《高壓開關(guān)柜溫度測控系統(tǒng)設(shè)計》12000字（論文）

高壓開關(guān)柜溫度測控系統(tǒng)設(shè)計摘要高壓開關(guān)柜在生產(chǎn)生活中一直被廣泛使用，作為用電環(huán)節(jié)中的保障的一環(huán)，高壓開關(guān)柜的安全性很重要。高壓開關(guān)柜在運行過程中會導致電路老化，電路老化又容易使設(shè)備過熱從而發(fā)生故障，造成嚴重的損失。如今的高壓開關(guān)柜為了防止出現(xiàn)事故，都會在內(nèi)部設(shè)置一些監(jiān)測溫度的裝置。現(xiàn)有的高壓開關(guān)柜無法準確及時獲取高壓開關(guān)柜內(nèi)部溫度情況。用電量也在不斷的增加，一種能夠?qū)崟r精準測量高壓開關(guān)柜溫度的技術(shù)應(yīng)運而生。針對高壓開關(guān)柜自身的特點，分別對其軟件和硬件方面的設(shè)計進行了相應(yīng)的改善。對硬件電路的設(shè)計主要運用了振蕩電路、混頻電路、頻率檢測電路和數(shù)據(jù)詢問電路，溫濕度傳感器模塊設(shè)計，電機模塊設(shè)計和蜂鳴器報警電路，該硬件電路有許多優(yōu)勢，可以有效的減少或消除外部的干擾。根據(jù)對應(yīng)用的情況，針對溫度檢測的關(guān)鍵點進行相應(yīng)的布置，提高了溫度檢測的有效性，并且對于現(xiàn)在已有的溫度算法對高壓開關(guān)柜溫度不敏感問題，對算法進行了相應(yīng)的改善，最后設(shè)計出的高壓開關(guān)柜運行良好符合科學合理性，在完善高壓開關(guān)柜上提供了一定的參考。關(guān)鍵詞：高壓開關(guān)柜；溫濕度傳感器；測溫；電力設(shè)備目錄TOC\o"1-3"\h\u一、緒論 一、緒論1.1研究背景高壓開關(guān)柜是多種設(shè)備組合在一起的組合類設(shè)備，其中包括斷路器、互感器、母線、避雷器以及將相關(guān)控制電器、測量儀器儀表、保護動作裝置和相關(guān)輔助設(shè)備，把這些設(shè)備通過布局，合理運用空間最后集合在一個封閉的電箱內(nèi)。高壓開關(guān)柜的主要目的就是把傳輸?shù)降碾姲凑障鄳?yīng)的需求進行分配，高壓開關(guān)柜有著許多的優(yōu)點，極少的占地可以分配在大多數(shù)地方，同時高壓開關(guān)柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密，減少了安裝時的工作量，有效的減少了在對高壓開關(guān)柜進行安裝工作的時間，目前，10到35千伏的電壓基本上都是通過高壓開關(guān)柜來進行控制的，2006年，我國在《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中也有相應(yīng)的提及REF_Ref32565\r\h[1]。高壓開關(guān)柜在生產(chǎn)生活中一直被廣泛使用，高壓開關(guān)柜的運行隨著時間的推移會逐漸產(chǎn)生許多安全問題,同時也產(chǎn)生了許多不可預(yù)知的故障REF_Ref375\r\h[2]。我國的各電力公司在使用高壓開關(guān)柜時出現(xiàn)過嚴重程度有大有小的事故，最終都造成了公司的經(jīng)濟損失。當高壓開關(guān)柜中的電路通過大電流時，與其連接的電阻就會產(chǎn)生大量的熱量，尤其是當分配到某一部分的電流過大，最終導致那一部分熱量過大，最終導致電路燒毀。因此，需要對高壓開關(guān)柜內(nèi)部的局部電路進行溫度的檢測，實時檢測電路中溫度的變化，在溫度超過預(yù)設(shè)的上限，可能發(fā)生安全隱患時及時停止并對高壓開關(guān)柜設(shè)備進行維修，方式發(fā)生電力事故造成更大的經(jīng)濟損失REF_Ref430\r\h[3]。隨著運行時間的推移，高壓開關(guān)柜內(nèi)部元件老化，電阻的阻值增大也會導致高壓開關(guān)柜內(nèi)部溫度過高而發(fā)生電力事故，及時發(fā)現(xiàn)并維護能有效減少電力事故的發(fā)生。在電力是第一動力的今天，高壓開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)熱而引發(fā)的電力事故依然屢見不鮮，通過對發(fā)生事故的高壓開關(guān)柜進行分析研究，分析后發(fā)現(xiàn)發(fā)生事故的主要原因不外乎一點，就是高壓開關(guān)柜自身的因素，大部分發(fā)生事故的高壓開關(guān)柜都缺乏了相應(yīng)的內(nèi)部溫度檢測手段，無法及時獲取到高壓開關(guān)柜內(nèi)部溫度的變化情況，導致對高壓開關(guān)柜的維護和事故的預(yù)防變得困難。如今為了更好的預(yù)防電力事故的發(fā)生，一種能夠?qū)崟r精準測量高壓開關(guān)柜溫度的系統(tǒng)應(yīng)運而生，在電力事故預(yù)防方面具有重要的意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀高壓開關(guān)柜是3-35kV交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備的俗稱，它是3-35kV電網(wǎng)中最大面積是配電設(shè)備。