智能母線溫濕度監控系統設計

劉康++林春景++熊宇

摘要：母線槽的溫濕度變化對母線及電氣設備的安全運行有著重要影響。設計了基于TS118-3紅外溫度傳感器和HS1101濕度傳感器的智能監控系統。下位機將采集的溫濕度信息經單片機處理后傳輸到上位機管理系統，進行實時數據顯示，并判斷是否跳閘，便于遠程操作管理，對于預防安全事故，保證母線的安全、可靠運行具有重要意義。

關鍵詞：溫濕度；母線；智能監控系統

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）11（a）-0000-00

The Design of Intelligent Monitoring System for Temperature and Humidity of Bus

Liu Kang1 Lin Chunjing1 Xiong Yu1

（1.Guangdong Baiyun University，Guangzhou 510450）

Abstract： The change of temperature and humidity of bus have an important

impact on the safe operation of the bus and electrical equipment. The intelligent

monitoring system for temperature and humidity of bus was designed based on TS118-3

model of temperature sensor and HS1101 model of humidity senor. The slave computer

transforms the treated results of temperature and humidity to the host computer，

which can display the results in real time and determine whether it is trip. The

system is very convenient for remote management， and it has great importance in the

prevention of safety accidents and ensuring safe and reliable operation of bus.

Key words： Temperature and Humidity； Bus； Intelligent Monitoring System

隨著現代化工程設施和裝備的涌現，各行各業的用電量迅增，尤其是眾多的高層樓宇和大型廠房車間的出現，使得作為輸電導線的傳統電纜在大電流輸送系統中已不能滿足要求，與此同時，多路電纜的并聯使用給現場安裝施工連接帶來了諸多不便。母線槽作為一種新型配電導線應運而生，并在大電流輸送時具有非常大的優越性。但是由于母線槽結構緊湊，銅排緊壓在一起，對散熱和絕緣性能有較高的要求[1]。若溫度過高，則會加速母線槽外層絕緣老化，甚至可能引發火災。若濕度過高，或者是處于長期潮濕的環境下，母線槽的絕緣性能會下降，造成安全隱患。因此，對母線槽的溫濕度進行實時監測，對于母線槽及電氣設備的安全運行具有重要意義。

1 系統總體設計

本文所設計的系統大體可分為兩個部分，分別是上位機部分和下位機部分，其中上位機為ADUC7026管理系統，下位機為溫濕度采集模塊和通訊模塊。系統整體設計如圖1所示。

系統以STC12C5A60S2單片機為核心進行控制，對由TS118-3溫度傳感器和HS1101濕度傳感器所采集的信號進行計算和處理，若溫濕度超過預設闕值，則發出跳閘信號。處理過的數據和信號經由RS485傳送給上位機ADUC7026，并進行實時數據顯示，若接到跳閘信號則跳閘指示燈亮，以此實現溫濕度的遠程監控。

2 溫濕度采集模塊設計

由于母線槽處于高電壓、大電流的環境下，故會受到較強的電磁干擾，因此，選擇合適的傳感器是保證數據采集結果可靠的重要環節。

2.1 溫度傳感器

若采用光纖測量，現場為全光測量，不受強電場和強磁場的干擾，能準確地測量高壓觸點的運行溫濕度。但是，光纖不僅價格成本較高，且用于隔離高壓的光纖表面可能受到污染，導致光纖表面放電，大大降低了其可靠性。

基于可靠性和成本等因素，系統采用的是TS118-3紅外溫度傳感器。近年來，紅外測溫技術被越來越多企業和廠家所接受，它具有不需要接觸被測物體，不會擾亂被測物體的溫度場的優點，測溫速度快、范圍廣并且具有較高的準確度，測量距離可近可遠，最近能達到幾厘米，甚至更小，最遠能達到幾百公里，此外還可以測量相當高的溫度，低溫也可測 左右，這些優點使得紅外溫度傳感技術得到了廣泛的應用，使其在測溫領域有著不可替代的優勢[2]，而此次方案中選擇的TS118-3是一種熱電堆紅外傳感器，它以非接觸的方式檢測外部空間溫度發出的紅外線能量，并將其轉換成電壓信號進行輸出，除此之外，它還具有較小的熱慣性和較高的靈敏度，可以為設計節省空間，因此非常適用于該系統。

TS118-3傳感器的工作原理是[3]：被測對象產生紅外輻射，輻射通量密度是物體溫度的函數，且成一定比例，溫度越高，則被測對象發出紅外輻射的能量越強。TS118-3紅外溫度傳感器被匯聚的紅外光照射后，經由熱電堆產生電壓信號，信號傳到放大電路進行放大，最后交由無線射頻微控制器進行數據處理并無線發送出去。

其中該檢測模塊的運放電路采用的是AD8554，鑒于其是四運放放大器，具有軌-軌的輸入和輸出，且輸入失調電壓極低，對偏置電流的要求也很低，具有很快的過載恢復能力，故在溫度測量等電路中具有廣泛應用。

2.2 濕度傳感器

選擇濕度傳感器時同樣要考慮系統的可靠性及成本，綜合這些因素，系統采用的是以HS1101濕敏芯片的傳感器作為測量的器件，這是一款電容式相對濕度傳感器，具有高可靠性和長時間穩定性的優點，且反應時間迅速，可將所得到的數據經過NE555振蕩電路處理后，通過ADC0809數模轉換器接入到單片機中，由單片機對數據進行存儲并處理。

