基于STC12C5A60S2的樓宇母線槽溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)

朱貴遼+程漢湘+范垂豪+冼冀+劉康

摘 要：鑒于如今母線槽的廣泛應(yīng)用，以及存在的一些監(jiān)控和投切問題，設(shè)計一種新型的針對母線槽的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)以單片機STC12C5A60S2和ADuc7026為控制核心，紅外溫度傳感器和電容式濕度傳感器監(jiān)測樓宇母線槽的溫濕度變化狀況，通過液晶顯示屏實時顯示。如果母線槽配電干線的溫濕度超限，則在不影響漏電開關(guān)原有保護功能上驅(qū)動其跳閘。系統(tǒng)對預(yù)防安全事故，保證母線槽配安全、可靠運行，具有重要意義。

關(guān)鍵詞：樓宇母線槽;溫濕度;監(jiān)控系統(tǒng);布線

中圖分類號：TP277 ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-1302（2015）01-00-03

0 ?引 ?言

隨著現(xiàn)代化工程設(shè)施和裝備的涌現(xiàn)，各行各業(yè)的用電量迅增，尤其是眾多高樓建筑和大型廠房車間的出現(xiàn)，作為傳統(tǒng)的電纜很難滿足需求。新型配電裝置的母線槽以其采用的新技術(shù)，新工藝且節(jié)省空間而被廣泛應(yīng)用。由于母線槽結(jié)構(gòu)緊湊、銅排緊壓一起，對散熱和絕緣要求較高，若母線槽自身溫度升高到一定的極限就會加速絕緣老化，甚至破壞絕緣，以至發(fā)生安全事故。因此，母線槽溫濕度的實時監(jiān)控，對用電的安全、預(yù)防事故具有重要的意義。目前，對母線槽的駕控，僅是對母線槽的溫度和濕度進行檢測，而未能與控制器相結(jié)合。且多選用接觸式傳感器SHT10，當(dāng)母線槽溫度較高時，嚴(yán)重影響溫度采集的精確性。針對此，設(shè)計了一套監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)合了樓宇母線槽自身的特點，以及應(yīng)用環(huán)境需求，選用了一款非接觸式的紅外傳感器作為溫度采集傳感器，采用電容式濕度傳感器對環(huán)境濕度進行檢測。根據(jù)采集到的溫濕度是否越限來控制漏電開關(guān)是否跳閘，在不影響原有漏電開關(guān)保護功能的前提下，又能避免在母線槽溫度或者濕度過高而引發(fā)安全事故。

1 ?系統(tǒng)功能設(shè)計

本系統(tǒng)通過溫度傳感器，實時檢測母線槽的溫度，通過電容式濕度傳感器實時的檢測母線槽的濕度。采集的信號傳送到控制器中，經(jīng)過信號處理，并顯示在液晶顯示器上，達到對樓宇母線槽的實時監(jiān)控。同時，根據(jù)設(shè)定的溫度和濕度，與采集到的溫度濕度相對比，看是否越限，來控制漏電開關(guān)是否跳閘，這樣，在不改變漏電開關(guān)原有的保護功能前提下，又增加了溫濕度的保護同能，避免的因為溫讀或者濕度的過高而引發(fā)的安全事故。圖1為樓宇母線槽的整體監(jiān)控圖，如圖系統(tǒng)在每個樓層的配電母線槽出線有4個溫度檢測點：分別監(jiān)測A，B，C三相的出線溫度，及每層的母線的干線進線處。在其安裝槽處，安裝一個電容式濕度傳感器，對安裝環(huán)境內(nèi)的濕度進行監(jiān)測。在設(shè)計時，上位機控制樓宇總的漏電開關(guān)是否跳閘，下位機通過傳感器監(jiān)測到本樓層的溫度濕度來決定本樓層的漏電開關(guān)是否跳閘，且對漏電開關(guān)原有的保護功能不加影響。下位機采集到的溫濕度的模擬信號，經(jīng)過處理后，變成數(shù)字信號，通過RS-485總線傳送到上位機。

