基于DS18B20的低壓電力開關(guān)柜銅排測溫裝置

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隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，人們對供電可靠性要求越來越高，溫度是表征電力設(shè)備正常運(yùn)行的一個重要參數(shù)[1]，實(shí)現(xiàn)溫度在線實(shí)時(shí)監(jiān)測是保障電力設(shè)備安全運(yùn)行的重要手段。低壓開關(guān)柜是一種重要的電力設(shè)備，這種設(shè)備的主要作用是控制和保護(hù)電力系統(tǒng)，維護(hù)其正常運(yùn)行是相關(guān)部門的工作重點(diǎn)。因此，我們通過實(shí)時(shí)監(jiān)測電壓開關(guān)柜的溫度，來反映其運(yùn)行情況?，F(xiàn)階段，常用的溫度在線監(jiān)測手段有無線測溫和有線測溫兩種。無線測溫由于造價(jià)過高，推廣難度大；有線測溫由于現(xiàn)場布線困難、電氣隔離問題不適合現(xiàn)場使用。

1 現(xiàn)有產(chǎn)品分析

在電力系統(tǒng)中，各類設(shè)備的開斷接觸點(diǎn)由于在長期運(yùn)行中，可能出現(xiàn)松動、老化、電弧沖擊等原因造成的電阻增大。這使得接觸點(diǎn)溫度會不斷升高，給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來隱患。如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)，容易引起設(shè)備爆炸、火災(zāi)，危及人員的安全，引起大面積停電等重大災(zāi)難事故，給國家、集體、個人造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，危及國家電網(wǎng)的安全。因此，對電力設(shè)備關(guān)鍵點(diǎn)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排出安全隱患，越來越得到業(yè)內(nèi)的認(rèn)可和重視。傳統(tǒng)的紅外、光纖、CT取能、聲表面波等測溫系統(tǒng)，在安全性、可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)時(shí)性等方面存在眾多的技術(shù)缺陷和經(jīng)濟(jì)缺陷，阻止了溫度監(jiān)測系統(tǒng)在電力系統(tǒng)大規(guī)模的系統(tǒng)應(yīng)用?；贒S18B20的低壓電力開關(guān)柜銅排測溫裝置，使用溫度傳感器DS18B20[2-3]，具有“安全”及“可靠”、“穩(wěn)定”及“經(jīng)濟(jì)”、“實(shí)時(shí)”、便于安裝調(diào)試及免維護(hù)等眾多優(yōu)點(diǎn)，為電力測溫提供了最優(yōu)的解決方案。

2 測溫裝置整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于DS18B20的低壓電力銅排測溫裝置核心單元為單片機(jī)TCC081F和溫度傳感器DS18B20，包括嵌入式處理器、RS485通信模塊、高速隔離總線電路、電源模塊以及冷壓線鼻測溫探頭，整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 低壓電力銅排測溫硬件功能框圖

該系統(tǒng)中嵌入式處理器通過高速隔離總線電路與冷壓線鼻測溫探頭相連接，嵌入式處理器通過RS485通信模塊與上行設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，冷壓線鼻測溫探頭電源由電源模塊經(jīng)高速隔離總線電路提供，嵌入式處理器、RS485通信模塊和高速隔離總線電路都由源模塊直接供電。

冷壓線鼻測溫探頭如圖2所示，由測溫傳感和保護(hù)測溫傳感器的硅膠保護(hù)套管，以及盛放測溫傳感器和保護(hù)測溫傳感器的硅膠保護(hù)套管的冷壓線鼻組成冷壓線鼻溫度傳感器。冷壓線鼻開孔可與螺絲固定在銅排上，保證了與發(fā)熱源的緊密接觸，使溫度傳感器對銅排的測量更加準(zhǔn)確。

圖2 冷壓線鼻測溫探頭結(jié)構(gòu)示意圖

3 溫度傳感器DS18B20

DS18B20是美信旗下達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司開發(fā)的數(shù)字化溫度傳感器。

DS18B20是單線數(shù)字化溫度傳感器，發(fā)送以及接受信息僅通過一個單線接口，所以在DS18B20和MCU之間僅需一條數(shù)據(jù)線即可完成信息的收發(fā)，節(jié)約了信道資源。其溫度測量范圍寬，范圍為-55℃～+125℃；溫度測量精度高，在-10℃～＋85℃之間的精度為0.5℃。每個DS18B20都有唯一的64位序列號相當(dāng)于64位地址，從而多個DS18B20可以并聯(lián)在一條總線上，支持多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)功能，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫。DS18B20分配兩個字節(jié)對測量溫度進(jìn)行表述，通過程序設(shè)定9～12位作為DS18B20的測量分辨率。在系統(tǒng)掉電以后，由于DS18B20內(nèi)部含有EEPROM，它仍然可以保存報(bào)警溫度的設(shè)定值以及測溫分辨率。

DS18B20引腳排列如圖3所示，其各引腳說明如下：

GND-電源地；

DQ-數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，當(dāng)工作在寄生電源模式下時(shí)，用來提供電源；

VDD-可選的電源引腳，當(dāng)工作于寄生電源模式下時(shí)，VDD必須接地。

圖3 DS18B20引腳排列

圖4 為DS18B20結(jié)構(gòu)框圖，高速暫存器中包含兩個字節(jié)的溫度寄存器，溫度傳感器輸出的數(shù)據(jù)存儲在這兩個溫度寄存器中。除此之外，高速暫存器還提供兩個溫度報(bào)警值寄存器（高溫觸發(fā)器和低溫觸發(fā)器），以及一個字節(jié)的配置寄存器。配置寄存器決定用戶溫度的精度，精度可設(shè)定為9～12位。高速暫存器是非易失性的可擦除程序寄存器，所以即便器件在掉電時(shí)，存儲的數(shù)據(jù)也不會消失。

