变压器油温预测控制研究

1、 毕业设计（论文）中文题目： 变压器油温的预测控制研究 英文题目： The Study of Temperature Control for Transformer Oil Based on Forecasting 北京交通大学毕业设计（论文） 第-51-页中文摘要变压器在当今的电力系统中起着十分重要的作用，因此保证变压器安全稳定地工作有着重要意义。变压器的油温是变压器运行过程中需要监控的重要数据之一，它反映了变压器的负载能力，同时也影响着变压器的使用寿命。本文通过分析变压器的发热、散热原理，从理论上推导了变压器顶层油温变化的数学模型，为后续对其进行温度预测控制奠定了基础。系统以灰色理论GM（

2、1,1）模型为理论基础，由当前温度和历史温度数据预测出一定时间之后的变压器顶层油温温度。通过判定条件控制风机的开启与关闭，以保证变压器顶层油温不越限，达到控制目的。本装置以51内核单片机为核心控制器件，以温度传感器DS18B20采集温度并通过数码管显示，除此之外上限温度可以通过数字键盘设定并显示。风机的启停控制利用继电器进行强弱电隔离，使变压器的任何干扰都不会威胁控制系统的运行安全。关键词：变压器，顶层油温，单片机，温度预测AbstractTransformer plays an important role in todays power system, thus ensuring tran

3、sformers security and stability of work has a great significance. The temperature of the transformer is a key data during transformer operation, and it decides the quantity of its load and the ability of its overload. Moreover, it has an effect on the transformer longevity. Through the analysis of t

4、ransformer heating and cooling principle, theoretically derived mathematical model of the change for oil temperature and laid the foundation for follow-up to its temperature predictive control. The equipment software has the function for temperature forecasting by GM(1,1). From the current temperatu

5、re and the historical data, transformer top oil temperature can be forecasted by us. The fans turn on or turn off can be controlled by us by determine he conditions to ensure that, the temperature of transformer oil is not more limited to the control purposes. The apparatus uses AT89C52 as the micro

6、controller. Digital temperature sensor DS18B20 is used to detect the current temperature. The relay is applied to control the cooling fan and keep a part of the weak and strong electrical. The measures have taken to make sure any jams coming from the transformer cant enter the system. Key words: Tra

7、nsformer, temperature, microcontroller, predictive-51-目录中文摘要IAbstractII第1章 绪论31.1课题背景及研究意义31.2国内外发展现状41.3本文所做的工作8第2章 变压器基本原理92.1引言92.2变压器工作原理92.3散热原理102.4温升计算112.5小结15第3章 系统硬件设计163.1总体方案设计163.2子模块设计173.2.1 中央处理器模块173.2.2测温模块183.2.3键盘输入控制与LED显示模块223.2.4冷却系统控制模块243.3硬件的抗干扰设计263.4小结27第4章 系统软件设计284.1引言2

8、84.2主程序流程284.3子程序流程304.3.1控制判断子程序304.3.2键盘扫描子程序314.3.3温度采集子程序334.3.4预测建模及其子程序354.4小结42第5章 系统调试435.1编程环境435.2系统仿真445.3整体调试455.4小结46第6章 结论47致 谢49参考文献50第1章 绪论1.1课题背景及研究意义电在人们的生产、生活中发挥着举足轻重的作用，而变压器作为电力系统中的一个重要设备在电力工程领域得到了广泛的应用，与其相关的各种新型变压器及其冷却技术也得到了快速发展。变压器在运行过程中会产生一定的损耗，这些损耗最终会转化为热能，使变压器本体各部件的温度高于环境温度，

9、如果变压器某一部件的温度超过材料的耐受温度，将缩短变压器的使用寿命或引起变压器的损坏 方大千，方立实用变压器维修技术 M北京:金盾出版社，2005，78-89, 张植保. 变压器原理与应用M北京：化学工业出版社，2007 。目前电网上运行的主要产品仍然是油浸式变压器。油浸式变压器在运行过程中，内部的绕组、铁心等部件会产生损耗。损耗的能量将转换成热量并通过变压器油的热传导和对流的作用传递给油箱壁 Peter F.Ryff, David .Platick, Joseph A.Kamas. Electrical machines and transformers: principles a

