配电变压器油温在线监测仪设计.doc

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1、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： 课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 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，分别用于变压器冷却系统的控制，超温报警，超温跳闸等。设计内容：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. 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

2、设计（程序流程图设计和程序编写进度计划第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 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。变压器油温受变压器所带负荷以及环境温度等因素的影响。环境温度是随机变化的，变压器所带负荷也是变化的，因而变压器运行时油温是一个变化的

3、量。因此，必须通过适时控制变压器的冷却设备启动或停止，以保证变压器正常运行对油温的要求。油浸式变压器常见的冷却方式是变压器内部油循环和外部风扇直吹，其中内部油循环难以控制。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

4、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。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22.1 配电变压器油温在线监测仪设计总体设计方案22.2 CPU的选择22.3 数据存储器扩展42.4 复位电路设计52.5 时钟电路设计62.6 CPU最小系统图7第3章 输入输出接口电路设计83.1 配电变压器油温在线监测仪设计传感器的选择83.2 配电变压器油温在线监测仪设计检测接口电路设计83.3 声光报警电路设计93.4 人机对话接口电路设计10第4章 配电变压器油温在线监测仪软件设计

5、114.1 流程图设计114.2 配电变压器油温在线监测仪设计流程图设计124.3 程序清单12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18参考文献19II第1章 绪论1.1 配电变压器油温在线监测仪设计概况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，稳定性好，不振荡，对系统的快速性要求不高。以下简单分析了单片机温度控制系统设计过程及实现方法。现场温度经温度传感器采样后变换为模拟电压信号，经低通滤波滤掉干扰信号后送放大器，信号放大后送模/数转换器转换为数字信号送单片机，单片机根据输入的温度控制范围通过继电

6、器控制加热设备完成温度的控制。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 本文研究内容本文研究一种在线无损油温检测装置，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

7、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. 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（程序流程图设计和程序编写）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温度信号经过温度测量模块后，转换为420mA

8、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。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、恢复运行以及选择定值。当上位机提出通信请求时，AT89C51 可以向上位机发送有关信息。图2.1 过程层原理框图表1.1 变电站情况项目名称本期规模变压器2台35kV进线2回10kV出线6回10kV电容器组2台电气主接线35kV外桥接线10kV单母分段接线2.2 CPU的选择采用MCS-51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

9、中各种型号芯片的引脚是互相兼容的。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。制作工艺为HMOS的MCS-51的单片机都采用40只引脚的双列直插封装方式，如图2.2所示。 图2.2 AT89C51芯片管脚图40只引脚按其功能来分，可分为如下3类： 电源及时钟引脚：Vcc、Vss、XTAL1、XTAL2。电源引脚接入单片机的工作电源。Vcc接+5V电源，Vss接地。时钟引脚XTAL1、XTAL2外接晶体与片内的反相放大器构成了1个晶体振荡器，它为

10、单片机提供了时钟控制信号。2个时钟引脚也可外接独立的晶体振荡器。XTAL1接外部的一个引脚。该引脚内部是一个反相放大器的输入端。这个反相放大器构成了片内振荡器。如果采用外接晶体振荡器时，此引脚接地。XTAL2接外部晶体的另一端，在该引脚内部接至内部反相放大器的输出端。若采用外部时钟振荡器，该引脚接受时钟振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。 控制引脚：、ALE、RESET（RST）。此类引脚提供控制信号，有的还具有复用功能。 RST/VPD引脚：RESET（RST）是复位信号输入端，高电平有效。当单片机运行时，在此引脚加上持续时间大于2个机器周期（24个振荡周期）的高电平时，

11、就可以完成复位操作。在单片机工作时，此引脚应为0.5V低电平。VPD为本引脚的第二功能，即备用电源的输入。当主电源发生故障，降低到某一规定值的低电平时，将+5V电源自动接入RST端，为内部RAM提供备用电源，以保证片内RAM的信息不丢失，从而使单片机在复位后能正常进行。 ALE/ 引脚：ALE引脚输出为地址锁存允许信号，当单片机上电正常工作后ALE引脚不断输出正脉冲信号。当单片机访问外部存储器时，ALE输出信号的负跳沿用于单片机发出的低8位地址经外部锁存器锁存的锁存控制信号。即使不访问外部锁存器，ALE端仍有正脉冲信号输出，此频率为时钟振荡器频率的1/6。 为该引脚的第二功能。在对片内EPRO