由于國內(nèi)外市場需求的日益多樣化和國外代以先進技術(shù)的不斷引進，20世紀80年來。國內(nèi)電器制造行業(yè)推出了幾十種型號的高壓開關(guān)柜產(chǎn)品，打破了高壓開關(guān)柜過去幾十年一直以少油斷路器為主開關(guān)的GG-1和有限的幾種手車式開關(guān)柜的落后局面。新推出的高壓開關(guān)柜所配的主開關(guān)元件有真空斷路器、SF6斷路器、負荷開關(guān)、接觸器和熔斷器。高壓開關(guān)柜按柜內(nèi)主元件的安裝方式分為固定式和移開式，簡稱固定柜和手車柜。移開式高壓開關(guān)柜又根據(jù)手車的位置分落地式和中置式兩種。按安全等級分為鎧裝式、間隔式和箱式。按柜內(nèi)主絕緣介質(zhì)分為空氣絕緣柜和氣體絕緣柜(充氣柜)?，F(xiàn)有的高壓開關(guān)柜無法準確及時獲得紅外光譜圖，也很難直接觀測到內(nèi)部臘片的融化情況，也就無法準確及時獲取高壓開關(guān)柜內(nèi)部溫度情況。針對這些問題，國內(nèi)外都研制出不同高壓開關(guān)柜內(nèi)部溫度的檢測模式，同來完善人工檢測的諸多不足。其中，源無線測溫、光纖測溫、紅外測溫這幾種得到了較為廣泛的認可，這幾種測溫技術(shù)原理如下：（1）有源無線測溫有源無線測溫在之前就有應(yīng)用的實力，是屬于應(yīng)用較為廣泛的一種技術(shù)。其工作原理就是通過電池提供電能，以此來為溫度測量的傳感器工作，在相應(yīng)的節(jié)點上檢測溫度，當節(jié)點處于休眠狀態(tài)時傳感器也會進入到休眠狀態(tài)，降低了電能的消耗，同時，利用無線傳輸?shù)姆绞桨褱囟葦?shù)據(jù)傳輸?shù)较鄳?yīng)的設(shè)備，進而實現(xiàn)對高壓開關(guān)柜溫度的檢測。有源無線測溫傳感器的優(yōu)點是對電能消耗低，并且安裝簡單，可以適用于大部分的高壓開關(guān)柜，同時也減少了對高壓開關(guān)柜的安裝的繁瑣程度REF_Ref5110\r\h[5]。（2）光纖測溫光纖測溫就是根據(jù)光纖在不同溫度下對光的反射、衍射和吸收作用的不同來進行溫度的檢測。光纖測溫的方式很多，但主要分為兩個類型：分布式光纖測溫和點式光纖測溫。分布式光纖測溫主要是基于散射原理，其中基于拉曼散射原理而產(chǎn)生的技術(shù)應(yīng)用較為成熟，目前在某些公司已經(jīng)開始實際使用測試；點式光纖測溫包含許多種類，其中主要有熒光式、半導體吸收式與光纖光柵式。總的來說，光纖測溫就是通過溫度對光的反射的影響，不同的溫度對光反射的影響程度不同，根據(jù)相應(yīng)的變化進行解碼最終測出溫度。若在高壓開關(guān)柜里使用光纖測溫，因為靜電的原因許多灰塵和雜質(zhì)會附著在光纖上，隨著時間的推移，光纖的絕緣性遭到破壞造成電力事故，同時光纖的造價較高，在維護方面的支出也會較高。（3）紅外熱成像測溫紅外測溫的原理就是通過對發(fā)熱源進行紅外線測量，根據(jù)黑體輻射定律，物體的溫度越高，那么其所散發(fā)出的紅外輻射也就越強。通過檢測物體向外散發(fā)的紅外輻射能量，再由相應(yīng)的傳感器吸收后，經(jīng)過一系類轉(zhuǎn)化，最終變成可以測量的信號，最終顯示出物體的溫度。相比于光纖測溫REF_Ref5292\r\h[6]，紅外測溫不需要和被測物體進行接觸，只需要在被測物體旁就能測出物體溫度，因此沒有了靜電吸塵的影響，同時，紅外測溫只能測量一部分的溫度，若不能覆蓋，就會出現(xiàn)遺漏的地方，對開關(guān)柜的檢測不能整體進行，覆蓋的成本又太高，很難滿足開關(guān)柜監(jiān)測的需求。1.3主要研究內(nèi)容本論文主要以研究高壓開關(guān)柜內(nèi)部溫度檢測問題，通過對國內(nèi)外相關(guān)材料的分析，對各種方法進行的深入研究出有缺點，針對高壓開關(guān)柜的測溫問題，本論文模擬使用無線聲表面波技術(shù)來實現(xiàn)對高壓開關(guān)柜溫度的實時檢測，以無源無線的方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。本設(shè)計可以適用于較小的高壓開關(guān)柜，擁有更高的精度，同時也能實時檢測。工作的具體內(nèi)容如下：1．通過對過內(nèi)外高壓開關(guān)柜技術(shù)的研究分析，得出高壓開關(guān)柜的發(fā)展現(xiàn)狀，并且得出現(xiàn)有的高壓開關(guān)柜所存在的優(yōu)點和缺陷，通過對各種測溫方式進行分析比較，最終確定使用無線聲表面波的測溫方式。2．根據(jù)高壓開關(guān)柜環(huán)境特點，對軟硬件進行了設(shè)計，硬件電路的設(shè)計主要運用了振蕩電路、混頻電路、頻率檢測電路和數(shù)據(jù)詢問電路，該硬件電路有許多優(yōu)勢，可以有效的減少或消除外部的干擾，可以檢測到更精確的溫度數(shù)據(jù)REF_Ref5423\r\h[7]。3．結(jié)合高壓開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)特點，針對發(fā)熱點進行相應(yīng)的溫度檢測點，在減少了數(shù)據(jù)量的同時，還使布局更具合理性。

