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基于ATmega16單片機(jī)的干式變壓器智能溫度控制器設(shè)計(jì)
介紹一種由ATmega16單片機(jī)構(gòu)成的干式變壓器智能 控制器。該控制器可同時(shí)檢測(cè)4路溫度，誤差小于±0.5℃，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定；用戶可通 過(guò)人機(jī)接口控制變壓器冷卻風(fēng)機(jī)啟、停，設(shè)定報(bào)警及跳閘閥值。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；A/D轉(zhuǎn)換；溫度
ZHAO Yingkai, WANG Jingqin
(Institute of Electrical Apparatus, Hebei University of Technology,
T ianjin 300130, China)
T ianjin 300130, China)
Keywords: MCU; A/D transform; temperature
1工作原理
溫控儀由溫度監(jiān)測(cè)、信號(hào)處理、輸出控制三部分組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示，它通過(guò)預(yù)埋在 變壓器三相繞組中的三只鉑電阻傳感器獲取繞組溫度值，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后直接送入控 制器的A/D轉(zhuǎn)換輸入端。微控制器根據(jù)信號(hào)數(shù)據(jù)及設(shè)定的各種控制參數(shù)，按照嵌入的軟件控 制規(guī)律執(zhí)行計(jì)算與處理，自動(dòng)顯示變壓器繞組的溫度值、輸出相應(yīng)的控制信號(hào)、控制風(fēng)機(jī)的 啟停，并根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)輸出正常、報(bào)警和跳閘信號(hào)等，同時(shí)將各種數(shù)據(jù)通過(guò)RS-485傳到上 位機(jī)實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。
溫控儀控制核心采用ATmegal6單片機(jī)，它是一款基于AVR RISC的低功耗CMOS 8位單片機(jī)，在 一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令，可以取得1MIPS/MHz的性能，因此具有實(shí)時(shí)性。片內(nèi)帶有16K B的FLASH、512B的E2PROM，可以暫存故障、超溫上限溫度值。?
溫控儀由溫度監(jiān)測(cè)、信號(hào)處理、輸出控制三部分組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示，它通過(guò)預(yù)埋在 變壓器三相繞組中的三只鉑電阻傳感器獲取繞組溫度值，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后直接送入控 制器的A/D轉(zhuǎn)換輸入端。微控制器根據(jù)信號(hào)數(shù)據(jù)及設(shè)定的各種控制參數(shù)，按照嵌入的軟件控 制規(guī)律執(zhí)行計(jì)算與處理，自動(dòng)顯示變壓器繞組的溫度值、輸出相應(yīng)的控制信號(hào)、控制風(fēng)機(jī)的 啟停，并根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)輸出正常、報(bào)警和跳閘信號(hào)等，同時(shí)將各種數(shù)據(jù)通過(guò)RS-485傳到上 位機(jī)實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。
溫控儀控制核心采用ATmegal6單片機(jī)，它是一款基于AVR RISC的低功耗CMOS 8位單片機(jī)，在 一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令，可以取得1MIPS/MHz的性能，因此具有實(shí)時(shí)性。片內(nèi)帶有16K B的FLASH、512B的E2PROM，可以暫存故障、超溫上限溫度值。?
? 模擬轉(zhuǎn)換控制電路用于將溫度模擬量轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠識(shí)別的電信號(hào)，轉(zhuǎn)換原理如圖2所示 。當(dāng)溫度變化時(shí)，PT100的阻值會(huì)隨著溫度的變化線性變化，其分壓值與某一固定電路分壓 值進(jìn)行比較，其結(jié)果送入運(yùn)算放大器，轉(zhuǎn)換成A/D轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)的模擬量。
ATmega16中的A/D轉(zhuǎn)換精度為10位，由于參考電壓為5V，所以必須將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～5V的 電壓，因此在設(shè)計(jì)此電路時(shí)，各元件的參數(shù)都按照此要求設(shè)計(jì)。同時(shí)，還要考慮其線性化， 為了使軟件設(shè)計(jì)中的計(jì)算按線性處理，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，一定要將溫度與轉(zhuǎn)換到單片機(jī)的數(shù)字 量成線性變化。由電路可知：
?
