无线温度测量系统立项.docx

1、无线温度测量系统立项 无线测温系统 专业：电子信息工程 班级：0808030301 姓名：阮建祥 学号：2008080303138 1、立项依据 发电厂、变电站的高压开关柜、母线接头、室外刀闸开关等重要设备，在长期运行过程中，开关的触点和母线连接等部位因老化或接触电阻过大而发热，而这些发热部位的温度无法监测，由此最终导致事故发生。 近年来，在电厂和变电站已发生多起开关过热事故，造成火灾和大面积的停电事故，解决开关过热问题是杜绝此类事故发生的关键，实现温度在线监测是保证高压设备安全运行的重要手段。高压设备无线测温系统，专门设计用于高压带电体的运行温度监测，采用无线射频传输信号，实现非接触温度测量

2、。传感器安装在高压设备上，与接收设备测温仪之间无电气上的连接，具有高压隔离性能，从根本上解决了高压设备接点运行温度不易监测的难题，具有极高的可靠性和安全性，使得该无线式温度传感器可以安装到每台高压开关及母线接头上，高压设备无线测温系统，由若干无线式温度在线监测仪（简称无线测温仪）、无线式温度传感器、光纤、网络控制器及系统软件组成，无线式温度传感器安置于高压设备的表面，采集其温度并将数据传送给无线测温仪。无线测温仪将接收到的数据在 LCD 液晶屏上显示，同时监测温度是否超限，当温度超限后，输出报警信号。电力设备导电连接部位松动、设备部件的铜铝过渡处损伤、刀闸、断路器触点松动等都可能引起设备温度聚

3、升，直接导致相关部件性能劣化，导体熔化和绝缘击穿事故，对电网安全运行造成很大的威胁。07年某局35千伏变电站就发生一起因主变低压侧设备线夹过温烧断相线致使主变停运的事故。随着电力企业的精益化管理，无人值班变电站必将大力推广，对变电站各种信息量的监控要求愈来愈严格细化，而现今变电站对于主设备关键部位温度的监控尚处于初级阶段，监控范围小，尤其对于封闭设备的温度监控基本处于“盲区”，技术手段也相对落后。现今变电站常用的测温手段为，主变油温采用铂电阻测温，可以实时采集温度并将信息量上传远方调度监控,缺点是对绝缘性能要求高，不能直接附在高压带电设备上；其它主要设备关键部位采用示温蜡片测温，精度低，需巡视

4、，无法实时采集测温信息，上传远方调度监控；另一种为采用红外热像仪，也需人员到位才能显示效果，而且仅适用于裸露设备。可见，常规测温手段无法满足无人值班站对变电站主设备关键部位温度实时监控的需求。开发研制一种适用范围广、安全可靠的测温系统，实时监测主要设备（特别是对封闭设备内部）关键点的运行温度，掌握设备运行情况，及时发现故障隐患、采取措施，避免事故进一步扩大，对保障电网安全运行意义重大。二、项目内容每台无线测温仪相当于一个无线接入点，它可接入 6 只无线温度传感器，并配有标准 RS485 总线接口，多台测温仪通过总线可以组成实时在线监测系统，最多可以接 255台监测仪，传输距离最长 1200 米

5、，监测系统通过 网络控制器，采用 TCP/IP 协议与局域网互联。局域网中可以挂接一个服务端和多个查询端，实现温度显示、报警显示和历史数据记录、分析等多种功能，帮助运行人员监测和分析监测点的过热情况，预测出故障发生的部位，保证设备的安全运行。我采用数字式温度传感器DSl8B20作为测温节点。89C52单片机作为下位机微处理器来控制温度值的采集，并通过无线收发模块NRF905进行传输，最后通过串口将数据传送到上位机显示芯片。实验证明，该系统解决了在复杂环境下温度采集和获取的问题，具有较高的精度和很好的推广应用前景。2.1 无线温度测量系统构成主要有两大部分:上位机微处理器控制系统、下位机测量系统

6、。上位机微处理器控制系统是控制系统的核心, 是负责与下位机通信并完成显示任务和控制功能的，具体由显示芯片、单片机和无线收发芯片三部分组成。下位机测量系统负责对测量点的温度测量, 并根据上位机的控制要求, 把测量点的信息返回给上位机控制系统，其具体由无线收发芯片，单片机，温度测量设备来完成。2.2 无线温度测量系统的工作原理无线温度采集系统是一种基于射频技术的无线温度检测装置。本系统由传感器和接收机，以及显示芯片组成。传感器部分由数字温度传感器芯片18B20，单片机89C52，和天低功耗射频传输单元NRF905线等组成，传感器采用电源供电；接收机无线接收来自传感器的温度数据，经过处理、保存后在L