12、M型单片机编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端。 引脚：程序存储器允许输出控制端。在单片机访问外部程序存储器时，此引脚输出脉冲负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号。此引脚接外部程序存储器的OE（输出允许端）。 /VPP引脚：功能为片内程序存储器选择控制端。当引脚为高电平时，单片机访问片内程序存储器，但在PC值超过0FFFH时，即超出片内程序存储器的4KB地址范围时将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当引脚为低时，单片机只访问外部程序存储器，不论是否有内部程序存储器。 I/O口引脚：P0、P1、P2、P3，为四个8位I/O口的外部引脚。P0口、P1口、P2口、P3口是3个8位准双向的I/O口，

13、各口线在片内均有固定的上拉电阻。当这3个准双向I/O口作输入口使用时，要向该口先写1，另外准双向口I/O口无高阻的“浮空”状态。由于单片机具有体积小、质量轻、价格便宜、耗电少等突出特点，所以本系统采用89C51单片机，硬件设计电路图如图所示。89C51内部有4KB的EPROM，128字节的RAM，所以一般都要根据所需存储容量的大小来扩展ROM和RAM。本电路接高电平，没有扩展片外ROM和RAM。2.3 数据存储器扩展RAM是用来存放各种数据的，MCS-51系列8位单片机内部有128BRAM存储器，CPU对内部RAM具有丰富的操作指令。但是，当单片机用于实时数据采集或处理大批量数据时，仅靠片内提

14、供的RAM是远远不够的。此时，我们可以利用单片机的扩展功能，扩展外部数据存储器。常用的外部数据存储器有静态RAM（Static Random Access Memory）和动态RAM（Dynamic Random Access Memory）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。AT89C5

15、1单片机和静态数据存储器RAM 6116的接口电路图如下图2.3所示：MCS-51单片机扩展片外数据存储器的地址线也是由P0口和P2口提供的，因此最大寻址范围为64KB（0000HFFFFH）。图2.3 CPU与数据存储器的硬件原理图2.4 复位电路设计复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因此非常重要。单片机的复位都是靠外部复位电路来实现得，在时钟电路工作后，只要在单片机得RESET引脚上出现24个时钟脉冲（两个机器周期）以上的高电平，单片机就能实现复位。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

16、RESET从高电平变为低电平以后，单片机从0000H地址开始执行程序。在复位有效期间，ALE和PSEN引脚输出高点平。该设计采用的是按健电平复位电路，使用比较方便，在此复位电路中，干扰易串入复位端，在大多数情况下不会造成单片机的错误复位，但会引起内部某些寄存器错误复位。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

17、时钟方式。89C51单片机内部有一个高增益反向放大器（及与非门的一个输入端编程为常有效时），用于构成片内振荡器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器，见下图。外接晶振时，C1和C2值通常选择为30pF左右；外接陶瓷谐振器时，C1和C2可稳定频率并对振荡频率有微调作用，振荡频率范围是0到24MHz。为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定可靠的工作，谐振器和电容应尽可能安装的与单片机芯片可靠。 图2.5 晶振电路202.6 CPU最小系统图d 图2.6 CPU最小系统

18、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油温测控系统主要性能指标：1、一路温度信号输入，测温范围10.0 oC85.0 oC。2、测温精度 0.5 oC。3、温度定值由用户选择，采用参数自调整算法控制风机启停。4、动态显示当前温度值。5、接收上位机通信请求，发送当前温度值、温度定值、风机状态等信息到上位机。6、用户检测系统基本状态，包括风机启动、风机停止和检测当前温度定值等。本设计中采用AD 公司出品的V/F 变换芯片AD654低成本、集成V/F转换器AD654，是由低漂移输入放大器、精密振荡器系统和大电流输出级组成。使用时只需一个RC网络，使用时就可以产