從公式中可以看出，得出的A/D轉(zhuǎn)換電壓與Rw不成正比，不符合線性要 求。如果滿足
轉(zhuǎn)換電壓就與Rw近似成正 比，與溫度也近似成正比關(guān)系。這樣就可以通過(guò)線性計(jì)算來(lái)求出任意一點(diǎn)的溫 度，不過(guò)用線性化來(lái)計(jì)算這種近似線性的圖形，也會(huì)帶來(lái)微小的誤差，這些誤差可以在軟件 設(shè)計(jì)中解決。
1.2輸出電路
輸出電路是單片機(jī)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算和控制結(jié)果的體現(xiàn)，如圖3所示。單片機(jī)輸出 的控制量輸入到JK端口，若此信號(hào)低電平，則光電耦合器件導(dǎo)通，使CMOS三極管導(dǎo)通，從而 繼電器通電，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，輸出220V電壓；否則，輸出0V電壓。
ATmega16中的A/D轉(zhuǎn)換精度為10位，由于參考電壓為5V，所以必須將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～5V的 電壓，因此在設(shè)計(jì)此電路時(shí)，各元件的參數(shù)都按照此要求設(shè)計(jì)。同時(shí)，還要考慮其線性化， 為了使軟件設(shè)計(jì)中的計(jì)算按線性處理，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，一定要將溫度與轉(zhuǎn)換到單片機(jī)的數(shù)字 量成線性變化。由電路可知：
? 從公式中可以看出，得出的A/D轉(zhuǎn)換電壓與Rw不成正比，不符合線性要 求。如果滿足
轉(zhuǎn)換電壓就與Rw近似成正 比，與溫度也近似成正比關(guān)系。這樣就可以通過(guò)線性計(jì)算來(lái)求出任意一點(diǎn)的溫 度，不過(guò)用線性化來(lái)計(jì)算這種近似線性的圖形，也會(huì)帶來(lái)微小的誤差，這些誤差可以在軟件 設(shè)計(jì)中解決。1.2輸出電路
輸出電路是單片機(jī)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算和控制結(jié)果的體現(xiàn)，如圖3所示。單片機(jī)輸出 的控制量輸入到JK端口，若此信號(hào)低電平，則光電耦合器件導(dǎo)通，使CMOS三極管導(dǎo)通，從而 繼電器通電，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，輸出220V電壓；否則，輸出0V電壓。
軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括1個(gè)主模塊和5個(gè)子模塊(按鈕處理子模塊、設(shè)置上限溫度及采集 邊界點(diǎn)數(shù)字量子模塊、通信子模快、故障輸出處理子模塊和顯示子模塊)，主模塊完成對(duì)各 個(gè)子模塊初始化，調(diào)用故障輸出處理子模塊、顯示子模塊。而按鈕處理子模塊、設(shè)置上限溫 度及采集邊界點(diǎn)數(shù)字量子模塊、通信模塊采用中斷方式工作，主模塊與它們通過(guò)共用一段RA M區(qū)域進(jìn)行聯(lián)系。由于在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的模擬輸入信號(hào)中含有種種噪音和干擾，故本程序 采用數(shù)字濾波技術(shù)濾波。除此之外，對(duì)于前面提到的線性化問(wèn)題，我們采用了將0～200℃分 成四個(gè)區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域進(jìn)行線性化計(jì)算。這樣比在0～200℃區(qū)域內(nèi)直接進(jìn)行計(jì)算要精確的 多，能夠達(dá)到0.1℃的精度。
各個(gè)子模塊的功能如下：
(1)按鈕處理子模塊在有鍵按下時(shí)向ATmega16申請(qǐng)中斷，在中斷子程序中修改預(yù)先設(shè)好的標(biāo) 志位。 (2)設(shè)置上限溫度及采集邊界點(diǎn)數(shù)字量子模塊可以在長(zhǎng)時(shí)間按鍵時(shí)通過(guò)輸入密碼進(jìn)入修改上 限溫度的界面，通過(guò)按鈕對(duì)0℃、50℃、100℃、150℃、200℃所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量進(jìn)行采集，并 將結(jié)果存到E?2PROM里，用此數(shù)據(jù)作為邊界點(diǎn)計(jì)算出0～200℃之間的任何溫度。 (3)通信子模塊可以通過(guò)LBC184(將RS232信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS485信號(hào))芯片和單片機(jī)連接 遠(yuǎn)程的被控對(duì)象進(jìn)行RS485通信。 (4)故障輸出子模塊可以通過(guò)實(shí)際溫度與上限溫度的比較，來(lái)判斷現(xiàn)場(chǎng)是否出現(xiàn)異常情況。 同時(shí)，設(shè)置標(biāo)志位來(lái)判斷是否進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、是否進(jìn)行顯示。 (5)顯示子模塊將線性計(jì)算出的結(jié)果經(jīng)二進(jìn)制到BCD碼的轉(zhuǎn)換送到5位LED顯示器顯示。?
