电力设备温湿度控制器的设计

2012-10-16汤学博刘嘉文贺慧勇

制造业自动化 2012年20期

李丽，汤学博，刘嘉文，贺慧勇

（1. 广东电网公司电力科学研究院，广州 510080；2.长沙理工大学，长沙 410114）

0 引言

许多电力设备都要求在特定的环境条件下运行，如电保护柜、仪表箱、计量柜、开关柜等、端子箱等设备。温度过低、温度过高、湿度过大（结露）都对电力设备的安全运行构成威胁。显然温度和湿度参数的测量和控制是急需解决的问题。所以,设计一种高效、准确、实时的温度、湿度测控装置，对设备内部及周围环境温湿度进行实时监测与控制，提高电力设备运行的安全性，降低故障率，延长设备使用寿命，以免设备过热、过湿而发生火灾、爬电等事故，使设备安全能够正常运行。当然，该装置还可以应用到其它领域，比如工厂、粮仓、档案室、医药库、弹药库、矿井、温室大棚内、室内等。

日常生活中，常见的温度测量工具有水银温度计，体温计等，这种测量设备的测量速度很慢，精度低。在温室大棚、仓库和烟叶烘烤等场合中，温湿度控制都有应用，其大都采用温度、湿度独立测量，分别采用传统温度传感器和湿度传感器来测量，然后通过AD转换为数字信号，再送单片机处理[1]。在实验室的温湿度测量中采用具有高精度、防干扰等优点的数字式传感器SHT11，不需要外部元件，可适配各种单片机。这为开发新一代的温湿度测控系统提供了有利条件，同时也有助于将温湿度测控技术提高到新的水平[6]。

1 电力设备温湿度控制器设计方案

温湿度控制是一种反馈控制，由温湿度传感器检测温湿度的值，进一步来控制现场的温湿度值，同时将检测到的现场的数值与目标设定值对照，最后会自动进行修正并控制各输出口的动作。对该温湿度控制器来说，系统控制对象是电力系统中的变电柜，端子箱内的温湿度，整个系统都是由温湿度控制箱进行自动调节，系统中多处放置有温湿度传感器，同时相应的执行元件是加热器，风机。这个系统完全符合了自动控制系统中系统需要有控制对象、执行器、调节器等部分的特点，因而该系统就是个自动控制系统。

电子式湿度传感器是一种新型的温湿度传感器。在产品出厂前，湿度传感器生产厂要对温湿度传感器用标准湿度发生器进行标定检测，电子式湿度传感器的准确度会提高，精度可以达到2%～3%RH。SHT11是基于CMOSens技术的新型智能温湿度传感器，该产品具有品质卓越、抗干扰能力强、响应迅速、性价比高等优点[4]。SHT11片内设有了温度传感部分、湿度传感部分、A/D转换器部分，它将温湿度传感器、信号放大调理、AD转换、二线串行接口全部集成于一个芯片内[3]，将CMOS芯片技术与传感器技术相结合。优点：单片式、超快响应、免调试、免标定、免外围复杂电路、全互换、数字式输出、抗干扰能力强和极高的性价比[2]。

针对开关柜、端子箱这些特定应用领域：柜体内一般无尘土、酸碱物，气体不流动。不宜经常打开接触，及将湿物放入其中，在本设计中我们采用电子式湿度传感器作为温湿度控制器。

本系统以PIC16F877A微控制器为核心，应用智能型温湿度传感器SHT11来检测现场温度和湿度[3]，SHT11数字温湿度传感器将温度、湿度值直接转换成为数字量后送入单片机中，再由单片机完成相对湿度的非线性补偿和温度补偿，输入数据经单片机按预定的算法进行数据处理，与设定的控制目标进行偏差运算，并将实际温度和相对湿度值送LED显示器显示[6]，最后根据温湿度上下限经I/O口输出实时控制信号，启动加热器加热或风机降温，从而实现对环境温湿度的测控。本设计的系统框图如图 1所示。

图1 系统框图

2 硬件电路原理设计

电力设备温湿度控制器硬件电路由温湿度检测电路、键盘电路、显示电路、控制输出电路、语音电路等组成。每一部分具体电路设计思路如下所述。

2.1 温湿度检测处理电路

本设计采用的是Sensirion温湿度传感器家族中的SHT11，其可以同时测量湿度、温度和露点,这过程不需要外围元件，就可直接输出结果值。而且经过标定了的相对湿度、温度及露点的数字信号可以有效地弥补传统的温、湿度传感器的不足[1]。SHT11温湿度传感器与单片机之间的连接电路图如图 2所示。

