變壓器冷卻控制系統(tǒng)控制器的硬件設(shè)計(jì)

摘要：變壓器的冷卻裝置是將變壓器在運(yùn)行中由損耗所產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，以保證變壓器可以安全正常的運(yùn)行。本文所進(jìn)行的主要核心部分就是對控制模塊進(jìn)行的設(shè)計(jì)，其中包括了可以對主變壓器風(fēng)扇投入與切除的溫度范圍進(jìn)行自行設(shè)定，也可以按照用戶的要求而變化。

關(guān)鍵詞：變壓器；冷卻控制系統(tǒng)；硬件

1變壓器冷卻控制系統(tǒng)控制模塊的設(shè)計(jì)總體思想

本文所進(jìn)行的就是對變壓器冷卻控制系統(tǒng)控制器模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中包括了可以對主變壓器風(fēng)扇投入與切除的溫度范圍進(jìn)行自行設(shè)定，也可以按照用戶的要求而變化。在傳統(tǒng)控制方式中，風(fēng)扇投切的溫度限制值是不能改變的，此外，風(fēng)扇電機(jī)的啟動(dòng)和停止溫度有一余量，不像傳統(tǒng)的控制方式中是一個(gè)定值，避免了頻繁啟動(dòng)的缺陷，此外還有運(yùn)行、故障保護(hù)及報(bào)警等信號的顯示及其與控制中心或調(diào)度中心的通訊，上傳這些信息，如變壓器油溫、風(fēng)扇運(yùn)行狀態(tài)有無故障等。至于風(fēng)扇的分組投切設(shè)置是為了節(jié)約電能，具有一定的經(jīng)濟(jì)意義，但這個(gè)分組數(shù)不宜過多，以免控制復(fù)雜，且散熱效果不佳。

控制器主要由AT89CS1單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、鍵盤控制芯片，輸出模塊、通訊模塊以及自動(dòng)復(fù)位電路等組成，其中單片機(jī)是控制器的核心，AID轉(zhuǎn)換器是把輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

2變壓器風(fēng)扇控制系統(tǒng)的硬件接線

基于以上的要求，我們設(shè)計(jì)的風(fēng)扇控制器的硬件線路圖如下頁圖1所示。變壓器風(fēng)扇控制中對控制模塊進(jìn)行改進(jìn)是本文研究的重點(diǎn)，其中包括主要芯片的選用以及一些抗干擾元件的使用。所以在本章節(jié)中，我們重點(diǎn)將要介紹變壓器風(fēng)扇冷卻控制模塊中的主要硬件芯片的作用、選用以及它們之間的連接力一法。

（1）單片機(jī)AT89C51（如圖1）。

AT89C51是Atmel公司生產(chǎn)的一種低功耗，高性能的8位單片機(jī)，具有8k的flash可編程只讀存儲器，它采用Atmel公司的高密度不易丟失的存儲器技術(shù)，并且和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的80c51和80c52的指令集合插腳引線兼容，其集成的flash允許可編程存儲器可以在系統(tǒng)或者通用的非易失性的存儲器編程中進(jìn)行重新編程。AT89C51集成了一個(gè)8位的CPU， 8K的flash。256字節(jié)的EDAM， 32位的I/0總線。三個(gè)16字節(jié)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，兩級六中段結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工的串行口，振蕩器及時(shí)鐘電路。AT89C51是完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)控制的核心，所有其它器件都受其控制或?yàn)槠浞?wù)。

在本文中，經(jīng)過TLC 1543 A/D轉(zhuǎn)換器后輸出的數(shù)字量輸入到AT89C51單片機(jī)中，同時(shí)在進(jìn)行了溫度參數(shù)的設(shè)置以后，進(jìn)行它的輸出控制，其中包括了變壓器的溫度顯示、狀態(tài)顯示、以及聲音報(bào)警設(shè)備等等，也就是我們所研究的變壓器冷卻控制系統(tǒng)的核心部分。

