智能絕緣子老化箱的設(shè)計(jì)

1、智能絕緣子老化箱的設(shè)計(jì)與研制摘 要隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，電能的需求大幅增長(zhǎng)，我國(guó)實(shí)行了“堅(jiān)持電網(wǎng)”建設(shè)和“西電東送”戰(zhàn)略。由于直流輸配電以輸送容量大、線(xiàn)路損耗低等獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)而得到了迅速的發(fā)展，作為直流輸電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備絕緣子的老化問(wèn)題越來(lái)越得到重視。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，直流輸電線(xiàn)路的年老化率要比交流高出一至兩個(gè)數(shù)量級(jí)，這一問(wèn)題嚴(yán)重的影響了電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行，因此，絕緣子老化問(wèn)題的研究成為了電力技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)之一。絕緣子在電力系統(tǒng)中承擔(dān)著機(jī)械支撐和電氣絕緣的作用，但由于工作在戶(hù)外，所以受環(huán)境影響較大，需要定期排查檢修以更換損壞的絕緣子，而目前采用的都是人工排查的方法，這極大的加重了工作人員的任務(wù)

2、量和維護(hù)的成本。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外的研究，提出了采用直流絕緣子老化實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)研究解決絕緣子老化的問(wèn)題。但是就目前而言，國(guó)內(nèi)外對(duì)于絕緣子老化的實(shí)驗(yàn)設(shè)備開(kāi)發(fā)較少，而且現(xiàn)有的設(shè)備都存在智能化不高、測(cè)量結(jié)果不夠精確等問(wèn)題，這些問(wèn)題極大地制約了絕緣子老化和壽命的預(yù)估，導(dǎo)致電網(wǎng)的發(fā)展速度慢。因此，我在此提出了研究智能化直流絕緣子老化的實(shí)驗(yàn)作為本次課題。針對(duì)上述實(shí)驗(yàn)設(shè)備存在的問(wèn)題，以及對(duì)于絕緣子的高溫高壓?jiǎn)栴}。本文重點(diǎn)研究了直流絕緣子的高溫高壓絕緣技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，對(duì)絕緣子老化箱的絕緣結(jié)構(gòu)和溫度電壓控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出了一套智能絕緣子老化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)絕緣子日常工作的環(huán)境進(jìn)行模擬，測(cè)試其性能并對(duì)其進(jìn)行改

3、進(jìn)。關(guān)鍵詞： 絕緣子；老化箱；智能控制；無(wú)線(xiàn)通信;The design and development of intelligent insulator aging CabinetAbstract With the rapid development of China's economy, electrical energy demand growth, our country has implemented the “strong gird” construction and “west-east gas transmission” strategy.Because of the d

4、c transmission and distribution to transport large capacity, low line loss of the unique advantage and got rapid development, as a key equipment of dc grid - insulator aging problem is more and more attention. According to the statistics, years of aging rate of dc transmission line to one or two ord

5、ers of magnitude higher than ac, this problem seriously affect the operation of the power system security and stability. So, the problem of insulator aging research become one of the electric technology development trend. Insulator in power system under the effect of mechanical support and electrica

6、l insulation, but due to work outdoors, so greatly influenced by the environment, need regular maintenance to replace the damaged insulator, and at present are artificial screening methods, this greatly increased the quota and maintenance costs. Through research at home and abroad, and puts forward

7、the dc insulator aging experiment method is adopted to solve the problem of insulator aging, but for now, at home and abroad for insulator aging experiment device development is less, and existing equipment have intelligence is not high, the problem of inaccurate measurement results, these problems

8、have greatly restricted insulator aging and life forecast, contribute to the development of power grid and slow speed. Therefore, I hereby put forward the research of intelligent dc insulator aging experiment as the subject.Aiming at the existing problem of the experiment equipment, as well as for h

9、igh temperature and high pressure problem of the insulator. This paper mainly studied the high temperature and high pressure of dc insulator insulation technology and wireless communication technology, voltage of insulator aging tank insulation structure and temperature control system is designed an