19、生高达500kHZ的任何满量程频率及-30V30V的满量程输入。3.2 配电变压器油温在线监测仪设计检测接口电路设计A/D转换器选择本设计中采用AD 公司出品的V/F 变换芯片AD654，图2 是V/F 转换电路的原理图。AD654 是一款带有精密振荡系统和高电流输出的V/F 变换器，频率最高可达到500KHz，输入阻抗为250M,采用单电源时，输入电压范围是0V(+Vss-4)V，在最高频率为250KHz 的情况下，非线性度典型值为0.06%,最大值为0.1%，本装置选择（20100）KHz的频率段 。参照典型参数，其中选择R1=5k,C1=1000pF。式(1)是AD654 的电压/频率转

20、换公式：1 4 1 10 ( )FoutR R CVin+= （1）经温度测量模块来的电流信号流过R3，转换为15V 的电压信号，再经由AD654 转换20KHz100KHz 的频率信号，送往AT89C51 的T0。由于AD654 和光耦的隔离作用，削减了来自前向通道和来自电源的干扰，提高测量稳定性。为了提高精度和线性度，采用精密电阻和低温度系数的元件。图3.1 A/D 转换电路AT89C51 端口的应用设计中用P0 口作为显示模块的控制端口；用P0.6、P0.5 作为LED 的片选信号输出端；用P0.4P0.0 作为显示码输出端口；用P1.0 和P1.1 两个I/O 口控制继电器的打开与闭合

21、，确保继电器不会因为干扰而误动作。用P1.2P1.5 作为BCD 开关的状态查询端口。AT89C51 的INT0 口作为外部按键中断源入口。用P2.0P2.3 作为按键按下的状态查询端口。用RXD 作为串口信号输入端口；用TXD 作为串口信号输出端口。3.3 声光报警电路设计报警电路采用单片机I/O口外接二极管驱动蜂鸣器，发出报警信号，如图3.2所示。 图3.2声光报警电路3.4 人机对话接口电路设计LED显示器有静态显示和动态显示2种显示方式。静态显示电路中，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

22、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。因此在显示位较多的情况下，一般都采用动态显示方式。该设计中采用的就是LED动态显示方式，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，用的最多的是非编码键盘。非编码键盘有分为：独立键盘和行列式（又称为矩阵式）键盘。使用时先将键盘借口初

23、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。 显示部分用4个数码管显示当前数据，数码管分别用4个74LS164锁存器控制段选和位选，锁存器与单片机I/O口连接，位锁存器输出端分别与数码管片选连接，段锁存器输出端接数码管段输入端连接。锁存器片选输入端为高电平时，I/O口数据输入锁存器，当输入为低电平时，锁存器关闭并将数据保持住。图3.2人机对话接口电路第4章 配电变压器油温在线监测仪软件设计4.1 流程图设计主程序流程图设计主程序在ROM 中从0070H 处开始，流程图如图4 所示,在设计中用中断的方式完成油温的采

24、样、按键的识别和串行口通信等一系列操作。系统上电是否高于85度继电吸合是否高于91度报 警是否高于85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转换算术平均滤波计算出电阻值查表得到温度图4.1主程序流程图4.2 配电变压器油温在线监测仪设计流程图设计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4.3 程序清单DIS：MOV A，R2 ；（R2）+（R3）+（R4）即得报警地点ADD A，R3 DA AADD A，R4DA AMOV R4，A ；把相加结果存放R4中MO

25、V 21H，#00H ；置循环显示初值HDISP：MOV A，R4ANL A，#0F0HORL A，#07H ；选通高位数码管MOV P2，A ；送显高位ACALL DELAD2 ；延时MOV A，R4ANL A，#0FHSWAP AORL A，#0BH ；选通低位数码管MOV P2，A ；送显低位ACALL DELAD2 ；延时INC 21HMOV A，#0FHXRL A，21HJZ B1 ；循环显示完否SJMP HDISP ；未完继续B1：RET ；显示完返回ORG 0000HSTART：MOV P1，#0F0H ；关闭两片89C51MOV R3，#0D0H ；对第一片89C51送控制字M

26、OV 20H，#02HM1：MOV A，R3ACALL READ ；调用读数子程序JZ N1ACALL M2 ；调用核对子程序N1：MOV A，R1INC AMOV R1，AACALL READJZ N2ACALL M2N2：MOV A，R1INC AMOV R1，AACALL READJZ N3ACALL M2N3：MOV A，R1INC AMOV R1，AACALL READJZ N4ACALL M2N4：MOV R3，#0B0H ；第二片89C51送控制字MOV A，02HDEC AJNZ M1SJMP START ；巡回检测READ：MOV P1，A ；送控制字CLR P1.4ORL