10、nd applicationsM. Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall,1997。该热量使得绕组、铁心、油箱壁和油面温度上升。而超过标准值的温度将影响到绝缘材料的寿命，因此，为了保证变压器长期安全、可靠、正常地运行，必须采用相应的冷却方式移走热量，把温升控制在一定范围内 姜伟滔. 变压器冷却系统的缺陷与改造J. 北京电力高等专科学校学报，2011，(10):65-65, 赵亮. 现代化变电所运行全书M北京:中国物价出版社，1999。变压器的冷却方式主要有以下三种 Glenn Swift, Tom S Molinski, Waldmar Lehn. A f

11、undamental Approach to Transformer Thermal Modeling-Part 1: Theory and Equivalent Circuit J. IEEE Transactions On Power Delivery, 2011,16（2）:32-35, G. Hoffman, T. C. Tennillea， M.R. Springrose. Thermal Stand protection for power transformersJ Alabama Power Conf., 1996,12(4):69-63：第一种是油浸自冷式，具体是采用管式油箱

12、，在变压器油箱壁上焊接扇型油管，增加散热面积，多用于中小型变压器，当变压器的容量超过2000KVA时，需要的油管多，箱壁布置不下时可以做成可拆卸的散热器，这种油箱叫散热式油箱。第二种是油浸风冷式，具体是在散热器的空档内装上电风扇，增加散热效果，采用这种冷却方式的变压器一般容量在5000KVA以上。第三种是强迫循环冷却式，具体是当变压器容量达到100MVA时，常用油泵使热油经过专门的冷却器冷却，然后再送到变压器油箱里。变压器在带额定负荷和投入冷却装置在环境+40下运行时，我国行标DLuT572-95规定 卓乐友. 电力工程电气设计手册M北京:水利水电出版社，1991，油浸风冷变压器的顶层油温不宜

13、经常超过65，油箱内上层油温最高允许在+85。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变压器的顶层油温不是一个固定的量，而是随着变压器的功率、周围环境温度、散热条件等诸多因素不断变化的，因此在变压器的运行过程中变压器的顶层油温也是不断变化的。及时掌握变压器油温的变化情况，适时开启变压器冷却设备，对于油浸式变压器的冷却控制有着十分重要的意义。1.2国内外发展现状在20世纪90年代以前，国际上一般采用风冷却器作为大型、特大型油浸式变压器热交换装置 Elmoudi, M. Lehtonen, H. Nordman. Effect of harmonics o

14、n transformer loss of lifeC Conf. Rec. IEEE Int. Symp. on Electrical Insulation,2006:408-411 。虽然冷却效率高，但由于油泵和风机不间断运行，存在着噪声大、辅机损耗率高和维护工作量大等缺点。用片式散热器来代替风冷却器和水冷却器，虽然没有噪声，但冷却效率低。存在安装占地面积大、冷却组数多及用油量大等问题。为解决上述问题，首先在欧洲出现了散热冷却器这种新型变压器 王龙屏. 变压器冷却系统的改进措施J. 电工电气，2011，(7):52-53, 沈洪. 强油导向风冷变压器冷却装置改造的应用J. 中国科

15、技博览，2011，(14):306-306, 纪留利.强油循环风冷变压器冷却系统的自动控制J. 福建电脑，2011，27(7):153-154。它以散热片为主同时配合风机和油泵，当变压器的负载较低时变压器处于油浸自冷状态，随着负载的不断提高，风机和油泵也将依次开启使变压器冷却。这种冷却方式在夜间城市用电量大幅下降时即可保证变压器的温度不会过高，同时也避免了过大的噪声，延长了风机和油泵的使用寿命。我国在20世纪60年代末至90年代初，水冷器较为广泛地应用于变压器行业。由于当时我国的机械制造水平有限，因此在使用水冷技术时对变压器的安全运行产生了很大的影响。在运行过程中就曾发生过冷却器冻坏、差压继电

16、器弹性模漏水、冷却器水管渗漏等问题。目前，国内电力系统除了部分水电厂和通风不满足要求的变压器仍然采用水冷却外，大量变压器已采用油冷却方式。这就对油温的监测和控制提出了较高的要求随着电力系统自动化技术及计算机微处理相关技术的迅速发展，给我们研制微机式温度预测控制装置创造了良好的条件。目前，现场变压器油温的测量大多数仍依靠温度计构成回路来实现，并没有采用单片机技术，少数无人值守变电站的变压器油温测控系统虽使用了单片机，但是装置的控制部分与变压器的运行部分没有完全隔离，经常将现场的干扰信号引入计算机系统，造成死机现象，不能全方位监视程序运行。传统冷却器控制系统存在以下缺点 李林，刘忠.变压器冷却风扇

