基于无线通信的高压设备温度监测系统的设计样本.doc

基于无线通信高压设备温度监测系统设计摘要：在对既有高压设备温度监测技术进行分析研究基本上，研制了基于无线通信高压设备温度监测系统。该系统高压侧单片机通过高压侧无线发射接受模块与低压侧无线发射接受模块进行无线双向通信，实现了高压设备温度监测信号向低压侧传送。本文针对该系统核心问题，重点简介了以PCB板铜箔为介质无线通信天线设计基本办法与计算式，设计了无线发射模块PCB板铜箔环形天线参数；简介了高压侧以太阳能电池为主专用电源设计，该电源由处在低压侧单片机系统控制聚光灯为高压侧太阳能电池提供能量，通过低功耗稳压模块输出稳定电压3.3 V；简介了综合性能较好温度传感器及其特性解决方式。实验室运营验证了该系统通信可靠性。核心词：高压设备；无线通信；太阳能电池；温度监测Design of temperature monitoring system for high-voltageequipment based on wireless communicationAbstract：Based on the analysis of current temperature monitoring technologies for high-voltage equipment，this article develops a system on the basis of wireless communications. In this system，the MCU on the high potential side communicates interactively with the low potential side by means of the wireless transceiver modules on both sides，so that the temperature signal of the high-voltage equipment can be sent to the low potential side. This article focuses on the following key techniques：the design of the antenna made of PCB in wireless communications；the power source based on solar cells in the high-voltage equipment，for which energy is provided by the MCU-controlled spotlight on the low potential side，which steadily produces a 3.3 V voltage through the low power voltage control module；and the parameters and the processing method of a well-performed temperature sensor. The tests in laboratory indicate the reliabilityof this system in communication.Key words：high-voltage equipment；wireless communication；solar cell；temperature monitoring1引言在电力系统运营中，过电流将导致电器、母线等过热；母排、触头、电缆等接头导电某些接触不良也将导致过热。设备过热又将导致绝缘损坏并产生绝缘老化甚至导致短路故障。电力系统中大某些故障都与发热关于。因而，高压设备温度监测关系到整个系统可靠与安全运营。由于高电压系统高电压、强磁场等特殊问题，常规测温办法是不合用。毫无疑问，保证高电压设备温度监测系统安全、可靠与监测精确度，该系统必要重点解决信号提取，高压侧信号转换与发射电路电源以及信号可靠隔离与传播。因而，上述三个问题是高电压设备温度监测系统设计核心问题1-2。收稿日期：-10Received Date：-10本文基于高压设备测温技术领域现状，对其进行了详细分析研究。在无线通信与太阳能电池研究基本上，设计了高压设备温度在线监测系统。本文还给出了详细模块、电路与关于参数。2背景技术分析研究当前，高低压侧被测信号隔离与传播有通过采用光纤、红外辐射、红外信号空间传送、无线通信等方式3-6。光纤是较好信号传播介质，在普通状况下具备很高绝缘性能。但是，光纤毕竟属于有线传播介质。在梅雨季节或潮湿气候条件下，其绝缘强度将大幅度减小。因而，光纤实际应用场合受到限制。