【正文】 中是最重要的部分之一，其可以采用鉑電阻電橋組成的溫度檢測(cè)電路，也可以使用溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)。風(fēng)機(jī)缺乏必要的過壓、過載、缺相保護(hù)，實(shí)際運(yùn)行中降低系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，增加運(yùn)行成本。主電路控制元件采用了接觸器，靠機(jī)械觸點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。 主要技術(shù)指標(biāo)控制系統(tǒng)的工作電源為220V/50HZ的工頻交流電，容量為31500KVA；風(fēng)機(jī)有6組，每組2個(gè)風(fēng)機(jī)，均勻排列在變壓器四周，；溫度測(cè)量范圍為0100℃，溫度采集精度為177。第二節(jié) 設(shè)計(jì)要求 畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容（1）完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)；（2）選擇合適的單片機(jī)，作為主機(jī)CPU；（3）獨(dú)自完成主機(jī)硬件、軟件設(shè)計(jì)，其中硬件部分主要包括溫度采集、LED顯示、主控電路、無線通訊、電源電路等，軟件部分主要包括流程圖設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)及調(diào)試；（4）完成相關(guān)的設(shè)計(jì)圖紙繪制和設(shè)計(jì)說明書撰寫，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。（3）確定系統(tǒng)配置及功能，并根據(jù)系統(tǒng)功能要求完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。針對(duì)以上種種問題，要求本設(shè)計(jì)選用一款集成度較高的單片機(jī)，并采用無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)電力變壓器溫度監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)有落后的溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，滿足自動(dòng)化要求。第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求第一節(jié) 設(shè)計(jì)任務(wù)在我們的生活中，電力安全是至關(guān)重要的，而電力變壓器又是電力系統(tǒng)的重要組成部分。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境較惡劣，會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生很大的干擾，設(shè)計(jì)采取了抗干擾措施，在集成電路的電源入口處加了濾波電容，且送入單片機(jī)的信號(hào)都經(jīng)過了光耦隔離。隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，溫度控制器正向單片集成化、智能化的方向迅速發(fā)展。目前，還有許多變壓器采用由電接點(diǎn)式溫度計(jì)采集、顯示變壓器油溫，控制風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)和停止，實(shí)現(xiàn)變壓器的溫度控制，在實(shí)際運(yùn)行中，由于風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)全部投入，同時(shí)全部停止，沖擊電流較大，嚴(yán)重影響了電機(jī)的使用壽命。大容量的變壓器已經(jīng)采用導(dǎo)向冷卻，在繞組和鐵心內(nèi)部，設(shè)有一定的油路，使進(jìn)入油箱內(nèi)的冷油全部通過繞組和鐵芯內(nèi)部流出，這樣帶走了大量的熱量，可以提高散熱效率。南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書電力變壓器冷卻系統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目 錄摘 要 1ABSTRACT 2緒 論 5第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 6第一節(jié) 畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù) 6第二節(jié) 畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求 6第二章 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 8第一節(jié) 系統(tǒng)工作的一般原理 8第二節(jié) 智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 8 方案一 9 方案二 10 方案三 12第三節(jié) 設(shè)計(jì)方案的確定 13第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 16第一節(jié) 單片機(jī)的選型 16第二節(jié) 振蕩器配置選擇 18 晶體振蕩器/陶瓷諧振器方式 18 