17、自动投入故障的分析及改进J. 电力安全技术，2011,13(2):54-55, 何瑛华，楚淑玲.变压器冷却方式改造J. 科技创新导报，2010，（29）:36-36：1. 控制回路有继电器、接触器等独立的元件构成，控制回路复杂，集成度不高。2. 控制回路的温度传感器、负载电流传感器和时间继电器等精度较低，控制精度差。3. 控制回路复杂，而继电器、接触器等元件的接点数量有限，不能完全实现相互检测，控制逻辑不严密。4. 不具备智能接口，很难实现远程在线监视功能。除此之外，很多已投入使用的变压器油温监测系统是直接以变压器的上层油温 冯玉昌，李云阁，祁文治，等.750KV变压器顶层油温分布的分析J电网

18、与水利发电进展，2007,23(3):17-20作为冷却系统的启停信号。但变压器在运行过程中由于各种外界因素的影响，其上层油温并不能及时的反映真实的变压器绕组温度，因此在上述的监测系统中就存在不能及时对变压器进行冷却的问题，从而影响变压器的安全运行。为此人们开始尝试使用温度计来实时监测运行时的绕组温度来控制冷却系统的启停信号，以解决上层油温控制风机存在的滞后问题，但目前此方法还不够完善而且成本较高。目前，国内外对变压器工作状态温度的控制主要有以下几种方法 程晓东，顾黎明，周晨.智能变压器冷却控制系统的应用J. 2010，29(8):9-11：（1） 采用以变压器上层油温为散热冷却器启停控制信号

19、的控制回路据了解，国内的变压器通风控制回路大都是以变压器上层油温为风机的启停控制信号。在运行中，当变压器的负荷快速增加时，由于热惯性的原因，变压器上层油温需要经过较长时间才能反映出变压器绕组的工作温充，这往往可能错过及时采取有效措施来降低变压器油温的时机来保护变压器，而且回路本身也容易发生故障。（2） 采用通过测量变压器绕组温度来控制散热冷却器投切的方式大部分变压器的寿命的终结是因其失去了应有绝缘能力，而影响绝缘能力的最主要的因素是变压器运行时的绕组温度。使用绕组温度计来监测运行时的绕组温度有利于变压器达到预期的设计寿命；而且，如果以变压器绕组温度的高低来分级投切冷却器和油泵的话，无疑可以解决

20、由于上层油温滞后的问题。在国外，包括我国出口的一些变压器，普遍采用通过测量变压器绕组温度来控制冷却器的投切方式。但是，由于变压器的绕组温度直接测量在技术上有较大困难，并且这种方法的成本较高。（3） 利用“热模拟”方法 卢万烈变压器绕组温度测量的“热模拟”误差J变压器，1999，36(10):15-18来测量变压器油温所谓“热模拟”就是采用从变压器套管型电流互感器取得的与负荷电流成正比的附加电流流经复合变送器内附设的电热元件，产生温升，这样绕组温度计就会产生正比于附加电流的附加温升，从而获得变压器的绕组温度，进而控制变压器散热冷却器的运行。资料显示，“热模拟”技术只能获得静态条件下的变压器绕组平

21、均温度，而且绕组温度计的“热模拟”的准确度与产品的选型，工作电流的设置，环境温度的变化，温度计座结构等因素都有关。如果没有具备“热模拟”的一些必要条件，将得到与实际情况出入很大的热点温度，对运行控制毫无意义。（4） 使用红外技术对变压器的工作温度进行监测不同温度的物体通过红外成像技术显示出来的图像是不同的，利用这种方法可以实时地对变压器的工作温度进行监测，以确定什么时候启动冷却风机进行控制。该方法比较准确、快速，但直接测量实现起来有很大困难，成本较高，而且此方法容易受到诸多外界因素的影响，如太阳和背景辐射、环境温度、气象条件、发射率和运行状态等。上述分析可以看出目前对变压器顶层油温的测量仍然存

22、在一定问题。直接测量变压器的顶层油温会因为热传递的延迟而错过最佳冷却时机，而采用直接测量绕组温度的方法又存在很多技术上的问题，而且价格昂贵。因此采用一种对顶层油温进行预测的控制方案不仅可以避免技术上的复杂改动，而且可以及时对变压器进行冷却。在此基础上，本设计将采用灰色理论 易德生，郭萍灰色理论与方法M北京：石油工业出版社,2007进行预测控制的研究。灰色理论是一门研究信息部分清楚、部分不清楚，并带有不确定性现象的应用数学学科。传统的系统理论，大部分研究那些信息比较充分的系统。对一些信息比较贫乏的系统，利用黑箱的方法，也取得了较为成功的经验。但是，对一些内部信息部分确定、部分信息不确定的系统，却

