谭佳唯，张线媚，刘丹丹，韩旭科，王泽俭

（西安思源学院，陕西 西安 710038）

0 引 言

随着国家经济建设和电力工业的快速发展，干式电力变压器也将受到广泛应用，由于干式变压器系统在运行过程中需要进行冷却，因此实际工作环境温度必须及时观察并控制，一旦过热将会造成变压器系统绕组绝缘破裂甚至毁坏。干式变压器就是指铁芯和绕组不浸渍在绝缘油中的变压器，在运行过程中很容易造成高温环境，如果变压器长时间在温度很高的情况下运行，会缩短内部绝缘纸板的寿命。但因具备难燃、安全可靠、维修简单、容积小等优点，己在都市的高楼大厦和发电厂等公共场所获得普遍的使用。随着城市建筑规模的增加，为提高城市供电送的到、供得到、用得上，级终端将作为城市供电的关键点。而相对传统干式变压器设备来说，其运行与延寿，在较大程度上依赖变压器绕组绝缘的可靠性，绕组高温高于绝缘负荷工作温度而使绝缘损坏，是造成变压器系统设备无法使用的原因之一，而运行过程中造成的高温环境是对其寿命影响的最主要因素，因此必须进行冷却。制冷模式包括自动室内空气制冷（AN）和强制室内空气制冷（AF）。当自动空冷时，变压器能在一定容积下长期时间并持续工作。强迫风冷时，变压器设备的总容量可增加百分之五十。所以，对干式变压器的工作环境温度的监视和管理是非常关键的，而实时进行工作环境温度监视和管理则是对其正常工作和延长寿命的主要保证。

1 总体方案设计

本次设计主要是对干式变压器工作环境的温度进行检测，对实时检测到的温度进行显示，并且将检测到的温度值与安全运行的正常温度范围进行比对。如若实时温度在不低于而且也不高于正常工作温度，没有超标，则将温度信号输送给单片机，由单片机处理后送到显示器，做出正常的温度显示；如若实时检测温度比正常工作温度的下限值低，或者比上限值高，则判定温度超标，温度信号送入单片机进行处理后，由显示器进行显示、报警蜂鸣器发出声响、状态指示灯显示超标、语音发出报警声响，同时，风机启动进行冷却，最终将温度控制在合适的工作范围内。如果干式变压器转子快速转动过程中造成温度快速上升，并且超过了设定的超高温报警值，此时直接继电器吸合，将跳闸信号输送给变压器，做紧急停机处理。具体的温度控制系统设计方案见图1。

图1 控制系统框图

2 主要器件介绍

2.1 主控芯片

该控制系统使用STC89C52 型号单片机主控，其内存中含有8KB 的ROM 存储空间，512 字节的数据存储空间，并含有2K 字节的EEPROM 存储空间，具有抑郁集成、兼容性好、功能强等优良性能，尤其是整体占空间小、自重比较轻、电能消耗少、可靠性高、抗干扰能力强且使用方便等独特优点，再有就是STC89C52 也能够使用串行接口下载，扩展比较简单，因此符合本设计系统要求。

2.2 温度传感器

在单片机的应用系统中，温度传感器型号较多，而且使用场合出现频率高，在以往的应用经验中，DS18B20 型号温度传感器因为其优良性能，得到了很多设计者青睐。该型号传感器具备微小化、低功率、效率高、抗干扰工作能力好、可配置微处理器的优势，且自带A/D 转换，无需外接模数转换芯片占据了很大的应用市场。

它具有三引脚TO-92 小体积封装形式，温度测量范围－55 ℃～＋ 125 ℃，可编程为9 ～12 位A/D 转换精度，测温分辨率可达0.062 5 ℃，被测温度用符号扩展的16 位数字量方式串行输出，DS18B20 实现精确的温度切换，I/O 线需要确保在温度切换时间供给充足的电能，因为每个DS18B20 的温度切换时间的电流达到1mA，如果多个温度传感器挂在同一条I/O 线路上实现多点测温时，仅靠10 kΩ上拉电阻就不能供给充足的电能，会导致无法切换温度或温度偏差较大。DS18B20 可通过以下两种方式供电系统，一是使用电源供电方式，此时将DS18B20 的1 引脚接地，2 引脚用作信号线，3引脚接电源。另一个则是寄生电源供电方法，为了确保在合理的DS18B20 时钟阶段内提供适当的电流，就可使用一个三极管来实现对总线的上拉。

本设计使用了电源供电方法，P2.2 口接单线总线为确保在合理的DS18B20 时钟工作循环内供给的充足电流，采用了1 个上拉电阻和STC89C52 的P2.2 来实现了对总线的上拉。在DS18B20 处于写存储器操作和温度A/D 的切换状态运行时，在总线上需要有很强的上拉，而上拉启动时间最大为10 μs。使用的寄生电源供电工作方式，是在VDD 与GND 端均连接地。但因为单线制只能一条线，所以发射与接收口都应该是三状态的。主机控制DS18B20 为了完成温度变化，必须进行以下三种步骤：（1）初始化；（2）ROM 动作指令（3）存储器操作命令。

