電力設(shè)備溫濕度控制器的設(shè)計(jì)

李 麗，湯學(xué)博，劉嘉文，賀慧勇

（1. 廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣州 510080；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，長(zhǎng)沙 410114）

0 引言

許多電力設(shè)備都要求在特定的環(huán)境條件下運(yùn)行，如電保護(hù)柜、儀表箱、計(jì)量柜、開(kāi)關(guān)柜等、端子箱等設(shè)備。溫度過(guò)低、溫度過(guò)高、濕度過(guò)大（結(jié)露）都對(duì)電力設(shè)備的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。顯然溫度和濕度參數(shù)的測(cè)量和控制是急需解決的問(wèn)題。所以,設(shè)計(jì)一種高效、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的溫度、濕度測(cè)控裝置，對(duì)設(shè)備內(nèi)部及周?chē)h(huán)境溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，提高電力設(shè)備運(yùn)行的安全性，降低故障率，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，以免設(shè)備過(guò)熱、過(guò)濕而發(fā)生火災(zāi)、爬電等事故，使設(shè)備安全能夠正常運(yùn)行。當(dāng)然，該裝置還可以應(yīng)用到其它領(lǐng)域，比如工廠、糧倉(cāng)、檔案室、醫(yī)藥庫(kù)、彈藥庫(kù)、礦井、溫室大棚內(nèi)、室內(nèi)等。

日常生活中，常見(jiàn)的溫度測(cè)量工具有水銀溫度計(jì)，體溫計(jì)等，這種測(cè)量設(shè)備的測(cè)量速度很慢，精度低。在溫室大棚、倉(cāng)庫(kù)和煙葉烘烤等場(chǎng)合中，溫濕度控制都有應(yīng)用，其大都采用溫度、濕度獨(dú)立測(cè)量，分別采用傳統(tǒng)溫度傳感器和濕度傳感器來(lái)測(cè)量，然后通過(guò)AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再送單片機(jī)處理[1]。在實(shí)驗(yàn)室的溫濕度測(cè)量中采用具有高精度、防干擾等優(yōu)點(diǎn)的數(shù)字式傳感器SHT11，不需要外部元件，可適配各種單片機(jī)。這為開(kāi)發(fā)新一代的溫濕度測(cè)控系統(tǒng)提供了有利條件，同時(shí)也有助于將溫濕度測(cè)控技術(shù)提高到新的水平[6]。

1 電力設(shè)備溫濕度控制器設(shè)計(jì)方案

溫濕度控制是一種反饋控制，由溫濕度傳感器檢測(cè)溫濕度的值，進(jìn)一步來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的溫濕度值，同時(shí)將檢測(cè)到的現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)值與目標(biāo)設(shè)定值對(duì)照，最后會(huì)自動(dòng)進(jìn)行修正并控制各輸出口的動(dòng)作。對(duì)該溫濕度控制器來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)控制對(duì)象是電力系統(tǒng)中的變電柜，端子箱內(nèi)的溫濕度，整個(gè)系統(tǒng)都是由溫濕度控制箱進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)中多處放置有溫濕度傳感器，同時(shí)相應(yīng)的執(zhí)行元件是加熱器，風(fēng)機(jī)。這個(gè)系統(tǒng)完全符合了自動(dòng)控制系統(tǒng)中系統(tǒng)需要有控制對(duì)象、執(zhí)行器、調(diào)節(jié)器等部分的特點(diǎn)，因而該系統(tǒng)就是個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。

電子式濕度傳感器是一種新型的溫濕度傳感器。在產(chǎn)品出廠前，濕度傳感器生產(chǎn)廠要對(duì)溫濕度傳感器用標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器進(jìn)行標(biāo)定檢測(cè)，電子式濕度傳感器的準(zhǔn)確度會(huì)提高，精度可以達(dá)到2%～3%RH。SHT11是基于CMOSens技術(shù)的新型智能溫濕度傳感器，該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)迅速、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)[4]。SHT11片內(nèi)設(shè)有了溫度傳感部分、濕度傳感部分、A/D轉(zhuǎn)換器部分，它將溫濕度傳感器、信號(hào)放大調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換、二線串行接口全部集成于一個(gè)芯片內(nèi)[3]，將CMOS芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合。優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)纹?、超快響?yīng)、免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍復(fù)雜電路、全互換、數(shù)字式輸出、抗干擾能力強(qiáng)和極高的性價(jià)比[2]。

針對(duì)開(kāi)關(guān)柜、端子箱這些特定應(yīng)用領(lǐng)域：柜體內(nèi)一般無(wú)塵土、酸堿物，氣體不流動(dòng)。不宜經(jīng)常打開(kāi)接觸，及將濕物放入其中，在本設(shè)計(jì)中我們采用電子式濕度傳感器作為溫濕度控制器。

