干式变压器温度控制系统设计 .docx

重庆大学网络教育学院 毕业设计（论文）题目填写黑体三号字题目 干式变压器温度控制系统设计 空白处填写楷体小三号字学生所在校外学习中心 批次 层次 专业 学 号 学 生 指 导 教 师 起 止 日 期 摘 要本文所设计的温度检测和保护系统具有高度的自动化和智能化。使用了C8051F206单片机作为温度检测和保护的微控制器，采用铂金属传感器Pt100，将其预埋在低压绕组最热处，可自动监测并巡回显示三相绕组各自的工作温度。变压器负载增大，运行温度上升，当绕组温度达某一数值(此值可调，对F级绝缘干式变压器一般整定为110) 时， 系统自动启动风机冷却；当绕组温度降低至某一数值(此值也可调，对F级绝缘干变一般整定在90)时，系统自动停止风机。当变压器绕组温度继续升高，若达到某一高温度值(此值也可根据工程设计调整，通常整定在F级绝缘所标称温度155)时，系统输出超温报警信号；若温度继续上升达某值(此值也可按工程设计调整，通常整定在170)，变压器已不能继续运行，须向二次保护回路输送超温跳闸信号，应使变压器迅即跳闸。关键词： 温度检测； 干式变压器；单片机1目 录中文摘要11.绪论31.1研究背景31.2国内外研究现状31.2本文的主要内容及思路32.温度检测和保护系统的设计32.1微处理器的选择和使用32.1.1C8051F206单片机的特点32.2温度检测模块的设计42.3保护控制模块的设计62.4电源模块的设计73.系统软件的设计73.1基本功能73.2程序流程7绪论8参考文献91绪论1.1研究背景在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与发达国家相比，存在较大差距。我国温度测量控制现状还远远没有达到工厂化的程度，生产实际中仍然有许多问题困扰着我们，存在着装备配套能力差，产业化程度低，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。在今后的温控系统的研究中会趋于智能化，集成化，系统的各项性能指标更准确，更加稳定可靠。应用领域非常的广泛，冷冻库，粮仓，储罐，电信机房，电力机房，电缆线槽等测温和控制领域。轴瓦，缸体，纺机，空调等狭小空间工业设备测温和控制。汽车空调，冰箱，冷柜以及中低温干燥箱等。太阳能供热，制冷管道热量计量，中央空调分户热能计量等。1.2国内外研究现状国外对温度控制技术研究较早，先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温度测控技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。我国对于温度测控技术的研究较晚，始于20世纪80年代。在吸收发达国家温度测控技术的基础上，才掌握了温度室内微机控制技术，该技术仅限于对温度的单项环境因子的控制。我国温度测控设施计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。1.3本文的主要内容和思路本文的主要研究思路为掌握系统总体设计的流程，方案的论证，选择，实施与完善。通过对干式变压器温度控制系统的设计、制作、了解信息采集测试、控制的全过程，提高在电子工程设计和实际操作方面的综合能力，初步培养在完成工程项目中所应具备的基本素质和要求。培养研发能力，通过对电子电路的设计，初步掌握在给定条件和要求的情况下，如何达到以最经济实用的方法、巧妙合理地去设计工程系统中的某一部分电路，并将其连接到系统中去。提高查阅资料、语言表达能力和理论联系实际的技能。2温度检测和保护系统的设计2.1微处理器的选择和使用2.1.1C8051F206单片机的特点这里需要分两点进行讨论：一是5V的驱动器驱动3V输入；二是3V的输出驱动5V的外围电路。对于第一个问题，将一个5V的驱动器连接到3V的微处理器输入接口时，由于有电流输入内部ESD保护器件，可能导致器件损毁或减少使用寿命。但是本设计采用的C8051F206单片机内有耐5V电压的输入结构，故使用5V输出驱动3V输入端口不会对单片机的正常使用产生影响。第二个问题是微处理器的3V输出驱动5V外围电路的问题。本设计采用的C8051F206单片机输出的最高电压不能超过电源电压（2.7V-3.6V）。为了提供一个比微处理器电源电压高的驱动电压，可以将C8051F206单片机的端口输出方式设置为漏极开路，并在输出端接上一个上拉电阻到5V电源。上拉电阻的阻值大小有范围要求，阻值过小，0状态的电流功耗过大，降低了逻辑0时的噪声容限；阻值过大，对线路中的寄生电容充电时间过程变长，无法满足数据传输的时序要求。