朱貴遼+程漢湘+范垂豪+冼冀+劉康

摘 要：鑒于如今母線槽的廣泛應用，以及存在的一些監(jiān)控和投切問題，設計一種新型的針對母線槽的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)以單片機STC12C5A60S2和ADuc7026為控制核心，紅外溫度傳感器和電容式濕度傳感器監(jiān)測樓宇母線槽的溫濕度變化狀況，通過液晶顯示屏實時顯示。如果母線槽配電干線的溫濕度超限，則在不影響漏電開關原有保護功能上驅動其跳閘。系統(tǒng)對預防安全事故，保證母線槽配安全、可靠運行，具有重要意義。

關鍵詞：樓宇母線槽;溫濕度;監(jiān)控系統(tǒng);布線

中圖分類號：TP277 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-1302（2015）01-00-03

0 ?引 ?言

隨著現(xiàn)代化工程設施和裝備的涌現(xiàn)，各行各業(yè)的用電量迅增，尤其是眾多高樓建筑和大型廠房車間的出現(xiàn)，作為傳統(tǒng)的電纜很難滿足需求。新型配電裝置的母線槽以其采用的新技術，新工藝且節(jié)省空間而被廣泛應用。由于母線槽結構緊湊、銅排緊壓一起，對散熱和絕緣要求較高，若母線槽自身溫度升高到一定的極限就會加速絕緣老化，甚至破壞絕緣，以至發(fā)生安全事故。因此，母線槽溫濕度的實時監(jiān)控，對用電的安全、預防事故具有重要的意義。目前，對母線槽的駕控，僅是對母線槽的溫度和濕度進行檢測，而未能與控制器相結合。且多選用接觸式傳感器SHT10，當母線槽溫度較高時，嚴重影響溫度采集的精確性。針對此，設計了一套監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)結合了樓宇母線槽自身的特點，以及應用環(huán)境需求，選用了一款非接觸式的紅外傳感器作為溫度采集傳感器，采用電容式濕度傳感器對環(huán)境濕度進行檢測。根據(jù)采集到的溫濕度是否越限來控制漏電開關是否跳閘，在不影響原有漏電開關保護功能的前提下，又能避免在母線槽溫度或者濕度過高而引發(fā)安全事故。

1 ?系統(tǒng)功能設計

本系統(tǒng)通過溫度傳感器，實時檢測母線槽的溫度，通過電容式濕度傳感器實時的檢測母線槽的濕度。采集的信號傳送到控制器中，經(jīng)過信號處理，并顯示在液晶顯示器上，達到對樓宇母線槽的實時監(jiān)控。同時，根據(jù)設定的溫度和濕度，與采集到的溫度濕度相對比，看是否越限，來控制漏電開關是否跳閘，這樣，在不改變漏電開關原有的保護功能前提下，又增加了溫濕度的保護同能，避免的因為溫讀或者濕度的過高而引發(fā)的安全事故。圖1為樓宇母線槽的整體監(jiān)控圖，如圖系統(tǒng)在每個樓層的配電母線槽出線有4個溫度檢測點：分別監(jiān)測A，B，C三相的出線溫度，及每層的母線的干線進線處。在其安裝槽處，安裝一個電容式濕度傳感器，對安裝環(huán)境內的濕度進行監(jiān)測。在設計時，上位機控制樓宇總的漏電開關是否跳閘，下位機通過傳感器監(jiān)測到本樓層的溫度濕度來決定本樓層的漏電開關是否跳閘，且對漏電開關原有的保護功能不加影響。下位機采集到的溫濕度的模擬信號，經(jīng)過處理后，變成數(shù)字信號，通過RS-485總線傳送到上位機。

