基于STC12的高压断路器触头无线温度监测系统设计

陶玉贵，汪金宝，李长波

(1.芜湖职业技术学院信息工程学院，安徽芜湖 241006；2.安徽师范大学数学与计算机科学学院，安徽芜湖 241003)

基于STC12的高压断路器触头无线温度监测系统设计

陶玉贵1，汪金宝2，李长波1

(1.芜湖职业技术学院信息工程学院，安徽芜湖 241006；2.安徽师范大学数学与计算机科学学院，安徽芜湖 241003)

为了实现对高压真空断路器触头温度的远程实时监测，本文以STC12单片机为控制核心，通过对断路器主触头安装测温装置，经低衰减耐高温的光纤实现与控制回路的连接，完成光电信号的转换，并通过nRF905无线模块将信号传输到上位机，从而实现对触头温度实时监测和超温报警等功能。实践证明，该系统有力地保障了高压断路器安全稳定运行，具有较高的应用前景和市场价值。

高压断路器；温度监测；光纤；STC12C5A60AD

随着我国电力系统的快速发展，人们在追求高品质的生活质量时，对用电的需求也在不断增加。为了提高国民用电质量，同时也减少因高负荷用电而带来的不必要的损失，高压真空压断路器设备的需求量在大幅度上升。在设备的长期运行中，断路器触头因不可靠连接和老化而引起触头过热造成触头熔化和击穿而导致的生产事故不在少数。因此，设计能对触头进行测温的装置不仅能大大降低设备检修费用、减少故障断电时间，同时也极大提高了电力系统的可靠性。

本文开发一种高压真空断路器触头的无线温度监测系统，采用STC12C5A60AD微控制器，通过nRF905模块无线传输，配合光纤传导，隔离效果好，绝缘性能优异，整个系统测温实时性强，工作稳定性和可靠性高，不仅能通过监视单元电路显示温度和设定系统报警，同时能通过上位机对温度数据实时在线显示、数据查询、数据库存储与调用、超限温度预警等功能设置。

1 监测系统总体设计及功能

远程温度监测系统由温度采集处理终端、无线通信网络和远程监控中心组成[1]，其总体结构如图1所示。图2为温度采集处理终端结构图，电流互感器采用电磁感应原理设计，安装于每个母排上为温度传感器和测温探头提供供电电源，对断路器内部三相隔离开关触头进行测温。温度信号经光纤传送给温度采集单元，对信号处理以实现光电转换。

2 硬件设计

2.1 温度采集处理终端电路设计

温度采集与处理电路如图3所示。选用低成本、低功耗的MAX6577温度传感器，当接通电源，便可处于自发工作状态，将温度信号转换成脉冲信号，输出占空比1∶1的方波。温度采集终端负责将脉冲信号转化成光信号，后经光纤将信号传递到数据采集单元输入口，完成光电转换和信号整形。

图1 系统总体设计框图

图2 温度采集处理终端结构图

图3 温度采集处理终端电路图

2.2 温度监视单元电路设计

温度监视电路如图4所示，选用抗干扰能力强的STC12C5A60AD为控制核心。该电路主要负责将采集的温度实时显示、越值报警和纪录报警时刻、控制输出信号等。采用HD7289芯片驱动的4路LED对温度实时显示。通过按键电路设定系统报警温度和显示方式。报警电路采用三极管NPN组成，直接从单片机获取信号输入扬声器。

图4 温度监视单元电路图

2.3 无线数据传输模块

系统的无线通信模块选用nRF905单片射频收发器[2]。工作频率为国际通用ISM频段433/868/915MHz，工作电压为1.9V至3.6V。其内部由有频率合成器、接收解调器、调制器、功率放大器和晶体振荡器组成，使用SPI接口与微控制器通信。nRF905有ShockBurst RX接收模式和ShockBurst TX发送模式两种活动模式。nRF905四种工作模式是由引脚TRX_CE、TX_EN和PWR_UP引脚电平来设定，如表1所示。