圖1 ?樓宇母線槽溫濕度檢控系統(tǒng)示意圖

2 ?系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)以單片機STC12C5A60S2和ADuc7026芯片作為控制器核心。STC12C5A60S2系列單片機是STC生產(chǎn)的單時鐘/及其周期（1T）的單片機，指令完全兼容傳統(tǒng)的8051，但是速度快8～12倍，并且由于其高速、低功耗、超強的抗干擾能力，在電磁環(huán)境較為復(fù)雜的情況下能有效工作，因此作為此系統(tǒng)的下位機。ADuc7026處理器是一款高精度的處理器，其端口多，且有兩路串行UART接口，其中一個UART1作為本系統(tǒng)和下位機通信，另一個UART2能滿足系統(tǒng)日后和計算機系統(tǒng)的通信，還能通過標(biāo)準(zhǔn)的I/O口加入其他功能，如鍵盤輸入設(shè)置。在本系統(tǒng)中ADuc7026處理器作為上位機使用。圖2為本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。在系統(tǒng)中，下位機主要由溫度采集模塊、電容式濕度采集模塊、漏電開關(guān)控制模塊、通信模塊。下位機主要由液晶顯示模塊、通信模塊及樓宇總漏電開關(guān)驅(qū)動模塊組成。

3 ?下位機系統(tǒng)設(shè)計

下位機工作流程圖如圖3所示

圖3 ?下位機流程圖

下位機由STC12C5A60S2作為控制芯片，也是系統(tǒng)的核心。主要負責(zé)對溫度和濕度的采集，根據(jù)溫濕度是否越限來驅(qū)動本層的漏電開關(guān)跳閘，并且當(dāng)上位機通過查詢的方式請求獲取本樓層的溫濕度以及開關(guān)狀態(tài)信息時，通過串口把數(shù)據(jù)傳輸給上位機。主要由溫度采集模塊、濕度采集模塊、漏電開關(guān)控制模塊和通信模塊組成。

3.1 ?溫度采集模塊

由圖2可知，溫度采集模塊主要由紅外溫度傳感器，運輸放大器和A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成?？紤]到傳感器應(yīng)用的環(huán)境為強電場和強電磁干擾，由應(yīng)用環(huán)境的限制，當(dāng)干線溫度過高時，對于一些接觸式的傳感器測量的準(zhǔn)確性影響比較大，光柵式傳感器價格較高，對于需要多點測量的系統(tǒng)提高了總體成本，因此在本系統(tǒng)中選用非接觸式的紅外傳感器TS118-3。當(dāng)外界環(huán)境溫度一定的時候，對于紅外溫度傳感器TS118-3輸入的電壓值和被測目標(biāo)的的溫度呈現(xiàn)出一定的線性關(guān)系。環(huán)境溫度則由TS118-3內(nèi)部集成的熱敏電阻的阻值線性反應(yīng)，因此在處理數(shù)據(jù)時，首先要測試出環(huán)境溫度大小，然后在此環(huán)境溫度下，線性化處理紅外測試到的溫度信號。使輸出的電壓值能較好轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度。通過測量到的電壓值，可以逆推算出被測目標(biāo)的溫度值。

由于傳感器輸出的是為微電壓信號，所以需要先經(jīng)過放大器把電壓信號進行放大，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，把模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，供單片機處理。故在本系統(tǒng)中選用了高精度、低失調(diào)率AD8554作為放大器。因系統(tǒng)中需要對五路溫度信號進行測量，而TS118-3測量溫度時需要環(huán)境溫度作為參考，即每路溫度觸感器輸出兩個電壓信號，總共有十路模擬信號需要A/D轉(zhuǎn)換。因此在本系統(tǒng)中選用兩個帶有八通道輸入的A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809。兩片ADC0809構(gòu)成了一個十通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器，在設(shè)計時，為了節(jié)省單片機的端口，減小系統(tǒng)的功率，兩片ADC0809的輸出端口可以共用一組STC12C5A60S2的I/O端口，在此選P0口作為數(shù)據(jù)接收端。兩片ADC0809的控制端口占用STC12C5A60S2的另一組I/O端口，這樣把數(shù)據(jù)端口和控制端口分開使用，即節(jié)省了端口數(shù)量，又易于控制。

