电力变压器状态参量监测系统设计

1、摘要作为电网中重要的设备之一，电力变压器的正常工作与否直接影响电网的安全稳 定运行。本论文首先阐述了电力变压器在线监测系统的研究目的和意义、国内外研究 动态和发展趋势，然后进行了深入地分析。本文其次介绍了铁心接地电流、电压、温度在线监测系统。该系统能够实现对变 压器铁心接地电流、电压、温度的实时或定时监测和历史数据的存储，并在接地线电 流、电压、温度超过国家标准后能够发出信号和实现限流电阻的自动投切，将接地电 流、电压、温度限制在规程要求的范围之内。变压器铁心电流、电压、温度的在线监 测，必须确保采集到的信号真实可靠，同时应保证监测装置最小限度的改变变压器的 运行接线状态。作为一种工作在电流大

2、范围内变化的设备，必须具备较好的量程自动 转换及保护电路。在变压器所处的恶劣的电磁环境中，设备要能够稳定可靠的工作， 抗电磁干扰是难点。作为便携式设备，应保证信号所测得的数据能够方便的上传给控 制人员，通讯方式最好采用无线方式。尽可能实现多点接地故障的自动处理。 关键字：电力变压器；铁芯接地电流；电压；变压器油温；在线监测AbstractAs one of the important equipment in the power grid, power transformer works or not directly affect the safe and stable operation

3、of power grids. This paper first provides power transformer online monitoring system of purpose and meaning, research and development trends at home and abroad, and then make a thorough analysis.This second article describes core earth currents, voltages, temperature online monitoring system. The sy

4、stem can be realized on earth current, voltage and temperature of transformer core storage or regularly monitored in real time and historical data, And on the ground, current, voltage, temperature exceeds the national standards will be able to send a signal and automatic switching of current - limit

5、ing resistor, to limit the earth current, voltage and temperature within the scope of the code requirements. Current, voltage and temperature on - line monitoring of transformer core, you must ensure that collected signals are true and correct, should ensure that monitoring devices at the same time

6、minimise change the running of transformer connection state. As a change in the current scope of work equipment must have a good Automatic Range conversion and protection circuit. In adverse electromagnetic environment of the transformers, stable and reliable equipment to be able to work, EMI is dif

7、ficult. As a portable device, make sure the signal measured it easy to upload data to the control of personnel, means of communication the best use of wireless means.Automatic processing for multi - point earthing fault as much as possible. Key words: power transformer; Core earth current; Voltage;

8、Transformer oil temperature; On-line monitoringII目录0 引言 11 绪论 21.1 目的和意义 21.2 国内外发展现状 31.3 变压器原理 42 10kV 电力变压器状态参量监测系统总体设计方案 52.1 在线监测系统的组成 52.2 功能设计方案 63 10kV 电力变压器状态参量监测系统硬件电路设计 83.1 电流信号的提取部分 93.2 电压电流互感器原理和使用 93.2.1 电压互感器工作原理 103.2.2 电流互感器工作原理 113.3 电压互感器的选择和采样电路设计 123.3.1 JDZW-10型电压互感器的性能和特性概述

9、123.3.2电压互感器采样和测量电路设计 133.4 电流互感器的选择和电路设计 143.4.1 LBZ-10 型电流互感器技术指标 143.4.2电流互感器采样和测量硬件电路设计 153.5 DS18B20 温度检测系统设计 163.6 限流电阻单元 183.7 ADC0832 采样电路设计 193.7.1 外部引脚及其说明 203.7.2 单片机对 ADC0832 的控制原理 203.7.3 ADC0832典型应用 223.8 LCD1602 液晶显示部分 243.9 抗电磁干扰 263.10 单片机最小系统设计 263.10.1 晶振电路 293.10.2 STC89C52的并行 I/

10、O 口详细说明 303.11 键盘操作部分 313.11.1键盘 313.12 信号传输部分 333.13 SIM300C 模块 3.3.3.14 SIM 卡接口 334 10kV 电力变压器状态参量监测系统软件设计 344.1 软件控制部分流程图 344.2 ADC0832 子程序流程图 354.3 延时子程序流程图 365 总结 37致谢 38参考文献 39附录 A 译文 40附录 B 51辽宁工程技术大学毕业设计（论文）0 引言变压器作为电力系统的枢纽设备，其运行可靠性直接影响电力系统的安全运 行。为保证电力系统的稳定，必须加强对电力变压器绝缘的监测和诊断。变压器 参量被广泛认为是导致变

