毕业设计（论文）-高压带电设备的在线温度与预报警设计.docx

设计 摘 要随着社会的进步和工业技术的发展，人们越来越重视温度因素，高压设备开关触头因接触不良，发生烧毁，造成严重损失事件时有发生。对此现象，人们对开关触头温度的关注也多种多样，但大多是非接触或者用间断的方式获得温度值，不利于分析和及时的反应异常情况，避免事故的发生。本课题以ds18b20为采集核心，采用进口高速低功耗pic16系列mcu进行处理，配合射频无线传输技术，远程通讯技术，能对多点的温度进行实时监测。组建起温度传感器网络，通过远程通讯技术将温度值传输到后台工业控制计算机。利用强大的计算机后台软件，实现实时分析、存储和预报警动作。给相关的管理和维护人员提供维护，保养，和检修设备的必要参考数据，从而大大降低开关设备因过热烧毁的事故发生率。本文结合实际使用经验，介绍了本系统的组成、原理和实现方法。关键词：温度；无线射频；高压；远程传输；后台分析软件 第一章 绪论1.1 课题背景在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。当然，如何测量开关柜触头温度也经过了很长时间的摸索和探讨的过程。测量开关柜触头温度大体经过了三个发展阶段：停电检测，使用常规测温设备进行检测，该方法需要停电才能进行检测，对生产，和检测工作都带来了很大不方便的因素；所以很快，人们发明了红外线测温仪，红外线测温仪不需要停电，采用非接触式方法测温。所以大大提高了检测方法的水平。但是它还是有很多缺点：由于非接触会受到环境和距离的影响，准确度就会有所偏差。同时还是无法做到在线，自动检测的目的。为了进一步改善这种局面，提高生产力和加强安全性。本文就接触式，无线传感在线监测的原理和实现方法进行了阐述第二章 硬件方案2.0 方案2.1.无线传感器方案：2.1 温度传感器2.1.1 温度传感器选用细则 现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。1） 根据测量对象与测量环境确定传感器的类型要进行个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。2）灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的串扰信号3）频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。4）线性范围 传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。5） 稳定性传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。6） 精度精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。2.1.2 温度传感器ds18b20ds18b20型单线智能温度传感器，属于新一代适配微处理器的智能温度传感器。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。与传统的热敏电阻相比，它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912位的数字值读数方式。其可以分别9375ms和750ms内完成9位和12位的数字量，最大分辨率为00625 ， 而且从ds18b20读出或写入ds18b20的信息仅需要一根口线(单线接口)读写。1 ds18b20的性能特点单线数字化智能集成温度的传感器，其特点是： dsi8b20可将被测温度直接转换成计算机能识别的数字信号输出，温度值不需要经电桥电路先获取电压模拟量，再经信号放大和ad转换成数字信号，解决了传统温度传感器存在的因参数不一致性，在更换传感器时会因放大器零漂而必须对电路进行重新调试的问题，使用方便 ds18b20能提供9到12位温度读数，精度高，且其信息传输只需1根信号线，与计算机接口十分简便，读写及温度变换的功率来自于数据线而不需额外的电源 每一个ds18b20都有一个惟一的序列号，这就允许多个ds18b20连接到同一总线上尤其适合于多点温度检测系统 负压特性：当电源极性接反时，ds18b20虽然不能正常工作，但不会因发热而烧毁 正是由于具有以上特点，ds18b20在解决各种误差、可靠性和实现系统优化等方面与传统各种温度传感器相比，有无可比拟的优越性，因而广泛应用于过程控制、环境控制、建筑物、机器设备中的温度检测。其外形和管脚如下图： 图3.1 ds18b20外部形状及管脚图ds18b20与单片机的典型接口设计ds18b20测温系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。dsl8b20与单片机的硬件连接有两种方法：一是vcc接外部电源，gnd接地，i/0与单片机的i/0线相连；二是用寄生电源供电，此时,udd和gnd接地，i/0接单片机i/0。无论是哪种供电方式，i/0口线都要接47k q左右的上拉电阻。图4给出了dsl8b20与微处理器的典型连接。 ds18b20寄生电源供电方式：如下面图3.2(a)所示，在寄生电源供电方式下，ds18b20从单线信号线上汲取能量：在信号线dq处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。 独特的寄生电源方式有三个好处：1） 进行远距离测温时，无需本地电源2） 可以在没有常规电源的条件下读取rom3） 电路更加简洁，仅用一根i/o口实现测温 要想使ds18b20进行精确的温度转换，i/o线必须保证在温度转换期间提供足够的能量，由于每个ds18b20在温度转换期间工作电流达到1ma，当几个温度传感器挂在同一根i/o线上进行多点测温时，只靠4.7k上拉电阻就无法提供足够的能量，会造成无法转换温度或温度误差极大。