1、电力电缆火灾在线监测系统毕业设计1 绪论1.1 课题的提出电缆在日常生产、生活中随处可见，在电厂、工厂、实验室通常将大量的电缆集中敷设在电缆沟内，以方便布线、维护、美观。随着人们对电的依赖的增长，电缆沟里的电缆越来越多，电缆沟越来越长。其火灾事故的发生几率也相应增加。电缆一旦发生火灾，将造成大面积电缆烧损，短时间内无法恢复生产，经济损失重大。因此，电缆的安全保护已成为不可忽视的问题。国内，据有关资料统计，在1975-1985年间，因电缆着火造成的重大事故发生60起，造成直接和间接损失达50亿元。在1986-1992 7年间，仅我国火电厂发生电缆火灾75次，其中有24个电厂发生过两次及以上电缆火
2、灾事故，个别电厂达4-6次，70以上的电缆火灾所造成的损失非常严重，其中2/5的火灾事故造成特大损失。近几年，因电线电缆发生的火灾事故更是屡见不鲜。1999年牡丹江第二发电厂因电缆沟火灾，导致全厂停电，直接、间接损失达千万元。2000年北京高能物理所的正负电子对撞机监视机房因电缆沟起火被迫停机，严重影响了科研工作的进行。2001年上海供电局因电缆接头过热引起电缆隧道火灾，大面积电缆被烧损，导致市区大面积停电事故。国外，美国在1965-1975年统计的3285次电气火灾事故中，电线电缆火灾事故就占30.5%，直接损失约4000万美元。日本曾对电力、钢铁、石油化学、造纸等工厂企业调查，有78%的单
3、位发生过电缆着火，其中危害程度较大的事故占40%。通过多次事故分析发现，电缆沟内火灾发生的主要原因是由于动力电缆中间接头制作质量不良所造成的，或压接不紧，或焊接不牢，或连接不好，或接头材料选择不当，或受到损伤，造成运行中接头氧化、脱焊、局部发热或炸裂导致着火。而电缆中间接头质量的好坏，只能在运行中发现，运行时间越长越容易发生过热烧穿事故。从电缆接头过热到事故的发生，其发展速度比较缓慢，时间较长。同时，电力电缆敷设距离长、走向复杂，采取运行人员定期巡视的方法，巡视间隔、巡视的准确性等方面都存在很多问题。实际经验和理论分析均表明，电缆接头处发生的各类故障不是一个突发过程，通常因为温度不断升高，使绝
4、缘逐步老化、泄漏电流逐步增加，到达一定程序后再发生击穿，是一个由量变到质变的过程。因而，连续监测电缆接头温度的变化，就可以全面地了解其工作状况，根据情况适时进行停电检修。特别当发现某个接头温度过高(超过预先设定值)或变化过快时，说明此处的绝缘已比较薄弱，继续运行可能引发严重故障。此时及时发出报警信号，通知值班人员及时处理，可以有效地避免严重故障的发生，确保系统安全、可靠地工作。本文根据电缆接头的运行特点和要求，设计出了集测量、显示、报警和远传通信等多项功能于一体的集散式电力电缆接头温度监测系统。本次设计了一个基于分布式温度传感器的3路循环监测系统。如今，该分布式温度传感器不仅在电力工业上应用，
5、同时还在煤矿、森林火灾、高层建筑、航空、航天飞行器等有着重要的应用前景。本系统使用美国Dallas半导体公司新一代数字式温度传感器DS18B20，它具有独特的单总线接口方式，即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器，从而使测温装置与各传感器的接口变得十分简单，克服了模拟式传感器与微机接口时的A/D转换以及其它复杂的外围电路的缺点。本设计以AT89S52单片机为控制核心，提出基于DS18B20的分布式温度系统，3个传感器通过单总线与单片机相连形成分布系统。单片机通过实时监控温度变化，通过LCD1602显示各节点的温度数值，当温度超过允许范围时，蜂鸣器报警，从而远程实现整个温度的管理和控
6、制。这种分布式温度测量系统具有成本低廉、传感精度高、系统稳定、易于管理等优点。1.2 目前常用的电缆温度监测方法电缆温度检测技术在国内外已经发展了很多年，但是均采用有线连接的方式，现场已有许多产品在使用。目前常用的电缆温度监测方法包括：感温电缆式测温系统、热敏电阻测温系统和光纤分布式温度监测系统等1.2.1 感温电缆式测温系统将感温电缆与电缆平行安放，当电缆温度超过固定温度值时，感温电缆被短路。系统仅能一次使用，不能测出电缆的实际温度值；由于电缆数量多，系统安装及维护工作不够方便，设备易损坏：不能进行早期故障预测，不能实时显示测量值，无温度趋势分析。1.2.2 热敏电阻式测温系统可以显示温度值