11、压器劣化的重要因素，与变压器运行的安全性和可靠性 具有密切联系。变压器中多种参量在线监测系统中的自动识别，能够及时发现内 部缺陷及变压器损坏程度，防止事故发生。现代电力系统日趋复杂，对电力设备运行可靠性的要求不断提高。电力变压 器作为电力系统中重要的变电设备，其运行状态将直接影响到电力系统的安全运 行。目前电力系统中变压器等电力设备大多采用定期检修方式，这种体制存在着 严重缺陷，如维修不足、维修过剩或盲目维修等，这使世界各国每年在设备维修 方面耗资巨大且影响了供电可靠性。怎样合理安排电力设备的检修，节省检修费 用、降低检修成本，同时保证系统有较高的可靠性，对系统运行人员来说是一个 重要课题。在

12、电力系统中推行状态检修是解决上述问题的有效手段，而故障诊断 就是状态检修的基础和前提。李超凡： 10kV 电力变压器状态参量监测系统设计1 绪论1.1 目的和意义在电力系统中 , 变压器非常重要 , 也是非常昂贵的设备。其主要实现电能的分 配、电压的转化以及转移的作用。电力系统安全与否、供电性能是否可靠、运行 是否经济与变压器有着直接的关系。电力变压器的工作效率代表电力部门的财政 收益。所以 , 变压器的正常运行对整个电力系统而言非常重要。但是因为变压器常 处于不停歇工作的状态 , 所以无法避免故障的产生。导致变压器出现事故的原因很 多,其中包括变压器在安装、维护、检修时 ,没有严格按照相关要

13、求 , 导致变压器存 在一定的缺陷 , 存在严重的故障隐患 ; 自然灾害也是导致变压器发生故障及事故的 重要原因 ; 因为变压器长期处于运行的状态 , 所以其组成材质逐渐劣化 , 为事故的 发生埋下隐患 , 已经成为导致变压器出现故障的主要原因。因为无法避免变压器故 障的出现 , 对其故障实现早期预测以及准确的诊断非常重要, 也具有较强的实用性。所以，变压器有必要研究状态监测和在线状态监测，如何科学有效的防止变 压器故障及快速准确监测变压器故障，提高电力变压器的安全性、可靠性，降低 维修成本，保证供电质量的研究显得十分有意义，应该引起重视 . 电力变压器实行 状态参量监测是先进的科学管理方法，

14、原有电力变压器的运行监测已难以适应高 安全、优质、可靠、经济性电网的发展要求，实现状态参量监测，可以减少监测 的盲目性，降低运行维护费用，提高资金利用率，提高电力变压器运行可靠性及 设备寿命，减轻工人劳动强度，实现减员增效，提高企业社会效益和经济效益。 因此，在线监测变压器、及时了解变压器的设备以及运行状态是电力工作人员追 求的工作目标。辽宁工程技术大学毕业设计（论文）1.2 国内外发展现状从国内外的研究情况来看 , 对变压器的状态参量监测工作的研究已经受到国 内的广泛关注 , 也取得了一定的成果。但总的来说 , 较多的集中在对电气或机械方 面的具体参量进行监测 , 还缺乏一种有效的方法来表征

15、变压器运行状态和各种试 验、运行参数之间的关系。目前利用综合信息对变压器进行状态评估的研究还远 未达到实用要求。近年，电力变压器及电气设备的状态评估受到了很大的重视 , 但 在我国仍处在学术讨论范围中 , 没有达到实用的要求。造成这种状况的原因是多方 面的,除管理维护、质量监督、设计标准等方面的问题外 , 反映在评估技术上的问 题主要有 :评估时没有把各类设备一并考虑。预试及检修均要求设备退出运行, 而设备一般不易单独退出运行 , 通常一个间隔的设备必须同时退出运行 , 因此电气设 备的维护是相互关联和相互影响的；历史数据与在线数据的数值化管理欠缺；缺 乏行之有效的诊断理论与方法 , 仅提供数

16、据 , 且知识贫乏 , 不能建立各种监测信息 之间的关联关系 ,无法解释测量结果正常的波动 , 很难做出准确的变压器状态评 估。从目前国内外变压器状态在线监测技术发展来看，主要的技术有两种：局部 放电在线监测和油色谱分析。变压器的色谱在线监测技术是相对成熟的、有效的、 最受电力部门欢迎的技术，而局部放电在线监测技术是以变压器内部局部放电时 产生的电光声等现象为依据，通过能描述这些现象的物理量来表征局部放电的状 态（包括定位和放电的程度） ，可以预防变压器的突发性故障。因此，这两种状态 监测技术各有优势，可同时采用以实现互补。李超凡： 10kV 电力变压器状态参量监测系统设计1.3 变压器原理变

17、压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、 次级线圈和铁芯（磁芯） ，如图 1-1 所示。主要功能有：电压变换、电流变换、阻 抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等。按用途可以分为：配电变压器、电力 变压器、全密封变压器、组合式变压器、干式变压器、油浸式变压器、单相变压 器、电炉变压器、整流变压器等。变压器是变换交流电压、交变电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流） 。变压器两组线圈圈数分别为 N1 和 N2，N1 为初级， N2 为次级。在初级线圈 上加一交流电压，在次级线圈两端就会产生感应电动势 .