二、系統(tǒng)的總體設(shè)計本設(shè)計分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個部分，硬件設(shè)計分為，SAW傳感器部分，包括振蕩電路，混頻電路和頻率檢測電路。單片機模塊，包括時鐘電路模塊和復位電路模塊，除此之外，還有溫濕度傳感器模塊設(shè)計，A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計，電機模塊設(shè)計，蜂鳴器報警電路，液晶顯示模塊電路設(shè)計，加熱板模塊設(shè)計REF_Ref5531\r\h[8]。軟件設(shè)計部分包括開發(fā)工具的介紹和主程序流程圖。在本次設(shè)計中，使用SAW傳感器的優(yōu)勢在于傳感器之間不會相互干擾，提高測量結(jié)果的可靠性與穩(wěn)定性，使用單片機進行模塊設(shè)計主要基于以下三點，第一就是能夠穩(wěn)定的工作，第二個就是考慮到它的價格問題，第三個就是因為單片機處理性能高。將這兩樣配合使用才能更好發(fā)揮它們二者性能。對于復位電路模塊就是讓處理器達到復位的作用。對于混頻電路的作用就是通過兩個信號相減就能得到消除。A/D轉(zhuǎn)換模塊REF_Ref5648\r\h[9]是將來自傳感器的模擬輸入量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并將其發(fā)送到單片機當中。在系統(tǒng)軟件設(shè)計方面，主要對高壓開關(guān)柜溫控系統(tǒng)進行上電，用溫度傳感器進行高壓開關(guān)柜溫度的檢測REF_Ref5773\r\h[10]，最后，為了使系統(tǒng)不受外界因素的干擾，所以對高壓開關(guān)柜溫度控制系統(tǒng)進行了一系列避免干擾的措施，然后在編程和導入之后在protues中對圖形進行模擬和調(diào)試。

系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1SAW傳感器的分類換能器(IDT)是由壓電基片和多根電極構(gòu)成。叉指換能器根據(jù)叉指結(jié)構(gòu)不同分為單指換能器和雙指換能器。通過對單指換能器和雙指換能器的對比發(fā)現(xiàn)，單指換能器的機構(gòu)相對于雙指換能器較為簡單。此外，單指換能器和雙指換能器所需要的光刻精度也有所不同，單指換能器需求的精度較低，但應(yīng)用較為廣泛。機械波反射時，前者為周期為P=PI/2的柵陣：當λ=c時，發(fā)生布拉格反射，此時得到的合成信號最強。對于雙指叉指換能器來說，叉指間距小，對光刻精度要求也就較高REF_Ref5887\r\h[11]。雙指換能器控制下的評率響應(yīng)更加精準。在給聲表面波叉指換能器的兩根總線通上交流電時，在內(nèi)部產(chǎn)生壓電效應(yīng)，壓電基片會根據(jù)交流電的頻率做出相應(yīng)的變化，生成有規(guī)律的信號。當叉指換能器的周期PI為聲表面波波長整數(shù)倍時，能夠激勵出非常強的SAW信號。能夠影響IDT的因素有：(1)聲表面波叉指周期M；(2)成對指條數(shù)量；(3)孔徑大小；(4)金屬膜厚度等。許多應(yīng)用廣泛的傳感器中，SAW類的傳感器也經(jīng)常出現(xiàn)，SAW溫度傳感器主要是根據(jù)對所測物體的溫度變化而做出相應(yīng)的變化的傳感器?；赟AW的傳感器還包括了延遲線型和諧振型，其中一些傳感器需要在外部進行電能供給才能運行，也有些傳感器不需要外部供給就能運行。而聲表面波溫度傳感器則有四種類型，包括源諧振型和延遲型、無源諧振型和延遲型。在本論文中主要以10到35千伏的高壓開關(guān)柜為例，高壓開關(guān)柜所控制的電壓較大，也就更容易導致高壓開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)熱。并且高壓開關(guān)柜無法因為測溫的原因而停電，使得傳感器要在高壓開關(guān)柜的復雜且惡劣的環(huán)境中持續(xù)運行，這就提高了對傳感器選擇上的要求。3.2SAW傳感器系統(tǒng)要使傳感器之間不會互相干擾，利用中心頻率較窄的頻帶的傳感器，這樣就能使傳感器間的工作穩(wěn)定。在應(yīng)用實例中，為了能提高測量結(jié)果的可靠性與穩(wěn)定性，會裝上兩個采集天線采集反饋信息，這樣就盡可能的避免了相鄰傳感器間的串擾REF_Ref6027\r\h[12]。通過在高壓開關(guān)柜內(nèi)部需要監(jiān)測的區(qū)域放置傳感器探頭，數(shù)個測溫探頭，同時在該區(qū)域安裝兩根采集天線，因為每個傳感器的中心頻率不同，所以傳感器要把信號反饋到采集器進行各自的處理。