智能绝缘子老化箱的设计

1、智能绝缘子老化箱的设计与研制摘 要随着我国经济的迅速发展，电能的需求大幅增长，我国实行了“坚持电网”建设和“西电东送”战略。由于直流输配电以输送容量大、线路损耗低等独有的优势而得到了迅速的发展，作为直流输电网的关键设备绝缘子的老化问题越来越得到重视。据有关数据统计，直流输电线路的年老化率要比交流高出一至两个数量级，这一问题严重的影响了电力系统安全稳定的运行，因此，绝缘子老化问题的研究成为了电力技术发展的趋势之一。绝缘子在电力系统中承担着机械支撑和电气绝缘的作用，但由于工作在户外，所以受环境影响较大，需要定期排查检修以更换损坏的绝缘子，而目前采用的都是人工排查的方法，这极大的加重了工作人员的任务

2、量和维护的成本。经过国内外的研究，提出了采用直流绝缘子老化实验的方法来研究解决绝缘子老化的问题。但是就目前而言，国内外对于绝缘子老化的实验设备开发较少，而且现有的设备都存在智能化不高、测量结果不够精确等问题，这些问题极大地制约了绝缘子老化和寿命的预估，导致电网的发展速度慢。因此，我在此提出了研究智能化直流绝缘子老化的实验作为本次课题。针对上述实验设备存在的问题，以及对于绝缘子的高温高压问题。本文重点研究了直流绝缘子的高温高压绝缘技术和无线通信技术，对绝缘子老化箱的绝缘结构和温度电压控制系统进行了设计，开发出了一套智能绝缘子老化实验系统。通过对绝缘子日常工作的环境进行模拟，测试其性能并对其进行改

3、进。关键词： 绝缘子；老化箱；智能控制；无线通信;The design and development of intelligent insulator aging CabinetAbstract With the rapid development of China's economy, electrical energy demand growth, our country has implemented the “strong gird” construction and “west-east gas transmission” strategy.Because of the d

4、c transmission and distribution to transport large capacity, low line loss of the unique advantage and got rapid development, as a key equipment of dc grid - insulator aging problem is more and more attention. According to the statistics, years of aging rate of dc transmission line to one or two ord

5、ers of magnitude higher than ac, this problem seriously affect the operation of the power system security and stability. So, the problem of insulator aging research become one of the electric technology development trend. Insulator in power system under the effect of mechanical support and electrica

6、l insulation, but due to work outdoors, so greatly influenced by the environment, need regular maintenance to replace the damaged insulator, and at present are artificial screening methods, this greatly increased the quota and maintenance costs. Through research at home and abroad, and puts forward

7、the dc insulator aging experiment method is adopted to solve the problem of insulator aging, but for now, at home and abroad for insulator aging experiment device development is less, and existing equipment have intelligence is not high, the problem of inaccurate measurement results, these problems

8、have greatly restricted insulator aging and life forecast, contribute to the development of power grid and slow speed. Therefore, I hereby put forward the research of intelligent dc insulator aging experiment as the subject.Aiming at the existing problem of the experiment equipment, as well as for h

9、igh temperature and high pressure problem of the insulator. This paper mainly studied the high temperature and high pressure of dc insulator insulation technology and wireless communication technology, voltage of insulator aging tank insulation structure and temperature control system is designed an

10、d developed a smart insulator aging experiment system, through the insulator, to simulate the daily work environment to test its performance and carries on the improvement.Key words: Insulator; Aging cabinet; Intelligent control; Wireless communication;III目 录中文摘要I外文摘要II第一章 绪论1引言11.1 绝缘子的相关介绍11.1.1 绝

11、缘子的描述11.1.2 直流绝缘子的老化问题21.1.3 直流绝缘子的老化实验方法21.1.4 绝缘子的检测方法31.1.5 本次设计的主要目的及内容5第二章 老化箱的相关介绍62.1 老化箱的概述62.2 智能老化箱的绝缘结构设计原则62.3 智能老化箱总体设计方案72.4 老化箱高压套管设计及选择82.5 老化箱内部绝缘结构及设计8第三章 智能老化箱温度控制系统设计93.1 温度控制系统的总体设计93.2 老化箱温度控制系统的硬件设计103.2.1 微处理器模块设计103.2.2 系统的实时时钟电路133.2.3 系统的复位电路133.2.4 无线控制模块设计133.2.5 按键模块设计1