18、 当 N2N1 时，其感应电 动势要比初级所加的电压还要高，这种变压器称为升压变压器：当 N2N1 时，其 感应电动势低于初级电压，这种变压器称为降压变压器。图 1-1 理想变压器原理图Figure 1-1 The principle diagram of the ideal transformer辽宁工程技术大学毕业设计(论文)2 10kV 电力变压器状态参量监测系统总体设计方案2.1 在线监测系统的组成不论监测系统是什么类型，它都应包括以下几个基本单元 :1) 信号的变送 一般由相应的传感器来实现，它从电气设备上监测出那些反映设备状态的物 理量，例如温度、电压、电流、气体成分等，并将其转换

19、为合适的电信号传送到 后续单元。它对监测信号起着读数和观测的作用。2) 信号的处理 其功能是对传感器变送来的信号进行适当的预处理，将信号幅度调整到合适 的电平；对混叠的干扰采用极性鉴别器、滤波器等硬件电路进行抑制，以提高系 统的信噪比。3) 数据的采集将经过预处理的信号进行采集、 A/D 转换和记录。4) 信号的传输 将采集到的信号传送至后续单元。对固定式监测系统，因数据处理单元远离 现场，故需配置专门的信号传输单元。对便携式监测装置，只需对信号进行适当 的变换和隔离即可。5) 数据的处理 对采集到的数据进行处理和分析，例如，对获取的数字信息作频谱和时域分 析，利用平均处理、软件滤波等技术，对

20、信号做进一步的处理，来提高信噪比。 获取反映设备状态的特征值，为诊断提供有效的数据和信息。6) 诊断 对处理后的数据和历史数据、判据及其他信息进行比较、分析后，对设备的 状态或故障部位做出诊断。必要时需采取进一步的措施，例如是否需要退出运行、 安排维修计划等。李超凡： 10kV 电力变压器状态参量监测系统设计2.2 功能设计方案本论文将设计一套 10kV 电力变压器多参量综合在线监测系统。 该系统将在统 一的软硬件结构下监测参量，将实现实时监测变压器电流、电压、油温状态参量。 该系统设计将对 10kV 变压器进行现场连续在线监测， 铁芯接地电流、 电压在正常 范围内波动，顶层油温处于正常范围。

21、计划研究的系统具备如下功能：1）可在线实时采集和记录监测点的铁芯接地电流、电压、顶层油温各项参数 情况，进行实时显示和记录存储。2）系统设计时预留有接口，可随时增加软硬件设备，系统只要做少量的改动 即可，可以在很短的时间内完成。整个系统由信号采集和处理单元、 A/D 转换单元、单片机、显示单元、按键 单元、通信接口等组成。如图 2-1 所示。2图 2-1 系统总体框图Figure 2-1 Block diagram of the whole system传感器将信号转换为电压信号，电压信号经放大、滤波及 A/D 转换后到单片 机,经通信接口把数据上传至无线传输模块，再经无线传输模块将数据传输到

22、上位 机。主要设计内容电力变压器发生故障时，会有很多特征量表现出来，本文主要是针对接地电流、电压、温度进行专项研究。理论上来说，只要捕捉到哪怕是很微弱的信息量，辽宁工程技术大学毕业设计（论文）进而经过对这些数据的处理和综合分析，就可以对设备绝缘的可靠性做出判断和 对绝缘寿命做出预测，这就是在线监测的理论基础。本论文主要围绕以下工作展开 :1）对引起接地电流、电压、温度变化的原因进行分析 ;2）如何实时而不失真的采集电流、电压、温度信号 ;3）如何保证信号在传输、处理的过程中的真实可靠性 ;4）信号的传输方式、量程切换等的处理。李超凡： 10kV 电力变压器状态参量监测系统设计3 10kV 电力

