配电变压器油温检测系统设计.docx
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配电变压器油温检测系统设计
本科毕业设计论文
题目配电变压器油温检测系统设计
专业名称
学生姓名
指导教师
毕业时间
设计
论文
毕业任务书
一、题目
配电变压器油温检测系统设计
二、指导思想和目的要求
(1)掌握运用所学理论知识分析解决工程实际问题的一般方法;
(2)培养分析问题、解决问题和独立工作的能力;
(3)通过毕业实习、毕业设计及毕业答辩全过程的训练,加强老师与学生之间、学生与学生之间知识的相互交流,互相渗透,培养学术研讨的好学风;
(4)要求同学们以满腔的热情、科学的态度,严谨的作风、高度的责任感从事毕业设计工作;不得敷衍了事、马马虎虎、得过且过;提倡周密思考、大胆创新,反对死搬硬套、墨守陈规;提倡共同研究,反对相互抄袭;
(5)要求遵守学校的各项规章制度,确保毕业设计顺利地、高质量地完成。
三、主要技术指标
油温是影响配电变压器安全稳定运行的一项重要指标。
由于变压器油温随着所带负荷以及环境温度的变化而变化,需要通过实时监视油温控制变压器冷却设备的启停,以保护变压器设备运行在规定范围以内。
(1)通过对自动检测技术的了解,选择本设计采用的方案;
(2)根据方案确定选用的CPU,并完成相关系统设计;
(3)油温监测传感器的选择及接口电路设计;
(4)报警电路设计;
(5)系统的软件设计。
四、进度和要求
(1)第1-3周收集资料,根据需要学习相关的背景知识及硬软件;
(2)第4周进行系统概要设计,提出设计的总体思想;
(3)第5周,初步确定设计方案;
(4)第6-12周,完成系统硬、软件的设计,针对设计中存在的缺点和不足,不断完善设计方案;
(5)第13-14周,撰写并修改论文;
(6)第15周,完成论文,准备答辩资料。
五、主要参考书及参考资料
单片机应用相关资料;自动检测技术相关资料;油浸式配电变压器相关资料。
本页不够可以续页
学生刘治指导教师王卫军系主任史仪凯
摘要
随着社会和科技的高速发展电力系统网络的安全变得尤为重要,变压器是电力系统高低压转换的重要元件,而油浸式变压器的应用最为广泛,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。
2000年以来,由于受到城乡电网改造的拉动,中国配电变压器行业保持了迅猛的发展势头,有数据表明:
2010年中国配电变压器制造业的产量比2008年同比增长18.84%。
所以,配电变压器得到了广泛应用,而油浸式配电变压器作为配电变压器的“主力军”,油温是影响其能否安全稳定运行的一项重要指标。
由于变压器油温随所带负荷和环境温度的变化而变化,所以对配电变压器油温的监测显得十分必要,假如油温长期过高而不能采取措施及时降下来的话,绝缘材料会加速老化,绝缘等级降低,影响变压器的使用寿命,严重的还会引起内部短路、燃烧等电器故障。
本设计便是针对这一现象,通过对油温的实时监测并及时采取措施,从而降低由于油温过高而引发的灾害。
关键词:
配电变压器,单片机,温度监控
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofsocietyandscienceandtechnologyofpowersystemnetworksecurityhasbecomeparticularlyimportant,thetransformerisoneoftheimportantcomponents,highandlowvoltagepowersystemtransformationandthemostwidelyusedoil-immersedtransformer,transformeroiltemperatureinfluencethesafeandstableoperationofoil-immersedtransformerisanimportantfactor.
Since2000,duetourbanandruralpowergridrenovation,maintainedthemomentumofrapiddevelopmentofdistributiontransformerindustryinChina,therearedatashowthatin2010Chinadistributiontransformermanufacturingoutputin2008Chinadistributiontransformermanufacturingoutputgrewby18.84%yearonyear.So,distributiontransformerhasbeenwidelyapplied,andoil-immerseddistributiontransformerasthe"mainforce"ofdistributiontransformer,theoiltemperatureiscanaffectthesafeandstableoperationofanimportantindicator.Duetothetransformeroiltemperaturevarieswiththeloadandthechangeofenvironmentaltemperaturechanges,sothedistributiontransformeroiltemperaturemonitoringisnecessary,iftheoiltemperatureistoohighforalongtimetotakemeasuresintimetocomedown,insulationmaterialswillaccelerateageing,insulationclassisreduced,affecttheservicelifeofthetransformer,seriousstillcancauseinternalshortcircuitandburningelectricalfailure.Thisdesignisaimedatthisphenomenon,throughthereal-timemonitoringoftheoiltemperatureandtaketimelymeasures,soastoreducethedisasterscausedbytheoiltemperatureistoohigh.