因此，该电路只适应于单一温度传感器测温情况下使用，不适宜采用电池供电系统中。并且工作电源vcc必须保证在5v，当电源电压下降时，寄生电源能够汲取的能量也降低，会使温度误差变大。 ds18b20寄生电源强上拉供电方式： 改进的寄生电源供电方式如下面图3.2(b)所示，为了使ds18b20在动态转换周期中获得足够的电流供应，当进行温度转换或拷贝到e2存储器操作时，用mosfet把i/o线直接拉到vcc就可提供足够的电流，在发出任何涉及到拷贝到e2存储器或启动温度转换的指令后，必须在最多10s内把i/o线转换到强上拉状态。在强上拉方式下可以解决电流供应不走的问题，因此也适合于多点测温应用，缺点就是要多占用一根i/o口线进行强上拉切换。 ds18b20的外部电源供电方式： 如下面图3.2(c)所示，在外部电源供电方式下，ds18b20工作电源由vdd引脚接入，其vdd端用355v电源供电，此时i/o线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个ds18b20传感器，组成多点测温系统。注意：在外部供电的方式下，ds18b20的gnd引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是85。（c）ds18b20外部电源供电方式 （a）ds18b20寄生电源供电方式 (b) ds18b20温度转换期间的强上拉供电（寄生电源方式）图3.2 ds18b20与微处理器的典型连接图（3）ds18b20 的内部结构：图3.3 为ds18b20 的内部框图，它主要包括寄生电源、温度传感器、64 位激光rom 单线接口、存放中间数据的高速暂存器(内含便笺式ram)，用于存储用户设定的温度上下限值的th 和tl 触发器存储与控制逻辑、8 位循环冗余校验码(crc)发生器等七部分。64位光刻rom 的排列是：开始8位是产品类型标号，接着的48位是该ds18b20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码。光刻r0m 的作用是使每一个ds18b20都各不相同，这可实现一根总线上挂接多个ds18b20的目的。暂存存储器包含了8个连续字节，前2个字节是测得的温度信息，第1个字节的内容是温度的低8位，第2个字节是温度的高8位。第3个和第4个字节是th、tl的易失性拷贝，第5个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这3个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第6、7、8个字节用于内部计算。第9个字节是冗余检验字节 图3.3 ds18b20的内部结构（4）ds18b20 的测温原理：ds1820测温原理如下图所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。 图 3.4 ds18b20测温原理高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，ds1 8b20测量温度原理停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。 在正常测温情况下，ds18b20 的测温分辨力为0.5，可采用下述方法获得高分辨率的温度测量结果：首先用ds18b20 提供的读暂存器指令(beh)读出以0.5为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位(lsb)，得到所测实际温度的整数部分tz，然后再用beh 指令取计数器1 的计数剩余值cs 和每度计数值cd。考虑到ds18b20测量温度的整数部分以0.25、0.75为进位界限的关系，实际温度ts 可用下式计算：ts=(tz0.25) (cdcs)/cd（5）告警信号：ds18b20 完成温度转换后，就把测得的温度值与th、tl 作比较。若tth 或ttl，则将该器件内的告警标志置位，并对主机发出的告警搜索命令作出响应。因此，可用多只ds18b20 同时测量温度并进行告警搜索。一旦某测温点越限，主机利用告警搜索命令即可识别正在告警的器件，并读出其序号，而不必考虑非告警器件。（6）crc 的产生：在64 位rom 的最高有效字节中存有循环冗余校验码(crc)。主机根据rom 的前56 位来计算crc 值，并和存入ds18b20 中的crc 值作比较，以判断主机收到的rom 数据是否正确。crc 的函数表达式为：crc=xxx1。此外，ds18b20 尚需依上式为暂存器中的数据来产生一个8位crc 送给主机，以确保暂存器数据传送无误。在本课题中采用四个数字式温度传感器ds18b20与单片机89c51连接如下图 图3.5 ds18b20多点温度测量连接电路图(7) ds1820使用中注意事项ds18b20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于ds18b20与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对ds18b20进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在ds18b20的有关资料中均未提及单总线上所挂ds18b20数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个ds18b20，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂ds18b20超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。