智能母线温湿度监控系统设计

刘康++林春景++熊宇

摘要：母线槽的温湿度变化对母线及电气设备的安全运行有着重要影响。设计了基于TS118-3红外温度传感器和HS1101湿度传感器的智能监控系统。下位机将采集的温湿度信息经单片机处理后传输到上位机管理系统，进行实时数据显示，并判断是否跳闸，便于远程操作管理，对于预防安全事故，保证母线的安全、可靠运行具有重要意义。

关键词：温湿度；母线；智能监控系统

中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）11（a）-0000-00

The Design of Intelligent Monitoring System for Temperature and Humidity of Bus

Liu Kang1 Lin Chunjing1 Xiong Yu1

（1.Guangdong Baiyun University，Guangzhou 510450）

Abstract： The change of temperature and humidity of bus have an important

impact on the safe operation of the bus and electrical equipment. The intelligent

monitoring system for temperature and humidity of bus was designed based on TS118-3

model of temperature sensor and HS1101 model of humidity senor. The slave computer

transforms the treated results of temperature and humidity to the host computer，

which can display the results in real time and determine whether it is trip. The

system is very convenient for remote management， and it has great importance in the

prevention of safety accidents and ensuring safe and reliable operation of bus.

Key words： Temperature and Humidity； Bus； Intelligent Monitoring System

随着现代化工程设施和装备的涌现，各行各业的用电量迅增，尤其是众多的高层楼宇和大型厂房车间的出现，使得作为输电导线的传统电缆在大电流输送系统中已不能满足要求，与此同时，多路电缆的并联使用给现场安装施工连接带来了诸多不便。母线槽作为一种新型配电导线应运而生，并在大电流输送时具有非常大的优越性。但是由于母线槽结构紧凑，铜排紧压在一起，對散热和绝缘性能有较高的要求[1]。若温度过高，则会加速母线槽外层绝缘老化，甚至可能引发火灾。若湿度过高，或者是处于长期潮湿的环境下，母线槽的绝缘性能会下降，造成安全隐患。因此，对母线槽的温湿度进行实时监测，对于母线槽及电气设备的安全运行具有重要意义。

1 系统总体设计

本文所设计的系统大体可分为两个部分，分别是上位机部分和下位机部分，其中上位机为ADUC7026管理系统，下位机为温湿度采集模块和通讯模块。系统整体设计如图1所示。

系统以STC12C5A60S2单片机为核心进行控制，对由TS118-3温度传感器和HS1101湿度传感器所采集的信号进行计算和处理，若温湿度超过预设阙值，则发出跳闸信号。处理过的数据和信号经由RS485传送给上位机ADUC7026，并进行实时数据显示，若接到跳闸信号则跳闸指示灯亮，以此实现温湿度的远程监控。

2 温湿度采集模块设计

由于母线槽处于高电压、大电流的环境下，故会受到较强的电磁干扰，因此，选择合适的传感器是保证数据采集结果可靠的重要环节。

2.1 温度传感器

若采用光纤测量，现场为全光测量，不受强电场和强磁场的干扰，能准确地测量高压触点的运行温湿度。但是，光纤不仅价格成本较高，且用于隔离高压的光纤表面可能受到污染，导致光纤表面放电，大大降低了其可靠性。

基于可靠性和成本等因素，系统采用的是TS118-3红外温度传感器。近年来，红外测温技术被越来越多企业和厂家所接受，它具有不需要接触被测物体，不会扰乱被测物体的温度场的优点，测温速度快、范围广并且具有较高的准确度，测量距离可近可远，最近能达到几厘米，甚至更小，最远能达到几百公里，此外还可以测量相当高的温度，低温也可测 左右，这些优点使得红外温度传感技术得到了广泛的应用，使其在测温领域有着不可替代的优势[2]，而此次方案中选择的TS118-3是一种热电堆红外传感器，它以非接触的方式检测外部空间温度发出的红外线能量，并将其转换成电压信号进行输出，除此之外，它还具有较小的热惯性和较高的灵敏度，可以为设计节省空间，因此非常适用于该系统。

TS118-3传感器的工作原理是[3]：被测对象产生红外辐射，辐射通量密度是物体温度的函数，且成一定比例，温度越高，则被测对象发出红外辐射的能量越强。TS118-3红外温度传感器被汇聚的红外光照射后，经由热电堆产生电压信号，信号传到放大电路进行放大，最后交由无线射频微控制器进行数据处理并无线发送出去。

其中该检测模块的运放电路采用的是AD8554，鉴于其是四运放放大器，具有轨-轨的输入和输出，且输入失调电压极低，对偏置电流的要求也很低，具有很快的过载恢复能力，故在温度测量等电路中具有广泛应用。

2.2 湿度传感器

选择湿度传感器时同样要考虑系统的可靠性及成本，综合这些因素，系统采用的是以HS1101湿敏芯片的传感器作为测量的器件，这是一款电容式相对湿度传感器，具有高可靠性和长时间稳定性的优点，且反应时间迅速，可将所得到的数据经过NE555振荡电路处理后，通过ADC0809数模转换器接入到单片机中，由单片机对数据进行存储并处理。

