1、变压器风冷控制系统软件设计说明书解析第1章 绪 论1.1 项目研究背景在输变电系统中，变压器是实现电能转换的最基本、最重要的设备，对供电可靠性有着重大的影响。变压器在运行中是有损耗的，一种是空载损耗，它与负荷大小无关：另一种是负载损耗，与负载电流的平方成正比。变压器运行中产生的损耗将转换为热量散发出来，使变压器绕组、铁芯和变压器油温上升。变压器的温升影响它的带负荷能力，同时会加速变压器绕组和铁芯所采用绝缘材料的老化，影响它的使用寿命。变压器运行中所带负荷随时都在发生变化，这将使变压器的损耗也随之发生变化，从而造成变压器油温的变化；同时不管是一年四季环境气温的变化，还是每天昼夜气温的变化，也都造
2、成了变压器油温的变化。为了保证变压器安全和稳定，要随时检测变压器的油温并由冷却控制装置控制冷却器组运行来控制变压器油温的变化，使其油温维持在一个固定的范围内。但目前大型电力变压器的冷却控制仍然主要采用传统的继电式控制方式，这种控制方式存在许多弊端：控制回路接线复杂、可靠性差、故障率较高、维护工作量大；变压器负荷波动较大造成变压器油温变化时，因采用温度硬触点控制，造成冷却器组频繁启停，降低了冷却器组的使用寿命，同时加重了油流带电现象；不能对冷却器风扇、油泵电动机提供完善的保护。继电式控制装置因控制系统故障而使变压器冷却系统带病运行，严重地影响了变压器的可靠运行，已不适应于现如今电网的发展。本项目
3、针对存在的问题提出并研制了基于单片机的大型变压器冷却控制装置。单片机具有可靠性高、抗干扰能力强、智能化等优点，采用以单片机为控制中心实现变压器冷却装置的控制，可以实现对变压器油温的精确控制；控制功能通过编程实现，极大的简化了系统接线，提高了装置本身的可靠性；完善了对冷却器的保护和控制，提高了它的可靠性和工作寿命；此外还可以通过通信实现远方监视冷却系统运行。随着对电网安全可靠运行要求的不断提高，本文提出的基于单片机的大型变压器冷却控制装置的研制，对变压器及电网安全、可靠运行有重要意义和实用价值。1.2 变压器冷却控制方式研究现状电力变压器常用的冷却方式一般分为三种：油浸自冷式、油浸风冷式、强迫油
4、循环。1、油浸自冷式（低厂变）：油浸变压器的散热过程是这样的，铁芯和线圈把热量首先传给在其附近的油，使油的温度升高。温度高的油体积增加，比重减小，就向油箱的上部运动。冷油将自然运动补充到热油原来的位置。而热油沿箱壁或散热器管将热量放出，经箱壁或管壁被周围的空气带走，温度降低后又回到油箱下部参加循环。这样，因油温的差别，产生了油的自然循环流动。既热油从变压器油箱的上部，沿散热器（无散热器的沿箱壁）的内表面向下流，在向下流的过程中把热经管壁或箱壁传给空气（风），被冷却的油从散热器下部进入油箱，然后经各油道上升，在上升过程中把线圈和铁芯的热量带走，热油又汇于油箱上部，这样，周而复始不断循环。油浸自冷
5、式的变压器依靠油箱壁（或散热器管壁）的辐射，和变压器周围空气的自然对流，把热量从油箱表面带走。这种变压器为了增加散热表面，有的箱壁做成波状,有的焊上管子，有的装散热器，以促进油的对流。配电变压器和发电厂的低压变等就属于这种冷却方式。2、油浸风冷式（高厂变）：在散热器上装风扇，用吹风扇的方法使空气加快流动，借此来增大散热能力的就属风冷式。吹风可使对流散热增加8.5倍。同一台变压器，用了吹风以后，容量可提高30%以上。3、强迫油循环冷却方式：如果单纯想法降低油的温度而不增加油流的速度，那是达不到所希望的冷却效果的。因油温降到一定程度时，其粘度增加，粘度大会使散热效果变差。而人为地加快油流速度，就会
6、使散热加快。强迫油循环冷却方式就是在油路中加入了使油的流速加快的动力油泵。强迫油循环风冷的变压器则是将风冷却器装于变压器油箱壁上或独立的支架上。经冷却器内的油采用风扇冷却。为了防止油泵的漏油和漏气，目前广泛采用潜油泵和潜油电动机。潜油泵安装在冷却器的下面，泵的吸入端直接装在第一个油回路（冷却器为多回路的）上，吐出端通过装有流动继电器的联管接至第二回路。流动继电器的作用是，当潜油泵发生故障，油流停止时，发出信号和投入备用冷却器1。第2章 设计方案的比较与选择2.1 单元设计方案选择2.1.1 温度传感器的选择方案一：DS18B20数字温度传感器美国Dallas 半导体公司的数字化温度传感器DS1
7、820 是世界上第一片支持 一线总线接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-BOARD）专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。其主要特征如下： 1、适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电；2、独特的单线接口方式，DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20 的双向通讯；3、DS18B20 支持多点组网功能，多个DS18B20 可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；4、DS18B20 在使用中不需要任何
8、外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；5、温范围55125，在-10+85时精度为0.5；6、可编程的分辨率为912 位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温；7、在9 位分辨率时最多在93.75ms 内把温度转换为数字，12 位分辨率时最多在750ms 内把温度值转换为数字，速度更快；8、测量结果直接输出数字温度信号，以一线总线串行传送给CPU，同时可传送CRC 校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；9、负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。DS18B20 内部结构主要由四部分组成：64 位光刻R
