论文总字数：19058字

目 录

1绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2国内外研究现状 1

1.3课题研究意义 2

1.4 论文结构 2

2 系统总体设计 2

2.1 总体结构与功能设计 2

2.2 温度测量方案设计 3

2.3 串口通信方案选择 4

2.3.1 485多机通信原理 4

2.3.2 485通信RTU通讯协议 4

3 硬件电路 5

3.1 系统硬件结构图 5

3.2 主控单片机系统 6

3.2.1 电源电路 7

3.2.2 复位电路 7

3.2.3 晶振电路 8

3.3 测温模块 8

3.4 显示电路模块 9

3.5 AD模数转换模块 10

3.6 继电器控制模块 12

3.7 存储模块 13

4 软件部分 14

4.1 系统主程序的设计 14

4.1.1 开发调试环境 14

4.1.2 软件主程序的设计 15

4.2 温度采集判断模块设计 16

4.3 数码管显示模块 17

4.4 按键监测程序设计 18

5 系统仿真与测试 19

5.1 系统仿真 19

5.2 系统测试 21

6 总结与展望 23

6.1总结 23

6.2 展望 24

参考文献 24

致谢 26

基于单片机的干式变压器智能温度控制器的设计与实现

李雪晴

,China

Abstract: In the dry-type transformer, the temperature as an important parameter affects the safety and stability of the transformer operation, so the system has completed the design of the dry-type transformer intelligent temperature controller, and built a set of temperature measurement, display, alarm, fault handling In one of the thermostat system. The system uses PT100 temperature sensor to measure dry-type transformer winding temperature sampling, with the microcontroller STC89C52RC, through the relay control fan start and stop for emergency cooling, and real-time dynamic display three-phase winding temperature, over-temperature alarm, ultra-high temperature trip function, After the circuit was simulated and tested, all functions were normal and the circuit was soldered. Finally, a complete dry-type transformer intelligent temperature controller system based on single-chip microcomputer was realized.

Key words: Dry type transformer; Temperature control; MCU; Pt100 temperature sensor

1绪论

1.1 课题研究背景

变压器是一种利用电磁感应原理来改变交流电压的设备。根据冷却方式的不同，变压器分为干式变压器和油浸式变压器。随着中国电力系统的发展，干式变压器得到迅速发展并逐步取代油浸式变压器。干式变压器是一种不接触铁芯和绕组绝缘油的变压器。干式变压器主要依靠空气对流进行自然冷却或增加风机冷却，因此其防火性能比较好，不易发生火灾管理等灾害。但是，由于不断扩大的应用领域，我们对干式变压器运行状态的标准也越来越高，对一些集中监控和管理技术也提出了越来越高的要求。

干式变压器的安全性及寿命长短在相当一定程度上取决于变压器绕组绝缘是否安全可靠，绕组温度超过绝缘材料的耐热极限而使绝缘材料破坏是导致变压器不能正常工作的主要原因之一^[1]。由于大容量变压器温度异常升高导致发生越来越多的故障，对变压器绕组温度场的研究变得越来越重要。因此，对变压器的工作温度进行实时监控以及安装一定的报警控制装置是非常重要的。一旦出现异常情况，可及时采取冷却措施，必要时进行变压器跳闸等操作。温度控制系统的正常运行直接影响变压器运行的安全性和稳定性。

1.2国内外研究现状

传统的干式变压器温控系统主要有4种形式，盘式温度表、毛细管式温控器、PTC（正温度系数）热敏电阻温控装置和Pt铂电阻测温装置^[2]。后来，随着Pt铂电阻温度控制系统的改进，逐渐淘汰了前三种温控系统。如今，干式变压器的温度控制系统一般都采用性价比较高的Pt-100铂热电阻进行采样，以适应各种不同的采样要求。

刚开始，温度控制系统和外部监控系统的通信方式采用RS232接口，但是RS232接口只能实现点对点通信，没有网络功能，最大传输距离只有几十米，无法进行远距离通信，所以后来逐渐采用RS485接口进行通信。

随着技术的不断改进和发展，许多企业已经开发出各种干式变压器温度控制仪表。这些温度控制系统大多具有以下功能：跟踪三相绕组的温度显示或相绕组的最高温度显示；上次超温断电时的温度显示；自动或手动实现冷却风扇的启动和停止；超温报警、超高温跳闸和数据传输。目前，变压器种类越来越多，使用地点越来越城市集中式化，环境越来越复杂，传统的温控器布局也相当困难。