红外辐射测温精确度低，设备昂贵。特别是由于红外信号无法穿透障碍物，无论是红外辐射或红外信号空间传送方案应用都将受到很大制约，而难以获得实际应用。由于无线通信技术迅速发展，采用无线通信方式进行各种物理参数监测也越来越引起人们关注。毫无疑问，无线通信技术在高电压系统重要参数如电压量、电流量、温度量等在线监测中将发挥重要作用，并具主导地位。该方案思路是：在高压侧，单片机将监测到温度信号通过无线收发模块传送处处在低压侧无线收发模块，在低压测，可以就地显示温度或再通过总线（如RS485）上传至上位机（计算机）。由于高电压设备特殊性，无线通信天线设计是必要解决核心问题。当前，高压侧信号传感转换单元电源重要有几种形式：电池供电；高压侧电流互感器供电；太阳能电池供电7。电池供电重要问题是电池使用寿命有限。当电池寿命终结时无法更换位于高电位电池是该方案难以克服问题。因而，普通不采用该方案。当前实际运营电源重要是通过高压侧电流互感器从母线电流获取能量方案。虽然这种方案原理比较简朴，但要保证在高压侧小电流时能输出满足规定电源电压，势必在额定电流时或过载时，产生太大电压，也许在过流或短路时损坏电源甚至整个监测系统。因而，这种方案在电流较小时，无法保证监测系统正常运营。以紧贴在高压侧信号转换与发射单元太阳能电池为主专用电源不但安全可靠，并且安装非常以便。因而，太阳能供电是优于电池供电与高压侧电流互感器供电方案。在诸如大量运营高压开关柜等高压设备，太阳能电池供电事实上是运用低压侧小容量聚光灯向处在高压侧太阳能电池提供能量。在该电源系统中还配有光源检测电路，以保证光源正常运营。3高压设备温度监测系统总体框图本系统总体硬件框图如图1所示。由于所用nRF905为集发送、接受为一体芯片，该系统高低压侧单片机通过高压侧无线发射接受模块、无线通信天线、低压侧无线发射接受模块进行无线双向通信，不但实现了由温度传感器感受高压侧被测温度信号向低压侧传送，并且低压侧单片机可以发送各种命令规定处在高压侧单片机执行有关命令，如依照需要变化采样间隔时间等。因而，该系统具备其独特灵活性。低压侧单片机还具备检测、控制小容量聚光灯功能，并通过通信接口与上位机进行信息互换。处在高压侧单片机由太阳能电池板供电。图1整个系统硬件框图Fig.1 Hardware block diagram4信号无线传播天线设计在小功率短距离无线通信系统中，通信可靠性与天线密切有关，天线设计是系统设计重点之一。普通有二种天线，一种是柱形，一种是环形。处在高电压系统附近柱形天线尖端侧电荷特别密集，其附近空气中电场特别强，使得空气中少量离子加速运动。这些高速运动离子撞击空气分子，便有更多分子电离。这时空气成为导体，于是就产生了尖端放电现象。因而在在高电压系统中不能选用柱形天线。同样也不能用普通环形天线。这里选取以PCB板铜箔形成环形天线，因而要按照天线设计规定仔细设计，否则将无法通信或通信不可靠。如图2所示粗线某些为环形天线，图3为PCB示意图，其等值线路(发送模式)如图4所示8。图2nRF905与天线连接图Fig.2 Diagram of a loop antenna connected to nRF905图3环形天线PCB示意图Fig.3 Geometry of rectangular loop antenna made of PCB图4环形天线(发送模式)等效线路图Fig.4 Loop antenna equivalent circuit (transmission mode)图3中a1、a2为天线长、宽，b1、b2为PCB铜箔厚度与宽度。令，环形天线面积A=a2。而矩形铜箔可用圆形导线等效，等效圆形导线半径b=0.35b1+0.24b2图4中输入阻抗ZIN由下式给出： (1)式中：RR，RL，RX分别为辐射电阻、损耗电阻和附加电阻(电容CP等效串联电阻等)；LA，LL分别为环形天线电感和回路电感。RR可以从下式得到： (2)这里A为环形天线面积，c为光速，c=3108，f0为谐振频率，这里取433 MHz。损耗电阻RL可按正式计算： (3)式中：l、P、Rs、分别为天线金属导体长度、天线周长、天线铜表面电阻和铜电导率。附加损耗Rx按下式计算： (4)式中：Q为环形天线品质因数，它重要由电容Cp等效电阻决定。在共振条件下，输入阻抗由下式计算： (5)回路电感LA，回路导体电感LL计算式由式(6)、(7)计算： (6) (7)据以上各式计算，可得到如图5所示天线尺寸及有关元件参数。图5最后设计PCB板环形天线Fig.5 Dimension diagram of the loop antenna通过实验表白，本文设计以PCB板构成环形天线满足设计规定，在开阔场地100 m范畴内通信可靠，在室内可以相隔三四个控制室进行正常通信。