单片机课程设计配电变压器油温在线监测仪设计.doc

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1、辽 宁 工 业 大 学单片机原理及接口技术 课程设计（论文）题目： 配电变压器油温在线监测仪设计 院（系）： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间：2015.06.24-2015.07.12课程设计（论文）任务及评语院（系）： 教研室： 学 号 学生姓名 专业班级 课程设计（论文）题目配电变压器油温在线监测仪设计课程设计（论文）任务该检测仪实时监测变压器的油温，温度检测范围1085，精度0.5，带有四组开关，用于变压器冷却系统的控制，超温跳闸等。设计任务：1. CPU最小系统设计（包括CPU选择，存储器，晶振电路，复位电路）2. 4组开关电路设计以及油温检测电路设计3

2、. 声光报警电路设计4. 程序流程图设计及程序编写技术参数：1温度检测范围1085，精度0.5，带有四组开关2工作电源220V设计要求：1、分析系统功能，选择合适的单片机及传感器，模拟量检测电路设计等；2、应用专业绘图软件绘制硬件电路图和软件流程图；3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，其中程序开发要有详细的软件设计说明，详细阐述系统的工作过程，字数应在4000字以上。进度计划第1天 查阅收集资料第2天 总体设计方案的确定第3-4天 CPU最小系统设计第5天 4组开关电路设计以及油温检测电路设计第6天声光报警电路设计第7天 程序流程图设计第8天 软件编写与调试第9天 设计说明书完成第10天

3、 答辩指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要电力系统网络随着社会和科技的高速发展，它的安全便得尤为重要，变压器电力系统高低压转换的重要元件，而油浸式变压器的应用最为广泛，变压器油温是影响油浸式变压器安全稳定运行的一项重要因素。由于变压器所带负荷和环境温度随所带负荷和环境温度的变化而变化，所以对配电变压器油温的监测显得十分必要，假如油温长期过高而不能采取措施及时降下来的话，绝缘材料会加速老化，绝缘等级降低，影响变压器的使用寿命，严重的还会引起内部短路、燃烧等电器故障。油浸式变压器常见

4、的冷却方式是变压器内部油循环和外部风扇直吹，本装置采取控制风机的启动和停止来控制变压器的油温保持在规定范围内。目前，大多数变压器风机启停是采用温度继电器控制。这种方法的局限是只有一个温度定值，启动或停止风机是以温度高于或低于这一定值来决定，当变压器油温在温度定值附近波动时，会出现风机频繁启停，严重时有可能造成风机烧毁，因此需要一种能够实现智能控制的装置，解决以上问题。本装置采用设置温度上、下限的方法避免上述情况，并且在确定风机的启动温度时，采用实时比较的方法，以保证风机启动后油温可能达到的最高值不会超过规程规定的上限。本设计便是针对这一现象，通过对油温的实时监测，从而降低由于油温过高而引发的灾

5、害。关键词：变压器；继电器；油温；启动温度目 录第1章 绪论11.1 配电变压器油温在线监测仪设计概况11.2 本文研究内容1第2章 CPU最小系统设计32.1 配电变压器油温在线监测仪设计总体设计方案32.2 CPU的选择32.3 数据存储器扩展52.4 复位电路设计62.5 时钟电路设计72.6 CPU最小系统图9第3章 输入输出接口电路设计103.1 配电变压器油温在线监测仪设计传感器的选择103.2 配电变压器油温在线监测仪设计检测接口电路设计103.2.1 A/D的选转换器择103.2.2 模拟量检测接口电路图113.3 输出接口电路设计电路设计113.4 机对话接口电路设计12第4

6、章 配电变压器油温在线监测仪软件设计144.1 软件实现功能综述144.2 流程图设计144.2.1 主程序流程图设计144.2.2 配电变压器油温在线监测仪设计流程图设计15第5章 系统设计与分析175.1 系统原理图175.2 系统原理综述17第6章 课程设计总结19参考文献20第1章 绪论1.1 配电变压器油温在线监测仪设计概况变压器是电力系统中最为重要的一部分。因此，对配电变压器油温实时监测对能否为用户提供安全可靠的电能具有重要意义。变压器的绝缘老化，主要是由于温度、湿度、氧化和油中分解的劣化物质的影响所致。但老化的速度主要由温度决定，绝缘的工作温度愈高，化学反应进行的愈快，绝缘的机械