2.3 语音播报芯片

此温度控制器中设计有语音播报功能，当出现故障时，语音自动播报故障提示音。而且当控制器检测到干式变压器工作温度过高的时候，除了蜂鸣器警报和液晶显示外，语音模块会自动播报温度过高，提示工作人员注意采取措施。设计中采用的语音芯片是WT588D 型号。该语音芯片可以让设计者多次擦除和烧写控制程序，能使用的场合比较丰富，而且呈现出来的性能比较稳定，相比于其他语音芯片具有很好的优势。此芯片自动处置闪存，数据传输口居多，使用起来相对容易，价格比较人性化，控制模式可以使用上位机随意更换，只需将信息下载即可。

2.4 LCD1602 液晶显示器

本次设计的显示电路选择LCD1602 液晶显示屏来进行相关内容的显示，它是一款很成熟、使用率极高的液晶显示器，一次可显示两行32 个字符，可满足本次设计的需求。

3 软硬件电路设计

3.1 控制器硬件电路设计

通过上述主控芯片和核心检测传感器的选型，控制器硬件主电路中采用STC89C52 芯片，配合复位电路、电源电路和晶振电路构成了最小系统。使用DS18B20 型号的温度传感器配合上拉电阻来进行实时温度信号的检测，并送入单片机进行处理。显示器件使用LCD1602 型号液晶显示器，将系统时间、当前温度、正常工作温度上下限的具体值进行显示。报警电路主要有蜂鸣器和状态指示灯，当系统出现故障或者工作温度超标的时候，均发出警报并点亮指示灯，同时语音播报相关内容，提示工作人员注意采取措施。同时，当工作温度超标的时候，控制器会自动驱动风机进行散热冷却，将干式变压器工作温度以最快的速度降低到合适值，确保其工作效率。此外，为了使得此控制器使用在较多场合，控制系统中使用独立按键，设计了按键操作，利用简单的按键操作可以对报警温度进行上限和下限的设定，整体的硬件电路如图2所示。

图2 硬件电路图

3.2 软件程序设计

硬件电路的正常运行必须靠软件程序进行驱动，因此在Keil 软件上应用C 语言进行了主程序编写。主程序的功能是负责温度的实时显示、读出，并对DS18B20 的测量的当前温度值进行处理，温度测量一般每1 s 完成一次。如此就能够在一秒之内检查一次被测温度，与设定的报警温度比较主要是透过调用读温度子程序将存入内储存中的整数部分和小数部分分别储存到不同的两个单位中，最后再通过调用显示子程序表示出来。该软件主程序共调用了三个子程序，依次为LCD1602 液晶显示程序、温度信号处理程序、按键设定的报警温度程序。温度信号处理程序：对温度控制芯片送过来的数据信息加以处理，并对温度进行判断和显示。当温度超过正常温度时，指示灯亮，风机进行运转，同时报警器进行语音报警；LCD1602 液晶显示程序：向LCD1602 液晶的显示传送信号，控制系统的显示部分。按键设定程序：能够对低温和高温报警的设定精准至0.1 摄氏度。也可设置温度的上下限。当“设置”按键按下时进入到报警值的设置界面，然后判断“加”按键是否按下，如果是，则报警值加1，循环检测“加”按键有没有被按下；如若没有被按下，则检测“减”按键有没有被按下，如果确实被按下，则报警阈值降低1 个，接着再来判定“减”按键有没有被按下；如果没有被按下，则检测“设置”按键有没有接着被按下，如果确定是再次被按下，则退出该报警值的范围设定环节，如果没有再次按下，则继续检测有无按键按下，如此不断执行，直到结束。主程序具体流程如图3所示。

图3 主程序具体流程

4 系统测试与分析

在软硬件电路设计完成后，使用Proteus 软件对温度控制系统进行了仿真和调试，调试无误后焊接制作了实物系统。并对实物系统进行了上电测试。具体测试情况如下：

（1）测试一：正常温度。首先设定室内温度的上限、下限范围，然后再把温度控制器拿进室内，然后检测室内温度，并设置控制器的最小温度和最大温度。当室内温度在正常温度范围内，报警指示灯呈熄灭状态，蜂鸣器没有响动，风机不转动，语音播报检测到的实时温度，其调试如图4所示。

图4 正常温度测试

（2）测试二：温度超标。在超过正常温度时，继电器吸合，报警指示灯点亮，降温风机迅速转动，同时语音播报，提示温度过高，如图5所示。

图5 超出正常温度测试

5 结 论

经过上述实物测试，该温度控制系统具备对干式变压器温度测试的基本功外，能够迅速检测实时温度并做出判断，具有语音播报和实时显示功能。在高温时起动风机采用强制的风冷降温和超过温度极限时的跳闸保护等功能。以此增长其寿命，从而保证了输、变电系统工作时的安全性和稳定性。通过不同情况的测试实验，该控制器能够表现出良好的测试结果，并且系统稳定，没有出现故障，且降温效果明显，能够确保干式变压器工作在正常温度范围，具有很好的推广意义。对变压器系统的工作温度加以监测是干式变压器安全管理工作所需要的重要内容，也就规定了干式变压器必须具有工作温度显示和控制需求。