12、63.2.6 温度控制模块设计173.2.7 系统的抗干扰设计173.3 老化箱控制系统软件设计183.3.1 软件编写注意事项183.3.2 主程序设计193.3.3 按键处理程序设计203.3.4 数据处理程序设计213.3.5 RAM数据保护程序设计223.3.6 复位程序设计22结 论24参考文献25致 谢26外文文献及译文27第一章 绪论引言1.1 绝缘子的相关介绍1.1.1 绝缘子的概述绝缘子是一种特殊的绝缘控件，能够在架空输电线路起到重要作用。早年间绝缘子多用于电线杆上面，慢慢发展成大型高压电线连接塔上的盘状绝缘体，它是为了增加爬电距离的，通常由玻璃或陶瓷制成，就叫绝缘子。绝缘子

13、在运行时不仅要承受工作电压作用，同时还要承受操作过电压和雷电过电压的作用，加之导线自重、风力、冰雪以及环境温度变化的机械荷载的作用，所以绝缘子不仅要具有良好的电器绝缘性能，同时还要具有足够的机械强度。绝缘子不应该由于环境、电负荷条件发生变化和各种机电应力而失效，否则绝缘子就不会产生很大的作用，就会损害整条线路的使用和运行寿命。绝缘子被广泛的应用于电力系统中，属于输变电线路及设备的外绝缘系统。架空输电线路和变电所的母线处于高电位，杆塔和其他连接的构件处于低电位，绝缘子将二者机械的连接起来同时还起到了绝缘的作用，保证了电能安全可靠地输送。避雷针、变压器、断路器等各种变电站的电气设备都配有瓷套、棒形

14、支柱等绝缘保护套，这些绝缘保护套也具有电气绝缘和机械固定两大作用。绝缘子可按电压等级、使用材料和功能进行分类。（1）按结构形式可分为针式绝缘子、棒式绝缘子和悬式绝缘子。（2）按功能不同可分为普通型绝缘子和防污型绝缘子。（3）按使用材料可分为瓷质绝缘子、钢化玻璃绝缘子和复合型绝缘子。（4）按连接方式可分为球型和槽型两种。（4）按承载能力大小可分为40、60、70、100、160、210、300、420、550KN等多个等级。我国目前在架空送电线路上使用的绝缘子主要有三种，即瓷质绝缘子、钢化玻璃绝缘子和复合型绝缘子。绝缘子的基本要求：（1）要具有良好的绝缘性能，使其在干燥阴郁的情况下，都能承受标准

15、规定的耐压；（2）绝缘子不但承受导线的垂直荷重和水平荷重，还要承受导线所受的风压和覆冰等外加荷载，因此要求绝缘子必须有足够的机械强度；（3）架空线路处于野外，受环境温度影响较大，要求绝缘子能耐受较大的温度变化而不破裂；（4）绝缘子长期承受高电压和机械力的作用，要求其绝缘性能的老化速度要比较慢，有较长的使用寿命；（5）空气中的腐蚀气体会使绝缘子的绝缘性能下降，要求绝缘子应有足够的防污秽和抵御化学气体侵蚀的能力。1.1.2 直流绝缘子的老化问题近年来，直流高压输配电在世界范围内得到了迅猛的发展，和交流输配电相比，直流输配电具有很多优点：不仅设备简单、输送容量大、线路损耗低，而且稳定性高、适合长距离

16、的输送。我国西部地区虽然经济落后但是电力资源丰富，东部地区经济发达但是电力资源紧缺，建设智能稳定型电网，我国实施了“西电东送”的措施，也因此大力发展了超高压直流输电事业。国产瓷绝缘子的年劣化率约为千分之一，玻璃绝缘子的自爆率约为万分之几。目前，从运行情况来看，有机合成绝缘子的运行可靠性较瓷、玻璃绝缘子好，但随着运行时间的增长，有机材料的老化劣势将逐步突出。绝缘子的劣化率属于后期暴露，随着时间延长，在机电联合负荷的作用下，其劣化率会逐渐增加；有机合成绝缘子由于有机材料本身的老化特性，其老化率及劣化率随着时间会增大。国外专业人士一般认为，玻璃绝缘件和瓷绝缘件的老化寿命为年左右，而有机合成绝缘子的老

17、化寿命不超过年。我们研究发现绝缘子有缺陷时伞裙放电、击穿甚至自爆。这种老化的绝缘子发生闪络后且有一定烧痕，开裂等。虽然在试验中仍然可能通过各项电气试验，但在一定的气候条件下，特别是湿度大、温度低的气候环境下，闪络的概率明显增大。据数据统计，直流输电线路与近似条件下的交流输电线路相比，前者的绝缘子老化率比后者高出了一到两个数量级，这严重地威胁了直流输电线路的安全稳定运行。所以，加强直流绝缘子老化机理的探索和研究，开展一系列相关的老化试验来检验其抗老化的性能，再根据实验得出的结果提出抑制直流绝缘子老化的方法是国内外面临的一项巨大挑战，这对于绝缘子的设计制造及输配电线路绝缘子的选型都具有实际意义。1

