基于红外传输的无线测温系统设计.doc
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1、毕业设计 课程设计 毕业论文 详细资料联系QQ号;1620812008 毕业设计 课程设计 毕业论文 详细资料联系QQ号;16208120081.绪论在电力系统中,高压开关柜的应用相当广泛,担负着关合及开断电力线路、保护系统安全的双重功能,而柜内导电连接处的接触特性直接影响到开关柜工作的可靠性。在电力生产的过程中,机械振动,触头烧蚀等原因都可能造成接触处温度升高,引起接触处氧化,使接触电阻进一步增加,温度进一步上升,继而出现局部熔焊或产生火花甚至电弧放电,殃及周围绝缘材料,最终造成电气设备的损坏。 因此,对柜内触点进行实时的温度监测,实现过热报警是避免重大事故发生及控制故障恶化的有力手段。由于
2、被测点为高压带电部位,常规的测温方式难以使用。因而,非接触的测温方式应运而生。利用红外传感器进行温度测量就是其中之一。它是通过接收被测目标发出的红外辐射来确定其温度的。因此可以测量高温的、有腐蚀性的、高压带电的物体,并以其速度快、范围宽且对被测温场无干扰等优势在高压电力设备的温度在线监测领域中得到越来越广泛的应用。1.1高压系统温度在线监测技术的重要意义高压开关设备主要用于关合及开断电力线以输送及倒换电力负荷,以及从电力系统退出故障设备和线段,是保证系统安全运行的重要设备。高压开关柜隔离开关在电网运行设备中是必不可少的,它担负着与其它电气设备相互配合,保证与其它设备关合电流的重任。在长期运行过
3、程中,开关柜中的触点和母线排连接处等部位因老化、工差配合不良或接触电阻过大而发热,由此最终导致火灾事故。一直以来,在电厂和变电站已经发生多起开关柜触点过热事故,造成火灾和大面积的停电。由于触点温度过热而引发的安全事故,一方面来自开关柜本身的质量原因,更重要的原因在于目前缺乏针对开关柜触点温度进行有效监测的手段。目前对高压开关柜触点温度监测大都采用人工定期巡查的方法来获得触点的温度数据,定期巡视的方法容易出现事故的漏报现象。由此可见,随着电网其它设备的逐步完善和更新,对于高压开关柜隔离开关的安全监测已滞后于电网的安全需要。因此,研究开发一种性能可靠、结构简单、使用方便、易于维护、成本低廉的高压开
4、关柜触点实时超温监测系统,实现过热报警,是避免重大事故发生和控制故障恶化的有力手段。1.2无线测温系统特点无线测温系统结构简单,易于实现,集精确测温、无线数据传输和总线监测网络于一体,满足了对供电系统开关柜内温度实时在线监测的要求;采用了红外传输技术,没有电磁干扰,最限度地降低了周围电磁场尤其是开关开、合闸的影响,有效地保证了测温精度,提高了设备使用寿命。监控软件通过与数据库的连接,可以对温度数据进行存储、查询和显示。1.3实现功能监控计算机监控软件具有以下功能:(1)实时显示监测点的温度数据;(2)当监测点温度超过预设报警时自动报警;(3)可以根据监测数据快速找出故障点;(4)可以根据需要设
5、定报警值;(5)掉电保护功能2. 硬件电路的组成2.1 单片机1994年美国ATMEL CORPORATION(爱特梅尔公司)通过技术交换取得8031单片机内核的使用权,并结合自身EEPROM存储设计、制造领域内的优势,将一定容量的FLASH存储器集成了80C31单片机内核,形成独具特色的AT89C系列的单片机芯片与INTEL公司MCS-51保持100%兼容,价格低廉,程序修改灵活(片内FLASH存储器可以重复擦除1000次)2.1.1 单片机AT89CAT89C系列的单片机型号主要有AT89C51、AT89LV51、AT89C52、AT89C1051、AT89C2051和AT89S8252其
6、中:AT89C51、AT89LV51硬件资源、引脚排列、指令系统与INTEL公司的80C31完全兼容;AT89C52、AT89LV52硬件资源、引脚排列、指令系统与INTEL公司的80C32完全兼容.芯片引脚如图2-1所示:图2-1 AT89C51引脚图2.1.2 AT89C51系列主要特点(1)用INTEL80C31内核,硬件资源,引脚排列、指令系统分别与MCS-51系列100%兼容。(2)片内程序存储器类型号为FLASH,容量为4K可重复擦写1000次。(3)工作压为5V,时钟频率为0HZ24HZ。(4)同于采用80C31内核,同样具有正常,节电,掉电三种操作方式。(5)三级程序存储器加密
7、功能。(6)可以利用P0、P2口扩展程序存储器和数据存储器空间。(7)AT89C51是DIP40脚封装,它有P0、P1、P2、P3四组IO口每共有32个IO口,其中P1口结构最简单,功能也单一仅作为普通数据输入/输出端口使用。P0口端口较为复杂在需要扩展外部存储器时,它可以作为地址/数据总线使用。当然也可以普通IO端口使用。当作为普通IO端口使用时P0口要接上拉电阻才能正常使用。P2口1可以作为普通IO口使用也可以作为地址总线。在没有外部程序存储器或虽有外部数据存储器但容量不大于256B,不需要高8位地址时,P2口可以作为I/O端口使用。P2口端口作为地址总时,P2口将输出高8位地址总线。与P
8、0口不同无须分时使用,因此P2口上的地址信息或数据地址寄存器高8位DPH保存时间长,无须锁存。P3口是个多功能口除了可以作为普通I/O端口外还具有第二功能,如表2-1所示。表2-1 P3口管脚的第二功能P3口引脚第二功能备注P3.0RXD(串行输入端)输入P3.1TXD(串行输出端输出P3.2IN0(外部中断0)输入P3.3IN1(外部中断1)输入P3.4T0定时/计数器0的外部输入端)输入P3.5T1定时/计数器1的外部输入端)输入P3.6WR(外部数据存储器写信号)输出P3.7RD(外部数据存储器读信号)输出2.1.3 AT89C51的寻址方式AT89C51单片机七种寻址方式:1) 立即数
