2021年01月29日 | 变压器温度智能监控仪

简介：　本文给出一种以ATMET公司的89C51单片机为核心的温度智能监控仪，监控仪具有自动记录断电前的三相温度、相位、历史最高温度等数据及黑匣子功能。

1 DOWN引DOWN言

变压器智能化温度监控仪由传感器、单片机温控仪及相应的输出继电器所组成。通过铂电阻测取变压器被测点的温度，经与温度监控仪内部所预设定温度比较后，输出控制风机继电器触点、超温报警继电器和超温跳闸继电器触点的开合，实现对变压器绕组温度的监控，防止变压器因过热而损坏，保证变压器的设计使用寿命。

2 硬件系统设计

2.1 监控仪的硬件系统构成

89C51单片机是ATMET公司的8位Flash单片机，最大特点就是在片内含有4KB可重复编程的Flash存储器、128×8B内部RAM和2个16位定时器/计数器，在开发过程中易进行程序的修改且与MCS-51兼容。对于LED控制驱动器，选用PS7219，其接口采用同步串行外设接口（SPI），可同时驱动8位数码管（使用其中的5位），因PS7219内部具有15×8RAM功能控制寄存器，可方便寻址，对每位数字可单独控制刷新，显示亮度可数控，每位具有闪烁使能控制及全亮功能测试，这样可简化硬件电路的设计，节省CPU的口线和减少占有CPU的时间。

因为工作状态设置、参数设置等按键采用复合式键盘的方式，因而按键较少，键盘设计为独立式按键接口，通过检测输入线的电平可以很容易地判断哪个键被按下。与上位计的通信采用MAX232芯片，此芯片具有双组驱动器/接受器，片内含有1个电容性电压发生器可在单电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平，每个接受器将EIA/TIA-232-E电平输入转换为5V TTL/COMS电平，还有仪器需要保存一些特殊的数据，电路设计配制EEPROM和电源监控电路来实现上述功能。输出驱动电路采用ULN2003驱动器，此芯片具有7个达林顿管，其集电极可收集最大电流达500mA，因内部接有续流二极管，可地驱动感性负载的继电器。其总体框图，如图1所示。

2.2 传感器

铂电阻的物理化学性能稳定，抗氧化能力强，灵敏度较高，材料易于提纯，工艺性好，制作容易，产品的一致性好，具有非常好的互换性。按1989年7月第77届国际计量委员会批准建立新的国际温标（简称ITS-90）规定,整个温标分4个温度范围，其中13.803～961.78℃其相应的标准仪器用铂电阻温度仪。变压器用电阻温度计标准规定传感器使用Pt100。传输引线使用三线制，如图2所示。三线制的优点是可以减少因连接导线电阻值的改变而引起的测量误差。利用不平衡电桥检测因温度变化而导致输出电压的变化，画出其中一路的温度信号检测电路图。

2.3 前置信号处理电路

CD4052是双4选1多路模拟开关，其4组输入分别是3路3相绕组温度信号和环境温度信号（可选用），这些信号的切换由程序通过单片机的口线进行控制。因为所检测的温度信号为一缓慢变化的信号。为了有效提高仪器的抗干扰能力，因此进行RC低通滤波。为了提高输入阻抗和高共模抑制比，前置放大器第1级采用差动接法，R4、R5、R6、R7、R8、R9两对电阻要认真选配，且放大器选用微漂移、低失调、高增益高共模抑制比的斩波式自动调零运放TIL7650。第2级反相放大器的放大倍数，通过RW2多圈电位器调整。

2.4 用V/F转换器实现A/D转换

在单片机测量和控制系统中，对外界数据及信号的读取大多通过A/D方式来实现的，而对于一些非快速A/D过程，V/F转换技术则倍受青睐，V/F转换器与单片机接口有以下特点：

（1）接口简单、占用单片机硬件资源少。频率信号可输入微机的任1根I/O口线或作为中断源及计数输入等。

（2）抗干扰性能好。V/F转换本身是一个积分过程，且用V/F转换器实现A/D转换，就是频率计数过程，相当于在计数时间内对频率信号进行积分，因而具有较强的抗干扰性能力。

