陶玉貴，汪金寶，李長(zhǎng)波

(1.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽蕪湖 241006；2.安徽師范大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，安徽蕪湖 241003)

基于STC12的高壓斷路器觸頭無線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陶玉貴1，汪金寶2，李長(zhǎng)波1

(1.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽蕪湖 241006；2.安徽師范大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，安徽蕪湖 241003)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓真空斷路器觸頭溫度的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，本文以STC12單片機(jī)為控制核心，通過對(duì)斷路器主觸頭安裝測(cè)溫裝置，經(jīng)低衰減耐高溫的光纖實(shí)現(xiàn)與控制回路的連接，完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并通過nRF905無線模塊將信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)觸頭溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和超溫報(bào)警等功能。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)有力地保障了高壓斷路器安全穩(wěn)定運(yùn)行，具有較高的應(yīng)用前景和市場(chǎng)價(jià)值。

高壓斷路器；溫度監(jiān)測(cè)；光纖；STC12C5A60AD

隨著我國(guó)電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，人們?cè)谧非蟾咂焚|(zhì)的生活質(zhì)量時(shí)，對(duì)用電的需求也在不斷增加。為了提高國(guó)民用電質(zhì)量，同時(shí)也減少因高負(fù)荷用電而帶來的不必要的損失，高壓真空壓斷路器設(shè)備的需求量在大幅度上升。在設(shè)備的長(zhǎng)期運(yùn)行中，斷路器觸頭因不可靠連接和老化而引起觸頭過熱造成觸頭熔化和擊穿而導(dǎo)致的生產(chǎn)事故不在少數(shù)。因此，設(shè)計(jì)能對(duì)觸頭進(jìn)行測(cè)溫的裝置不僅能大大降低設(shè)備檢修費(fèi)用、減少故障斷電時(shí)間，同時(shí)也極大提高了電力系統(tǒng)的可靠性。

本文開發(fā)一種高壓真空斷路器觸頭的無線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用STC12C5A60AD微控制器，通過nRF905模塊無線傳輸，配合光纖傳導(dǎo)，隔離效果好，絕緣性能優(yōu)異，整個(gè)系統(tǒng)測(cè)溫實(shí)時(shí)性強(qiáng)，工作穩(wěn)定性和可靠性高，不僅能通過監(jiān)視單元電路顯示溫度和設(shè)定系統(tǒng)報(bào)警，同時(shí)能通過上位機(jī)對(duì)溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線顯示、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)與調(diào)用、超限溫度預(yù)警等功能設(shè)置。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及功能

遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由溫度采集處理終端、無線通信網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心組成[1]，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖2為溫度采集處理終端結(jié)構(gòu)圖，電流互感器采用電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)，安裝于每個(gè)母排上為溫度傳感器和測(cè)溫探頭提供供電電源，對(duì)斷路器內(nèi)部三相隔離開關(guān)觸頭進(jìn)行測(cè)溫。溫度信號(hào)經(jīng)光纖傳送給溫度采集單元，對(duì)信號(hào)處理以實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫度采集處理終端電路設(shè)計(jì)

溫度采集與處理電路如圖3所示。選用低成本、低功耗的MAX6577溫度傳感器，當(dāng)接通電源，便可處于自發(fā)工作狀態(tài)，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，輸出占空比1∶1的方波。溫度采集終端負(fù)責(zé)將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成光信號(hào)，后經(jīng)光纖將信號(hào)傳遞到數(shù)據(jù)采集單元輸入口，完成光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)整形。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

圖2 溫度采集處理終端結(jié)構(gòu)圖

圖3 溫度采集處理終端電路圖

2.2 溫度監(jiān)視單元電路設(shè)計(jì)

溫度監(jiān)視電路如圖4所示，選用抗干擾能力強(qiáng)的STC12C5A60AD為控制核心。該電路主要負(fù)責(zé)將采集的溫度實(shí)時(shí)顯示、越值報(bào)警和紀(jì)錄報(bào)警時(shí)刻、控制輸出信號(hào)等。采用HD7289芯片驅(qū)動(dòng)的4路LED對(duì)溫度實(shí)時(shí)顯示。通過按鍵電路設(shè)定系統(tǒng)報(bào)警溫度和顯示方式。報(bào)警電路采用三極管NPN組成，直接從單片機(jī)獲取信號(hào)輸入揚(yáng)聲器。

圖4 溫度監(jiān)視單元電路圖

2.3 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

系統(tǒng)的無線通信模塊選用nRF905單片射頻收發(fā)器[2]。工作頻率為國(guó)際通用ISM頻段433/868/915MHz，工作電壓為1.9V至3.6V。其內(nèi)部由有頻率合成器、接收解調(diào)器、調(diào)制器、功率放大器和晶體振蕩器組成，使用SPI接口與微控制器通信。nRF905有ShockBurst RX接收模式和ShockBurst TX發(fā)送模式兩種活動(dòng)模式。nRF905四種工作模式是由引腳TRX_CE、TX_EN和PWR_UP引腳電平來設(shè)定，如表1所示。

