鄭晴蝶

摘要：在工控領域，溫度指標是一個重要的參數(shù)，溫度的高低從某些方面反映出了設備的運行狀態(tài)。在電網運行中，線路溫度在一定程度上反映了線路負荷情況，線路溫度過高將加速線路老化，甚至熔斷，因此對于線路溫度的監(jiān)測對于防范線路因過負荷或接觸不良而導致的故障有重要意義。

關鍵詞：51單片機；PT100鉑熱電阻；配網；溫度監(jiān)測；溫度指標；電力系統(tǒng) 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP212 文章編號：1009-2374（2016）31-0037-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.31.019

1 概述

目前，在電網行業(yè)獲取配電變壓器的出線接頭溫度的方法是通過紅外電子槍獲取的，這種傳統(tǒng)的方法存在耗時長、花費人力大、實時性差等問題。本文針對傳統(tǒng)方法存在的問題，提出一種全新的溫度采集方法，即通過現(xiàn)場采集，再通過無線設備傳送到遠程終端的方法。該種方法分兩部分：一是現(xiàn)場采集部分；二是遠程終端部分。本文主要針對現(xiàn)場采集部分，即基于單片機的PT100鉑熱電阻的溫度采集系統(tǒng)。

2 工作原理

2.1 系統(tǒng)結構

如圖1基于單片機的PT100鉑熱電阻的溫度采集系統(tǒng)，系統(tǒng)通過PT100采集溫度，將溫度的變化轉換成PT100阻值的變化，再通過外接電路，將阻值變化轉換成電壓值的變化，通過電壓型A/D（模/數(shù)轉換器）采集，將模擬信號轉換成數(shù)字信號，由單片機進行數(shù)據(jù)處理，再通過無線模塊發(fā)射出去，同時系統(tǒng)通過太陽能電池板和鋰電池結合供電的方式。這樣系統(tǒng)可直接安裝在配電變壓器出線接頭上，不必考慮絕緣問題，避免造成電力系統(tǒng)接地故障。

2.2 溫度采集原理

系統(tǒng)采用的溫度傳感器是一種阻值隨溫度升高而升高的鉑熱電阻PT100，該傳感器在室溫為0℃時對應阻值為100歐姆，且其阻值隨著室溫的變化呈現(xiàn)出線性關系，利用這一特性，通過測量PT100的阻值，再通過計算便可得出環(huán)境溫度。該傳感器在環(huán)境溫度

-200℃～+200℃之間的阻值都大致呈現(xiàn)出線性規(guī)律，而配網變壓器出線接頭在正常運行狀態(tài)下的溫度不會超過該范圍，因此用該傳感器來測量配網變壓器出線接頭的溫度完全適用。PT100溫度傳感器輸出信號與溫差之間有一給定的連續(xù)函數(shù)關系，其阻值與溫度的關系如圖2所示：

3 電路設計與軟件設計

3.1 電路設計

3.1.1 電源部分。電源設計如圖3所示，J1為太陽能電池板接口，J2為電池接口，D1為二極管，防止電池向太陽能電池板反充電，在光線充足的情況下由太陽能電池板供電并向電池充電，而光線不足時由電池充電，S1為開關，VR1為電源穩(wěn)壓芯片，將電壓轉換成3.3V。

3.1.2 PT100電橋采集部分。如圖4所示為系統(tǒng)PT100電橋電路。

R1、R2、R7為三個高精度阻值電阻，R6為PT100溫度傳感器，R1、R2、R6、R7組成一個電橋，AD620BR為一個高精度的運算放大器，這里只做電壓跟隨器作用，不對電橋輸出電壓進行放大。由于運算放大器具有高輸入阻抗的特性，可視為R3、R5分流電流為0，那么A、B兩點間的電壓差為UAB=R2，由圖1可得出PT100阻值與溫度對應函數(shù)關系為：

（1）

式中：y為PT100阻值，單位Ω；x為溫度，單位℃。

由圖4電路可得：

（2）

由式（1）、式（2）可推導溫度值。

3.1.3 單片機最小系統(tǒng)。基于51單片機的PT100鉑熱電阻的溫度采集系統(tǒng)選用的控制芯片是一種增強型的單片機STC12C5410AD，該型號單片機在工程領域應用廣泛。因其端口具有AD復用功能，搭建電路時無需再外接AD（模數(shù)轉換器），故采用該型單片機可在一定程度上簡化電路。本文電路設計如圖5所示：

3.1.4 無線發(fā)送部分。在綜合比較了各種無線射頻模塊的優(yōu)缺點以及經濟效益等方面后，本文選用了nRF24L01無線模塊。該模塊工作頻段在2.4～2.5GHz之間，在數(shù)據(jù)量較少、通信距離短時具有很高的性價比。該模塊內置了晶體振蕩器、頻率合成器、調制器、功率放大器等功能模塊，具有輸出功率、通信頻道調等功能。該模塊具有低功耗的優(yōu)點，非常適合太陽能電池組合供電的方式，在功率發(fā)射為-6dBm時，模塊的工作電流只有9mA，處于接收狀態(tài)時其電流只有12.3mA，同時采用多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式）使節(jié)能設計更方便。其接口電路如圖6所示：

其中1、2口接電源，3口為工作模式選擇（接收或發(fā)射），4口為使能端，5口為SPI時鐘，6口為SPI輸入，7口為SPI輸出，8口為中斷輸出。

3.2 軟件設計

3.2.1 編程環(huán)境。系統(tǒng)采用KeilμVision2軟件環(huán)境編程。該編程環(huán)境可采用C語言編寫程序，優(yōu)勢明顯，是美國Keil Software公司出品的軟件開發(fā)系統(tǒng)。雖然匯編與機器語言更接近，程序效率最佳，但是在維護方面、結構性方面、可讀性方面、學習方面則是C語言更占優(yōu)勢，可以說C語言易學易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（μVision）將這些部分組合在一起。

3.2.2 軟件流程圖。系統(tǒng)軟件流程如圖7，系統(tǒng)通過A/D（模/數(shù)轉換器）將PT100溫度采集電路采集的溫度轉換成數(shù)字信號，由單片機進行數(shù)據(jù)處理，再通過無線模塊發(fā)射出去，無限循環(huán)上述過程，從而實現(xiàn)溫度的實時采集。

4 結語

本文闡述了基于單片機的PT100鉑熱電阻在配網溫度監(jiān)控中的設計方案。該方案的電路設計有效地實現(xiàn)了配溫度的現(xiàn)場采集，為配網溫度采集最終實現(xiàn)遠程終端監(jiān)控打下基礎，該方案結構簡單、經濟實用、運行可靠，能夠實時獲取配電變壓器的出線接頭溫度，這種微型的采集終端，有效地解決了配電變壓器分布范圍廣的問題。同時該采集終端還可以設定溫度閥值，超過閥值時發(fā)出告警信號，以便配電運行人員做出相應處理，保護運行變壓器不至于過載損壞。