（3）便于远距离传输。V/F转换器实现A/D转换需要与频率计配合使用，电路框图，如图3所示。

原理如下：同时启动频率计数器和定时器，频率计数器用V/F转换器输出的频率信号f作为计数脉冲，定时器采用基准脉冲作为定时脉冲，当定时结束时，定时器产生输出信号使频率计数器停止计数，这样计数值与频率之间关系是：

式中fs――基准频率

Ds――定时计数器计数初值

因此，，这样只要知道了D值就可通过计算求出V/F转换器的输出频率，根据V与F之间的关系，就可得到电压值。仪器采用通用型V/F转换器LM331。

3 软件设计

3.1 软件组成

电阻温度计软件由主程序和中断服务程序组成，主程序完成定时器、计数器、EEPROM、显示控制驱动器PS7219等的初始化，键盘操作管理，数据采集处理，控制输出及显示。中断服务程序主要处理突然停电时的数据保留，如三相温度及相位。

3.2 基本功能

(1)巡回/最高转换功能

巡回测量:依次巡回测量并显示A,B,C三相温度;最高相温度测量:巡回测量A,B,C三相温度并显示其中最高相温度。开机时本键处于巡回状态。

(2)黑匣子功能

在遇突然断电时能自动保留断电前的三相温度和相位。

(3)数据保留与处理功能

可自动保留历史最高温度数据(断电后不丢失),可清除历史最高温度。可方便地修改保留温度控制设定值（满足T4＞T3＞T2＞T1。其中，风机启动温度T2=100℃，可调范围±20℃；风机停止温度T1=80℃，可调范围±20℃；超温报警温度T3=130℃，可调范围±20℃；超温跳闸温度T4=150℃，可调范围±20℃）。

(4)故障检测功能

传感器若出现开路或短路,能自动报警(故障接点吸合)并显示。

(5)“风机”自动启停功能

当所测量温度高于设定温度T2时,“风机”自动启动,“风机”启动指示灯亮;当三相测量温度低于T1时,“风机”自动停止,“风机”启动指示灯灭。

(6)超温报警功能

当所测量温度高于设定温度T3时,超温接点自动吸合,超温指示灯亮,蜂鸣器发间断音报警;当三相测量温度低于T3-0.6℃时,超温接点断开,超温指示灯灭,蜂鸣器终止发声报警。

(7)超温跳闸报警功能

当所测量温度高于设定温度T4时,跳闸接点自动吸合,跳闸指示灯亮,蜂鸣器发长音报警;当三相测量温度低于T4-0.6℃时,跳闸接点断开,跳闸指示灯灭,蜂鸣器终止长音报警。

(8)警示回归

当温控器超温或跳闸蜂鸣器报警后,按一下本键,报警声停止1h左右,再按一次,则恢复报警。

(9)安全报警

温控器接受外接长开接点输入,若该接点闭合(配电室门开启时),蜂鸣器发长音报警。

(10)自检功能

温控器能自检除跳闸以外的所有输出功能。

3.3程序流程

主程序流程图，如图4所示。开机后首先进行初始化操作，从EEPROM中调出T4、T3、T2、T1的温度值，如有键盘按下，则先执行相应的键盘处理程序，此后同时启动计数器和定时器，单片机对CD4052的通道进行选择就可得到相应的计数值，对于每一个通道进行3次采样取中间值，直至得到所有要求的温度计数值，然后对计数值进行相应的换算处理，根据仪器的要求输出相应的控制信号控制各继电器的状态。在程序设计中，为了防止跳闸操作的误动作，考虑到温度的变化是个缓慢过程，温度上升时必先到达风机启动温度T2，然后到达超温报警T3，最后到达超温跳闸温度T4，在输出超温跳闸控制信号前检验风机和超温报警继电器的状态。同时在硬件电路中，用与门实现风机启动控制信号、超温报警控制信号和单片机输出的超温跳闸控制信号相“与”作为真正的超温跳闸制信号控制继电器。

4 结论

该变压器温度智能监控仪有效量程:0～199??9℃；分辨率:0.1℃；准确度等级:0.5 F.S%。该仪器已应用到实际工作中，使用效果良好。本设计的一些特点可供其他人员设计时参考