在系統(tǒng)對溫度采集的處理順序為，先通過單片機的P1口發(fā)出地址給ADC0809地址選擇端口選通需要轉(zhuǎn)換的通道，然后單片機控制端子給ADC0809的ALE和START端子一個高電平信號鎖存地址，給 START端子一個短脈沖信號下降沿啟動轉(zhuǎn)換，單片機通過查詢ADC0809的EOC確定A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，給 ADC0809的讀取使能端子OE一個高電平讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)并進行存儲。轉(zhuǎn)換結(jié)束后的數(shù)據(jù)，通過輸出電壓的值和測量溫度的線性關(guān)系計算出當(dāng)前的溫度大小。

其主要程序如下：

void ADC0809_read（void）

{int i;//設(shè)置采集的個數(shù)

for（i=0;i<=7;i++）//從低地址開始往高位地址循環(huán)選通變換通道

{_nop_（）;_nop_（）;

P1=0x00+i;//通過P1口地址選取，

EOC=1;

ALE=1;//地址鎖存并開始譯碼

START=1;

_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;

START=0;//下降沿譯碼開始

ALE=0;

wiatADCend（）; //判斷是否譯碼結(jié)束

P0=0xFF;//P0口和ADC0809的數(shù)據(jù)位連接

OE=1;//允許對ADC0809輸出A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)

A0809cun[i]=P0}//數(shù)據(jù)存儲到A0809cun[]數(shù)組中

void ?wiatADCend（void）

{while（！EOC）;}

3.2 ?濕度采集模塊：

在本系統(tǒng)中，由電容式傳感器HS1101和555振蕩電路構(gòu)成濕度采集模塊。HS1101是一款電容式相對濕度傳感器，可以把傳感器置于555振蕩電路中，將電容值的變化成與之成比的頻率信號，然后供單片機采集，只需要一個555振蕩電路作為調(diào)理電路，即可實現(xiàn)對濕度的采集。隨著濕度的不同，振蕩電路輸出的脈沖數(shù)也不同，通過計算脈沖數(shù)來判斷出濕度大小。脈沖通過STC12C5A60S2的P3.4端口即定時器T0輸入到單片機，再利用定時器T1準(zhǔn)確定時，精確計數(shù)出脈沖個數(shù)。計數(shù)出的頻率的大小和其濕度大小成一定的線性關(guān)系，通過測量頻率的方式來精確的推算出濕度的的大小，這樣可以充分的利用單片機的定時器計數(shù)器功能，且精確度較高。

3.3 ?漏電開關(guān)控制模塊

在樓宇母線槽配往每層都有相應(yīng)的漏電開關(guān)作為本層樓的開關(guān)控制，且在使用的漏電開關(guān)中，有自己的一個復(fù)位開關(guān)，復(fù)位開關(guān)按下去后，給漏電控制器一個短時的高電平，使開關(guān)動作跳閘關(guān)斷。這樣，可以利用漏電開關(guān)的特點來設(shè)計本監(jiān)控系統(tǒng)，即通過給復(fù)位端子一個高電平信號來控制開關(guān)的跳閘，既不用增加額外的開關(guān)，又不會對原有的安全系統(tǒng)造成影響。圖2中給出了由驅(qū)動電路和漏電開組成的漏電開關(guān)控制模塊，主要由三極管驅(qū)動電路、光觸發(fā)可控硅及漏電開關(guān)的復(fù)位電路構(gòu)成。通過傳感器對溫度和濕度進行采集，當(dāng)母線槽配線溫度或者濕度超限時，通過單片機STC12C5A60S2的I/O口發(fā)出高電平，驅(qū)動漏電開關(guān)跳閘，當(dāng)母線槽干線溫濕度超限時通過ADuc7026的I/O口發(fā)出高電平，驅(qū)動漏電開關(guān)跳閘。同時，當(dāng)每層的供電系統(tǒng)出現(xiàn)短路或者有漏電流時，這層的漏電開關(guān)同樣可以正常自動跳閘。在本系統(tǒng)中，選用9013和MOC3083光觸發(fā)可控硅組成驅(qū)動電路。在STC12C5A60S2單片機的上電后I/O口輸出是一高電平，即使在程序中上電后立即置位為低電平，也會有一個10 ms左右的高電平脈沖，這樣容易導(dǎo)致誤動作。因此，在的驅(qū)動漏電開關(guān)的I/O口加入下拉電阻，并且接入一47 mF的電解電容，在單片機STC12C5A60S2的驅(qū)動輸出的I/O設(shè)置為強推免模式，驅(qū)動電流可以達到20 mA，且接地阻值為3 kΩ，可以滿足驅(qū)動電壓的要求也不會出現(xiàn)誤動作。該驅(qū)動電路簡單，兼容性強，且可與漏電開關(guān)脫扣器搭配組成本系統(tǒng)的跳閘控制模塊。