10、d developed a smart insulator aging experiment system, through the insulator, to simulate the daily work environment to test its performance and carries on the improvement.Key words: Insulator; Aging cabinet; Intelligent control; Wireless communication;III目 錄中文摘要I外文摘要II第一章 緒論1引言11.1 絕緣子的相關(guān)介紹11.1.1 絕

11、緣子的描述11.1.2 直流絕緣子的老化問(wèn)題21.1.3 直流絕緣子的老化實(shí)驗(yàn)方法21.1.4 絕緣子的檢測(cè)方法31.1.5 本次設(shè)計(jì)的主要目的及內(nèi)容5第二章 老化箱的相關(guān)介紹62.1 老化箱的概述62.2 智能老化箱的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則62.3 智能老化箱總體設(shè)計(jì)方案72.4 老化箱高壓套管設(shè)計(jì)及選擇82.5 老化箱內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)8第三章 智能老化箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)93.1 溫度控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)93.2 老化箱溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)103.2.1 微處理器模塊設(shè)計(jì)103.2.2 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路133.2.3 系統(tǒng)的復(fù)位電路133.2.4 無(wú)線(xiàn)控制模塊設(shè)計(jì)133.2.5 按鍵模塊設(shè)計(jì)1

12、63.2.6 溫度控制模塊設(shè)計(jì)173.2.7 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)173.3 老化箱控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)183.3.1 軟件編寫(xiě)注意事項(xiàng)183.3.2 主程序設(shè)計(jì)193.3.3 按鍵處理程序設(shè)計(jì)203.3.4 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)213.3.5 RAM數(shù)據(jù)保護(hù)程序設(shè)計(jì)223.3.6 復(fù)位程序設(shè)計(jì)22結(jié) 論24參考文獻(xiàn)25致 謝26外文文獻(xiàn)及譯文27第一章 緒論引言1.1 絕緣子的相關(guān)介紹1.1.1 絕緣子的概述絕緣子是一種特殊的絕緣控件，能夠在架空輸電線(xiàn)路起到重要作用。早年間絕緣子多用于電線(xiàn)桿上面，慢慢發(fā)展成大型高壓電線(xiàn)連接塔上的盤(pán)狀絕緣體，它是為了增加爬電距離的，通常由玻璃或陶瓷制成，就叫絕緣子。絕緣子

13、在運(yùn)行時(shí)不僅要承受工作電壓作用，同時(shí)還要承受操作過(guò)電壓和雷電過(guò)電壓的作用，加之導(dǎo)線(xiàn)自重、風(fēng)力、冰雪以及環(huán)境溫度變化的機(jī)械荷載的作用，所以絕緣子不僅要具有良好的電器絕緣性能，同時(shí)還要具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。絕緣子不應(yīng)該由于環(huán)境、電負(fù)荷條件發(fā)生變化和各種機(jī)電應(yīng)力而失效，否則絕緣子就不會(huì)產(chǎn)生很大的作用，就會(huì)損害整條線(xiàn)路的使用和運(yùn)行壽命。絕緣子被廣泛的應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，屬于輸變電線(xiàn)路及設(shè)備的外絕緣系統(tǒng)。架空輸電線(xiàn)路和變電所的母線(xiàn)處于高電位，桿塔和其他連接的構(gòu)件處于低電位，絕緣子將二者機(jī)械的連接起來(lái)同時(shí)還起到了絕緣的作用，保證了電能安全可靠地輸送。避雷針、變壓器、斷路器等各種變電站的電氣設(shè)備都配有瓷套、棒形

