0 引言
隨著電力系統(tǒng)規(guī)模越來(lái)越大、電壓等級(jí)越來(lái)越高，供電可靠性也要求更加嚴(yán)格。供配電設(shè)備環(huán)境的溫度、濕度是影響設(shè)備運(yùn)行的重要因素。溫度過(guò)高會(huì)加速儀器設(shè)備元器件老化，縮短其使用壽命，甚至直接導(dǎo)致設(shè)備損壞；低溫、潮濕，設(shè)備表面產(chǎn)生凝露則有可能發(fā)生爬電、閃絡(luò)等事故。
基于以上考慮，在中高壓開(kāi)關(guān)柜、箱變、端子箱等供配電設(shè)備中進(jìn)行溫度、濕度控制是十分必要的。本文將介紹一種WHD型智能溫濕度控制器的設(shè)計(jì)方法，最多實(shí)現(xiàn)三路溫度、濕度的測(cè)量與控制；結(jié)合RS485總線技術(shù)及上位機(jī)軟件，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息遠(yuǎn)傳，滿足低壓配電智能化及網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的需求。
1 硬件電路設(shè)計(jì)
1.1 硬件設(shè)計(jì)的總體思路
硬件系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，按功能可劃分為：電源供電、溫濕度測(cè)量、控制輸出、人機(jī)對(duì)話以及通訊五個(gè)部分，如圖1所示。
電源供電電路將AC220V或其他類型輔助電源轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)工作所需的直流電源。單片機(jī)將傳感器測(cè)得的溫濕度值進(jìn)行比較、處理，確定輸出控制部分繼電器的工作狀態(tài)，并顯示和發(fā)送溫濕度數(shù)值及輸出控制部分的工作狀態(tài)信息。人機(jī)對(duì)話部分具有按鍵信息錄入功能，用戶可根據(jù)實(shí)際情況，通過(guò)按鍵編程設(shè)置系統(tǒng)的工作參數(shù)。
1.2 硬件的具體電路及原理
核心器件單片機(jī)選用STC公司的STC89C58RD+型單片機(jī)，它是一款兼容51內(nèi)核的增強(qiáng)型8位機(jī)，片上資源豐富，抗干擾能力突出。STC89C58RD+（D版本）支持6時(shí)鐘/機(jī)器周期，內(nèi)含32K字節(jié)用戶程序空間，片上集成1280字節(jié)RAM，16K字節(jié)EEPROM空間；支持ISP/IAP功能，無(wú)須專用編程器；片上還集成了看門(mén)狗電路及MAX810專用復(fù)位電路。
溫濕度的測(cè)量選用SENSIRION公司開(kāi)發(fā)的數(shù)字式溫濕度一體傳感器芯片SHT11。該傳感器可同時(shí)測(cè)溫度、濕度，并提供全程標(biāo)定的數(shù)據(jù)輸出，所以使用該傳感器既可以降低硬件成本，又方便了整機(jī)測(cè)試。其技術(shù)參數(shù)如下表所示：
溫度參數(shù)：
|
參數(shù) |
條件 |
典型 |
單位 |
|
分辨率 |
|
0.01 |
℃ |
|
精度 |
0～60 |
±1 |
℃ |
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量程范圍 |
|
-40～120 |
℃ |
濕度參數(shù)：
|
參數(shù) |
條件 |
典型 |
單位 |
|
分辨率 |
|
0.03 |
%RH |
|
精度 |
20%～80% |
±3 |
%RH |
|
量程范圍 |
|
0～100 |
%RH |
該傳感器與CPU之間的通訊采用二線制方式，即DATA（數(shù)據(jù)）線和CLK（同步時(shí)鐘脈沖）線。測(cè)量三路溫度、濕度時(shí)，CPU與傳感器的連接電路如圖2所示。CPU通用I/O口中的P1.0和P1.1，P1.2和P1.3，P1.4和P1.5分別與三路溫濕度傳感器SHT11連接，其中P1.0、P1.2、P1.4分別作為各路通訊的DATA（數(shù)據(jù)）線，P1.1、P1.3、P1.5分別作為各路通訊的CLK（同步時(shí)鐘）線，DATA線需外加10KΩ的上拉電阻將信號(hào)提高至高電平（詳情請(qǐng)參考SHT11數(shù)據(jù)手冊(cè)）。實(shí)際使用時(shí)，傳感器與控制器之間（即圖中虛線部分）以屏蔽線連接，經(jīng)驗(yàn)證，CPU與傳感器之間的最大通訊距離為10米。如果使用74HC245或其他芯片提高I/O口的驅(qū)動(dòng)能力，可增加通訊距離，但會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能，因此不予采納。