在满足数据传输的时序要求和可靠性的条件下，应尽可能选择较大的上拉电阻。C8051F206单片机具有一个内部振荡器和一个外部振荡器驱动电路，内部振荡器的精度差，当选定内部振荡器频率为2MHz时，实际振荡频率为1.6MHz到2.4MHz，故采用外部振荡器产生系统时钟。振荡器电路既是一个重要的干扰源，也是一个受干扰源，时钟的频率应该在满足系统要求的条件下，越低越好，这样可以提高系统的电磁兼容性能。最终确定的外部振荡器频率是2MHz。2.2温度检测模块的设计温度检测是本设计的最基本的部分，温度检测模块的精度决定着整个系统的精度，检测结果是温度检测和保护系统完成控制、报警等其他功能的基本依据，温度检测模块能否正常工作对整个系统起着决定性的作用。参照JB/T-7631-1994变压器用电阻温度计标准，确定对温度测量模块的性能指标有：精确的测量是本设计的前提。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。Pt100是一种稳定性和线性都比较好的铂丝热电阻传感器,可以工作在-200至650的范围。电阻式温度检测器（RTD,Resistance Temperature Detector)是一种物质材料作成的电阻,它会随温度的上升而改变电阻值,如果它随温度的上升而电阻值也跟著上升就称为正电阻系数,如果它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数。大部分电阻式温度检测器是以金属作成的,其中以白金(Pt)作成的电阻式温度检测器,最为稳定耐酸碱、不会变质最受工业界采用。将测得的电阻值代入t的表达式中就可以求出温度的准确值，从而减少了测量结果的非线性误差。Pt100热电阻一般有三种接线方式，且在原理上有所不同：二线制和三线制是用电桥法测量，最后给出的是温度值与模拟量输出值的关系；四线没有电桥，完全只是用恒流源发送，电压计测量，最后给出测量电阻值。连接导线的电阻和接触电阻会对Pt100铂电阻测温精度产生较大影响，铂电阻三线制或者四线制接线方式能有效消除这种影响。本设计采用使用恒流源的四线制接法，保证了极高的测量精度。根据设计要求，PT100热电阻温度传感器采用了四线制接法，传感器把温度的变化变换成电阻的变化。为了便于信号的传输、放大、处理和转换，需要把电阻阻值变化变换为电信号的变化。由于使用了四线制接法，采用电流源，把Pt100的电阻变化比例变换成电压变化。恒流源选用DH905，该恒流源芯片工作电压范围大，IH范围1µA200mA，电流连续可调。内部实现精密温度补偿，只需一只外接电阻，使用简便而稳定性指标很高，是目前广泛应用的恒流源器件产品。图2-2 对信号的处理方式考虑到要检测三个绕组的温度，温度检测电路是一个多通道的数据采集系统；此外，三路信号的类型和变化范围相同，需要做相同的放大和调理，可以共用放大和调理电路。模拟开关的选择主要考虑影响信号传输精度的开关电阻和泄露电流，因此要尽可能选择泄露电流和开关电阻小的模拟开关。根据通道树木最后确定模拟开关型号为8选一的模拟开关CD4051，两片模拟开关CD4051联用，构成差动配置方式。此外，本设计采用一个恒流源分时驱动不同传感器的方法，为了消除模拟开关导通电阻的影响，也需要一片CD4051。为了消除高频噪声的干扰，在测量放大器输入端加入电阻电容组成的一阶滤波电路。温度变化经过温度检测电路转换成电信号，即Pt100上的电压变化，但是此时的电压变化范围较小，为了充分利用单片机的ADC特性，需要将电压信号进行适当的放大和调理。从传感器到测量方法器需要多路模拟开关，多路模拟开关的配置方式有两种，一种为单端方式，此种方式应用在所有的输入信号相对于公共地测量上，且信号的电平显著大于出现于系统中的共模电压。此时测量放大器共模抑制能力没有发挥，但是系统可以得到最大通道数；另一种方式是差动配置，此种方式应用于各个输入信号有各自独立的参考点位，或者是应用在信号长线传输引起严重的共模干扰时。考虑到温度检测系统信号传输距离较远，并且传感器在变压器的安放位置不同，受到的电磁干扰不同，参考电位不同，这里选用差动配置方式，保持信号传输电路阻抗平衡，并且充分发挥测量放大器的高共模抑制能力。检测信号经过测量放大器后，输出的电压信号变化范围并不是从0开始的，为了充分发挥ADC的转换范围，提高测量精度，有必要把放大器输出的电压通过模拟加法器进行适当的降低，使送到ADC的电信号从0开始变化。根据公式U=RI，通过恒流源的输出电流将传感器Pt100的电阻变化转换成电压变化，再传输到测量放大器，从提高抗干扰能力和信噪比角度看，I取值越大越好；另一方面，传感器Pt100流过电流时，传感器要发热，根据W=RI2可知，电流越大，发热量越大，传感器自身发会影响测量精度，产生测量误差。