闞松松，劉巖水，葉偉哲

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠(chǎng)，浙江 麗水 323000）

干式變壓器溫度控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

闞松松，劉巖水，葉偉哲

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠(chǎng)，浙江 麗水 323000）

本設(shè)計(jì)完成了干式變壓器溫控器的設(shè)計(jì)，構(gòu)建了包括檢測(cè)、通信、顯示、報(bào)警以及故障處理功能于一體的監(jiān)控系統(tǒng)。該測(cè)控系統(tǒng)選用DS18B20溫度傳感器對(duì)變壓器的繞組溫度進(jìn)行采樣，配合微控制器，通過(guò)繼電器控制風(fēng)機(jī)的啟停，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示三相繞組溫度、超溫報(bào)警和超高溫跳閘等功能。本文從硬件電路設(shè)計(jì)開(kāi)始，逐步完成了電路搭建，軟件程序的設(shè)計(jì)，電路的仿真以及硬件電路的焊接，最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套基于單片機(jī)的干式變壓器溫控器。

干式變壓器；溫控器；單片機(jī)；繞組溫度

1 前言

干式變壓器因具有占地面積小、功耗低、工業(yè)噪聲小、安全性高、電流和功率的過(guò)載能力強(qiáng)、運(yùn)行安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化建設(shè)中。相較于油浸式變壓器，干式變壓具有耗能低、占地面積小、節(jié)能等優(yōu)勢(shì)。干式變壓器因其自身的特點(diǎn)，能夠被安放到負(fù)荷中心，比如地下室和人流量較大的公共廣場(chǎng)，且相比于其他種類(lèi)變壓器，安裝費(fèi)用更低，也更方便；干式變壓器大都用的是空氣絕緣，因此它沒(méi)有油，防火性能比較好，不容易引發(fā)火災(zāi)等電力系統(tǒng)常出現(xiàn)的災(zāi)害，一些對(duì)防火要求高的場(chǎng)合，尤其是火車(chē)站，飛機(jī)場(chǎng)和地鐵等交通運(yùn)輸場(chǎng)合，廣泛使用防火性能較好的干式變壓器，因此用于對(duì)干式變壓器保護(hù)的智能溫度控制器的市場(chǎng)需求量很大。

2 溫控儀總體方案設(shè)計(jì)

溫度控制系統(tǒng)工作時(shí)，首先需要檢測(cè)變壓器三相繞組的溫度，然后通過(guò)微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，比較之后再根據(jù)需要進(jìn)行報(bào)警甚至跳閘處理。

溫度控制系統(tǒng)主要包含以下幾種電路：

（1）溫度傳感器采集電路

（2）單片機(jī)控制電路

（3）LCD顯示電路

（4）聲光報(bào)警電路

（5）風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)以及跳閘電路

總體設(shè)計(jì)原理如圖1所示

圖1總體設(shè)計(jì)原理圖

3 溫度控制器的硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控微處理器系統(tǒng)

干式變壓器溫度控制器的核心器件是STC89C51，STC89C51具有 1 K 字節(jié)的 RAM、16 K字節(jié)的片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器，支持在應(yīng)用可編程和在系統(tǒng)可編程，可通過(guò)串行接口進(jìn)行直接編程，用起來(lái)比較方便。

在總體的電路設(shè)計(jì)中，STC89C51分別與DS18B20溫度傳感器、LCD12864液晶顯示屏、蜂鳴器報(bào)警電路以及其他驅(qū)動(dòng)電路相連接，通過(guò)RS-485半雙工通信方式與上位機(jī)進(jìn)行通信。下面詳細(xì)介紹主控芯片的連線(xiàn)以及數(shù)據(jù)的交換形式。

主控芯片STC89C51的引腳連線(xiàn)如圖2所示。

圖2 STC89C51引腳連線(xiàn)圖

該系統(tǒng)采用11.0592 MHz晶振，電容22 pF，晶振電路如圖3所示。并帶有手動(dòng)復(fù)位電路，復(fù)位電路如圖4所示。晶振電路和復(fù)位電路保證單片機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3晶振電路