图2 温湿度检测处理电路

测量完成并实现通讯, 温湿度传感器 SHT11就会停止工作，从而自动进入休眠模式。同时湿度、温度数据由SHT11 送出，这些数据必须经过数据转换，才能将实际的湿度值和温度值表示出来, 具体计算公式如下:

式中: RHTure为经过温度补偿的相对湿度; TC为温度 ; C1、C2、C3、t1、t2与湿度分辨率有关 ;温度分辨率与d1、d2有关;从SHT11 中读出的湿度值可以用SORH表示;从SHT11 中读出的温度值可以由SOT表示，相关数据的关系见表1 、表 2 。

表1 温度校正系数

表2 湿度校正系数

2.2 键盘及显示电路

为了完成预定值设置强制加热功能，控制器中设置了4个按键，分别为SET键（预定值设置键）、SW（强制加热键）、UP（上调键）、DOWN（下调键），4个按键通过10K的电阻接到电源，上拉端接单片机RB口，设定键和强制加热键接带有电平中断I/O口，来触发单片机执行相应功能。上调和下调键则没有必要用电平中断，普通I/O就行。

显示电路采用MAX7219芯片驱动8位共阴极LED数码管工作。MAX7219 驱动芯片和微处理器之间的连接需要三根导线，其中每一的位数字显示都需要有一个地址，并由微处理器写入控制执行。允许使用者在显示电路设计过程中选择每位是BCD译码的方式或不译码不译码的方式进行。使用者在进行设计的时候还可选择各种模式的设置，如：数码管的数字亮度控制、停机、数码管显示器的测试和LED扫描位数等模式。

2.3 控制输出电路

当单片机检测到传感器测量的温湿度值与超出预定值的范围时就启动该部分电路工作，采用光耦隔离以提高系统抗干扰能力。电路原理如图3所示。

图3 输出控制电路

当单片机RE0端输出为0时，光电耦合器导通工作，继电器被吸合开始工作，加热器开始工作，加热过程开始。其中，当继电器断开，在继电器线圈上产生反向瞬时高压，从而将继电器损坏，D7主要用于保护继电器。加热回路中串接了6个大电流二极管，每三个一组，两组方向相反，一提供交流通路，当交流流过每组二极管是在其上产生压降，2V左右，这个电压供给断线报警回路的双向光耦工作，限制电流电阻R16，滤波电容C22，将1M的电阻并接在每个二极管两端，该电阻用来平均加在二极管两端的电压，二极管发热不均现象的现象将被消除。当加热回路断线时，二极管上没有电流流过，就不会产生压降，双向光耦PS2505不导通，ALARM_A端被置高，从而触发单片机报警。

2.4 语音电路

为了能达到更好的人机信息交流，系统增加了语音部分，该部分采用嵌入式中文语音合成芯片OSYNO 6188来实现语音播报温湿度值和报警功能。单片机的串行I/O口TXD和RXD分别OSYNO 6188的RXD和TXD口相连，将待合成的文本经过异步串行通讯单片机发给OSYNO 6188，扬声器由PWM输出直接驱动，也可通过1脚（VO）接功放管来驱动扬声器。XOUT、XIN两引脚必须接16MHz晶振。OSYNO 6188提供两组电源输入（VDD和CVDD），两组电源共用电源地（GND），CVDD要低于VDD电压，这里通过在CVDD跟VDD直接串接两个二极管来降压。为使系统可靠工作，在电源引脚两端必须加滤波电容。

3 软件设计

软件设计思想：用定时器TMR0产生系统时间基准，系统根据不同时间基准发布不同消息，主程序中根据不同消息选择执行不同功能子程序。

图4 整体设计主流程图

以MPLAB IDE V8.50为软件开发环境，开发语言以C语言为主，与汇编语言相结合。软件设计模块由主程序控制模块，相应程序初始化模块和相应的各功能模块组成。初始化程序包含：单片机特殊功能寄存器（包括I/O口方向，各中断），MAX7219，SHT11等初始化模块。功能子程序包括：中断处理程序，温湿度测量程序，显示程序，键处理程序，加热降温输出控制程序，语音程序。整体设计主流程图如图4所示。