【正文】 5 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 如上系統(tǒng)框圖所示，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。在方案一中，單片機(jī)選用了PIC16F877，具有高性能、高可靠性、端口多等優(yōu)點(diǎn)。通信采用CHIPCON公司新推出的CC1000單片可編程RF收發(fā)芯片。半雙工通信芯片有SN7517SN7527SN75LBC18MAX48MAX308MAX1482等。AD590配以ICL7106型單片A/D轉(zhuǎn)換器，即可構(gòu)成3位半液晶顯示的數(shù)字溫度計(jì)。例如，由ADI公司生產(chǎn)的AD590，就有90J/K/L/M四檔。 方案三：溫度檢測(cè)采用美國(guó)模擬器件公司（ADI）生產(chǎn)的恒流源式模擬溫度傳感器AD590。所有寄存器都可讀。它的工作頻帶在31868及915MHz，但CC1000很容易通過編程使其工作在300～1000MHz范圍內(nèi)。采用了MAX7219驅(qū)動(dòng)器，對(duì)溫度值進(jìn)行實(shí)時(shí)輸出顯示，根據(jù)精度要求，設(shè)置一位小數(shù)。5℃；具有溫度報(bào)警功能，用戶可設(shè)置最高和最低圖23 DS18B20引腳分布圖報(bào)警溫度，且設(shè)置值掉電不丟失；采用DALLAS公司特有的單總線通信協(xié)議，只用一條數(shù)據(jù)線就可實(shí)現(xiàn)與MCU的通信；此外，DS18B20能夠直接從數(shù)據(jù)線獲得電源，無需外部電池供電[4]。它具有體積小，接口方便，傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。以便對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)做出反應(yīng)。方案采用PIC16F877單片機(jī)，PIC處理器具有不同于一般微處理器的許多特性，它給出最大系統(tǒng)可靠性，通過減少外部元件使成本最小。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。（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)。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。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。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。 摘 要 本設(shè)計(jì)針對(duì)電力變壓器冷卻系統(tǒng)中使用常規(guī)控制系統(tǒng)時(shí)存在的控制回路復(fù)雜、可靠性低、風(fēng)機(jī)保護(hù)方式簡(jiǎn)單、油溫測(cè)量精度低、控制誤差大、無法進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊等問題，設(shè)計(jì)了一套智能化變壓器溫度監(jiān)控系統(tǒng)。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。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。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)。（4）根據(jù)設(shè)計(jì)原則完成控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。2℃，溫度控制精度為177。 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。另外，還提供節(jié)電工作模式及提供編碼保護(hù)等。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)。實(shí)時(shí)顯示變壓器的溫度。DS18B20與單片機(jī)的接口電路如圖23所示。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。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)。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。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)。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。（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)。全雙工通信的有SN7517SN75180、MAX488～49MAX1482等[6]。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。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)。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。