圖1 ?樓宇母線槽溫濕度檢控系統(tǒng)示意圖

2 ?系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)以單片機STC12C5A60S2和ADuc7026芯片作為控制器核心。STC12C5A60S2系列單片機是STC生產(chǎn)的單時鐘/及其周期（1T）的單片機，指令完全兼容傳統(tǒng)的8051，但是速度快8～12倍，并且由于其高速、低功耗、超強的抗干擾能力，在電磁環(huán)境較為復雜的情況下能有效工作，因此作為此系統(tǒng)的下位機。ADuc7026處理器是一款高精度的處理器，其端口多，且有兩路串行UART接口，其中一個UART1作為本系統(tǒng)和下位機通信，另一個UART2能滿足系統(tǒng)日后和計算機系統(tǒng)的通信，還能通過標準的I/O口加入其他功能，如鍵盤輸入設置。在本系統(tǒng)中ADuc7026處理器作為上位機使用。圖2為本系統(tǒng)的硬件結構示意圖。在系統(tǒng)中，下位機主要由溫度采集模塊、電容式濕度采集模塊、漏電開關控制模塊、通信模塊。下位機主要由液晶顯示模塊、通信模塊及樓宇總漏電開關驅動模塊組成。

3 ?下位機系統(tǒng)設計

下位機工作流程圖如圖3所示

圖3 ?下位機流程圖

下位機由STC12C5A60S2作為控制芯片，也是系統(tǒng)的核心。主要負責對溫度和濕度的采集，根據(jù)溫濕度是否越限來驅動本層的漏電開關跳閘，并且當上位機通過查詢的方式請求獲取本樓層的溫濕度以及開關狀態(tài)信息時，通過串口把數(shù)據(jù)傳輸給上位機。主要由溫度采集模塊、濕度采集模塊、漏電開關控制模塊和通信模塊組成。

3.1 ?溫度采集模塊

由圖2可知，溫度采集模塊主要由紅外溫度傳感器，運輸放大器和A/D轉換器構成?？紤]到傳感器應用的環(huán)境為強電場和強電磁干擾，由應用環(huán)境的限制，當干線溫度過高時，對于一些接觸式的傳感器測量的準確性影響比較大，光柵式傳感器價格較高，對于需要多點測量的系統(tǒng)提高了總體成本，因此在本系統(tǒng)中選用非接觸式的紅外傳感器TS118-3。當外界環(huán)境溫度一定的時候，對于紅外溫度傳感器TS118-3輸入的電壓值和被測目標的的溫度呈現(xiàn)出一定的線性關系。環(huán)境溫度則由TS118-3內部集成的熱敏電阻的阻值線性反應，因此在處理數(shù)據(jù)時，首先要測試出環(huán)境溫度大小，然后在此環(huán)境溫度下，線性化處理紅外測試到的溫度信號。使輸出的電壓值能較好轉換成相應的溫度。通過測量到的電壓值，可以逆推算出被測目標的溫度值。

由于傳感器輸出的是為微電壓信號，所以需要先經(jīng)過放大器把電壓信號進行放大，然后經(jīng)過A/D轉換，把模擬信號轉化成數(shù)字信號，供單片機處理。故在本系統(tǒng)中選用了高精度、低失調率AD8554作為放大器。因系統(tǒng)中需要對五路溫度信號進行測量，而TS118-3測量溫度時需要環(huán)境溫度作為參考，即每路溫度觸感器輸出兩個電壓信號，總共有十路模擬信號需要A/D轉換。因此在本系統(tǒng)中選用兩個帶有八通道輸入的A/D轉換芯片ADC0809。兩片ADC0809構成了一個十通道數(shù)模轉換器，在設計時，為了節(jié)省單片機的端口，減小系統(tǒng)的功率，兩片ADC0809的輸出端口可以共用一組STC12C5A60S2的I/O端口，在此選P0口作為數(shù)據(jù)接收端。兩片ADC0809的控制端口占用STC12C5A60S2的另一組I/O端口，這樣把數(shù)據(jù)端口和控制端口分開使用，即節(jié)省了端口數(shù)量，又易于控制。

