斷路器觸頭無(wú)線(xiàn)測溫系統的設計與分析

輸配電的電氣接點(diǎn)測溫有多重方法，比較傳統的方式有測溫臘片方式、紅外槍測溫，新興方法有光纖測溫、無(wú)線(xiàn)測溫、紅外成像測溫，傳統方式需要人為去不定期目測或者遙測，具有一定的不確定性，受人為因素影響大。新興的方法應用了現代電子、光電、射頻等技術(shù)，手段先進(jìn)、自動(dòng)化程度高、測量數據準確，可以實(shí)現遠程監控、報警設置、歷史記錄等功能。新興的測溫方法中目前應用比較多首推無(wú)線(xiàn)傳感器測溫。

本文針對無(wú)線(xiàn)傳感器測溫，分析了這種測溫方式的設計和實(shí)現方法。

一、總體方案設計

無(wú)線(xiàn)傳感器測溫系統主要包括以下幾個(gè)組成模塊：無(wú)線(xiàn)溫度采集傳感器(簡(jiǎn)稱(chēng)傳感器)，無(wú)線(xiàn)溫度接收儀(簡(jiǎn)稱(chēng)接收儀)，后臺主機(簡(jiǎn)稱(chēng)主機)。

圖1 總體拓撲結構

上述圖中無(wú)線(xiàn)溫度傳感器的功能主要實(shí)現溫度數據的采集、計算、發(fā)送;無(wú)線(xiàn)溫度數據接收儀主要實(shí)現溫度數據的接收和轉發(fā);后臺主機主要用于數據的展示、存儲以及轉發(fā);遠程監控是根據用戶(hù)需求配置的，主要便于遠程數據實(shí)時(shí)監控。

二、硬件設計

2.1無(wú)線(xiàn)溫度傳感器

無(wú)線(xiàn)溫度傳感器主要包含三部分：溫度傳感器、無(wú)線(xiàn)通訊模塊、主控芯片,它的功能框圖大致如下：

主控芯片對溫度傳感器進(jìn)行數據采集，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊把溫度數據發(fā)送出去。

2.1.1溫度傳感器

溫度傳感器的作用在于準確測量溫度、根據設置將溫度數據發(fā)送出去，現在溫度測量的方式很多，有模擬的也有數字的，在這里我覺(jué)得采用數字溫度傳感器相對比較可靠，TMP35是一個(gè)在各個(gè)領(lǐng)域中應用比較廣泛的溫度傳感器。

TMP35是美國AD公司出品的溫度傳感器，它具有工作電壓低，精度高，功耗低，測量范圍寬的特點(diǎn)。

TMP35溫度傳感器特性：

l 低工作電壓：+2.7 V至+5.5 V

l 直接以攝氏度校準(°C)

l 比例系數：10 mV/8°C(TMP37為20 mV/8°C)

l 精度：±2°C(整個(gè)溫度范圍內，典型值)

l 線(xiàn)性度：±0.5°C(典型值)

l 能穩定驅動(dòng)較大容性負載

l 額定溫度范圍：-40 °C至+125 °C，工作溫度最高可達+150 °C

l 靜態(tài)電流：小于50 µA

l 關(guān)斷電流：最大0.5 µA

TMP35是低電壓、精密攝氏溫度傳感器，提供與攝氏溫度成線(xiàn)性比例關(guān)系的電壓輸出。TMP35不需要執行任何外部校準，在+25°C時(shí)典型精度為±1°C，在−40°C至+125°C溫度范圍內典型精度為±2°C。TMP35的低輸出阻抗及其線(xiàn)性輸出和精密校準可簡(jiǎn)化與溫度控制電路和ADC的接口。器件可采用2.7 V至5.5 V的單電源供電。電源電流低于50 μA，自熱效應非常小，在靜止空氣中小于0.1°C。此外還可以利用關(guān)斷功能將電源電流降至0.5 μA以下。TMP35在 25°C時(shí)提供250 mV輸出，溫度測量范圍為10°C至125°C。TMP35/TMP36/TMP37提供低成本3引腳TO-92、8引腳SOIC_N和5引腳SOT-23表貼三種封裝。

