電力設備溫濕度控制器的設計

李 麗，湯學博，劉嘉文，賀慧勇

（1. 廣東電網公司電力科學研究院，廣州 510080；2.長沙理工大學，長沙 410114）

0 引言

許多電力設備都要求在特定的環境條件下運行，如電保護柜、儀表箱、計量柜、開關柜等、端子箱等設備。溫度過低、溫度過高、濕度過大（結露）都對電力設備的安全運行構成威脅。顯然溫度和濕度參數的測量和控制是急需解決的問題。所以,設計一種高效、準確、實時的溫度、濕度測控裝置，對設備內部及周圍環境溫濕度進行實時監測與控制，提高電力設備運行的安全性，降低故障率，延長設備使用壽命，以免設備過熱、過濕而發生火災、爬電等事故，使設備安全能夠正常運行。當然，該裝置還可以應用到其它領域，比如工廠、糧倉、檔案室、醫藥庫、彈藥庫、礦井、溫室大棚內、室內等。

日常生活中，常見的溫度測量工具有水銀溫度計，體溫計等，這種測量設備的測量速度很慢，精度低。在溫室大棚、倉庫和煙葉烘烤等場合中，溫濕度控制都有應用，其大都采用溫度、濕度獨立測量，分別采用傳統溫度傳感器和濕度傳感器來測量，然后通過AD轉換為數字信號，再送單片機處理[1]。在實驗室的溫濕度測量中采用具有高精度、防干擾等優點的數字式傳感器SHT11，不需要外部元件，可適配各種單片機。這為開發新一代的溫濕度測控系統提供了有利條件，同時也有助于將溫濕度測控技術提高到新的水平[6]。

1 電力設備溫濕度控制器設計方案

溫濕度控制是一種反饋控制，由溫濕度傳感器檢測溫濕度的值，進一步來控制現場的溫濕度值，同時將檢測到的現場的數值與目標設定值對照，最后會自動進行修正并控制各輸出口的動作。對該溫濕度控制器來說，系統控制對象是電力系統中的變電柜，端子箱內的溫濕度，整個系統都是由溫濕度控制箱進行自動調節，系統中多處放置有溫濕度傳感器，同時相應的執行元件是加熱器，風機。這個系統完全符合了自動控制系統中系統需要有控制對象、執行器、調節器等部分的特點，因而該系統就是個自動控制系統。

電子式濕度傳感器是一種新型的溫濕度傳感器。在產品出廠前，濕度傳感器生產廠要對溫濕度傳感器用標準濕度發生器進行標定檢測，電子式濕度傳感器的準確度會提高，精度可以達到2%～3%RH。SHT11是基于CMOSens技術的新型智能溫濕度傳感器，該產品具有品質卓越、抗干擾能力強、響應迅速、性價比高等優點[4]。SHT11片內設有了溫度傳感部分、濕度傳感部分、A/D轉換器部分，它將溫濕度傳感器、信號放大調理、AD轉換、二線串行接口全部集成于一個芯片內[3]，將CMOS芯片技術與傳感器技術相結合。優點：單片式、超快響應、免調試、免標定、免外圍復雜電路、全互換、數字式輸出、抗干擾能力強和極高的性價比[2]。

針對開關柜、端子箱這些特定應用領域：柜體內一般無塵土、酸堿物，氣體不流動。不宜經常打開接觸，及將濕物放入其中，在本設計中我們采用電子式濕度傳感器作為溫濕度控制器。

本系統以PIC16F877A微控制器為核心，應用智能型溫濕度傳感器SHT11來檢測現場溫度和濕度[3]，SHT11數字溫濕度傳感器將溫度、濕度值直接轉換成為數字量后送入單片機中，再由單片機完成相對濕度的非線性補償和溫度補償，輸入數據經單片機按預定的算法進行數據處理，與設定的控制目標進行偏差運算，并將實際溫度和相對濕度值送LED顯示器顯示[6]，最后根據溫濕度上下限經I/O口輸出實時控制信號，啟動加熱器加熱或風機降溫，從而實現對環境溫濕度的測控。本設計的系統框圖如圖 1所示。

