电力设备温湿度控制器的设计.pdf

l 匐 似 电力设备温湿度控制器的设计 The desi gn of con t r ol l er of t em per at ur e and hum i di t y i n el ect r i cal equi pm ent 李丽’ ，汤学博 ，刘嘉文’ ，贺慧勇 L l L i ， T ANG Xu e _ b O ， L I U J i a ． we n。 。 HE Hu i ． y o n g ( 1 ．广东电网公司电力科学研究院，广州 5 1 0 0 8 0；2 ． 长沙理工大学 。长沙 4 1 0 1 1 4 ) 摘要：以P l O l 6 F 8 7 7 A 微控制器为主控芯片，采用S H T 1 1 组成数字温湿度控制器，主要用于开关柜、 端子箱等电力设备。首先温湿度传感器对相对湿度和环境的温度进行检测，然后PIC1 6 F 8 7 7 A 微控制器从S H T 1 1 的串行接口得到数字温湿度信号，进一步利用微控制器实现温度补偿和相 对湿度的非线性补偿 ，最后相对湿度和实际温度值送L E D 显示器显示，必要时启动加热器或 风机，从而实现对局部环境温湿度的控缶 关键词 ：温湿度控制器；P lO l 6 F 8 7 7 A ； S H T 1 1 中图分类号：T P 2 7 3 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 9 —0 1 3 4 ( 2 0 1 2 ) 1 0 ( 下) - 0 1 4 6 —0 4 D o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 2 ． 1 0 ( 下) ． 4 5 0 引言 许多 电力设备都要求在特定的环境条件下运 行 ，如 电保护 柜、仪表 箱、计 量柜 、开 关柜 等、 端子箱等设备。温 度过 低、温度过高 、湿度过大 ( 结露 ) 都对 电力设备的安全运行构成威胁。显然 温度和湿度参数的测量和控制是急需解决的问题。 所以 ， 设计一种高效、准确、实时的温度、湿度测 控装置 ，对设备内部及周围环境温湿 度进行实时 监测与控制 ，提高 电力设备运行的安全性 ，降低 故障率，延长设备使用寿命 ，以免设备过热、过 湿而发生火 灾、爬 电等事故 ，使设备 安全能够正 常运 行。当然，该 装置还 可 以应 用到其 它领域 ， 比如工厂 、粮仓、档案 室、医药库 、弹药库 、矿 井、温室大棚 内、室内等。 日常生活 中，常见的温度测量工具有水银温 度计 ，体温计等 ，这种测量设备的测量速度很慢， 精度低。在温室大棚、仓库和烟叶烘烤等场合 中， 温湿度控制都有应用 ，其 大都采用温 度、湿度独 立 测量 ，分别采用传统温 度传感器和湿 度传感器 来测量，然 后通过 A D转换为数字信 号，再送单 片机处理 n 】 。在实验室的温湿度测量中采用具有高 精度、防干扰 等优 点的数字式传感器 S HT 1 1 ，不 需要外部元件，可适配各种单 片机。这 为开发新 一 代的温湿度测控系统提供 了有利条件 ，同时也 有助于将温湿度测控技术提高到新的水平 。 1 电力设备温湿度控制器设计方案 温湿度控制是一种反馈控制 ，由温湿度传感 器检测温湿度的值 ，进一步来控制现场 的温湿度 值 ，同时将检 测到 的现场 的数值与 目标设定值对 照 ，最后会 自动进行修正并控制各输 出口的动作。 对该温湿度控制器来说 ，系统控制对 象是电力系 统 中的变 电柜 ，端子箱内的温湿度，整个 系统都 是由温湿度控制箱进行 自动调节 ，系统 中多处放 置有温湿度传 感器 ，同时相应的执行元件是加热 器，风机。这个系统完全符合了 自动 控制系统 中 系统需要有控制对象、执行器 、调节 器等部分 的 特点，因而该系统就是个 自动控制系统。 电子式湿度传感器是一种新型的温湿度传感 器。在产 品出厂 前，湿度传感器生产厂要对温湿 度传感器用标准湿度发生器进行标定检测，电子 式湿度传感器的准确度会提高，精度可以达到 2 ％ 一 3 ％ R H。S HT 1 1是基于 C MOS e n s 技术 的新型智 能温湿度传感器 ，该产品具有品质卓越、抗干扰 能力强 、响应迅 速 、性价 比高等 优点 。S HT 1 1 片 内设 有了温度传 感部分、湿度传 感部分、A ／ D 转换器部分 ，它将温湿度传感器 、信号放大调理 、 A D转换 、二线串行接 口全部集成于一个芯片内 ， 将 C MOS芯片技 术与传感器 技术相结合 。