7、，但都是模拟量输出，需要进行信号的放大和A/D转换，方能被单片机接收。每一个热敏电阻的温度值都需要经过上述环节进入系统，都需要独立的接线、布线，一个电缆沟通常需要测试少则几十个点，多则几百个点，需要成百上千条信号线。如果要增加测试路数，那么必定要增加放大器和A/D转换器的个数，接线将十分复杂。它们的准确性易受环境、接线、放大等因素的影响，因而误差大。同时，系统环节多，维护量大，传感器不具备自检功能，需要经常校验，因此不常采用。1.2.3 光纤分布式温度监测系统利用1根光纤充当分布式温度传感器，能测量数千个独立的测量点的温度。通过分析在光纤中传输的激光脉冲产生的拉曼(Raman)后向散射光信号来
8、完成对温度的测量。最新的使用多模光纤的分布式温度测量系统，允许光纤长度达到12km。分布式温度监测系统为实现热点位定位，要求这种系统在安装时就能够确定热点的位置，依赖预先测量和维护经验。同时，电力传输网中包含了数目巨大的电缆线路，其光纤线路总长度也是一个不小的数字。除了上述几种监测方法外，还有一部分工厂不惜大量资金进行电缆沟的防火封堵及普通消防报警装置，但是电缆沟火灾仍有发生，这些措施只能起到电缆着火后减轻事故范围的作用，没有从根本上限制减少火灾的发生。因此，研究设计电力电缆火灾在线监测系统就是为了能够实时监测电力电缆的温度变化，在温度越限或温升速度越限时能及时报警，并指出发热点位置（温度探头
9、位置），通知运行人员及时处理，从而保证运行安全，避免经济损失，这才是从根本上限制电缆沟内火灾发生的有效可行的方法。1.3 课题的内容本设计主要针对电缆的防火问题，阐述了一个完整的电缆温度在线监控系统的软、硬设计过程，本系统采用的是新型智能化温度传感器DS18B20，能以数字形式直接输出被测点温度值，测温误差小、分辨率高、抗干扰能力强、成本低。本系统设计了一个由数字化测温元件构成的温度检测报警系统，包括温度检测，温度显示，温度报警等部分。能实时监控电缆接头的温度变化，大体思路是通过温度传感器测温经单片机送液晶显示，超过设置温度，蜂鸣器报警。主要设计内容如下：(1)设计3个测温点，可以同时测量三个
10、温度点。该系统可以扩充。 (2)测温采用专用的数字温度传感器巡回检测其温度，进行集中管理。(3)单片机进行温度数据收集，通过液晶显示。 (4)设置允许最高温度，当大于这一温度时，蜂鸣器报警，点亮对应的发光二级管。 (6)程序采用C语言编写。实际应用中在每根电缆中间接头处安装一个温度传感器，传感器输出信号通过辅助电缆传送至电缆接头较近的前置测量单元。根据电缆接头埋地分布情况的不同，每个前置单元可与848个传感器连接。前置单元的监测处理结果就可以显示打印、越限报警、也可以通过RS-232或其他类型的通信网络传输至安装在主控室或调度中心的监测主机。该主机还可以通过局域网或Internet网与其它计算
11、机相连，使有关人员均能够通过网络了解整个系统监测电缆接头的工作状况。2 系统的总体设计在本章中将进行系统的总体方案设计，以便在后续的章节中选择合适的单片机、温度传感器、显示器件及外围部件，完成具体的硬件设计。在总体设计方案中，应考虑以下几点： (l)系统能方便、直观、有效的监控电缆温度变化； (2)系统必须能够实时采集电缆接头处的温度值，并且迅速处理； (3)系统能够将数据处理结果显示给用户，还要能够存储结果，以方便以后对比研究； (4)系统的经济性、可靠性要求； (5)测温点多，要易于扩充； (6)操作和维护方便。 2.1 系统的总体设计思想根据生产现场实际，电力电缆火灾在线监测系统设计成分
12、散测量、集中监视的系统结构。本次设计的是一个数字温度测量及控制系统，能测电缆的温度，并能在超限的情况下进行控制、调整、并报警以保证环境在限定的温度中。设计包括软件设计和硬件设计两方面，软件设计包括单片机控制程序和串口通信的实现程序。硬件上主要由以下五部分组成：(1)核心控制器：采用单片机；(2)温度采集模块：采用DS18B20温度传感器；(3)温度显示模块：采用LCD1602液晶显示器；(4)温度报警模块：采用蜂鸣器；(5)串口通信模块：采用MAX232。系统框图如图2-1。图 2-1系统框图该系统的设计思路如下：温度传感器DS18B20将所测的温度发送到AT89S52单片机上，经过单片机的处
13、理，再将所测温度一方面送液晶显示，另一方面通过MAX232串口送PC机显示。此外当温度发生变化，超过设定的越限值时，触发了报警条件，单片机启动报警。2.2 方案论证与选择设计方案的不同将直接决定硬件的繁简程度，从而确定软件的不同编写思路。电力电缆温度在线监测，它是一个数字温度控制系统巡回检测、实时监测系统，能测量温度并能在超限的情况下报警。在设计时应考虑以下两个方面： (1)应保证前向的温度传感电路的精确度、灵敏度；(2)系统本身要具备一定的抗干扰能力，应在硬件和软件上引入各种抗干扰措施，以增强它的稳定性和准确性。对于本设计所涉及到的上述几个部分，其中硬件上温度采集、控制处理、显示、报警等部分