通過RS485將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)再通過網(wǎng)口、串口以及GPRS等方式傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺，監(jiān)控平臺根據(jù)所收到的信息進行分析歸納，對于存在安全隱患的數(shù)據(jù)進行報警。3.3單片機模塊設(shè)計圖3.1STC89C51主控芯片隨著微處理器技術(shù)的不斷發(fā)展。在系統(tǒng)的設(shè)計中所采用的芯片。它的體積越來越小，性能越來越高，耗電量越來越低。處理速度越來越快。在本次系統(tǒng)的設(shè)計中，根據(jù)以下幾個方面來進行控制系統(tǒng)芯片的選擇。第一個就是要能夠穩(wěn)定的工作。一個系統(tǒng)正常穩(wěn)定的工作是最重要的，有些微處理器的芯片的抗干擾能力非常差，因此不適用于本系統(tǒng)。技術(shù)最成熟的芯片就是本次系統(tǒng)所選擇的芯片STC89C51。第二個考慮的就是它的價格問題。本次設(shè)計的系統(tǒng)主要應(yīng)用于高壓開關(guān)柜溫度測控系統(tǒng)，因此需求量非常大，所以做出來的產(chǎn)品價格要迎合市場，這樣才能夠符合大眾消費。第三個就是它的處理性能的高低。選擇一款合適的芯片首先要考慮它的處理速度，如果處理速度過慢，那樣有可能性能不優(yōu)。出于這幾個方面的考慮，所以選擇STC89C51，如圖3.1所示。3.3.1時鐘電路模塊時鐘電路是最重要的，沒有時鐘電路微處理器也就沒有辦法正常的工作，STC89C51芯片所需要的晶振是12MHz，因此與晶振所組成的電容應(yīng)該選擇30pf，這樣配合使用才能使系統(tǒng)的性能發(fā)揮到極致。微處理器主要是依靠晶振來工作的，也就是說晶振能提供一個固定的步長的工作頻率。其電路如圖3.2所示：圖3.2時鐘電路模塊3.3.2復位電路模塊復位電路的作用是當微處理器通電時可以通過簡單的操作達到讓處理器復位的作用，簡單來說，當工作過程中出現(xiàn)問題和故障時，只需要按下復位按鈕便可以重新運行和工作。當要對現(xiàn)有的電路重啟時，電路并不會進行自動復位，還需要手動操作REF_Ref6122\r\h[13]。準確地說，工作程序在運行的過程中如果有錯誤的話，可以運用復位的方法加以解決。圖3.3所示的就是復位電路，當上電的時候RST端口的電壓是高電平系統(tǒng)同時對電容進行充電，當按下復位按鈕的時候，電容按鈕以及1K的電阻就會形成通路，這時候電容就會放電使得復位端口的電平變成低電平，來完成復位操作。圖3.3復位電路模塊3.4SAW傳感器模塊設(shè)計3.4.1震蕩電路震蕩電路又被稱為晶振電路，晶振電路的作用是向SAW傳感器內(nèi)部發(fā)送脈沖信號，使得傳感器能夠運行，在整個系統(tǒng)中十分關(guān)鍵。震蕩電路能夠不通過外界因素實現(xiàn)對電路中的電信號轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)直流變交流的作用。通常會按照不一樣的輸出波形實現(xiàn)電壓的正弦和非正弦更替，按照系統(tǒng)模塊電路的設(shè)計把震蕩電路劃為兩種類型，分別是反饋式和負阻抗式。本次高壓開關(guān)柜溫度測控系統(tǒng)使用的震蕩類型為負阻抗式，通過數(shù)據(jù)采集部分實現(xiàn)對信號頻率的選擇，繼而進行模塊系統(tǒng)的組合匹配，構(gòu)成閉環(huán)反饋，反饋系統(tǒng)包含電路放大模塊、負反饋模塊、頻率選擇模塊REF_Ref6226\r\h[14]。SAW震蕩電路的工作原理如圖3.4所示，實現(xiàn)溫度采集與判斷。輸出信號基本放大器AMP輸出信號基本放大器AMP反饋信號反饋信號SAWSAW匹配電路匹配電路 匹配電路匹配電路圖3.4SAW振蕩電路的工作原理結(jié)構(gòu)圖振蕩電路雖然有很多種類型，但主要使用的振蕩電路只有兩種，分別數(shù)皮爾斯振蕩電路和柯比茲振蕩電路。對這兩種振蕩電路進行比較，相對于柯比茲振蕩電路，皮爾斯振蕩電路具有穩(wěn)定性高并且結(jié)果簡單的特點.3.4.2混頻電路高壓開關(guān)柜內(nèi)部集合了多種設(shè)備，使得高壓開關(guān)柜內(nèi)部的元器件和電路全部布置在了很小的空間，內(nèi)部環(huán)境帶來的干擾使SAW傳感器測量產(chǎn)生影響。經(jīng)過相關(guān)的研究計算，本設(shè)計最終決定采用混頻的方式來消除高壓開關(guān)柜內(nèi)部環(huán)境產(chǎn)生的影響。混頻器的是由兩個輸入端與一個輸出端組成的，混頻器把兩個輸入端的信號在內(nèi)部轉(zhuǎn)換，最后通過輸出端輸出轉(zhuǎn)換完成后的信號。與此同時，混頻電路中的輸入為雙路表面波振蕩電路的輸出，在兩個輸入信號中，有一個是溫度測量時產(chǎn)生的信號，另一個是對環(huán)境的測量產(chǎn)生的信號。