基于STC12的高壓斷路器觸頭無線溫度監測系統設計

陶玉貴，汪金寶，李長波

(1.蕪湖職業技術學院信息工程學院，安徽蕪湖 241006；2.安徽師范大學數學與計算機科學學院，安徽蕪湖 241003)

基于STC12的高壓斷路器觸頭無線溫度監測系統設計

陶玉貴1，汪金寶2，李長波1

(1.蕪湖職業技術學院信息工程學院，安徽蕪湖 241006；2.安徽師范大學數學與計算機科學學院，安徽蕪湖 241003)

為了實現對高壓真空斷路器觸頭溫度的遠程實時監測，本文以STC12單片機為控制核心，通過對斷路器主觸頭安裝測溫裝置，經低衰減耐高溫的光纖實現與控制回路的連接，完成光電信號的轉換，并通過nRF905無線模塊將信號傳輸到上位機，從而實現對觸頭溫度實時監測和超溫報警等功能。實踐證明，該系統有力地保障了高壓斷路器安全穩定運行，具有較高的應用前景和市場價值。

高壓斷路器；溫度監測；光纖；STC12C5A60AD

隨著我國電力系統的快速發展，人們在追求高品質的生活質量時，對用電的需求也在不斷增加。為了提高國民用電質量，同時也減少因高負荷用電而帶來的不必要的損失，高壓真空壓斷路器設備的需求量在大幅度上升。在設備的長期運行中，斷路器觸頭因不可靠連接和老化而引起觸頭過熱造成觸頭熔化和擊穿而導致的生產事故不在少數。因此，設計能對觸頭進行測溫的裝置不僅能大大降低設備檢修費用、減少故障斷電時間，同時也極大提高了電力系統的可靠性。

本文開發一種高壓真空斷路器觸頭的無線溫度監測系統，采用STC12C5A60AD微控制器，通過nRF905模塊無線傳輸，配合光纖傳導，隔離效果好，絕緣性能優異，整個系統測溫實時性強，工作穩定性和可靠性高，不僅能通過監視單元電路顯示溫度和設定系統報警，同時能通過上位機對溫度數據實時在線顯示、數據查詢、數據庫存儲與調用、超限溫度預警等功能設置。

1 監測系統總體設計及功能

遠程溫度監測系統由溫度采集處理終端、無線通信網絡和遠程監控中心組成[1]，其總體結構如圖1所示。圖2為溫度采集處理終端結構圖，電流互感器采用電磁感應原理設計，安裝于每個母排上為溫度傳感器和測溫探頭提供供電電源，對斷路器內部三相隔離開關觸頭進行測溫。溫度信號經光纖傳送給溫度采集單元，對信號處理以實現光電轉換。

2 硬件設計

2.1 溫度采集處理終端電路設計

溫度采集與處理電路如圖3所示。選用低成本、低功耗的MAX6577溫度傳感器，當接通電源，便可處于自發工作狀態，將溫度信號轉換成脈沖信號，輸出占空比1∶1的方波。溫度采集終端負責將脈沖信號轉化成光信號，后經光纖將信號傳遞到數據采集單元輸入口，完成光電轉換和信號整形。

圖1 系統總體設計框圖

圖2 溫度采集處理終端結構圖

圖3 溫度采集處理終端電路圖

2.2 溫度監視單元電路設計

溫度監視電路如圖4所示，選用抗干擾能力強的STC12C5A60AD為控制核心。該電路主要負責將采集的溫度實時顯示、越值報警和紀錄報警時刻、控制輸出信號等。采用HD7289芯片驅動的4路LED對溫度實時顯示。通過按鍵電路設定系統報警溫度和顯示方式。報警電路采用三極管NPN組成，直接從單片機獲取信號輸入揚聲器。

圖4 溫度監視單元電路圖

2.3 無線數據傳輸模塊

系統的無線通信模塊選用nRF905單片射頻收發器[2]。工作頻率為國際通用ISM頻段433/868/915MHz，工作電壓為1.9V至3.6V。其內部由有頻率合成器、接收解調器、調制器、功率放大器和晶體振蕩器組成，使用SPI接口與微控制器通信。nRF905有ShockBurst RX接收模式和ShockBurst TX發送模式兩種活動模式。nRF905四種工作模式是由引腳TRX_CE、TX_EN和PWR_UP引腳電平來設定，如表1所示。