KEYWORDS:
distributiontransformer,singlechipmicrocomputer,temperaturemonitoringandcontrol
摘要I
ABSTRACTII
目录IV
第一章绪论6
1.1课题背景6
1.2配电变压器油温检测系统设计的意义6
1.3配电变压器油温检测系统的功能7
1.4本文主要研究内容7
第二章系统方案9
2.1系统基本方案9
2.2主要模块电路的方案选择及确定9
2.2.1温度采集模块9
2.2.2显示电路模块10
2.2.3报警模块10
2.3系统各模块的最终方案11
第三章硬件系统设计12
3.1电源模块12
3.2微控制器13
3.2.1主要特性13
3.2.2管脚功能13
3.3晶振电路16
3.4复位电路17
3.5时钟电路18
3.6数据存储器扩展18
3.7温度采集模块19
3.8报警模块20
3.9显示模块20
3.10通讯模块22
3.11硬件系统图23
第四章配电变压器油温检测软件设计24
4.1系统软件思路及编程语言的选择24
4.1.1C语言24
4.1.2汇编语言25
4.2软件编程整体流程图25
4.3软件验证26
第五章总结27
参考文献28
致谢29
附录A硬件系统图30
附录B程序清单31
第一章绪论
1.1课题背景
在现代化的工业生产中,电流、电压、温度、压力等都是常用的主要被控参数。
例如:
在电力工程、冶金工业、造纸行业等诸多领域中,人们都需要对各类加热炉、锅炉中的温度进行检测和控制。
如果由于温度过限而没有及时采取控制措施,那么将可能导致设备毁坏、火灾等严重后果。
可见对温度的控制是一项比较重要的工作。
随着微电子技术、计算机技术和通信技术的不断飞速发展,我国在工业上使用的温度控制技术更新越来越快,旧的控制不断被新的、性能更可靠、功能更强大、使用更方便的控制方法取代。
广泛地应用在各行业中,由于环境和设备内温度的集中监控和管理,是一套可无人值所24小时不间断实时监控记录的自动化监测系统。
系统能对大面积的多点的温湿度进行监测记录,并将温湿度数据实时传输到上位机,利用系统监测软件进行数据存储与分析,在设备异常情况下实现现场电话报警、手机短信息报警、网络客户端报警等多种形式的通知相应监管人员。
克服了以前靠管理人员手工检查、测量和手工计算温度值,提高了温度检测速度和检测精度,及时把刚“萌芽”的危险扼杀在“摇篮”里,提高了机器使用寿命,保障了财产安全。
1.2配电变压器油温检测系统设计的意义
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。
变压器油温受变压器所带负荷以及环境温度等因素的影响。
环境温度是随机变化的,变压器所带的负荷也是变化的,因而变压器运行时油温是一个变化的量。
因此,必须通过适时控制变压器的冷却设备启动或停止,以保证变压器正常运行对油温的要求。
油浸式变压器常见的冷却方式是变压器内部油循环和外部风扇直吹,其中内部油循环难以控制。
本装置采取控制风机启动和停止来控制变压器的油温保持在规定的范围内。
目前,大多数变压器的风机启停是采用温度继电器控制,这种方法的局限在于只有一个温度设定值,启动和停止风机室以温度高于或低于这一定值来决定,当变压器在温度定值附近波动时,会出现频繁启停,严重时可能造成风机烧毁,因此需要一种能够实现智能控制的装置,解决以上问题。
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办法,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。
1.3配电变压器油温检测系统的功能
在坚持功能齐全、稳定性优、安全级高的前提下,兼顾经济性(即性价比),预期完成以下具体要求:
(1)温度检测及控制
●正常状态下绿灯常亮;当温度达到80℃但低于85℃时,启动冷风机,此时绿灯闪烁(表示正常高限,制冷设备启动);
●当温度高于85℃但未达到90℃时,启用蜂鸣报警,此时仅黄灯闪烁(表示达到警戒线);
●当温度高于90℃时,蜂鸣器发出高频报警且红灯闪烁(表示危险)。
(2)实现上下位机通讯
1.4本文主要研究内容
本课题研究的主要内容是利用单片机作为现场测控核心,对油浸式配电变压器的油温进行实时监测和控制,以保证变压器的油温温度不会超过警戒线。
下面是本论文的主要内容安排:
第一章:
绪论(主要包括课题背景&本毕设意义)
第二章:
系统方案(主要包括系统基本方案&最终选择)
第三章:
硬件系统(主要包括控制部分&外围电路)
第四章:
软件系统(主要包括系统的设计思路&流程图&设计)
第五章:
总结(主要是对本毕设的归纳总结)
第二章系统方案
2.1系统基本方案
整个系统拟采用温度传感器对所需的信号进行采集,当获取所需的信号之后,经过对信号的滤波和放大电路的放大号,传输至A/D转换器进行A/D转换,将采集到的模拟信号转化为数字信号,最后将数字信号读入单片机内,经过单片机的数据处理后,最后将处理后的结果显示出来。