27、P1，#0FHMOV A，P1 ；读数据SETB P1.4ANL A，#0FHRET ；子程序返回M2：MOV R0，ALCALL DELAD1MOV A，R1XRL A，R0 ；核对比较JNZ M22 ACALL TLTC ；调用查找报警点子程序M22：RETTLTC：MOV A，R1 ；查找报警点位于哪个口ANL A，#0FHMOV R7，AMOV R2，#00HL1：MOV A，R7JNZ L2MOV R2，#04HL2：MOV A，R7JNZ L3MOV R2，#08HL3：MOV A，R7XRL A，#03HMOV R2，#12HLL3：MOV A，R1 ；查找报警点在哪片89C51

28、ANL A，#0F0HRLC AJC L4MOV R3，#16HL4：RLC AJC L5MOV R3，#00HL5：MOV A，R0 ；查找是哪个点报警RRC AMOV R0，AJNC L6MOV R4，#01HLCALL DISL6：MOV A，R0RRC AMOV R0，AJNC L7MOV R4，#02HLCALL DISL7：MOV A，R0RRC A MOV R0，AJNC L8MOV R4，#03HLCALL DISL8：MOV A，R0RRC AJNC L9MOV R4，#04HLCALL DISDIS：MOV A，R2 ；显示报警ADD A，R3DA AADD A，R4DA

29、AMOV R4，AMOV 21H，#00HHDISP：MOV A，R4ANL A，#0F0HORL A，#07HMOV P2，AACALL DELAD2ANL A，#0FHSWAP AORL A，#0BHMOV P2，A ACALL DELAD5INC 21HMOV A，#0FFHJZ B1B1：RETDELAD1：MOV R5，#04H ；延时子程序1DELAD2：MOV R6，#0F0HDELAD3：MOV R7，#0F7HDELAD4：NOPNOPDJNZ R7，DELAD4DJNZ R6，DELAD3DJNZ R5，DELAD2DELAD5：MOV R5，#02H ；延时子程序2DEL

30、AD6：MOV R6，#0FFHDJNZ R6，$DJNZ R5,DELAD6RET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 系统原理综述本次设计的配电变压器油温在线检测系统是实现对配电变压器油温的实时监控，当启动湿度传感器时，测量变压器的油温，在变压器不同位置设置了2个温度检测点，将测量温度与给定值比较进行PID运算。系统装配有配有4个晶闸管输出控制点，可控制降温设备，当DXDL，即当前湿度低于设定的下限值时，降温器工作，进入降温阶段；当DXDL时，即当前温度高于设定的上限值时,断开可控硅，关闭降温器，停止降温，等待下一次的启动命令。在这两过程中继续对温度进行实时监测

31、。温度检测范围1085，精度0.5。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。变压器油温受变压器所带负荷以及环境温度等因素的影响。环境温度是随机变化的，变压器所带负荷也是变化的，因而变压器运行时油温是一个变化的量。因此，必须通过适时控制变压器的冷却设备启动或停止，以保证变压器正常运行对油温的要求。油浸式变压器常见的冷却方式是变压器内部油循环和外部风扇直吹，其中内部油循环难以控制。本装置采取控制风机的启动和停止来控制变压器的

32、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。综合运用了电路分析，protel软件画图等方面的知识，并通过单片机汇编语言对系统进行了软件设计。从而真正地将所学知识运用于实践，不仅加强了对所学知识的理解和巩固，而

33、且极大地提高了自己的设计思维能力和动手操作能力，增强了开拓创新的能力。课程设计加深了学生对所学课程理论的理解，扩展了教学中的实验内容和要求，积累了实践体验和经验，让我们提前感受到毕业设计的大致过程，进而能顺利进入毕业设计，提高毕业设计质量和学生实际应用能力。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 王祁 编著 智能仪器设计基础 机械工业出版社 20095 赵广林 编著 protel99 电路设计与制版 电子工业出版社 20096 吕能元 孙育才编著 MCS-51 单片微型计算机原理接口技术应用实例科学出版社 19937 朱景伟 汪 光 由AT89C2051 单片机构成的多点变压器油温巡回检测仪 电子技术应用1998 年第12 期