RC振蕩器 20第三節(jié) 溫度采集電路模塊設(shè)計(jì) 22 溫度檢測(cè)電路 22 光電耦合隔離放大電路 24第四節(jié) 按鍵輸入和顯示電路部分設(shè)計(jì) 29 按鍵輸入電路模塊設(shè)計(jì) 29 顯示電路部分設(shè)計(jì) 29第五節(jié) 無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 33第六節(jié) 主回路部分設(shè)計(jì) 38 風(fēng)冷機(jī)的保護(hù)簡(jiǎn)要介紹 38 輸出驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 38第七節(jié) 直流電源的設(shè)計(jì) 46第四章 軟件部分設(shè)計(jì) 50第一節(jié) 軟件需求分析 50第二節(jié) 各模塊的流程圖 52第五章 設(shè)計(jì)總結(jié) 60致 謝 62參考文獻(xiàn) 63附錄一 程序清單 64附錄二 元器件明細(xì)表 78緒 論近年來，隨著我國(guó)電力事業(yè)的飛速發(fā)展，電力變壓器是發(fā)、輸、變、配電系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，它的性能、質(zhì)量直接關(guān)系到電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和運(yùn)營(yíng)效益。變壓器冷卻系統(tǒng)決定了變壓器的正常使用壽命及能否正常運(yùn)行，因此變壓器的冷卻系統(tǒng)對(duì)變壓器的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行又極其重要的意義。且由于無法和控制室聯(lián)系，所以無法實(shí)現(xiàn)變壓器的無人控制，增加了運(yùn)行成本。針對(duì)電力變壓器在運(yùn)行過程中存在的問題，可以采用的智能溫度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)采集、顯示、風(fēng)機(jī)的順序起停。最后通過無線通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，控制室通過無線通信及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況，可任意對(duì)各種事故做出及時(shí)地反映，實(shí)現(xiàn)了變壓器的無人控制。電力系統(tǒng)中常用的油浸風(fēng)冷式電力變壓器多采用多組風(fēng)機(jī)降溫，控制變壓器的油溫在工藝要求的范圍之內(nèi)。設(shè)計(jì)主要完成的工作。（4）根據(jù)設(shè)計(jì)原則完成控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的主要功能（1）將采集到的油溫在就地和遠(yuǎn)端（控制室）用LED實(shí)時(shí)顯示油溫，主機(jī)和從機(jī)之間的通訊采用無線通信方式；（2）系統(tǒng)設(shè)置自動(dòng)、手動(dòng)、停止三種運(yùn)行方式，正常時(shí)采用自動(dòng)方式運(yùn)行，主控板檢修時(shí)采用手動(dòng)方式運(yùn)行，并且能夠靈活選擇運(yùn)行方式。2℃，溫度控制精度為177。這種方式對(duì)風(fēng)機(jī)的控制只能由人工完成，風(fēng)機(jī)同時(shí)全部投入，同時(shí)全部停止，啟動(dòng)時(shí)沖擊電流很大，會(huì)對(duì)器件造成損傷。 三 相電 源接觸器熱繼電器 風(fēng)冷電機(jī)變壓器過負(fù)荷變壓器油溫檢測(cè)機(jī)電邏輯處理系統(tǒng)圖21 傳統(tǒng)風(fēng)冷機(jī)工作原理圖第二節(jié) 智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)以PIC16F877單片機(jī)為核心完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，要求對(duì)油溫進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，將采集結(jié)果送入MCU進(jìn)行處理，然后按照工藝要求進(jìn)行相應(yīng)的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器溫度的全自動(dòng)遠(yuǎn)程和就地監(jiān)控，系統(tǒng)要具有完善的保護(hù)功能，包括過壓、過載、缺相檢測(cè)和保護(hù)，還要具備故障自診斷功能，在故障出現(xiàn)時(shí)，給出故障信息，顯示故障類型，便于工作人員及時(shí)進(jìn)行檢修；使用無線通信方式實(shí)現(xiàn)變壓器控制器與中心控制室之間的數(shù)據(jù)通信。 方案一:溫度檢測(cè)電路通過預(yù)埋在變壓器中的鉑電阻傳感器獲得油溫信號(hào)[3]，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后直接送入控制器的A/D轉(zhuǎn)換輸入端，PIC單片機(jī)根據(jù)信號(hào)數(shù)據(jù)及設(shè)定的各種控制參數(shù)，按照程序自動(dòng)計(jì)算與處理，自動(dòng)顯示變壓器油溫，并輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，控制風(fēng)機(jī)的起停，電機(jī)的保護(hù)電路包括過壓，過載，缺相等。