在系統(tǒng)對溫度采集的處理順序為，先通過單片機的P1口發(fā)出地址給ADC0809地址選擇端口選通需要轉換的通道，然后單片機控制端子給ADC0809的ALE和START端子一個高電平信號鎖存地址，給 START端子一個短脈沖信號下降沿啟動轉換，單片機通過查詢ADC0809的EOC確定A/D轉換結束后，給 ADC0809的讀取使能端子OE一個高電平讀取轉換后的數(shù)據(jù)并進行存儲。轉換結束后的數(shù)據(jù)，通過輸出電壓的值和測量溫度的線性關系計算出當前的溫度大小。

其主要程序如下：

void ADC0809_read（void）

{int i;//設置采集的個數(shù)

for（i=0;i<=7;i++）//從低地址開始往高位地址循環(huán)選通變換通道

{_nop_（）;_nop_（）;

P1=0x00+i;//通過P1口地址選取，

EOC=1;

ALE=1;//地址鎖存并開始譯碼

START=1;

_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;

START=0;//下降沿譯碼開始

ALE=0;

wiatADCend（）; //判斷是否譯碼結束

P0=0xFF;//P0口和ADC0809的數(shù)據(jù)位連接

OE=1;//允許對ADC0809輸出A/D轉換后的數(shù)據(jù)

A0809cun[i]=P0}//數(shù)據(jù)存儲到A0809cun[]數(shù)組中

void ?wiatADCend（void）

{while（！EOC）;}

3.2 ?濕度采集模塊：

在本系統(tǒng)中，由電容式傳感器HS1101和555振蕩電路構成濕度采集模塊。HS1101是一款電容式相對濕度傳感器，可以把傳感器置于555振蕩電路中，將電容值的變化成與之成比的頻率信號，然后供單片機采集，只需要一個555振蕩電路作為調理電路，即可實現(xiàn)對濕度的采集。隨著濕度的不同，振蕩電路輸出的脈沖數(shù)也不同，通過計算脈沖數(shù)來判斷出濕度大小。脈沖通過STC12C5A60S2的P3.4端口即定時器T0輸入到單片機，再利用定時器T1準確定時，精確計數(shù)出脈沖個數(shù)。計數(shù)出的頻率的大小和其濕度大小成一定的線性關系，通過測量頻率的方式來精確的推算出濕度的的大小，這樣可以充分的利用單片機的定時器計數(shù)器功能，且精確度較高。

3.3 ?漏電開關控制模塊

在樓宇母線槽配往每層都有相應的漏電開關作為本層樓的開關控制，且在使用的漏電開關中，有自己的一個復位開關，復位開關按下去后，給漏電控制器一個短時的高電平，使開關動作跳閘關斷。這樣，可以利用漏電開關的特點來設計本監(jiān)控系統(tǒng)，即通過給復位端子一個高電平信號來控制開關的跳閘，既不用增加額外的開關，又不會對原有的安全系統(tǒng)造成影響。圖2中給出了由驅動電路和漏電開組成的漏電開關控制模塊，主要由三極管驅動電路、光觸發(fā)可控硅及漏電開關的復位電路構成。通過傳感器對溫度和濕度進行采集，當母線槽配線溫度或者濕度超限時，通過單片機STC12C5A60S2的I/O口發(fā)出高電平，驅動漏電開關跳閘，當母線槽干線溫濕度超限時通過ADuc7026的I/O口發(fā)出高電平，驅動漏電開關跳閘。同時，當每層的供電系統(tǒng)出現(xiàn)短路或者有漏電流時，這層的漏電開關同樣可以正常自動跳閘。在本系統(tǒng)中，選用9013和MOC3083光觸發(fā)可控硅組成驅動電路。在STC12C5A60S2單片機的上電后I/O口輸出是一高電平，即使在程序中上電后立即置位為低電平，也會有一個10 ms左右的高電平脈沖，這樣容易導致誤動作。因此，在的驅動漏電開關的I/O口加入下拉電阻，并且接入一47 mF的電解電容，在單片機STC12C5A60S2的驅動輸出的I/O設置為強推免模式，驅動電流可以達到20 mA，且接地阻值為3 kΩ，可以滿足驅動電壓的要求也不會出現(xiàn)誤動作。該驅動電路簡單，兼容性強，且可與漏電開關脫扣器搭配組成本系統(tǒng)的跳閘控制模塊。

