干式變壓器溫度控制器的設計與實現

闞松松，劉巖水，葉偉哲

（國網浙江省電力公司緊水灘水力發電廠，浙江 麗水 323000）

干式變壓器溫度控制器的設計與實現

闞松松，劉巖水，葉偉哲

（國網浙江省電力公司緊水灘水力發電廠，浙江 麗水 323000）

本設計完成了干式變壓器溫控器的設計，構建了包括檢測、通信、顯示、報警以及故障處理功能于一體的監控系統。該測控系統選用DS18B20溫度傳感器對變壓器的繞組溫度進行采樣，配合微控制器，通過繼電器控制風機的啟停，實現實時顯示三相繞組溫度、超溫報警和超高溫跳閘等功能。本文從硬件電路設計開始，逐步完成了電路搭建，軟件程序的設計，電路的仿真以及硬件電路的焊接，最終設計實現了一套基于單片機的干式變壓器溫控器。

干式變壓器；溫控器；單片機；繞組溫度

1 前言

干式變壓器因具有占地面積小、功耗低、工業噪聲小、安全性高、電流和功率的過載能力強、運行安全可靠等優點，被廣泛應用于現代化建設中。相較于油浸式變壓器，干式變壓具有耗能低、占地面積小、節能等優勢。干式變壓器因其自身的特點，能夠被安放到負荷中心，比如地下室和人流量較大的公共廣場，且相比于其他種類變壓器，安裝費用更低，也更方便；干式變壓器大都用的是空氣絕緣，因此它沒有油，防火性能比較好，不容易引發火災等電力系統常出現的災害，一些對防火要求高的場合，尤其是火車站，飛機場和地鐵等交通運輸場合，廣泛使用防火性能較好的干式變壓器，因此用于對干式變壓器保護的智能溫度控制器的市場需求量很大。

2 溫控儀總體方案設計

溫度控制系統工作時，首先需要檢測變壓器三相繞組的溫度，然后通過微處理器進行數據處理，比較之后再根據需要進行報警甚至跳閘處理。

溫度控制系統主要包含以下幾種電路：

（1）溫度傳感器采集電路

（2）單片機控制電路

（3）LCD顯示電路

（4）聲光報警電路

（5）風機驅動以及跳閘電路

總體設計原理如圖1所示

圖1總體設計原理圖

3 溫度控制器的硬件設計

3.1 主控微處理器系統

干式變壓器溫度控制器的核心器件是STC89C51，STC89C51具有 1 K 字節的 RAM、16 K字節的片內FLASH程序存儲器，支持在應用可編程和在系統可編程，可通過串行接口進行直接編程，用起來比較方便。

在總體的電路設計中，STC89C51分別與DS18B20溫度傳感器、LCD12864液晶顯示屏、蜂鳴器報警電路以及其他驅動電路相連接，通過RS-485半雙工通信方式與上位機進行通信。下面詳細介紹主控芯片的連線以及數據的交換形式。

主控芯片STC89C51的引腳連線如圖2所示。

圖2 STC89C51引腳連線圖

該系統采用11.0592 MHz晶振，電容22 pF，晶振電路如圖3所示。并帶有手動復位電路，復位電路如圖4所示。晶振電路和復位電路保證單片機穩定運行。

圖3晶振電路

圖4復位電路

在圖4的復位電路中，當系統上電時，由于電容兩端的電壓不能突變，此時RST引腳的電壓為電阻R0兩端的電壓，是5 V。伴隨著電路中電容的充電，電容兩端的電壓慢慢升高，R0兩端的電壓隨之下降，RST引腳的電壓也下降，在t1時刻，RST引腳的電壓會下降到3.6 V，隨著電路對電容的繼續充電，RST引腳兩端的電壓最終會變為0 V。單片機的復位時間應至少保持兩個機器周期，也就是說RST引腳兩端的電壓高于3.6 V的時間至少要維持兩個機器周期，即t1要大于兩個機器周期。而t1的值取決于復位電路中的電阻、電容值和單片機的晶振頻率。具體的計算公式如下：t