圖4復(fù)位電路

在圖4的復(fù)位電路中，當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，由于電容兩端的電壓不能突變，此時(shí)RST引腳的電壓為電阻R0兩端的電壓，是5 V。伴隨著電路中電容的充電，電容兩端的電壓慢慢升高，R0兩端的電壓隨之下降，RST引腳的電壓也下降，在t1時(shí)刻，RST引腳的電壓會(huì)下降到3.6 V，隨著電路對(duì)電容的繼續(xù)充電，RST引腳兩端的電壓最終會(huì)變?yōu)? V。單片機(jī)的復(fù)位時(shí)間應(yīng)至少保持兩個(gè)機(jī)器周期，也就是說(shuō)RST引腳兩端的電壓高于3.6 V的時(shí)間至少要維持兩個(gè)機(jī)器周期，即t1要大于兩個(gè)機(jī)器周期。而t1的值取決于復(fù)位電路中的電阻、電容值和單片機(jī)的晶振頻率。具體的計(jì)算公式如下：t

式中Vcc是電源電壓，Vrst是電容電壓。

復(fù)位電路中的電阻值不宜取得太小，一般R值取10 kΩ，電容C取10μF，單片機(jī)的復(fù)位脈沖寬度為（0.7～1）RC。

3.2 溫度檢測(cè)電路

溫度檢測(cè)電路以DS18B20溫度傳感器為主要核心部件。溫度檢測(cè)電路如圖5所示

圖5溫度檢測(cè)電路

該電路圖中，3個(gè)DS18B20溫度傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)引腳DQ與單片機(jī)的P1.3、P1.4和P1.5 3個(gè)引腳相連接來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度傳感器與單片機(jī)之間的通信。DS18B20通過(guò)單總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)的通信，中間不需要A/D轉(zhuǎn)換電路。其DQ端用于與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和輸出，VDD接5 V電源，GND接地。使用多個(gè)DS18B20同時(shí)測(cè)溫時(shí)一般以下3種方法：

（1）每個(gè)DS18B20的DQ端占用1個(gè)I/O口。這種方法占用I/O口較多，程序也顯得重復(fù)繁瑣。

（2）單獨(dú)讀取每個(gè)DS18B20的固定序列號(hào)，把這些序列號(hào)存儲(chǔ)到單片機(jī)，然后使用DS18B20本身存在的搜索指令指定到固定的傳感器讀取溫度。這種方法只需占用1個(gè)I/O口，大大的節(jié)約了單片機(jī)的I/O口資源，而且程序也比較簡(jiǎn)潔，只是需要把用到的每個(gè)傳感器的序列號(hào)逐個(gè)讀出。運(yùn)行的時(shí)間會(huì)相對(duì)長(zhǎng)一些。

（3）使用DS18B20搜索器件協(xié)議。這種方法最為簡(jiǎn)單，但程序調(diào)試和算法相對(duì)比較復(fù)雜。

考慮到測(cè)溫電路只使用了3個(gè)DS18B20器件，我們選用了第1種方法進(jìn)行連接，相對(duì)于其他兩種方法，這種方法更容易實(shí)現(xiàn)。

3.3 液晶顯示電路

溫度控制器的顯示部分主要由LCD12864液晶顯示模塊來(lái)完成。該模塊具有價(jià)格便宜，性能較高，功耗較低的特點(diǎn)，能夠顯示8 192個(gè)中文漢字、128個(gè)字符及64×256點(diǎn)陣顯示RAM，同時(shí)還支持自定義字符的顯示。與單片機(jī)的連接電路如圖6所示。

圖6液晶顯示電路連接圖

在圖6中，液晶模塊的數(shù)據(jù)口與STC89C51的P1口相連接，液晶的讀和寫(xiě)操作通過(guò)單片機(jī)P2.4和P2.5口來(lái)控制完成。單片機(jī)通過(guò)P0口來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。圖中的滑線(xiàn)變阻器是為了調(diào)節(jié)液晶顯示屏的亮度。在繪制PCB電路板時(shí)，只留下液晶的20個(gè)連接端子，采用M3六角銅柱將液晶支撐固定。

