高压带电体在线无线温度连续监测系统

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技术领域\n本发明涉及抗高压交变磁场干扰，抗大点六磁场突变干扰和利用智能温度数字传感 器，采用无线数据传输技术，单片机技术进行温度测量的高压带电体在线无线温度连续监 测系统。\n背景技术\n目前，电力行业、供电及用电企业自动化建设和改造不断发展完善，为了提高劳动生 产率，增加经济效益，对高温的监测报警是非常必要的，在一些特殊的场合，温度过高可 能会引起燃烧、爆炸、或设备损坏和质量事故。例如：高压电气设备，由于故障测试手段 有限，特别在开关箱和封闭母线内温度超限点更不易发现。随着时间的推移温度超限处将 因发热而加速氧化，进而造成烧毁母线或接点的重大事故。\n火灾报警涉及到国民经济和社会生活的许多方面，对火灾的及时报警是避免或减少生 命和财产损失的重要手段。\n现在国内乃至国际领域内对高压带电体采用的测温方式主要有以下两种方法：激光、 红外线，这两种方式对于高压带电体的测温存在着一些本质上无法避免的缺陷：激光方式， 使用光导纤维，高压带电体内还要使用电缆连接线，其极易受到灰尘、高压设备长期震动 的影响，但是，在高压设备上都不推荐使用连接线，因为其极有可能是造成高压带电体发 生意外的不利因素；红外线方式，其精确度受到测量角度，障碍物及周边环境的影响极大。\n发明内容\n本发明的目的是提供一种高压带电体在线无线温度连续监测系统，该系统采用无线数 字温度传感器，其无线数字温度信号由无线收发模块在不同的频段送出，再由无线数据采 集器采集，其优点是不接线，无线数字信号强，发射距离远，抗干扰强。\n高压带电体在线无线温度连续监测系统，其特征在于该系统由无线数字温度传感器、 无线数字温度采集器、无线数字温度控制器、无线数字显示器、上位机及管理软件组成。\n无线数字温度传感器与现场发热点相连接，以单片机为控制核心，由温度传感器头、 单片机、EEPROM存储器、无线数字收发模块构成；单片机的相应脚上拉，分别与温度传 感器头和存储器相连接，单片机的输入、输出脚分别与无线数据收发模块的输出、输入脚 相连接，其频率控制端与跳线相连，稳压模块连接在单片机的相应脚上。\n无线数字温度采集器以单片机为控制核心，由单片机连接无线数字收发模块构成，在 单片机上设有可选32组不同频率的信道；无线数字收发模块与无线数字温度传感器中的 无线数字收发模块频率相匹配。\n无线数字温度控制器以单片机为控制核心，由两个单片机、拨码开关及看门狗电路组 成，两个单片机通过并口通讯，接收单片机连接拨码开关，每个单片机设有看门狗电路。\n无线数字温度显示器是以单片机为控制核心，由两个单片机、拨码开关、锁存器、译 码器、六反相器、数码管驱动芯片、共阴极数码显示管组成，每个单片机设有看门狗电路， 输入单片机与显示部分相连，锁存器、译码器、六反相器、数码管驱动芯片及共阴极数码 显示管与输入单片机对应脚相连，输出单片机与拨码开关相连，两个单片机通过并口通讯， 报警蜂鸣器与输入单片机相应脚相连。\n监控程序主要以巡检方式监控无线温度数据：程序上电初始化，对设置数据进行校验 和加载，如有错误或无法通过校验，给出错误提示，并退出程序；初装数据全部正常后执 行巡检模式。\n本发明与现有技术相比的有益效果是：使用的智能温度数字传感器和无线数据传输模 块可以完全在高压带电体上不使用额外连接线缆，避免了高压带电体电磁干扰，同时又可 以全方位对高压带电体进行温度测量，其无线数据传输模块可以将无线数据最大散布在 300M立体空间内，完全避免了红外线只能测直线的缺点。本发明将温度传感器安设在各 个高压测温点，通过无线发射和接收方式，将被测点温度进行采集存储，方便用户进行实 时温度监测及历史数据查询。这种方法具有低能耗、数据准确、安全、抗电磁干扰、抗潮 湿、抗腐蚀、体积小、重量轻等优点。采用了国外先进的数字化温度传感器，免去了A/D 变换。研发周期短，费用相对廉价，可设置的报警温度的测量范围-55℃-+125℃。\n附图说明\n图1是高压带电体在线无线温度连续监测系统结构示意图\n图2是无线数字温度传感器的原理结构图\n图3是无线数字温度采集器的原理结构图\n图4是无线温度数据控制器的原理结构图\n图5是无线数字温度显示器的原理结构图\n图6是高压带电体在线无线温度连续监测系统上位机管理程序框图\n具体实施方式\n见图1，高压带电体在线无线温度连续监测系统，该系统由无线数字温度传感器、无 线数字温度采集器、无线温度数据控制器、无线数字温度显示器、上位机及管理软件组成； 在图1中所有无线数字传感器1置于待测发热点6上，无线信号通过无线收发模块向外发 射。