（2）變壓器的溫度采集及溫度處理模塊。在變壓器的風(fēng)扇冷卻自動(dòng)控制系統(tǒng)中，第一步進(jìn)行的就是對變壓器上層油溫進(jìn)行的溫度采集工作。變壓器的溫度采集是由變壓器的溫度控制器來實(shí)現(xiàn)的，其中包括鉑電極、傳感器以及變送器。經(jīng)過溫度控制器輸出的信號進(jìn)入變送器，變送器送出一個(gè)4一20毫安的電流信號，然后將此電流信號通過控制芯片上的電阻元件實(shí)現(xiàn)電流電壓信號的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電壓是在0.4一2（伏特）之間，然后將此電壓信號輸入到TLC 1543數(shù)模轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行信號處理。變送器輸出信號有電流和電壓信號兩種，考慮到變壓器安裝的位置（室外）距本控制裝置（室內(nèi)）有一定的距離，電流信號不易損失，故選擇了4一20毫安的電流信號。

（3）11通道10位串行A/D轉(zhuǎn)換器丁LC1543。

TLC1543 A/D轉(zhuǎn)換器是美國TI公司生產(chǎn)的眾多串行A/D轉(zhuǎn)換器中的一種，它具有輸入通道多、轉(zhuǎn)換精度高、傳輸速度快、使用靈活和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，是一種高性價(jià)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。TLC 1543是CMOS，10位開關(guān)電容逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它有三個(gè)輸入端和一個(gè)3態(tài)輸出端：片選（CS），輸入/輸出時(shí)鐘（I/0 CLOCK），地址輸入和數(shù)據(jù)輸出（DATAOUT）。這樣通過一個(gè)直接的四線接口與卞處理器或外圍的串行口通訊。片內(nèi)還有14通道多路選擇器可以選擇11個(gè)輸入中的任何一個(gè)三個(gè)內(nèi)部自測試（self-test）電壓中的一個(gè)。

（4）BC7281 128段LED顯示及64鍵鍵盤控制芯片。

BC7281是16位LED數(shù)碼管顯示器鍵盤接口專用控制芯片，通過外接移位寄存器（典型芯片如74HC164， 74LS595等），最多可以控制16位數(shù)碼管顯示或128支獨(dú)立的LED。 BC7281的驅(qū)動(dòng)輸出極性及輸出時(shí)序均為軟件可控，從而可以和各種外部電路配合，適用于任何尺寸的數(shù)碼管。

BC7281各位可獨(dú)立按不同的譯碼方式譯碼或不譯碼顯示，譯碼方式顯示時(shí)小數(shù)點(diǎn)不受譯碼影響，使用方便；BC7281內(nèi)部還有一閃爍速度控制寄存器，使用者可隨時(shí)改變閃爍速度。

BC7281芯片可以連接最多64鍵C8*8）的鍵盤矩陣，內(nèi)部具有去抖動(dòng)功能。它的鍵盤具有兩種工作模式，BC7281內(nèi)部共有26個(gè)寄存器，包括16個(gè)顯示寄存器和10個(gè)特殊（控制）寄存器，所有的操作均通過對這26個(gè)寄存器的訪問完成。

BC7281采用高速二線接口與MCU進(jìn)行通訊，只占用很少的I/O資源和主機(jī)時(shí)間。

BC7281在本系統(tǒng)中主要用于驅(qū)動(dòng)變壓器溫度顯示的LED以及顯示風(fēng)扇運(yùn)行狀態(tài)的指示燈。

前已提及，BC7281芯片內(nèi)部共有26個(gè)寄存器，包括16個(gè)顯示寄存器和10個(gè)特殊功能寄存器，共用一段連續(xù)的地址，其地址范圍是OOH-19H，其中OOH-OFH為顯示寄存器，其余為特殊寄存器。

（5）使用MAX232實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通訊。

①M(fèi)AX232芯片簡介

MAX232芯片是1VIAX工M公司生產(chǎn)的低功耗、單電源雙RS232發(fā)送/接收器，適用于各種E工A-232E和V.28； V.24的通信接口，1VIAX232芯片內(nèi)部有一個(gè)電源電壓變換器，可以把輸入的+5V電源變換成RS-2320輸出電平所需±10V電壓，所以采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只要單一的+5V電源就可以。

我們的設(shè)計(jì)電路中選用其中一路發(fā)送/接收，RlOU T接MCS一51的RXD ， T 1工N接MCS一51的TXD， TlOUT接PC機(jī)的RD，Rl工N接PC機(jī)的TD1。因?yàn)镸AX232具有驅(qū)動(dòng)能力，所以不需要外加驅(qū)動(dòng)電路。

系統(tǒng)中使用了此技術(shù)之后就實(shí)現(xiàn)了變壓器風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，工作人員可以在控制室對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以達(dá)到方便、準(zhǔn)確、快捷的日的，這也是我們對傳統(tǒng)的風(fēng)扇冷卻控制系統(tǒng)而做的一個(gè)重要的改進(jìn)。

