基于51單片機的PT100鉑熱電阻在配網溫度監控中的應用

鄭晴蝶

摘要：在工控領域，溫度指標是一個重要的參數，溫度的高低從某些方面反映出了設備的運行狀態。在電網運行中，線路溫度在一定程度上反映了線路負荷情況，線路溫度過高將加速線路老化，甚至熔斷，因此對于線路溫度的監測對于防范線路因過負荷或接觸不良而導致的故障有重要意義。

關鍵詞：51單片機；PT100鉑熱電阻；配網；溫度監測；溫度指標；電力系統 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP212 文章編號：1009-2374（2016）31-0037-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.31.019

1 概述

目前，在電網行業獲取配電變壓器的出線接頭溫度的方法是通過紅外電子槍獲取的，這種傳統的方法存在耗時長、花費人力大、實時性差等問題。本文針對傳統方法存在的問題，提出一種全新的溫度采集方法，即通過現場采集，再通過無線設備傳送到遠程終端的方法。該種方法分兩部分：一是現場采集部分；二是遠程終端部分。本文主要針對現場采集部分，即基于單片機的PT100鉑熱電阻的溫度采集系統。

2 工作原理

2.1 系統結構

如圖1基于單片機的PT100鉑熱電阻的溫度采集系統，系統通過PT100采集溫度，將溫度的變化轉換成PT100阻值的變化，再通過外接電路，將阻值變化轉換成電壓值的變化，通過電壓型A/D（模/數轉換器）采集，將模擬信號轉換成數字信號，由單片機進行數據處理，再通過無線模塊發射出去，同時系統通過太陽能電池板和鋰電池結合供電的方式。這樣系統可直接安裝在配電變壓器出線接頭上，不必考慮絕緣問題，避免造成電力系統接地故障。

2.2 溫度采集原理

系統采用的溫度傳感器是一種阻值隨溫度升高而升高的鉑熱電阻PT100，該傳感器在室溫為0℃時對應阻值為100歐姆，且其阻值隨著室溫的變化呈現出線性關系，利用這一特性，通過測量PT100的阻值，再通過計算便可得出環境溫度。該傳感器在環境溫度

-200℃～+200℃之間的阻值都大致呈現出線性規律，而配網變壓器出線接頭在正常運行狀態下的溫度不會超過該范圍，因此用該傳感器來測量配網變壓器出線接頭的溫度完全適用。PT100溫度傳感器輸出信號與溫差之間有一給定的連續函數關系，其阻值與溫度的關系如圖2所示：

3 電路設計與軟件設計

3.1 電路設計

3.1.1 電源部分。電源設計如圖3所示，J1為太陽能電池板接口，J2為電池接口，D1為二極管，防止電池向太陽能電池板反充電，在光線充足的情況下由太陽能電池板供電并向電池充電，而光線不足時由電池充電，S1為開關，VR1為電源穩壓芯片，將電壓轉換成3.3V。

3.1.2 PT100電橋采集部分。如圖4所示為系統PT100電橋電路。

R1、R2、R7為三個高精度阻值電阻，R6為PT100溫度傳感器，R1、R2、R6、R7組成一個電橋，AD620BR為一個高精度的運算放大器，這里只做電壓跟隨器作用，不對電橋輸出電壓進行放大。由于運算放大器具有高輸入阻抗的特性，可視為R3、R5分流電流為0，那么A、B兩點間的電壓差為UAB=R2，由圖1可得出PT100阻值與溫度對應函數關系為：

（1）

式中：y為PT100阻值，單位Ω；x為溫度，單位℃。

由圖4電路可得：

（2）

由式（1）、式（2）可推導溫度值。

3.1.3 單片機最小系統。基于51單片機的PT100鉑熱電阻的溫度采集系統選用的控制芯片是一種增強型的單片機STC12C5410AD，該型號單片機在工程領域應用廣泛。因其端口具有AD復用功能，搭建電路時無需再外接AD（模數轉換器），故采用該型單片機可在一定程度上簡化電路。本文電路設計如圖5所示：

3.1.4 無線發送部分。在綜合比較了各種無線射頻模塊的優缺點以及經濟效益等方面后，本文選用了nRF24L01無線模塊。該模塊工作頻段在2.4～2.5GHz之間，在數據量較少、通信距離短時具有很高的性價比。該模塊內置了晶體振蕩器、頻率合成器、調制器、功率放大器等功能模塊，具有輸出功率、通信頻道調等功能。該模塊具有低功耗的優點，非常適合太陽能電池組合供電的方式，在功率發射為-6dBm時，模塊的工作電流只有9mA，處于接收狀態時其電流只有12.3mA，同時采用多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式）使節能設計更方便。其接口電路如圖6所示：

其中1、2口接電源，3口為工作模式選擇（接收或發射），4口為使能端，5口為SPI時鐘，6口為SPI輸入，7口為SPI輸出，8口為中斷輸出。

3.2 軟件設計

3.2.1 編程環境。系統采用KeilμVision2軟件環境編程。該編程環境可采用C語言編寫程序，優勢明顯，是美國Keil Software公司出品的軟件開發系統。雖然匯編與機器語言更接近，程序效率最佳，但是在維護方面、結構性方面、可讀性方面、學習方面則是C語言更占優勢，可以說C語言易學易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發方案，通過一個集成開發環境（μVision）將這些部分組合在一起。

3.2.2 軟件流程圖。系統軟件流程如圖7，系統通過A/D（模/數轉換器）將PT100溫度采集電路采集的溫度轉換成數字信號，由單片機進行數據處理，再通過無線模塊發射出去，無限循環上述過程，從而實現溫度的實時采集。

4 結語

本文闡述了基于單片機的PT100鉑熱電阻在配網溫度監控中的設計方案。該方案的電路設計有效地實現了配溫度的現場采集，為配網溫度采集最終實現遠程終端監控打下基礎，該方案結構簡單、經濟實用、運行可靠，能夠實時獲取配電變壓器的出線接頭溫度，這種微型的采集終端，有效地解決了配電變壓器分布范圍廣的問題。同時該采集終端還可以設定溫度閥值，超過閥值時發出告警信號，以便配電運行人員做出相應處理，保護運行變壓器不至于過載損壞。