箱式變電站室內(nèi)溫度控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙慶文

（西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710032）

本項(xiàng)目主要是為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)一款無(wú)線(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)器，要求將站內(nèi)溫度采集發(fā)射控制器和室內(nèi)溫度接收上傳控制器放置于變電站站內(nèi)和監(jiān)測(cè)室室內(nèi)，可以在不停機(jī)狀態(tài)，對(duì)變電站站內(nèi)的溫度進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 描 述

室內(nèi)溫度接收上傳控制器放置于監(jiān)測(cè)室內(nèi)，主要由微功率無(wú)線(xiàn)模塊電路和串口通信電路組成。將微功率無(wú)線(xiàn)模塊接受到的溫度數(shù)據(jù)傳送給微處理器，微處理器經(jīng)過(guò)處理將溫度值通過(guò)溫度顯示電路顯示出來(lái)，與此同時(shí)將溫度數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信電路上傳至上位機(jī)。

2 設(shè) 計(jì)

本節(jié)將詳細(xì)闡述室內(nèi)溫度接收上傳控制器硬件設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容，主要包括：具體電路設(shè)計(jì)和原理闡述，其中電能供給電路、溫度采集電路、溫度顯示電路、主控制器電路、ISP接口電路已在 《箱式變電站站內(nèi)溫度采集發(fā)射器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》一文中詳細(xì)闡述，本文將不介紹，下面將闡述微功率無(wú)線(xiàn)模塊電路和串口通信模塊電路。

2.1 目 標(biāo)

室內(nèi)溫度接收上傳控制器硬件設(shè)計(jì)目標(biāo)為通過(guò)具體電路的搭建，保證室內(nèi)溫度控制器硬件的正常工作，即電能供給電路提供給各電路工作電壓，溫度顯示電路正常顯示站內(nèi)溫度，微功率無(wú)線(xiàn)模塊電路將接收來(lái)自站內(nèi)溫度采集器發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)經(jīng)主控電路處理后，傳送給串口通信模塊，經(jīng)此模塊上傳給上位機(jī)。室內(nèi)溫度控制器制作后如圖1、圖2所示。

圖1 站內(nèi)溫度采集發(fā)射器Fig.1 Gathering inside temperature transmitter station

2.2 微功率無(wú)線(xiàn)模塊電路

2.2.1 模塊性能及特點(diǎn)

圖2 站內(nèi)溫度發(fā)射器調(diào)試Fig.2 Station within a temperature transmitter commissioning

RF24L01模塊使用Nordic公司的nRF24L01芯片開(kāi)發(fā)而成，該模塊使用外置天線(xiàn)，采用2.4 GHz全球開(kāi)放ISM頻段免許可證使用，最高工作速率2 Mbps，高效GFSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合，125頻道，滿(mǎn)足多點(diǎn)通信和跳頻通信需要，內(nèi)置硬件CRC檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制，低功耗1.9～3.6 V工作，待機(jī)模式下?tīng)顟B(tài)為22μA；掉電模式下為900 nA，模塊可軟件設(shè)地址，只有收到本機(jī)地址時(shí)才會(huì)輸出數(shù)據(jù)，可直接接各種墊片及使用，軟件編程非常方便，內(nèi)置專(zhuān)門(mén)穩(wěn)壓電路，使用各種電源包括DC/DC開(kāi)關(guān)電源均有很好的通信效果，標(biāo)準(zhǔn)5*2 DIP間距接口，便于嵌入式應(yīng)用，工作于Enhanced ShockBurst具有Automatic packet handling，Automatic packet transaction handling，具有可選的內(nèi)置包應(yīng)答機(jī)制，極大的降低丟包率。

2.2.2 模塊結(jié)構(gòu)

RF24L01模塊管腳的具體功能如表1所示。

表1 管腳的具體功能Tab.1 Pin specific functions

2.2.3 工作方式

RF24L01有4種工作方式：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式、關(guān)機(jī)模式，工作模式由PWR_UP register、PRIM_RX register和CE決定，如表2所示。

表2 模塊工作方式Tab.2 Module works

2.2.4 串口通信模塊電路

無(wú)線(xiàn)模塊電路主要負(fù)責(zé)保證微功率無(wú)線(xiàn)模塊正常工作，起到溝通單片機(jī)和微功率無(wú)線(xiàn)模塊之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖饔茫娐吩韴D如圖3所示。

在無(wú)線(xiàn)模塊電路中，1腳和2腳接+3.3 V，9腳和10腳接地，7 腳 、5 腳 、3 腳 、4 腳分別接單片 機(jī) 的 PB0、PB1、PB2、PD和無(wú)線(xiàn)模塊的 CSN、SO、SI、SCLK，8腳和 6腳分別接單片機(jī)的 PD3、PD4和無(wú)線(xiàn)模塊的 GDO0、GDO2。