式中Vcc是電源電壓，Vrst是電容電壓。

復位電路中的電阻值不宜取得太小，一般R值取10 kΩ，電容C取10μF，單片機的復位脈沖寬度為（0.7～1）RC。

3.2 溫度檢測電路

溫度檢測電路以DS18B20溫度傳感器為主要核心部件。溫度檢測電路如圖5所示

圖5溫度檢測電路

該電路圖中，3個DS18B20溫度傳感器通過數據引腳DQ與單片機的P1.3、P1.4和P1.5 3個引腳相連接來實現溫度傳感器與單片機之間的通信。DS18B20通過單總線實現與單片機的通信，中間不需要A/D轉換電路。其DQ端用于與單片機之間的數據通信，實現數據的輸入和輸出，VDD接5 V電源，GND接地。使用多個DS18B20同時測溫時一般以下3種方法：

（1）每個DS18B20的DQ端占用1個I/O口。這種方法占用I/O口較多，程序也顯得重復繁瑣。

（2）單獨讀取每個DS18B20的固定序列號，把這些序列號存儲到單片機，然后使用DS18B20本身存在的搜索指令指定到固定的傳感器讀取溫度。這種方法只需占用1個I/O口，大大的節約了單片機的I/O口資源，而且程序也比較簡潔，只是需要把用到的每個傳感器的序列號逐個讀出。運行的時間會相對長一些。

（3）使用DS18B20搜索器件協議。這種方法最為簡單，但程序調試和算法相對比較復雜。

考慮到測溫電路只使用了3個DS18B20器件，我們選用了第1種方法進行連接，相對于其他兩種方法，這種方法更容易實現。

3.3 液晶顯示電路

溫度控制器的顯示部分主要由LCD12864液晶顯示模塊來完成。該模塊具有價格便宜，性能較高，功耗較低的特點，能夠顯示8 192個中文漢字、128個字符及64×256點陣顯示RAM，同時還支持自定義字符的顯示。與單片機的連接電路如圖6所示。

圖6液晶顯示電路連接圖

在圖6中，液晶模塊的數據口與STC89C51的P1口相連接，液晶的讀和寫操作通過單片機P2.4和P2.5口來控制完成。單片機通過P0口來進行數據的傳輸。圖中的滑線變阻器是為了調節液晶顯示屏的亮度。在繪制PCB電路板時，只留下液晶的20個連接端子，采用M3六角銅柱將液晶支撐固定。

3.4 工作指示和報警電路

此電路的指示燈有5個，采用發光二極管通過限流電阻與單片機的 P1.0、P1.1、P1.2、P1.6 和 P1.7 5個I/O口進行相連，其連接方式為共陽極連接方式。通過改變這5個I/O口的電平高低，就可以實現發光二極管的亮滅。LED的工作電流是20 mA，工作電壓是3 V，而電源的電壓是5 V，經過計算得出串聯的分壓電阻的阻值R為：

R=（5 V-3 V）/20 mA=100 Ω

為了確保電路能夠長期穩定地運行，需要將電阻稍微放大一些，但又不能放的過大，否則會因為電阻分壓過大，導致發光二極管過暗。此電路中我們選取R為1 kΩ。詳細的指示電路如圖7所示。

圖7工作指示電路

其中D1、D2、D3分別是變壓器三相繞組的超溫報警指示燈，當變壓器A相繞組的溫度超過預設的溫度值時，D1就會亮，當其溫度低于預設的溫度值時，D1就會熄滅。同樣，D2和D3對應著B相和C相的繞組溫度。D4是風機啟停的指示燈，當變壓器繞組溫度超過一定值時，單片機就會通過繼電器驅動電路來開啟風機進行冷卻，此時D4指示燈就會亮；當溫度低于預設值時，風機停止，D4指示燈熄滅。D5是顯示變壓器繞組溫度是否高于設定的超高溫跳閘值，若繞組溫度高于設定的超高溫跳閘值，則D5指示燈亮，否則，D5指示燈熄滅。

