智能变压器温度控制器的设计资料.docx
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智能变压器温度控制器的设计资料
摘要
电力变压器是电力系统中的重要设备。
当内部发生故障时,表现为三个线包温度升高。
为了保护变压器,保障供电系统的安全,可靠运行,需要对变压器的三个线包温度进行监控,高压时报警,超温时跳闸。
智能变压器温度控制器是以8位单片机AT89C51为核心,采用四个PT100传感器,并将其直接插入变压器线组包,对三相温度进行测量和控制,同时对环境温度进行测量和控制。
最后将三相绕组温度转换成2-20mA变送信号输出。
当风机有故障时,控制器还可以发出故障报警信号和保护信号,以确保变压器和其他设备的安全运行。
AT89C51是在MCS-51单片机的基础上精心设计的最新型的高性能八位单片机。
AT89C51是一种低损耗,高性能,CMOS八位微处理器,片内有4K字节的在线可重复编程快擦快写程度存储器。
能重复写入/擦除1000万次,数据保存时间为十年。
它的通信为串行通信,采用标准的RS-485接口技术。
RS-485采用平衡式发送,差分式接收的数据收发器来驱动总线。
相对于RS-232来讲,RS-485总线标准具有很多优点:
支持多节点,远距离和接收高灵敏度等。
本文主要讲述此种智能控制器的设计原理,工作流程,主程序以及RS-485的通信协议等。
关键词:
温度控制,温度检测,AT89C51,RS-485标准总线
ABSTRACT
Electricpowertransformerisanimportantequipmentintheelectricpowersystem.Whenhavingtroubles,itshowsthatthetemperatureofthetransformer,ensurethepowersupply'ssafe,andcredibilityprocessing,itneedscontrolthetransformer'sthreepointstemperature.Whenhightemperature,giveaslip.Theaptitudetransformerandtemperaturecontroller'shardcoreisthesignalchipAT89C51whichis8-bit,usefoursensorsPT100,andputthesensorsintothetransformer'slinegroups,tocontrolandmeasurethethreepointstemperatureandtheenvironmenttemperature.Atlastitwillbeoutwithakindoftransformationsignal,whichisfrom4mvto20mv.Whenfanshavemalfunctions,controllercangivetroublealarmsignalsandprotectsignals,toensuretransformandotherequipment'ssafelyworking.AT89C51isaSCM,whichisshort-wastage,high-powered.AT98C51havea4K-byteextentmemorizer,whichcanwriteagaininline,canlaseredquickly,andwriteorerasure1000times.Itcanstoredatetenyears.ThecommunicationofthiscontrollerisserialandRS-485interfacetechnical.RS-485usethetransceiver,whichisbalancesentanddifferencereceive.ComparedwithRS-232,RS-485hasmanyadvantages.Suchassustainingmanynodes(32nodes),longdistanceandincepthigherdelicacy,andsoon.Thispaperwillintroducethedesignprinciple,workingprecessorandcommunicateagreementofRS-485.