18、.1.3 直流绝缘子的老化试验方法目前，热破坏实验和离子迁移实验是国内外都比较认可的直流绝缘子老化实验，这两个实验方法都需要向被测试品施加一定的温度和电压来衡量它的抗老化性能。前者是考核直流绝缘子的耐高温能力，后者则是通过短时间内向被测试品通过其寿命内的全部电荷量，考验直流绝缘子的长期抗老化性能。（1）热破坏实验根据国家标准GB/T 19943-2004，首先将试验品放在老化箱内，即恒温箱内，在规定温度下进行预热至少8小时，此过程中连续记录老化箱内的温度值，温度不得下降到规定值以下。预热之后，在同样的温度下连续施加8小时的试验电压，同样需要温度不低于规定值。施加电压8小时后停止加热和施压，保持

19、老化箱箱门关闭，待绝缘子试验品静置30分钟后，对其施加试验电压并保持1分钟，若没有发生击穿或者破碎，则通过实验。（2）离子迁移实验根据国家标准GB/T 19943-2004，首先测量试验品在规定的温度下的体积电阻，为了保证测量数据的准确性，应将试验品表面的泄漏电流过滤掉，然后利用测得的电阻值依据给定公式计算出预期电荷量，接下来将老化箱内温度调节到实验温度，两小时后向试验品施加试验电压，此后每隔4小时测量一次实验品的泄漏电流，并根据测得的值计算出每日通过实验品的平均电荷量，待此平均电荷量的累加值达到与其电荷量时停止施压，试验品冷却之后对其进行直流干耐受实验，此期间试验品没有出现击穿损坏，或者发生

20、干闪络现象，则该试验品即为通过实验。1.1.4 绝缘子的检测方法针对绝缘子的运行状况，从电的角度，可分为非电量和电量两种检测方法，非电量主要有超声波检测法、激光多普勒震动法和红外热像仪法，电量主要有分布电压法、绝缘电阻法和泄漏电流法。超声波检测法是基于超声在从一种介质进入到另一种介质的传播过程中会在两种介质的交界面发生反射、折射和模式变换（纵、横波转换）的原理实现的。通过接收超声波发生器（称为换能器）发出的脉冲超声波在进入绝缘子介质和穿出绝缘子介质时的反射波来限定绝缘子的位置区间。当绝缘子出现“开裂”时，则在接收到的反射波的时间轴上将出现该缺陷的反射波，由时间轴上的该缺陷波的大小及位置，即可判

21、断出缺陷的绝缘子中的具体情况。激光多普勒震动法利用已经开裂的绝缘子的震动中心频率与正常时不同的特点，通过外力如敲击铁塔或将超声波发生器所产生的超声波用抛物型反射镜对准被测绝缘子或用激光源对准被测绝缘子以激起绝缘子的微小震动，然后将激光多普勒仪发出的激光对准被测绝缘子，根据对反射回来的信号的频谱分析来获得该绝缘子的震动中心频率值，根据该频率值判定该绝缘子的好坏。上述两种方法可以准确的检查出开裂了的绝缘子，对于具有“零值自爆”特性的玻璃绝缘子的在线检测更有效果。但是超声波检测法存在的耦合和衰减及超声波换能器的性能上的问题在远距离测试上目前仍然没有巨大的突破，尚处于摸索阶段，该类设备目前主要用于企业

22、生产的在线检测及实验室检定用途。激光多普勒震动仪体积庞大、笨重、使用及维修复杂、造价昂贵等缺点及两种检测法对未开裂的劣质绝缘子检测无效等问题，限制了这两种检测法的适用范围。利用绝缘子表面的热效应原理进行在线检测的红外热像仪法对于涂有半导体釉的防污染绝缘子的遥测相当有效。因此此类绝缘子在线带电运行时，正常绝缘子的表面电流较大、温度较高，而劣质绝缘子的表面温度要比正常绝缘子低好几度，用红外热像仪更加好识别。但是对于玻璃绝缘子或普通釉的瓷绝缘子，其正常表面温度比劣质表面温度仅相差1左右，在复杂的现场环境下，测量极其困难，而红外热像仪高昂的造价也让众多的用户对它的性价比难以接受。基于此，下面我们将重点

23、讨论电量法绝缘子的在线检测技术。分布电压检测法是一种传统的绝缘在线检测方法。近年来随着传感器技术的发展，该法也被赋予了新的内容。基于泡克尔斯效应的光纤电压传感器能在基本上不改变绝缘子串电场强度分布的情况下，准确测定各绝缘子的电压分布情况，克服了短路叉法、火花间歇法测量准确度低、读数分散性大的缺点，同时也消除了静电电压表法测量时会改变绝缘子串电压分布的不足。在信号处理方面，目前普遍采用将测量结果经光电转换后通过绝缘杆内的光纤传输到低压端，再转换成电信号读数或直接将测量结果转换成语言型号报出的方法。至于劣质绝缘子的判定，目前众多的理论研究及实验均已证明：正常绝缘子串的电压分布呈不完全马鞍型，即在每