23、变压器状态参量监测系统硬件电路设计系统整体采用单片机作为控制核心， 主要进行电压和电流采样， 同时通过 2 路 温度采样，检测变压器重要部位的温度情况，实现全面检查。下面将会分模块分 别介绍。系统整体设计电路图如下图 3-1 所示。图 3-1 系统总体电路图Figure 3-1 Overall system circuit diagram辽宁工程技术大学毕业设计（论文）3.1 电流信号的提取部分在线监测系统在提取监测信号时应保证尽量不改变设备的运行接线状态，因 此，将电流信号的取样点选择在变压器铁心外引接线处，选择电流传感器作为信 号提取单元。装置接线方式如图 3-2。图 3-2 信号提取部分

24、结构框图Figure 3-2 Signal extraction of partial structure diagram3.2 电压电流互感器原理和使用在线监测系统的传感器选择和测点布置是整个监测系统功能实现的前提条 件，应该遵循以下原则 : 安全性、可靠性、准确性、方便性、经济性。利用信号接 收电路将传感器阵列的输出的信号转化为电压信号，并将电压信号进行放大、滤 波，为了确保采集电路的精度，其中的供电电压都是由电源模块提供的准确、稳 定的电源电压。当变压器正常运行时，铁心电流、电压很小。而在发生多点接地故障时，接 地电流会变得很大，为安培级。因此在该装置所采用的电流、电压传感器应具有 较宽

25、的线性范围和变化范围较大的量程。根据现场实际数据，电流传感器可选择 量程在 0.5mA-10A ，分辨率在 2mA 的电流传感器，电压传感器可选择量程在 10kV 之内。另外，由于监测时不可避免的会有工频电流流过，故要求磁心具有较强的 抗工频磁饱和的能力，使磁心不会因饱和而影响监测。一般来说，对于铁氧体磁 心，该要求能够满足。李超凡： 10kV 电力变压器状态参量监测系统设计3.2.1 电压互感器工作原理电压互感器是一个带铁心的变压器。 它主要由一、 二次线圈、铁心和绝缘组成。 当在一次绕组上施加一个电压 U1 时，在铁心中就产生一个磁通 ，根据电磁感应 定律，则在二次绕组中就产生一个二次电压

26、 U2。改变一次或二次绕组的匝数，可 以产生不同的一次电压与二次电压比，这就可组成不同比的电压互感器。电压互 感器将高电压按比例转换成低电压，即 100V，电压互感器一次侧接在一次系统， 二次侧接测量仪表、 继电保护等；主要是电磁式的 (电容式电压互感器应用广泛) ， 另有非电磁式的，如电子式、光电式。电压互感器的分类1) 按安装地点可分为户内式和户外式。 35kV 及以下多制成户内式； 35kV 以 上则制成户外式；2) 按相数可分为单相和三相式， 35kV 及以上不能制成三相式；3) 按绕组数目可分为双绕组和三绕组电压互感器，三绕组电压互感器除一次 侧和基本二次侧外，还有一组辅助二次侧，供

27、接地保护用；4) 按绝缘方式可分为干式、浇注式、油浸式和充气式。干式电压互感器结构 简单、无着火和爆炸危险，但绝缘强度较低，只适用于 6kV 以下的户内式装置； 浇注式电压互感器结构紧凑、维护方便，适用于 3kV 35kV 户内式配电装置；油 浸式电压互感器绝缘性能较好， 可用于 10kV 以上的户外式配电装置； 充气式电压 互感器用于 SF6 全封闭电器中。此外，还有电容式电压互感器，电容式电压互感器实际上是一个单相电容分 压管，由若干个相同的电容器串联组成，接在高压相线与地面之间，它广泛用于 110kV330kV 的中性点直接接地的电网中。其工作原理与变压器相同，基本结构也是铁心和原、副绕

28、组。特点是容量很 小且比较恒定，正常运行时接近于空载状态。电压互感器本身的阻抗很小，一旦 副边发生短路，电流将急剧增长而烧毁线圈。为此，电压互感器的原边接有熔断 器，副边可靠接地，以免原、副边绝缘损毁时，副边出现对地高电位而造成人身 和设备事故。测量用电压互感器一般都做成单相双线圈结构，其原边电压为被测 电压(如电力系统的线电压) ，可以单相使用，也可以用两台接成 V-V 形作三相使 用。10辽宁工程技术大学毕业设计(论文)3.2.2 电流互感器工作原理电流互感器的结构较为简单，由相互绝缘的一次绕组、二次绕组、铁心以及 构架、壳体、接线端子等组成。 其工作原理与变压器基本相同， 一次绕组的匝数