另外，還提供節(jié)電工作模式及提供編碼保護(hù)等。在芯片內(nèi)部集成了一個(gè)BCD譯碼器，段地址和位地址驅(qū)動(dòng)以及一個(gè)88位的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。nRF401 是一個(gè)433 MHz 工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)用頻段設(shè)計(jì)的真正單片無線收發(fā)芯片,它采用頻移鍵控調(diào)制技術(shù)。此外,該芯片只需少量外圍元件,使用十分方便。實(shí)時(shí)顯示變壓器的溫度。（一）溫度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)溫度檢測(cè)采用由DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的智能集成溫度傳感器DS18B20型單線智能溫度傳感器,屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器,可廣泛用于工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域的溫度測(cè)量及控制儀器、測(cè)控系統(tǒng)和大型設(shè)備中。DS18B20與單片機(jī)的接口電路如圖23所示。相當(dāng)于給每個(gè)DS18B20分配了一個(gè)獨(dú)一無二的64比特地址序列碼，這就允許多個(gè)DS18B20工作同條一線總線上，從而大大簡(jiǎn)化了分布式溫度傳感系統(tǒng)的應(yīng)用。圖24 LED顯示電路（三）鍵盤輸入單片機(jī)監(jiān)電路設(shè)計(jì)的好壞，直接影響到整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性。（四）通訊電路設(shè)計(jì)通信電路采用無線通信芯片來完成。它具有低電壓（～），極低的功耗，可編程輸出功率（20～10dBm），高靈敏度（一般109dBm），小尺寸（TSSOP28封裝），集成了位同步器等特點(diǎn)。PCLK 頻率決定了完全配置所需的時(shí)間。在每次寫循環(huán)中，16位字節(jié)送入PDATA通道，每個(gè)數(shù)據(jù)幀中7個(gè)最重要的位（A6：0）是地址位，A6是M鍵盤（最高位），首先被發(fā)送。 微控制器使用3個(gè)輸出引腳用于接口（PDATA、PCLK、PALE），與PDATA相連的引腳必須是雙向引腳，用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。它兼有集成恒流源和集成溫度傳感器的特點(diǎn)，具有測(cè)溫誤差小，動(dòng)態(tài)阻抗低，傳輸距離遠(yuǎn)，體積小，微功耗等特點(diǎn)。AD590屬于采用激光修正的精密集成溫度傳感器。這類器件的外形與小功率晶體管相仿，共有3個(gè)管腳：1腳為正極，2腳是負(fù)極，3腳是接管殼。AD590的工作電壓為+4—+30V、測(cè)溫范圍是+55—+150℃，對(duì)應(yīng)于熱力學(xué)溫度T每變化1K，輸出電流就變化1μA。（二）通訊電路RS485 采用平衡發(fā)送和差分接收方式來實(shí)現(xiàn)通信：在發(fā)送端TXD 將串行口的TTL 電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)A、B 兩路輸出，經(jīng)傳輸后在接收端將差分信號(hào)還原成TTL電平信號(hào)。如果降低波特率，傳輸距離還可進(jìn)一步提高。全雙工通信的有SN7517SN75180、MAX488～49MAX1482等[6]。占用了較多的I/O口，使系統(tǒng)的可擴(kuò)展性受到了一定的限制[7]。本設(shè)計(jì)的成本較高，但可靠性更強(qiáng)，適用于對(duì)可靠性要求較高且不在乎成本的場(chǎng)合。顯示采用MAX7219，占用了較少的I/O口，通信采用RS485標(biāo)準(zhǔn)。溫度檢測(cè)電路使用內(nèi)置的鉑電阻來檢測(cè)溫度變化，硬件電路較為簡(jiǎn)單，光電隔離使用線形光耦，具有較好的性能，抗干擾能力較強(qiáng)，顯示電路使用MAX7219只占用三個(gè)I/O口連線較少，容易實(shí)現(xiàn)。根據(jù)上面對(duì)三個(gè)設(shè)計(jì)方案的說明比較可以看出，方案一具有較好的抗干擾性，可擴(kuò)展，經(jīng)濟(jì)性較好，而且采用無線通訊，具有較高的性價(jià)比。使用戶隨時(shí)了解變壓器及風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程溫度控制。以便對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)做出反應(yīng)。天線接口設(shè)計(jì)為差分天線,便于使用低成本的印刷電路板天線。第三章 硬件電路設(shè)計(jì)第一節(jié) 單片機(jī)的選型硬件電路是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心，而單片機(jī)又是硬件電路的核心，所以單片機(jī)的選擇顯得至關(guān)重要。 （3）低功耗：PIC采用CMOS設(shè)計(jì)結(jié)合了諸多的節(jié)電特性，使其功耗較低，PIC百分之百的靜態(tài)設(shè)計(jì)可進(jìn)入休眠省電狀態(tài)而不影響喚醒后的正常工作。