配电变压器油温在线监测仪设计进行时(共28页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上辽 宁 工 业 大 学单片机原理及接口技术 课程设计（论文）题目： 配电变压器油温在线监测仪设计 院（系）： 电气工程学院 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间：2013.06.24-2013.07.12专心-专注-专业课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室： 学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目配电变压器油温在线监测仪设计课程设计（论文）任务该检测仪实时监测变压器的油温，温度检测范围1085，精度0.5，带有四组开关，用于变压器冷却系统的控制，超温跳闸等。设计任务：1. CPU最小系统设计（包括CPU选择，存储器，晶振电路，复位电路）2. 4组开关电路设计以及油温检测电路设计3. 声光报警电路设计4. 程序流程图设计及程序编写技术参数：1温度检测范围1085，精度0.5，带有四组开关2工作电源220V设计要求：1、分析系统功能，选择合适的单片机及传感器，模拟量检测电路设计等；2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图；3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件设计说明，详细阐述系统的工作过程，字数应在4000字以上。进度计划第1天 查阅收集资料第2天 总体设计方案的确定第3-4天 CPU最小系统设计第5天 4组开关电路设计以及油温检测电路设计第6天声光报警电路设计第7天 程序流程图设计第8天 软件编写与调试第9天 设计说明书完成第10天 答辩指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要为保证变电器的连续安全供电,变压器油必须保证在一定温度下进行运行。变压器的绝缘老化主要是由于温度、湿度、氧化和油中分解的劣化物质的影响所致。但老化的速度主要由温度决定,绝缘的工作温度愈高,化学反应进行的愈快,绝缘的机械强度和电气强度丧失的愈快,绝缘老化速度愈快，变压器使用年限也愈短。因此对变压器的油温进行实时采集及检查处理使其维持在一定的范围内对变压器的寿命有重要的意义。本装置采用设置温度上、下限的方法避免上述情况，并且在确定风机的启动温度时，采用实时比较的方法，以保证风机启动后油温可能达到的最高值不会超过规程规定的上限。同时采用MAX6675芯片的热电偶传感器以及89C51单片机为主体的电路对变压器进行随时监测，同时进行报警电路和人机接口电路的设计，以及用MC14543作为驱动电路的LED静态显示电路，最后结合软件编程对整个设计要求做出完整的处理，同时更好的完成设计任务。关键词：变压器；继电器；油温；启动温度目 录第1章 绪论1.1 配电变压器油温在线监测仪设计概况电作为一种清洁安全的能源在人类的日常生活中起着至关重要的作用，电力系统作为用户与发电厂之间的纽带，其作用不言而喻。而变压器更是电力系统中最为重要的一部分。因此，对配电变压器油温实时监测对能否为用户提供安全可靠的电能具有重要意义。变压器的绝缘老化，主要是由于温度、湿度、氧化和油中分解的劣化物质的影响所致。但老化的速度主要由温度决定，绝缘的工作温度愈高，化学反应进行的愈快，绝缘的机械强度和电气强度丧失的愈快，绝缘老化速度愈快，变压器使用年限也愈短。实际上绕组温度受负荷波动和气温变化的影响，变化范围很大。因此，对变压器的温度进行实时采集，使其维持在一定的范围内，对变压器的寿命有重要的意义。 温度监测系统有共同的特点：测量点多、环境复杂、布线分散、现场离监控室远等。若采用一般温度传感器采集温度信号，则需要设计信号调理电路、A/D 转换及相应的接口电路，才能把传感器输出的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理。由于各种因素会造成检测系统出现较大的偏差，加上检测环境复杂、测量点多、信号传输距离远及各种干扰的影响，会使检测系统的稳定性和可靠性下降。所以温度检测系统的设计应着重于两部分：温度传感器的选择和主控单元的设计。1.2 本文研究内容本次课程设计要求对配电变压器的油温进行实时监测，温度检测范围10 85，精度0.5。并设计四组开关，分别用于变压器冷却系统的控制，超温报警，超温跳闸等。在线监测变压器油温对早期诊断变压器故障十分重要，但是因变压器结构复杂，影响其安全运行的因素较多，使得在线监测的难度很大。油温测量过去一般是采用间接的模拟测量方法，准确性差，而且不及时。