14、支柱等絕緣保護(hù)套，這些絕緣保護(hù)套也具有電氣絕緣和機(jī)械固定兩大作用。絕緣子可按電壓等級(jí)、使用材料和功能進(jìn)行分類(lèi)。（1）按結(jié)構(gòu)形式可分為針式絕緣子、棒式絕緣子和懸式絕緣子。（2）按功能不同可分為普通型絕緣子和防污型絕緣子。（3）按使用材料可分為瓷質(zhì)絕緣子、鋼化玻璃絕緣子和復(fù)合型絕緣子。（4）按連接方式可分為球型和槽型兩種。（4）按承載能力大小可分為40、60、70、100、160、210、300、420、550KN等多個(gè)等級(jí)。我國(guó)目前在架空送電線(xiàn)路上使用的絕緣子主要有三種，即瓷質(zhì)絕緣子、鋼化玻璃絕緣子和復(fù)合型絕緣子。絕緣子的基本要求：（1）要具有良好的絕緣性能，使其在干燥陰郁的情況下，都能承受標(biāo)準(zhǔn)

15、規(guī)定的耐壓；（2）絕緣子不但承受導(dǎo)線(xiàn)的垂直荷重和水平荷重，還要承受導(dǎo)線(xiàn)所受的風(fēng)壓和覆冰等外加荷載，因此要求絕緣子必須有足夠的機(jī)械強(qiáng)度；（3）架空線(xiàn)路處于野外，受環(huán)境溫度影響較大，要求絕緣子能耐受較大的溫度變化而不破裂；（4）絕緣子長(zhǎng)期承受高電壓和機(jī)械力的作用，要求其絕緣性能的老化速度要比較慢，有較長(zhǎng)的使用壽命；（5）空氣中的腐蝕氣體會(huì)使絕緣子的絕緣性能下降，要求絕緣子應(yīng)有足夠的防污穢和抵御化學(xué)氣體侵蝕的能力。1.1.2 直流絕緣子的老化問(wèn)題近年來(lái)，直流高壓輸配電在世界范圍內(nèi)得到了迅猛的發(fā)展，和交流輸配電相比，直流輸配電具有很多優(yōu)點(diǎn)：不僅設(shè)備簡(jiǎn)單、輸送容量大、線(xiàn)路損耗低，而且穩(wěn)定性高、適合長(zhǎng)距離

16、的輸送。我國(guó)西部地區(qū)雖然經(jīng)濟(jì)落后但是電力資源豐富，東部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)但是電力資源緊缺，建設(shè)智能穩(wěn)定型電網(wǎng)，我國(guó)實(shí)施了“西電東送”的措施，也因此大力發(fā)展了超高壓直流輸電事業(yè)。國(guó)產(chǎn)瓷絕緣子的年劣化率約為千分之一，玻璃絕緣子的自爆率約為萬(wàn)分之幾。目前，從運(yùn)行情況來(lái)看，有機(jī)合成絕緣子的運(yùn)行可靠性較瓷、玻璃絕緣子好，但隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，有機(jī)材料的老化劣勢(shì)將逐步突出。絕緣子的劣化率屬于后期暴露，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，在機(jī)電聯(lián)合負(fù)荷的作用下，其劣化率會(huì)逐漸增加；有機(jī)合成絕緣子由于有機(jī)材料本身的老化特性，其老化率及劣化率隨著時(shí)間會(huì)增大。國(guó)外專(zhuān)業(yè)人士一般認(rèn)為，玻璃絕緣件和瓷絕緣件的老化壽命為年左右，而有機(jī)合成絕緣子的老

17、化壽命不超過(guò)年。我們研究發(fā)現(xiàn)絕緣子有缺陷時(shí)傘裙放電、擊穿甚至自爆。這種老化的絕緣子發(fā)生閃絡(luò)后且有一定燒痕，開(kāi)裂等。雖然在試驗(yàn)中仍然可能通過(guò)各項(xiàng)電氣試驗(yàn)，但在一定的氣候條件下，特別是濕度大、溫度低的氣候環(huán)境下，閃絡(luò)的概率明顯增大。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，直流輸電線(xiàn)路與近似條件下的交流輸電線(xiàn)路相比，前者的絕緣子老化率比后者高出了一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)，這嚴(yán)重地威脅了直流輸電線(xiàn)路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。所以，加強(qiáng)直流絕緣子老化機(jī)理的探索和研究，開(kāi)展一系列相關(guān)的老化試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)其抗老化的性能，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果提出抑制直流絕緣子老化的方法是國(guó)內(nèi)外面臨的一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)，這對(duì)于絕緣子的設(shè)計(jì)制造及輸配電線(xiàn)路絕緣子的選型都具有實(shí)際意義。1