圖1 系統框圖

2 硬件電路原理設計

電力設備溫濕度控制器硬件電路由溫濕度檢測電路、鍵盤電路、顯示電路、控制輸出電路、語音電路等組成。每一部分具體電路設計思路如下所述。

2.1 溫濕度檢測處理電路

本設計采用的是Sensirion溫濕度傳感器家族中的SHT11，其可以同時測量濕度、溫度和露點,這過程不需要外圍元件，就可直接輸出結果值。而且經過標定了的相對濕度、溫度及露點的數字信號可以有效地彌補傳統的溫、濕度傳感器的不足[1]。SHT11溫濕度傳感器與單片機之間的連接電路圖如圖 2所示。

圖2 溫濕度檢測處理電路

測量完成并實現通訊, 溫濕度傳感器 SHT11就會停止工作，從而自動進入休眠模式。同時濕度、溫度數據由SHT11 送出，這些數據必須經過數據轉換，才能將實際的濕度值和溫度值表示出來, 具體計算公式如下:

式中: RHTure為經過溫度補償的相對濕度; TC為溫度 ; C1、C2、C3、t1、t2與濕度分辨率有關 ;溫度分辨率與d1、d2有關;從SHT11 中讀出的濕度值可以用SORH表示;從SHT11 中讀出的溫度值可以由SOT表示，相關數據的關系見表1 、表 2 。

表1 溫度校正系數

表2 濕度校正系數

2.2 鍵盤及顯示電路

為了完成預定值設置強制加熱功能，控制器中設置了4個按鍵，分別為SET鍵（預定值設置鍵）、SW（強制加熱鍵）、UP（上調鍵）、DOWN（下調鍵），4個按鍵通過10K的電阻接到電源，上拉端接單片機RB口，設定鍵和強制加熱鍵接帶有電平中斷I/O口，來觸發單片機執行相應功能。上調和下調鍵則沒有必要用電平中斷，普通I/O就行。

顯示電路采用MAX7219芯片驅動8位共陰極LED數碼管工作。MAX7219 驅動芯片和微處理器之間的連接需要三根導線，其中每一的位數字顯示都需要有一個地址，并由微處理器寫入控制執行。允許使用者在顯示電路設計過程中選擇每位是BCD譯碼的方式或不譯碼不譯碼的方式進行。使用者在進行設計的時候還可選擇各種模式的設置，如：數碼管的數字亮度控制、停機、數碼管顯示器的測試和LED掃描位數等模式。

2.3 控制輸出電路

當單片機檢測到傳感器測量的溫濕度值與超出預定值的范圍時就啟動該部分電路工作，采用光耦隔離以提高系統抗干擾能力。電路原理如圖3所示。

圖3 輸出控制電路

當單片機RE0端輸出為0時，光電耦合器導通工作，繼電器被吸合開始工作，加熱器開始工作，加熱過程開始。其中，當繼電器斷開，在繼電器線圈上產生反向瞬時高壓，從而將繼電器損壞，D7主要用于保護繼電器。加熱回路中串接了6個大電流二極管，每三個一組，兩組方向相反，一提供交流通路，當交流流過每組二極管是在其上產生壓降，2V左右，這個電壓供給斷線報警回路的雙向光耦工作，限制電流電阻R16，濾波電容C22，將1M的電阻并接在每個二極管兩端，該電阻用來平均加在二極管兩端的電壓，二極管發熱不均現象的現象將被消除。當加熱回路斷線時，二極管上沒有電流流過，就不會產生壓降，雙向光耦PS2505不導通，ALARM_A端被置高，從而觸發單片機報警。