优 点 ： 单片式、超快 响应、免调试 、免标定、免外围复 杂 电路、全 互换、数字式输 出、抗干扰能力强和 收稿日期：2 0 1 2 - 0 9 —1 4 基金项目：中国南方电网公司科技项 目 ( K— G D2 0 1 1 — 4 1 4 ) l l E 者简介：李丽 ( 1 9 7 1 一) ，女，江西全南人，高级工程师，硕士，主要从事电力行业环境保护和职业卫生监测与评价工作。 [ 1 4 6 ] 第3 4 卷第1 0 期2 0 1 2 —1 0 ( 下) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 匐 似 中设置 了 4个按键 ，分别为 S E T键 ( 预定值设置 键) 、 S W ( 强制加热键) 、 U P ( 上调键) 、 D O WN ( 下 调键 ) ，4个按键通过 1 0 K的电阻接到 电源 ，上拉 端接单片机 R B口，设定键和强制加热键接带有电 平 中断 I ／ O口，来触发单片机执行相应功能 。上调 和下调键则没有必要用电平中断，普通 I ／ O就行。 显示电路采用 MAX 7 2 1 9芯片驱动 8 位共阴极 L E D数码管工作。MAX7 2 1 9驱动芯片和微处理器 之 间的连 接需要三根导线 ，其 中每一 的位数字显 示都需要有一个地址 ，并 由微处理 器写入控制执 行。允许使用者在显示 电路设计过程 中选择每位 是 BC D 译码的方式或不译码不译码的方式进行。 使 用者在进行设计的时候还可选择 各种模式的设 置，如 ：数码管的数字亮度控制、停机 、数码管 显示器的测试和 L E D扫描位数等模式 。 2 ．3控制输出电路 当单片机检测到传感器测量 的温 湿度值与超 出预定值的范围时就 启动该部分 电路工作 ，采用 光耦隔离以提高系统抗干扰能力。电路原理如图 3 所示 。 当单片机 R E 0端输 出为 0时 ，光电耦合器导 通工作 ，继电器被吸合 开始工作 ，加热器开始工 作 ，加热 过程开始。其 中，当继电器断开 ，在继 电器线圈上产生反向瞬时高压 ，从而将继电器损 坏 ，D7主要用于保护继电器 。加热回路中串接了 6个大电流二极管 ，每三个一组 ，两组方向相反 ， 一 提供交流通路 ，当交流流过每组二极管是在其 上产生压降，2 V左右，这个 电压供给断线报警 回 路的双 向光耦工作 ，限制 电流 电阻 R1 6 ，滤波 电 容 C 2 2 ，将 1 M 的电阻并接在每个二极管两端 ，该 电阻用来平均加在二极管两端的电压，二极管发 热不均现象的现 象将被消除。当加热 回路断线时 ， 二极管上没有电流流过 ，就不会产生压降，双 向 光耦 P S 2 5 0 5不导通 ，A L A R M_ A端被置高 ，从而 触发单片机报警。 2 ． 4 语音 电路 为 了能达到更好的人机信息交流 ，系统增加 了语音 部分 ，该 部分 采用 嵌入 式 中文 语音 合成 芯 片 0S Y N0 6 1 8 8来 实 现 语 音播 报 温 湿 度值 和 报警 功能。单片机 的 串行 I ／ O口 T X D和 R X D分 别 OS YNO 6 1 8 8的 R XD和 T X D 口相连 ，将待合 成 的文本经过异 步 串行通讯 单片机发给 OS Y NO 6 1 8 8 ，扬 声器 由 P WM 输 出直 接驱动 ，也 可通过 1 脚 ( V O) 接功放管来驱动扬声器。XOU T、XI N 两 引脚必须接 1 6 MH z晶振。O S Y NO 6 1 8 8提供两 组 电源输入 ( VD D和 C V DD) ，两组 电源共用 电 源地 ( G ND) ，C VD D要低于 VD D电压 ，这里 通 过在 C VD D跟 VD D直接串接两个二极管来降压 。 为使 系统可靠工作，在 电源引脚两端必须加滤波 电容。 3 软件设计 软件设计 思想：用定时器 T MR 0产生系统时 瑟 VCC J9一 C RELAY _ DP l R1 7 J 1 K 3 3 3 V D 6 0 4[ u4 AL ARM A 一 _／ ⋯ 一 后 iod D iode 1N f 7． L Y1 J — 9= - C2 2 L! Di o d e1 N 4 。 帅 Di o d e1 N P S 25 0 5 = +EC7 【 D l 1 一 E C Dl o d eI N j 4 。 