2.3 串口通信模塊

2.3.1 MAX232芯片

MAX232芯片，該芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的，包含兩路接收器和驅(qū)動(dòng)器的IC芯片，內(nèi)部有一個(gè)電源電壓變換器，可以把輸入的+5 V電源電壓變換成為MAX232輸出電平所需的+10 V電壓，從而實(shí)現(xiàn)RS-232電平和TTL電平轉(zhuǎn)換。

2.3.2串口通信電路

串口通信電路主要負(fù)責(zé)保證微串口通信模塊正常工作，起到溝通單片機(jī)和上位機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖饔茫娐吩韴D如圖4所示。

圖4 串口通信電路原理圖Fig.4 Serial communication circuit schematics

在電路的實(shí)際應(yīng)用中，C5、C6、C7選用0.1μF的非極性瓷片電容，而且要盡量靠近MAX232芯片，以提高抗干擾能力。

實(shí)際應(yīng)用中，T1IN、T2IN可直接連接TTL/COMS電平的單片機(jī)串行發(fā)送端TXD，R1OUT、R2OUT可直接連接 TTL/COMS電平的單片機(jī)串行接受端RXD，T1OUT、T2OUT可直接連接PC機(jī)的 RS-232串口的接受端RXD，R1IN、R2IN可直接連接PC機(jī)的RS-232串口的發(fā)送端TXD。

AVR的USART是一個(gè)增強(qiáng)型的、高度靈活的串行通信設(shè)備。USART收發(fā)模塊，分為：時(shí)鐘發(fā)生器、數(shù)據(jù)發(fā)送器和接收器。控制寄存器為所有的模塊共享。時(shí)鐘發(fā)生器由同步邏輯電路（在同步從模式下由外部時(shí)鐘輸入驅(qū)動(dòng)）和波特率發(fā)生器組成，發(fā)送時(shí)鐘引腳XCK僅用于同步發(fā)送模式下。發(fā)送器部分由1個(gè)單獨(dú)的寫(xiě)入緩沖器（發(fā)送UDR）、1個(gè)串行移位寄存器、校驗(yàn)位發(fā)生器和用于處理不同幀結(jié)構(gòu)的控制邏輯電路構(gòu)成。

3 結(jié)束語(yǔ)

完成了室內(nèi)溫度控制器的硬件部分設(shè)計(jì)和硬件電路的焊接工作，焊接完成后按照電路原理圖對(duì)電路中的每一個(gè)焊點(diǎn)和每一條導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行了檢測(cè)，確保電路的完整性和正確性。完成了室內(nèi)溫度控制器程序的編寫(xiě)、調(diào)試和燒錄工作，基本上實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

[1]張洪潤(rùn)，張亞凡，鄧洪敏．傳感器原理及應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2008．

[2]吳曉峰，陳大才．射頻識(shí)別技術(shù)[M]．3版.北京：電子工業(yè)出版社，2006．

[3]趙振兵，高強(qiáng)，李然，等.紅外測(cè)溫在變電站遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)通信，2005，26（150）:27-32.ZHAO Zhen-bing，GAO Qiang，LI Ran，et al.infrared temperature measurement in substation remote video surveillance system implementations[J].Telecommunications for Electronic Power System，2005，26（150）:27-32.

[4]湯健.淺談分布式光纖感溫線(xiàn)預(yù)警系統(tǒng)新技術(shù)在變電站中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古石油化工，2005（6）:14-17.TANG Jian.Application of distributed optical fiber temperature sensing line early warning system about the new technology in substation[J].Inner Mongolia Petrochemical Industry，2005（6）:14-17.

[5]錢(qián)祥忠.高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)接頭溫度在線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].儀器技術(shù)與傳感器，2007（2）:73-75.QIAN Xiang-zhong.Design of high voltage switchgear nipple line temperature measurement system[J].Instrumentation and Sensors，2007（2）:73-75.

[6]隋曉杰，宋守信.新型數(shù)字式電纜溫度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2005，23（5）：29-31.SUI Xiao-jie，SONG Shou-xin.Design and application of the new digital cable temperature detection system[J].Inner Mongolia Electric Power Technology，2005，23（5）:29-31.

[7]白莉媛，錢(qián)進(jìn)，張翼飛，等.基于AT89C51單片機(jī)的電纜接頭溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)學(xué)工程，2007，35（8）:134-136.BAI Li-yuan，QIAN Jin，ZHANG Yi-fei，et al.Temperature monitoring system，based on AT89C51 cable joint[J].Computer and Mathematical Engineering，2007，35（8）:134-136.

[8]張家偉.變電站高壓開(kāi)關(guān)柜接點(diǎn)溫度在線(xiàn)測(cè)溫系統(tǒng)研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2006.

[9]劉歆，王洪禮，高強(qiáng)，等.高壓變電站無(wú)線(xiàn)測(cè)溫預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[C]//第二屆全國(guó)先進(jìn)制造裝備與機(jī)器人技術(shù)高峰論壇，2007.