24、串绝缘子中靠近导线侧的绝缘子承受电压最高，约为靠近接地端绝缘子承受电压的1.7倍3.0倍，而中间部分承受电压最低；但两相绝缘子之间承受电压之比则大致为1.11.3之间。因此，用相邻比较法即能较好地判断劣质绝缘子的存在。国内目前一般以相邻绝缘子电压比低于50%作为劣质绝缘子判断的标准，或用该绝缘子串上次所测电压分布相比较的方法判别劣质绝缘子。电压分布检测的特点在于直观、能准确地判断绝缘子性能的变化。利用信号光电转换的测量方法消除了以前测量方法的准确度不高、读数困难等缺点。但是，电压分布法操作起来仍然十分不便。虽然已研制出自爬式绝缘子检测仪,会减轻现场操作人员的劳动强度，但每次测量必须登杆才能完成

25、，操作人员的劳动强度依然较大、工作安全性较差的缺点仍然令这种方法难以得到广泛应用。绝缘电阻法是通过比较绝缘子的电阻值实现的。干净良好的绝缘子，绝缘电阻可达到1000M以上，而零值或低值的绝缘子，有时只有几M到几十M。根据这一特点，测量绝缘电阻和零值绝缘电阻的大小。方法是用高电阻接至带电绝缘子上，使测量绝缘电阻兆欧表处于地电位，从测得的绝缘电阻中减去高电阻阻值，即为被测绝缘子绝缘电阻值，这种方法具有高准确性的特点。但是该测量方法任务重、受气候影响较大、易误判。泄漏电流法是通过测量绝缘子泄漏的电流来判断绝缘子的情况，存在劣质绝缘子的绝缘子串中，受污闪影响绝缘子脉冲放电现象加剧，泄漏电流增大。根据线

26、路上存在劣质绝缘子时脉冲个数的增多、幅值增大的特点，利用高精度检测设备测得泄漏电流，通过信号处理，获得泄露电流平均值和峰值从而在低压端检出不良绝缘子。泄露电流法的主要问题在于传感器的选择、信号的提取和辨识、现场干扰的排除等。由于泄露电流在绝缘子正常时也可能产生，且随着输电线路电压值的波动变化，所以如何消除这些因素的影响、建立绝缘子劣化标准是该方法能否成功的关键。1.1.5 本次设计的主要目的及内容近几十年以来，我国的电力系统正在朝着大容量、超高特高电压方向发展，直流输电工程也在快速的进行着。但是目前国内还没有理想的绝缘子检测装置，现有的设备都普遍地存在着老化和落后的问题，测量出来的结果也不够精

27、确，以致影响了对于绝缘子寿命的评估，给国家电网的稳定运行造成了严重的安全隐患，还在一定程度上制约了我国绝缘子相关制造企业的发展进步。直流绝缘子老化箱主要是由高压电源和微弱电流测量系统组成，试验的关键是要在高电压强电场的环境下准确的测量绝缘子试验品的泄露电流，此电流为微安级别，极易受到外界的干扰，这就对实验装置提出了更高的要求。目前，高压电源技术和微弱电流检测技术都比较成熟，相关的设备比较先进，智能化程度也较高，然而对于绝缘子老化箱的开发却被人们忽视。目前使用的老化箱都是传统的老化箱，实验过程中老化箱既要为试验品提供高温环境，自身还要承受上万伏的高压，如果没有经过严格的绝缘结构设计，很难长时间稳

28、定的运行，更不可能保证不对泄露电流的精准度产生影响。本次设计的主要目的是开发出一种具有优良绝缘结构的智能型老化箱，用于在人工实验室开展直流绝缘子老化实验，这种对于推进直流绝缘子老化机理的研究、寻找抑制其老化的方法并对其进行寿命预估具有重大意义，对于直流输电线路外绝缘的设计维护也具有重大的参考价值。同时，该装置也可面向各大高校电气实验室、绝缘子设计制造企业，还可用于实验研究教学及绝缘子的快速检测，具有广阔的需求和市场前景。第二章 老化箱的相关介绍2.1 老化箱的概述老化试验箱是一种产品总称，老化试验箱包含：臭氧老化、紫外老化、氙灯老化、换气式热老化、高温盐雾腐蚀老化、高压老化等众多老化试验方式。