表1 nRF905工作模式

在單片機與nRF905進行通信時，要先將nRF905的工作模式設置在節電模式，這樣才能保證正常通信。nRF905無線傳輸收發芯片與STC12C5A60AD微控制器硬件連接如圖5所示。

圖5 nRF905與STC12C5A60AD硬件連接圖

2.4 通信單元電路設計

通信單元電路連接原理如圖6所示，單片機的TXD和RXD接SN75LBC184，構成了RS485總線半雙工通信網絡，P3.7用于收發控制。利用SN75LBC184可以很好地抑制雷擊及其他原因在通信線路上產生的各種瞬時過電壓和干擾，從而使系統免受損壞。系統采集的數據經單片機內部數據轉換后上傳至PC機，實現遠程實時在線溫度監測。

圖6 通信單元原理圖

3 軟件設計

3.1 系統程序流程圖

溫度采集程序流程如圖7所示。系統初始化后，檢測每個通道的頻率，如檢測到頻率超時，則設置超時標志位，若未超時，則實現溫度數據-脈沖頻率的轉換及光電轉換，并將轉化的數據發送到下一單元電路。

溫度采集處理終端與上位機進行通信時，上位機要對各采集終端進行地址識別。設備上電后，上位機系統輪詢RS485總線，對采集終端進行讀取，各采集終端將采集到的溫度信號通過總線上傳給上位機，用于數據顯示、存儲以及預警。系統主程序流程如圖8所示[2]。

圖7 溫度采集程序流程圖

圖8 主程序流程圖

3.2 上位機軟件設計

上位機的軟件設計基于Windows操作系統，采用C/S模式[3]。監測軟件采用VB6.0語言進行模塊化設計，主要包括主控模塊、數據采集模塊、溫度監測模塊、報警溫度設定模塊、歷史數據模塊等，實現溫度數據的實時在線顯示、數據查詢、數據庫存儲與調用、超限溫度預警等功能。

4 結語

本文給出一種基于STC12單片機的高壓斷路器觸頭無線溫度監測系統。該系統采用光纖進行高壓隔離和信號傳輸，絕緣性好，抗電磁干擾能力強，能對斷路器多個觸頭進行實時監測，系統測溫方便、架構簡單、電路簡潔、成本低。此系統也可用于其他高壓設備的溫度監測，具有較高的實際應用價值。

[1]郭少雄,蘇海海.基于nRF905的無線環境監控系統設計[J].蘭州交通大學學報,2014(3):133-138.

[2]路士兵.基于單片機的空氣霧霾監測系統設計[J].自動化與儀器儀表,2016(6):254-255.

[3]陶玉貴,汪金寶.基于ARM+GPRS的遠程電能質量監測系統研究與設計[J].長春師范大學學報,2016(2):36-39.

DesignofTemperatureMonitoringSystemforHigh-voltageCircuit-breakerContactsBasedonSTC12

TAO Yu-gui1, WANG Jin-bao2, LI Chang-bo1

(1.School of Information Engineering,Wuhu Institute of Technology,Wuhu Anhui 241006,China；2.School of Mathematics & Computer Science,Anhui Normal University,Wuhu Anhui 241003,China)

In order to implement the remote monitoring temperature of high-voltage vacuum circuit-breaker contact, the paper uses the STC12 MCU as a core to finish the following steps: Installing the temperature measurement of circuit breaker main contact, connecting the low attenuation of high temperature resistant fiber and control circuit to complete the photoelectric conversion, and the signal is transmitted to the host computer through the nRF905 wireless module. Thus it realizes the real-time monitoring the temperature of contacts and over temperature alarm, and the system guarantees the high voltage switch to operate safely and stably and it has high application prospect and market value.

high-voltage circuit-breaker; temperature monitoring; optical fiber; STC12C5A60AD

TM561

A

2095-7602(2017)12-0034-04

2017-05-27

安徽高校省級自然科學研究重點項目“低壓電力電能監測系統研究”(KJ2015A449)；安徽高校優秀青年人才支持計劃重點項目(gxyqZD2016592)；安徽省高等學校省級教學質量與教學改革工程項目“電子信息工程技術專業綜合改革試點”(2014zy147)。

陶玉貴(1979- )，男，教授，碩士，從事信號檢測與處理研究。