3.4 工作指示和報(bào)警電路

此電路的指示燈有5個(gè)，采用發(fā)光二極管通過(guò)限流電阻與單片機(jī)的 P1.0、P1.1、P1.2、P1.6 和 P1.7 5個(gè)I/O口進(jìn)行相連，其連接方式為共陽(yáng)極連接方式。通過(guò)改變這5個(gè)I/O口的電平高低，就可以實(shí)現(xiàn)發(fā)光二極管的亮滅。LED的工作電流是20 mA，工作電壓是3 V，而電源的電壓是5 V，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出串聯(lián)的分壓電阻的阻值R為：

R=（5 V-3 V）/20 mA=100 Ω

為了確保電路能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行，需要將電阻稍微放大一些，但又不能放的過(guò)大，否則會(huì)因?yàn)殡娮璺謮哼^(guò)大，導(dǎo)致發(fā)光二極管過(guò)暗。此電路中我們選取R為1 kΩ。詳細(xì)的指示電路如圖7所示。

圖7工作指示電路

其中D1、D2、D3分別是變壓器三相繞組的超溫報(bào)警指示燈，當(dāng)變壓器A相繞組的溫度超過(guò)預(yù)設(shè)的溫度值時(shí)，D1就會(huì)亮，當(dāng)其溫度低于預(yù)設(shè)的溫度值時(shí)，D1就會(huì)熄滅。同樣，D2和D3對(duì)應(yīng)著B(niǎo)相和C相的繞組溫度。D4是風(fēng)機(jī)啟停的指示燈，當(dāng)變壓器繞組溫度超過(guò)一定值時(shí)，單片機(jī)就會(huì)通過(guò)繼電器驅(qū)動(dòng)電路來(lái)開(kāi)啟風(fēng)機(jī)進(jìn)行冷卻，此時(shí)D4指示燈就會(huì)亮；當(dāng)溫度低于預(yù)設(shè)值時(shí)，風(fēng)機(jī)停止，D4指示燈熄滅。D5是顯示變壓器繞組溫度是否高于設(shè)定的超高溫跳閘值，若繞組溫度高于設(shè)定的超高溫跳閘值，則D5指示燈亮，否則，D5指示燈熄滅。

蜂鳴器報(bào)警電路如圖8所示。

圖8蜂鳴器報(bào)警電路

報(bào)警電路中的電阻R11是為了限制流過(guò)NPN三極管的電流，防止流過(guò)基極的電流超過(guò)它的耐受值。從單片機(jī)I/O口流出的電流強(qiáng)度很小，不足以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲，所以通過(guò)連接一個(gè)三極管來(lái)放大電流，從而驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲。當(dāng)變壓器的任一相繞組溫度超過(guò)預(yù)設(shè)的超溫值時(shí)，單片機(jī)就會(huì)讓P2.0口輸出一個(gè)高電平，繼而三極管導(dǎo)通，在蜂鳴器中形成通路，蜂鳴器發(fā)聲。

3.5 電源電路

本系統(tǒng)采用USB+5 V直接供電的方式，這種供電方式的電壓偏差一般在±2%左右。具體電路如圖9所示。

圖9電源電路

在此電路圖中，S5是一個(gè)帶自鎖的按鍵開(kāi)關(guān)，控制是否給系統(tǒng)上電。電解電容C9主要是給5 V的輸入電源濾波。F1是自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，防止電路板短路后過(guò)流。U8是一個(gè)USB2.0的座子，用來(lái)接USB線(xiàn)供電。發(fā)光二極管D6和電阻R22組成的通路是電源上電顯示電路，電源一上電，發(fā)光二極管就亮。

3.6 負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路

本系統(tǒng)的負(fù)載驅(qū)動(dòng)主要包括驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的啟停和實(shí)現(xiàn)跳閘。風(fēng)機(jī)啟停電路和超高溫跳閘電路如圖10和圖11所示。