29、老化箱可以快速鉴定和评价出各种材料的性能防护方法，并使该种材料的问题提前暴露出来，进而采取有效的防老化措施，以提高各种产品的使用寿命。2.2 智能老化箱的绝缘结构设计原则绝缘结构是电气设备的重要组成部分，绝缘结构是指绝缘部分的结构形式，由一种或多种绝缘材料组合而成。在电气设备中，绝缘结构通常受损破坏最为严重，据权威部门统计数据显示，电力系统50%80%的停电事故都是由绝缘问题引发的，给国民经济各部门都带来了巨大损失。因此，保障电气设备的安全稳定的运行，设计出合理可靠的绝缘结构是电气设备制造的重中之重。绝缘结构设计的目的和任务是通过合理的选择材料制造工艺，将多种绝缘材料按照一定的方式优化组合，发

30、挥出绝缘结构的最大效果，以满足使用要求和电气设备的运行要求。绝缘结构设计务必要充分研究电气设备的工作环境，分析设备运行过程中有哪些因素会对绝缘部分产生影响。绝缘部分的老化甚至是结构的失效通常不是单一因素作用的结果，而是多方面因素（如：电、热、机械、环境等）综合导致的。因此，设计绝缘结构必须深入研究综合影响因素，保证设计的准确和理性。2.3 智能老化箱总体设计方案本次设计的直流绝缘子智能老化箱的组成包括高压引入电极、钢制箱壳体、试验品绝缘支架和温度控制系统，其中老化箱内部工作室用来放置实验品，温度控制系统用来控制温度的高低变化，最高可达100，为了保证恒温，在箱体外壳和内部结构之间填入了保温硅棉

31、，箱门处设置了可以观察工作室的窗口。在进行直流绝缘子老化实验时，需要将一直流高压通过屏蔽电缆从上方引入到智能老化箱内，施加在高温绝缘子试验品的高压端，在直流高压的作用下绝缘子试验品会产生泄露电流，此电流通过信号引出线被引出箱体供采集使用。通过上述试验过程可知，对老化箱可靠运行构成威胁的因素有两个：高压引线和带电的绝缘子试验品，这两者可能会对老化箱的上壁和老化箱内部放电进而导致闪络或者击穿现象。因此，需要设计高压直流套管，高压直流套管可以对高压引线起到绝缘和固定的作用。该实验的最终目的是为了采集绝缘子试验品的泄漏电流，此电流极小，为纳安级到微安级。绝缘子试验品表面的局部放电、无线电通讯及随机噪声

32、可能都会对该数据产生干扰，所以为了得到准确的测量结果，信号引出线也需要进行绝缘屏蔽设计。智能老化箱的整体结构图如图所示，高压套管安装在老化箱上部，直流高压经此引入到老化箱内部，然后连接在绝缘子试验品的高压端。老化箱内部左侧的是温控表和风扇，下方的是传感器、加热丝及后文中将要介绍的手持式的温度控制器共同构成了智能老化箱的温控系统。老化箱内部下方的是信号引出线，信号引出线连接在绝缘子试验品的低压侧，泄漏电流由此流入到数据采集系统。2.4 老化箱高压套管设计及选择 当高压载流导体引入或引出电气设备的金属外壳或穿过墙壁时，需要用到能绝缘和机械固定的高压套管。以绝缘结构和材料的不同为依据，高压套管可以大

33、致分为三种类型，如下表所示：单一绝缘套管的电压等级相对较低，纯瓷套管主要用于35KV及以下穿墙套管和10KV及以下的电器，树脂套管主要应用于组合类电器。超高压和特高压等级的用电设备均采用复合式套管或者电容式套管，这两种类型的套管的绝缘性能较为稳定，而且耐受电压值较高。电容式套管是以油纸、胶纸为主要绝缘，并以电容均压极板来均匀径向和轴向电场分布的复合绝缘材料套管。油纸套管和胶纸套管的内部绝缘在结构上几乎没有区别，都是以绝缘纸包绕在中心导杆上，到一定尺寸时再放置用来均匀电场的铝箔极板。由于绝缘材料和制造工艺的不同，油纸套管和胶纸套管均有自己的特性，如下图所示：通过以上对比可知，油纸套管的局放起始电

34、压较高，而且介质损耗因数和温度系数低，材料工艺也易于掌握，所以油纸套管的各方面都较为便利。本次设计采用的是油纸套管来保护和绝缘引入高压线。2.5 老化箱内部绝缘结构及设计直流高压引入到老化箱内部后将被施加在绝缘子试验品的钢脚上，为了防止该高压端放电对老化箱内部造成危害，所以应对老化箱内部进行绝缘设计。在老化试验的过程中，试验品的低压端和信号引出线相连接，为了保证实验数据的准确性，实验中绝缘子试验品应该与老化箱内部下方绝缘。所以设计出了试验品的绝缘支架。该绝缘支架采用的是耐高温的复合材料制成，同时还可以支撑起绝缘子，并对其进行屏蔽。设计结构如下图所示：几十千伏的试验电压会对微弱的信号产生较大的干