2.4 語音電路

為了能達到更好的人機信息交流，系統增加了語音部分，該部分采用嵌入式中文語音合成芯片OSYNO 6188來實現語音播報溫濕度值和報警功能。單片機的串行I/O口TXD和RXD分別OSYNO 6188的RXD和TXD口相連，將待合成的文本經過異步串行通訊單片機發給OSYNO 6188，揚聲器由PWM輸出直接驅動，也可通過1腳（VO）接功放管來驅動揚聲器。XOUT、XIN兩引腳必須接16MHz晶振。OSYNO 6188提供兩組電源輸入（VDD和CVDD），兩組電源共用電源地（GND），CVDD要低于VDD電壓，這里通過在CVDD跟VDD直接串接兩個二極管來降壓。為使系統可靠工作，在電源引腳兩端必須加濾波電容。

3 軟件設計

軟件設計思想：用定時器TMR0產生系統時間基準，系統根據不同時間基準發布不同消息，主程序中根據不同消息選擇執行不同功能子程序。

圖4 整體設計主流程圖

以MPLAB IDE V8.50為軟件開發環境，開發語言以C語言為主，與匯編語言相結合。軟件設計模塊由主程序控制模塊，相應程序初始化模塊和相應的各功能模塊組成。初始化程序包含：單片機特殊功能寄存器（包括I/O口方向，各中斷），MAX7219，SHT11等初始化模塊。功能子程序包括：中斷處理程序，溫濕度測量程序，顯示程序，鍵處理程序，加熱降溫輸出控制程序，語音程序。整體設計主流程圖如圖4所示。

表3 實驗數據

4 結果分析

實驗數據見表3。

經分析比較，當溫度高于溫度預定上限時，控制風機的繼電器閉合，啟動風機降溫；當溫度低于預定溫度的下限時，控制加熱回路的繼電器閉合，啟動加熱器加熱以提高空氣飽和度，防止凝露出現；當濕度高于濕度預定上限值時，控制加熱回路的繼電器閉合，啟動加熱器加熱，以提高空氣飽和度，防止凝露出現。

5 結束語

本設計對a、b兩路溫濕度的測量，并由數碼管將實時溫度值顯示，實時濕度值顯示出來，每隔8秒a、b兩路輪換顯示，溫度和濕度測量準確，精度比較高，系統響應快。當溫濕度超出預設范圍時相應繼電器動作，當溫濕度回到安全范圍時，繼電器斷開。同時本設計還有強制加熱功能，其實用價值很高。

該系統還可進行擴展，可以擴展一個或多個半導體冷凝片來除濕；由無線通信模塊的控制，對溫濕度實現無線測控；也可由無線傳感網絡來進行溫濕度的大范圍多點測控；可集成其他模塊（如煙度、煤氣、粉塵、酸堿度、光照和風速等）實現多參數測控。

[1]李探, 李雙雙.一種基于傳感器的溫濕度檢測系統的設計[J].中國科技博覽, 2010, (11): 92.

[2]李敏, 孟臣.數字式溫／濕度傳感器及其應用技術[J].電子元器件應用, 2004, 6(11): 28-31.

[3]王武禮, 楊華.基于SHT11的糧倉溫濕度測控系統的設計[J].儀表技術與傳感器, 2010, (9): 50-51.

[4]張艷麗, 楊仁弟.數字溫濕度傳感器SHT11及其應用[J].工礦自動化, 2007, (3): 113-114.

[5]何翔宇, 馬帥.一種無線溫濕度檢測裝置的設計與實現[J].自動化技術與應用, 2010, 29 (8): 103-105.

[6]鐘曉偉, 宋蟄存.基于單片機的實驗室溫濕度控制系統設計[J].林業機械與木工設備.2010, 38(01): 39-42.

[7]王寶琴, 范長勝, 郭艷玲.基于單片機的溫室溫濕度控制系統設計[J].林業機械與木工設備.2008, 36(3): 39-40.