主要特征PIC16F873PIC16F874PIC16F876PIC16F877工作頻率DC～20MHzDC～20MHzDC～20MHzDC～20MHz復(fù)位（與延時(shí)）POR，BOR（PWRT，OST）POR，BOR（PWRT，OST）POR，BOR（PWRT，OST）POR，BOR（PWRT，OST）FISA程序存儲(chǔ)器/K4488數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器/字節(jié)192192368368EERROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器/字節(jié)128128256256中斷13141314I/O端口A，B，C端口A，B，C，D，E端口A，B，C端口A，B，C，D，E端口定時(shí)器/計(jì)數(shù)器3333捕捉/比較/脈沖調(diào)制（PWM）2222串行通信MSSP，USARTMSSP，USARTMSSP，USARTMSSP，USART并行通信PSPPSP10位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊5個(gè)輸入通道8個(gè)輸入通道5個(gè)輸入通道8個(gè)輸入通道指令數(shù)/條35353535表31 四種單片機(jī)性能比較表PIC16F877單片機(jī)是高性能類—RISC CPU，一共有35條單字指令，除程序分支是雙周期指令外，其他所有的指令都是單指令。該單片機(jī)具有8級(jí)硬件堆棧，上電復(fù)位電路（POR）及上電延時(shí)定時(shí)器（PWRT）和振蕩器起振定時(shí)器（OST），帶有片內(nèi)RC振蕩器的監(jiān)視定時(shí)器（WDT）以保證可靠工作。單片機(jī)有寬范圍的工作電壓：～，最大拉電流/灌電流可達(dá)25mA，一般符合商用級(jí)和工業(yè)級(jí)的工作溫度范圍。 由以上對(duì)單片機(jī)的介紹可以看出，PIC單片機(jī)性能高，并且自身帶有10位多通道A/D轉(zhuǎn)換器，在溫度檢測(cè)信號(hào)后就不需要設(shè)計(jì)專門電路來進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，所以應(yīng)用電路比較簡(jiǎn)單，因此在本設(shè)計(jì)中就選用了PIC16F877單片機(jī)。 晶體振蕩器/陶瓷諧振器方式 在LP、XT和HS方式中，都是用晶體振蕩器/陶瓷諧振器接到芯片的OSC1和OSC2引腳上來建立振蕩，見圖32。注意：（1）C1和C2的推薦值和測(cè)試范圍內(nèi)的值相同，見表表5為石英晶體振蕩器的電容選擇。（3）RF隨石英選擇不同而變。%8MHzMurata Erie 177。201MHzESC ESC10131177。30表35 石英晶體振蕩器的電容選擇 RC振蕩器 對(duì)定時(shí)器要求不是很高的應(yīng)用，可以采用低成本的RC振蕩器方式。 有些寄存器的值不受任何一種復(fù)位操作的影響，當(dāng)芯片上電復(fù)位時(shí)，它們的值是不確定的，并在其他形式的復(fù)位后其值保持不變。表38為狀態(tài)寄存器STATUS中和位在不同復(fù)位方式下的不同的值，在軟件中可以利用這些位來確定發(fā)生復(fù)位的方式。測(cè)量溫度的關(guān)鍵是溫度傳感器，溫度傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：①傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器；②模擬集成溫度傳感器；③智能集成溫度傳感器。其檢測(cè)電路圖如圖39所示。在圖32中，R1=R2=R4=R5=R6=1KΩ,R3 =10KΩ,R7=100Ω。 光電耦合隔離放大電路由于現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾特別大，工作環(huán)境比較惡劣，如果要使溫控器在此環(huán)境中能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，就必須解決溫控器的抗干擾問題，否則將導(dǎo)致控制誤差加大，甚至造成巨大的損失。普通的光耦器件只能傳輸數(shù)字信號(hào)，而近年來問世的線性光電耦合器能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或電流信號(hào)[10]。這種光耦器件性能較好，價(jià)格便宜，因而應(yīng)用廣泛。（2）光電耦合器的輸入回路與輸出會(huì)之間沒有電氣聯(lián)系，也沒有共地，之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因而回路一側(cè)的各種干擾噪聲都很難通過光電耦合器饋送到另一側(cè)去，避免了共阻抗耦合的干擾信號(hào)的產(chǎn)生。普通的光耦在數(shù)字隔離電路或數(shù)據(jù)傳輸電路中常常用到，如UART協(xié)議的20mA電流環(huán)。集成的隔離放大器內(nèi)部電路復(fù)雜、體積大、成本高，不適合大規(guī)模應(yīng)用。市場(chǎng)上的線性光耦有幾中可選擇的芯片，如Agilent公司的HCNR200/201，TI子公司TOAS的TIL300，CLARE的LOC111等。輸入信號(hào)經(jīng)過電壓電流轉(zhuǎn)化，電壓的變化體現(xiàn)在電流IF上，IPD1和IPD2基本與IF成線性關(guān)系，線性系數(shù)分別記為K1和K2,即K1與K2一般很?。?），并且隨溫度變化較大（%%之間），但芯片的設(shè)計(jì)使得K1和K2相等。采用HCNR200/201進(jìn)行隔離的一些指標(biāo)如下所示：* 線性度：HCNR20