TMP35溫度傳感器功能框圖

2.1.2無(wú)線(xiàn)通信模塊

CC1020是美國TI公司推出的一款高性能無(wú)線(xiàn)通訊芯片，也是目前物聯(lián)網(wǎng)應用比較流行的通訊方案之一。

CC1020采用微功率發(fā)射，最大發(fā)射功率10mW。采用ISM頻段,無(wú)需申請頻點(diǎn)。載頻頻率433MHz，也可提供868/915MHz載頻。高抗干擾能力和低誤碼率?；贔SK的調制方式，采用高效前向糾錯信道編碼技術(shù)，提高了數據抗突發(fā)干擾和隨機干擾的能力，在信道誤碼率為10-2時(shí)，可得到實(shí)際誤碼率10-5~10-6。傳輸距離遠。在視距情況下，天線(xiàn)高度>2米,可靠傳輸距離可達200m(BER=1200bps)。透明的數據傳輸。提供透明的數據接口，能適應任何標準或非標準的用戶(hù)協(xié)議。自動(dòng)過(guò)濾掉空中產(chǎn)生的假數據(所收即所發(fā))。多信道。 STR系列標準配置提供8個(gè)信道，如果用戶(hù)需要，可擴展到16/32/64信道。滿(mǎn)足用戶(hù)多種通信組合方式。 低功耗及休眠功能。 3.0V供電情況下，接收電流20mA，發(fā)射電流22mA，休眠電流3uA。高可靠性，體積小、重量輕。采用單片射頻集成電路及單片MCU，外圍電路少，可靠性高，故障率低。

2.1.3主控芯片

MEGA48是美國ATMEL公司AVR系列中的一顆低成本、低功耗單片機器，它是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執行時(shí)間， ATmega48 的數據吞吐率高達16 MIPS，從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。MEGA48在保證高性能的同時(shí)還是一款低功耗的芯片，最低功耗僅0.5uA。

MEGA48還具有一下特點(diǎn)：8K 字節的系統內可編程Flash，擦寫(xiě)壽命: 10,000 次;具有獨立鎖定位的可選Boot 代碼區，通過(guò)片上Boot 程序實(shí)現系統內編程;512 字節的EEPROM，擦寫(xiě)壽命: 100,000 次;1K字節的片內SRAM;可以對鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現用戶(hù)程序的加密;兩個(gè)具有獨立預分頻器8 位定時(shí)器/ 計數器, 其中之一有比較功能;一個(gè)具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時(shí)器/ 計數器;具有獨立振蕩器的實(shí)時(shí)計數器RTC; 三通道PWM;8 路10 位ADC。

2.2無(wú)線(xiàn)溫度接收儀

無(wú)線(xiàn)溫度數據接收儀主要包括一下幾部分：無(wú)線(xiàn)通信模塊、主控芯片、GPRS通信模塊，如圖4所示。

無(wú)線(xiàn)通信模塊負責接收無(wú)線(xiàn)傳感器的溫度數據，主控芯片將這些數據包裝后通過(guò)GPRS通信模塊發(fā)送給主站，無(wú)線(xiàn)通信模塊與無(wú)線(xiàn)溫度傳感器中采用的是相同模塊，故不再贅述。

2.2.1主控芯片

STM32F103V8T6使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內核，該內核是專(zhuān)門(mén)設計于滿(mǎn)足集高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應用、具有競爭性?xún)r(jià)格于一體的嵌入式領(lǐng)域的要求。Thumb-2®指令集帶來(lái)了更高的指令效率和更強的性能;通過(guò)緊耦合的嵌套矢量中斷控制器，對中斷事件的響應比以往更迅速;所有這些又都融入了業(yè)界領(lǐng)先的功耗水準。它的工作頻率為72MHz，內置高速存儲器(高達128K字節的閃存和20K字節的SRAM)，豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線(xiàn)的外設。所有型號的器件都包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標準和先進(jìn)的通信接口：多達2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART。 STM32F103V8T6可以工作于-40°C至+105°C的溫度范圍，供電電壓2.0V至3.6V，一系列的省電模式保證低功耗應用的要求。