这将为此后建立高电压系统各种参数在线监测网络奠定基本。5太阳能电池供电电源系统设计电源是高电压温度监控器重要某些，它性能与可靠性甚至关系到温度监控器设计成败。本系统采用太阳能电池供电，显然，在高电压电器系统中，能直接应用太阳能状况不多，这里采用在低压侧聚光灯射向处在高压侧太阳能电池板为处在高压侧信号转换与发射单元供电方案。太阳能电池是一种把光能转换为电能一种装置。依照所用材料，太阳能电池可分为硅系太阳能电池和非硅系太阳能电池，而硅系太阳能电池是当前发展最成熟，在应用中居主导地位。在硅系太阳能电池中又分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。太阳能电池事实上是一种大面积平面二极管，在光线照射下便可产生直流电。考虑到太阳能电池转换效率，太阳能电池实际等效电路如图6所示。IL为光生电流，并联电阻RP为电池边沿漏电或耗尽区内复合电流引起，串联电阻RS重要涉及正面金属电极与半导体材料接触电阻、半导体材料体电阻和电极电阻9。图6太阳能电池等效线路图Fig.6 Equivalent circuit of the solar cell由图6等效电路图可得相应太阳能电池伏安特性计算公式： (8)式中：q为单位电荷(1.61019k(SA)；K为玻耳兹曼常数(1.381023J/K)；T是绝对温度(K)；n为二极管指数，取12。图7为在光照和无光照下硅太阳能电池输出特性曲线。从中可以看到在有光照下，电池有一种最大输出功率PMAX，相应于此功率时电压UMP和IMP，太阳能电池短路电流ISC和开路电压UOC，这些都是太阳能电池重要参数。图7硅太阳能电池输出特性曲线Fig.7 Output performance curve of the silicon solar cell本文选用了一种当前最为成熟且应用最广是单晶硅太阳能电池。其重要参数如下：开路电压（Voc），5.42 V3%短路电流（Isc），100 mA；最佳工作电压（Vm），5V3%；最佳工作电流（Im），100 mA5%；最大功率（Ppm），0.5 W5%；转换效率（EFF），16.5%2%。由于单片机与无线发射接受模块工作电压均为3.3 V，因而太阳能电池输出电压通过稳压模块后直接作为系统工作电源。nRF905最大工作电流为在接受状态下也仅为12.5 mA，加上单片机系统等，整个线路消耗电流在接受或发送状态下最大为41 mA（实测），故所选太阳能电池完全能满足规定。由于处在高压侧太阳能电池光源是受处在低压侧作为主控单片机系统控制，因而可以在需要时接通向太阳能电池提供能源聚光灯，并通过监测聚光灯电流与否正常来判断高压侧太阳能电池与否能获得足够光源，如有故障及时报警。当不需要时可以暂时切断聚光灯光源。这样将大大提高了整个系统可靠性。6温度传感电路设计由于高压侧信号转换与发射电路及其电源均处高电位，单片机及测温系统所用电源与低压系统无关，故温度传感器可通过普通绝缘办法与处在高电压带电体相连。与众不同是，考虑到高压设备温度监测动态响应、精度、安装、尺寸、成本规定，经大量研究与长期成功应用成果，本温度监测系统采用NTC热敏电阻DHT0A104F作为温度信号提取传感元件。该传感元件一致性与互换性都非常好，测温范畴为-40300，可选精度有1%，2%，3%等，其特性(从0300)如图8所示。从中可见其非线性是很严重，但是通过简朴变换后，可以大大改进。如图9所示，在热敏电阻下串一电阻R1，可以变化输出特性。从图9可以看到，增大R1使得特性左移。R值选用可以依照测温范畴拟定。当选用R110 k时，在10170间均有较好测温精度。Vout直接送至单片机AD口进行AD采样。为了防止干扰，可以用软件滤波，如若干次后平均，或采若干次后从小到大排列，取其中间若干个数平均。第2种办法有较好抗干扰能力，但编程稍复杂点。图8DHT0A104F特性Fig.8 Characteristic diagram of DHT0A104F图9通过变换后热敏电阻输出特性Fig.9 Output performance curve of the transformed NTCAD转换精度除了与AD转换器关于外，还与所用参照电压稳定性关于。本文选用是PIC16F877A内部10bAD转换器，它AD成果AD与输入电压Vo、参照电压Vref关系为：AD=Vo1 023/Vref显然从上式看，要得到精准AD成果，参照电压Vref必要精准、稳定。但是，事实上普通设计电源Vcc并不十分精准稳定，普通设计人员不得不用一精密电压基准源作为AD转换参照电压Vref，以盼望AD成果精准、稳定而不受电源电压波动而波动。本设计提出将电源电压Vcc直接作为参照电压Vref就能保证AD成果稳定而不随电源电压Vcc波动而变化方案，可证明如下：如图9右边所示电路，可得：Vo=VccR1/(Rt+R1)式中：Rt为热敏电阻在被测温度下电阻值。