行驱动 毕业设计论文 12 3 3 硬件电路的设计硬件电路的设计 3 13 1 电源电路电源电路 电源电路是给电子设备提供必要的电源能量的电路 就输入和输出而言 在集成电路中主要使用的是由交流 AC 220V 50 60Hz 的市电转换成直流电 其电路图如图 3 1 所示 图 3 1 电源电路 在设计稳压部分时 根据电路对电源要求的不同而选择不同的稳压电路 由于 A D 转换器 TLC1549 看门狗定时器 X25045 三端可调集成稳压器 LM317 单片机 AT89C51 要求电源电压的稳定性较高 所以采用了三端 固定式集成稳压电路 78H05 由于测量电路和频率 电压转换器对电源要求不 太高 所以分别采用稳压管给它们供电 由于 A D 转换器的基准电压 REF 对电源要求非常高 所以采用精密基准电压源 LM336 5 0V 供电 3 23 2 无线传输电路无线传输电路 红外传输模块主要由红外编码 译码器 MCP2120 和红外收发器 TFDU4100 组 成 红外编码 译码器 MCP2120 是美国 Microchip 技术公司推出的 在应用中位 于通用异步接收器 发射器 UART 和红外收发器之间该器件对从标准 UART 接收 的数据进行编码 并以电脉冲方式输出到红外收发器 TFDU4100 中 红外收发器 毕业设计论文 13 TFDU4100 将接收的数据同样以电脉冲形式馈送到 MCP2120 进行解码 而后通过 MCP2120 和 UART 发射译码数据 红外传输模块的工作原理红外传输模块采用 37kHz 标准红外串口接口传输 信号 进行应答式半双工通信 MCP2120 的引脚 TX 接收的来自 UART 的数据经编码 器编码后通过引脚 TXIR 发射 红外收发器接收的光脉冲信号经引脚 RXD RXD 是单片机的一个引脚 输出后并通过 MCP2120 的引脚 RXIR 进入译码器解调 然 后经引脚 RX 馈送到 UART MCP2120 发送和接收波特率既可通过 BAUD2 BAUD1 和 BAUD0 3 个硬件引脚配置 也可通过软件选择 3 33 3 温度信号检测电路温度信号检测电路 图 3 2 温度信号检测电路 毕业设计论文 14 3 43 4 数码管温度显示电路数码管温度显示电路 图 3 3 数码管温度显示电路 3 53 5 LEDLED 灯光提示驱动电路灯光提示驱动电路 数码管显示电路电路原理 如图 3 4 本设计采用了 LCD1602 用于人机交互 8 个 LED 指示灯指示 8 个高压开头触头测量点的温度是否超过警戒 80 温度 图 3 3 中的 LED 采用共阳接法 这是因为 AT89S51 单片机的 I O 口高电平驱动 能力相当弱 不足于驱动 LED 显示 然而低电平驱动能力会高得多 足够驱动 LED 显示 在设计程序时 若想让某个 LED 灯只使对应的单片机引脚送低电平 即可 图中的 R1 R8 电阻主要起到限流的作用 毕业设计论文 15 图 3 4 LED 指示电路 3 63 6 蜂鸣器报警电路蜂鸣器报警电路 如图 3 5 为蜂鸣器驱动电路 图中为 Q1 为低频小功率 PNP 型三极管 用驱 动电容式交流蜂鸣器 2K u3 R11 为 U3 放电回路电容 三极管基极通 R10 与单 片机 p3 2 连接 这就构成了蜂鸣器的驱电路 工作原理 要让蜂鸣器响 必须 给交变信号 为了给蜂鸣器施加交变电压 在编程时 设置定时器中断周期为 0 25MS 中断频率为 4K 只要每次进入中断后让 P3 2 电平取反即可以产生 2KHZ 驱动脉冲 由于单片机驱动能力弱不足以直接驱动蜂鸣器 所以用 9015 放大电 流电压 驱动电平低平有效 R11 是给交流蜂鸣器提供放电回路 毕业设计论文 16 图 3 5 蜂鸣器驱动电路 3 73 7 掉电保护电路掉电保护电路 掉电保护电路具有掉电保护功能 掉电后可以保存故障信息 SDA 串行数 据输入输出口与 P3 7 连接 SDK 串行移位时钟控制端与 P3 6 连接 SDA 和 SDK 使用时引脚必须接一个 5 1k 的上拉电阻 A2 A0 这 3 个引脚是器件地址选 择引脚及 WP 引脚在本设计中接地 3 6 掉电保护电路图 毕业设计论文 17 结束语结束语 在电力系统中