针对以上问题本文研究一种在线无损油温检测装置，应用于照明配电变压器上，其特征在于，包括：温度探头，包括磁性外壳及其内封装温度传感器，用于采集所述变压器的外部温度；温度补偿信号处理单元，包括采集单元、温度补偿处理器、通信单元、存储器，所述采集单元将所述温度探头采集温度进行模数转换，并提供给所述温度补偿处理器，所述温度补偿处理器将所述温度转化成对应变压器的油温，通过与所述存储器中温度范围比较，当测得的所述变压器油温超过上下限值，通过所述通信单元报警。本实用新型较传统变压器油温检测开孔改造相比，具有施工简易，无需停电，不影响变压器的性能等优点。硬件电路设计：1. CPU最小系统设计（包括CPU选择，存储器，晶振电路，复位电路）2. 4组开关电路设计以及油温检测电路设计3. 声光报警电路设计4. 软件设计（程序流程图设计和程序编写）第2章 CPU最小系统设计2.1 配电变压器油温在线监测仪设计总体设计方案温度信号经过温度传感器后，转换为微弱的电信号，经放大电路放大信号，再由A/D转换电路进行转换后由AT89C51 单片机进行分析，得到当前的温度值，并且形成显示码送给LED 显示模块，同时校验判据，形成控制信号送控制模块。功能按键有以下五项功能：启动风机、停止风机、显示当前定值、恢复运行以及选择定值。当上位机提出通信请求时，AT89C51 可以向上位机发送有关信息。图2.1为本课设的过程原理图。被 测环 境温 度传感器A/D转换电路89C51单片机LED显示声光报警功能键 盘图2.1 过程层原理框图2.2 CPU的选择本系统采用的AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。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，如图2.2所示。 图2.2 AT89C51芯片管脚图采用MCS-51系列这一款的单片机，应首先了解MCS-51的引脚，熟悉并牢记各引脚的功能， MCS-51系列中各种型号芯片的引脚是互相兼容的。单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口、中断系统和定时器/计时器等功能的结合在一起的微型计算机。制作工艺为HMOS的MCS-51的单片机都采用40只引脚的双列直插封装方式，40只引脚按其功能来分，可分为如下3类： 电源及时钟引脚：Vcc、Vss、XTAL1、XTAL2。电源引脚接入单片机的工作电源。Vcc接+5V电源，Vss接地。时钟引脚XTAL1、XTAL2外接晶体与片内的反相放大器构成了1个晶体振荡器，它为单片机提供了时钟控制信号。2个时钟引脚也可外接独立的晶体振荡器。XTAL1接外部的一个引脚。该引脚内部是一个反相放大器的输入端。这个反相放大器构成了片内振荡器。如果采用外接晶体振荡器时，此引脚接地。XTAL2接外部晶体的另一端，在该引脚内部接至内部反相放大器的输出端。若采用外部时钟振荡器，该引脚接受时钟振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。 控制引脚：、ALE、RESET（RST）。此类引脚提供控制信号，有的还具有复用功能。 RST/VPD引脚：RESET（RST）是复位信号输入端，高电平有效。当单片机运行时，在此引脚加上持续时间大于2个机器周期（24个振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。在单片机工作时，此引脚应为0.5V低电平。VPD为本引脚的第二功能，即备用电源的输入。当主电源发生故障，降低到某一规定值的低电平时，将+5V电源自动接入RST端，为内部RAM提供备用电源，以保证片内RAM的信息不丢失，从而使单片机在复位后能正常进行。 ALE/ 引脚：ALE引脚输出为地址锁存允许信号，当单片机上电正常工作后ALE引脚不断输出正脉冲信号。当单片机访问外部存储器时，ALE输出信号的负跳沿用于单片机发出的低8位地址经外部锁存器锁存的锁存控制信号。即使不访问外部锁存器，ALE端仍有正脉冲信号输出，此频率为时钟振荡器频率的1/6。 为该引脚的第二功能。在对片内EPROM型单片机编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端。 引脚：程序存储器允许输出控制端。在单片机访问外部程序存储器时，此引脚输出脉冲负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号。此引脚接外部程序存储器的OE（输出允许端）。 /VPP引脚：功能为片内程序存储器选择控制端。当引脚为高电平时，单片机访问片内程序存储器，但在PC值超过0FFFH时，即超出片内程序存储器的4KB地址范围时将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当引脚为低时，单片机只访问外部程序存储器，不论是否有内部程序存储器。 