劉康++林春景++熊宇

摘要：母線槽的溫濕度變化對(duì)母線及電氣設(shè)備的安全運(yùn)行有著重要影響。設(shè)計(jì)了基于TS118-3紅外溫度傳感器和HS1101濕度傳感器的智能監(jiān)控系統(tǒng)。下位機(jī)將采集的溫濕度信息經(jīng)單片機(jī)處理后傳輸?shù)缴衔粰C(jī)管理系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，并判斷是否跳閘，便于遠(yuǎn)程操作管理，對(duì)于預(yù)防安全事故，保證母線的安全、可靠運(yùn)行具有重要意義。

關(guān)鍵詞：溫濕度；母線；智能監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）11（a）-0000-00

The Design of Intelligent Monitoring System for Temperature and Humidity of Bus

Liu Kang1 Lin Chunjing1 Xiong Yu1

（1.Guangdong Baiyun University，Guangzhou 510450）

Abstract： The change of temperature and humidity of bus have an important

impact on the safe operation of the bus and electrical equipment. The intelligent

monitoring system for temperature and humidity of bus was designed based on TS118-3

model of temperature sensor and HS1101 model of humidity senor. The slave computer

transforms the treated results of temperature and humidity to the host computer，

which can display the results in real time and determine whether it is trip. The

system is very convenient for remote management， and it has great importance in the

prevention of safety accidents and ensuring safe and reliable operation of bus.

Key words： Temperature and Humidity； Bus； Intelligent Monitoring System

隨著現(xiàn)代化工程設(shè)施和裝備的涌現(xiàn)，各行各業(yè)的用電量迅增，尤其是眾多的高層樓宇和大型廠房車間的出現(xiàn)，使得作為輸電導(dǎo)線的傳統(tǒng)電纜在大電流輸送系統(tǒng)中已不能滿足要求，與此同時(shí)，多路電纜的并聯(lián)使用給現(xiàn)場(chǎng)安裝施工連接帶來(lái)了諸多不便。母線槽作為一種新型配電導(dǎo)線應(yīng)運(yùn)而生，并在大電流輸送時(shí)具有非常大的優(yōu)越性。但是由于母線槽結(jié)構(gòu)緊湊，銅排緊壓在一起，對(duì)散熱和絕緣性能有較高的要求[1]。若溫度過(guò)高，則會(huì)加速母線槽外層絕緣老化，甚至可能引發(fā)火災(zāi)。若濕度過(guò)高，或者是處于長(zhǎng)期潮濕的環(huán)境下，母線槽的絕緣性能會(huì)下降，造成安全隱患。因此，對(duì)母線槽的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)于母線槽及電氣設(shè)備的安全運(yùn)行具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)大體可分為兩個(gè)部分，分別是上位機(jī)部分和下位機(jī)部分，其中上位機(jī)為ADUC7026管理系統(tǒng)，下位機(jī)為溫濕度采集模塊和通訊模塊。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心進(jìn)行控制，對(duì)由TS118-3溫度傳感器和HS1101濕度傳感器所采集的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和處理，若溫濕度超過(guò)預(yù)設(shè)闕值，則發(fā)出跳閘信號(hào)。處理過(guò)的數(shù)據(jù)和信號(hào)經(jīng)由RS485傳送給上位機(jī)ADUC7026，并進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，若接到跳閘信號(hào)則跳閘指示燈亮，以此實(shí)現(xiàn)溫濕度的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 溫濕度采集模塊設(shè)計(jì)

由于母線槽處于高電壓、大電流的環(huán)境下，故會(huì)受到較強(qiáng)的電磁干擾，因此，選擇合適的傳感器是保證數(shù)據(jù)采集結(jié)果可靠的重要環(huán)節(jié)。

2.1 溫度傳感器

若采用光纖測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)為全光測(cè)量，不受強(qiáng)電場(chǎng)和強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾，能準(zhǔn)確地測(cè)量高壓觸點(diǎn)的運(yùn)行溫濕度。但是，光纖不僅價(jià)格成本較高，且用于隔離高壓的光纖表面可能受到污染，導(dǎo)致光纖表面放電，大大降低了其可靠性。