因此，當高壓開關(guān)柜內(nèi)部環(huán)境產(chǎn)生干擾時，通過混頻器的兩個輸入信號都受到了一樣的干擾，通過兩個信號相減就能得到消除環(huán)境干擾后的信號，以達到提高對高壓開關(guān)柜溫度測量的準確性REF_Ref6654\r\h[15]。此外，在經(jīng)過混頻器處理后的信號屬于低頻信號，相比較于高頻信號，低頻信號在本設(shè)計中更加適用。其等效的電路原理圖如圖3.5所示。圖3.5混頻芯片等效電路原理圖3.4.3頻率檢測電路本設(shè)計所采用的是聲表面波觸感器，通過對其輸出端的檢測得到相關(guān)的數(shù)據(jù)。檢測的方法有很多種，但主要使用的有兩種方法：頻率檢測法和相位檢測法。頻率檢測法具有較高的精確度，但在檢測的過程中偶爾會出現(xiàn)頻率的跳躍；相位檢測法通過對比輸入輸出端的相位變化來測量，繁瑣的過程導致相位檢測法的靈敏度較低。本設(shè)計采用頻率檢測法來實現(xiàn)對振蕩電路的檢測，電路原理圖如3.6所示：圖3.6頻率檢測法原理圖由上圖可知，頻率檢測電路具有兩個輸入端，在兩個輸入中，一個是輸入測溫傳感器所產(chǎn)生的信號，另一個是輸入以環(huán)境為參考的信號，在兩個輸入端口把輸入信號傳遞到混頻電路中時，就能得到頻率差：。本設(shè)計中所采用的檢測方法可以消除外部干擾，尤其是在高壓開關(guān)柜這種內(nèi)部環(huán)境復雜的設(shè)備上非常適用，可以有效提高對高壓開關(guān)柜內(nèi)部溫度測量的準確性。3.5溫濕度傳感器模塊設(shè)計本次基于單片機的溫濕度采集系統(tǒng)用于檢測溫濕度的模塊為DHT11傳感器,能夠進行對周圍環(huán)境因子溫度以及濕度的檢測,并且通過內(nèi)部電路將信號轉(zhuǎn)換為可用的電信號，發(fā)送給主電路，DHT11的性能十分穩(wěn)定，并且耐久度高。溫濕度傳感器的內(nèi)部電路中包含了一個感濕元件一個測溫元件，能夠通過與8位單片機的連接，進行快速的信號轉(zhuǎn)換。在DHT11進行溫濕度檢測的時候，會通過內(nèi)部程序進行電信號強弱的控制。DHT11占用的空間很小，并且內(nèi)部功率的消耗很低，是本次設(shè)計的最佳選擇REF_Ref6762\r\h[16]，其連接原理如圖3.7所示。當用戶端的微控制單元進行一次信號傳輸之后，DHT11會進行速度很快的環(huán)境因子采集，當傳輸信號的工作任務(wù)結(jié)束之后，DHT11會對用戶端的微控制單元發(fā)送一個反饋信號，并且進行一次數(shù)據(jù)因子的處理，通過藍牙傳輸模塊發(fā)送給用戶，DHT11收到微控制單元的信號就會進行數(shù)據(jù)采集，反之，則不采集，并在一段時間后自動進入低功耗模式。在DHT11傳感器生產(chǎn)的過程中，每一個都會進行校準，設(shè)定的參數(shù)程序儲存在DHT11的內(nèi)部存儲空間中，在DHT11進行溫濕度檢測的時候，會通過內(nèi)部程序進行電信號強弱的控制。DHT11占用的空間很小，并且內(nèi)部功率的消耗很低，是本次設(shè)計的最佳選擇。當用戶端的微控制單元進行一次信號傳輸之后，DHT11會進行速度很快的環(huán)境因子采集，當傳輸信號的工作任務(wù)結(jié)束之后，DHT11會對用戶端的微控制單元發(fā)送一個反饋信號，并且進行一次數(shù)據(jù)因子的處理，通過藍牙傳輸模塊發(fā)送給用戶，DHT11收到微控制單元的信號就會進行數(shù)據(jù)采集，反之，則不采集，并在一段時間后自動進入低功耗模式。其分辨率決定了所收集的關(guān)于水溫的信息，倘若存在分辨率的不同從而在此情況下，得到的溫度值的數(shù)據(jù)也有所不用，在這個情況下，溫度轉(zhuǎn)換的延遲時間會從2s縮短為750msREF_Ref6971\r\h[17]。晶振在低溫的和環(huán)境下會對水溫的感應(yīng)度很弱，則會產(chǎn)生脈沖輸入的效果，這樣水溫就會對高溫度系數(shù)影響就相對較大，此時計數(shù)器2就會進行脈沖輸入。計數(shù)器1以及水溫存儲器的基本參數(shù)就會被設(shè)定為-55攝氏度。1號計數(shù)器采用減法計算低溫系數(shù)產(chǎn)生的脈沖輸入信號。當計數(shù)器中設(shè)置的參數(shù)從1減到0時，水溫記憶值相應(yīng)增加到1，計數(shù)器1當中所設(shè)定的數(shù)值也就會被重新設(shè)定，低溫的脈沖輸入信號也就會被計數(shù)器重新開始計數(shù)，就這樣進行類推，當計數(shù)器2中所計的總數(shù)變?yōu)?的時候，水溫存儲器的數(shù)值就會不再累加，停止時候的數(shù)值也就是水溫經(jīng)過測試之后的水溫了。單片機P1.2口用來發(fā)收串行數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)口。連接傳感器的Pin2（單總線，串行數(shù)據(jù)）。圖3.7DHT11接口圖傳感器的第一腳是電源腳，接電路板的電源。