连接ds18b20的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用ds18b20进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。在ds18b20测温程序设计中，向ds18b20发出温度转换命令后，程序总要等待ds18b20的返回信号，一旦某个ds18b20接触不好或断线，当程序读该ds18b20时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行ds18b20硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。2.2控制芯片的选择pic系列单片机是有美国microchip公司生产的单片机产品。目前在世界8位单片机中销量第一。pic16f690单片机在多个方面较之其它系列单片机更有优越性，它的最大优点表现在引脚少、功能强、可直接带led负载；具有低耗能工作方式，较简便地实现掉电保护；外围接口电路简单，提高了整机的可靠性；具有较强的抗干扰性，大大提高抵御外界的电磁干扰和本机控制电路的电磁干扰的能力，从而提高了工业电脑自动控制器的适应能力。pic16f690单片机的指令字节位14位，属于中级产品，是pic中级单片机中很有特色的一个子系列。pic16f690单片机电压运行范围为2.0v至5.5v，具有高性能的risc cpu，仅仅有35条单字指令，执行速度快，指令易学易用；带有256字节的电可擦写的eeprom存储器，每次报警和断电界限的设定值可以从eeprom中读出以前写入的设定值，或重新按键设定并写入eeprom以备下次使用；8k*14个flash程序存储器，368*8个数据存储器（ram）字节，充足的资源可供以后开发改进；内含10位多通道模/数转换器，转换精度高；看门狗可以对软件运行出错提供保护功能4。1.重实际pic最大的特点是从实际出发，重视产品的性价比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。2.效率 pic系列8位单片机具有独特的risc结构，数据总线和指令总线分离的（harvard）结构，使指令具有单字长的特性，且允许指令码的位数可多于8位的数据位数，这与传统的采用 cisc结构的8位单片机相比，可以达到2：1的代码压缩，速度提高了4倍。3.发环境优越pic在推出一款新型号的同时推出了相应的仿真芯片，所有的开发系统有专用的仿真芯片支持，实时性非常好。4.强的抗干扰能力pic单片机通过限流电阻可以接至220v交流电源，可直接与继电器控制电路相连，无需光电耦合隔离，给应用带来极大方便。5.彻底的保密性pic以保密熔丝来保护代码，用户在写入代码后熔短熔丝，别人无法读出，除非恢复熔丝。目前，pic采用熔丝深埋工艺，恢复熔丝的可能性极小。6.带看门狗定时器自带的看门狗定时器可以提高程序运行的可靠性。7.眠何低功耗模式睡眠和低功耗模式使pic单片机对电源具有非常低的功耗。pic16f190属于内嵌功能较多的单片机，除了cpu、rom、ram、i/o等基本构造外，还包括以下各种功能，简介如下：a/d converter：模拟数字转换器，最多可以读取8组模拟输入讯号。ccp：capture、compare、pwm，用于控制直流马达。timer：内部定时器，有timer0、timer1、timer2等。usart：universal synchronous asynchronous receiver transmitte同步/异步串行传输，如rs232、rs485等。mssp；master synchronous serial port，两线式(i2c)与三线式(spi)标准同步串行传输协定，常用于eeprom内存资料的烧录与读取，或是与其它集成电路沟通与联系，形成多芯片网络。pic16f877常用的语言有汇编语言与c语言两种，汇编语言是将每一个机器码使用一个文字代号代表，比较接近处理器真正动作模式，而c语言是比较符合人们的使用习惯，事先将汇编语言组合成c语言形式，使用较为方便，但是c语言所组译的机器码程序通常比较大，概述 2.2无线收发单元。nrf9051是单片射频收发芯片，工作于433mhz的ism频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以10dbm 的功率发射时，工作电流仅有 30ma，接收时工作电流只有 12.5ma，多种低功率工作模式，待机模式下电流仅为12.5a，节能设计更方便。其 shockburst技术可在通讯时自动生成前导码和crc校验位。nrf905适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、报警及安全系统、家庭自动化、遥感监测、无线门禁系统等。 应用领域 超低功耗无线收发器 无线传感网络 家庭和楼宇自动化 无线报警安全系统 无线数据传输系统 报警及安全系统 家庭自动化 遥感监测 无线门禁系统 无线鼠标 遥控开锁 遥控玩具 性能参数422.4473.5mhz工作频段2 512个通讯频道，满足多点通讯、分组、跳频等应用需求，通道切换时间6us 发射功率可设置为：10dbm、6dbm、-2dbm和-10dbm 通过spi接口与mcu连接 支持50kbps传输速率 shockburst传输模式，自动生成前导码和crc校验码 工作电压范围：1.9v3.6v，待机模式下电流仅为12.5a 工作温度范围：-40+85 工作模式：nrf905采用nordic公司的vlsi shockburst技术。