23、研究得很不充分。这一空白区便成为灰色系统理论的诞生地。在客观世界中，大量存在的不是白色系统也不是黑色系统，而是灰色系统。因此灰色系统理论以这种大量存在的灰色系统为研究而获得进一步发展。灰色系统理论认为，尽管客观系统表象复杂，数据凌乱，但它总是有整体功能的，因此必然内涵某种规律。关键在于我们如何选择合适的方式挖掘利用它，弱化其随机性，展现其规律性。正因为变压器顶层油温受到包括环境温度、负载大小等多方面的影响，因此采用灰色预测理论可以有效的对变压器的顶层油温进行预测，以便及时开停冷却系统，保护变压器。1.3本文所做的工作本设计将对油浸风冷式变压器的发热、散热机理进行较为详细的分析；学习预测的原理，

24、并以变压器实时顶层油温为依据，以历史数据为参考值，预测变压器上层油温度变化，进而对变压器通风机的工作状况进行控制。首先以51单片机为核心 朱景伟，汪光由AT89C2051单片机构成的多点变压器油温巡回检测仪J电子技术应用，1998，24(12):8-10，构建整个系统的框架，采用数字键盘输入和动态LED数码管显示，简化硬件设计。在温度采集方面采用美国DALLSA公司生产的DS18B20高精度数字温度传感器，该传感器可把温度信号直接转化成串行的数字信号送入单片机。通过建立灰色预测模型对送入单片机的温度数据进行处理，以历史数据作为参考预测一定时间之后将要达到的温度，并与给定值进行比较，以控制冷却系

25、统的启动和停止。用英国Labcenter electronics公司出版的Proteus软件对单片机系统进行模拟仿真，并搭建和调试了实际系统。本论文所做的工作：（1） 掌握变压器的发热、散热机理和温度传感器的使用；（2） 设计相应的硬件；（3） 编制相应的软件程序；（4） 进行计算机模拟仿真 周润景，张丽娜，丁莉.基于PROTEUS的电路及单片机设计与仿真M. 北京:北京航空航天大学出版社，2010, 朱清慧，张凤蕊. Proteus教程M. 北京:清华大学出版社，2011；（5） 进行系统搭建和试验结果分析；第2章 变压器基本原理2.1引言变压器的顶层油温受所带负载及环境温度等因素的影响，由

26、于环境温度是随机的，并且变压器的功率也在不断变化，因此在运行当中变压器的油温变化曲线是非线性变化。由于各个参数之间相互影响，所以精确计算十分困难，在这种情况下采用一定的简化方法是十分必要的。变压器在带额定负荷和投入冷却装置在环境+40下运行时，我国行标DLuT572-95规定，油箱内上层油温最高允许在+85。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。目前大多数早期投入使用的变压器多采用温度继电器控制风机启停，但这种方法存在很大缺陷。当在变压器顶层油温处于温度继电器给定值附近时可能会造成继电器的频繁切换，降低继电器的使用寿命，并且在严重时可能会造成风机烧

27、毁，因此需要一种更加智能的控制系统以保证冷却系统的安全。本设计采用差值控制策略，可有效避免继电器频繁切换的问题，达到保护风机的目的。2.2变压器工作原理变压器是变换交流电压、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）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。当一个正弦交流电压U1加在初级线圈两端时，导线中就有交变电流I1并产生交变磁通1，它沿着铁芯穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路。在次级线圈中感应出互感电势U2，同时1也会在初级线圈上感应出一个自感电势

28、E1，E1的方向与所加电压U1方向相反而幅度相近，从而限制了I1的大小。为了保持磁通1的存在就需要有一定的电能消耗，并且变压器本身也有一定的损耗，尽管此时次级没接负载，初级线圈中仍有一定的电流，这个电流我们称为“空载电流”。如果次级接上负载，次级线圈就产生电流I2，并因此而产生磁通2，2的方向与1相反，起了互相抵消的作用，使铁芯中总的磁通量有所减少，从而使初级自感电压E1减少，其结果使I1增大，可见初级电流与次级负载有密切关系。当次级负载电流加大时I1增加，1也增加，并且1增加部分正好补充了被2所抵消的那部分磁通，以保持铁芯里总磁通量不变。变压器能根据需要通过改变次级线圈的圈数而改变次级电压，