KEYWOEDS:
temperaturecontrolling,temperaturetesting,AT98C51,RS-485standardcriterionbus
第1章绪论
1.1研究背景
电力变压器是电力系统中重要的一次设备,在发、供电企业和用电单位之间起着桥梁作用。
变压器在能量的传输和转换过程中,由于个线圈电流的流动和电磁场的存在会产生电能损耗,消耗一部分电能,这部分损耗主要转化为热能,以传导、对流和热辐射的散热方式自发热点向外传递,最终扩散到大气中。
这些热能传递在过程中会引起变压器各部位温度不同程度的升高,电力变压器温度与其自身容量、损耗参数、冷却方式、负载大小以及运行环境等密切相关。
变压器智能化温度控制器由传感器、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。
[1]
1.2系统概述
此智能温度控制器是一台智能化自动化于一体的性能稳定的温度控制器。
是利用先进的单片机(89C51)进行温度测量和控制的装置。
主要用于变压器、电力开关柜、箱式变电站等设备的温度及防过热保护,保护电力设备无人值守时完全可靠运行。
有效地解决了过热及故障问题,保障设备安全运行,避免意外事故发生,节约人工成本,符合自动化的发展趋势。
智能变压器温度控制器以先进的单片机为控制核心。
采用pt100铂热电阻温度传感器,并将其直接插入变压器绕组线包,对其三相温度和环境温度进行测量和控制,并实现循环数字显示变压器三相绕组温度及最高温度显示,同时输出温度模拟信号(4~20mA),若传感器断线或短路,控制器将发出传感器故障报警信号,该控制器具备手动开风机及0~255小时定时开风机功能,当变压器跳闸时,具备存储跳闸时的温度的功能,具有RS-485通讯功能,通过MAX3082转换器转化TTL电频信号与RS-485总线电频信号,实现与上位机PC机的交换。
1.3论文完成的工作
(1)技术方案及技术路径设计;
(2)硬件原理图、PCB设计;
(3)制作及调试;
(4)嵌入式软件编程及调试。
第2章智能控制器的硬件设计
控制器以先进的单片机为控制核心,采用Pt100铂电阻温度传感器,并将其直接插入变压器绕组线包,对三相温度进行测量和控制,同时也对环境温度进行测量和控制,并实现循环数字显示变压器三相绕组温度和一路环境温度。
还可通过按键对环境温度进行上下限值设定,对变压器三相温度统一进行4个温度(风机停温度T1、风机启动温度T2、报警温度T3和跳闸温度T4)设置和显示,并带有掉电存贮功能。
当风机故障时,控制器还可发出故障报警信号保护信号,以确保变压器和其它设备的安全运行。
对三相绕组温度测量带4-20mA模拟量输出,可直接送入计算机实现实时监控,可手动启动和停止风机,可255小时定时开风机,可保存变压器断电时的三相温度值(温度低于80℃不刷新记录),可检测传感器断线和短路并发出报警信号。
具有RS-485通信功能。
2.1智能控制器的功能及工作原理
2.1.1功能
温度控制装置是电力系统必不可少的。
智能控制器以AT89C51为核心,是一种先进的温度控制器,它有以下功能:
(1)具有三相线包温度的巡回显示和最高温度显示切换功能。
(2)可以根据设定的开、关风机温度自动控制风机的开启和关闭,保证变压器在正常温度下安全的工作。
当三相线包温度中的最高一相温度超过开风机的设定温度或在手动风机的情况下,风机会开启,同时面板上“风机”指示灯点亮,反之指示灯灭。
(3)具有超温报警,跳闸以及故障显示功能。
传感器故障时面板上“故障”指示灯会亮,会发出蜂鸣声报警,并通过电源板“故障”输出端输出一个开关信号给远距离控制箱控制声光报警。
(a)指示灯不同颜色代表不同的含义:
黄色——A相绿色——B相红色——C相不亮——故障
(b)通过温度显示区显示代码不同,来判断传感器为短路或开路故障;显示区显示:
H——开路L——短路
(c)传感器一相或两相故障时,只根据好的传感器温度控制信号控制风机,三相都故障时立即打开风机。
[2]
2.1.2工作原理
变压器温度控制器,带有四路温度传感器,后三路测量并控制变压器三相绕组温度,第一路测量并控制环境温度。
对变压器三相绕组温度,采用综合控制的方法,用户可通过键盘设置4级温度门限:
T1:
风机停温度
T2:
风机启动温度
T3:
超温报警温度
T4:
超高温跳闸温度
后三路温度传感器分别插入变压器三相绕组线包,随时采集线包的温度变化信号,将其分别转换为DC4-20mA标准电流信号输出,同时将传感器采集的信号经前级电路处理后进行A/D转换,然后送入单片机,单片机将其转换为对应的温度值后,送数码管循环显示,将最大值Tmax逐次与设定的4个温度门限值进行比较:
1 当Tmax<T1时,即三相温度均低于风机停温度T1,风机停止工作。
2 当Tmax>T2时,即三相温度至少有一相高于风机启动温度T2,风机同时启动降温。