9、OM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH 和TL、配置寄存器。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域3。 方案二：AD590集成温度传感器AD590是AD公司利用PN结构正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器.（热敏器件）AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：mA/K式中
10、：流过器件（AD590）的电流，单位为mA；T热力学温度，单位为K。2、AD590的测温范围为-55+150。3、AD590的电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏，输出电阻为710MW。4、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150范围内，非线性误差为0.3。 DS18B20温度传感器具有精度更高、价格便宜、在单片机上使用方便，直接输出数字量，不用AD转换成数字量，而AD590输出模拟量，需使用AD转换数字量，在单片机上使用不方
11、便。综上所述，本次设计选用方案一。 2.1.2显示方式的选择方案一：采用LCD12864液晶本方案采用LCD12864液晶, 带中文字库的128X64是一种具有4 /8位并行、2 线或3 线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII 字符 集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点 阵的汉字，也可完成图形显示，低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件
12、电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块4。在本设计中，可以发挥LCD12864显示汉字的功能，将每个直流电机的运行状态及测量的温度显示出来，使用LCD12864作为下位机显示界面同时也具有美观简介特点。 方案二：采用LCD1602液晶1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。1602
13、LCD是指显示的内容为16*2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。在本设计中，可以使用1602液晶显示测量的温度及显示没个电机的运行状态（开启：ON；关闭：OFF），但1602不能显示汉字且屏幕较小以至于不能传达太大的信息。方案三：采用LED数码管LED数码管是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。LED数码管根据LED接法的不同可分为共阴和共阳两类。对于同一种LED数码管，编写的程序代码不同对应的显示内容不同5。在本设计中，LED数码管同样可以显示温度值及每个电机的运行状态（开启：ON；关闭：OFF）。
14、综上所述，上述的每种方式都能达到最基本的目标即：显示温度值及电机运行状态，但1602液晶及LED数码管由于自身的局限性不能显示更多的内容如本设计的名称等，且显示界面不太美观，人性化不足，而12864液晶能达到这些要求及克服上述的缺点，故在本设计中选择方案一。2.1.3上下位机通讯方式的选择方案一：采用异步串行口通讯方式串行通信是数据通过一根传输线逐位传送。当信息以串行方式传送时，只使用一条传输线， 且用脉冲传送。具体地说，是在传输线上按顺序传送表示一个数码的所有二进制位的脉冲信号，每次一位。通常第一个脉冲信号表示数码的最低有效位，最后一个脉冲信号表示数码的最高有效位，发送方在发送前要将并行数据
15、转成串行数据，接收方接收后要完成串行数据到并行数据的转换。数据传送按位顺序进行，最少只需要一根传输线即可完成，节省传输线。与并行通信相比，串行通信还有较为显著的优点：传输距离长，可达到数千公里；在长距离内串行数据传送速率会比并行数据传送速率快；串行通信的通信时钟频率容易提高；串行通信的抗干扰能力十分强，其信号间的互相干扰完全可以忽略。但是串行通信传送速度比并行通信传送速度慢，并行通信时间为T，则串行时间为nT。异步传输方式中，字符是数据传输单位。在通信的数据流中，字符间异步，字符内部各位间同步。异步通信方式的“异步”主要体现在字符与字符之间通信没有严格的定时要求。异步传送中，字符可以是连续地、
16、一个个地发送，也可以是不连续地，随机地进行单独发送。在一个字符格式的停止位之后，立即发送下一个字符的起始位，开始一个新的字符的传输，这叫做连续的串行数据发送，即帧与帧之间是连续的。通过MAX232芯片将单片机的TTL电平转换为RS-232电平，实现单片机与PC机之间的通讯。异步通讯的特点：不要求收发双方的时钟的严格一致，实现容易，传输失真率低，但传输效率不高。当距离较远时，可以RS-232接口转RS-485接口来提高传输距离。方案二：采用蓝牙通讯方式蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换
17、。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。Bluetooth 无线技术是在两个设备间进行无线短距离通信的最简单、最便捷的方法。它广泛应用于世界各地，可以无线连接手机、便携式计算机、汽车、立体声耳机、MP3 播放器等多种设备。由于有了“配置文件”这一独特概念，Bluetooth产品