29、但是不能改变允许负载消耗的功率。2.3散热原理油浸式变压器在运行中产生的损耗，包括空载损耗，以热的形式通过油、油箱壁和散热器散发到周围的空气中。变压器油在油箱内自然循环，将变压器绕组和铁芯的热量传递给油箱壁及散热管，然后，依靠空气自然流动将油箱壁及散热管的热量散发到大气中。变压器运行时，绕组和铁芯由于电能损耗产生的热量使油的温度升高，体积膨胀，密度减小，油自然向上流动，上层热油流经散热管、油箱壁冷却后，因密度增大而下降，于是形成了油在油箱和散热管间的自然循环流动，热油通过油箱壁和散热管散热而得到冷却。在这个循环中，热量从变压器油传给油箱和散热器内壁，由油箱和散热器内壁传到外壁，然后主要通过对流

30、和辐射形式散发到空气当中。大型油浸式变压器一般分为油浸自冷、油浸风冷、强迫油循环冷却以及强迫油循环导向冷却。在油浸风冷式变压器中，热量传递方式如图2-1所示。图2-1 变压器热传递示意图2.4温升计算变压器的发热和散热是一个很复杂的过程，为了实现对运行中变压器温升的准确测控，有必要找出变压器运行状态下温升的变化规律 刘国海，范建中变压器动态温升的模拟计算J江苏理工大学学报，2001，1(3):2-4。变压器发热的热源来自其本身的损耗，变压器的散热主要通过散热器散发到空气中去的，现做如下分析：（1） 变压器发热功率 (2-1) 式中 变压器的发热功率 变压器的铜损 变压器的铁损 (2-2)其中，

31、、分别为三相电力变压器的原边和副边的等效电阻和电流。 (2-3)、分别为三相电力变压器等效铁芯电阻和励磁电流。（2） 风机散热功率 (2-4)式中： 风机散热功率 空气比热 空气密度 风机排气温度 风机进气温度 风机单位时间的排气量（3） 变压器的辐射和对流散热 (2-5)式中： 变压器的辐射功率 变压器的对流散热功率 变压器的总换热系数 变压器温度 环境温度 变压器的等效冷却面积（4） 热平衡方程 (2-6) (2-7) (2-8) (2-9) (2-10)式中： 总热量增量 变压器发热源热量的增量 变压器辐射散出热量的增量 变压器对流散出热量的增量 风机散出热量的增量 变压器等效质量，变压

32、器确定时它的值也是确定的 变压器的等效比热联立式(2-5)(2-10)得： (2-11)整理(2-11)式得： (2-12)变压器温度为，环境温度为，则当时间从0开始到，变压器温度从升到，对(2-12)式积分得：(2-13)即： (2-14)设开始变压器对环境的温升是，时间对应的变压器温度对环境的温升为，则(2-14)式可变为： (2-15) (2-16)当时， （其中为稳定温升） (2-17)前面的公式(2-16)可以写成： ，其中 (2-18)式中： 时间t对应的变压器温度对环境的温升 开始变压器温度对环境的温升 为稳定温升 变压器的发热时间常数如图2-2所示，曲线反映的是变压器顶层油温升

33、的变化，变压器在某一负荷下，开始温升增大，经过一定时间后，温升达到最大值，然后缓慢下降，趋近于相对稳定的值。 图2-2 变压器顶层油温温升曲线实际上，由于变压器的负荷不是一个恒定值，因此，变压器的油温也不会一直稳定下来，变压器顶层油温变化可能是一个不断上下起伏变化的不规则的曲线。如果要准确的计算变压器运行中某一时刻的顶层油温，首先，经过经验得到该变压器的铁损，变压器发热时间常数，变压器铁芯、油、绕组的比热，还有风机的散热功率等，变压器在计算时的负荷大小也需要测量。毕竟变压器顶层油温是一个变化较缓慢的量，只要方法恰当，就能满足现场工程的需要。2.5小结经过以上分析可知，变压器顶层油温的变化并不是

34、简单的线性变化，因此用传统的最常用的最小二乘法并不能很好的满足预测需求。第3章 系统硬件设计3.1总体方案设计本设计将通过对油浸风冷式变压器的发热、散热机理的研究确定一种准确可行的控制方案。通过学习预测理论，选取合适的算法对变压器的顶层油温进行预测控制以保证变压器的安全运行。系统以51单片机为核心，通过数字温度传感器DS18B20采集顶层油温，并经过LED数码管显示。温度传感器采集的数据送入单片机后会进行储存，当储存一定历史数据后单片机会采用灰色预测算法对顶层油温的趋势进行预测，如果预测温度高于上限温度则单片机发出开启冷却系统信号。如果在冷却系统开启的情况下变压器温度仍然不断升高且实际温度超出