其示意圖如圖2所示：

NE555控制器具有高穩度的特點，可以產生精確的定時脈沖，其輸出驅動電流可達200mA[4]。在單穩態工作方式時，延時時間由一個外接電阻和一個外接電容確定；在多諧振蕩器工作方式時，輸出的脈沖占空比由兩個外接電阻和一個外接電容確定。

HS1101與NE555測濕電路原理圖如圖3所示：

系統濕度測量的原理是：當外界濕度變化時，HS1101兩端的電容值也相應的發生變化，從而改變該定時電路的輸出頻率，因此，只要測出NE555的輸出頻率，根據濕度與輸出頻率之間的關系，就可以求出當時環境的濕度。

測濕電路的輸出與ADC0809的IN2通道相連，ADC0809的轉換時鐘則由51單片機的ALE提供，ADC0809的典型轉換頻率是640kHz，ALE信號頻率則與晶振頻率有關，所以ADC0809的時鐘端與單片機相連時，要考慮分頻，該設計里使用的是14024二分頻芯片。

溫濕度傳感器啟動以后，接收來自單片機發出的指令進行溫、濕度信息的采集，采集完畢后，單片機再從傳感器中讀取數據，進行分析處理，并通過通訊模塊傳送給上位機系統。

3 通訊模塊設計

由于系統要實現多點且遠距離通訊，且要求有較高的抗干擾能力，故采用RS485通訊， RS485接口常采用平衡發送和差分接收方式來實現通信，且兩條傳輸線通常使用雙絞線，故具有較強的抗共模干擾能力。

RS485通訊方式較好的解決了RS232通訊時經常因外界的電氣干擾而導致信號傳輸錯誤的問題，具有傳輸距離長、速度快、使用靈活方便、電平兼容性好、成本低和可靠性高等優點，在智能管理、遠程控制和中小型數據采集系統中有著廣泛的應用[5]。

具有RS-485接口的用戶設備可以采用自己制定的簡單通訊協議，也可以使用RS-485廣泛使用的ModBus協議。ModBus協議具有AscII和RTU兩種模式。本文所采用的是RTU模式，消息發送至少要以3.5個字符時間的停頓間隔開始。一典型的消息幀如表1所示：

整個消息幀必須作為一連續的流傳輸，如果在幀完成之前有超過1.5個字符時間的停頓，接收設備將刷新不完整的消息并假定下一字節是一個新消息的地址域。每個單片機都有唯一的地址，主機先向所有從機發送地址信息，從機判斷是否與自身地址相符，若相符，則返回應答信號并開始接收該幀數據，若不相符，則繼續等待。

4 上位機管理系統

由于母線槽大多使用在樓房和大型廠房中，導致一些母線槽受安裝位置的限制，不便于現場觀察，因此有必要設計上位機管理系統，以便于對對測量的溫濕度情況進行遠程的實時的監測。

上位機管理系統中，，使用的核心芯片是美國ADI公司生產的ADUC7026，它是一款集成了ARM7內核的精密微控制器[6]，最高運行速度可達41.78MHz，片上包含12通道12位數模轉換器，高精度的電壓基準源，是一款優良的片上系統芯片，完全滿足系統的設計要求。

ADUC7026的時鐘源可由內部鎖相環或者一個外部時鐘輸入產生。在使用內部鎖相環時，在XCLKO和XCLKI之間接一個32.768kHz的晶振，可以使得鎖相環正確鎖相進而產生41.78MHz頻率的時鐘信號，并且這兩個引腳與地之間各連接一個12pf的電容，如圖4所示：

由單片機將采集處理之后的溫濕度信息經RS485通訊模塊傳至上位機ADUC7026，由其內部的A/D轉換器完成模擬/數字轉換后，在ADUC7026中進行數據處理，最后由液晶顯示模塊將溫濕度數據進行實時顯示。

5 調試

系統設計完成之后，進行了多次調試，并且對調試結果進行記錄，與使用溫濕度測量計所測結果進行比對，每30分鐘測量一次的環境溫濕度與本監測系統所測數據的比較如表2所示：

由以上數據計算可知，溫度的平均相對誤差為1.5%，濕度的平均相對誤差為2.08%，可見，誤差較小，測量值與實測值相差較小，滿足設計要求。

6 結語

本文提出了一種對母線溫濕度進行監測的系統設計。下位機由51單片機控制的HS1101濕度傳感器及TS118-3的紅外溫度傳感器進行數據的采集和處理，經由RS485通訊系統將數據傳輸至以ADUC7026為核心芯片的上位機管理系統，并由液晶顯示模塊實時顯示。該系統已完成了設計與調試，可以穩定運行且調試結果滿足生產要求。該系統同樣可適用于其他溫濕度檢測場合，具有較高的實用性。

參考文獻

[1] 王建平.低壓母線槽干線系統的應用及發展[J].電氣應用，2007（S1）：22-25.

[2] 李軍，曾亦可，等.非接觸式紅外測溫的研究[J].壓電與聲光.2001，6（23）：202-205

[3] 彭迪. 基于zigbee和TS118-3的溫度監測系統設計[D].南昌航空大學：測試與光電工程學院，2013.

[4] 張萍、黃增雙，基于555定時器的數字化測濕方法得研究[J]，自動化技術與應用，26（09）：106-107，，2006.

[5] 王汝文、宋政湘、張國鋼.電器智能化原理及應用[M].北京：電子工業出版社，2009.

[6] 周波、金香、肖明，等.基于aduc7026硬件系統開發及其在傳感器系統中的應用[J].沈陽師范大學學報，2012，30（1）：64-67.