18、.1.3 直流絕緣子的老化試驗(yàn)方法目前，熱破壞實(shí)驗(yàn)和離子遷移實(shí)驗(yàn)是國(guó)內(nèi)外都比較認(rèn)可的直流絕緣子老化實(shí)驗(yàn)，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)方法都需要向被測(cè)試品施加一定的溫度和電壓來(lái)衡量它的抗老化性能。前者是考核直流絕緣子的耐高溫能力，后者則是通過(guò)短時(shí)間內(nèi)向被測(cè)試品通過(guò)其壽命內(nèi)的全部電荷量，考驗(yàn)直流絕緣子的長(zhǎng)期抗老化性能。（1）熱破壞實(shí)驗(yàn)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19943-2004，首先將試驗(yàn)品放在老化箱內(nèi)，即恒溫箱內(nèi)，在規(guī)定溫度下進(jìn)行預(yù)熱至少8小時(shí)，此過(guò)程中連續(xù)記錄老化箱內(nèi)的溫度值，溫度不得下降到規(guī)定值以下。預(yù)熱之后，在同樣的溫度下連續(xù)施加8小時(shí)的試驗(yàn)電壓，同樣需要溫度不低于規(guī)定值。施加電壓8小時(shí)后停止加熱和施壓，保持

19、老化箱箱門(mén)關(guān)閉，待絕緣子試驗(yàn)品靜置30分鐘后，對(duì)其施加試驗(yàn)電壓并保持1分鐘，若沒(méi)有發(fā)生擊穿或者破碎，則通過(guò)實(shí)驗(yàn)。（2）離子遷移實(shí)驗(yàn)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19943-2004，首先測(cè)量試驗(yàn)品在規(guī)定的溫度下的體積電阻，為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，應(yīng)將試驗(yàn)品表面的泄漏電流過(guò)濾掉，然后利用測(cè)得的電阻值依據(jù)給定公式計(jì)算出預(yù)期電荷量，接下來(lái)將老化箱內(nèi)溫度調(diào)節(jié)到實(shí)驗(yàn)溫度，兩小時(shí)后向試驗(yàn)品施加試驗(yàn)電壓，此后每隔4小時(shí)測(cè)量一次實(shí)驗(yàn)品的泄漏電流，并根據(jù)測(cè)得的值計(jì)算出每日通過(guò)實(shí)驗(yàn)品的平均電荷量，待此平均電荷量的累加值達(dá)到與其電荷量時(shí)停止施壓，試驗(yàn)品冷卻之后對(duì)其進(jìn)行直流干耐受實(shí)驗(yàn)，此期間試驗(yàn)品沒(méi)有出現(xiàn)擊穿損壞，或者發(fā)生

20、干閃絡(luò)現(xiàn)象，則該試驗(yàn)品即為通過(guò)實(shí)驗(yàn)。1.1.4 絕緣子的檢測(cè)方法針對(duì)絕緣子的運(yùn)行狀況，從電的角度，可分為非電量和電量?jī)煞N檢測(cè)方法，非電量主要有超聲波檢測(cè)法、激光多普勒震動(dòng)法和紅外熱像儀法，電量主要有分布電壓法、絕緣電阻法和泄漏電流法。超聲波檢測(cè)法是基于超聲在從一種介質(zhì)進(jìn)入到另一種介質(zhì)的傳播過(guò)程中會(huì)在兩種介質(zhì)的交界面發(fā)生反射、折射和模式變換（縱、橫波轉(zhuǎn)換）的原理實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)接收超聲波發(fā)生器（稱(chēng)為換能器）發(fā)出的脈沖超聲波在進(jìn)入絕緣子介質(zhì)和穿出絕緣子介質(zhì)時(shí)的反射波來(lái)限定絕緣子的位置區(qū)間。當(dāng)絕緣子出現(xiàn)“開(kāi)裂”時(shí)，則在接收到的反射波的時(shí)間軸上將出現(xiàn)該缺陷的反射波，由時(shí)間軸上的該缺陷波的大小及位置，即可判