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。 （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。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。 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)。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。%8MHzMurata Erie 177。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。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。其檢測(cè)電路圖如圖39所示。 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。這種光耦器件性能較好，價(jià)格便宜，因而應(yīng)用廣泛。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)。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。采用HCNR200/201進(jìn)行隔離的一些指標(biāo)如下所示：* 線性度：HCNR200：%，HCNR201：%；* 線性系數(shù)K3：HCNR200：15%，HCNR201：5%；* 溫度系數(shù)： 65ppm/℃；* 隔離電壓：1414V；* 信號(hào)帶寬：直流到大于1MHz。為了能使輸入范圍能夠從0到VCC，需要運(yùn)放能夠滿擺幅工作，另外，運(yùn)放的工作速度、壓擺率不會(huì)影響整個(gè)電路的性能。 經(jīng)過線形光耦的隔離可以很好地抑制現(xiàn)場(chǎng)的各種干擾，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的技術(shù)指標(biāo)。若采用液晶顯示，能滿足設(shè)計(jì)的要求，但因其價(jià)格昂貴，所以設(shè)計(jì)不采用液晶進(jìn)行顯示。主要特性：⑴ 獨(dú)立的LED段碼控制 ⑵ BCD譯碼與段碼兩種模式選擇⑶ 150μA的低功耗關(guān)閉模式（數(shù)據(jù)保留）⑷ 數(shù)字化的光亮控制⑸ 驅(qū)動(dòng)共陰極LED顯示⑹ 24管腳封裝MAX7219和單片機(jī)連接有三條引線（DIN、CLK、LOAD）采用16位數(shù)據(jù)串行移位接收方式。電路圖如下圖316所示。第五節(jié) 無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)變壓器的無人看守，因此需要將現(xiàn)場(chǎng)的溫度信號(hào)，故障信號(hào)送入控制室，以便于工作人員隨時(shí)掌握變壓器現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況。具有工作半徑大、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。發(fā)射電路包含有：射頻功率放大器、鎖相環(huán)(PLL)，壓控振蕩器(VCO)，頻率合成器等電路。Standby與RX之間的切換從待機(jī)模式到接收模式，當(dāng)PWR UP輸入設(shè)成1時(shí)，經(jīng)過3ts 時(shí)間后，DOUT腳輸出數(shù)據(jù)才有效。應(yīng)用電路及設(shè)計(jì)應(yīng)注意問題在實(shí)際應(yīng)用中，微控制器采用Microchip公司的PIC16F877單片機(jī)，分別用單片機(jī)的RCRCRCRCRE2口各管腳控制nRF401的DIN、DOUT、TXEN、PWRUP、CS這五個(gè)腳即可。（5）如果PCB板的 VCO電感設(shè)計(jì)合理,當(dāng)模塊處于接收狀態(tài)時(shí),nRF401的第4 177。詳細(xì)分析電動(dòng)機(jī)損壞的主要原因，能夠幫助正確地使用和維護(hù)電動(dòng)機(jī)，并能減少不應(yīng)有電動(dòng)機(jī)的損壞。在實(shí)際電路中，用6個(gè)上述的類似電路對(duì)電機(jī)進(jìn)行監(jiān)視控制。圖324 主回路一方案二：圖325也是一組風(fēng)機(jī)的保護(hù)系統(tǒng)，用了一個(gè)空氣開關(guān)，一個(gè)熱過載繼電器，一個(gè)接觸器，六個(gè)小型繼電器，一臺(tái)小風(fēng)機(jī)配了三個(gè)小繼電器，一旦發(fā)生缺相，立即報(bào)警，并將這組風(fēng)機(jī)從系統(tǒng)切除，維護(hù)了其他組風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。圖326 風(fēng)機(jī)控制回路圖 主回路中器件的選型（一）固態(tài)繼電器 固態(tài)繼電器（SSR）是一種無觸點(diǎn)通斷功率型電子開關(guān)。圖328 過零輸出型交流固態(tài)繼電器的內(nèi)部電路原理圖固態(tài)繼電器由三部分組成：輸入電路、隔離（耦合）電路和輸出電路。如此時(shí)控制端信號(hào)關(guān)斷后，負(fù)載電流也隨之減小至BTA雙向可控硅的維持電流時(shí)可自行關(guān)斷，切斷負(fù)載電源[20]。