35、上限值则单片机会发出报警信号。除此之外系统还设有数字键盘输入模块，可以随时根据需要更改上限温度。整体硬件设计框图如图所示。图3-1系统硬件框图3.2子模块设计3.2.1 中央处理器模块该系统的中央处理器采用AT89C52单片机。AT89C52是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含有4K bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89C52

36、单片机可灵活应用于各种控制领域。 单片机引脚图如图3-2所示：图3-2 AT89C52引脚图AT89C52具有以下标准功能 谢维成，杨加国单片机原理与应用及C51程序设计M. 北京:清华大学出版社，2006：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 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，AT89C52 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

37、止，直到下一个中断或硬件复位为止。 该微处理芯片允许1000次重复擦写，若有必要改进和升级软件，只要将新程序重新写入即可，完全能够满足本设计的需要。3.2.2测温模块随着科学技术的发展，由单片集成电路构成的温度传感器由于其体积小且使用方便、无需变换电路等特点已经得到了广泛的应用，而且种类也越来越多，例如：AD590、LM35、DS18B20、DS1620等，并且测量的精度也越来越高，热响应时间也越来越短。DS18B20 刘畅生传感器简明手册及应用电路:温度传感器分册M西安:西安电子科技大学出版社，2006, 陈庆官高精度数字式单总线温度传感器DS18B20的使用J传感器技术，1998，23(1

38、7):14-17单总线数字温度传感器是美国DALLAS公司推出的性能优良的产品之一。DS18B20温度传感器可输出精度分别为9到12位（二进制）数字量来直接表示所测量的温度值，温度值是通过DS18B20的数据总线直接输入到CPU，无需A/D转换，而且读写指令以及温度转换指令又都是通过数据总线传入DB18B20，无需接外部电源。 DS18B20封装引脚图如图3-3所示。图3-3 DS18B20引脚图DS18B20内部结构如图3-4所示。图3-4 DS18B20内部结构示意图（1） DS18B20数字式温度传感器的主要特点􀂃 独特的单线型接口，只需要一个端口引脚沟通；И

39、707; 每个设备都有一个独一无二的64位串行代码存储ROM区􀂃 支持多点的能力，简化了分布式温度传感的应用􀂃 无需外部元件驱动􀂃 可由数据线供电，供电范围是3.0V至5.5V􀂃 工作温度从-55 °C至+125 °C （ -67 °F到257 °F ）􀂃 ± 0.5 °C的精度从-10 °C至+85 °C􀂃 温度计的精度是用户可选9至12位􀂃 转换温度至12位数字量需750ms（最大值）&

40、#1048707; 用户可自定义的非挥发性（NV公司）报警设置􀂃 报警搜索命令识别和地址，除温度以外的编程限制（温度报警条件）􀂃 软件与DS1822兼容􀂃 应用范围包括恒温控制，工业系统，消费电子产品，温度计，或任何热敏感系统当通过控制命令让DS18B20实施测量功能后，温度结果被DS18B20自动存储记事本中，最后可以通过读取命令将温度值从记事本中读出，而存入CPU的存储器中。高温和低温警报温度值存储于DS18B20的记事本，当警报命令不执行时，TH和TL值无任何意思。温度上、下限时可以通过用户编程来设置。（2） 工作原理DS18B20温

41、度测量工作过程，主要是通过计数器计数一个由温度系数较低的晶振在当前温度条件下所产生的脉冲个数，而这个计数器的计数周期则是由另一个温度系数较高的晶振所控制的。计数器的计数周期是预先设置在对应于-55那一档次，当外界温度高于-55时，则在计数器的计数时间结束以前，温度系数较低的晶振所产生的脉冲全部通过计数器，这时通过内部补偿电路重新设置新的温度值，再让温度系数较低的晶振所产生的脉冲全部通过计数器；如果刚好在计数时间结束时全部通过，则就得到个于当前温度值有关的值，再通过内部补偿就可以得到一个高精度的温度值。（3） 传感器温度输出标定温度与数字输出对应关系如表3-1所示。表3-1 温度值与数字量对应表