18、不再需要安装驱动程序软件。此技术现已推出第四版规格，并在保持其固有优势的基础上继续发展 小型化无线电、低功率、低成本、内置安全性、稳固、易于使用并具有即时联网功能。其周出货量已超过五百万件，已安装基站数超过 5 亿个。Bluetooth 技术是一项即时技术，它不要求固定的基础设施，且易于安装和设置。您不需要电缆即可实现连接。新用户使用亦不费力 您只需拥有 Bluetooth 品牌产品，检查可用的配置文件，将其连接至使用同一配置文件的另一 Bluetooth 设备即可。后续的 PIN 码流程就如同您在 ATM 机器上操作一样简单。外出时，您可以随身带上您的个人局域网(PAN)，甚至可以与其它网络
19、连接。方案三：采用串行口同步通信方式在同步传输方式中，比特块以稳定的比特流的形式传输，数据被封装成更大的传输单位，称为帧。每个帧中含有多个字符代码，而且字符代码与字符代码之间没有间隙以及起始位和停止位。和异步传输相比，数据传输单位的加长容易引起时钟漂移。为了保证接收端能够正确地区分数据流中的每个数据位，收发双方必须通过某种方法建立起同步的时钟。可以在发送器和接收器之间提供一条独立的时钟线路，由线路的一端（发送器或者接收器）定期地在每个比特时间中向线路发送一个短脉冲信号，另一端则将这些有规律的脉冲作为时钟。这种技术在短距离传输时表现良好，但在长距离传输中，定时脉冲可能会和信息信号一样受到破坏，从
20、而出现定时误差。另一种方法是通过采用嵌有时钟信息的数据编码位向接收端提供同步信息。 综上所述，三种方案都能实现上下位机的通讯，但蓝牙通讯距离太短且数据受环境影响大容易丢失，同步传输时接线复杂，故本设计选择方案一。2.2 系统总体方案结构及原理本系统由上位机和下位机两个子系统构成，上位机部分由VB语言编写的可视化界面组成，通过串口将采集到的数据传到上位机显示；下位机部分主要包括五大电路即：单片机控制电路、LCD12864液晶与单片机接口电路、串口通信电路、温度采集电路、电机控制电路。系统总体结构图如2-1所示。图2-1 系统总体结构图本系统工作原理如下：通过安装在变压器冷却油内部的温度传感器DS
21、18B20测出实时油温，将测出的油温值与从由上位机设定并发送而来的油温标准值进行比较，若测量油温低于标准值，则不开启风扇；若测量油温高于标准值，则由单片机控制开启风扇来降温，并通过高出标准值的程度来控制开启风扇的个数，以提高工作效率并减少能耗。上位机同时也接受下位机（单片机）传来的温度数据并显示在上位机界面上，在上位机界面中也可以显示出每个电机的运行状态。第3章 硬件系统的设计3.1 单片机控制单元电路的设计单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。
22、同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。STC89C52RC单片机介绍：STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。主要特性如下：1、增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051；2、工作电压：5.5V3.3V（5V单片机）/3.8V2.0V（3V单片机）；3、工作频率范围：040MHz，相当于普通8051的080MHz
23、，实际工作频率可达48MHz；4、用户应用程序空间为8K字节；5、片上集成512字节RAM；6、通用I/O口（32个）复位后为：，P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻；7、ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片； 8、具有EEPROM功能； 9、具有看门狗功能；10、共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2；11、外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDo
24、wn模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；12、通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART；STC89C52RC单片机的工作模式：掉电模式：典型功耗0.1A,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序；空闲模式：典型功耗2mA典型功耗，正常工作模式：典型功耗4Ma7mA典型功耗，掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备。STC89C52RC引脚功能说明：VCC（40引脚）：电源电压，VSS（20引脚）：接地，P0端口（P0.0P0.7P0.7，3932引脚）：P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端
25、口P0写入每个引脚能驱动写入“1”时，可以作为高阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线位数据的复用总线。此时，P0口内部上拉电阻有效。在FlashROM编在程时，P0端口接收指令字节端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。P1端口（P1.0P1.7，18引脚）：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。P1口作输入口使用时，因为有内部上