系統(tǒng)采用LED數(shù)碼管顯示溫度、濕度值，界面簡(jiǎn)潔明了。三路傳感器測(cè)得的溫度、濕度值以循環(huán)方式依次顯示，顯示部分共有7位數(shù)碼管，其中4位用于顯示溫度值（顯示范圍：-40.0～100.0），并在編程狀態(tài)下顯示菜單及參數(shù)，2位用于顯示濕度值（顯示范圍：0～99），1位用于顯示當(dāng)前顯示或操作對(duì)應(yīng)的傳感器的編號(hào)（1～3）。數(shù)碼管顯示采用動(dòng)態(tài)掃描方式，其驅(qū)動(dòng)電路由集成電路74HC595及74HC164構(gòu)成。74HC595是一款帶有輸出門(mén)鎖功能的8位串行輸入、并行輸出（或串行輸出）的移位寄存器，用于數(shù)碼管的段驅(qū)動(dòng)；74HC164的串行輸入、并行輸出功能用于掃描顯示每一位數(shù)碼管，如圖3所示。
系統(tǒng)采用繼電器或可控硅作為控制輸出，電源部分采用開(kāi)關(guān)電源方案，通訊部分采用RS485接口，具體電路設(shè)計(jì)請(qǐng)參考相關(guān)書(shū)籍，此處不予贅述。
2 軟件設(shè)計(jì)方法
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括以下四個(gè)部分：主程序、測(cè)量控制模塊、顯示模塊及通訊模塊。
主程序完成上電或復(fù)位初始化，復(fù)位看門(mén)狗，查詢按鍵信息等功能，程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示。
程序初始化包括配置CPU的SFR，設(shè)置I/O口初始狀態(tài)，從EEPROM讀取工作參數(shù)，設(shè)置看門(mén)狗定時(shí)器的復(fù)位時(shí)間等。需要注意的是，一般只在主程序中喂狗，看門(mén)狗的復(fù)位時(shí)間時(shí)要設(shè)置的比測(cè)量程序中可能出現(xiàn)的最長(zhǎng)等待時(shí)間還要長(zhǎng)。以下給出主程序的部分C語(yǔ)言源代碼。
void Main ()
{
WDT_CONTR = 0x00;//關(guān)閉看門(mén)狗
InitialEeprom();//讀EEPROM
InitialIO();//初始化I/O狀態(tài)
InitialSFR();//設(shè)置SFR
InitialSHT11();//初始化傳感器
InitialComm ();//初始化通訊口
WDT_CONTR = 0x35;//喂狗1.25秒
while(1)
{
WDT_CONTR = 0x35;
KeyScan();//按鍵查詢
KeyProcess();//按鍵信息處理
}
}
通訊收發(fā)處理、顯示和溫濕度測(cè)量控制均以中斷方式實(shí)現(xiàn)，優(yōu)先級(jí)順序?yàn)椋捍谕ㄓ嵵袛啵ㄗ罡撸@示中斷→測(cè)量控制中斷（最低）。
系統(tǒng)通訊采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU規(guī)約，便于上位機(jī)管理軟件設(shè)計(jì)，與其他網(wǎng)絡(luò)儀表組網(wǎng)使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)供配電系統(tǒng)的完整監(jiān)測(cè)。
3 產(chǎn)品應(yīng)用
在電力供配電環(huán)境中進(jìn)行溫濕度控制，一般采取如圖5所示的方案。
通過(guò)溫濕度傳感器采集開(kāi)關(guān)柜或箱式變電站中的溫度、濕度信息，經(jīng)控制器處理后輸出繼電器觸點(diǎn)信號(hào)（斷開(kāi)或?qū)ǎ賹⒂|點(diǎn)信號(hào)連接到溫濕度調(diào)節(jié)設(shè)備（一般使用加熱器或風(fēng)扇）的電源回路中，用于控制其工作或停止，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的智能化控制。
WHD型智能溫濕度控制器通用技術(shù)指標(biāo)如下：
|
技術(shù)參數(shù) |
指標(biāo) |
|
控制對(duì)象 |
1～3路溫濕度 |
|
功能 |
升溫 |
設(shè)置范圍：-10℃～10℃ |
|
降溫 |
設(shè)置范圍：30℃～45℃ |
|