42、温度数字输出（二进制）数字输出（十六进制）+1250000 0111 1101 000007D0H+85*0000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00010191H+10.1250000 0000 1010 001000A2H+0.50000 0000 0000 10000008H00000 0000 0000 00000000H-0.51111 1111 1111 1000FFF8H-10.1251111 11110101 1110FF5EH-25.06251111 1110 0110 1111FE6FH-551111 1100 1001

43、 0000FC90H*上电复位时初始温度输出是+85温度传感器电路连接如图3-5所示。图3-5 温度传感器电路连接图3.2.3键盘输入控制与LED显示模块本设计扫描4x4键盘和六位数码管显示，因为正常情况下变压器的油温不宜超过75，所以键盘可设置最高2位数的上限值。输入两位数后按键盘上的确定键后，把读取的按键值转换成十六进制，并将温度上限数值显示在数码管上，同时存入单片机，用于与采集温度进行比较，这样用户可以实时地了解变压器工作温度允许达到的最高值。 按键设计如图3-6所示。图3-6 键盘扫描模块单片机P3.0P3.3连接按键的行，P3.4P3.7连接按键的列，P0口连接数码管作显示用。基本步

44、骤为通过键盘扫描法扫面键盘按下键的位置，在“键值表”中查找被按下按键的对应键值然后将其显示。本设计运用六位的数码管显示，每个数码管的8段是由单片机P1口控制亮灭，每个数码管的公共脚由P0经上拉电阻拉高后进行控制，如图3-7所示。图3-7 数码管显示模块显示数字0-9的8位二进制码如表3-1所示，其中“1”对应的笔画熄灭，“0”对应的笔画点亮。表3-2 二进制编码表显示码数字十六进制二进制DpGFEDCBA00xc00011111110xf90000011020xa40101101130xb00100111140x990110011050x920110110160x820111110170xf8

45、0100011180x800111111190x90011011113.2.4冷却系统控制模块风机控制模块采用强弱电隔离的方式，由单片机P2.7口产生高电平信号控制继电器的开启。本系统采用的是继电器型号为HK4100F，其主要特性如图3-8所示。图3-8 HK4100F特性该继电器的主要特性为：l 价格低廉l 具有一组转换一组常开一组常闭触点l 印制板式引出端l 密封型与半密封型两种封装方式电路连接图如图3-9所示。图3-9风机模块电路图由于继电器吸合的最小电流大于单片机引脚所能提供的电流，所以在单片机引脚与继电器之间用三极管做电流放大处理 李守成，李国国. 电工电子技术M.成都:西南交通大学

46、出版社，2002。当单片机的P27引脚输出高电平时三极管导通，+5V电源加到继电器线圈两端，继电器吸合，风机开始运转。3.3硬件的抗干扰设计电路板是微机测控系统中器件、信号线、电源线高度密集体，要求必须符合抗干扰的设计原则。特别是数字电路信号电平转换过程中可能会产生很大的冲击电流，并在传输线供用电源内阻上产生较大的压降，使供电电压跳动，从而形成严重的干扰信号，为降低冲击电流的影响，抑制这种干扰，本装置在各芯片电源线与地线端之间加接了去耦电容，以便随时充放电。去耦电容的选择并不严格，本装置单片机的晶振频率为12MHz，电容应置于电源入口处。 电路图如图3-10所示。图3-10单片机驱动电路冷却风

47、机的控制采用继电器控制，很好地将单片机系统的弱电与风机控制系统的强电隔离开来，防止了因风机启停不稳定而对测控系统带来电位的冲出，造成系统运行不稳或直接就死机。由于采取了以上必要的硬件抗干扰措施，保证了后续试验的正常进行。3.4小结本装置采用线性度优良的芯片组合采集温度信号，提高了转换的精度和线性度。采用AT89C52单片机实现了对冷却风机的智能控制，价格低廉，性能稳定，硬件设计合理，元器件选用恰当，各模块之间都能顺畅运行。第4章 系统软件设计4.1引言由于本设计数据处理过程会用到许多数学公式，并且有矩阵的运算，采用汇编语言很难实现其功能，所以本测控系统软件采用Keil-C51单片机C语言设计