基于可靠性和成本等因素，系統(tǒng)采用的是TS118-3紅外溫度傳感器。近年來(lái)，紅外測(cè)溫技術(shù)被越來(lái)越多企業(yè)和廠家所接受，它具有不需要接觸被測(cè)物體，不會(huì)擾亂被測(cè)物體的溫度場(chǎng)的優(yōu)點(diǎn)，測(cè)溫速度快、范圍廣并且具有較高的準(zhǔn)確度，測(cè)量距離可近可遠(yuǎn)，最近能達(dá)到幾厘米，甚至更小，最遠(yuǎn)能達(dá)到幾百公里，此外還可以測(cè)量相當(dāng)高的溫度，低溫也可測(cè) 左右，這些優(yōu)點(diǎn)使得紅外溫度傳感技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，使其在測(cè)溫領(lǐng)域有著不可替代的優(yōu)勢(shì)[2]，而此次方案中選擇的TS118-3是一種熱電堆紅外傳感器，它以非接觸的方式檢測(cè)外部空間溫度發(fā)出的紅外線能量，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)進(jìn)行輸出，除此之外，它還具有較小的熱慣性和較高的靈敏度，可以為設(shè)計(jì)節(jié)省空間，因此非常適用于該系統(tǒng)。

TS118-3傳感器的工作原理是[3]：被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生紅外輻射，輻射通量密度是物體溫度的函數(shù)，且成一定比例，溫度越高，則被測(cè)對(duì)象發(fā)出紅外輻射的能量越強(qiáng)。TS118-3紅外溫度傳感器被匯聚的紅外光照射后，經(jīng)由熱電堆產(chǎn)生電壓信號(hào)，信號(hào)傳到放大電路進(jìn)行放大，最后交由無(wú)線射頻微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并無(wú)線發(fā)送出去。

其中該檢測(cè)模塊的運(yùn)放電路采用的是AD8554，鑒于其是四運(yùn)放放大器，具有軌-軌的輸入和輸出，且輸入失調(diào)電壓極低，對(duì)偏置電流的要求也很低，具有很快的過(guò)載恢復(fù)能力，故在溫度測(cè)量等電路中具有廣泛應(yīng)用。

2.2 濕度傳感器

選擇濕度傳感器時(shí)同樣要考慮系統(tǒng)的可靠性及成本，綜合這些因素，系統(tǒng)采用的是以HS1101濕敏芯片的傳感器作為測(cè)量的器件，這是一款電容式相對(duì)濕度傳感器，具有高可靠性和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，且反應(yīng)時(shí)間迅速，可將所得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)NE555振蕩電路處理后，通過(guò)ADC0809數(shù)模轉(zhuǎn)換器接入到單片機(jī)中，由單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并處理。

其示意圖如圖2所示：

NE555控制器具有高穩(wěn)度的特點(diǎn)，可以產(chǎn)生精確的定時(shí)脈沖，其輸出驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)200mA[4]。在單穩(wěn)態(tài)工作方式時(shí)，延時(shí)時(shí)間由一個(gè)外接電阻和一個(gè)外接電容確定；在多諧振蕩器工作方式時(shí)，輸出的脈沖占空比由兩個(gè)外接電阻和一個(gè)外接電容確定。

HS1101與NE555測(cè)濕電路原理圖如圖3所示：

系統(tǒng)濕度測(cè)量的原理是：當(dāng)外界濕度變化時(shí)，HS1101兩端的電容值也相應(yīng)的發(fā)生變化，從而改變?cè)摱〞r(shí)電路的輸出頻率，因此，只要測(cè)出NE555的輸出頻率，根據(jù)濕度與輸出頻率之間的關(guān)系，就可以求出當(dāng)時(shí)環(huán)境的濕度。

測(cè)濕電路的輸出與ADC0809的IN2通道相連，ADC0809的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘則由51單片機(jī)的ALE提供，ADC0809的典型轉(zhuǎn)換頻率是640kHz，ALE信號(hào)頻率則與晶振頻率有關(guān)，所以ADC0809的時(shí)鐘端與單片機(jī)相連時(shí)，要考慮分頻，該設(shè)計(jì)里使用的是14024二分頻芯片。

溫濕度傳感器啟動(dòng)以后，接收來(lái)自單片機(jī)發(fā)出的指令進(jìn)行溫、濕度信息的采集，采集完畢后，單片機(jī)再?gòu)膫鞲衅髦凶x取數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析處理，并通過(guò)通訊模塊傳送給上位機(jī)系統(tǒng)。