表1 nRF905工作模式

在單片機(jī)與nRF905進(jìn)行通信時(shí)，要先將nRF905的工作模式設(shè)置在節(jié)電模式，這樣才能保證正常通信。nRF905無線傳輸收發(fā)芯片與STC12C5A60AD微控制器硬件連接如圖5所示。

圖5 nRF905與STC12C5A60AD硬件連接圖

2.4 通信單元電路設(shè)計(jì)

通信單元電路連接原理如圖6所示，單片機(jī)的TXD和RXD接SN75LBC184，構(gòu)成了RS485總線半雙工通信網(wǎng)絡(luò)，P3.7用于收發(fā)控制。利用SN75LBC184可以很好地抑制雷擊及其他原因在通信線路上產(chǎn)生的各種瞬時(shí)過電壓和干擾，從而使系統(tǒng)免受損壞。系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后上傳至PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線溫度監(jiān)測(cè)。

圖6 通信單元原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)程序流程圖

溫度采集程序流程如圖7所示。系統(tǒng)初始化后，檢測(cè)每個(gè)通道的頻率，如檢測(cè)到頻率超時(shí)，則設(shè)置超時(shí)標(biāo)志位，若未超時(shí)，則實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)-脈沖頻率的轉(zhuǎn)換及光電轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)發(fā)送到下一單元電路。

溫度采集處理終端與上位機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，上位機(jī)要對(duì)各采集終端進(jìn)行地址識(shí)別。設(shè)備上電后，上位機(jī)系統(tǒng)輪詢RS485總線，對(duì)采集終端進(jìn)行讀取，各采集終端將采集到的溫度信號(hào)通過總線上傳給上位機(jī)，用于數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)以及預(yù)警。系統(tǒng)主程序流程如圖8所示[2]。

圖7 溫度采集程序流程圖

圖8 主程序流程圖

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)基于Windows操作系統(tǒng)，采用C/S模式[3]。監(jiān)測(cè)軟件采用VB6.0語(yǔ)言進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，主要包括主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、溫度監(jiān)測(cè)模塊、報(bào)警溫度設(shè)定模塊、歷史數(shù)據(jù)模塊等，實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線顯示、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)與調(diào)用、超限溫度預(yù)警等功能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文給出一種基于STC12單片機(jī)的高壓斷路器觸頭無線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用光纖進(jìn)行高壓隔離和信號(hào)傳輸，絕緣性好，抗電磁干擾能力強(qiáng)，能對(duì)斷路器多個(gè)觸頭進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)測(cè)溫方便、架構(gòu)簡(jiǎn)單、電路簡(jiǎn)潔、成本低。此系統(tǒng)也可用于其他高壓設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1]郭少雄,蘇海海.基于nRF905的無線環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào),2014(3):133-138.

[2]路士兵.基于單片機(jī)的空氣霧霾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2016(6):254-255.

[3]陶玉貴,汪金寶.基于ARM+GPRS的遠(yuǎn)程電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)春師范大學(xué)學(xué)報(bào),2016(2):36-39.

DesignofTemperatureMonitoringSystemforHigh-voltageCircuit-breakerContactsBasedonSTC12

TAO Yu-gui1, WANG Jin-bao2, LI Chang-bo1

(1.School of Information Engineering,Wuhu Institute of Technology,Wuhu Anhui 241006,China；2.School of Mathematics & Computer Science,Anhui Normal University,Wuhu Anhui 241003,China)

In order to implement the remote monitoring temperature of high-voltage vacuum circuit-breaker contact, the paper uses the STC12 MCU as a core to finish the following steps: Installing the temperature measurement of circuit breaker main contact, connecting the low attenuation of high temperature resistant fiber and control circuit to complete the photoelectric conversion, and the signal is transmitted to the host computer through the nRF905 wireless module. Thus it realizes the real-time monitoring the temperature of contacts and over temperature alarm, and the system guarantees the high voltage switch to operate safely and stably and it has high application prospect and market value.

high-voltage circuit-breaker; temperature monitoring; optical fiber; STC12C5A60AD

TM561

A

2095-7602(2017)12-0034-04

2017-05-27

安徽高校省級(jí)自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目“低壓電力電能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究”(KJ2015A449)；安徽高校優(yōu)秀青年人才支持計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(gxyqZD2016592)；安徽省高等學(xué)校省級(jí)教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程項(xiàng)目“電子信息工程技術(shù)專業(yè)綜合改革試點(diǎn)”(2014zy147)。

陶玉貴(1979- )，男，教授，碩士，從事信號(hào)檢測(cè)與處理研究。