21、斷出缺陷的絕緣子中的具體情況。激光多普勒震動(dòng)法利用已經(jīng)開(kāi)裂的絕緣子的震動(dòng)中心頻率與正常時(shí)不同的特點(diǎn)，通過(guò)外力如敲擊鐵塔或?qū)⒊暡òl(fā)生器所產(chǎn)生的超聲波用拋物型反射鏡對(duì)準(zhǔn)被測(cè)絕緣子或用激光源對(duì)準(zhǔn)被測(cè)絕緣子以激起絕緣子的微小震動(dòng)，然后將激光多普勒儀發(fā)出的激光對(duì)準(zhǔn)被測(cè)絕緣子，根據(jù)對(duì)反射回來(lái)的信號(hào)的頻譜分析來(lái)獲得該絕緣子的震動(dòng)中心頻率值，根據(jù)該頻率值判定該絕緣子的好壞。上述兩種方法可以準(zhǔn)確的檢查出開(kāi)裂了的絕緣子，對(duì)于具有“零值自爆”特性的玻璃絕緣子的在線(xiàn)檢測(cè)更有效果。但是超聲波檢測(cè)法存在的耦合和衰減及超聲波換能器的性能上的問(wèn)題在遠(yuǎn)距離測(cè)試上目前仍然沒(méi)有巨大的突破，尚處于摸索階段，該類(lèi)設(shè)備目前主要用于企業(yè)

22、生產(chǎn)的在線(xiàn)檢測(cè)及實(shí)驗(yàn)室檢定用途。激光多普勒震動(dòng)儀體積龐大、笨重、使用及維修復(fù)雜、造價(jià)昂貴等缺點(diǎn)及兩種檢測(cè)法對(duì)未開(kāi)裂的劣質(zhì)絕緣子檢測(cè)無(wú)效等問(wèn)題，限制了這兩種檢測(cè)法的適用范圍。利用絕緣子表面的熱效應(yīng)原理進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)的紅外熱像儀法對(duì)于涂有半導(dǎo)體釉的防污染絕緣子的遙測(cè)相當(dāng)有效。因此此類(lèi)絕緣子在線(xiàn)帶電運(yùn)行時(shí)，正常絕緣子的表面電流較大、溫度較高，而劣質(zhì)絕緣子的表面溫度要比正常絕緣子低好幾度，用紅外熱像儀更加好識(shí)別。但是對(duì)于玻璃絕緣子或普通釉的瓷絕緣子，其正常表面溫度比劣質(zhì)表面溫度僅相差1左右，在復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下，測(cè)量極其困難，而紅外熱像儀高昂的造價(jià)也讓眾多的用戶(hù)對(duì)它的性?xún)r(jià)比難以接受?；诖耍旅嫖覀儗⒅攸c(diǎn)

23、討論電量法絕緣子的在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)。分布電壓檢測(cè)法是一種傳統(tǒng)的絕緣在線(xiàn)檢測(cè)方法。近年來(lái)隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，該法也被賦予了新的內(nèi)容?；谂菘藸査剐?yīng)的光纖電壓傳感器能在基本上不改變絕緣子串電場(chǎng)強(qiáng)度分布的情況下，準(zhǔn)確測(cè)定各絕緣子的電壓分布情況，克服了短路叉法、火花間歇法測(cè)量準(zhǔn)確度低、讀數(shù)分散性大的缺點(diǎn)，同時(shí)也消除了靜電電壓表法測(cè)量時(shí)會(huì)改變絕緣子串電壓分布的不足。在信號(hào)處理方面，目前普遍采用將測(cè)量結(jié)果經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后通過(guò)絕緣桿內(nèi)的光纖傳輸?shù)降蛪憾耍俎D(zhuǎn)換成電信號(hào)讀數(shù)或直接將測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換成語(yǔ)言型號(hào)報(bào)出的方法。至于劣質(zhì)絕緣子的判定，目前眾多的理論研究及實(shí)驗(yàn)均已證明：正常絕緣子串的電壓分布呈不完全馬鞍型，即在每