9、寻地址;2) 直接寻址方式;3) 寄存器寻址方式;4) 寄存器间接寻址方式;5) 位寻址方式;6) 变址寻址方式;7) 相对寻址方式。2.1.4 AT89C51的指令分类(1)数据传送类指令(29)(2)算术运算类指令(24)(3)逻辑运算类与移位类指令(24)(4)控制指令转移类指令(17)(5)位操作指令(17)2.2 温度传感器目前用于断路器触头温度在线测量的方法主要分为两种: l)接触式测量:采用热敏电阻或半导体温度传感器等提取发热点的温度。 2)非接触式测量:采用光纤温度传感器、红外温度传感器等提取发热点的温度。接触式测量所用到的传感器价格低廉、结构简单,但是需要与断路器触头附近的带
10、电部分接触,会给测量装置引入高电压绝缘问题。而非接触式测量可以实现远距离测量,不需要与测量点接触。为了避免断路器在线监测装置的高电压绝缘问题。本文中采用非接触式测量的方式实现断路器触头的温度测量。目前,非接触式温度测量的传感器主要有两种:光纤温度传感器和红外温度传感器。光纤温度传感器由光纤和感温原件构成,它的原理是利用感温元件对光的吸收性随温度变化而变化的特性,将待测物体温度变化转化为光信号的变化,再通过光监测电路及滤波电路输出模拟电压量。温度测量通过光信号转化为电信号,但是采用光纤温度传感器需要在测温点引出光纤电缆,而且光纤温度传感器的价格目前还是比较高,相对而言性价比较低。红外温度传感器原
11、理是通过接收测量物体的电磁辐射,将辐射波长的变化转化成模拟电信号输出,其体积小,结构简单。综合比较,采用红外温度传感器能够实现远距离测量,对断路器本体结构不产生影响,在断路器触头温度测量中可行性高。由于断路器触头位于灭弧室中,外界不能直接观察到,所以不能直接测量到断路器触头的温度。但是根据热传导原理,导电体通过电流温度升高,和它接触的其它零部件的温度也会升高。断路器触头与灭弧室端盖或母线连接处之间的接触可近似的看作平面接触。温度传感器主要由数字式温度传感器、中央处理单元和红外传输模块组成。温度传感器直接安装在被测物体表面,真实地反映被测点的实时温度。数字式温度传感器采用TI 公司生产的DS18
12、B20(图2-2) ,它具有测量精度高、线性度好、性能比较稳定的特点,测量温度可为- 55125 。温度传感器采用高性能锂电池供电,具有馈电自检测功能,当电池电压低于3 V 时,将自动报警。 图2-2 DS18B202.2.1 DS18B20的内部结构 DS18B20内部结构主要由四部分组成:64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。该装置信号线高的时候,内部电容器 储存能量通由1线通信线路给片子供电,而且在低电平期间为片子供电直至下一个高电平的到来重新充电。 DS18B20的电源也可以从外部3V5 .5V的电压得到。 DS18B20采用一线通信接口。因为一线
13、通信接口,必须在先完成ROM设定,否则记忆和控制功能将无法使用。主要首先提供以下功能命令之一: 1 )读ROM, 2 )ROM匹配, 3 )搜索ROM, 4 )跳过ROM, 5 )报警检查。这些指令操作作用在没有一个器件的64位光刻ROM序列号,可以在挂在一线上多个器件选定某一个器件,同时,总线也可以知道总线上挂有有多少,什么样的设备。 若指令成功地使DS18B20完成温度测量,数据存储在DS18B20的存储器。一个控制功能指挥指示DS18B20的演出测温。测量结果将被放置在DS18B20内存中,并可以让阅读发出记忆功能的指挥,阅读内容的片上存储器。温度报警触发器TH和TL都有一字节EEPRO
14、M 的数据。如果DS18B20不使用报警检查指令,这些寄存器可作为一般的用户记忆用途。在片上还载有配置字节以理想的解决温度数字转换。写TH,TL指令以及配置字节利用一个记忆功能的指令完成。通过缓存器读寄存器。所有数据的读,写都是从最低位开始。2.2.2 DS18B20引脚定义(1)DQ为数字信号输入/输出端; (2)GND为电源地; (3)VDD为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。2.2.3 DS18B20工作原理DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同,只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同,且温度转换时的延时时间由2s 减为750ms。 DS18B20测温原理如
15、图3所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振 随温度变化其振荡率明显改变,所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对 低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当计数器1的预置值减到0时,温度寄存器的值将加1,计数器1的预置将重新被装入,计数器1重 新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到计数器2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值即 为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性,其输出用于修正计数器1的预置值。2.3 显示数
16、码管2.3.1 数码管工作原理及引脚 数码管由七个发光二极管级成,行成一个日字形,它们可以共阴极,也可以共阳极,通过解码电路得到的数码接通相应的发光二极管而形成相应的字。 七段数码管它在家电及工业控制中有着很广泛的应用,例如可以用来显示温度、数量、日期、时间等等,具有显示醒目、直观的优点,七段数码管是由七个独立的二极管采用共阴或共阳的方法连接而成。通常将这7个独立的二极管做成a、b、c、d、e、f、g这7个笔划,如图2-3所示图2-3 七段数码管2.3.2 数码管的编码方法 如果要显示“0”则要a,b,c,d,e,f六个字段亮,就“0”,而g和dp段不亮,只要向p0口送出相应的代码就可以显示。