②串行通訊

在此實(shí)現(xiàn)中，我們必須要對MCS-51串行接日和PC機(jī)串行接日的串行通訊要有一定的了解，串行通信是指通信的發(fā)送方和接收方之間數(shù)據(jù)信息的傳輸是在單根數(shù)據(jù)線上，以每次一個(gè)二進(jìn)制位移動(dòng)的，它的優(yōu)點(diǎn)是只需一對傳輸線進(jìn)行傳送信息，囚此其成本低，適用于遠(yuǎn)即離通信；它的缺點(diǎn)是傳送速度低；串行通信有異步通信和同步通信兩種基本通信方一式，同步通信適用于傳送速度高的情況，其硬件復(fù)雜；而異步通信應(yīng)用于傳送速度在50到19200波特之間，是比較常用的傳送方式，本文中使用的就是異步通訊方式。

（6）“看門狗”電路DS1232

在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，為了避免因干擾或其他意外出現(xiàn)的運(yùn)行中的死機(jī)的情況，“看門狗電路”DS1232會自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位，并且能夠重讀EEPROM中的設(shè)置，以保證系統(tǒng)可以安全正常的運(yùn)行。

美國Dallas公司生產(chǎn)的“看門狗”（WATCHDOG）集成電路DS1232具有性能可靠、使用簡單、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，應(yīng)用在單片機(jī)產(chǎn)品中能夠很好的提高硬件的抗干擾能力。

DS1232具有以下特點(diǎn)：

①具有8腳DIP封裝和16腳SOIC貼片封裝兩種形式，可以滿足不同設(shè)計(jì)要求；

②在微處理器失控狀態(tài)卜可以停止和重新啟動(dòng)微處理器；

③微處理器掉電或電源電壓瞬變時(shí)可自動(dòng)復(fù)位微處理器；

④精確的5%或10%電源供電監(jiān)視；

在本變壓器冷卻控制系統(tǒng)中，DS1232作為一定時(shí)器來起到自動(dòng)復(fù)位的作用，在DS1232內(nèi)部集成有看門狗定時(shí)器，當(dāng)DS1232的ST端在設(shè)置的周期時(shí)間內(nèi)沒有有效信號到來時(shí)，DS1232的RSR端將產(chǎn)生復(fù)位信號以強(qiáng)迫微處理器復(fù)位。這一功能對于防止由于干擾等原因造成的微處理器死機(jī)是非常有效的，因?yàn)榭撮T狗定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間由DS1232的TD引腳確定，在本設(shè)計(jì)中，我們將其TD引腳與地相接，所以定時(shí)時(shí)間一般取為150ms。

3結(jié)論

本裝置實(shí)現(xiàn)了通過單片機(jī)自動(dòng)控制冷卻器的各種運(yùn)行狀態(tài)并能精確監(jiān)測變壓器的油溫和冷卻器的各種運(yùn)行、故障狀態(tài)，顯示了比傳統(tǒng)的控制模式的優(yōu)越性。（1）能夠?qū)ψ儔浩饔蜏剡M(jìn)行監(jiān)測與控制；（2）實(shí)現(xiàn)了變壓器冷卻器依據(jù)不同油溫的分組投切，延長了冷卻器的使用壽命，有較好的經(jīng)濟(jì)意義； （3）實(shí)現(xiàn)了冷卻系統(tǒng)的各種狀況，如油溫、風(fēng)扇投切和故障等信息的上傳，便于值班員、調(diào)度員隨時(shí)掌握情況。

由于固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)了變壓器的無觸點(diǎn)控制，解決了傳統(tǒng)的控制回路的弊端，同時(shí)此控制裝置具有電機(jī)回路斷相與過載的保護(hù)功能。由于使用了單片機(jī)，因而具有一定的智能特征，實(shí)現(xiàn)了油溫、風(fēng)扇的投入、退出和故障等信號的顯示以及上傳等。通過實(shí)際運(yùn)行表明，該裝置的研制是比較成功的。但今后，我們還應(yīng)該對固態(tài)繼電器本身的保護(hù)進(jìn)行一些研究，以免主回路因電流過大而造成固態(tài)繼電器的損壞，以使變壓器風(fēng)扇冷卻控制回路更加完善。

參考文獻(xiàn)

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