(5)有多種規(guī)格可選擇：輸入有電阻限流直流恒流直流和交流等類型。輸出額定電壓有220～380V交流電壓及30～180 V直流電壓。而在相應(yīng)的控制回路中產(chǎn)生的射頻干擾也大大減少。LED發(fā)光二極管指示輸入端控制信號(hào)，VD1可防止當(dāng)輸入信號(hào)正負(fù)極性接反時(shí)以保護(hù)光耦I(lǐng)C1。它利用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)了控制回路（輸入端）與負(fù)載回路（輸出端）之間的電隔離和信號(hào)耦合，而沒有任何可動(dòng)部件和觸頭，實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)于電磁繼電器的功能，故稱為固態(tài)繼電器。圖325 主回路圖二下面對(duì)于風(fēng)機(jī)在控制回路中的原理做一說明。因此達(dá)到對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的[20]。過壓保護(hù)——過壓保護(hù)是根據(jù)最小線電壓或最大線電壓和額定電壓的比值，來判斷是否起動(dòng)保護(hù)功能。第六節(jié) 主回路部分設(shè)計(jì) 風(fēng)冷機(jī)的保護(hù)簡(jiǎn)要介紹風(fēng)冷式電動(dòng)機(jī)是電動(dòng)機(jī)的一種形式。在本設(shè)計(jì)中的無線通信電路如下圖322所示。nRF401無線收發(fā)芯片有多種工作模式。其主要特性如下：●工作頻率為國(guó)際通用的數(shù)傳頻段eFSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合；●采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好；● 靈敏度高，達(dá)到．105dBm(nRF401)；●功耗小，接收狀態(tài)250~A，待機(jī)狀態(tài)僅為8 A(nRF401)；●最大發(fā)射功率達(dá)+10dBm；●低工作電壓(2．7v)，可滿足低功耗設(shè)備的要求；●具有多個(gè)頻道，可方便地切換工作頻率；● 工作速率最高可達(dá)20Kbit／s(RF401)；●僅外接一個(gè)晶體和幾個(gè)阻容、電感元件，基本無需調(diào)試；●因采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設(shè)計(jì)，使用無需申請(qǐng)?jiān)S可證，開闊地的使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1 000米(與具體使用環(huán)境及元件參數(shù)有關(guān))。nRF401 還有待機(jī)工作方式,可以更省電和高效。nRF401單片UHF無線收發(fā)芯片可以滿足設(shè)計(jì)的要求，其硬件電路的設(shè)計(jì)過程在以下進(jìn)行詳細(xì)講解。在故障顯示電路中，過載故障顯示是當(dāng)其中的任意一組風(fēng)機(jī)發(fā)生過載后，過載繼電器的常開觸點(diǎn)就會(huì)因?yàn)槔^電器線圈的得電而接通，觸點(diǎn)一側(cè)的發(fā)光二極管點(diǎn)亮，指示現(xiàn)在風(fēng)機(jī)過載運(yùn)行，過載信號(hào)經(jīng)過光電隔離送入主控室的單片機(jī)，單片機(jī)接到低電平信號(hào)，立即做出響應(yīng)，將接在相應(yīng)端口的風(fēng)機(jī)組切除。圖314 MAX7219的時(shí)序圖芯片的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序如圖314所示，在時(shí)鐘脈沖CLK上升沿的作用下，16位串行數(shù)據(jù)依次從DIN端輸入到MAX7219的移位寄存器，然后在LOAD的上升沿被鎖存到芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)或控制寄存器中。MAX7219為8位LED顯示驅(qū)動(dòng)電路，可以連續(xù)的驅(qū)動(dòng)8位7段數(shù)據(jù)顯示。 SET 鍵為溫度范圍設(shè)定開始鍵，UP 為溫度的遞增鍵，DOWN 為溫度的遞減鍵，每按下一次，溫度變化一度。電阻的選型需要考慮運(yùn)放的線性范圍和線性光耦的最大工作電流IFmax。下面對(duì)HCNR200/201的典型電路進(jìn)行分析，對(duì)電路中如何實(shí)現(xiàn)反饋以及電流電壓、電壓電流轉(zhuǎn)換進(jìn)行推導(dǎo)與說明。HCNR200/201的內(nèi)部框圖如311所示 圖311 HCRN200內(nèi)部框圖其中2引腳作為隔離信號(hào)的輸入，4引腳用于反饋，6引腳用于輸出。對(duì)于高頻交流模擬信號(hào)，變壓器隔離是最常見的選擇，但對(duì)于支流信號(hào)卻不適用。（1）光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源阻抗較大，通常為幾百K歐姆。光耦（Optical Coupler）器件也稱為光電耦合器或者光電隔離器，它是一種以光為中間媒介來傳輸電信號(hào)的器件，通常把發(fā)光器件和光檢測(cè)器封裝在管殼內(nèi)。圖32中R8是鉑電阻，