I/O口引脚：P0、P1、P2、P3，为四个8位I/O口的外部引脚。P0口、P1口、P2口、P3口是3个8位准双向的I/O口，各口线在片内均有固定的上拉电阻。当这3个准双向I/O口作输入口使用时，要向该口先写1，另外准双向口I/O口无高阻的“浮空”状态。2.3 数据存储器扩展RAM是用来存放各种数据的，MCS-51系列8位单片机内部有128BRAM存储器，CPU对内部RAM具有丰富的操作指令。但是，当单片机用于实时数据采集或处理大批量数据时，仅靠片内提供的RAM是远远不够的。此时，我们可以利用单片机的扩展功能，扩展外部数据存储器。常用的外部数据存储器有静态RAM（Static Random Access Memory）和动态RAM（Dynamic Random Access Memory）两种。前者读/写速度高，一般都是8位宽度，易于扩展，且大多数与相同容量的EPROM引脚兼容，有利于印刷板电路设计，使用方便；缺点是集成度低，成本高，功耗大。后者集成度高，成本低，功耗相对较低；缺点是需要增加一个刷新电路，附加另外的成本。当用8282作为地址锁存器时，它的STB可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。AT89C51单片机和静态数据存储器RAM 6116的接口电路图如下图2.3所示：MCS-51单片机扩展片外数据存储器的地址线也是由P0口和P2口提供的，因此最大寻址范围为64KB（0000HFFFFH）。图2.3 CPU与数据存储器的硬件原理图2.4 复位电路设计复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因此非常重要。单片机的复位都是靠外部复位电路来实现得，在时钟电路工作后，只要在单片机得RESET引脚上出现24个时钟脉冲（两个机器周期）以上的高电平，单片机就能实现复位。为了保证系统可复位，在设计复位电路时，一般使RESET引脚保持100ms以上的高电平，单片机便可以可靠地复位。当RESET从高电平变为低电平以后，单片机从0000H地址开始执行程序。在复位有效期间，ALE和PSEN引脚输出高点平。该设计采用的是按健电平复位电路，使用比较方便，在此复位电路中，干扰易串入复位端，在大多数情况下不会造成单片机的错误复位，但会引起内部某些寄存器错误复位。在RESET复位引脚上接一个去耦电容。在程序跑飞时，可以手动复位，按下按键后，使RESET端产生高电平，按键时间决定复位时间，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位。按键电平复位电路图如下图2.4所示：、图2.4复位电路2.5 时钟电路设计时钟电路用于产生单片机工作所需的时间信号。时钟信号可以有两种方式产生：内部时钟方式和外部时钟方式。89C51单片机内部有一个高增益反向放大器（及与非门的一个输入端编程为常有效时），用于构成片内振荡器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器，见下图。外接晶振时，C1和C2值通常选择为30pF左右；外接陶瓷谐振器时，C1和C2可稳定频率并对振荡频率有微调作用，振荡频率范围是0到24MHz。为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定可靠的工作，谐振器和电容应尽可能安装的与单片机芯片可靠。 图2.5 晶振电路2.6 CPU最小系统图 图2.6 CPU最小系统图第3章 输入输出接口电路设计3.1 配电变压器油温在线监测仪设计传感器的选择本课设要求该检测仪实时监测变压器的油温，温度检测范围1085，精度0.5，根据以上的性能要求，本课设选择热电偶温度传感器。热电偶温度传感器的原理是当有两种不同的导体和半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为TO，称为自由端(也称参考端)或冷端，则热电偶电路中就有电势差，热电偶温度传感器的特性：测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。本课设选择MAX6675芯片作为温度传感器，MAX6675冷端温度补偿、热电偶数字转换器可进行冷端温度补偿，并将K型热电偶信号转换成数字信号。3.2 配电变压器油温在线监测仪设计检测接口电路设计3.2.1 A/D转换器的选择MAX6675芯片采用小尺寸、8引脚封装。数据输出为12位分辨率、SPI兼容、只读格式。同时MAX6675芯片内部还具有A/D转换器的功能。其引脚图如图3.3所示。