第二腳是數(shù)據(jù)端，接單片機的I/O口P1.2，把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C。第三腳是接地端，接電路板的地。3.6A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計模擬/數(shù)字電路就是將來自傳感器的模擬輸入量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并將其發(fā)送到單片機當中REF_Ref7105\r\h[18]。將A/D轉(zhuǎn)換中斷的模式使用到本次的設(shè)計中，轉(zhuǎn)換后的信號標記將連接到單片機的中斷引腳或相應(yīng)的I/O接口引腳，并在轉(zhuǎn)換完成的同時提交中，在收到單片機的回復后，將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送到中斷服務(wù)程序，使處理器與A/D轉(zhuǎn)換器一起工作，進而可以縮短機器時間。型號為ADC0832是數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換電路中使用的最核心的芯片。型號ADC0832的芯片是使用分是采集的方法進行八路模擬信號，其中有著八路的模擬開關(guān)，其每個開關(guān)都有相對性的通道，并且只是一個想要將地址的鎖存來設(shè)置譯碼電路，時間是在100微秒之內(nèi)的。系統(tǒng)原理圖如圖3.8所示。圖3.8A/D轉(zhuǎn)換模塊3.7電機模塊設(shè)計風扇聯(lián)動電路內(nèi)部的電動風扇，是通過直流電動機進行直接控制的，并且高壓開關(guān)柜溫度測控系統(tǒng)的也是通過直流電動機進行直接控制的，如果DHT11檢測到高壓開關(guān)柜內(nèi)部的濕度超出了預(yù)警值，那么系統(tǒng)就會驅(qū)動直流電機，進行風扇開關(guān)的連通。系統(tǒng)內(nèi)部的風扇聯(lián)動通過兩個三極管進行電信號的放大，再進行數(shù)據(jù)信號的發(fā)送。3.8蜂鳴器警報電路在電路板上的三極管供應(yīng)的蜂鳴發(fā)生器發(fā)出單一的聲音，從微操控器接受針腳當作電源，設(shè)置程序進行定時，并啟動警報器。經(jīng)過PNP9012完成電流的加大，當適合條件時輸出低電平，蜂鳴器無聲無息地響起。如圖3.9所示圖3.9蜂鳴器警報電路3.9液晶顯示模塊電路設(shè)計LCD1602液晶顯示屏是物美價廉且實用的顯示屏，廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。通電后在接收到單片機的電信號后就會持續(xù)保持其中某個點的亮滅，在準確顯示內(nèi)容的同時也能一直維持比較高的畫面質(zhì)量REF_Ref7216\r\h[19]。LCD1602的主要能源消耗為內(nèi)部電極和驅(qū)動IC，其他部分包括背光源所需的能源消耗很低，所以LCD1602整體耗能較低，同樣的電能儲備下LCD1602比大多數(shù)顯示屏能運行更久的時間。LCD1602液晶顯示屏帶背光源的具有16個引腳口，不帶背光源的有14個引腳口，每個引腳都具有特定的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶需要。如表3.1所示

表3.1LCD1602引腳說明表編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負極本設(shè)計中對LCD1602液晶顯示屏的接線方法非常簡便，把各數(shù)據(jù)管腳與單片機控制管腳相連，在LCD1602的A0口上接上一個滑動電阻，以及把電源和地管腳連接在單片機上的電源和地，就完成了顯示模塊設(shè)計。此外，還可以在背光接口上添加電阻用于降低電流，防止背光燈功率過大而被燒壞，阻值可以根據(jù)自己測試完成，在電阻后面增加兩個發(fā)光二極管，更換電阻直至發(fā)光二極管的亮度達到最佳即可REF_Ref7314\r\h[20]。而在A0接上一個滑動電阻則是為了了解LCD極板驅(qū)動電壓，當電壓過高時LCD就會顯示出黑色，也就是所有點全部都是黑色，慢慢調(diào)節(jié)滑動電阻，電壓升高，黑色的點就會開始慢慢變亮，找到顯示清楚的點應(yīng)用就完成了顯示模塊調(diào)試的步驟了。在本次設(shè)計中，LCD1602引腳分別連接數(shù)據(jù)線和控制線，顯示模塊電路如圖3.10所示。圖3.10LCD1602連接圖3.10加熱板模塊設(shè)計本次高壓開關(guān)柜溫度測控系統(tǒng)設(shè)計的加熱模塊使用的是半導體加熱板，主要的工作原理是熱電效應(yīng)，比較常見的熱電效應(yīng)實例，包括明顯的熱電效應(yīng)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含兩種半導體，分別是N型和P型。