从这个角度来说，I取值越小越好。工程上推荐的取值范围是0.5mA-2.0mA，考虑到便于和后面电路匹配，这里取I=1.0mA。恒流源HD905的电流调节电阻的计算公式为：RA1200/I（I单位为mA，RA为欧姆），确定电阻RA的电阻值是1200欧姆。2.3保护控制模块的设计在变压器绕组温度达到设定的110时，系统自动启动风机冷却；当绕组温度降低至90时，系统自动停止风机。单片机通过设置一个I/O输出接口，通过上拉电阻控制一个电磁继电器的动作来实现上述功能。当变压器绕组温度继续升高，若达到某一高温度值，通常整定155，系统输出超温报警信号；若温度继续上升达某值，通常整定在170，变压器已不能继续运行，须向二次保护回路输送超温跳闸信号，应使变压器迅即跳闸。报警部分可以是声光报警信号，同时也可以像远端控制中心发送信号；跳闸电路只需要输出跳闸信号即可。以上不是本设计讨论范围，只需预留出两个I/O输出接口即可。2.4电源模块的设计本设计使用的单片机电源电压为5V，测量放大器需要±15V电源输入。设计使用电容滤波器，LM7812与LM7912实现±15V输出，使用LM317稳压芯片，得到3.3V输出，通过从变压器一次侧接入变压器、整流桥获得输入电压。用lm78/lm79 系列三端稳压IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。此外LM317为三端可调输出正电压稳压器，在输出电压范围为1.2V到37V是能后提供超过1.5A的电流。此稳压器非常易于使用，只需要两个外部电阻来设置输出电压，此外还是用内部限流、热关断和安全工作区补偿使之基本能防止烧断保险丝。3系统软件的设计软件上，在单片机上实现多种功能，并保证控制精度，软件设计必须实现功能占CPU时间的分配上做到有主有次，既要保证完整性，又要保证实时性。温度控制器在软件上采用C51开发，用模块化结构。首先进行数据存储区的设置。标志位设置，接着是主程序，首先是主要初始化工作，如中断优先级，定时器设置及串行口中断设置等，其他的所有功能都是在中断服务程序中完成。3.1基本功能依次巡回测量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。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T4T3T2T1。其中，风机启动温度T2=110，可调范围±20；风机停止温度T1=90，可调范围±20；超温报警温度T3=155，可调范围±20；超温跳闸温度T4=170，可调范围±20）。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。3.2程序流程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，此后同时启动计数器和定时器，如图3-2所示。单片机对CD4051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。图3-2 EEPROM中调出T4、T3、T2、T1的温度值过程结 论本系统的设计采用了C8051F206单片机、使用铂金属的温度检测电路和保护控制电路，并将其应用到干式变压器温度检测和保护系统的实际设计应用中，给出了详细的系统硬件、软件的设计方法。完成了温度检测与控制模块，保护模块，电源模块的设计工作。通过本系统的设计工作，我深刻认识到了，将所学知识应用到实际中的重要性，很多书本上的知识，放到实际应用中，会遇到各种各样的问题，对一个系统设计的完善过程就是一个不断解决问题的过程。同时在此次系统的设计中，我还有很多需要完善的地方：单片机的外围电路搭建，本文只给出了设计思路，并没有落实到实际电路上；保护系统的设计只给出了控制信号，没有对保护机构进行设计；软件设计虽然给出了具体的设计思路，并没有进行代码话。以上这些都是我需要在以后的工作和学习中要不断完善和改进的。参考文献：1郭天祥.新概念51单片机C语言教程.北京：电子工业出版社,20092李建忠.单片机原理与应用.西安：西安电子科技大学出版社,20093阎实. 数字电子技术基础.北京：高等教育出版社,19834谭浩强. C语言程序设计(第三版).北京：清华大学出版社,20055陈杰,黄鸿.传感器监测与技术.北京：高等教育出版社,20026张红润,张亚凡,邓洪.传感器原理与应用.北京:清华大学出版社,20087童师白,华成英.模拟电子技术基础.北京:高等教育出版社,1980.8朱清慧,张凤蕊.proteus教程.北京:清华大学出版社,2008.10