29、 (N1) 较少，直接串联于电源线路中，一次负荷电流 (I1)通过一次绕组时，产生的交变磁 通感应产生按比例减小的二次电流器、变送器等电流线圈的二次负荷(I2)；二次绕组的匝数 (N2)较多，与仪表、继电(Z)串联形成闭合回路，见下图 3-3。I1一次绕组L1L2N1铁心K1二次N绕1 组N2K2负荷I2图 3-3 最简化的电流互感器结构原理图Figure 3-3 The simplified schematic diagram of current transformer structure 由于一次绕组与二次绕组有相等的安培匝数， I1N1=I2N2，电流互感器额定电 流比: I1/I2=

30、N1/N2。电流互感器实际运行中负荷阻抗很小，二次绕组接近于短路状 态，相当于一个短路运行的变压器。11李超凡： 10kV 电力变压器状态参量监测系统设计3.3 电压互感器的选择和采样电路设计根据设计的需要且考虑到本设计为高压设备，要考虑安全性等问题，电压互 感器选择符合国家强制标准 GB1207-1997 电压互感器 的 JDZW-10 型电压互 感器。生产厂家为上海万上电气设备有限公司。 如下图 3-4 所示。具体使用过程当 中，将待测电压线，接在具有高强度绝缘性能的上端两个支撑架上面。使用过程 选择额定变压比为 10000/100 绕组变比的方式， 将待测电压进行准确变比。 然后配 合电

31、压测量电路进行使用。图 3-4 JDZW-10 型电压互感器外观图Figure 3-4 jdzw-10 voltage transformer outside View3.3.1 JDZW- 10型电压互感器的性能和特性概述功能介绍:电压互感器适用于额定频率 50Hz，额定电压 10kV 的电力系统中作电能计量 及仪表监测用，特别适用无人值守，无油化变电站，实行遥测、遥信、遥调之用。互感器采用户外环氧树脂浇注，全封闭、支柱式结构。由于采用户外环氧树 脂浇注，产品具有耐电弧、耐紫外线、耐老化、寿命长、免维护等特点。二次出线有接线保护盒，其下方有出现孔，接线方便、安全可靠并能实现防 窃电措施。底板

32、上有四个安装孔供安装使用。技术参数 :1) 额定绝缘水平： 12/ 42/ 75kV;2) 表面爬电比距离满足二级污秽等级 ;3) 本型互感器满足 GB1207- 1997电压互感器之要求 ;12辽宁工程技术大学毕业设计(论文)4) 局部放电水平符合 GB7354- 1987互感器局部放电测量 ，其视在放电量 不大于 20PC;5) 环境温度： -3040。日平均气温不超过 30;6) 海拔高度：不超过 1000m;3.3.2 电压互感器采样和测量电路设计具体电路设计采用如下图 3-5 的电路，将流过如上所述电压互感器之后的安全 电压接入下图当中的电压互感器输入端，通过检波电路实现分压且交流到

33、直流的 转换，然后将直流电通过 ADC0832 进行采样，然后将采样得到的信号输入到单片 机。具体模块的工作方式后面会详细介绍。图 3-5 电压互感器采样和测量电路图Figure 3-5 Sampling and measurement of voltage transformer circuit diagram13李超凡： 10kV 电力变压器状态参量监测系统设计3.4 电流互感器的选择和电路设计考虑到本设计的要求， 电流互感器在选择上面， 要求绝缘性较高， 要适应 10kV 的电压要求，安全性非常重要，必须选择满足国家标准的设备作为设计选取器材。 本设计选择符合国家强制标准 GB1208-

34、 2006 的 LBZ - 10 型电流互感器。 LBZ - 10 型干式环氧树脂浇注电流互感器，适用额定电压 10kV 、额定频率 50Hz 的电力系 统中的测量和保护，外壳采用特殊工艺处理的钢板加工而成，具有防腐性。综合 考虑设备的配套等特性，生产厂家也选择上海万上电气设备有限公司。设备如下 图 3-6 所示。图 3-6 LBZ -10 型干式环氧树脂浇注电流互感器外观图Figure 3-6 LBZ-10 dry - type epoxy resin cast of current transformer outside View3.4.1 LBZ - 10 型电流互感器技术指标LBZ -

35、 10 型为干式环氧树脂浇注电流互感器。适用额定电压 10kV、额定频率 50Hz 的电力系统中的测量和保护，外壳采用特殊工艺处理的钢板加工而成，具有 防腐性。技术参数：1) 产品符合 GB1208- 2006;2) 额定频率 50Hz;3) 绝缘水平 12/ 42/ 75kV;4) 额定二次电流 5A 。14辽宁工程技术大学毕业设计（论文）3.4.2 电流互感器采样和测量硬件电路设计电流互感器选择额定电流比为 100A/ 5A 变比的具体型号，通过运放加采样电 阻的方式，对电流进行采样。具体方式通过两步进行，第一步通过电流互感器实 现安全采样，变比为 100: 5，然后将交流电流采用采样电阻