P型半導體沒有過多的可移動電子，當處于加熱狀態(tài)的時候會產(chǎn)生電勢差。N型半導體有較多的可移動電子，當內(nèi)部處于制冷狀態(tài)的時候會產(chǎn)生電勢差。所以該模塊的內(nèi)部存在電勢差的時候，可移動電子會從多的一端，流向少的一端，從而導致能量的上升，同時自然也是消耗能量，整體模塊的溫度將會趨近相同。熱釋紅外傳感器也就是該模塊中的熱電堆，其上半部分的功能用于制冷，下半部分的功能用于加熱。也就是說當P型半導體內(nèi)部的電子流向N型半導體的內(nèi)部，從而形成大量的空穴，就會導致連接點的溫度上升。從而實現(xiàn)整體模塊的加熱。也就是說，半導體加熱制冷模塊能夠通過多種的組合方式，進行更多功能設(shè)計的實現(xiàn)，一個N型半導體和一個P型半導體能夠形成一個熱電偶，給予一個電勢差，就會在兩個半導體連接的地方形成電子的轉(zhuǎn)移，如果可移動電子從N流向P，那么該模塊的溫度就會降低，從而實現(xiàn)制冷功能，如果可移動電子從P流向N，那么該模塊的溫度就會上升，從而實現(xiàn)加熱功能REF_Ref7608\r\h[21]。圖3.11系統(tǒng)總體電路圖

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1開發(fā)工具介紹Keil美國KeilSoftware公司的一款C語言開發(fā)系統(tǒng)，這款系統(tǒng)兼容單片機，與普通的匯編相比而言，這款系統(tǒng)功能優(yōu)良，而且在使用時很可靠。Keil系統(tǒng)中主要包含了C編譯器、連接器、庫管理等等一系列功能強大的期間，具有完整的開發(fā)方案，其主要是利用集成開發(fā)環(huán)境mVision將方案中的各個元素都組合起來。若要運行Keil，就需要Petium或者是比其更高級的CPU，16MB或者是具有更多的RAM、20M以上的硬盤空間、WIN998、NT、WIN2000、WINXP等系列的操作系統(tǒng)。4.2主程序流程圖開始開始系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化溫度傳感器檢測溫度溫度傳感器檢測溫度是是溫度是否在范圍內(nèi)溫度是否在范圍內(nèi)啟動加熱冷卻模塊啟動加熱冷卻模塊液晶顯示溫度液晶顯示溫度結(jié)束結(jié)束圖4.1主程序流程圖首先對高壓開關(guān)柜溫控系統(tǒng)進行上電，傳感器和顯示屏進行初始化，溫度傳感器進行高壓開關(guān)柜溫度的檢測，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機，判斷溫度是否在預(yù)先設(shè)置的范圍內(nèi)，如果在，則繼續(xù)進行溫度檢測，如果不在，則啟動加熱降溫芯片，進行對內(nèi)部溫度的控制，流程如圖4.1所示。4.3溫濕度檢測模塊流程圖依據(jù)傳感器通信協(xié)議，應(yīng)當先利用單片機I/O口激發(fā)信號，隨后把數(shù)據(jù)線的控制權(quán)進一步轉(zhuǎn)給傳感器，再者就是利用WHILE語句對I/O口電平進行監(jiān)測，進而把我時序，保證數(shù)據(jù)輸出正確。DHT11傳感器模塊軟件流程圖如圖4.2所示。結(jié)束并保持高電平開始結(jié)束并保持高電平開始P3.2輸出低電平延時18msP3.2輸出高電平讀P3.2引腳判斷是否為低電平從機80μｓ低電平是否結(jié)束從機80μｓ高電平是否結(jié)束單片機進行數(shù)據(jù)接收將數(shù)據(jù)按十進制數(shù)位存入數(shù)組延時40ms NO YES NO 圖4.2DHT11傳感器模塊的軟件流程圖傳感器模塊的主要任務(wù)就是對溫濕度數(shù)據(jù)源進行相應(yīng)的采集,首先,數(shù)據(jù)口的連接段先進行低電平的輸出,其次就是在的延時后進行高電平的輸出,再者就是在的延時后進行引腳的讀取,看其是否是低電平,如果讀取的結(jié)果是低電平,那么久應(yīng)當對從機進行判定,看其高電平是不是結(jié)束,否則還要進行斷續(xù)度。若高電平結(jié)束就利用單片機接收數(shù)據(jù),進一步將數(shù)據(jù)存入特定的數(shù)組,否則仍然要進行斷續(xù)讀。。

五、系統(tǒng)仿真5.1系統(tǒng)硬件調(diào)試系統(tǒng)如果想要正常的運行，那么就要有一定的可靠性。為了使系統(tǒng)不受外界因素的干擾，因此，對高壓開關(guān)柜溫度測控系統(tǒng)進行了下面一系列的避免干擾的措施：1.利用硬件電路的可靠與穩(wěn)定性，進一步實現(xiàn)系統(tǒng)中某些模塊的功能。2.在進行印制電路板設(shè)計的時候，布線設(shè)計需要恰當合理，主要目的是避免元件、電路之間的不利因素。3.接地線的設(shè)計應(yīng)當加寬，目的在于盡可能減少接地時產(chǎn)生的電阻。4.盡可能不要太長的平行走線，目的在于減少在布線的時候產(chǎn)生的電容。5.在進行元件排列，或者是對信號進行走線的時候，要保持井井有條，還要簡介明了，主要目的在于防止電路之間產(chǎn)生作用。