7、强度和电气强度丧失的愈快，绝缘老化速度愈快，变压器使用年限也愈短。实际上绕组温度受负荷波动和气温变化的影响，变化范围很大。因此，对变压器的温度进行实时采集，使其维持在一定的范围内，对变压器的寿命有重要的意义。在工业生产和日常生活中，对温度控制系统的要求，主要是保证温度在一定温度范围内变化，温度监测系统有共同的特点：测量点多、环境复杂、布线分散、现场离监控室远等。若采用一般温度传感器采集温度信号，则需要设计信号调理电路、 转换及相应的接口电路，才能把传感器输出的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理。本系统的测温范围为1085，启动单片机温度控制系统后首先按下第一个按键开始最低温度的设置，这时数

8、码管显示温度数值，每隔一秒温度数值增加一度，当满足用户温度设置最低值时再按一下第一个按键完成最低温度的设置，依次类推通过第二个按键完成最高温度的设置。然后温度检测系统根据用户设定的温度范围完成一定范围的温度控制。1.2 本文研究内容本次课程设计要求对配电变压器的油温进行实时监测，温度检测范围10 85，精度0.5。并设计四组开关，分别用于变压器冷却系统的控制，超温报警，超温跳闸等。在线监测变压器油温对早期诊断变压器故障十分重要，但是因变压器结构复杂，影响其安全运行的因素较多，使得在线监测的难度很大。油温测量过去一般是采用间接的模拟测量方法，准确性差，而且不及时。针对以上问题本文研究一种在线无损

9、油温检测装置，应用于照明配电变压器上，其特征在于，包括：温度探头，包括磁性外壳及其内封装温度传感器，用于采集所述变压器的外部温度；温度补偿信号处理单元，包括采集单元、温度补偿处理器、通信单元、存储器，所述采集单元将所述温度探头采集温度进行模数转换，并提供给所述温度补偿处理器，所述温度补偿处理器将所述温度转化成对应变压器的油温，通过与所述存储器中温度范围比较，当测得的所述变压器油温超过上下限值，通过所述通信单元报警。本实用新型较传统变压器油温检测开孔改造相比，具有施工简易，无需停电，不影响变压器的性能等优点。硬件电路设计：1. CPU最小系统设计（包括CPU选择，存储器，晶振电路，复位电路）2.

10、 4组开关电路设计以及油温检测电路设计3. 声光报警电路设计4. 软件设计（程序流程图设计）第2章 CPU最小系统设计2.1 配电变压器油温在线监测仪设计总体设计方案整个系统拟采用温度传感器的信号进行采集，当获取所需的信号之后，经过对信号的滤波和放大电路的放大号，传输至A/D转换器进行A/D转换，将采集到的温度信号转换为420mA 的电流信号，再经V/F 变换器转换为频率信号，由AT89C51 分析频率信号，得到当前的温度值，并且形成显示码送给LED 显示模块，同时校验判据，形成控制信号送控制模块。，温度信号经过温度测量模块后，功能按键有以下五项功能：启动风机、停止风机、显示当前定值、恢复运行

11、以及选择定值。最后将数字信号读入单片机内，经过单片机的数据处理后，最后将处理后的结果显示出来。图2.1 过程层原理框图2.2 CPU的选择AT89C51 是美国ATMEL 公司生产的8 位Flash ROM 单片机。其最突出的优点是片内ROM 为Flash ROM，可擦写1000 次以上，应用并不复杂的通用ROM 写入器就能方便的擦写，读取也很方便，价格低廉，具有片程序ROM 二级保密系统。因此可灵活应用于各种控制领域。 图2.2 AT89C51芯片管脚图采用MCS-51系列这一款的单片机，应首先了解MCS-51的引脚，熟悉并牢记各引脚的功能， MCS-51系列中各种型号芯片的引脚是互相兼容的

12、。单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口、中断系统和定时器/计时器等功能的结合在一起的微型计算机。89C51引脚图如图2.2所示，具体各管脚功能如下：1、电源引脚VSS和VCCVCC（40）：电源端。VSS（20）：接地端。2、外接晶体引脚XTAL1和XTAL2XTAL1（19）：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2（18）：来自反向振荡器的输出。3、控制信号引脚RESET、ALE/PROG、/PSEN和/EA/VPPRST（9）：复位输入，高电平有效。当振荡器工作时，要保持