35、扰，影响测试数据。所以信号引出线也要进行绝缘屏蔽设计。一般采用的是良好接地的铜、铝或铁板来实现电磁屏蔽，考虑到铝受热后容易变形，耐温系数较低，铜和铁的屏蔽效果相差无几，但是铜的价格较贵，因此，我们选择铁板作为该次试验的屏蔽材料铺设在老化箱内部。第三章 智能老化箱温度控制系统设计3.1 温度控制系统的总体设计为了快捷有效的控制老化箱内部的老化温度，并保证实验人员的安全。本次设计中为老化箱设计了基于无线传输模式的温度控制系统，设计目标为：老化箱内部工作环境温度为100，精度要达到±1。整个无线温度控制系统分为两个部分：手持端部分和执行端部分。手持端部分是由人工控制的，用来控制调节老化箱内

36、部的工作温度，由微处理器模块、无线通信模块和按键模块组成。执行端部分是用于执行手持端部分发出的设置信号，完成老化箱内部的温度调控。该执行端部分由微处理器模块、无线通信模块和温度调节模块组成。老化箱无线温度控制系统的结构图如下图所示：如图所示上半部分为无线温度控制系统的执行端部分，下半部分为手持端部分。该系统的工作原理为：系统上电之后，手持端的按键信息经MCU处理后通过无线传输模块送到执行端的无线传输模块中，然后执行端的MCU进行处理后驱动温度调节系统，从而实现了温度的远程控制与实时监测。3.2 老化箱温度控制系统的硬件设计3.2.1 微处理器模块设计微处理器模块的设计包括微处理器型号的选择、时

37、钟电路和复位电路的设计。根据本次设计要求，初步选择了几款单片机，经过性能和价格的对比，我们最终选择了由STC公司生产的STC89C52型单片机作为处理器。STC89C52 是一种低功耗、高性能的8位微控制器，具有8K字节的可编程Flash存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、高效率的解决方案。STC89C52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O

38、口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8位微控制器8K字节在系统可编程Flash。如上图所示，STC89C52一共有40个引脚，按照功能可以大致分为电源类引脚和时钟类引脚、I/O接口引脚、编程控制类引脚，各引脚的功能分别为：VCC(40引脚)：电源电压VSS(20引脚)

39、：接地P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节;在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P1 输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流(IIL)。此外，P

40、1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和定时器/计数器2 的触发输入(P1.1/T2EX)，具体如下表所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。引脚号功能特性P1.0T2（定时器/计数器2外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器2捕获/重装触发和方向控制）P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流(IIL)。在访问外部程序存储器或用16位地址读取

41、外部数据存储器(例如执行MOVX DPTR)时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址(如MOVX RI)访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流(IIL)。RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE

42、/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。PSEN程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号，当STC89C52由外部程序存储器取指令(或数据)时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器时，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H-FFFFH)，EA端必须保持低电平(接地)

43、。3.2.2 系统的实时时钟电路时钟电路是微处理器必不可少的设备之一。系统时钟是由振荡器(信号源)、定时唤醒器、分频器等组成的电路。常用的信号源有晶体振荡器和RC振荡器。时钟是嵌入式系统的脉搏,处理器内核在时钟驱动下完成指令执行,状态变换等动作。外设部件在时钟的驱动下完成各种工作,比如串口数据的发送、A/D转换、定时器计数等等。因此时钟对于计算机系统是至关重要的，通常时钟系统出现问题也是致命的，比如振荡器不起振、振荡不稳、停振等。在本次设计中选用了片内时钟振荡的方式，在XTAL1和XTAL2这两个引脚外接12MHz的晶振和30pF的振荡电路，如下图所示：3.2.3 系统的复位电路复位电路可以让

44、微处理器在处于恶劣环境中使用造成系统进入死循环或者程序跑“飞”的情况下让微处理器从头执行程序。因此，复位电路是系统所必须的。本次设计中看门狗电路是一个必要的电路，用来捕获和复位已经失去了控制的处理器。本次设计的复位电路如下图所示，同时具备手动复位和自动复位的功能，图中S1为手动复位按钮。3.2.4 无线控制模块设计在绝缘子老化的过程中，老化箱一直通有高电压，所以当其内部的温度需要改变时，实验人员就必须得要触碰箱体温控仪表上的按钮，为了保证实验人员的安全，防止发生触电事故，实验人员必须要与高压电保持一定的距离，但实验过程中老化箱温度的调节又是一项必要的工作。所以，在本次设计中设计了基于无线通信模