3 当Tmax>T3时,即变压器温度未降下来,且已高于超温报警温度T3,此时,超温报警常开触点闭合,若接有警铃和指示灯,则可发出声光超温报警信号,值班人员应检查负载或设备有何异常。
4 当Tmax>T4时,即变压器温度已高于超高温T4,也就是说当负载或设备发生严重故障时,控制器立即发出跳闸信号,强制停电检修。
第一路温度传感器采集到的温度同样经前级电路处理后进行A/D转换,然后送入单片机,单片机将其转换为对应的温度值后,送数码管循环显示,并可通过按键设置温度上下限值,若环境温度大于设定的上限值时,控制器自动驱动风机工作,降低环境温度,当环境温度低于设定下限值时,风机1停止工作。
另外,控制器还具有风机故障检测功能:
当风机断线时,故障触点闭合,若接有指示灯,则指示灯发出报警信号。
2.1.3技术条件
●电源:
AC220V50Hz/60Hz
●工作环境:
温度-40~+85℃相对湿度5~95%RH
●测控范围:
0~200℃
●输出电流:
4-20mADC
●控制精度:
±2%
●显示方法:
五位LED数码管,其中一位相序显示,三位半温度显示
●最大功耗:
10W
●外形尺寸:
160×80×138
●开孔尺寸:
154×77
2.2智能控制器的工作原理图分析
工作原理框图2-1
图2-1原理框图
2.2.1核心部分(AT89C51)
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
[3]
(1)主要特性
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
•寿命:
1000写/擦循环数据保留时间:
10年
·全静态工作:
0Hz-24Hz
·三级程序存储器锁定
·128*8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
(2)管脚说明
VCC:
供电电压
GND:
接地
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如表2-1所示:
表2-1P3口功能表
口管脚
备选功能
P3.0
RXD(串行输入口)
P3.1
TXD(串行输出口)
P3.2
(外部中断0)
P3.3
(外部中断1)
P3.4
T0(记时器0外部输入)
P3.5
T1(记时器1外部输入)
P3.6
(外部数据存储器写选通)
P3.7
(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
[4]
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次
有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/VPP:
当
保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,
将内部锁定为RESET;当
端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
(3)振荡器特性
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
(4)芯片擦除
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。
此外,AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下,CPU停止工作。
但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。
[5]
图2-2AT89C51引脚
2.2.2看门狗及掉电保护
控制器在运行时,通常都会遇到各种各样的现场干扰,抗干扰能力是衡量工控系统性能的一个重要指标。
看门狗(Watchdog)电路是自行监测系统运行的重要保证,几乎所有的工控系统都包含看门狗电路。
在8096系列单片机和增强型8051系列单片机中,该系统已经做在芯片内部,用户只要用软件开放它就可以,使用很方便。
但目前工控系统仍在使用廉价的普通型8051系列单片机,则看门狗电路必须由用户自己建立。
看门狗电路一般有软件看门狗和硬件看门狗两种。
软件看门狗不需外接硬件电路,但系统需要出让一个定时器资源,这在许多系统中很难办到,而且若系统软件运行不正常,可能导致看门狗系统也瘫痪。
硬件看门狗是真正意义上的“程序运行监视器”,如计数型的看门狗电路通常由555多谐振荡器、计数器以及一些电阻、电容等组成,分立元件组成的系统电路较为复杂,运行不够可靠。
[6]
(1)X25045芯片简介
X25045是美国Xicor公司的生产的标准化8脚集成电路,它将EEPROM、看门狗定时器、电压监控三种功能组合在单个芯片之内,大大简化了硬件设计,提高了系统的可靠性,减少了对印制电路板的空间要求,降低了成本和系统功耗,是一种理想的单片机外围芯片。
X25045引脚如图2-3所示。
