基于51單片機(jī)的PT100鉑熱電阻在配網(wǎng)溫度監(jiān)控中的應(yīng)用

鄭晴蝶

摘要：在工控領(lǐng)域，溫度指標(biāo)是一個(gè)重要的參數(shù)，溫度的高低從某些方面反映出了設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。在電網(wǎng)運(yùn)行中，線路溫度在一定程度上反映了線路負(fù)荷情況，線路溫度過(guò)高將加速線路老化，甚至熔斷，因此對(duì)于線路溫度的監(jiān)測(cè)對(duì)于防范線路因過(guò)負(fù)荷或接觸不良而導(dǎo)致的故障有重要意義。

關(guān)鍵詞：51單片機(jī)；PT100鉑熱電阻；配網(wǎng)；溫度監(jiān)測(cè)；溫度指標(biāo)；電力系統(tǒng) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP212 文章編號(hào)：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(wǎng)行業(yè)獲取配電變壓器的出線接頭溫度的方法是通過(guò)紅外電子槍獲取的，這種傳統(tǒng)的方法存在耗時(shí)長(zhǎng)、花費(fèi)人力大、實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題。本文針對(duì)傳統(tǒng)方法存在的問(wèn)題，提出一種全新的溫度采集方法，即通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集，再通過(guò)無(wú)線設(shè)備傳送到遠(yuǎn)程終端的方法。該種方法分兩部分：一是現(xiàn)場(chǎng)采集部分；二是遠(yuǎn)程終端部分。本文主要針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集部分，即基于單片機(jī)的PT100鉑熱電阻的溫度采集系統(tǒng)。

2 工作原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1基于單片機(jī)的PT100鉑熱電阻的溫度采集系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)PT100采集溫度，將溫度的變化轉(zhuǎn)換成PT100阻值的變化，再通過(guò)外接電路，將阻值變化轉(zhuǎn)換成電壓值的變化，通過(guò)電壓型A/D（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器）采集，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)射出去，同時(shí)系統(tǒng)通過(guò)太陽(yáng)能電池板和鋰電池結(jié)合供電的方式。這樣系統(tǒng)可直接安裝在配電變壓器出線接頭上，不必考慮絕緣問(wèn)題，避免造成電力系統(tǒng)接地故障。

2.2 溫度采集原理

系統(tǒng)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(shí)對(duì)應(yīng)阻值為100歐姆，且其阻值隨著室溫的變化呈現(xiàn)出線性關(guān)系，利用這一特性，通過(guò)測(cè)量PT100的阻值，再通過(guò)計(jì)算便可得出環(huán)境溫度。該傳感器在環(huán)境溫度

-200℃～+200℃之間的阻值都大致呈現(xiàn)出線性規(guī)律，而配網(wǎng)變壓器出線接頭在正常運(yùn)行狀態(tài)下的溫度不會(huì)超過(guò)該范圍，因此用該傳感器來(lái)測(cè)量配網(wǎng)變壓器出線接頭的溫度完全適用。PT100溫度傳感器輸出信號(hào)與溫差之間有一給定的連續(xù)函數(shù)關(guān)系，其阻值與溫度的關(guān)系如圖2所示：

3 電路設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)

3.1 電路設(shè)計(jì)

3.1.1 電源部分。電源設(shè)計(jì)如圖3所示，J1為太陽(yáng)能電池板接口，J2為電池接口，D1為二極管，防止電池向太陽(yáng)能電池板反充電，在光線充足的情況下由太陽(yáng)能電池板供電并向電池充電，而光線不足時(shí)由電池充電，S1為開(kāi)關(guān)，VR1為電源穩(wěn)壓芯片，將電壓轉(zhuǎn)換成3.3V。

3.1.2 PT100電橋采集部分。如圖4所示為系統(tǒng)PT100電橋電路。

R1、R2、R7為三個(gè)高精度阻值電阻，R6為PT100溫度傳感器，R1、R2、R6、R7組成一個(gè)電橋，AD620BR為一個(gè)高精度的運(yùn)算放大器，這里只做電壓跟隨器作用，不對(duì)電橋輸出電壓進(jìn)行放大。由于運(yùn)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(diǎn)間的電壓差為UAB=R2，由圖1可得出PT100阻值與溫度對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)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(dǎo)溫度值。

3.1.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)?；?1單片機(jī)的PT100鉑熱電阻的溫度采集系統(tǒng)選用的控制芯片是一種增強(qiáng)型的單片機(jī)STC12C5410AD，該型號(hào)單片機(jī)在工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。因其端口具有AD復(fù)用功能，搭建電路時(shí)無(wú)需再外接AD（模數(shù)轉(zhuǎn)換器），故采用該型單片機(jī)可在一定程度上簡(jiǎn)化電路。本文電路設(shè)計(jì)如圖5所示：

3.1.4 無(wú)線發(fā)送部分。在綜合比較了各種無(wú)線射頻模塊的優(yōu)缺點(diǎn)以及經(jīng)濟(jì)效益等方面后，本文選用了nRF24L01無(wú)線模塊。該模塊工作頻段在2.4～2.5GHz之間，在數(shù)據(jù)量較少、通信距離短時(shí)具有很高的性價(jià)比。該模塊內(nèi)置了晶體振蕩器、頻率合成器、調(diào)制器、功率放大器等功能模塊，具有輸出功率、通信頻道調(diào)等功能。該模塊具有低功耗的優(yōu)點(diǎn)，非常適合太陽(yáng)能電池組合供電的方式，在功率發(fā)射為-6dBm時(shí)，模塊的工作電流只有9mA，處于接收狀態(tài)時(shí)其電流只有12.3mA，同時(shí)采用多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式）使節(jié)能設(shè)計(jì)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(fā)射），4口為使能端，5口為SPI時(shí)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(shè)計(jì)

3.2.1 編程環(huán)境。系統(tǒng)采用KeilμVision2軟件環(huán)境編程。該編程環(huán)境可采用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序，優(yōu)勢(shì)明顯，是美國(guó)Keil Software公司出品的軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。雖然匯編與機(jī)器語(yǔ)言更接近，程序效率最佳，但是在維護(hù)方面、結(jié)構(gòu)性方面、可讀性方面、學(xué)習(xí)方面則是C語(yǔ)言更占優(yōu)勢(shì)，可以說(shuō)C語(yǔ)言易學(xué)易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（μVision）將這些部分組合在一起。

3.2.2 軟件流程圖。系統(tǒng)軟件流程如圖7，系統(tǒng)通過(guò)A/D（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器）將PT100溫度采集電路采集的溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)射出去，無(wú)限循環(huán)上述過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)采集。

4 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了基于單片機(jī)的PT100鉑熱電阻在配網(wǎng)溫度監(jiān)控中的設(shè)計(jì)方案。該方案的電路設(shè)計(jì)有效地實(shí)現(xiàn)了配溫度的現(xiàn)場(chǎng)采集，為配網(wǎng)溫度采集最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程終端監(jiān)控打下基礎(chǔ)，該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、運(yùn)行可靠，能夠?qū)崟r(shí)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(wèn)題。同時(shí)該采集終端還可以設(shè)定溫度閥值，超過(guò)閥值時(shí)發(fā)出告警信號(hào)，以便配電運(yùn)行人員做出相應(yīng)處理，保護(hù)運(yùn)行變壓器不至于過(guò)載損壞。