24、串絕緣子中靠近導(dǎo)線(xiàn)側(cè)的絕緣子承受電壓最高，約為靠近接地端絕緣子承受電壓的1.7倍3.0倍，而中間部分承受電壓最低；但兩相絕緣子之間承受電壓之比則大致為1.11.3之間。因此，用相鄰比較法即能較好地判斷劣質(zhì)絕緣子的存在。國(guó)內(nèi)目前一般以相鄰絕緣子電壓比低于50%作為劣質(zhì)絕緣子判斷的標(biāo)準(zhǔn)，或用該絕緣子串上次所測(cè)電壓分布相比較的方法判別劣質(zhì)絕緣子。電壓分布檢測(cè)的特點(diǎn)在于直觀、能準(zhǔn)確地判斷絕緣子性能的變化。利用信號(hào)光電轉(zhuǎn)換的測(cè)量方法消除了以前測(cè)量方法的準(zhǔn)確度不高、讀數(shù)困難等缺點(diǎn)。但是，電壓分布法操作起來(lái)仍然十分不便。雖然已研制出自爬式絕緣子檢測(cè)儀,會(huì)減輕現(xiàn)場(chǎng)操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，但每次測(cè)量必須登桿才能完成

25、，操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度依然較大、工作安全性較差的缺點(diǎn)仍然令這種方法難以得到廣泛應(yīng)用。絕緣電阻法是通過(guò)比較絕緣子的電阻值實(shí)現(xiàn)的。干凈良好的絕緣子，絕緣電阻可達(dá)到1000M以上，而零值或低值的絕緣子，有時(shí)只有幾M到幾十M。根據(jù)這一特點(diǎn)，測(cè)量絕緣電阻和零值絕緣電阻的大小。方法是用高電阻接至帶電絕緣子上，使測(cè)量絕緣電阻兆歐表處于地電位，從測(cè)得的絕緣電阻中減去高電阻阻值，即為被測(cè)絕緣子絕緣電阻值，這種方法具有高準(zhǔn)確性的特點(diǎn)。但是該測(cè)量方法任務(wù)重、受氣候影響較大、易誤判。泄漏電流法是通過(guò)測(cè)量絕緣子泄漏的電流來(lái)判斷絕緣子的情況，存在劣質(zhì)絕緣子的絕緣子串中，受污閃影響絕緣子脈沖放電現(xiàn)象加劇，泄漏電流增大。根據(jù)線(xiàn)

26、路上存在劣質(zhì)絕緣子時(shí)脈沖個(gè)數(shù)的增多、幅值增大的特點(diǎn)，利用高精度檢測(cè)設(shè)備測(cè)得泄漏電流，通過(guò)信號(hào)處理，獲得泄露電流平均值和峰值從而在低壓端檢出不良絕緣子。泄露電流法的主要問(wèn)題在于傳感器的選擇、信號(hào)的提取和辨識(shí)、現(xiàn)場(chǎng)干擾的排除等。由于泄露電流在絕緣子正常時(shí)也可能產(chǎn)生，且隨著輸電線(xiàn)路電壓值的波動(dòng)變化，所以如何消除這些因素的影響、建立絕緣子劣化標(biāo)準(zhǔn)是該方法能否成功的關(guān)鍵。1.1.5 本次設(shè)計(jì)的主要目的及內(nèi)容近幾十年以來(lái)，我國(guó)的電力系統(tǒng)正在朝著大容量、超高特高電壓方向發(fā)展，直流輸電工程也在快速的進(jìn)行著。但是目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有理想的絕緣子檢測(cè)裝置，現(xiàn)有的設(shè)備都普遍地存在著老化和落后的問(wèn)題，測(cè)量出來(lái)的結(jié)果也不夠精