3.4 ?通信模塊

由于在輸配電過程中有大量的電氣噪聲存在，系統(tǒng)選用RS 485串口通信，此串口通信方式成本低，抗工模干擾能力強，通信時只需要兩根信號線，易于在母線槽走線，因此在本系統(tǒng)中應(yīng)用尤為合適。樓宇母線槽的配電系統(tǒng)，對溫度和濕度的監(jiān)控為多點監(jiān)控，此系統(tǒng)中通信采用主、從結(jié)構(gòu)。在系統(tǒng)中單片機STC12C5A60S2作為從機，ADuc7026處理器作為主機。主機和從機，從機與從機之間采用并行連接的方式。通信模塊的硬件主要由通信模塊由光耦、RS 485接口芯片構(gòu)成。對于現(xiàn)在樓層建筑樓層高傳輸距離長，檢測點多的特點，故通信接入點比較多，因此在選用RS 485接口時，選用能夠支持多個節(jié)點的芯片SP485R。

4 ?上位機管理系統(tǒng)

上位機由ADuc7026作為控制芯片，主要負責(zé)整理來自下位機的信息。包括顯示模塊和通信模塊兩部分，通信模塊通下位機的一樣，選用SP485R芯片，顯示模塊選用選用HS12864液晶顯示器作為系統(tǒng)的顯示器，由上位機控制顯示，把溫濕度信息和開關(guān)狀態(tài)顯示到HS12864上。

工作流程圖如圖4所示：

圖4 ?上位機管理流程圖

上位機ADuc7026與下位機STC12C5A60S2采用查詢的方式進行通信，通信方式采用傳統(tǒng)的485通信模式，波特率設(shè)置為9 600 ?b/s，單片機串口通信采用通信方式3，即每幀11位的異步通信模式，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位奇偶校驗位和1位停止位。圖4為ADuc7026的軟件流程圖，開始給控制器的各個參數(shù)進行設(shè)置，初始化完成后ADuc7026通過通信線發(fā)送信號，選擇要讀取數(shù)據(jù)的下位機，并隨即發(fā)送出讀取信息的請求。下位機 STC12C5A60S2從通信線上接受到串口中斷請求后，與本機地址比較，若本機地址與選中地址相同，就繼續(xù)接受發(fā)送信息請求，并且回復(fù)給ADuc7026以應(yīng)答信息，隨即把相關(guān)的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至上位機ADuc7026，ADuc7026收到信息后驅(qū)動顯示器HS12864顯示當(dāng)前樓層的溫濕度信息和開關(guān)狀態(tài)。如此，處理器ADuc7026作為上位機，循環(huán)的給下位機STC12C5A60S2發(fā)送讀取請求信息，使得上位機能實時的顯示出當(dāng)前的溫度濕度以及開關(guān)狀態(tài)信息，以達到實時監(jiān)控的效果。

5 ?結(jié) ?語

本文以樓宇母線槽溫為監(jiān)控對象，設(shè)計了一套溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。由單片機通過電容式濕度傳感器HS1101實時采集的濕度信號，通過紅外溫度傳感器TS118-3采集實時的溫度信號，經(jīng)過處理得出溫濕度數(shù)據(jù)，送至上位機顯示。系統(tǒng)通過借助原有系統(tǒng)的漏電開關(guān)，既滿足了對于樓宇母線槽干線的溫濕度監(jiān)控，當(dāng)超限時跳閘的需求，又不影響的母線槽漏電開關(guān)原有的保護功能。方便可靠，成本比較低，實用性強，有較高的應(yīng)用價值，另外根據(jù)需要，以后還可以增加功能，實現(xiàn)計算機聯(lián)網(wǎng)控制。

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