36、进行电流到电压的转换。 第二步骤，将电压进行交直流变换，完成检波和直流电路的测量功能。具体电路 图如下图 3-7 所示。Figure 3-7 Sampling and measurement of current transformer circuit diagram15李超凡： 10kV 电力变压器状态参量监测系统设计3.5 DS18B20 温度检测系统设计具体硬件设计电路图如下图 3-8 所示，采用两个温度传感器，同时检测变压 器内部两个点的温度，起到更加全面保护的作用。采用美国 DALLAS 公司的数字 温度传感器，具有测温精准，达到 0.1 摄氏度，同时抗干扰能力强，抗老化能力强 等综

37、合优点。图 3-8 温度采样和测量电路图Figure 3-8 Temperature sampling and measurement circuit diagramDS18B20 引脚及管脚功能介绍图 3-9 DS18B20 管脚图Figure 3-9 ds18b20 pin map16辽宁工程技术大学毕业设计（论文）DQ：数字信号输入输出端。GND：电源地端。VDD ：外接供电电源输入端 （在寄生电源接线时此脚应接地 ）。DS18B20具有以下特性1）适应电压范围更宽，电压范围： 3.0 5.5V，在寄生电源方式下可由数据线 供电2）独特的单线接口方式， DS18B20 在与微处理器连接时

38、仅需要一条口线即可 实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯3）DS18B20支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上， 实现组网多点测温4）DS18B20 在使用中不需要任何外围元件， 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5）温范围 -55 +125，在-10 +85时精度为 0.56）可编程的分辨率为 912 位，对应的可分辨温度分别为 0.5、 0.25、 0.125和 0.0625，可实现高精度测温7）在 9 位分辨率时最多在 93.75ms内把温度转换为数字， 12 位分辨率时最多 在 750ms 内把温度值转换为数字，速度更快8）测量结果

39、直接输出数字温度信号，以 一线总线 串行传送给 CPU，同时可 传送 CRC 校验码，具有极强的抗干扰纠错能力9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作DS18B20 内部结构主要由四部分组成： 64 位光刻 ROM 、温度传感器、非挥 发的温度报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器。17李超凡： 10kV 电力变压器状态参量监测系统设计3.6 限流电阻单元我们都知道，当变压器发生多点接地故障时，若现场条件不具备，可采用临 时措施保证变压器继续运行，即在铁心外引接地线上串接一个合适的电阻，达到 减小铁心接地电流的目的。但此方法只能作为应急措施，最终还是需要真正排除 故障

40、。采用此方法时应根据变压器铁心实际接地电流的大小选择所串电阻的阻值 及容量。串入电阻后应当使接地电流控制在 100mA 以下，这样既能确保电阻运行 中不致损坏产生高压，又能减轻铁心的发热。限流电阻投切单元如图 3- 10所示，其中， Jl- J3是继电器。当铁心接地电流超 标后，系统能够根据接地电流的大小，手动 / 自动的在接地线中投入一定的限流电 阻，将电流暂时限制在规定量程之内。 CPU 通过控制继电器状态来实现各个支路 电阻的投切。其中 R4 支路没有串入继电器，其目的是为了避免铁心接地线出现开 路的情况。3RR4图 3-10 限流电阻投切单元Figure 3-10 Current -

41、limiting resistor switch unit18辽宁工程技术大学毕业设计(论文)3.7 ADC0832 采样电路设计ADC0832 是 NS(National Semiconductor)公司生产的串行接口 8位A/D 转换器， 通过三线接口与单片机连接，功耗低，性能价格比较高，适宜在袖珍式的智能仪 器仪表中使用。 ADC0832 为 8 位分辨率 A/D 转换芯片，其最高分辨可达 256级， 可以适应一般的模拟量转换要求。芯片具有双数据输出可作为数据校验，以减少 数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片能输入，使多器件连接和处理 器控制变得更加方便。通过 DI 数据输入端，

42、 可以轻易的实现通道功能的选择。其 主要特点如下：1) 8 位分辨率，逐次逼近型，基准电压为 5V；2) 5V 单电源供电；3) 输入模拟信号电压范围为 05V ；4) 输入和输出电平与 TTL 和 CMOS 兼容；5) 在 250kHz 时钟频率时，转换时间为 32s；6) 具有两个可供选择的模拟输入通道；7) 功耗低， 15mW。19李超凡： 10kV 电力变压器状态参量监测系统设计3.7.1 外部引脚及其说明ADC0832 有DIP 和 SOIC两种封装，DIP 封装的 ADC0832引脚排列如图 3-11 所示。各引脚说明如下：1) CS片选端，低电平有效。2) CH0，CH1 两路模