本系統(tǒng)以PIC16F877A微控制器為核心，應(yīng)用智能型溫濕度傳感器SHT11來(lái)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)溫度和濕度[3]，SHT11數(shù)字溫濕度傳感器將溫度、濕度值直接轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量后送入單片機(jī)中，再由單片機(jī)完成相對(duì)濕度的非線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)按預(yù)定的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，與設(shè)定的控制目標(biāo)進(jìn)行偏差運(yùn)算，并將實(shí)際溫度和相對(duì)濕度值送LED顯示器顯示[6]，最后根據(jù)溫濕度上下限經(jīng)I/O口輸出實(shí)時(shí)控制信號(hào)，啟動(dòng)加熱器加熱或風(fēng)機(jī)降溫，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫濕度的測(cè)控。本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖 1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件電路原理設(shè)計(jì)

電力設(shè)備溫濕度控制器硬件電路由溫濕度檢測(cè)電路、鍵盤(pán)電路、顯示電路、控制輸出電路、語(yǔ)音電路等組成。每一部分具體電路設(shè)計(jì)思路如下所述。

2.1 溫濕度檢測(cè)處理電路

本設(shè)計(jì)采用的是Sensirion溫濕度傳感器家族中的SHT11，其可以同時(shí)測(cè)量濕度、溫度和露點(diǎn),這過(guò)程不需要外圍元件，就可直接輸出結(jié)果值。而且經(jīng)過(guò)標(biāo)定了的相對(duì)濕度、溫度及露點(diǎn)的數(shù)字信號(hào)可以有效地彌補(bǔ)傳統(tǒng)的溫、濕度傳感器的不足[1]。SHT11溫濕度傳感器與單片機(jī)之間的連接電路圖如圖 2所示。

圖2 溫濕度檢測(cè)處理電路

測(cè)量完成并實(shí)現(xiàn)通訊, 溫濕度傳感器 SHT11就會(huì)停止工作，從而自動(dòng)進(jìn)入休眠模式。同時(shí)濕度、溫度數(shù)據(jù)由SHT11 送出，這些數(shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，才能將實(shí)際的濕度值和溫度值表示出來(lái), 具體計(jì)算公式如下:

式中: RHTure為經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)南鄬?duì)濕度; TC為溫度 ; C1、C2、C3、t1、t2與濕度分辨率有關(guān) ;溫度分辨率與d1、d2有關(guān);從SHT11 中讀出的濕度值可以用SORH表示;從SHT11 中讀出的溫度值可以由SOT表示，相關(guān)數(shù)據(jù)的關(guān)系見(jiàn)表1 、表 2 。

表1 溫度校正系數(shù)

表2 濕度校正系數(shù)

2.2 鍵盤(pán)及顯示電路

為了完成預(yù)定值設(shè)置強(qiáng)制加熱功能，控制器中設(shè)置了4個(gè)按鍵，分別為SET鍵（預(yù)定值設(shè)置鍵）、SW（強(qiáng)制加熱鍵）、UP（上調(diào)鍵）、DOWN（下調(diào)鍵），4個(gè)按鍵通過(guò)10K的電阻接到電源，上拉端接單片機(jī)RB口，設(shè)定鍵和強(qiáng)制加熱鍵接帶有電平中斷I/O口，來(lái)觸發(fā)單片機(jī)執(zhí)行相應(yīng)功能。上調(diào)和下調(diào)鍵則沒(méi)有必要用電平中斷，普通I/O就行。

顯示電路采用MAX7219芯片驅(qū)動(dòng)8位共陰極LED數(shù)碼管工作。MAX7219 驅(qū)動(dòng)芯片和微處理器之間的連接需要三根導(dǎo)線，其中每一的位數(shù)字顯示都需要有一個(gè)地址，并由微處理器寫(xiě)入控制執(zhí)行。允許使用者在顯示電路設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇每位是BCD譯碼的方式或不譯碼不譯碼的方式進(jìn)行。使用者在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候還可選擇各種模式的設(shè)置，如：數(shù)碼管的數(shù)字亮度控制、停機(jī)、數(shù)碼管顯示器的測(cè)試和LED掃描位數(shù)等模式。

2.3 控制輸出電路

當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到傳感器測(cè)量的溫濕度值與超出預(yù)定值的范圍時(shí)就啟動(dòng)該部分電路工作，采用光耦隔離以提高系統(tǒng)抗干擾能力。電路原理如圖3所示。