圖4 DS18B20結(jié)構(gòu)框圖

DS18B20的核心功能是可以直接輸出數(shù)字量的溫度。溫度傳感器的精度為可編程的9，10，11和12位（二進(jìn)制編碼），分別對應(yīng)精度為0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃，上電狀態(tài)默認(rèn)精度為12位。DS18B20啟動后保持低功耗等待狀態(tài)，當(dāng)需要執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換和溫度測量時(shí)，總線控制器必須發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令，在此之后，產(chǎn)生的溫度數(shù)據(jù)以兩個字節(jié)的形式被存儲到高速暫存器的溫度寄存器中。

單總線系統(tǒng)包括一個總線控制器和一個或多個從機(jī)，DS18B20總是充當(dāng)從機(jī)，當(dāng)只有一只從機(jī)掛在總線上時(shí)，系統(tǒng)被稱為“單點(diǎn)”系統(tǒng)，如果由多只從機(jī)掛在總線上，系統(tǒng)被稱為“多點(diǎn)”系統(tǒng)。所有的數(shù)據(jù)和指令都是從最低有效位開始通過單總線傳遞。

4 單片機(jī)TCC081F

TCC081F芯片是青島鼎信通訊股份有限公司自主研發(fā)的一款窄帶高速通信芯片，專門應(yīng)用于電力線載波通訊領(lǐng)域，具有高性能、高集成度等特點(diǎn)。該芯片主要應(yīng)用在電表集抄、戶內(nèi)查詢終端、路燈控制等領(lǐng)域，為電力行業(yè)或其它公共事業(yè)部門提供了一種優(yōu)秀的可實(shí)現(xiàn)智能抄表的系統(tǒng)解決方案。該芯片采用ARM Cortex-M0+內(nèi)核，具有32MHz內(nèi)核運(yùn)行速度，8KB RAM數(shù)據(jù)空間，128KB Flash程序空間，兩級指令流水結(jié)構(gòu)，優(yōu)先級控制的中斷嵌套響應(yīng)機(jī)制，數(shù)據(jù)DMA傳輸，F(xiàn)lash擦寫次數(shù)超過10萬次，F(xiàn)lash數(shù)據(jù)保存大于100年。

為防止外部干擾信號對MCU造成損害，采用高速光耦將單片機(jī)對DS18B20的輸入和輸出通道分別進(jìn)行隔離。

5 系統(tǒng)工作機(jī)制

在圖1中所示，該新型低壓電力銅排總線測溫裝置，使用TC8001F芯片作為MCU的嵌入式處理器1，與之相連的用于與上行設(shè)備通信的RS485通信模塊2，與冷壓線鼻測溫探頭相連接使用6N137作為隔離芯片的高速隔離總線電路4，以及為它們供電的電源模塊3組成溫度采集器；由測溫傳感9和保護(hù)測溫傳感器的硅膠保護(hù)套管7，以及盛放測溫傳感器9和保護(hù)測溫傳感器的硅膠保護(hù)套管7的冷壓線鼻6組成冷壓線鼻溫度傳感器。測溫傳感器9與高速隔離總線電路使用三芯屏蔽護(hù)套線8連接，增強(qiáng)了信號抗干擾能力。冷壓線鼻9內(nèi)灌有導(dǎo)熱硅膠用于固定測溫傳感器9和保護(hù)測溫傳感器的硅膠保護(hù)套管7，冷壓線鼻開孔可與螺絲固定在銅排上，保證了與發(fā)熱源的緊密接觸，使溫度傳感器對銅排的測量更加準(zhǔn)確。

工作時(shí)，冷壓線鼻測溫傳感器通過螺絲固定在銅排上，熱量通過冷壓線鼻6和導(dǎo)熱硅膠到達(dá)DS18b20測溫傳感器9。DS18b20測溫傳感器9采集溫度信息并轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，信號經(jīng)三芯屏蔽護(hù)套線8傳至高速隔離總線電路4，高速隔離總線電路4對信號中干擾信號進(jìn)行隔離，并將有效信號傳至嵌入式處理器1。嵌入式處理器1對溫度信息進(jìn)行補(bǔ)償校正后，與內(nèi)部設(shè)定的溫度報(bào)警閾值對比，若超過內(nèi)部設(shè)定的溫度報(bào)警閾值會產(chǎn)生溫度報(bào)警信號，最后溫度信息和溫度報(bào)警信號通過RS485通信模塊2上傳至上行設(shè)備。這樣工作人員就可以遠(yuǎn)程連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測低壓電力開關(guān)柜銅排接線處溫度信息。裝置安裝簡便，準(zhǔn)確可靠，安裝后設(shè)備免維護(hù)，減少了后期設(shè)備維護(hù)成本，提高了供電設(shè)備工作的可靠性[1]。

6 結(jié)語

溫度是電力行業(yè)中非常重要的參數(shù)，對溫度的測量和控制是一項(xiàng)傳統(tǒng)的工藝技術(shù)。本文采用可編程高分辨率的單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20和單片機(jī)TCC081F等組成低壓電力開關(guān)柜銅排測溫裝置。通過TCC081F采集DS18B20輸出的總線數(shù)字量信號，對采集到的溫度及其對應(yīng)傳感器ID信息進(jìn)行匯總，并通過RS485總線與上位機(jī)通信。經(jīng)測試，該溫度采集系統(tǒng)至少可支持30路5米長溫度測量回路。