无线数字温度采集器2和无线数据控制器3将无线数据采集编码整理后利用RS485 总线传送至无线数字显示器4，实时动态显示。上位机5与显示器4相连接，利用动画形 式动态显示。\n见图2，无线数字温度传感器与现场发热点相连接，由单片机U1、存储器U2、无线数 字收发模块U3、温度传感器模块U4、稳压模块U5构成，Philips LPC900单片机读取温 度传感器所测温度数据并且存于内部ROM中；在MCU空闲时，单片机处于低耗状态，电流 消耗极少仅为50μA，当单片机处于发射时电流最大消耗为130-150mA；在进行多点无线 通讯时，为了区分各个不同点采用存储器EEPROM(U2)，区分每个存储器，在单片机U1 上电时读取该存储器编号及其它设定常数；无线数字收发模块U3为多信道、多频段可调， 所有的数据，经无线数字收发模块U3送出；其外包装为防火阻燃设计。\n图中U1为Philips P89LPC900系列低功耗单片机，U2为EEPROM AT24WC系列，U3为无 线数据传输模块，U4为智能温度数字传感器DS系列，U5为LM336稳压模块，构成电压自测 模块，D1为跳线。\n如图2，下面将各部分详细叙述如下：\n单片机U1：为Philips P89LPC900系列低功耗单片机，其工作在休眠状态，电流消 耗极少仅为50μA，使用内部看门狗自动复位；P0.0上拉，与温度数字传感器U4相连， 读取温度传感器的数字温度；上电时由外部存储器U2配置参数，其连至SCL、SDA的引脚 上拉；其输入、输出脚与无线收发模块的输出、输入脚相连，P0.2与无线数据传输模块 U3相连；P0.4与稳压模块U5相连，连至AD转换口ADO；\n温度数字传感器U4：为DS系列，使用单总线方式进行工作；\n存储器U2：为AT24WC系列，其100万次可擦写，低功耗COMS产品，地址选择线A0、 A1、A2短接到地；\n无线数字收发模块U3：采用AVR单片机ATMEGA8L，体眠电流＜20uA的低功耗产品， 该模块的无线收发芯片为CC1000，通过软件可调的工作频率范围为300～1000MHz，通过 频率选择跳线D1是与地短接，还是连到VCC，确定频率范围。\n见图3，无线数字温度采集器由单片机连接无线数字收发模块构成，在单片机上设有 可选32组不同频率的信道；采用同频率的无线数字温度传感器的无线数字传输模块与无 线数字温度传感器中的无线数字传输模块相匹配；总线输出：有RS485、RS232、UART等 接口任意可选；\n图中U6为无线数据采集模块，U7为MAX485芯片，L1为三色灯，JP1、JP2为跳线，D2为 接口端子板。\n如图3：U6为无线数据采集模块，由单片机连接无线数字收发模块构成，其P6、P7 具有RS485总线输出功能，直接输出，其P3，P4具有UART输出功能，与MAX485芯片U7 的A、B脚相连，MAX485芯片U7接成输出模式；\n图2、图3中的无线数字收发模块具有如下特点：\n●高抗干扰能力和低误码率；使用FSK的调制方式采用高效前向纠错信道编码技术 提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力，在信道误码率为10-2时，可得天独厚 实际误码率为：10-5～10-6。\n●两级窄带频率/滤波器，两级宽带滤波器，振谐波干扰能力极强。\n●多信道；以8的整数倍进行组合，单系统可高1024个监测点，可以满足用户多种 通信组合方式。\n●多种接口，可适应不同干扰环境和不同信号传输方式\n●大的数据传输和大的数据缓冲区；接口波特率1200/4800/9600/19200/38400bps， 其中任意设定，数据格式可根据测试环境设的为8n1，8e1，同时，可以传输无限 长的数据帧。\n见图4，无线数字温度控制器是以单片机为控制核心进行数据整理编码、判别分类、 存储组合、定时传输、应答通讯。通过相同通讯口可以分别与无线温度数字显示器和上位 管理PC机进行数据交流，完成显示、报警、信息上传、网络通讯、资源共享。\nU8、U9为MAX813L看门狗电路，U10、U11为AT89C51单片机，U12、U13为转 换芯片MAX485，SW1为拨码开关，J1～J6为信号灯。