13、RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PSEN（30）：地址锁存允许信号。此频率为振荡器频率的1/6。ALE信号可以用作对外输出的时钟或定时信号。需要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。在对89C51片内4KB Flash ROM编程（固化）时，此引脚用于输入编程脉冲PROG。/PSEN（29）：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP（31）：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意

14、加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。4、输入输出引脚P0口、P1口、P2口、P3口P0口（3239）：P0口为一个8位双向三态I/O口。在访问外部存储器时，可分时用作低8位地址线和8位数据线；在Flash ROM编程时，它输入指令字节，而在验证程序时，则输出指令字节。P0口可驱动8个LSTTL门电路。P1口（18）：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，在Flash ROM编程时，它接收低8位地址。P1口缓冲器能接收输出4个LSTTL门电路。P2口（2128）：P2口为

15、一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。P3口（1017）：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。2.3 数据存储器扩展89C51片内有128B的RAM存储器，在实

16、际应用中仅仅依靠这128B的数据存储器是远远不够的。这种情况下可利用89C51单片机所具有的扩展功能，扩展外部数据存储器。89C51单片机最大可扩展64KB RAM。常用的外部数据存储器有静态RAM和动态RAM两种。前者读/写速度高，一般都是8位宽度，易于扩展，且大多数与相同容量的EPROM引脚兼容，有利于印刷板电路设计，使用方便；缺点是集成度低，成本高，功耗大。后者集成度高，成本低，功耗相对较低；缺点是需要增加一个刷新电路，附加另外的成本。当用8282作为地址锁存器时，它的STB可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。AT89C51单片机和静态数据存储器RAM

17、6116的接口电路图如下图2.3所示： 图2.3 数据存储器的硬件原理图2.4 复位电路设计复位电路就是利用它把电路恢复到起始状态。为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般危机电路正常工作需要供电电源为5V5%，即4.755.25V。由于微机电路是时序数字电路，它要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤出，微机电路开始正常工作。为了保证系统可复位，在设计复位电路时，一般使RESET引脚保持100ms以上的高电平，单片机便可以可靠地复位。当RESET从高电平变为低电

18、平以后，单片机从0000H地址开始执行程序。在RESET复位引脚上接一个去耦电容。在程序跑飞时，可以手动复位，按下按键后，使RESET端产生高电平，按键时间决定复位时间，这样就不用在重起单片机电源，就可以实现复位。按键电平复位电路图如下图2.4所示：图2.4复位电路2.5 时钟电路设计现在高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器，由于电子钟、石英钟、石英表都采用了石英技术，因此走时精度高，稳定性好，使用方便，不需要经常调试，数字式电子钟用集成电路计时时，译码代替机械式传动，用LED显示器代替指针显示进而显示时间，减小了计时误差，这种表具有时、分、秒显示时间的功能，还可以进行时和分的校对，片

19、选的灵活性好。时钟电路用于产生单片机工作所需的时间信号。时钟信号可以有两种方式产生：内部时钟方式和外部时钟方式。时钟电路是单片机系统的核心部分之一，它可以简单定义成如下两点：（1）、这是产生像时钟一样准确的振荡电路。（2）、单片机系统内，任何工作都按时间顺序。用于产生这个时间的电路部分就是时钟电路。时钟电路一般由晶体振荡器、晶振控制芯片和电容组成。其硬件连线如图所示： 图2.5 时钟电路硬件连线图2.6 CPU最小系统图 图2.6 CPU最小系统图 第3章 输入输出接口电路设计3.1 配电变压器油温在线监测仪设计传感器的选择本课设油温测控系统主要性能指标：温度检测范围1085，精度0.5，温度

20、定值由用户选择，动态显示当前温度值，接收上位机通信请求，发送当前温度值、风机状态等信息到上位机。根据以上的性能要求，本课设选择热电偶温度传感器。热电偶温度传感器的原理是当有两种不同的导体和半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为TO，称为自由端(也称参考端)或冷端，则热电偶电路中就有电势差，热电偶温度传感器的构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。本课设选择MAX6675芯片作为温度传感器，MAX6675冷端温度补偿、热电偶数字转换器可进行冷端温度补偿