26、拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。此外，P1.0和P1.1还可以作为定时器/计数器2的外部技术输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。在对FlashROM编程和程序校验时，P1接收低8位地址。P2端口（P2.0P2.7，2128引脚）：P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。P2作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（I）。在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（
27、如执行“MOVXDPTR”指令）时，P2送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行“MOVXR1”指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中的P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对FlashROM编程和程序校验期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。P3端口（P3.0P3.7，1017引脚）：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P3做输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流。在对Fla
28、shROM编程或程序校验时，P3还接收一些控制信号。P3口除作为一般I/O口外，还有其他一些复用功能。 RST（9引脚）：复位输入。当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机单片机的复位初始化操作。看门狗计时完成后，RST引脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/ROG（30引脚）地址锁存控制信号：（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在Flash编程时，此引脚（ROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为
29、外部定时器或时钟使用。然而，特别强调的是在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要通过将地址位8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOV指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址位8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。外部程序存储器选通信号（SEN）是外部程序存储器选SEN（29引脚）通信号。当STC89C52RC从外部程序存储器执行外部代码时，SEN在每个机器周期被激活两次，而访问外部数据存储器时，SEN将不被激活。EA/VPP（31引脚）访问外部程序存储器控制信号。为使能从0
30、000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，ALE必须接GND。注意加密方式1时，ALE将内部锁定位RESET。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在Flash编程期间，A也接收12伏VPP电压。XTAL1（19引脚）：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2（18引脚）：振荡器反相放大器的输入端。图3-1 单片机最小系统3.1.1 复位电路为了初始化单片机内部的某些特殊功能寄存器，必须采用复位的方式，复位后可使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始正常工作。单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个机器周
31、期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。具体数值可以由RC电路计算出时间常数。主控芯片采用按键复位。按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。3.1.2 时钟电路单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准，时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡和外部振荡。STC89C52RC单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTALl和XTAL2分别是此放大电器的输入端和输出端，由于采用内部方式时，电路简单，所得的时钟信号比较稳定，实际使用中常采用这种方式，在其外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器就构成了内部振荡方式，片内高增益反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起可构成一个自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。STC89C52RC使用11.0592MHz的晶体振荡器作为振荡源，电