48、徐爱钧，彭秀华. 单片机高级语言编程与uVision2应用实践M. 北京:电子工业出版社，2008，一定程序上简化了软件编写，而且逻辑性更强，降低了程序在运行过程中出现死循环和跑飞的可能性。在程序设计过程中，包括主程序、初始化子程序、键盘扫描及显示子程序、温度动态显示管子程序、DS18B20读/写温度子程序、温度分析子程序、风扇控制子程序等。 4.2主程序流程主程序的标号为MAIN，其主要功能是：调用各子程序、定值的记取、显示器代码生成、历史数据保存及控制功能的实现等功能。在主程序的运行过程中，首先将初始化程序，定义各变量和管脚状态，然后进行按键检测。如果检测到有按键被按下则运行按键扫描子程序

49、，若按键没有被按下则程序向下运行，执行温度采集操作。然后数码显示程序会将按键的输入数值和采集到的温度数值显示到数码管中，之后将采集到的历史温度数据通过灰色建模进行预测。最后将预测值和输入值进行比较，如果预测值超出设定值则单片机发出相应信号启动风机。流程图如图4-1所示。图 4-1 主程序流程图4.3子程序流程4.3.1控制判断子程序设预测的T时间后温度设为Wt，手动设置的上限温度为Wup启动冷却风机的判据： (4-1)此时就启动冷却风机，否则维持原来的状态不变。因为变压器的正常工作时油温是一个不断变化的量，并且油温也不会过低，为了保证冷却风却不会频繁启停，影响其使用寿命，可以简单的设定一个温度

50、下限值Wdown，在变压器油温下降过程中只要预测温度低于Wdown时就停止冷却风机。停止冷却风机的判据为： (4-2)如果本次预测温度值小于或等于温度下限值，就停止风机，否则维持原来的状态不变。当变压器工作于的温度范围时，依据判据冷却风机将保持原来的运行状态不变。为了防止温度变化过快，使风机的启动温度和温度下限过于接近，同是为了节约每次试验的时间，本设计设计选择温度下限值低于上限值10，每次采样间隔时间为500ms，同时为了满足现场不同温度的需要，本装置设计了由用户自定义温度上限值的功能模块。实现判断的程序流程如图4-2所示。图4-2 控制判断程序流程图4.3.2键盘扫描子程序首先给行输出“0

51、”，列输出“1”，然后读入列的状态，通过检查其状态来判断是否有按键按下。若有键按下，则相连的对应列变为“0”；否则仍为“1”。该子程序的具体步骤如下。1. 读入列值：P3.0P3.3输出“0”，P3.4P3.7输出“1”，消抖动后读入列值。2. 读入行值：P3.0P3.3输出“1”，P3.4P3.7输出“0”，然后读入列的值，此次不需再次去抖。3. 查询键值：根据按键的排列，列出键值表KEY_TABLE。将读入键值的行、列值存在一个8位寄器key里，然后逐个查询键值表，有符合值则输出该键值所在键值表KEY_TABLE中的序列，最后用数码进行显示。键盘扫描流程图如图4-3所示。图4-3 键盘扫描

52、流程图4.3.3温度采集子程序1.复位：首先我们必须对DS18B20芯片进行复位，复位就是由控制器（单片机）给DS18B20单总线至少480uS的低电平信号。当18B20接到此复位信号后则会在1560uS后回发一个芯片的存在脉冲。 2.存在脉冲：在复位电平结束之后，控制器应该将数据单总线拉高，以便于在1560uS后接收存在脉冲，存在脉冲为一个60240uS的低电平信号。至此，通信双方已经达成了基本的协议，接下来将会是控制器与18B20间的数据通信。如果复位低电平的时间不足或是单总线的电路断路都不会接到存在脉冲，在设计时要注意意外情况的处理。 3.控制器发送ROM指令：双方打完了招呼之后最要将进

53、行交流了，ROM指令共有5条，每一个工作周期只能发一条，ROM指令分别是读ROM数据、指定匹配芯片、跳跃ROM、芯片搜索、报警芯片搜索。ROM指令为8位长度，功能是对片内的64位光刻ROM进行操作。其主要目的是为了分辨一条总线上挂接的多个器件并作处理。诚然，单总线上可以同时挂接多个器件，并通过每个器件上所独有的ID号来区别，一般只挂接单个18B20芯片时可以跳过ROM指令。4.控制器发送存储器操作指令：在ROM指令发送给18B20之后，紧接着发送存储器操作指令。操作指令同样为8位，共6条，存储器操作指令分别是写RAM数据、读RAM数据、将RAM数据复制到EEPROM、温度转换、将EEPROM中的报警值复制到RAM、工作方式切换。 5.执行或数据读写：一个存储器操作指令结束后则将进行指令执行或数据的读写，这个操作要视存储器操作指令而定