由于Vcc=Vref，AD=Vo1 023/Vref=VccR1/(Rt+R1)1 023/Vref=R1/(Rt+R1)1 023即选用Vcc作为Vref时，AD成果与电源电压无关。因而，本设计简化了传感转换电路，减少了成本，提高运营可靠性。7单片机与nRF905有关接线nRF905是挪威Nordic 公司推出单片射频收发器芯片，工作电压为1.93. 6 V ，工作于433/ 868/ 915 MHz 3 个ISM频道。nRF905 可以自动完毕解决字头和CRC校验工作，可由片内硬件自动完毕曼彻斯特编码/ 解码，同步具备功耗低、发射功率大、接受敏捷度高、通信距离远等长处，具备很高性价比。由于nRF905使用是3.3 V直流电压，故单片机也选用3.3 V供电Microchip公司PIC16F886，它是28脚封装，具备内部10位AD转换器，并有SPI接口等。图10给出了nRF905与单片机关于连线关系。nRF905与单片机接口为SPI，因而与PIC16F886通信接口很简朴，通过SPI接口SDO、MISO（SDO）、SCK三根线直接相连即可，再加上状态控制等共需8根线与之相连。图10单片机与nRF905接线Fig.10 Connection diagram of MCU to nRF9058软件设计限于篇幅，这里只简介单片机控制nRF905初始化过程与发送与接受过程。nRF905具备两种工作模式（TX和RX）和两种节能模式（掉电和待机），由PWR_UP、TRX_CE、TX_EN三个引脚分别来控制进入不同模式，其相应关系见表1。表1工作模式设立Table 1 Setting of nRF905 operational modesPWR_UPTRX_CETX_EN工作模式0XX掉电和SPI模式10X待机和SPI编程模式110接受模式111发送模式单片机通过SPI总线配备nRF905 内部寄存器以及读写数据和地址时必要将在待机或掉电模式下进行。8.1nRF905初始化初始化过程如图11所示，其重要内容是把表2中10个数据通过SPI接口依次发送给nRF905。图11nRF905初始化过程框图Fig.11 Block diagram of nRF905 initialization表2初始化配备字Table 2 Configuration words of nRF905 initialization序号配备字阐明10b01101010工作频率433.0MHz（433MHz频段基准频率）20b00001100不自动重发数据包、正常接受模式、输出功率+10dB (0CH)30b01000100发送与接受地址均为4字节4N1接受有效数据宽度5N2发送有效数据宽度6nRX地址,即本机站号,下同70xCCRX地址80xCCRX地址90xCCRX地址100b010110008bit CRC校验、外接16M晶体、无外部时钟信号8.2nRF905发送与接受控制单片机控制nRF905发送过程如图12所示，只要将接受机地址和要发送数据通过SPI接口送至nRF905，单片机将TRX_CE、TX_EN置高，nRF905会自动生成CRC校验码并将要发送数据发送出去，发送完毕后自动进入待机模式。图12单片机控制nRF905发送接受流程图Fig.12 Block diagram of nRF905 transceivingcontrolled by MCU在TRX_CE0、TX_EN=0时进入接受模式。如果nRF905接受到完整、对的数据包时，nRF905会自动移去字头、地址和CRC校验码，然后将数据准备好引脚（DR）置高，单片机进入中断。读取数据时，单片机将TRX_CE置低，进入SPI编程模式，便可读取数据。9结论本文设计以PCB板铜箔构成环形天线，经长时间实际通信检查表白该天线保证了信号可靠通信，完全适合于高压设备参数在线监测特殊场合。所提出通过小容量聚光灯向处在高压侧太阳能电池供应能量而为高压侧信号传感转换单元提供电源方案，是一种安全可靠方案。本文采用NTC热敏电阻作为高压系统温度检测元件，对其进行特性变换、设计与运营阐明该传感器应用是成功。从而变化了人们对该传感元件评价。显然，温度测试精度与信息传播方式无关，只与所选用传感器、信号调理信号与单片机AD转换精度关于，限于篇幅，这里不赘述14。总之，本文提出并研制基于无线通信高压设备温度监测系统适合于高电压系统温度量监测，同样也适合于高电压系统各种参数在线监测。本文研究将为此后建立高电压电力系统综合参数大规模在线监测网络奠定基本。参照文献1 MCDOUGALL T. 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