14、的方案已比较成熟，关键在于软件设计上，功能应强大，应寻找尽可能简单完整的设计思路，保证程序易于修改、调试。对于温度采样和测试部分，有以下几种方案可供选择。第一种方案：采用热电偶温差电路测温，温度检测部分可以使用低温热电偶，热电偶由两个焊接在一起的金属导线组成，热电偶产生的热电势由两种金属的接触电势和单一导体的温差电势组成。通过参考结点保持在已知温度并测量该电压，便可推断出检测结点的温度。数据采集部分采用带有A/D通道的单片机，再将随被测温度变化的电压或电流信号采集过来。这样得到的多路采样信号经放大器、多路模拟开关及A/D转换电路，由单片机控制多通道A/D转换，分时对电压或电流信号进行循环采样和
15、A/D转换后，就可以用单片机进行数据处理，显示在电路上，即可将被测温度显示出来。这种方案是单片机处理非电信号的传统方法。该方案优点：热电偶的测温范围非常宽，体积小，选用合适的测温元件可以检测-200+3000的温度。该方案缺点：存在着输出电压小，容易遭受外来导线环路的噪声影响以及漂移较高；这种设计单片机外电路复杂，因为多路温度需要多个模拟开关，不管是通用的并行、串行总线，还是专用总线，其传送数据的信号线总是多根的，这样系统连线非常复杂，并且需要额外的接口芯片，其成本也高；另一方面，A/D转换器要占用多个I/O口向单片机输入多位的数字量，这无疑使得有限的I/O口在设计时显得较为局促；软件工作量大
16、，且功耗也较大，线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，这种方案的性能价格比较低。第二种方案：使用在温度测控领域中有广泛应用的二端式半导体集成温度传感器 AD590、LM35等，将采集到的电流信号经多路A/D转换器送入单片机，由单片机控制数据的采集和转换。以AD590为例，它的测温范围为-55+l50，工作电压为4+30V。传统的多点温度检测系统大都采用模拟温度传感器（如AD590）,一般经前端放大、A/D转换和数据修正等过程。该方案的优点是：有较高的抗干扰能力，适用于计算机进行远距离温度测量和控制。远距离信号传递时，可采用一般的双绞线来完成；其电阻比较大，因此不需要精密电源对其供电，长导线上
17、的压降一般不影响测量精度；不需要温度补偿和专门的线性电路。该方案的缺点是：经实践应用发现：传统电路设计上存在电源干扰、滤波不可靠、线路过于复杂、无屏蔽措施等不可靠因素。同时它仍然具有单片机处理多个模拟信号的缺点：电路连线复杂、软件工作量大、功耗大、需要占用较多的I/O口线。第三种方案：随着传感器技术的发展，己经出现了先进的数字式温度传感器。选用先进的单总线数字式温度传感器DS18B20，可将温度直接转化为串行数字信号直接送入单片机进行处理及控制。且该芯片的物理化学性很稳定，用它做测温元件，线性好。在0-100时，最大线性偏差小于1。这种方案中的温度传感器的最大特点之一就是兼有测温和A/D转换的
18、功能。该方案的优点是：采用单总线的数据输出，输出值是数字信号，所以不必使用A/D转换器和相关的接口芯片，能够直接进入单片机进行数字处理。这样测温系统的结构就比较简单，体积也不大。同时采用51单片机来控制，软件编程自由度大，可通过编程实现各种各样的算法和逻辑控制，硬件实现简单，安装方便。单总线上可以挂多片DS18B20，单片机只需一根端口线就能与多片DS18B20进行通信。具有较好的线性关系、较强的抗干扰能力、可靠性高、线路简单、测量精度高、功能便于扩展等优点。同以上两种方案相比较有明显的优势和极其广泛的开发前景。该方案的缺点是：测温范围较小，一般在-55125之间。由于本课题的测温范围在常温区
19、，比较以上三种方案的优缺点、综合考虑测温电路的简单、系统的精确度、抗干扰能力、实现方便以及软件设计简单等方面的因素。本次设计选用第三种方案最适合。3 系统器件选择3.1 选择单片机本设计选用AT89S52单片机，AT89S52 8位单片机是MCS-51系列产品的升级，由世界著名半导体公司Atmel在购买MCS-51设计结构之后，利用自身优势(掉电不丢数据)闪存生产技术对旧技术进行改进和扩展，同时使用新的半导体生产工艺，最终得到成型产品。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高精度非易失性存储器技术制造，亦适于常规编程器。