在系统中,设置临界值(80℃),当温度超过,向单片机输入信号,单片机接收信号后,可根据对比的实际结果,使系统在不同的状况下工作,增加了系统的灵活性。
系统中还设计有显示电路部分,经单片机处理后的数据,可由显示模块将所测量的油温显示出来,增强了系统的实用性。
此外,当所测量的油温超出了设置的最高值(90℃),系统会启动相应的报警装置,向外界发出警报信号。
2.2主要模块电路的方案选择及确定
2.2.1温度采集模块
油温测控系统主要性能指标:
(1)一路温度信号输入,测温范围10.0℃–95.0℃;
(2)测温精度0.5℃;
(3)温度定值由用户选择;
(4)动态显示当前温度值;
方案一:
AD654是美国模拟器件公司生产的一种低成本,8脚封装的电压频率(V/F)转换器。
它由低漂移输入放大器、精密振荡器系统和输出驱动级组成,使用时只需一个RC网络便可构成应用电路。
AD654既可以使用单电源供电,也可使用双电源供电,且工作电压范围很宽。
输出为频率受控于输入电压的方波。
可用于信号源、信号调制、解调和A/D变换等。
方案二:
采用数字温度传感器DS18B20。
DS18B20为数字式温度传感器,无需其他外加电路,直接输出数字量。
可直接与单片机通信,读取测温数据,电路简单。
DS18B20的测温范围-55℃~125℃,分辨率最大可达0.0625℃。
DS18B20是Dallas半导体公司的数字化温度传感器,它是一种支持“一线总线”接口的温度传感器。
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。
一线总线将独特的电源和信号复合在一起,并仅使用一条线,每个芯片都有唯一的编码,支持联网寻址,简单的网络化的温度感知,零功耗等待等特点。
DS18B20与传统的热敏电阻相比,他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。
并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线(单线接口)读写,因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单,可靠性更高。
他在测温精度、转换时间、分辨率等方面带来了较满意的效果。
综合比较后,本设计中选用DS18B20温度传感器,它只需一线接口,简化了分布式温度传感器的应用,并节省了A/D转换器,误差小,测量准确。
2.2.2显示电路模块
本设计采用的是LM016L,它通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD,多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚),其控制原理与14脚的LCD完全一样,可以达到实时显示温度的功能。
2.2.3报警模块
本设计的报警模块由红、黄、绿灯,蜂鸣器以及降温装置(风机的不同频率)共同组成,当温度高于80℃且低于85℃时,仅启动冷风机不会发出报警;当温度高于85℃时,即当接收到来自单片机的输出信号后,报警器便会发出报警声并配合相应的报警灯(黄灯&红灯),完成报警任务。
2.3系统各模块的最终方案
结合设备、毕设要求等综合因素,确定如下方案:
(1)采用AT89C51单片机作为控制器,分别对温度采集、温度设定、降温装置(风机)控制;
(2)温度测量模块采用数字温度传感器DS18B20。
此器件可以实现高精度,大范围测量;
(3)显示用LM016L显示实时温度值。
本系统的设计方框图如图2-1所示,它由四部分组成:
①控制部分主芯片采用单片机AT89C51;②显示部分采用LM016L实现温度显示;③温度采集部分采用DS18B20温度传感器;④降温控制电路。
图2-1温度控制总体方案
第三章硬件系统设计
本设计的目的是完成温度的检测和控制。
一个完整的系统是由若干模块组成,各个模块能够实现各自不同的功能,经过硬件设计和软件设计,调试无误后最终完成本设计的任务。
本设计主要由6大模块组成(如图2-1所示),由系统总体框架图可知,这六大模块分别为电源模块、单片机模块、显示模块、通信模块、声光报警及处理模块和DS18B20温度采集模块。
本设计舍弃了常用的热电阻或热电偶温度采集、滤波、放大、处理、显示、执行的方案,避免了传统方案的接线复杂,维护困难,易受干扰和精度差等缺点。
本系统由220V交流电供电,经过整流滤波等处理,得到+5V的直流电,供各个模块使用。
温度传感器DS18B20将检测到的温度值,传送给单片机,经单片机处理后,由显示模块显示出来,同时判断是否超过了设定的上下限值,假如超过上下限,再由声光报警及处理模块产生相应的动作。
3.1电源模块
电源模块是常用的变压整流电路,具有技术成熟,成本低廉的特点。
它的输入端为220V交流电的火线和零线,经过变压器获得9V交流电,然后再由桥式整流电路和滤波电路处理,得到9V直流电,最后经过直流稳压电路7805处理,最终得到+5V的直流电,即可作为此系统的电源,具体电路如图3-1所示:
图3-1电源模块
3.2微控制器