3.4 ?通信模塊

由于在輸配電過程中有大量的電氣噪聲存在，系統(tǒng)選用RS 485串口通信，此串口通信方式成本低，抗工模干擾能力強，通信時只需要兩根信號線，易于在母線槽走線，因此在本系統(tǒng)中應用尤為合適。樓宇母線槽的配電系統(tǒng)，對溫度和濕度的監(jiān)控為多點監(jiān)控，此系統(tǒng)中通信采用主、從結構。在系統(tǒng)中單片機STC12C5A60S2作為從機，ADuc7026處理器作為主機。主機和從機，從機與從機之間采用并行連接的方式。通信模塊的硬件主要由通信模塊由光耦、RS 485接口芯片構成。對于現(xiàn)在樓層建筑樓層高傳輸距離長，檢測點多的特點，故通信接入點比較多，因此在選用RS 485接口時，選用能夠支持多個節(jié)點的芯片SP485R。

4 ?上位機管理系統(tǒng)

上位機由ADuc7026作為控制芯片，主要負責整理來自下位機的信息。包括顯示模塊和通信模塊兩部分，通信模塊通下位機的一樣，選用SP485R芯片，顯示模塊選用選用HS12864液晶顯示器作為系統(tǒng)的顯示器，由上位機控制顯示，把溫濕度信息和開關狀態(tài)顯示到HS12864上。

工作流程圖如圖4所示：

圖4 ?上位機管理流程圖

上位機ADuc7026與下位機STC12C5A60S2采用查詢的方式進行通信，通信方式采用傳統(tǒng)的485通信模式，波特率設置為9 600 ?b/s，單片機串口通信采用通信方式3，即每幀11位的異步通信模式，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位奇偶校驗位和1位停止位。圖4為ADuc7026的軟件流程圖，開始給控制器的各個參數(shù)進行設置，初始化完成后ADuc7026通過通信線發(fā)送信號，選擇要讀取數(shù)據(jù)的下位機，并隨即發(fā)送出讀取信息的請求。下位機 STC12C5A60S2從通信線上接受到串口中斷請求后，與本機地址比較，若本機地址與選中地址相同，就繼續(xù)接受發(fā)送信息請求，并且回復給ADuc7026以應答信息，隨即把相關的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至上位機ADuc7026，ADuc7026收到信息后驅動顯示器HS12864顯示當前樓層的溫濕度信息和開關狀態(tài)。如此，處理器ADuc7026作為上位機，循環(huán)的給下位機STC12C5A60S2發(fā)送讀取請求信息，使得上位機能實時的顯示出當前的溫度濕度以及開關狀態(tài)信息，以達到實時監(jiān)控的效果。

5 ?結 ?語

本文以樓宇母線槽溫為監(jiān)控對象，設計了一套溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。由單片機通過電容式濕度傳感器HS1101實時采集的濕度信號，通過紅外溫度傳感器TS118-3采集實時的溫度信號，經(jīng)過處理得出溫濕度數(shù)據(jù)，送至上位機顯示。系統(tǒng)通過借助原有系統(tǒng)的漏電開關，既滿足了對于樓宇母線槽干線的溫濕度監(jiān)控，當超限時跳閘的需求，又不影響的母線槽漏電開關原有的保護功能。方便可靠，成本比較低，實用性強，有較高的應用價值，另外根據(jù)需要，以后還可以增加功能，實現(xiàn)計算機聯(lián)網(wǎng)控制。

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