shockburst技术使nrf905能够提供高速的数据传输，而不需要昂贵的高速mcu来进行数据处理/时钟覆盖。通过将与rf协议有关的高速信号处理放到芯片内，nrf905提供给应用的微控制器一个spi接口，速率由微控制器自己设定的接口速度决定。nrf905通过shockburst工作模式在rf以最大速率进行连接时降低数字应用部分的速度来降低在应用中的平均电流消耗。在shockburst rx模式中，地址匹配am和数据准备就绪dr信号通知mcu一个有效的地址和数据包已经各自接收完成。在shockburst tx模式中，nrf905自动产生前导码和crc校验码，数据准备就绪dr信号通知mcu数据传输已经完成。总之，这意味着降低mcu的存储器需求也就是说降低mcu成本，又同时缩短软件开发时间。 1）、典型shockburst tx模式： 、当应用mcu有遥控数据节点时，接收节点的地址tx-address和有效数据tx-payload通过spi接口传送给nrf905应用协议或mcu设置接口速度； 、mcu设置trx_ce、tx_en为高来激活nrf905 shockburst传输； 、nrf905 shockburst： 无线系统自动上电l 数据包完成（加前导码和crc校验码）l 数据包发送（100kbps，gfsk，曼l切斯特编码） 、如果auto_retran被设置为高nrf905将连续地发送数据包直到trx_ce被设置为低； 、当trx_ce被设置为低时，nrf905结束数据传输并自动进入standby模式。 2）、典型shockburst rx模式 、通过设置trx_ce高，tx_en低来选择shockburst模式； 、650us以后，nrf905监测空中的信息； 、当nrf905发现和接收频率相同的载波时，载波检测cd被置高； 、当nrf905接收到有效的地址时，地址匹配am被置高； 、当nrf905接收到有效的数据包（crc校验正确）时，nrf905去掉前导码、地址和crc位，数据准备就绪（dr）被置高； 、mcu设置trx_ce低，进入standby模式低电流模式； 、mcu可以以合适的速率通过spi接口读出有效数据； 、当所有的有效数据被读出后，nrf905将am和dr置低； 、nrf905将准备进入shockburst rx、shockburst tx或powerdown模式。 3）、掉电模式 在掉电模式中，nrf905被禁止，电流消耗最小，典型值低于2.5ua。当进入这种模式时，nrf905是不活动的状态。这时候平均电流消耗最小，电池使用寿命最长。在掉电模式中，配置字的内容保持不变。 4）、standby模式 standby模式在保持电流消耗最小的同时保证最短的shockburstrx、shockbursttx的启动时间。当进入这种模式时，一部分晶体振荡器是活动的。电流消耗取决于晶体振荡器频率，如：当频率为4mhz时，idd=12ua；当频率为20mhz 时，idd=46ua。如果upclk（pin3）被使能，电流消耗将增加。并且取决于负载电容和频率。在此模式中，配置字的内容保持不变。 5）、器件配置：nrf905的所有配置都通过spi接口进行。spi接口由5个寄存器组成，一条spi指令用来决定进行什么操作。spi接口只有在掉电模式和standby模式是激活的。 1）、状态寄存器（status-register） 寄存器包含数据就绪dr和地址匹配am状态。 2）、rf配置寄存器（rf-configuration register） 寄存器包含收发器的频率、输出功率等配置信息。 3）、发送地址（tx-address） 寄存器包含目标器件地址，字节长度由配置寄存器设置。 4）、发送有效数据（tx-payload） 寄存器包含发送的有效shockburst数据包数据，字节长度由配置寄存器设置。 6）、接收有效数据（rx-payload） 寄存器包含接收到的有效shockburst数据包数据，字节长度由配置寄存器设置。在寄存器中的有效数据由数据准备就绪dr指示。 接口：1）、模式控制接口： 该接口由 pwr 、trx_ce、tx_en组成控制由nrf905组成的高频头的四种工作模式：掉电和 spi 编程模式；待机和spi编程模式 ；发射模式；接收模式。 2）、spi接口： spi 接口由 csn、sck、mosi以及miso组成。在配置模式下单片机通过spi接口配置高频头的工作参数；在发射/接收模式下单片机spi接口发送和接收数据。 3）、状态输出接口： 提供载波检测输出cd，地址匹配输出am，数据就绪输出dr。 外围的rf信息1）、晶体规格 为了实现晶体振荡器低功耗和快速启动时间的解决方案,推荐使用低值晶体负载电容。指定cl=12pf是可以接受的。但是，也可能增大到16pf。指定一个晶体并行相等电容,co=1.5pf也是很好的，但这样一来会增加晶体自身成本。典型的设定晶体电容co=1.5pf，指定co_max=7.0pf。 2）、外部参考时钟 一个外部参考时钟如mcu时钟，可以用来代替晶体震荡器。这个时钟信号应该直接连接到xc1引脚，xc2引脚为高阻态。当使用外部时钟代替晶体时钟工作时，始终必须工作在standby模式以降低电流消耗。如果器件被设置成standby模式而没有使用外部时钟或晶体时钟，则电流消耗最大可达1ma。 3）、微处理器输出时钟 在默认情况下，微处理器提供输出时钟。在standby模式下提供输出时钟将增加电流消耗。在standby模式电流消耗取决于频率和外部晶体负载、输出时钟的频率和提供输出时钟的电容负载。 4）、天线输出 ant1和ant2输出脚给天线提供稳定的rf输出。这两个脚必须有连接到vdd_pa的直流通路，通过rf扼流圈，或者通过天线双极的中