单片系统是当今世纪的一项高新科技产品。它主要就是在芯片上集成一个系统或多个子系统，一般集成度最高可达10⁸~10⁹片元件，这必将是集成电路产业的进步，同时也会给该产业的应用带来划时代的进步。国际上一些著名的IC厂商也开始着手开发基于单片机的测温系统。

1.3课题研究意义

由于大容量变压器温度异常升高导致发生越来越多的故障，因此对变压器绕组温度场的研究变得越来越重要^[3]。本文设计了一种基于单片机的干式变压器智能温控系统。在实现普通干式变压器温度控制器功能的基础上增加对变压器的运行温度的实时远程监测管理，及时对故障进行相应的处理，增加可靠性； 增加记录功能和多机远程通信，帮助工程人员准确找出线路系统问题所在，管理人员可远程集中管理温度控制器，从而可以减少工作量。该系统从干式变压器实际需要出发，以超温保护为核心，具有温度监测、温度显示、超温保护、远程监控等功能。本次设计选用STC89C52单片机作为驱动芯片，采用PT00温度传感器为测温电路提供测量温度，通过LED数码管显示各相位及其温度，并通过判断温度界限，使用风扇进行散热降温，这样既达到超温保护的目的，又起到远程监控的作用。

1.4 论文结构

全文共分为六章，第一章为绪论部分，主要介绍了干式变压器智能温控系统研究的背景，分析了干式变压器温控系统的研究发展现状， 并简要阐述了本文研究的意义，以及该系统的优点。第二章主要介绍该干式变压器智能温控系统的原理、结构及总体方案介绍。第三章介绍该系统的硬件部分，阐明各个模块原理和功能。第四章介绍了系统的软件设计部分，主要阐述了软件开发环境和程序。 第五章是对基于单片机干式变压器智能温控系统进行整体功能测试，完成整个系统的连接，并对结果进行说明。第六章是论文的总结和展望，并指出不足之处，明确后期研究方向。

2 系统总体设计

2.1 总体结构与功能设计

本系统主要包括单片机模块、PT100温度测量模块、A/D模数转换模块、数码管显示模块、继电器报警模块、存储模块和485通信模块，总体设计框图如图2.1所示。在温度监测系统中，埋入干式变压器三相绕组中的三个热敏电阻（PT100）会产生与绕组所感应到的温度值相对应的电阻信号值，然后经过滤波放大和A/D模数转换一系列过程后，传输到单片机中，单片机参照外界参数设置对输入数据进行计算和处理，之后由数码管显示模块显示测量绕组的温度，并输出与温度相对应的控制信号。同时，通过485通信模块，可以实现多台从机的集中管理和变压器状态的数据传输。

总体来讲，基于单片机的干式变压器智能温度控制系统主要是通过PT100温度传感器将温度变化转化为电阻变化，然后将其转换为电压变化。在放大电路和模数转换电路对电压变化进行处理后，将数据被传送到单片机，并在显示器上巡回显示三相温度，最后将数据存储在ROM模块中。

图2.1 系统总体框图

2.2 温度测量方案设计

本系统采用PT100温度传感器作为测量温度的工具。PT100是正温度系数的热敏电阻，随着温度的升高，电阻的阻值逐渐增大，且在零度时其阻值为100Ω。PT100测温范围较广，且线性度非常好，温度每升高1℃，其电阻升高的值基本一致，约0.38-0.39Ω对应1℃^[4]。

PT100温度采集电路是由三个已知电阻和一个热敏电阻组成的惠斯通电桥，该测量方式精度很高，其电路形式如图2.2所示。

图2.2 惠斯通电桥电路

对该电桥的计算如下：设流过、的电流为，流过、的电流为，供电电压为。由欧姆定律计算得各电阻两端的电压值。、将电压分压，电阻两端得到的电压为；、将电压分压，电阻两端得到的电压即为。 下面为用欧姆定律计算和的过程：

流过电阻和的电流由公式（2-1）计算得出:

（2-1）

两端的电压值由公式（2-2）计算得出：

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