图3.3 MAX6675引脚图3.2.2 模拟量检测接口电路图图3.1 A/D 转换电路3.3 输出接口电路设计电路设计配电变压器油温在线监测仪设计输出接口的报警电路采用单片机I/O口外接二极管驱动蜂鸣器，发出报警信号，如图3.4所示。图3.4声光报警电路3.4 人机对话接口电路设计键盘分编码键盘和非编码键盘。键盘上闭合键的识别由专用的硬件编码器实现，并产生键编码号或键值的称为编码键盘，如计算机键盘。而靠软件编程来识别的称为非编码键盘；在单片机组成的各种系统中，用的最多的是非编码键盘。非编码键盘有分为：独立式按键和矩阵式键盘。使用时先将键盘借口初始化，即将P2.0P2.2全部置1，然后判断是否有键按下，若键盘输入端变为低电平，表明此键盘按下，在软件编程时，注意键盘消抖。由于本课设的按键数量不是很多，因此采取独立式按键的结构。独立式按键的电路图如图3.5所示。图3.5 独立式按键电路图LED显示器有静态显示和动态显示2种显示方式。静态显示电路中，各位可独立显示，只要在该位的段码线上保持段码电平，该位就能保持相应的显示字符。由于各位分别由1个8位的数据输出口控制段码线，故在同一时间里，每一位显示的字符可以不相同。这种显示方式虽然接口编程容易，但付出的代价是占用口线较多。若用I/O口线接口，则要占用4个8位I/O口，若用锁存器接口，则要用4片锁存器，如果显示的位数增多，则需要增加锁存器。因此在显示位较多的情况下，一般都采用动态显示方式。由于该设计中的使用的显示器少，因此该设计中采用的就是LED静态显示方式，原理如下：显示部分用4个数码管显示当前数据，数码管分别用4个MC14543驱动电路控制LED，MC14543为4线-7段译码/驱动电路，具有4位二进制锁存、BCD-7段译码和驱动功能，图3.6为该集成电路的引脚图。图3.7为89C51、MC14543和LED构成的LED静态显示电路图。图3.6 MC14543引脚图图3.7 89C51和MC14543构成的静态LED驱动接口电路第4章 配电变压器油温在线监测仪软件设计4.1 软件实现功能综述本次设计任务中软件要完成以下任务，设置系统检测的最低和最高温度，设置通过A/D转换器传送信号到89C51后进行读取、分析，编辑显示电路的显示程序和报警系统的报警程序以及查找报警点的程序设计，还要完成对风机的启停的控制程序和各种其他设备的控制程序以及油温采样、按键的识别和串行口通信等一系列的软件编程。4.2 流程图设计4.2.1 主程序流程图设计主程序流程图如图4 所示,在设计中用中断的方式完成油温的采样、按键的识别和串行口通信以及报警点的报警与查询等一系列操作。是否高于85度继电吸合是否高于91度报 警是否高于10度继电器断开不改变继电器当前状态 刷 新变量初始化A/D转换算术平均滤波得到相应温度单片机处理比较系统上电图4.1 主程序流程图4.2.2 模拟量检测流程图设计4.2.3 配电变压器油温在线监测仪设计流程图设计配电变压器油温在线监测仪设计流程图如图所示，在设计中用单片机接受经接口电路处理过的信号并由驱动电路去控制吹风机的启停控制以及温度控制等一系列的控制装置，同时单片机还要完成计算通讯和结果打印及预报警的功能。气体分离及信号转换变压器接口阀门控制控制温度控制接口缓冲单片CPU光电隔离及驱动控制装置主机算机通讯结果打印及预报警图4.2配电变压器油温在线监测仪设计流程图4.3 程序清单DIS：MOV A，R2 ；（R2）+（R3）+（R4）即得报警地点ADD A，R3 DA AADD A，R4DA AMOV R4，A ；把相加结果存放R4中MOV 21H，#00H ；置循环显示初值HDISP：MOV A，R4ANL A，#0F0HORL A，#07H ；选通高位数码管MOV P2，A ；送显高位ACALL DELAD2 ；延时MOV A，R4ANL A，#0FHSWAP AORL A，#0BH ；选通低位数码管MOV P2，A ；送显低位ACALL DELAD2 ；延时INC 21HMOV A，#0FHXRL A，21HJZ B1 ；循环显示完否SJMP HDISP ；未完继续B1：RET ；显示完返回ORG 0000HSTART：MOV P1，#0F0H ；关闭两片89C51MOV R3，#0D0H ；对第一片89C51送控制字MOV 20H，#02HM1：MOV A，R3ACALL READ ；调用读数子程序JZ N1ACALL M2 ；调用核对子程序N1：MOV A，R1INC AMOV R1，AACALL READJZ N2ACALL M2N2：MOV A，R1INC AMOV R1，AACALL READJZ N3ACALL M2N3：MOV A，R1INC AMOV R1，AACALL READJZ N4ACALL M2N4：MOV R3，#0B0H ；第二片89C51送控制字MOV A，02HDEC AJNZ M1SJMP START ；巡回检测READ：MOV P1，A ；送控制字CLR