21、，并将K型热电偶信号转换成数字信号。3.2 配电变压器油温在线监测仪设计检测接口电路设计3.2.1 A/D转换器的选择MAX6675芯片采用小尺寸、8引脚封装。数据输出为12位分辨率、SPI兼容、只读格式。同时MAX6675芯片内部还具有A/D转换器的功能。其引脚图如图3.1所示。图3.1 MAX6675引脚图3.2.2 模拟量检测接口电路图图3.2 A/D 转换电路3.3 输出接口电路设计电路设计输出接口的报警电路为单片机I/O口外接二极管驱动蜂鸣器，发出报警信号，如图3.4所示。图3.3声光报警电路3.4 机对话接口电路设计在显示位较少的情况下，LED显示器一般采用静态的显示方式。静态显示

22、电路中，各位可独立显示，只要在该位的段码线上保持段码电平，该位就能保持相应的显示字符。由于各位分别由1个8位的数据输出口控制段码线，故在同一时间里，每一位显示的字符可以不相同。这种显示方式虽然接口编程容易，但付出的代价是占用口线较多。若用I/O口线接口，则要占用4个8位I/O口，若用锁存器接口，则要用4片74L373芯片。如果显示的位数增多，则需要增加锁存器。该设计中采用的就是LED静态显示方式。原理如下键盘分编码键盘和非编码键盘。键盘上闭合键的识别由专用的硬件编码器实现，并产生键编码号或键值的称为编码键盘，如计算机键盘。而靠软件编程来识别的称为非编码键盘；在单片机组成的各种系统中，用的最多的

23、是非编码键盘。非编码键盘有分为：独立式按键和矩阵式键盘。使用时先将键盘借口初始化，即将P2.0P2.2全部置1，然后判断是否有键按下，若键盘输入端变为低电平，表明此键盘按下，在软件编程时，注意键盘消抖。由于本课设的按键数量不是很多，因此采取独立式按键的结构。独立式按键的电路图如图3.5所示。图3.4 独立式按键电路图显示部分用4个数码管显示当前数据，数码管分别用4个MC14543驱动电路控制LED，MC14543为4线-7段译码/驱动电路，具有4位二进制锁存、BCD-7段译码和驱动功能，图3.6为该集成电路的引脚图。图3.7为89C51、MC14543和LED构成的LED静态显示电路图。 图3

24、.5 MC14543引脚图图3.6 89C51和MC14543构成的静态LED驱动接口第4章 配电变压器油温在线监测仪软件设计4.1 软件实现功能综述变压器监测软件的主要功能是：对电网的电压、电流、开关信号及脉冲信号进行采样，并进行处理，得到的实时数据保存到RAM中;一部分实时数据经过分析统计，作为统计数据刷新的依据，等到零点时刻保存到外围存储器中去；整点时刻收集的实时数据作为历史整点数据直接存储到外围存储器中去；主站以通讯规约实时向变压器监控终端召唤实时数据、历史数据、统计数据和发送遥控工作命令等，系统能根据不同的按键值显示相应的实时数据、时间和系统参数等。系统检测的最低和最高温度，通过A/

25、D转换器传送信号到89C51后进行读取、分析的设置，编辑显示电路的显示程序和报警系统的报警程序以及查找报警点的程序设计的完成，还要完成对风机的启停的控制程序和各种其他设备的控制程序以及油温采样、按键的识别和串行口通信等一系列的软件编程。4.2 流程图设计4.2.1 主程序流程图设计系统的主程序设计主要是完成系统的初始化，如定时器、中断系统的初始化等。以及条用各模块程序，完成模块的衔接，以达到设计的功能。在设计中用中断的方式完成油温的采样、按键的识别和串行口通信等等一系列操作。主程序流程图如图所示。是否高于85度是否高于91度是否高于10度继电器断开不改变继电器当前状态 刷 新变量初始化A/D转

26、换算术平均滤波得到相应温度单片机处理比较系统上电继电吸合 报警图4.1 主程序流程图4.2.2 配电变压器油温在线监测仪设计流程图设计在设计中单片机要完成计算通讯和结果打印及预报警的功能，并用单片机接受经接口电路处理过的信号并由驱动电路去控制吹风机的开关以及温度控制等一系列的控制装置，具体设计如下图。气体分离及信号转换变压器接口阀门控制控制温度控制接口缓冲单片CPU光电隔离及驱动控制装置主机算机通讯结果打印及预报警图4.2配电变压器油温在线监测仪设计流程图第5章 系统设计与分析5.1 系统原理图图5.1系统原理图5.2 系统原理综述变压器是一个静态的电气设备，根据电磁感应原理，变压器是在绕组之