蜂鳴器報警電路如圖8所示。

圖8蜂鳴器報警電路

報警電路中的電阻R11是為了限制流過NPN三極管的電流，防止流過基極的電流超過它的耐受值。從單片機I/O口流出的電流強度很小，不足以驅動蜂鳴器發聲，所以通過連接一個三極管來放大電流，從而驅動蜂鳴器發聲。當變壓器的任一相繞組溫度超過預設的超溫值時，單片機就會讓P2.0口輸出一個高電平，繼而三極管導通，在蜂鳴器中形成通路，蜂鳴器發聲。

3.5 電源電路

本系統采用USB+5 V直接供電的方式，這種供電方式的電壓偏差一般在±2%左右。具體電路如圖9所示。

圖9電源電路

在此電路圖中，S5是一個帶自鎖的按鍵開關，控制是否給系統上電。電解電容C9主要是給5 V的輸入電源濾波。F1是自恢復保險絲，防止電路板短路后過流。U8是一個USB2.0的座子，用來接USB線供電。發光二極管D6和電阻R22組成的通路是電源上電顯示電路，電源一上電，發光二極管就亮。

3.6 負載驅動電路

本系統的負載驅動主要包括驅動風機的啟停和實現跳閘。風機啟停電路和超高溫跳閘電路如圖10和圖11所示。

圖10風機驅動電路

圖11超高溫跳閘電路

風機啟停和超高溫跳閘的驅動電路是一樣的，只是繼電器后面連接的器件不同。圖中的4N25器件是光電耦合器，對輸入、輸出信號起到隔離的作用。

4 溫度控制器的軟件設計

4.1 溫控器主程序的設計

在進行干式變壓器溫度控制器的程序設計時，為了方便后期程序的修改和維護，采取了模塊化的設計思想，將系統程序進行了劃分，劃分后的程序主要包含以下幾個模塊：DS18B20溫度信號采集程序、LCD12864液晶顯示程序、主程序和按鍵增減溫度預設值程序。主程序的設計流程如圖12所示。

圖12主程序流程圖

系統上電后，首先進行初始化，包括對定時器的初始化、中斷的初始化、串口的初始化以及液晶屏的初始化。然后程序進入到主程序中，判斷讀標志位是否為1，若不為1，則等待繼續判斷，直到讀標志位為1，進入到溫度采集程序，將采集到的溫度進行處理轉換后與預設值進行比較，若超過預設值，則進入到相應的驅動子程序，然后進入到顯示子程序。若低于預設值，則直接進入到顯示子程序進行顯示。顯示子程序執行完，判斷是否有按鍵按下，若有，則轉到按鍵加減子程序。若沒有按鍵按下，則跳轉到判斷讀標志位處。如此循環。

該主程序的設計能夠實現測量實時溫度，并通過比較，實現一定溫度時開啟風機，超溫聲光報警，超高溫跳閘，并將測得的實時溫度和實時的溫度狀態顯示在液晶屏上。

4.2 DS18B20溫度傳感器的程序設計

DS18B20的溫度采集程序主要涉及DS18B20的初始化、從DS18B20中讀取一個字節的數據、向DS18B20中寫入一個字節的數據和讀取溫度。溫度采集的程序流程如圖13所示。

圖13溫度采集程序流程圖

溫度采集模塊的程序實現了溫度的實時采集，并將采集到的數據進行處理后發送給單片機。

5 結論

本課題的設計目的是設計出一款能夠實時監測干式變壓器繞組溫度，并根據需要，在溫度超過一定范圍時，能夠自動地進行開啟風機、聲光報警以及跳閘等一系列操作的智能型溫度控制器。它能夠有效的對干式變壓器進行保護，延長變壓器的使用壽命，同時避免變壓器溫度過高帶來的火災隱患。

該溫度控制器最終實現的功能包括巡回檢測變壓器三相繞組溫度，并實時顯示在液晶屏上；當繞組溫度超過風機開啟溫度時，開啟風機，溫度下降至風機關斷溫度時，關斷風機；超溫進行聲光報警；超高溫進行跳閘斷電等功能。

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TM412

A

1672-5387（2017）11-0009-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.11.004

2017-08-30

闞松松（1992-），男，助理工程師，從事水電運維工作。