圖3 輸出控制電路

當(dāng)單片機(jī)RE0端輸出為0時(shí)，光電耦合器導(dǎo)通工作，繼電器被吸合開(kāi)始工作，加熱器開(kāi)始工作，加熱過(guò)程開(kāi)始。其中，當(dāng)繼電器斷開(kāi)，在繼電器線圈上產(chǎn)生反向瞬時(shí)高壓，從而將繼電器損壞，D7主要用于保護(hù)繼電器。加熱回路中串接了6個(gè)大電流二極管，每三個(gè)一組，兩組方向相反，一提供交流通路，當(dāng)交流流過(guò)每組二極管是在其上產(chǎn)生壓降，2V左右，這個(gè)電壓供給斷線報(bào)警回路的雙向光耦工作，限制電流電阻R16，濾波電容C22，將1M的電阻并接在每個(gè)二極管兩端，該電阻用來(lái)平均加在二極管兩端的電壓，二極管發(fā)熱不均現(xiàn)象的現(xiàn)象將被消除。當(dāng)加熱回路斷線時(shí)，二極管上沒(méi)有電流流過(guò)，就不會(huì)產(chǎn)生壓降，雙向光耦PS2505不導(dǎo)通，ALARM_A端被置高，從而觸發(fā)單片機(jī)報(bào)警。

2.4 語(yǔ)音電路

為了能達(dá)到更好的人機(jī)信息交流，系統(tǒng)增加了語(yǔ)音部分，該部分采用嵌入式中文語(yǔ)音合成芯片OSYNO 6188來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)溫濕度值和報(bào)警功能。單片機(jī)的串行I/O口TXD和RXD分別OSYNO 6188的RXD和TXD口相連，將待合成的文本經(jīng)過(guò)異步串行通訊單片機(jī)發(fā)給OSYNO 6188，揚(yáng)聲器由PWM輸出直接驅(qū)動(dòng)，也可通過(guò)1腳（VO）接功放管來(lái)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。XOUT、XIN兩引腳必須接16MHz晶振。OSYNO 6188提供兩組電源輸入（VDD和CVDD），兩組電源共用電源地（GND），CVDD要低于VDD電壓，這里通過(guò)在CVDD跟VDD直接串接兩個(gè)二極管來(lái)降壓。為使系統(tǒng)可靠工作，在電源引腳兩端必須加濾波電容。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)思想：用定時(shí)器TMR0產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)間基準(zhǔn)，系統(tǒng)根據(jù)不同時(shí)間基準(zhǔn)發(fā)布不同消息，主程序中根據(jù)不同消息選擇執(zhí)行不同功能子程序。

圖4 整體設(shè)計(jì)主流程圖

以MPLAB IDE V8.50為軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言以C語(yǔ)言為主，與匯編語(yǔ)言相結(jié)合。軟件設(shè)計(jì)模塊由主程序控制模塊，相應(yīng)程序初始化模塊和相應(yīng)的各功能模塊組成。初始化程序包含：?jiǎn)纹瑱C(jī)特殊功能寄存器（包括I/O口方向，各中斷），MAX7219，SHT11等初始化模塊。功能子程序包括：中斷處理程序，溫濕度測(cè)量程序，顯示程序，鍵處理程序，加熱降溫輸出控制程序，語(yǔ)音程序。整體設(shè)計(jì)主流程圖如圖4所示。

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

經(jīng)分析比較，當(dāng)溫度高于溫度預(yù)定上限時(shí)，控制風(fēng)機(jī)的繼電器閉合，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)降溫；當(dāng)溫度低于預(yù)定溫度的下限時(shí)，控制加熱回路的繼電器閉合，啟動(dòng)加熱器加熱以提高空氣飽和度，防止凝露出現(xiàn)；當(dāng)濕度高于濕度預(yù)定上限值時(shí)，控制加熱回路的繼電器閉合，啟動(dòng)加熱器加熱，以提高空氣飽和度，防止凝露出現(xiàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)對(duì)a、b兩路溫濕度的測(cè)量，并由數(shù)碼管將實(shí)時(shí)溫度值顯示，實(shí)時(shí)濕度值顯示出來(lái)，每隔8秒a、b兩路輪換顯示，溫度和濕度測(cè)量準(zhǔn)確，精度比較高，系統(tǒng)響應(yīng)快。當(dāng)溫濕度超出預(yù)設(shè)范圍時(shí)相應(yīng)繼電器動(dòng)作，當(dāng)溫濕度回到安全范圍時(shí)，繼電器斷開(kāi)。同時(shí)本設(shè)計(jì)還有強(qiáng)制加熱功能，其實(shí)用價(jià)值很高。

該系統(tǒng)還可進(jìn)行擴(kuò)展，可以擴(kuò)展一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體冷凝片來(lái)除濕；由無(wú)線通信模塊的控制，對(duì)溫濕度實(shí)現(xiàn)無(wú)線測(cè)控；也可由無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行溫濕度的大范圍多點(diǎn)測(cè)控；可集成其他模塊（如煙度、煤氣、粉塵、酸堿度、光照和風(fēng)速等）實(shí)現(xiàn)多參數(shù)測(cè)控。

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