其示意图如图2所示：

NE555控制器具有高稳度的特点，可以产生精确的定时脉冲，其输出驱动电流可达200mA[4]。在单稳态工作方式时，延时时间由一个外接电阻和一个外接电容确定；在多谐振荡器工作方式时，输出的脉冲占空比由两个外接电阻和一个外接电容确定。

HS1101与NE555测湿电路原理图如图3所示：

系统湿度测量的原理是：当外界湿度变化时，HS1101两端的电容值也相应的发生变化，从而改变该定时电路的输出频率，因此，只要测出NE555的输出频率，根据湿度与输出频率之间的关系，就可以求出当时环境的湿度。

测湿电路的输出与ADC0809的IN2通道相连，ADC0809的转换时钟则由51单片机的ALE提供，ADC0809的典型转换频率是640kHz，ALE信号频率则与晶振频率有关，所以ADC0809的时钟端与单片机相连时，要考虑分频，该设计里使用的是14024二分频芯片。

温湿度传感器启动以后，接收来自单片机发出的指令进行温、湿度信息的采集，采集完毕后，单片机再从传感器中读取数据，进行分析处理，并通过通讯模块传送给上位机系统。

3 通讯模块设计

由于系统要实现多点且远距离通讯，且要求有较高的抗干扰能力，故采用RS485通讯， RS485接口常采用平衡发送和差分接收方式来实现通信，且两条传输线通常使用双绞线，故具有较强的抗共模干扰能力。

RS485通讯方式较好的解决了RS232通讯时经常因外界的电气干扰而导致信号传输错误的问题，具有传输距离长、速度快、使用灵活方便、电平兼容性好、成本低和可靠性高等优点，在智能管理、远程控制和中小型数据采集系统中有着广泛的应用[5]。

具有RS-485接口的用户设备可以采用自己制定的简单通讯协议，也可以使用RS-485广泛使用的ModBus协议。ModBus协议具有AscII和RTU两种模式。本文所采用的是RTU模式，消息发送至少要以3.5个字符时间的停顿间隔开始。一典型的消息帧如表1所示：

整个消息帧必须作为一连续的流传输，如果在帧完成之前有超过1.5个字符时间的停顿，接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个新消息的地址域。每个单片机都有唯一的地址，主机先向所有从机发送地址信息，从机判断是否与自身地址相符，若相符，则返回应答信号并开始接收该帧数据，若不相符，则继续等待。

4 上位机管理系统

由于母线槽大多使用在楼房和大型厂房中，导致一些母线槽受安装位置的限制，不便于现场观察，因此有必要设计上位机管理系统，以便于对对测量的温湿度情况进行远程的实时的监测。

上位机管理系统中，，使用的核心芯片是美國ADI公司生产的ADUC7026，它是一款集成了ARM7内核的精密微控制器[6]，最高运行速度可达41.78MHz，片上包含12通道12位数模转换器，高精度的电压基准源，是一款优良的片上系统芯片，完全满足系统的设计要求。

ADUC7026的时钟源可由内部锁相环或者一个外部时钟输入产生。在使用内部锁相环时，在XCLKO和XCLKI之间接一个32.768kHz的晶振，可以使得锁相环正确锁相进而产生41.78MHz频率的时钟信号，并且这两个引脚与地之间各连接一个12pf的电容，如图4所示：

由单片机将采集处理之后的温湿度信息经RS485通讯模块传至上位机ADUC7026，由其内部的A/D转换器完成模拟/数字转换后，在ADUC7026中进行数据处理，最后由液晶显示模块将温湿度数据进行实时显示。

5 调试

系统设计完成之后，进行了多次调试，并且对调试结果进行记录，与使用温湿度测量计所测结果进行比对，每30分钟测量一次的环境温湿度与本监测系统所测数据的比较如表2所示：

由以上数据计算可知，温度的平均相对误差为1.5%，湿度的平均相对误差为2.08%，可见，误差较小，测量值与实测值相差较小，满足设计要求。

6 结语

本文提出了一种对母线温湿度进行监测的系统设计。下位机由51单片机控制的HS1101湿度传感器及TS118-3的红外温度传感器进行数据的采集和处理，经由RS485通讯系统将数据传输至以ADUC7026为核心芯片的上位机管理系统，并由液晶显示模块实时显示。该系统已完成了设计与调试，可以稳定运行且调试结果满足生产要求。该系统同样可适用于其他温湿度检测场合，具有较高的实用性。

参考文献

[1] 王建平.低压母线槽干线系统的应用及发展[J].电气应用，2007（S1）：22-25.

[2] 李军，曾亦可，等.非接触式红外测温的研究[J].压电与声光.2001，6（23）：202-205

[3] 彭迪. 基于zigbee和TS118-3的温度监测系统设计[D].南昌航空大学：测试与光电工程学院，2013.

[4] 张萍、黄增双，基于555定时器的数字化测湿方法得研究[J]，自动化技术与应用，26（09）：106-107，，2006.

[5] 王汝文、宋政湘、张国钢.电器智能化原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2009.

[6] 周波、金香、肖明，等.基于aduc7026硬件系统开发及其在传感器系统中的应用[J].沈阳师范大学学报，2012，30（1）：64-67.