20、在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，3个16位定时器/计数器。1个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0HZ静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护模式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。根据不同场合的要求，这
21、款单片机提供了多种封装，本次设计使用双列直插DIP-40的封装。引脚图如3-1所示。图3-1 AT89S52引脚结构图AT89S52的主要特性是:(1)与MCS-51单片机产品兼容(2)8K字节在系统可编程Flash存储器(3)1000次擦写周期(4)全静态操作：0Hz33Hz(5)三级加密程序存储器(6)32个可编程I/O口线(7)三个16位定时器/计数器(8)八个中断源(9)全双工UART串行通道(10)低功耗空闲和掉电模式(11)掉电后中断可唤醒(12)看门狗定时器(13)双数据指针(14)掉电标识符AT89S52引脚功能描述:(1)P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输
22、出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。(2)P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流(IIL)。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0
23、/T2)和时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX)，具体如下表所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。 引脚号第二功能 P1.0 T2(定时器/计数器T2的外部计数输入)，时钟输出 P1.1 T2EX(定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制) P1.5 MOSI(在系统编程用) P1.6 MISO（在系统编程用) P1.7 SCK(在系统编程用) (3)P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻
24、的原因，将输出电流(IIL)。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行MOVX DPTR)时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址(如MOVX RI)访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。 (4)P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流(IIL)。 P3口亦作为
25、AT89S52特殊功能(第二功能)使用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。端口引脚 第二功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 INTO(外中断0)P3.3 INT1(外中断1)P3.4 TO(定时/计数器0)P3.5 T1(定时/计数器1)P3.6 WR(外部数据存储器写选通)P3.7 RD(外部数据存储器读选通)此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。(5)RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。(6)ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE
26、(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。如有必要，可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。(7)PSEN程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取