43、拟信号输入端。3) D1 两路模拟输入选择输入端。4) D0模数转换结果串行输出端。5) CLK 串行时钟输入端。6) Vcc(REF) 正电源端和基准电压输入端。7) GND 电源地。CS18VC(RCEF)CH027CLKCH136D0CND45D1图 3-11 ADC0832 引脚图Figure 3-11 ADC0832 pin map3.7.2 单片机对 ADC0832 的控制原理一般情况下 ADC0832 与单片机的接口应为 4 条数据线，分别是 CS、CLK 、 D0、D1。但由于 D0 端与 D1 端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的， 所以电路设计时可以将 D0 和

44、D1 并联在一根数据线上使用。当 ADC0832 未工作 时其 CS输入端应为高电平，此时芯片禁用， CLK 和 D0/D1 的电平可任意。当要 进行 A/D 转换时，须先将 CS 端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。 此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端 CLK 提供时钟脉冲， D0/D1 端则使用 D1 端输入通道功能选择的数据信号。 在第 1 个时钟脉冲到来之前20辽宁工程技术大学毕业设计（论文）D1 端必须是高电平，表示启动位。在第 2、3个时钟脉冲到来之前 D1 端应输入 2 位数据用于选择通道功能，其功能项见表 3-1：表 3-1 功能项Table 3-1 f

45、unction keys输入形式配置位选择通道CH0CH1CHOCH1差分输入00+-01-+单端输入10+11+当配置位 2 位数据为 1、0 时，只对 CH0 进行单通道转换。当配置 2 位数据 为 1、1 时，只对 CH1 进行单通道转换。当配置 2 位数据为 0 、 0 时，将 CH0 作为 正输入端 IN+ ，CH1 作为负输入端 IN-进行输入。当配置 2 位数据为 0、1 时，将 CH0 作为负输入端 IN- ，CH1 作为正输入端 IN+ 进行输入。到第 3 个时钟脉冲到来之后 D1 端的输入电平就失去输入作用，此后 D0/D1 端则开始利用数据输出 D0进行转换数据的读取。从

46、第 4个时钟脉冲开始由 D0 端 输出转换数据最高位 D7，随后每一个脉冲 D0 端输出下一位数据。直到第 11 个脉 冲时发出最低位数据 D0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一 个相反字节的数据，即从第 11个时钟脉冲输出 D0。随后输出 8 位数据，到第 19 个脉冲时数据输出完成，也标志着一次 A/D 转换的结束。最后将 CS 置高电平禁 用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。下图 3-12为ADC0832 时序图。图 3-12 ADC0832 串口输出采样时序图Figure 3-12 ADC0832 serial output sampling timing di

47、agram21李超凡： 10kV 电力变压器状态参量监测系统设计3.7.3 ADC0832 典型应用1）单片机串行口方式 0与 ADC0832 接口P 1 .7CST X DCLK CH 0RXDDOCH 1DIA T 8 9 S 51A D C 0 832图 3-13 单片机串行口方式 0 与 ADC0832 接口图Figure 3-13 Single - Chip serial port 0 and adc0832 interface mapSTC89C52的 P1.7为片选信号端，TXD 是时钟信号输出端， RXD 为启动信号， 模拟通道选择信号发送端以及 A/D 转换后输出数据的接收端

48、。ADC0832 的时钟频率最高为 400kHz，单片机 AT89C51 晶振选用 4MHz ，在 TXD 端的输出频率为 4MHz/12=333kHz ，符合要求。ADC0832 输出的串行数据共 15 位，由两段 8 位数据组成，前一段是最高位 在先，后一段是最高位在后，两段数据的最低位共用。只有在时钟的下降沿， ADC0832 的串行数据才移出一位。 由单片机控制时钟信号进行发送， 并由 TXD 发 出，以达到控制 ADC0832 输出数据位的目的。为了得到一列完整的 8 位数据，单 片机分两次采集含有不同位的数据，再合成一列完整的 8 位数据。当 REN=0 时， AT89C51 连续