圖10風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

圖11超高溫跳閘電路

風(fēng)機(jī)啟停和超高溫跳閘的驅(qū)動(dòng)電路是一樣的，只是繼電器后面連接的器件不同。圖中的4N25器件是光電耦合器，對(duì)輸入、輸出信號(hào)起到隔離的作用。

4 溫度控制器的軟件設(shè)計(jì)

4.1 溫控器主程序的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行干式變壓器溫度控制器的程序設(shè)計(jì)時(shí)，為了方便后期程序的修改和維護(hù)，采取了模塊化的設(shè)計(jì)思想，將系統(tǒng)程序進(jìn)行了劃分，劃分后的程序主要包含以下幾個(gè)模塊：DS18B20溫度信號(hào)采集程序、LCD12864液晶顯示程序、主程序和按鍵增減溫度預(yù)設(shè)值程序。主程序的設(shè)計(jì)流程如圖12所示。

圖12主程序流程圖

系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化，包括對(duì)定時(shí)器的初始化、中斷的初始化、串口的初始化以及液晶屏的初始化。然后程序進(jìn)入到主程序中，判斷讀標(biāo)志位是否為1，若不為1，則等待繼續(xù)判斷，直到讀標(biāo)志位為1，進(jìn)入到溫度采集程序，將采集到的溫度進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換后與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，若超過(guò)預(yù)設(shè)值，則進(jìn)入到相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)子程序，然后進(jìn)入到顯示子程序。若低于預(yù)設(shè)值，則直接進(jìn)入到顯示子程序進(jìn)行顯示。顯示子程序執(zhí)行完，判斷是否有按鍵按下，若有，則轉(zhuǎn)到按鍵加減子程序。若沒(méi)有按鍵按下，則跳轉(zhuǎn)到判斷讀標(biāo)志位處。如此循環(huán)。

該主程序的設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量實(shí)時(shí)溫度，并通過(guò)比較，實(shí)現(xiàn)一定溫度時(shí)開(kāi)啟風(fēng)機(jī)，超溫聲光報(bào)警，超高溫跳閘，并將測(cè)得的實(shí)時(shí)溫度和實(shí)時(shí)的溫度狀態(tài)顯示在液晶屏上。

4.2 DS18B20溫度傳感器的程序設(shè)計(jì)

DS18B20的溫度采集程序主要涉及DS18B20的初始化、從DS18B20中讀取一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)、向DS18B20中寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)和讀取溫度。溫度采集的程序流程如圖13所示。

圖13溫度采集程序流程圖

溫度采集模塊的程序?qū)崿F(xiàn)了溫度的實(shí)時(shí)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)送給單片機(jī)。

5 結(jié)論

本課題的設(shè)計(jì)目的是設(shè)計(jì)出一款能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)干式變壓器繞組溫度，并根據(jù)需要，在溫度超過(guò)一定范圍時(shí)，能夠自動(dòng)地進(jìn)行開(kāi)啟風(fēng)機(jī)、聲光報(bào)警以及跳閘等一系列操作的智能型溫度控制器。它能夠有效的對(duì)干式變壓器進(jìn)行保護(hù)，延長(zhǎng)變壓器的使用壽命，同時(shí)避免變壓器溫度過(guò)高帶來(lái)的火災(zāi)隱患。

該溫度控制器最終實(shí)現(xiàn)的功能包括巡回檢測(cè)變壓器三相繞組溫度，并實(shí)時(shí)顯示在液晶屏上；當(dāng)繞組溫度超過(guò)風(fēng)機(jī)開(kāi)啟溫度時(shí)，開(kāi)啟風(fēng)機(jī)，溫度下降至風(fēng)機(jī)關(guān)斷溫度時(shí)，關(guān)斷風(fēng)機(jī)；超溫進(jìn)行聲光報(bào)警；超高溫進(jìn)行跳閘斷電等功能。

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TM412

A

1672-5387（2017）11-0009-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.11.004

2017-08-30

闞松松（1992-），男，助理工程師，從事水電運(yùn)維工作。