7、CD1602上显示，所存储的温度数据可以通过串行口连接射频装置与接收端 进行交换。系统原理框图如图2.1所示图2.1 详细系统结构第三章 硬件结构设计 上位机微处理器控制系统由单片机和无线收发芯片两部分组成, 单片机使用89C52, 无线收发芯片由nRF905 来完成。下位机测量点系统采用温湿度检测装置、单片机和无线收发芯片三部分组成, 3.1 单总线数字式温度传感器DS18B20 常用的温度检测元件主要有热电偶、热敏电阻、热电阻Ptl00等。热电偶式传感器体积较大H变化率小导致灵敏度比较低；热敏电感测量的稳定性和复现性差，且变化率非线性；热电阻Ptl00的缺点就是热响应比较慢，成本高。本系统

8、采用的DALLAR半导体公司的单总线数字式智能温度传感器DSl8820很好地改善了这些问题。DS18B20型单线智能温度传感器，属于新一代适配微处理器的智能温度传感器，可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。它具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。DSl8B20的测温范围从一55至+125。C，并通过简单的编程实现912位的数字值读数方式，可以分别在9375ms和750ms内完成温度值转换和读取。DSl8B20外形简单且体积小，它只有三只管脚，分别是电源引脚VCC、接地引脚GND和输入输出引脚DQ，仅通过单线接口DQ就可以完成与单片机的信息交流。43.2

9、单片机89C52本系统的温度采集与显示，无线的传输与对比均由单片机89C52来控制完成。相比较而言ATMEL 公司的89C52更实用，因他不但和80S51指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为 ATMEL AT89xx 做的编程器均带有这些功能。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了我们的劳动成果。23.3 低功耗射频传输单元NRF905芯片 NRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为1.93.6V，3

10、2引脚QFN封装(55mm)，工作于433/868/915MHz三个ISM(工业、科学和医学)频道，频道之间的转换时间小于650us。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表滤波器， ShockBurstTM工作模式，自动处理字头和CRC(循环冗余码校验)，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，工作于接收模式时的电流为12.5mA，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。NRF905片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器功率放大器等模块。3.4 LCD1602

11、液晶显示芯片经过无线传输后，温度数据信息将在1602液晶显示芯片上进行显示，LCD1602液晶显示芯片采用标准的14脚接口，其中VSS为地电源，VDD接5V正电源，V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。E端为使能端，当E端由高电平跳

12、变成低电平时，液晶模块执行命令。D0D7为8位双向数据线。 第四章 系统软件设计41上位机软件设计系统的软件系统的软件设计分为上位机VC+编程和下位机单片机汇编程序。上位机编程实现PC与单片机之串口串口通信以及各点温度值的友好界面显示。采用Visual c+中的MSComm控件完成串口通信，只需对串口进行简单地设置即可。应用程序要使用串口进行通信，必须在使用之前向系统提出资源申请要求，通信完毕后必须释放资源。主要步骤包括初始化串口、串口读写、发送数据、关闭串口。接收端单片机程序流程图如图4.1。6图4.1 接收端单片机程序流程图42 下位机软件设计发送端单片机完成温度采集和温度值发送功能，接收

13、端单片机完成温度值接收和串口通信功能。DSl8B20独特的单总线技术给硬件方面带了很大的方便，而较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，因此对DSl8B20进行操作时，必须严格的保证读写时序。为了顺利实现无线数据的发送和接收，必须通过SPI接口正确配置NRF905的配置寄存器。上电后首先将PWR、TXEN、TRXCE设置为配置模式，通过SPI接口配置把工作频率、输出功率、地址宽度、有效数据宽度等初始化信息写进配置寄存器。在进行SPI编程时可直接使用PICl6F877A自带的主控同步串行通信模块(MSSP)，使其工作在SPI模式。与RF协议相关的高速信号处理部分已经嵌入至NRF905内部，用户

14、在使用时只需编写应用层程序就可实现发送和接收功能。发送端单片机程序流程如图4.2 图4.2 发送端单片机程序流程第五章 系统工作原理及详细流程5.1 DS18B20工作详情首先，打开电源后，本系统由单片机89C52向单线数字温度传感器DS18B20芯片发出指令进行测温， DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20引脚图 5.1 DS18B20引脚DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。 DS18B20高速暂存器共9个存储单元，如表5.1所示： 序号