\n图4中，由采集器采集来的信号，通过转换芯片U12进入单片机U11，处理并存储， 单片机U10与单片机U11握手通讯，图中S1拨码开关区别不同设定的无线数字温度信号， 将采集并存储的无线数字温度信号通过转换芯片U13上传。\nCPU部分：单片机U10、U11为AT89C51，两片单片机P1口相连成并口通讯，单片机 U11负责接收、单片机U11通过TXD、RXD与转换芯片U12的A、B脚相连，单片机U11的 P0口连接拨码开关S1，通过拨码开关S1确定P0.0～P0.3是连接到VCC还是连接到地，确 定所要采集的无线数字传感器组别号，单片机U10负责上传数字、单片机U10通过TXD、 RXD与转换芯片U13的A、B脚相连；\n看门狗部分：外部使用硬件看门狗MAX813L，复位脉冲与单片机RESET脚连接，喂狗 脉冲与单片机U10、U11的P3.5脚相连。\n见图5，无线数字温度显示器是以单片机为控制核心进行数据采集，由单片机部分、 看门狗电路部分、数码管显示驱动部分及报警部分组成。单片机负责接收、显示无线温度 数据及超限报警，与上位机握手通讯，驱动数码管显示温度，当温度超过限定时，指示灯 亮并有报警及继电器输出。\nU14、U15为输入、及输出单片机，选用AT89C51通用51型单片机，M1、M4为MAX485 低功耗485数据转换器，M2、M3为MAX813L看门狗电路，U16为锁存器74HC373N，U17 为74LS273N，U18为驱动器达林顿管ULN2003，U19为译码器74LS138，U20为六反相器 CD4069，Q1、Q2、Q3、Q4为数码管驱动器CD4543，S1、S2为共阴极数码管LG5022AH，Relay 为继电器DS2Y-S-DC5V，Alert为HXD蜂鸣器，SW2为SWDIP-5拨码开关，L1～L9为报警指 示灯，LU1，LU2为看门狗指示灯。\n图5中：\nCPU部分：U14、U15为AT89C51，两片单片机P1口相连成并口通讯，单片机U15负 责接收、显示无线温度数据及超限报警，单片机U14通过TXD、RXD与上位机握手通讯， 单片机U14的P0口连接拨码开关SW2，通过SW2确定P0.0～P0.3是连接到VCC还是连接 到地，确定所要采集的无线数字传感器组别号；单片机U15的P0口驱动数码显示，驱动锁 存器，驱动译码器；当温度超过限定时，单片机U15的P0口驱动74LS273、ULN2003及P3.4 脚，指示灯亮并有报警及继电器输出。\n看门狗部分：外部使用硬件看门狗MAX813L，复位脉冲与单片机RESET脚连接，喂狗 脉冲与P3.5脚相连，在单片机正常情况，LU1，LU2定时闪烁；\n数码管显示驱动部分：单片机U15的P0.0～P0.3口为显示驱动脚，采用CD4069反相 输入端经过译码器74LS138 U19输出脚E0、E1、E2、E3分别与Q1、Q2、Q3、Q4 CD4543 驱动脚Pin1相连，实现列选择，使用锁存器74LS373 U17和74LS273锁存器U16将单片 机U15的P0.0～P0.3信号送至Q1、Q2、Q3、Q4 CD4543输入脚P1、P2、P6、P7脚，输 出脚a、b、c、d、e、f、g与七段数码管的a、b、c、e、d、f、g相连，数码管的共阴极 通过电阻接地；\n报警部分：单片机U15的P0口送出报警灯信号，共有九个报警灯和一个蜂鸣器组成， 采用驱动芯片ULN2003，译码器U19为74LS138，使用芯片74LS373和74LS273锁存，八 个报警灯与ULN2003的八个输出端相连，第九个报警灯为U15的P3.4脚，该脚外接蜂鸣 器声音报警，继电器输出。\n见图6，高压带电体在线无线温度连续监测系统采用上位机管理软件，使PC机与单 片机通讯进行数据采集和处理。其采用VB/SQLSERVER/FLASH技术，程序执行过程动画显 示，实时存盘，当有温度数据超限时报警提示。\n如图6所示，监控程序主要以巡检方式监控无线温度数据：程序上电初始化，对设置 数据进行校验和加载，如有错误或无法通过校验，给出错误提示，并退出程序；初装数据 全部正常后执行巡检模式：\n●处理数据，读取串口数据，数据模型转化，准备显示的温度数据和报警数据；\n●显示数据，显示数据为动画窗口，FLASH编程，显示温度及报警内容；\n●数据存盘，将无线数据存入数据库SQLSERVER；\n本产品选用的集成电路芯片，为通用芯片，但在程序加了许多抗干扰技术、软件陷阱 技术，防止程序跑飞。对于无线传输模块是必须的，无线数字温度传感器的工作方式必须 为低功耗方式，其它元器件的参数和选择满足使用功能即可，无特需求。