6.在對系統(tǒng)進行操作的時候，按鈕和機械開關(guān)等等器件可能會出現(xiàn)火花，這個時候就可以選擇RC電路對火花進行吸收。7.將10uF的電解電容與系統(tǒng)的主電源輸入端進行連接。把0.01uF的高頻電容與集成電路電源的引腳相接。遇到抗噪性能弱以及電流變化較大的元件，就需要在芯片的VCC與GND兩者之間加入0.01pF去藕電容。8.CMOS芯片具有較弱的抗阻性，極其被干擾，因此，在電路的運行中，如果存在不運行的輸入端，那就應(yīng)當將閑置的輸入端和地進行連接。9.研究表明，元器件質(zhì)量的好壞于系統(tǒng)而言，有著較大的影響。在進行元器件選擇的時候，應(yīng)該看好其質(zhì)量，選擇質(zhì)量好的正品元器件。在使用之前，還需要對器件進行篩選。關(guān)于接插件的選擇，應(yīng)該挑選抗震性能相對較好而且接合相對可靠的接插件。5.2系統(tǒng)軟件調(diào)試系統(tǒng)中的程序和重要的數(shù)據(jù)基本上都被存儲于ROM中，這種狀態(tài)就使得系統(tǒng)軟件的抗干擾性有了先決條件。當控制系統(tǒng)在受到干擾之后，單片機就會有所反應(yīng)，程序指針就會處于亂跳的狀態(tài)，還會存在死循環(huán)以及跑飛的狀態(tài)，這也就是所說的“沖程序”。所以說，為了防止系統(tǒng)被干擾，就應(yīng)當進行一些措施來避免干擾：首先，為防系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤的開關(guān)動作，對于電機控制信號，需要進行數(shù)量較多的讀入，讀入之后還需要進行多方面的比較，最后選擇占數(shù)較多的狀態(tài)進行運行；而如果干擾是由機械開關(guān)在抖動的時候所引起的，那么就可以選擇軟件延遲進而避免這種干擾。其次，在程序進行的時候要對數(shù)據(jù)進行復核，只有程序數(shù)據(jù)正確了才能保證系統(tǒng)可以正常運行。5.3程序?qū)胲浖窃贙eilC環(huán)境下編寫的，它能夠?qū)崿F(xiàn)對程序的調(diào)控，還可以實時掌握程序的工作狀態(tài)，使用起來也不復雜，是C語言設(shè)計最好的環(huán)境。再設(shè)計的過程中，首先的工作是安裝KeilC，學習它的使用方法，當這些工作完成后，將開發(fā)的程序其導入Protues。5.4軟件仿真在編程和導入之后，本文需要在Protues中對圖形進行模擬和調(diào)試。繪制仿真圖，確認程序?qū)牒簏c擊Protues中的調(diào)試按鈕，點擊開始調(diào)試，仿真開始運行。如有必要，單機模擬圖中的信號采集器以提供必要的信號。軟件仿真的目的是核對程序的工作形式是否合理，檢驗結(jié)果是否正確。舉個例子來說，當軟件進行仿真的時候出現(xiàn)異常，則需要檢查程序編寫的正確性和仿真圖連接的正確性，以達到最佳效果，如圖5.1所示。圖5.1系統(tǒng)仿真運行圖

結(jié)論在電力安全要求日益提高的基礎(chǔ)上，本設(shè)計通過對已有的高壓開關(guān)柜進行研究歸納，在對高壓開關(guān)柜內(nèi)部測溫的方法進行分析，設(shè)計改進了聲表面波溫度傳感器的功能，在這些基礎(chǔ)上設(shè)計了一個精準度高、體積小的高壓開關(guān)柜內(nèi)部溫度檢測系統(tǒng)。由于該設(shè)計使用的是Protues仿真，無法進行SAW傳感器的仿真，因此在仿真用使用DHT11傳感器進行取代，并通過STC89C51單片機進行控制以及數(shù)據(jù)的處理。對溫度實時監(jiān)控的設(shè)計上，本設(shè)計很好地實現(xiàn)了以下幾個功能。1．傳感器的精確度和抗干擾能力得到了提升。在實際的運用中，經(jīng)常會出現(xiàn)傳感器受到外部環(huán)境的干擾導致數(shù)據(jù)的異常，針對這個問題，本設(shè)計改善了無源無線聲表面波傳感器，通過在電路設(shè)計上增加振蕩電路、混頻電路、頻率檢測電路，使傳感器的抗干擾能力得到了提升，同時也大大增加了傳感器的精確度，減少了因干擾而發(fā)生的事故。2．對溫度傳感器的布局更加科學合理。結(jié)合對高壓開關(guān)柜應(yīng)用的實例，高壓開關(guān)柜在溫度傳感器的布局上要簡單，成本要得到控制，并且安全性要得到保障，最終設(shè)計出一套與眾不同的開關(guān)柜測溫布局方案，在加強了測量的數(shù)據(jù)實用性的同時，也保證了數(shù)據(jù)的可靠性。3．相對溫度算法在溫度檢測中效果較好?，F(xiàn)有的溫度算法基本上都是單一的，本設(shè)計結(jié)合了絕對溫度、相對溫度的復合溫度多種算法，對于高壓開關(guān)柜內(nèi)部溫度情況判斷更為準確。相對溫度算法能及時反映高壓開關(guān)柜的狀態(tài)，在溫度變化超過安全值時及時發(fā)出警報，電力事故的預(yù)防準確性得到了提高。

參考文獻孫正來.高壓開關(guān)柜溫度在線監(jiān)測技術(shù)研究[D].