15、寄存器名称作 用序号寄存器名称作用0温度低字节以16位补码形式存放4、5保留字节1、21温度高字节6计数器余值2TH/用户字节1存放温度上限7计数器/3HL/用户字节2存放温度下限8CRC表5.1 DS18B20高速暂存器共9个存储单元光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。 DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例: 用16位符号扩展的二进制补码读数

16、形式提供，以0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位。12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。高8位 S S S S S 26 25 24 低8位 23 22 21 20 2-1 2-2 2-3 2-4 表5.2DS18B20温度传感器的存储器： DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM,后者存放高温度和低温度触

17、发器TH、TL和结构寄存器。 暂存存储器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第六、七、八个字节用于内部计算。第九个字节是冗余检验字节。低五位一直都是1 ，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0。R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：（DS18B20出厂时被设置为12位）分辨率设置表:R1 R0 分辨率 温度最大转换时间 0 0 9位 96.7

18、5ms 0 1 10位 187.5 ms 1 0 11位 375ms 1 1 12位 750ms 根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待1660微秒左右，后发出60240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。 在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是Vcc接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种

19、是用寄生电源供电，此时UDD、GND接地，I/O接单片机I/O。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5K左右的上拉电阻。 DS18B20有六条控制命令，如表5.3所示： 指 令 约定代码 操 作 说 明 温度转换 44H 启动DS18B20进行温度转换 读暂存器 BEH 读暂存器9个字节内容 写暂存器 4EH 将数据写入暂存器的TH、TL字节 复制暂存器 48H 把暂存器的TH、TL字节写到E2RAM中 重新调E2RAM B8H 把E2RAM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节 读电源供电方式 B4H 启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU 表5.3DS18B20有

20、六条控制命令单片机对DS18B20的访问流程是：先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器操作，数据操作。DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通讯协议，须经三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。 55.2 89C52工作详情数据被传输至单片机89C52，八位数据分两次传输，再由单片机编程为可以由数码管显示的四位数据，头一位为正负温度数据，后三位为带小数点的当前温度。数据也被送至低功

21、耗射频传输单元NRF905进行无线传输。 应注意一点，52单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和NRF905之间进行串口通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件，比如电脑的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，我们采用了专用芯片MAX232进行转换，虽然也可以用几个三极管进行模拟转换，但是还是用专用芯片更简单可靠。我们采用了三线制连接串口，也就是说和NRF905的9针串口只连接其中的3根线：第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的TXD。这是最简单的连接方法，但是对我们来说已经足够使用了， MAX232的第10脚和单片机的11脚连接，第9脚和单

22、片机的10脚连接，第15脚和单片机的20脚连接。35.3 NRF905工作详情nRF905有两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式分别是ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM发送模式，两种节能模式分别是关机模式和空闲模式。nRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP三个引脚决定。 与射频数据包有关的高速信号处理都在nRF905片内进行，数据速率由微控制器配置的SPI接口决定，数据在微控制器中低速处理，但在nRF905中高速发送，因此中间有很长时间的空闲，这很有利于节能。由于nRF905工作在ShockBurstTM模式，因此使用低速的微控制器也能得到很高

23、的射频数据发射速率。在ShockBurstTM接收模式下，当一个包含正确地址和数据包被接收到后，地址匹配(AM)和数据准备好(DR)两引脚通知微控制器。在ShockBurstTM发送模式，nRF905自动产生字头和CRC校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。由以上分析可知，nRF905的ShockBurstTM收发模式有利于节约存储器和微控制器资源，同时也减小了编写程序的时间。下面具体详细分析nRF905的发送流程和接收流程。典型的nRF905发送流程分以下几步： A. 当微控制器有数据要发送时，通过SPI接口，按时序把接收机的地址和要发送的数据送传给nRF905，

24、SPI接口的速率在通信协议和器件配置时确定； B. 微控制器置高TRX_CE和TX_EN，激发nRF905的ShockBurstTM发送模式； C. nRF905的ShockBurstTM发送： l 射频寄存器自动开启； 2 数据打包(加字头和CRC校验码)； 3 发送数据包； 4 当数据发送完成，数据准备好引脚被置高； D. AUTO_RETRAN被置高，nRF905不断重发，直到TRX_CE被置低； E. 当TRX_CE被置低，nRF905发送过程完成，自动进入空闲模式。 ShockBurstTM工作模式保证，一旦发送数据的过程开始，无论TRX_EN 和TX_EN引脚是高或低，发送过程都会