2.2.2 GPRS通信模塊

MC52i是西門(mén)子公司提供的GPRS模塊，應用于筆記本、掌上電腦、微型電話(huà)及其他工業(yè)設備中。它的優(yōu)勢在于：永久在線(xiàn)連接、快速數據存儲和更快的數據下載速度;另外還具備快速GPRS 技術(shù)。MC52i GPRS模塊還具備以下技術(shù)特點(diǎn)：體積小、重量輕;GPRS多達10個(gè)通道類(lèi)別;支持數據、語(yǔ)音、短消息和傳真;支持AT 命令集控制;具備RTTE 認證、GCF認證;SMS:MT/MO/CB/PDU模式;內嵌TCP/IP協(xié)議棧;支持電壓范圍：3.3 至4.8V ;最低電流消耗：100 μA(掉電);最大電流消耗： 300 mA (通話(huà)，最高2.0 A);環(huán)境溫度: –20°C to +55°C 。

三、固件設計

固件設計是整個(gè)系統的靈魂，也是系統可靠性的關(guān)鍵環(huán)節，為了簡(jiǎn)化篇幅，這里僅對程序流程做一個(gè)簡(jiǎn)要的介紹。

3.1無(wú)線(xiàn)溫度傳感器

上圖左邊為主程序流程圖，右邊為中斷服務(wù)程序。

3.2無(wú)線(xiàn)溫度接收儀

上圖左邊為主程序流程圖，右邊為中斷服務(wù)程序。

四、可靠性設計

4.1屏蔽

無(wú)線(xiàn)傳感器及射頻收發(fā)模塊是弱電子產(chǎn)品，工作在強電磁、高電壓、大電流的環(huán)境里，可靠性是一個(gè)非常大的考驗，為了防止外界干擾，最有效的措施就是采用屏蔽材料將敏感電路保護起來(lái)，事實(shí)證明這是必須和有效的。

4.2接地

解決電磁干擾另一個(gè)有效措施就是如何布線(xiàn)和接地，PCB在設計中要考慮信號與地線(xiàn)的關(guān)系，同樣外部通訊電纜也需要考慮如何接地的問(wèn)題。

4.3電氣安全設計

應用于高壓電力方面的產(chǎn)品在設計中一定要考慮好如何安全地工作，這其中包括電氣安全距離、材料耐候性和阻燃性、安裝便捷及可靠性等等。

4.4器件選擇

由于使用環(huán)境比較惡劣，器件選擇是非常有講究的，所有元器件必須是工業(yè)級甚至更高級別的;重要電路必須增加保護器件。

五、后臺軟件設計

后臺是用戶(hù)直接可以接觸到產(chǎn)品，人機界面的友好性、功能操作的實(shí)用性、版面設計的美觀(guān)度都是一個(gè)良好后臺軟件必備的條件。

上圖為后臺軟件的溫度曲線(xiàn)界面，通過(guò)上圖可以觀(guān)察到指定時(shí)刻或時(shí)段內溫度變化情況。

六、結束語(yǔ)

斷路器觸頭等高壓電氣接頭測溫是一個(gè)必須而有挑戰性的需求，圍繞著(zhù)它產(chǎn)生了諸多解決方案，論文中所應用的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在其他領(lǐng)域也得到了廣泛采納，方興未艾的“物聯(lián)網(wǎng)”、“RFID”就是實(shí)例，電網(wǎng)要走向智能化，底層的電壓、電流、溫度等信號的采集是關(guān)鍵，無(wú)線(xiàn)高壓電氣接頭測溫就是底層信號采集的一個(gè)探索，希望能夠為智能電網(wǎng)的建設做出一些有益的嘗試。

參考文獻：

1.《機電之家》 作者：馬云峰

2.《基于CC1020的無(wú)線(xiàn)通信模塊設計》作者：文俊峰喬曉軍 張文愛(ài) 馮登超

3.《傳感器簡(jiǎn)明手冊及應用電路》作者：劉暢生 于建國 張昌民 宣宗強

4.《基于A(yíng)RM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器應用》作者：彭剛春志強

5.《AVR單片機嵌入式系統原理與應用實(shí)踐》作者：馬潮