45、式的温度控制系统。（1）无线通信模块的选择短距离通信是指发送和接收双方在几十米的较小范围内，以电磁波为载体，在空气中进行传播。在这种短距离通信中，比较流行的是蓝牙通信、红外传输通信、WIFI通信以及基于射频芯片nRF2401的无线模块，这几种短距离的无线通信技术均有其自身的优缺点。蓝牙通信：它的传输距离为10cm10m，如果增加功率或是加上某些外设便可达到100m的传输距离。该技术功耗低、对人体危害小，而且应用简单、容易实现，所以易于推广。红外传输通信：采用红外技术的产品有方向性，发射器必须对准接收器，并且中间不能有阻挡物。距离一般不超过7米、不受电磁干扰,红外类产品的优势是产品成本低、价格便

46、宜。WIFI通信：速度快，可靠性高，在开放性区域，通讯距离可达305米，在封闭性区域，通讯距离为76米到122米，方便与现有的有线以太网络整合，但是其通信协议复杂，且价格较贵。nRF2401模块：芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便，掉电模式可以很容易的实现低功耗需求。蓝牙和WIFI的通信协议比较复杂，开发起来比较困难；红外传输的通信距离比较短，有接收角度的限制而且通信过程中不能有障碍物阻挡。与上述三种传输方式相比nRF2401无线传输模块很合适，nRF2401功耗和价格都略低，虽然在传输速度、通信距

47、离和抗干扰方面不是很强，但是也足够满足实验需求。所以，通过以上比较，本次设计采用了性价比较高的nRF2401无线传输模块。（2）nRF2401芯片及其模块简介nRF2401是由Nordic公司出品的单芯片无线收发芯片，工作于2.4GHz2.5GHz的全球免申请（ISM）频率。芯片包括一个完全集成的频率合成器，功率放大器，晶体振荡器和调制器。发射功率和工作频率等工作参数可以很容易的通过3线SPI端口完成。极低的电流消耗，在-5dBm的输出功率时仅为10.5mA，在接收模式时仅为18mA。掉电模式可以很容易的实现低功耗需求。nRF2401芯片尺寸为25mm²，共有24个引脚，采用QFN封

48、装模式，其封装如图：nRF2401芯片各引脚功能描述：基于nRF2401芯片的无线模块的外形尺寸为21.5mm×20mm，已配置好芯片工作所需的外围元件。nRF2401无线通信模块一共为用户提供了16个接口，其示意图如下：3.2.5 按键模块设计非编码按键有两种：独立按键和矩阵按键。独立按键的编程相对来说较为简单，但是每一个独立的按键都需要占用一个I/O接口；矩阵按键的编码较为复杂，但它不需要占用很多的I/O接口，该种编程方法适合于按键较多的情况。本次设计中只需要四个按键来改变设定的温度值，这四个按键分别为set、+、-，set是温度设定键，是位移键，+、-分别为数量加和数量减。由于

49、本次设计中所需要的按键数量并不多，所以本次设计采用的是独立按键模式。在按键的过程中可能会产生按键抖动，为了消除这种抖动，我们可以通过软件编程来实现，但是考虑到nRF2401对时序要求很严格，为了不影响按键的正常使用，抖动还是要消除，我们在这里选择硬件消除的方法消除，采用HCF40106，如图所示为按键模块的电路设计：3.2.6 温度控制模块设计老化箱内部选用电热丝进行加热，总功率为3KW，温度变化范围为室温到100之间，精度为±1，为了使内部各点的温度均匀，其内部采用了风扇进行均匀加热。其加热模块电路设计图如图所示：本次设计选用的是XMT6000型智能温度调节仪表对温度进行测量和控制

50、，如图所示电路，在电源开关闭合后，传感器开始采集当前温度，温控表对设定温度和当前温度进行比较，当前温度小于设定温度时，交流接触器触点KM吸合，电热丝进行加热，当前温度达到设定温度时，触点KM断开，加热回路就断开了。3.2.7 系统的抗干扰设计在这次实际试验中，由于现场的情况比较复杂，在现场不仅有弱电设备，而且还有许多的强电设备；不仅含有数字电路，还有模拟电路，形成一个强电与弱电、数字与模拟共存的现场。高速变化的数字信号有可能形成对模拟信号的干扰；此外，在强电设备中往往有电感、电容等储能元件，当电压、电流发生强烈变化的时候就会产生很大的干扰，而这些干扰会对电子元器件产生很大的干扰和危害，这也是导

51、致设备运行异常、故障死机的主要原因。由于对整个单片机系统的结构要求简单轻便，这就要求单片机应用系统既有较强的抗干扰能力，而且还不能占用较多的硬件资源。所以要考虑以下一些问题：（1）选择合适的元器件元器件是构成部件或系统的基础。对于这次设计，我们需要选择那些集成化程度高，抗干扰能力强，功耗小的电子器件。（2）元部件的精密度与布局调整元器件的精度和位置布局是保证系统完成既定功能和电磁兼容性能的重要保证，所以在系统的试验阶段，应对元器件及部件进行精密校正与布局的优化。（3）采用硬件抗干扰技术采用硬件抗干扰技术是设计系统时首选的抗干扰措施，硬件抗干扰技术可以有效地抑制干扰源，阻断干扰传输通道。只要布局