49、一次向 ADC0832 发送 8 个时钟脉冲，前 3 个脉冲发 送的是启动位和模拟通道选择位， 共计 3位；从第 4个脉冲下降沿开始， ADC0832 发出转换数据 D7 D4（在脉冲上升沿单片机方可接收） 。但由于 REN=0，单片机 不予接收，丢失 D7D4 数据。当 REN=1 时，单片机又向 ADC0832 连续发出 8 个时钟脉冲，其输出转换数 据 D3，D2，D1 和 d0，d1，d2，d3，d4存入累加器 A 形成如下结构： 累加器 Ad4d3d2d1d0D1D2D3MSB LSB上述数据右移 3位，并屏蔽掉高 3 位，暂存于寄存器 B，得到如下结构：22辽宁工程技术大学毕业设计

50、（论文）寄存器 B000d4d3d2d1d0MSBLSB单片机第二次接收，可得到下列数据：累加器 AXXXXXd7d6d5MSBLSB以上数据左移 5 位，并屏蔽低 5 位，送入累加器 A，得到如下结构累加器 Ad7d6 d5 00000MSBLSB进行（ A ）+（B）（A）运算，得到如下结构：累加器 Ad7d6 d5 d4 d3d2d1d0MSB LSB 从而得到一个完整的 8位 A/D 转换结果2）SPI串行接口方式SPI是 MOTOROLA 公司推出的一种同步串行外设接口， 允许 MCU 也各个厂 家生产工具的标准外围设备直接接口， 以串行方式交换信息。 SPI使用 4 条线与主 机（

51、 MCU ）连接：串行时钟 SCK，主机输入 /从机输出数据线 SO，主机输出 /从机 输入数据线 SI 和低电平有效的从机选择线 CS。SPI串行扩展系统的主器件单片机， 可以带有 SPI 接口，也可以不带 SPI接口， 但从器件必须具有 SPI 接口。P1.0DOP1.1DICH0P1.2CLKP1.3CSCH1A T 8 9S51ADC0832图 3-14 同步串行外设接口与主机连接图Figure 3-14 Synchronous serial Peripheral Interface connected to the host map23李超凡： 10kV 电力变压器状态参量监测系统设

52、计ADC0832 具有 SPI接口， AT89S51与 ADC0832 的SPI串行接口方式，将 D0 和D1分别连接于 P1.0和P1.1。对CH0通道的模拟信号进行 A/D 转换，转换结果 存于累加器 A 中。3.8 LCD1602 液晶显示部分本显示电路采用了液晶显示 (LCD) 模块，系统显示部分采用 LCD1602，具体 硬件电路图见下图 3-15。本设计采用 LCD1602 实时显示所测量的电压和电流的数 值，同时实时显示当前变压器的工作状态是否良好。包括温度传感器测量到的温 度信息。图 3-15 LCD1602 原理图Figure 3-15 Schematic diagram o

53、f LCD16021) 液晶显示简介液晶显示原理液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制， 有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模 集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式 电脑、数字摄像机、 PDA 移动通信工具等众多领域。液晶显示器的分类液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点 阵式等。除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。如果根据驱动 方式来分，可以分为静态驱动 (Static)、单纯矩阵驱动 (Simple Matrix) 和主动矩阵驱 动(Active Matr

54、ix) 三种。液晶显示器优点显示质量高 :由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮24辽宁工程技术大学毕业设计(论文)度，恒定发光， 而不像阴极射线管显示器 (CRT)那样需要不断刷新新亮点。 因此， 液晶显示器画质高且不会闪烁。简单、方便 : 液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠， 操作更加方便。体积小、重量轻 : 液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显 示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。功耗低:相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC 上，因而耗电量比其它显示器要少得多。2) 线段的显示点阵图形式液晶由

55、MN 个显示单元组成，假设 LCD 显示屏有 64 行，每行有 128列，每 8列对应 1字节的 8位，即每行由 16字节，共 168=128个点组成，屏 上 6416 个显示单元与显示 RAM 区 1024 字节相对应，每一字节的内容和显示屏 上相应位置的亮暗对应。例如 : 屏的第一行的亮暗由 RAM 区的 000H-00FH 的 16 字节的内容决定，当 (000H)=FFH 时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为 8 个点；当 (3FFH)=FFH 时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当 (000H)=FFH ， (001H)=00H，(002H)=00H， (00EH)=00H，(00FH)=00H 时，则在屏幕的顶部 显示一条由 8段亮线和 8条暗线组成的虚线，这就是 LCD 显示的基本原理。3) 字符的显示用 LCD 显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由 68或 88 点阵组成，既 要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示 RAM 区的 8 字节，还要使每字节的不 同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为 “0”的不亮。这样一来就组成某个字符。 但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工 作在文本方式，根据在 LCD 上开始显示的行列号及每行的列数找出显示 RAM 对 应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码