4 Di o d e1 N N 1 [ 1 4 8 ] 第3 4 卷第1 O 期2 0 1 2 —1 0 ( 下) 图3 输出控制电路 问 基 准 ， 系 统 根 据 不 同 时 间 基 准 发 布 不 同 消 息， 主 程 序 中根 据 不 同消 息 选 择 执 行 不 同功能子程序。 以 MP LAB I DE V8 ． 5 0 为 软件 开发环境 ， 开 发 语 言 以 c 语 言 为 主 ， 与 汇 编 语 言 相 结 合。 软 件 设 计 模 块 由主 程 序 控 制 模 块， 相 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m I 匐 似 图4 整体设计主流程 图 表3 实验数据 预 定温 度下 预定温度上 预 定湿度上 实际测量温 实 际测量 湿 加热继 电器 风机继 电器 限 ( ℃) 限 ( ℃) 限 ( R H％) 度 ( ℃) 度 ( R H％) 是否动作 是否动作 1 0 3 2 9 5 3 3 ． 6 9 0 ． 3 否 是 3 5 8 0 9 5 2 8 ． 3 9 1 ． 7 是 否 1 0 8 0 6 5 3 0 ． 2 8 6 ． 5 是 否 应程 序初 始化 模块和相应的各功能模块组成。初 始化程序包含 ：单片机特殊功能寄存器 ( 包括 I ／ O 口方 向，各 中断 ) ，MAx7 2 1 9 ，S HT l l等初 始化 模块。功能子程序 包括：中断处理程 序，温 湿度 测量程 序，显示程序 ，键处理程序 ，加热降温输 出控制程序 ，语音程序。整体设计主流程 图如图 4 所示。 4 结果分析 实验数据见表 3 。 经 分析 比较 ，当温度高 于温 度预定 上限 时 ， 控 制风 机 的继 电器 闭合 ，启动 风机 降 温 ；当温 度 低于 预 定温 度 的下 限时 ，控制 加 热 回路 的继 电器 闭合 ，启动 加热器加 热 以提 高空气 饱和度 ， 防止凝 露 出现 ；当湿度 高于湿度预 定上 限值时 ， 控 制 加 热 回 路 的继 电器 闭合 ，启动加 热器加热 ， 以提 高 空 气 饱 和 度 ， 防 止凝 露出现 。 5 结束语 本 设 计 对 a 、b两 路 温湿度的测量 ，并 由数码 管将实时温度值显示 ，实 时湿度值显示出来 ，每 隔 8秒 a 、b两路 轮换 显示 ， 温度和湿度测量准确 ，精 度 比较高 ，系统 响 应快。 当温湿度超出预设范围时 相应继电器动作，当温湿 度 回到安全范围时 ，继 电 器断开。同时本设计还有 强制加热功能 ，其实用价 值很高。 该 系 统 还 可 进 行 扩 展 ，可以扩展一个或多个 半导体冷凝片来除湿 ；由 无线通信模块的控制 ，对 温湿度实现无线测控 ；也 可由无线传感网络来进行 温 湿 度 的大 范 围 多 点 测 控 ；可集成其他模块 ( 如 烟度、煤气 、粉尘 、酸碱 度、光照和风速等 ) 实现 多参数测控。 参考文献： [ 1 】李探， 李双双 ． 一 种基于传 感器的温 湿度检 测系统 的设 计 [ J ] ． 中国科技博览， 2 0 1 0 ， ( 1 1 ) ： 9 2 ． [ 2 ]李敏 ， 孟臣 数字式温 ／湿度传感器及其 应用技术【 J ] ． 电 子元 器件 应用， 2 0 0 4 ， 6 ( 1 1 ) ： 2 8 — 3 1 ． [ 3 】王武礼， 杨华． 基于S HT 1 1 的粮仓温湿度测控系统的设 计[ J ] ． 仪表技术与传感器， 2 0 1 0 ， ( 9 ) ： 5 0 — 5 1 ． [ 4 】张艳丽， 杨仁弟． 数字温湿度传感器S H T1 l 及其应用【 J ] ． 工矿 自动 化， 2 0 0 7 ， ( 3 ) ： 1 1 3 - 1 1 4 ． 【 5 】何翔宇， 马帅． 一种无线温湿度检测装置的设计与实现 【 J ] ． 自动化技术与应用， 2 0 1 0 ， 2 9( 8 ) ： 1 0 3 — 1 0 5 ． 【 6 】钟晓伟， 宋蛰存． 基于单片机的实验室温湿度控制系统 设计【 J 】 ． 林业机械与木工设备． 2 0 1 0 ， 3 8 ( 0 1 ) ： 3 9 ． 4 2 ． [ 7 】王宝琴， 范长胜， 郭艳玲． 基于单片机的温室温湿度控制 系统设计 [ J ] ． 林业机械 与木工设备 ． 2 0 0 8 ， 3 6 ( 3 ) ： 3 9 ． 4 0 ． 第3 4 卷第1 O 期2 0 1 2 — 1 0 ( 下) 1 1 4 0 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m