表1 nRF905工作模式

在单片机与nRF905进行通信时，要先将nRF905的工作模式设置在节电模式，这样才能保证正常通信。nRF905无线传输收发芯片与STC12C5A60AD微控制器硬件连接如图5所示。

图5 nRF905与STC12C5A60AD硬件连接图

2.4 通信单元电路设计

通信单元电路连接原理如图6所示，单片机的TXD和RXD接SN75LBC184，构成了RS485总线半双工通信网络，P3.7用于收发控制。利用SN75LBC184可以很好地抑制雷击及其他原因在通信线路上产生的各种瞬时过电压和干扰，从而使系统免受损坏。系统采集的数据经单片机内部数据转换后上传至PC机，实现远程实时在线温度监测。

图6 通信单元原理图

3 软件设计

3.1 系统程序流程图

温度采集程序流程如图7所示。系统初始化后，检测每个通道的频率，如检测到频率超时，则设置超时标志位，若未超时，则实现温度数据-脉冲频率的转换及光电转换，并将转化的数据发送到下一单元电路。

温度采集处理终端与上位机进行通信时，上位机要对各采集终端进行地址识别。设备上电后，上位机系统轮询RS485总线，对采集终端进行读取，各采集终端将采集到的温度信号通过总线上传给上位机，用于数据显示、存储以及预警。系统主程序流程如图8所示[2]。

图7 温度采集程序流程图

图8 主程序流程图

3.2 上位机软件设计

上位机的软件设计基于Windows操作系统，采用C/S模式[3]。监测软件采用VB6.0语言进行模块化设计，主要包括主控模块、数据采集模块、温度监测模块、报警温度设定模块、历史数据模块等，实现温度数据的实时在线显示、数据查询、数据库存储与调用、超限温度预警等功能。

4 结语

本文给出一种基于STC12单片机的高压断路器触头无线温度监测系统。该系统采用光纤进行高压隔离和信号传输，绝缘性好，抗电磁干扰能力强，能对断路器多个触头进行实时监测，系统测温方便、架构简单、电路简洁、成本低。此系统也可用于其他高压设备的温度监测，具有较高的实际应用价值。

[1]郭少雄,苏海海.基于nRF905的无线环境监控系统设计[J].兰州交通大学学报,2014(3):133-138.

[2]路士兵.基于单片机的空气雾霾监测系统设计[J].自动化与仪器仪表,2016(6):254-255.

[3]陶玉贵,汪金宝.基于ARM+GPRS的远程电能质量监测系统研究与设计[J].长春师范大学学报,2016(2):36-39.

DesignofTemperatureMonitoringSystemforHigh-voltageCircuit-breakerContactsBasedonSTC12

TAO Yu-gui1, WANG Jin-bao2, LI Chang-bo1

(1.School of Information Engineering,Wuhu Institute of Technology,Wuhu Anhui 241006,China；2.School of Mathematics & Computer Science,Anhui Normal University,Wuhu Anhui 241003,China)

In order to implement the remote monitoring temperature of high-voltage vacuum circuit-breaker contact, the paper uses the STC12 MCU as a core to finish the following steps: Installing the temperature measurement of circuit breaker main contact, connecting the low attenuation of high temperature resistant fiber and control circuit to complete the photoelectric conversion, and the signal is transmitted to the host computer through the nRF905 wireless module. Thus it realizes the real-time monitoring the temperature of contacts and over temperature alarm, and the system guarantees the high voltage switch to operate safely and stably and it has high application prospect and market value.

high-voltage circuit-breaker; temperature monitoring; optical fiber; STC12C5A60AD

TM561

A

2095-7602(2017)12-0034-04

2017-05-27

安徽高校省级自然科学研究重点项目“低压电力电能监测系统研究”(KJ2015A449)；安徽高校优秀青年人才支持计划重点项目(gxyqZD2016592)；安徽省高等学校省级教学质量与教学改革工程项目“电子信息工程技术专业综合改革试点”(2014zy147)。

陶玉贵(1979- )，男，教授，硕士，从事信号检测与处理研究。