各個(gè)子模塊的功能如下：
(1)按鈕處理子模塊在有鍵按下時(shí)向ATmega16申請(qǐng)中斷，在中斷子程序中修改預(yù)先設(shè)好的標(biāo) 志位。 (2)設(shè)置上限溫度及采集邊界點(diǎn)數(shù)字量子模塊可以在長(zhǎng)時(shí)間按鍵時(shí)通過(guò)輸入密碼進(jìn)入修改上 限溫度的界面，通過(guò)按鈕對(duì)0℃、50℃、100℃、150℃、200℃所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量進(jìn)行采集，并 將結(jié)果存到E?2PROM里，用此數(shù)據(jù)作為邊界點(diǎn)計(jì)算出0～200℃之間的任何溫度。 (3)通信子模塊可以通過(guò)LBC184(將RS232信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS485信號(hào))芯片和單片機(jī)連接 遠(yuǎn)程的被控對(duì)象進(jìn)行RS485通信。 (4)故障輸出子模塊可以通過(guò)實(shí)際溫度與上限溫度的比較，來(lái)判斷現(xiàn)場(chǎng)是否出現(xiàn)異常情況。 同時(shí)，設(shè)置標(biāo)志位來(lái)判斷是否進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、是否進(jìn)行顯示。 (5)顯示子模塊將線性計(jì)算出的結(jié)果經(jīng)二進(jìn)制到BCD碼的轉(zhuǎn)換送到5位LED顯示器顯示。?
(1)解決溫控儀中交流電源干擾，其方法是在交流電源的進(jìn)線端，即電源變壓器的 初級(jí)串聯(lián)一個(gè)電源濾波器，它可以有效地抑制高頻干擾的侵入(圖4)。
(3)在模擬轉(zhuǎn)換電路中的溫度傳感器兩端，以及其他地方使用壓敏電阻器，吸收不 同極性的過(guò)電壓。
(4) 在干式變壓器運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行電磁干擾試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析，并通過(guò)精心選擇 元器件、采用硬件抗干擾技術(shù)及軟件抗干擾技術(shù)使干擾源產(chǎn)生的電磁干擾降至最小。
該溫控儀功耗低、技術(shù)先進(jìn)，功能完善，操作簡(jiǎn)單，性能可靠，能夠在十分惡劣的電磁干擾 或高溫環(huán)境長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，是干式變壓器理想的監(jiān)控裝置。?
(4) 在干式變壓器運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行電磁干擾試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析，并通過(guò)精心選擇 元器件、采用硬件抗干擾技術(shù)及軟件抗干擾技術(shù)使干擾源產(chǎn)生的電磁干擾降至最小。
該溫控儀功耗低、技術(shù)先進(jìn)，功能完善，操作簡(jiǎn)單，性能可靠，能夠在十分惡劣的電磁干擾 或高溫環(huán)境長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，是干式變壓器理想的監(jiān)控裝置。?
- 變壓器(129809)
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- ATmega(42503)
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