高压电力设备手持式智能测温仪

张　妍，胡　彧

(太原理工大学测控技术研究所，山西太原　030024)

0　引言

高压电力设备作为电力系统的关键，其运行状态直接关乎着整个电力系统的安全与稳定[1]。设备发生故障，主要是由于设备运行时间过长或载流量过大，导致接头部位温度过高。如未及时发现并排除安全隐患，不仅会缩短设备使用寿命，而且会影响整个电力系统的正常运行，甚至造成重大损失。因此，加强对高压电力设备的温度巡查意义重大。

针对以上问题，文中设计了一种便携式智能测温仪。该仪器采用非接触式红外测温技术检测高压设备各接头部位温度，并通过条码识别技术对设备进行定位，同时利用实时时钟芯片记录系统实时时间。最后通过U盘读写技术将各采集数据以文本文件格式存储在U盘中并形成标准数据报表，便于查阅。该测温仪不仅减少了巡查人员工作量，提高了工作效率，而且有效地保证了测温过程的安全性与检测数据的可靠性。

1　系统构成及功能

该系统主要由红外测温模块、位置信息识别模块、U盘读写模块以及部分外围电路构成。系统结构图如图1所示。

图1　系统结构图

系统上电，触发实时时钟芯片DS1302将实时时间存储在自身RAM中，并由单片机控制数据向单片机的传送[2]。键盘模块以中断方式启动系统各功能模块的运行，主要包括设备位置信息的采集与识别、接头部位温度的检测以及对U盘数据的读写等。红外测温由红外温度传感器TS118-3完成，数据经放大等处理后传送至单片机进行A/D转换、存储、显示及报警。位置信息识别模块则以DSP为核心，通过图像处理技术识别出条码中的位置信息，并完成信息的传送与存储。U盘读写模块是将各测量结果以文本文件格式存储于U盘，并形成标准数据报表。在对检测结果进行显示时，若发现结果有误，则将结果删除并重新进行功能的选择与执行。

2　系统硬件电路设计

该测温仪采用MSP430F149作为主控制器。MSP430系列单片机采用1．8～3．6 V工作电压，超低功耗，可寻址范围达64K．可通过对系统时钟的设置，使其具有多种工作模式。同时，芯片内部集成了丰富的片上模块。极低的功耗、高效的处理性能及丰富的片上模块使该系列单片机成为该设计的最佳选择。

2．1红外测温模块

该模块主要完成设备温度的采集与数据处理。温度的采集由红外温度传感器完成，数据处理部分则主要通过单片机结合部分外围电路来实现对信号的放大、A/D转换以及对异常温度的报警。

系统采用红外温度传感器TS118-3进行温度的检测。该系列传感器是基于塞贝克效应研发而成，能够吸收红外能量并输出与温度成正比的电压信号。内部集成了环境温度传感器，使环境温度得到有效补偿。传感器的测温范围由处理电路决定，可在不同领域中使用，广泛应用于手持式测温设备中。温度采集电路的原理图如图2所示。

图2　温度采集原理图

由于温度是一个渐变量，故只需对各高压设备进行一次温度采集，这样不仅满足测量要求，也极大地降低了系统功耗。传感器采集触点温度与环境温度，输出的电压信号经放大器放大后传送至单片机的ADC12模块的模拟信号输入引脚P6．0、P6．1进行A/D转换及线性化处理等。同时，通过改变滑动变阻器阻值来实现不同的放大系数以满足单片机对处理信号的要求。最后将处理结果与设定阈值相比较，若超过阈值，则在P6．2引脚输出一定频率的方波进行超温报警。

2．2位置信息采集模块

该模块由DSP与单片机共同实现，并通过DSP的主机接口HPI进行通信，实现条码图像的采集、处理及信息识别。单片机作为该模块的逻辑控制器件，主要完成对图像传感器的初始化设置、DSP程序的上载以及图像的采集与存储等工作，同时也有效解决了DSP高速存储与图像传感器传输速度不匹配问题。条码图像的处理与信息识别则由DSP完成，并将结果送至单片机进行存储与显示。位置识别模块结构图如图3所示。

图3　设备定位模块结构图

该模块采用16位定点数字信号处理器TMS320VC5509A作为主控芯片，具有体积小、处理速度快、超低功耗等特点，运算速度可达200MIPS[3]。图像传感器是该模块的关键，其成像质量直接影响整个模块的性能。该设备采用图像传感器OV9120。130万像素，SXGA/VGA格式输出，最大帧速度可达30帧/s(VGA)[4]。与传统的CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器具有接口简单、灵敏度高、曝光时间短等诸多优点，并可直接输出灰度级数字信号。

2．3U盘读写模块

U盘读写模块是以USB总线接口控制芯片PB375A为核心，结合电源模块、UART通信模块及USB/SD接口等外围电路，完成对U盘的读写功能。U盘读写模块的结构框图如图4所示。

图4　U盘读写结构图

以PB375A为核心的U盘读写模块是一个简化的U盘读写方案，无需了解USB-HOST底层协议和FAT文件系统，采用简单的SPI、UART接口及若干指令便可完成文件的新建、打开/关闭、读写等功能。模块的工作电压为5 V，支持FAT12、FAT16和FAT32文件系统。相比51系列单片机与SL811/CH375构成的读写系统，该模块有着极高的性价比。U盘读写电路原理图如图5所示。