P1.4ORL P1，#0FHMOV A，P1 ；读数据SETB P1.4ANL A，#0FHRET ；子程序返回M2：MOV R0，ALCALL DELAD1MOV A，R1XRL A，R0 ；核对比较JNZ M22 ACALL TLTC ；调用查找报警点子程序M22：RETTLTC：MOV A，R1 ；查找报警点位于哪个口ANL A，#0FHMOV R7，AMOV R2，#00HL1：MOV A，R7JNZ L2MOV R2，#04HL2：MOV A，R7JNZ L3MOV R2，#08HL3：MOV A，R7XRL A，#03HMOV R2，#12HLL3：MOV A，R1 ；查找报警点在哪片89C51ANL A，#0F0HRLC AJC L4MOV R3，#16HL4：RLC AJC L5MOV R3，#00HL5：MOV A，R0 ；查找是哪个点报警RRC AMOV R0，AJNC L6MOV R4，#01HLCALL DISL6：MOV A，R0RRC AMOV R0，AJNC L7MOV R4，#02HLCALL DISL7：MOV A，R0RRC A MOV R0，AJNC L8MOV R4，#03HLCALL DISL8：MOV A，R0RRC AJNC L9MOV R4，#04HLCALL DISDIS：MOV A，R2 ；显示报警ADD A，R3DA AADD A，R4DA AMOV R4，AMOV 21H，#00HHDISP：MOV A，R4ANL A，#0F0HORL A，#07HMOV P2，AACALL DELAD2ANL A，#0FHSWAP AORL A，#0BHMOV P2，A ACALL DELAD5INC 21HMOV A，#0FFHJZ B1B1：RETDELAD1：MOV R5，#04H ；延时子程序1DELAD2：MOV R6，#0F0HDELAD3：MOV R7，#0F7HDELAD4：NOPNOPDJNZ R7，DELAD4DJNZ R6，DELAD3DJNZ R5，DELAD2DELAD5：MOV R5，#02H ；延时子程序2DELAD6：MOV R6，#0FFHDJNZ R6，$DJNZ R5，DELAD6RET第5章 系统设计与分析5.1 系统原理图图5.1系统原理图5.2 系统原理综述本次设计的配电变压器油温在线监测系统是实现对配电变压器油温的实时监控，当启动温度传感器时，测量变压器的油温，在变压器不同位置设置了2个温度检测点，将测量温度与给定值比较进行PID运算。系统装配有配有4个晶闸管输出控制点，可控制降温设备，当DXDL，即当前湿度低于设定的下限值时，降温器工作，进入降温阶段；当DXDL时，即当前温度高于设定的上限值时,断开可控硅，关闭降温器，停止降温，等待下一次的启动命令。在这两过程中继续对温度进行实时监测。温度检测范围1085，精度0.5。5.3 硬件仿真图5.4 软件调试结果第6章 课程设计总结通过对本课题的研究、分析和设计，我了解了配电变压器油温检测系统的工作原理，学会了利用数字、模拟电路知识设计系统装置的方法。在课程设计过程中，变压器油温是影响油浸式变压器安全稳定运行的一项重要因素。对变压器的温度进行实时采集，使其维持在一定的范围内，对变压器的寿命有重要的意义。因为，变压器的绝缘老化，主要是由于温度、湿度、氧化和油中分解的劣化物质的影响所致。但老化的速度主要由温度决定，绝缘的工作温度愈高，化学反应进行的愈快，老化的速度也就越快。 温度监测系统有共同的特点：测量点多、环境复杂、布线分散、现场离监控室远等。若采用一般温度传感器采集温度信号，则需要设计信号调理电路、A/D 转换及相应的接口电路，才能把传感器输出的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理。由于各种因素会造成检测系统出现较大的偏差，加上检测环境复杂、测量点多、信号传输距离远及各种干扰的影响，会使检测系统的稳定性和可靠性下降。所以温度检测系统的设计应着重于两部分：温度传感器的选择和主控单元的设计。文中针对以上问题，提出了采用数字温度芯片MAX6675测量温度，输出信号全数字化。作为变压器油温测量的传感器，89C51单片机为核心处理器件，实现对变压器油温测量，采用光纤实现与上位机之间的通信，实时的监测变压器油温。该电力变压器油温测量系统代替直接输入变压器温度控制器去控制电力变压器冷却系统，具有方便实时在线检测、集中控制等特点综合运用了电路分析，protel软件画图等方面的知识，并通过单片机汇编语言对系统进行了软件设计。从而真正地将所学知识运用于实践，不仅加强了对所学知识的理解和巩固，而且极大地提高了自己的设计思维能力和动手操作能力，增强了开拓创新的能力。参考文献1 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