17、编码方法如下表2-3所示:dpgf edcba显示字符编号P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0110000000C0H111010111F3H101001002A4H101010003B0H10001001499H10000010592H10000010682H111110007F8H10000000880H10010000998H10001000A88H10001110F8BH2.3.3 显示数字对应的二进制电平信号 表2-2显示数字abcdefd01111110101100002110110131111001401100115101101160011111711
18、1000081111111900011012.3.4数码管的驱动方式1)直流驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动,或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。优点是编程简单,显示亮度高,缺点是占用I/O端口多。2)动态显示驱动是将所有数码管通过分时轮流控制各个数码管的的COM端,就使各个数码管轮流受控显示。将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起,另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路,位选通由各自独立的I/O线控制,当单片机输出字形码时,所有数码管都接收到相同的字形码,但究竟是那个数码管会显示出字形,取决于单片机对位
19、选通COM端电路的控制,所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开,该位就显示出字形,没有选通的数码管就不会亮。2.4 LEDLED(Light Emitting Diode),发光二极管,是一种固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片,晶片的一端附LED灯株在一个支架上,一端是负极,另一端连接电源的正极,使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成,一部分是P型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是N型半导体,在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候,它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候,电子就会被推向P区,在P
20、区里电子跟空穴复合,然后就会以光子的形式发出能量,这就是LED发光的原理。而光的波长决定光的颜色,是由形成P-N结材料决定的。 2.4.1 LED优点1 体积小LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面,所以它非常小,非常轻。2 耗电量低LED耗电相当低,直流驱动,超低功耗(单管0.03-0.06瓦),电光功率转换接近100%。一般来说LED的工作电压是2-3.6V,工作电流是0.02-0.03A;这就是说,它消耗的电能不超过0.1W,相同照明效果比传统光源节能80%以上。3 使用寿命长有人称LED光源为长寿灯。它为固体冷光源,环氧树脂封装,灯体内也没有松动的部分,不存在灯丝发光易烧、热
21、沉积、光衰等缺点,在恰当的电流和电压下,使用寿命可达6万到10万小时,比传统光源寿命长10倍以上。4 高亮度、低热度LED使用冷发光技术,发热量比普通照明灯具低很多。5 环保LED是由无毒的材料作成,不像荧光灯含水银会造成污染,同时LED也可以回收再利用。光谱中没有紫外线和红外线,既没有热量,也没有辐射,眩光小,冷光源,可以安全触摸,属于典型的绿色照明光源6 坚固耐用LED被完全封装在环氧树脂里面,比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也没有松动的部分,使得LED不易损坏。7 多变幻LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理,在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合,即可产生256256256
22、16777216种颜色,形成不同光色的组合变化多端,实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。8 技术先进与传统光源单调的发光效果相比,LED光源是低压微电子产品。它成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等,所以亦是数字信息化产品,是半导体光电器件“高新尖”技术,具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点。2.4.2 LED的发光原理发光二极管是由-族化合物,如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的,其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性,即正向导通,反向截止、击穿特性。此外,在一定条件下,它还具有发光特性。在正向电压下,电子由
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