此模块所用单片机为AT89C51,是整个设计方案的核心,它控制了温度采集、温度处理与温度显示、温度越限时动作及与PC的通信。
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器(FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压、高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
AT89C51是一种带2K字节闪存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1000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和闪速存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。
AT89C51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。
3.2.1主要特性
(1)4K字节可编程闪烁存储器;
(2)128×8位内部RAM;
(3)寿命:
1000写/擦循环;
(4)数据保留时间:
10年;
(5)全静态工作:
0Hz-24MHz;
(6)三级程序存储器锁定;
(7)片内振荡器和时钟电路;
(8)32可编程I/O线;
(9)两个16位定时器/计数器;
(10)5个中断源;
(11)可编程串行通道;
(12)低功耗的闲置和掉电模式。
3.2.2管脚功能
其引脚排列如图3-2所示。
图3-2AT89C51引脚排列
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P0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/地址的低八位。
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外部必须接上拉电阻。
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口作为低八位地址接收。
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,如下表所示:
口管脚备选功能
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2/INT0(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4T0(计时器0外部输入)
P3.5T1(计时器1外部输入)
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)
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。
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低位字节。
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。
/PSEN:
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/PSEN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。
/EA/VPP:
当/EA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,/EA将内部锁定为RESET;当/EA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。
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。
3.3晶振电路
单片机XIAL1和XIAL2分别接100PF的电容,中间再并个12MHz的晶振,形成单片机的晶振电路,如图3-3所示。
晶体振荡器在固定频率振荡器中能够提供较高的精度,绝大多数RTC采用32.768kHz的晶体,晶体振荡器输出经过分频后会产生1Hz的基准来刷新时间和日期。
RTC的精度主要取决于晶振的精度,晶体振荡器在固定频率振荡器中能够提供较高的精度,绝大多数RTC采用32.768kHz的晶体,晶体振荡器输出经过分频后会产生1Hz的基准来刷新时间和日期。
RTC的精度主要取决于晶振的精度,晶振一般在特定的电容负载下,其调谐振荡在正确的频点,而当晶振调谐于12.5pF负载的RTC电路中时,使用6pF负载的晶振将会使时钟变快。
DallasSemiconductor提供的所有RTC均采用内部偏置网络,因而晶振可直接连接到RTC的X1、X2引脚,而不需要额外的元件。
由于RTC的晶振输入
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