基于無線通信的高壓設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計-文庫吧
2025-06-08 15:32 本頁面
【正文】 低壓測，可以就地顯示溫度或再通過總線（如RS485）上傳至上位機（計算機）。由于高電壓設(shè)備的特殊性，無線通信的天線設(shè)計是必須解決的關(guān)鍵問題。目前，高壓側(cè)信號傳感轉(zhuǎn)換單元的電源主要有幾種形式：電池供電；高壓側(cè)電流互感器供電；太陽能電池供電[7]。電池供電的主要問題是電池的使用壽命有限。當電池壽命終結(jié)時無法更換位于高電位的電池是該方案難以克服的問題。因此，一般不采用該方案。目前實際運行的電源主要是通過高壓側(cè)電流互感器從母線電流獲取能量的方案。雖然這種方案的原理比較簡單，但要保證在高壓側(cè)小電流時能輸出滿足要求的電源電壓，勢必在額定電流時或過載時，產(chǎn)生太大的電壓，可能在過流或短路時損壞電源甚至整個監(jiān)測系統(tǒng)。因此，這種方案在電流較小時，無法保證監(jiān)測系統(tǒng)的正常運行。以緊貼在高壓側(cè)信號轉(zhuǎn)換與發(fā)射單元的太陽能電池為主的專用電源不僅安全可靠，而且安裝非常方便。因此，太陽能供電是優(yōu)于電池供電與高壓側(cè)電流互感器供電的方案。在諸如大量運行的高壓開關(guān)柜等高壓設(shè)備，太陽能電池供電實際上是利用低壓側(cè)的小容量聚光燈向處于高壓側(cè)的太陽能電池提供能量。在該電源系統(tǒng)中還配有光源檢測電路，以確保光源的正常運行。3 高壓設(shè)備溫度監(jiān)測系統(tǒng)總體框圖本系統(tǒng)總體硬件框圖如圖1所示。由于所用的nRF905為集發(fā)送、接收為一體的芯片，該系統(tǒng)高低壓側(cè)單片機通過高壓側(cè)無線發(fā)射接收模塊、無線通信天線、低壓側(cè)無線發(fā)射接收模塊進行無線雙向通信，不僅實現(xiàn)了由溫度傳感器感受的高壓側(cè)被測溫度信號向低壓側(cè)的傳送，而且低壓側(cè)的單片機可以發(fā)送各種命令要求處于高壓側(cè)的單片機執(zhí)行相關(guān)命令，如根據(jù)需要改變采樣間隔時間等。因此，該系統(tǒng)具有其獨特的靈活性。低壓側(cè)的單片機還具有檢測、控制小容量聚光燈的功能，并通過通信接口與上位機進行信息交換。處于高壓側(cè)的單片機由太陽能電池板供電。圖1 整個系統(tǒng)硬件框圖 Hardware block diagram4 信號無線傳輸?shù)奶炀€設(shè)計在小功率短距離無線通信系統(tǒng)中，通信的可靠性與天線密切相關(guān)，天線設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計重點之一。通常有二種天線，一種是柱形，一種是環(huán)形。處于高電壓系統(tǒng)附近的柱形天線尖端側(cè)的電荷特別密集，其附近空氣中的電場特別強, 使得空氣中少量離子加速運動。這些高速運動的離子撞擊空氣分子，便有更多的分子電離。這時空氣成為導(dǎo)體，于是就產(chǎn)生了尖端放電現(xiàn)象。因此在在高電壓系統(tǒng)中不能選用柱形天線。同樣也不能用普通的環(huán)形天線。這里選擇以PCB板銅箔形成的環(huán)形天線，因此要按照天線設(shè)計的要求仔細設(shè)計，否則將無法通信或通信不可靠。如圖2所示的粗線部分為環(huán)形天線，圖3為PCB示意圖，其等值線路(發(fā)送模式)如圖4所示[8]。圖2 nRF905與天線連接圖 Diagram of a loop antenna connected to nRF905圖3 環(huán)形天線PCB示意圖 Geometry of rectangular loop antenna made of PCB圖4 環(huán)形天線(發(fā)送模式)等效線路圖 Loop antenna equivalent circuit (transmission mode)圖3 中aa2為天線的長、寬，bb2為PCB銅箔的厚度與寬度。令，環(huán)形天線的面積A=a2。而矩形銅箔可用圓形導(dǎo)線等效，等效的圓形導(dǎo)線的半徑b=b1+b2圖4中的輸入阻抗ZIN由下式給出： (1)式中：RR，RL，RX分別為輻射電阻、損耗電阻和附加電阻(電容CP的等效串聯(lián)電阻等)；LA，LL分別為環(huán)形天線的電感和回路電感。RR可以從下式得到： (2)這里A為環(huán)形天線的面積，c為光速，c=3108，f0為諧振頻率，這里取433 MHz。損耗電阻RL可按正式計算： (3)式中：l、P、Rs、σ分別為天線金屬導(dǎo)體的長度、天線的周長、天線銅表面電阻和銅的電導(dǎo)率。附加損耗Rx按下式計算： (4)式中：Q為環(huán)形天線的品質(zhì)因數(shù)，它主要由電容Cp的等效電阻決定。在共振的條件下，輸入阻抗由下式計算： (5)回路電感LA，回路導(dǎo)體電感LL計算式由式(6)、(7)計算： (6) (7)據(jù)以上各式計算，可得到如圖5所示的天線尺寸及相關(guān)元件參數(shù)。圖5 最后設(shè)計的PCB板的環(huán)形天線 Dimension diagram of the loop antenna通過實驗表明，本文設(shè)計的以PCB板構(gòu)成的環(huán)形天線滿足設(shè)計要求，在開闊場地100 m的范圍內(nèi)通信可靠，在室內(nèi)可以相隔三四個控制室進行正常通信。這將為今后建立高電壓系統(tǒng)的各種參數(shù)的在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。5 太陽能電池供電電源系統(tǒng)設(shè)計電源是高電壓溫度監(jiān)控器的重要部分，它的性能與可靠性甚至關(guān)系到溫度監(jiān)控器設(shè)計的成敗。本系統(tǒng)采用太陽能電池供電，顯然，在高電壓電器系統(tǒng)中，能直接應(yīng)用太陽能的情況不多，這里采用在低壓側(cè)的聚光燈射向處于高壓側(cè)的太陽能電池板為處于高壓側(cè)信號轉(zhuǎn)換與發(fā)射單元供電的方案。太陽能電池是一種把光能轉(zhuǎn)換為電能的一種裝置。根據(jù)所用材料，太陽能電池可分為硅系太陽能電池
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