52、合理，硬件抗干扰措施就能抑制系统绝大部分的干扰。（4）采用软件抗干扰技术尽管我们采取了硬件抗干扰措施，但由于干扰信号产生的原因很复杂，而且具有很大的随机性，很难保证系统完全不受到干扰。所以，不仅需要硬件抗干扰措施，还需要软件抗干扰技术加以补充。（5）拦截技术所谓的拦截技术，就是指将乱飞的程序引向指定的位置，再进行出错处理。通常采用软件陷阱的方法来拦截乱飞程序。所以要先设计出合理的软件陷阱，然后再将其放置在合理的位置上。其工作原理是：当乱飞的程序进入非程序区时，冗余指令将无法起到作用。但是通过软件陷阱，拦截乱飞程序，并将其引向指定的位置，然后进行处理。软件陷阱将捕获的乱飞程序引向复位入口地址的指

53、令，这样便可以终止本次运行，然后重新开始下一次运行。（6）软件“看门狗”技术如果失控的程序进入了死循环，通常可以采用“看门狗”技术使程序脱离“死循环”。该方法是通过判断程序循环运行的时间，若发现程序运行的时间超过了最大循环运行的时间，则认为其陷入了死循环，就将其进行出错处理。3.3 老化箱系统软件设计3.3.1 软件编写注意事项为了提高微处理器测控系统运行的可靠性，除了采取指令冗余、软件陷阱、“看门狗”技术之外，在编写程序时还需要注意以下几点：（1）尽可能地采用单字节指令，以减少因干扰而导致程序乱飞的机率。（2）尽可能少用堆栈指令。虽然程序运行中经常会用到堆栈指令，但是堆栈指令较容易受到干扰而

54、导致出错，堆栈操作的次数越多，出错的几率也会越大。所以，在使用堆栈操作指令时，不能使用太多，还应减少子程序的个数，特别注意不要使子程序嵌套层次过多。从抗干扰的角度来看，栈区的设置应该远离程序区、数据区，最好单独设置，避免影响程序的其他部分。（3）硬件“看门狗”电路，定时输出清除脉冲最好不用内部定时器的中断方式，因为CPU有可能会因干扰使主程序陷入死循环，但定时器中断仍然发生，继续发出清除脉冲信号，使“看门狗”电路失效。3.3.2 主程序设计本次设计的主程序部分分为手持端主程序和执行端主程序。手持端通过按键向执行端发送消息，执行端接收信息后会驱动相应的继电器吸合，通过继电器的吸合动作来完成老化箱

55、内部的升温。智能温控仪表会将设定好的温度与老化箱内部测得的当前温度进行比较，从而决定控制电热丝的继电器是否吸合，从而实现了无线控制温度的变化。如下图所示为手持端主程序的流程图：如上图所示，在nRF2401通电以后，无线模块进入待机状态，然后微处理器通过I/O接口将配置写入nRF2401，使其工作在判断模式下。然后微处理器开始进行按键检测，若检测不到按键被按下则微处理器一直执行按键检测；如果微处理器检测到了按键被按下则开始向执行端发送相应的按键编码，发送完毕后再回到判断模式。如上图所示为执行端主程序流程图，在nRF2401通电以后，先对其进行工作参数的配置，使其进入判断模式。然后微处理器开始进行

56、数据检测，若检测不到数据则继续进行检测。如果检测到了数据，则将接收到的数据赋给P1，然后控制电热丝的继电器将会吸合50ms之后断开。微处理器将再次回到判断模式。3.3.3 按键处理程序设计本次设计中，手持端共有四个按键，分别为设定键set、位移键、加号键+、减号键-。每按下一个键后，手持端的无线模块就会向执行端的无线模块发送一个代码，按键处理流程图如下图所示：3.3.4 数据处理程序设计执行端无线模块接收数据后，微处理器将会对此代码进行分析判断，之后会使相应的I/O口输出50ms的低电平来让相对应的继电器短暂吸合，由于继电器跟老化箱温控仪表上的温度设定键是并联的，所以继电器的短暂吸合等效了按键的过程，实现了温度设定值的改变，其数据处理流程图如下图所示：3.3.5 RAM数据保护程序设计单片机外部的RAM保存有大量的数据，这些数据的写入使用的是“MOVXDPTR,A”指令来完成。当CPU收到干扰而非法执行该指令时，就会改写RAM中的数据，导致RAM中的数据丢失。为了减少这种可能性，可在RAM写操作之前加入