3 通訊模塊設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)且遠(yuǎn)距離通訊，且要求有較高的抗干擾能力，故采用RS485通訊， RS485接口常采用平衡發(fā)送和差分接收方式來(lái)實(shí)現(xiàn)通信，且兩條傳輸線通常使用雙絞線，故具有較強(qiáng)的抗共模干擾能力。

RS485通訊方式較好的解決了RS232通訊時(shí)經(jīng)常因外界的電氣干擾而導(dǎo)致信號(hào)傳輸錯(cuò)誤的問(wèn)題，具有傳輸距離長(zhǎng)、速度快、使用靈活方便、電平兼容性好、成本低和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在智能管理、遠(yuǎn)程控制和中小型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用[5]。

具有RS-485接口的用戶設(shè)備可以采用自己制定的簡(jiǎn)單通訊協(xié)議，也可以使用RS-485廣泛使用的ModBus協(xié)議。ModBus協(xié)議具有AscII和RTU兩種模式。本文所采用的是RTU模式，消息發(fā)送至少要以3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開(kāi)始。一典型的消息幀如表1所示：

整個(gè)消息幀必須作為一連續(xù)的流傳輸，如果在幀完成之前有超過(guò)1.5個(gè)字符時(shí)間的停頓，接收設(shè)備將刷新不完整的消息并假定下一字節(jié)是一個(gè)新消息的地址域。每個(gè)單片機(jī)都有唯一的地址，主機(jī)先向所有從機(jī)發(fā)送地址信息，從機(jī)判斷是否與自身地址相符，若相符，則返回應(yīng)答信號(hào)并開(kāi)始接收該幀數(shù)據(jù)，若不相符，則繼續(xù)等待。

4 上位機(jī)管理系統(tǒng)

由于母線槽大多使用在樓房和大型廠房中，導(dǎo)致一些母線槽受安裝位置的限制，不便于現(xiàn)場(chǎng)觀察，因此有必要設(shè)計(jì)上位機(jī)管理系統(tǒng)，以便于對(duì)對(duì)測(cè)量的溫濕度情況進(jìn)行遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。

上位機(jī)管理系統(tǒng)中，，使用的核心芯片是美國(guó)ADI公司生產(chǎn)的ADUC7026，它是一款集成了ARM7內(nèi)核的精密微控制器[6]，最高運(yùn)行速度可達(dá)41.78MHz，片上包含12通道12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，高精度的電壓基準(zhǔn)源，是一款優(yōu)良的片上系統(tǒng)芯片，完全滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

ADUC7026的時(shí)鐘源可由內(nèi)部鎖相環(huán)或者一個(gè)外部時(shí)鐘輸入產(chǎn)生。在使用內(nèi)部鎖相環(huán)時(shí)，在XCLKO和XCLKI之間接一個(gè)32.768kHz的晶振，可以使得鎖相環(huán)正確鎖相進(jìn)而產(chǎn)生41.78MHz頻率的時(shí)鐘信號(hào)，并且這兩個(gè)引腳與地之間各連接一個(gè)12pf的電容，如圖4所示：

由單片機(jī)將采集處理之后的溫濕度信息經(jīng)RS485通訊模塊傳至上位機(jī)ADUC7026，由其內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器完成模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換后，在ADUC7026中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后由液晶顯示模塊將溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

5 調(diào)試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，進(jìn)行了多次調(diào)試，并且對(duì)調(diào)試結(jié)果進(jìn)行記錄，與使用溫濕度測(cè)量計(jì)所測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，每30分鐘測(cè)量一次的環(huán)境溫濕度與本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)的比較如表2所示：

由以上數(shù)據(jù)計(jì)算可知，溫度的平均相對(duì)誤差為1.5%，濕度的平均相對(duì)誤差為2.08%，可見(jiàn)，誤差較小，測(cè)量值與實(shí)測(cè)值相差較小，滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種對(duì)母線溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。下位機(jī)由51單片機(jī)控制的HS1101濕度傳感器及TS118-3的紅外溫度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理，經(jīng)由RS485通訊系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸至以ADUC7026為核心芯片的上位機(jī)管理系統(tǒng)，并由液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示。該系統(tǒng)已完成了設(shè)計(jì)與調(diào)試，可以穩(wěn)定運(yùn)行且調(diào)試結(jié)果滿足生產(chǎn)要求。該系統(tǒng)同樣可適用于其他溫濕度檢測(cè)場(chǎng)合，具有較高的實(shí)用性。

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