图2-3X25045引脚
其引脚功能如下:
CS:
片选择输入;
SO:
串行输出,数据由此引脚逐位输出;
SI:
串行输入,数据或命令由此引脚逐位写入X25045;
SCK:
串行时钟输入,其上升沿将数据或命令写入,下降沿将数据输出;
WP:
写保护输入,当它低电平时,写操作被禁止;
Vss:
地;
Vcc:
电源电压;
RESET:
复位输出。
(2)X25043/45工作原理
通过SI输入的数据在
变为低电平后的SCK第一个上升沿被采样,数据由SCK的下降沿输出到S0线上。
在整个工作期间,
必须是低电平且WP必须是高电平。
X25043/45具有监视总线功能,在预置的时间周期内没有总线活动,
/RESET输出。
X25045在读写操作之前,需要先向它发出指令,指令名及指令格式如表2-2所示。
表2-2X25045指令及其含义
指令名
指令格式
操作
WREN
00000110
设置写使能锁存器(允许写操作)
WRDI
00000100
复位写使能锁存器(禁止写操作)
RDSR
00000101
读状态寄存器
WRSR
00000001
写状态寄存器
READ
0000A8011
把开始于所选地址的存储器中的数据读出
WRITE
0000A8010
把数据写入开始于所选地址的存储器
(3)X25045看门狗电路设计及编程
X25045硬件连接图如图2-4所示。
X25045芯片内包含有一个看门狗定时器,可通过软件预置系统的监控时间。
在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动,则X25045将从RESET输出一个高电平信号,经过微分电路C2、R3输出一个正脉冲,使CPU复位。
图2电路中,CPU的复位信号共有3个:
上电复位(C1、R2),人工复位(S、R1、R2)和Watchdog复位(C2、R3),通过或门综合后加到RESET端。
C2、R3的时间常数不必太大,有数百微秒即可,因为这时CPU的振荡器已经在工作。
图2-4X25045看门狗电路硬件连接
看门狗定时器的预置时间是通过X25045的状态寄存器的相应位来设定的。
如表2-3所示,X25045状态寄存器共有6位有含义,其中WD1、WD0和看门狗电路有关,其余位和EEPROM的工作设置有关。
表2-3X25045状态寄存器
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
X
X
WD1
WD0
BL1
BL0
WEL
WIP
WD1=0,WD0=0,预置时间为1.4s;
WD1=0,WD0=1,预置时间为0.6s;
WD1=1,WD0=0,预置时间为0.2s;
WD1=1,WD0=1,禁止看门狗工作。
看门狗电路的定时时间长短可由具体应用程序的循环周期决定,通常比系统正常工作时最大循环周期的时间略长。
编程时,可在合适的地方加一条喂狗指令,使看门狗的定时时间永远达不到预置时间,系统就不会复位而正常工作。
当系统跑飞,陷入软件陷阱等,而别的方法无法捕捉会程序时,则看门狗定时时间很快增长到预置时间则系统自动复位。
2.2.3测温部分
精确的测量是控温的前提。
由于铂温度传感器测温精确度高、稳定性好,有较大的测量范围,易于使用在自动测量和远距离测量中。
本设计采用的是PT100铂热电阻传感器,测量范围是-200~650
C,测温精确度达到0.5%FS。
其电阻特性方程如下:
-200~0
C时,Rt=R0[1+At+Bt2+Ct3(t-100)](2-1)0~650
C时Rt=R0(1+At+Bt2)(2-2)
式中A=3.90802
10-3K
C,B=-5.802
10-7
C,C=-4.237
10-12
C
但在通常的测量中,电阻温度的关系一般用近似的线形表示,在外接引线较长时,为减少误差常采用三线式电桥连接法或四线电阻测量电路。
四个PT100分别埋在变压器的三相绕组或挂在室内,把检测到的温度信号转换为D(4-20mA的标准电流信号)经过集成运算放大器LM324和DP07转换等前级处理,通过A/D转换器TLC0843转换为数字信号,最后送单片机进行处理。
TLC0834是TI公司生产的八位逐次逼近模数转换器,具有输入可配置的多通道多路器和串行输入方式。
文中以AT89C51CPU为核心,采用LTC0834八位串行A/D转换器设计了一个可将模拟信号转换为数字信号的电路。
关键词:
单片机A/D转换器TLC0834单片机控制系统通常要用到A/D转换。
根据输出的信号格式,比较常用的A/D转换方式可分为并行A/D和串行A/D。
并行方式一般在转换后可直接接收,但芯片的引脚比较多;串行方式所用芯片引脚少,封装小,在PCB板上占用的空间也小,但需要软件处理才能得到所需要的数据。
[7]
图2-5TLC0834引脚
TLC0834的引脚排列如图2-5所示,其
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