除濕 |
設(shè)置范圍：75%～90% |
|
輸出
觸點(diǎn) |
數(shù)量 |
每組溫濕度對(duì)應(yīng)2路觸點(diǎn) |
|
容量 |
250V/5A |
|
通訊 |
接口 |
RS485 |
|
協(xié)議 |
標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU |
|
波特率 |
1200、2400、4800、
9600、19200 |
|
輔助電源 |
AC/DC220V，允許85～270V |
此類溫濕度控制器可控制一路、二路或三路溫濕度，每一路溫濕度傳感器對(duì)應(yīng)一組（二個(gè)）繼電器輸出觸點(diǎn)，其中一個(gè)觸點(diǎn)用于控制加熱器，實(shí)現(xiàn)升溫或除濕控制，另一觸點(diǎn)用于控制風(fēng)扇，實(shí)現(xiàn)排風(fēng)控制。當(dāng)傳感器或加熱器發(fā)生故障時(shí)，控制器會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
控制器中還可設(shè)置溫濕度控制的回滯量，即調(diào)節(jié)設(shè)備的啟動(dòng)條件與停止條件之差。如圖6所示，以加熱升溫為例，當(dāng)環(huán)境溫度降低到預(yù)先設(shè)置“加熱啟動(dòng)溫度”以下時(shí)，控制器輸出觸點(diǎn)導(dǎo)通信號(hào)，加熱器工作，環(huán)境溫度逐漸上升；當(dāng)環(huán)境溫度上升至“加熱停止溫度”以上時(shí)，控制器輸出觸點(diǎn)斷開(kāi)信號(hào)，加熱器停止加熱。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，回滯量一般設(shè)置在4～10（℃或RH%）范圍內(nèi)較合適。
鋁合金加熱器是電力供配電系統(tǒng)中最常用的溫濕度調(diào)節(jié)設(shè)備，下面是由經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的環(huán)境空間大小與加熱器功率選擇的關(guān)系，供讀者參考。
|
環(huán)境空間大小（m3） |
加熱器功率（W） |
|
≤0.5 |
50～75 |
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0.5～1 |
100～150 |
|
1～1.5 |
200左右 |
|
1.5～2 |
250左右 |
|
2以上 |
300或更大 |
WHD型智能溫濕度控制器可將測(cè)量的溫濕度值及控制系統(tǒng)中的各種狀態(tài)信息通過(guò)RS485通訊接口向上位機(jī)遠(yuǎn)傳，由上位機(jī)管理軟件實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙控，滿足了智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的要求。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文介紹了一種智能溫濕度控制器的設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)最大三路溫濕度的采集、控制，并具有編程參數(shù)設(shè)置和RS485（MODBUS-RTU）通訊功能。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，參照此方法設(shè)計(jì)的WHD系列產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中易于用戶使用，控溫及控濕效果顯著。同時(shí)，該產(chǎn)品的抗電磁干擾性能突出，例如，5kHz和100kHz頻段抗脈沖群干擾可達(dá)到三級(jí)，適合在電磁環(huán)境相對(duì)惡劣的電氣設(shè)備中使用。
參考文獻(xiàn)
[1] 數(shù)字溫濕度傳感器SHT1X/SHT7X應(yīng)用指南，瑞士SENSIRION公司，2005
[2] STC89C51RC/RD+系列單片機(jī)使用指南，宏晶科技，2006
[3] 戴佳，戴衛(wèi)恒 51單片機(jī)C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，2006
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