27、指令(或数据)时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。(8)EA/VPP外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H-FFFFH)，EA端必须保持低电平(接地)。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平(接Vcc端)，CPU则执行内部程序存储器的指令。FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。3.2 选择温度传感器 3.2.1 DS18B20的简单介绍(1)最新单总线数字温度传感器DS18B20是一种新型
28、的“一线器件”，其体积更小、更适用于多种场合、且适用电压更宽、更经济。DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。温度测量范围为-55+125，可编程为9位12位转换精度，测温分辨率可达0.0625摄氏度，分辨率设定参数以及用户设定的报警温度存储在EEPROM 中，掉电后依然保存。被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可以在远端引入，也可以采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。因此用它来组
29、成一个测温系统，线路简单。一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。(2)DALLAS半导体公司提供了先进的数字式温度计DS1820系列。该系列采用了不同的原理，利用温敏振荡器的频率随温度变化的关系，通过对振荡周期的计数来实现温度测量。输出值是数字信号，所以不必使用A/D转换器和相关的接口芯片，直接送入单片机进行数字处理，为了扩大测温范围和提高分辨率，使用了低温系数振荡器和一个高温系数振荡器分别进行计数，并采用了非线性累加器来改善线性。其中DS18B20是常用的温度传感器，它采用一根I/O数据线传输数据和命令，售价低廉，是DS1820的改进型产品。现在，新一代的“DS1820”体积更小
30、、更经济、更灵活。使你可以充分发挥“一线总线”的长处。由于DS18B20将温度传感器、信号放大调理、A/D转换、接口全部集成于一芯片，与单片机连接简单、方便，与AD590相比是更新一代的温度传感器，所以温度传感器采用DS18B20。3.2.2 单总线技术DS18B20与单片机是单总线连接方式，在此介绍一下这种总线及其应用情况。单总线及相应的芯片是美国DALLAS半导体公司近年推出的新技术，是只有一个总线命令者和一个或多个从者组成的计算机应用系统。它只定义了一根信号线，总线上的每个器件都能够在合适的时间驱动它，相当于把单片机的地址线、数据线、控制线合为一根信号线对外进行数据交换。为了区分这些芯片
31、，厂家在生产每个芯片时，都编制了惟一的序列号，通过寻址就能把芯片识别出来。这样做能使这些器件挂在一根信号线上进行串行分时数据交换，大大简化了硬件电路。厂家对每个芯片用激光刻录的一个64位二进制ROM代码。从最低位开始，前8位是族码，表示产品的分类编号；接着的48位是一个惟一的序列号；最后8位是前56位的CRC校验码。CRC(Cyclic Redundancy Check)称为冗余码检测，是数据通信中校验数据传输是否正确的一种方法。在使用时，总线命令者读入ROM中64位二进制码后，将前56位按CRC多项式计算出CRC值，然后与ROM中高8位的CRC值比较，若相同则表明数据传送正确，否则要求重传。
32、48位序列号是一个15位的十进制编码，这么长的编码完全可以为每个芯片编制出全世界唯一的号码，也称之为身份证号，可以被寻址识别出来。此外，芯片内还含有收、发控制和电源存储电路，其示意图如图3-2所示 图3-2 单总线芯片的入口示意图系统按单总线协议规定的时序和信号波形进行初始化、识别器件和进行数据交换。单总线系统中配置的各种器件由美国DALLAS半导体公司提供的专用芯片来实现。这些芯片采用CMOS技术，耗电量都很小，从单总线上“偷”一点电（空闲时几pw,工作时几mw）存在芯片内电容中就可以正常工作了，故一般不用另附电源。单总线上通常处于高电位（5V左右），每个器件都能在需要时驱动它。因此，挂在总线上的每个器件必须是漏极开路或者是三态输出，这样，不工作时不会给总线增加功耗。单总线技术作用距离在单片机直接驱动下可达200m，经扩展可达1000m，允许挂上百个器件，能满足一般测控系统的要求。单总线的数据传输有两种模式，通常以1
