高電壓設備智能監測設計范文

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《無線通信技術雜志》2014年第二期

1本終端接口介紹

SPI是一種串行同步通訊協議。SPI接口由SS(從器件選擇線)、SDO(串行數據輸出線)、SDI(串行數據輸入線)和SCK(同步串行時鐘線)四種信號構成，常作為單片機外設芯片串行擴展接口。SPI可以用全雙工通信方式同時發送和接收8(16)位數據，過程如下:主機啟動發送過程，送出時鐘脈沖信號，主移位寄存器的數據通過SDO移入到從移位寄存器，同時從移位寄存器中的數據通過SDI移入到主移位寄存器中［4］。8(16)個時鐘脈沖過后，時鐘停頓，主移位寄存器中的8(16)位數據全部移入到從移位寄存器中，隨即又被自動裝入從接收緩沖器中，從機接收緩沖器滿標志位(BF)和中斷標志位(SSPIF)置"1"。同理，從移位寄存器中的8位數據全部移入到主寄存器中，隨即又被自動裝入到主接收緩沖器中，主接收緩沖器滿標志位(BF)和中斷標志位(SSPIF)置"1"。主CPU檢測到主接收緩沖器的滿標志位或者中斷標志位置1后，就可以讀取接收緩沖器中的數據。同樣，從CPU檢測到從接收緩沖器滿標志位或中斷標志位置1后，就可以讀取接收緩沖器中的數據，這樣就完成了一次相互通信過程。

2無線監測網絡節點硬件電路設計

2．1監測終端硬件電路的總體設計本課題是針對于高電壓設備智能監測終端的硬件電路的設計。該節點選STC的一款8位微處理器STC89C52RC為主控芯片進行設備監測，STC89C52RC單片機是宏晶科技的新一代低功耗、高速、超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統8051單片機，可以任意選擇12時鐘機器周期和6時鐘機器周期。該芯片具有很多優點，如系統擴展性強、測量和控制精度較高、可靠性高、多任務實時調度、體積小、響應速度快、操作方便等。硬件整體結構框圖如圖4所示。

2．2CPU(STC89C52RC)核心控制模塊設計STC89C52RC外圍電路主要包括TLC549A/D轉化模塊、電壓傳感器模塊、溫度傳感器模塊、液晶顯示模塊、無線通信模塊。(1)TLC549A/D轉化模塊:TLC549是美國德州儀器公司生產的8位串行A/D轉換器芯片，可與通用微處理器、控制器通過CLK、CS、DATA－OUT三條口線進行串行接口。具有4MHz片內系統時鐘和軟、硬件控制電路，轉換時間最長17μs，TLC549為40000次/s。總失調誤差最大為±0．5LSB，典型功耗值為6mW［4］。采用差分參考電壓高阻輸入，抗干擾能力強［5］。其硬件電路圖，如圖5所示。(2)電壓傳感器模塊:通過P11接口接入被測裝置的電壓端，通過電壓互感器的額定電流為2mA，對感應電流進行整流通過R11來轉換成需要的電壓，在signal2端會輸出小于1V的模擬電壓。模擬電壓和被測裝置的電壓有正比例的關系。電壓傳感器模塊電路圖，如圖6所示。(3)溫度傳感器模塊:本設計采用美國Dallas半導體公司的數字化溫度傳感器DS18B20，DS18B20支持單數據總線，即"一線總線"接口的溫度傳感器［6］。整個傳感元件和轉換電路集成在一個三極管式的封裝集成電路內。單數據總線的特點，使用戶更容易地組建傳感器網絡，為監測網絡系統的構建引入全新理念。DS18B20僅通過一個單線接口發送或接收信息，因此在中央微處理器和DS18B20之間控制和交互也僅需一條I/O控制線，另外DS18B20的電源可以從本身用于讀寫和溫度的數據線中獲得，無需外部電源。方便了PCB的設計和制作。每個DS18B20都有一個獨特的64位序列號，所以多只DS18B20可以同時連在一根單線總線上，這樣就可以通過一個微處理器控制多溫度傳感器節約了微處理器的引腳資源。其硬件電路圖，如圖7所示。(4)液晶顯示模塊:串行數據傳送共分三個字節完成:第一字節:串口控制－格式11111ABC，A為數據傳送方向控制:H表示數據從LCD到MCU，L表示數據從MCU到LCD;B為數據類型選擇:H表示數據是顯示數據，L表示數據是控制指令C固定為0［7］。第二字節:(并行)8位數據的高4位－格式DDDD0000。第三字節:(并行)8位數據的低4位－格式0000DDDD。串行接口時序參數:(測試條件:T=25℃VDD=4．5V)。讀、寫數據指令每執行完一次讀、寫操作，列地址就執行自動加一操作。如圖8所示:(5)無線通信模塊:本設計采用的是nRF905芯片作為無線傳輸模塊，其TRX_CE/TX_EN引腳是收/發通道的控制端;PWR_UP引腳是工作模式控制端;CD引腳是接收模式下載波監測信號輸出端;AM引腳是接收到正確的數據包地址后nRF905指示信號的輸出端;DR引腳是發射完一個數據包后芯片指示信號的輸出端;MOSI/MISO引腳是發射/接收數據的通道;CSN、SCK引腳為串行接口控制端。nRF905片內集成了電源管理、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器、功率放大器、通信協議控制等模塊，可自動處理字頭和CRC，使用SPI接口與微控制器通信，非常方便［8］。由于nRF905采用抗干擾能力強的高斯頻移鍵控調制方式，能很好的減少噪聲環境對系統性能的干擾。nRF905無線通信模塊電路設計圖如圖9所示。

3高電壓設備智能監測終端軟件流程設計

基站在程序執行之前進行數據校準，根據時間進行接收直到接收數據完畢，接收數據后進入顯示模式，可以實時觀看數據或者將數據傳輸到上位機，觀看數據隨時間的變化情況。在基站里對各個參數可以設定一個參考值，但任何一個參數值超出預定的誤差，警報系統就會報警并顯示節點故障。如圖10所示。中繼的主要作用就是延長數據傳輸的距離，在中間起到一個數據傳輸的作用，將各個節點的位置準確的傳給基站，進而傳給上位機，以供數據分析和參考。如圖11所示。節點的主要功能就是監測高電壓設備的各種參數，通過各種傳感器電路來檢測包括:溫度、電壓、電流等參數，最終在自己的時分時間內通過無線的方式把信息發送出去。如圖12所示。

4結論

對高電壓設備的自動監測是現代電力管理技術的重要任務，準確而科學地采集和處理變壓器的原始數據，能給管理決策帶來很大的效益，并能準確及時地分析處理事故，減少事故。但是某些智能化動監測系統較為龐大，投資高，地域適應性差。根據各類變電所的實際情況，本文采用嵌入式系統開發了一種專門用于高電壓設備數據采集與處理的高電壓設備智能監測終端。經實驗，各項指標完全符合設計和實用要求，而且有投資少，見效快，適應性強等優勢。本文設計的高電壓設備智能監測終端，在不易布線的環境下或者人工不方便監測的環境下，通過無線傳輸技術來實現監測的目的。本高電壓設備智能監測終端體積小，能耗低，還可以應用到其他的監測網絡中。

作者：齊迪李佳奇吳運幸王偉正單位：大連交通大學電氣信息學院