图5　U盘读写原理图

PB375A芯片内部集成了5 V/3．3 V与3．3 V/1．8 V的电源转换模块，故只需为该芯片提供5 V的工作电源即可实现高效的电源管理。USB接口符合USB1．1全速模式，将USBDP、USBDN直接与USB总线连接，即可实现USB HOST操作。将芯片的TX、RX引脚分别与单片机的P3．7、P3．6连接，可实现与单片机之间的异步串行通信。

3　系统软件设计

该系统软件部分的主体是在IAR的开发环境下，通过C语言编程实现。其中，以DSP为核心的图像处理与识别子程序是在CCS集成开发环境下，通过C语言编程实现。

3．1温度采集与报警设计

单片机控制传感器对设备进行温度的采集，通过按键产生的中断信号启动温度传感器工作，输出的电压信号经放大后送至单片机ADC12模块进行A/D转换。分别将ADC12MCTL0、1的INCH位设置为0000与0001，使P6．0与P6．1为模拟信号输入通道。同时，将CONSEQ位设为01，使其采用序列通道单次转换的方式进行A/D转换并将结果存储在相应的转换存储寄存器中。通过分析检测信号与实际温度的对应关系，编程实现对实际温度的换算。同时将结果与设定阈值相比较，若超过设定值，P6．2输出周期性脉冲信号，驱动蜂鸣器鸣叫报警[5]。表1为该仪器对某高压电力设备进行测温的部分数据，其中环境温度为29 ℃．

表1　温度检测数据　℃

由数据可以看出，该检测仪器的温度测量误差≤2，满足高压设备对测温精度的要求。

3．2条码采集与信息识别设计

该部分的软件设计主要包括单片机对图像传感器、DSP的HPI程序上载方式的初始化设置、条码图像的处理与识别。系统上电，单片机通过SCCB总线实现对OV9120相关参数的设置，同时通过DSP复位时的GPIO[3：0]各引脚状态选取BootLoader方式，完成以HPI方式上载程序[6]。按键按下触发中断，摄像头开始工作，同时单片机发出开始采集信号，根据OV9120的HREF、PCLK等同步信号的状态判定是否开始采集，采集的同时可将图像传送至SRAM存储。当DSP收到单片机的读取信号后，即开始读取数据，并完成图像处理等工作，最终将识别信息送至单片机进行存储与显示。QR Code条码处理与识别流程图如图6所示。

图6　条码采集流程图

3．3U盘读写设计

该部分的软件设计主要是将单片机中存储的时间、位置及温度信息以文本文件格式写入U盘，同时将写入结果进行LCD显示。PB375A与单片机之间采用串行通信，同时将USART1的控制寄存器的SYNC位设为0，使两者进行异步通信，确保两者具有相同的波特率。按键按下产生中断，单片机首先将命令码和参数信息发送给PB375 A，芯片根据信息执行完相应操作后，再以中断方式返回操作状态码给单片机。该模块的系统流程图如图7所示。

图7　U盘读写流程图

利用CMD＿FileCreat命令可新建文件，文件名应为8+3格式，且必须为大写字母或数字。CMD＿FileOpen命令可打开文件，CMD＿ByteWrite命令可向文件写入数据，CMD＿FileClose命令可关闭文件，关闭文件将自动更新文件长度。此外，只有关闭文件后才会默认有文件生成，才可对其进行接下来的操作[7]。

首次向U盘中写入数据时，要先新建并打开文件，再将数据写入文件中，最后将文件关闭。若向已有文件中追加数据，则要将文件指针移动到文件末尾后再写入数据。系统将写入U盘的文件读出并显示时，要首先打开该文件，再对数据进行读取并存入显示缓存。

为了能在屏幕上清晰阅读该文件，在写入数据时，应使用空格、回车、换行等字符，为最终形成标准的数据报表做准备。U盘中文件的存储内容及最终的标准数据报表分别如图8、图9所示。

图8　U盘存储文件

图9　标准数据报表

4　结束语

该方案以单片机和DSP为设计核心，创新性地将条形码识别技术与PB375A U盘读写技术应用到红外测温仪的设计中，实现了对被测设备的定位，并将温度采集的时间、设备的位置及温度信息以文本文件的格式进行存储，实现了红外测温仪的智能化，同时极大提高了高压电力设备巡检过程的高效性与可靠性，具有很好的实用价值与应用前景。

参考文献：

[1]钱祎．基于红外传感器的开关柜温度在线实时监测系统设计[学位论文]．南京：南京理工大学，2009．

[2]洪利，章扬，李世宝．MSP430单片机原理与应用实例．北京：北京航空航天大学出版社，2009．[3]汪春梅，孙洪波．TMS320C55xDSP原理及应用．北京：电子工业出版社，2011．

[4]马飞，马彦青，骆育，等．基于AVR单片机的智能信息记录仪设计．电子元器件应用，2010，12(4)：18-20．

[5]黄见，胡顺星，冯林，等．基于MSP430F149单片机的大气环境CO2探测仪的设计与实现．仪表技术与传感器，2013(7)：32-34．

[6]宋晓甲．基于嵌入式图像采集处理的QR码识别系统的研究：[学位论文]．天津：天津大学，2010．

[7]袁宝红，付奎，张德祥．基于FPGA和LabVIEW的USB数据采集与传输系统．仪表技术与传感器，2013 (9)：24-27．