25、被处理完。只有在前一个数据包被发送完毕，nRF905才能接受下一个发送数据包。接收流程A. 当TRX_CE为高、TX_EN为低时，nRF905进入ShockBurstTM接收模式；B. 650us后，nRF905不断监测，等待接收数据；C. 当nRF905检测到同一频段的载波时，载波检测引脚被置高；D. 当接收到一个相匹配的地址，地址匹配引脚被置高；E. 当一个正确的数据包接收完毕，nRF905自动移去字头、地址和CRC校验位，然后把数据准备好引脚置高F. 微控制器把TRX_CE置低，nRF905进入空闲模式；G. 微控制器通过SPI口，以一定的速率把数据移到微控制器内；H. 当所有的数据接收

26、完毕，nRF905把数据准备好引脚和地址匹配引脚置低；I. nRF905此时可以进入ShockBurstTM接收模式、ShockBurstTM发送模式或关机模式。 当正在接收一个数据包时，TRX_CE或TX_EN引脚的状态发生改变，nRF905立即把其工作模式改变，数据包则丢失。当微处理器接到地址匹配引脚的信号之后，其就知道nRF905正在接收数据包，其可以决定是让nRF905继续接收该数据包还是进入另一个工作模式。节能模式nRF905的节能模式包括关机模式和节能模式。 在关机模式，nRF905的工作电流最小，一般为2.5uA。进入关机模式后，nRF905保持配置字中的内容，但不会接收或发送任

27、何数据。 空闲模式有利于减小工作电流，其从空闲模式到发送模式或接收模式的启动时间也比较短。在空闲模式下，nRF905内部的部分晶体振荡器处于工作状态。nRF905在空闲模式下的工作电流跟外部晶体振荡器的频率有关。器件配置所有配置字都是通过SPI接口送给nRF905。SIP接口的工作方式可通过SPI指令进行设置。当nRF905处于空闲模式或关机模式时，SPI接口可以保持在工作状态。SPI接口配置SPI接口由状态寄存器、射频配置寄存器、发送地址寄存器、发送数据寄存器和接收数据寄存器5个寄存器组成。状态寄存器包含数据准备好引脚状态信息和地址匹配引脚状态信息；射频配置寄存器包含收发器配置信息，如频率和

28、输出功能等；发送地址寄存器包含接收机的地址和数据的字节数；发送数据寄存器包含待发送的数据包的信息，如字节数等；接收数据寄存器包含要接收的数据的字节数等信息。射频配置射频寄存器的各位的长度是固定的。然而，在ShockBurstTM收发过程中，TX_PAYLOAD、RX_PAYLOAD、TX_ADDRESS和RX_ADDRESS 4个寄存器使用字节数由配置字决定。nRF905进入关机模式或空闲模式时，寄存器中的内容保持不变。nRF905通过SPI接口和微控制器进行数据传送，通过ShockBurstTM收发模式进行无线数据发送，收发可靠，使用方便。数据经过无线传输及接收后再被传输至接受端的89C52

29、单片机中，然后再由单片机将数据转化为可以由液晶显示板1602显示的数据。5.4 LCD1602工作详情1602采用标准的16脚接口，其中:第1脚：VSS为地电源第2脚：VDD接5V正电源第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对 比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和 RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电

30、平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。 第15脚：接+5V第16脚：接GND1602液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符。 最后通过液晶显示屏和数码管的温度数据对比，判断是否可以进行无线的温度传输数据是否正确。第六章 电路设计基于DS18B20的温度测量装置：温度传感器DS18B20将被测环境温度转化成带符号的数字信号（以十六位补码形式，占两个字节），输出脚I/O直接与单片

31、机的P1.1相连，R1为上拉电阻，传感器采用外部电源供电。89C52是整个装置的控制核心，89C52内带1K字节的FlashROM，用户程序存放在这里。显示器模块由四位一体的共阳数码管和4个9012组成。系统程序分传感器控制程序和显示器程序两部分，传感器控制程序是按照DS18B20的通信协议编制。系统的工作是在程序控制下，完成对传感器的读写和对温度的显示。具体的电路图如下：6.1串口电路温度值被发送到PTR8000接收模块之后，通过单片机与主机之间的串口通讯发送到远程主机上。由于单片机的串行通信采用的是TTL电平，而电脑标准串行接口的电平范围是-15V至+15V。所以采用MAX232芯片进行电平转换。其接口电路如图6.1所示。图6.1 串口电路6.2 显示模块图6.2 显示模块6.3 温度采集模块图6.3 温度采集模块第七章 分析 我在元器件的布局方面，把相互有关的元件放得比较近，例如：晶振、单片机的时钟输入端都易产生噪音，在放置元件时的时候把它们靠近些。对于那些易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路、开关电路等，我尽量使其远离单片机的