27、间的电路中 来转换能量，当变压器一侧的绕组通过电流时，那么，就会产生磁场，在闭合的电路中产生一个变化的磁通量，使得在变压器中有变化的磁通量，通过这个变化的磁通量在次级线圈中产生变化的电动势，这样电路中就会有电流通过带动负载发热、发光。因此， 变压器是电力系统中重要的电力装置。配电变压器油温在线监测系统是实现对配电变压器油温的实时监控，当启动温度传感器时，测量变压器的油温，系统装配有配有4个晶闸管输出控制点，可控制降温设备，有两种程度对温度进行实时监测。 变压器油温检测变压器由铁芯、绕组、绝缘套管、分接要的作用，变压器的油温检测一直也是研究开关、油箱、和冷却部分等组成，变压器的的热点。通过油温的

28、变化可以更好的了解变各部分之间起着相互绝缘的作用。油温进行检测，利质，如、油的比重、粘度、凝固点、闪点、 用一些新的方法来对于油温进行观察，还有灰分、硫含量、油的颜色等。这些性质带给通过无线的方法进行非接触式油温检测。第6章 课程设计总结通过对本课题的研究、分析和设计，我了解了配电变压器油温检测系统的工作原理，学会了利用数字、模拟电路知识设计系统装置的方法。在课程设计过程中，变压器油温是影响油浸式变压器安全稳定运行的一项重要因素。对变压器的温度进行实时采集，使其维持在一定的范围内，对变压器的寿命有重要的意义。因为，变压器的绝缘老化，主要是由于温度、湿度、氧化和油中分解的劣化物质的影响所致。但老

29、化的速度主要由温度决定，绝缘的工作温度愈高，化学反应进行的愈快，老化的速度也就越快。 温度监测系统有共同的特点：测量点多、环境复杂、布线分散、现场离监控室远等。若采用一般温度传感器采集温度信号，则需要设计信号调理电路、A/D 转换及相应的接口电路，才能把传感器输出的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理。由于各种因素会造成检测系统出现较大的偏差，加上检测环境复杂、测量点多、信号传输距离远及各种干扰的影响，会使检测系统的稳定性和可靠性下降。所以温度检测系统的设计应着重于两部分：温度传感器的选择和主控单元的设计。本次设计以89C51单片机为核心部件，通过逐次比较的方法将模拟的电流转换成具体数字的大

30、小,输入晶振脉冲，所得经过单片机处理，用LED显示。通过声光报警电路报警。本文内容解决了原有电力参数检测装置的功率损耗大，参数显示不精确，反应速度慢的缺点。同时由于时间短，本次设计还有很多学要改进和完善的地方，有待提高。参考文献1 梅丽凤等编著 单片机原理及接口技术 清华大学出版社2009.72 赵晶 主编 Prote199高级应用 人民邮电出版社，2000 3 于海生 编著 微型计算机控制技术 清华大学出版社2003.44 赵茂泰.智能仪器原理及应用M .电子工业出版社，20045 张毅刚.MCS-51单片机应用设计M .哈尔滨工业大学出版社，20036 单成祥.传感器理论设计基础及其应用M

31、.国防工业出版社，19997 沙占友王彦朋等.智能传感器系统设计与应用M .电子工业出版社2004.68 何希才薛永毅.传感器及其应用实例J .机械工业出版社，2004.19 王东峰.单片机C语言应用100例M .电子工业出版社，200910 陈海宴.51单片机原理及应用M .北京航空航天大学出版社，2010 11 胡汉才.单片机原理及接口技术M .清华大学出版社，1996.1112 钟富昭.8051单片机典型模块设计与应用M .人民邮电出版社，200713 李 平.单片机入门与开发M .机械工业出版社，2008 14 高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程M .电子工业出版社，2007 15 李增国.传感器与检测技术M .北京航空航天大学出版社，2009 16 秦 龙.MSP430单片机常用模块与综合系统实例精讲M .电子工业出版社，2007