27、確，以致影響了對(duì)于絕緣子壽命的評(píng)估，給國(guó)家電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成了嚴(yán)重的安全隱患，還在一定程度上制約了我國(guó)絕緣子相關(guān)制造企業(yè)的發(fā)展進(jìn)步。直流絕緣子老化箱主要是由高壓電源和微弱電流測(cè)量系統(tǒng)組成，試驗(yàn)的關(guān)鍵是要在高電壓強(qiáng)電場(chǎng)的環(huán)境下準(zhǔn)確的測(cè)量絕緣子試驗(yàn)品的泄露電流，此電流為微安級(jí)別，極易受到外界的干擾，這就對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置提出了更高的要求。目前，高壓電源技術(shù)和微弱電流檢測(cè)技術(shù)都比較成熟，相關(guān)的設(shè)備比較先進(jìn)，智能化程度也較高，然而對(duì)于絕緣子老化箱的開(kāi)發(fā)卻被人們忽視。目前使用的老化箱都是傳統(tǒng)的老化箱，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中老化箱既要為試驗(yàn)品提供高溫環(huán)境，自身還要承受上萬(wàn)伏的高壓，如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，很難長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)

28、定的運(yùn)行，更不可能保證不對(duì)泄露電流的精準(zhǔn)度產(chǎn)生影響。本次設(shè)計(jì)的主要目的是開(kāi)發(fā)出一種具有優(yōu)良絕緣結(jié)構(gòu)的智能型老化箱，用于在人工實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展直流絕緣子老化實(shí)驗(yàn)，這種對(duì)于推進(jìn)直流絕緣子老化機(jī)理的研究、尋找抑制其老化的方法并對(duì)其進(jìn)行壽命預(yù)估具有重大意義，對(duì)于直流輸電線(xiàn)路外絕緣的設(shè)計(jì)維護(hù)也具有重大的參考價(jià)值。同時(shí)，該裝置也可面向各大高校電氣實(shí)驗(yàn)室、絕緣子設(shè)計(jì)制造企業(yè)，還可用于實(shí)驗(yàn)研究教學(xué)及絕緣子的快速檢測(cè)，具有廣闊的需求和市場(chǎng)前景。第二章 老化箱的相關(guān)介紹2.1 老化箱的概述老化試驗(yàn)箱是一種產(chǎn)品總稱(chēng)，老化試驗(yàn)箱包含：臭氧老化、紫外老化、氙燈老化、換氣式熱老化、高溫鹽霧腐蝕老化、高壓老化等眾多老化試驗(yàn)方式。

29、老化箱可以快速鑒定和評(píng)價(jià)出各種材料的性能防護(hù)方法，并使該種材料的問(wèn)題提前暴露出來(lái)，進(jìn)而采取有效的防老化措施，以提高各種產(chǎn)品的使用壽命。2.2 智能老化箱的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則絕緣結(jié)構(gòu)是電氣設(shè)備的重要組成部分，絕緣結(jié)構(gòu)是指絕緣部分的結(jié)構(gòu)形式，由一種或多種絕緣材料組合而成。在電氣設(shè)備中，絕緣結(jié)構(gòu)通常受損破壞最為嚴(yán)重，據(jù)權(quán)威部門(mén)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，電力系統(tǒng)50%80%的停電事故都是由絕緣問(wèn)題引發(fā)的，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)都帶來(lái)了巨大損失。因此，保障電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定的運(yùn)行，設(shè)計(jì)出合理可靠的絕緣結(jié)構(gòu)是電氣設(shè)備制造的重中之重。絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的和任務(wù)是通過(guò)合理的選擇材料制造工藝，將多種絕緣材料按照一定的方式優(yōu)化組合，發(fā)

30、揮出絕緣結(jié)構(gòu)的最大效果，以滿(mǎn)足使用要求和電氣設(shè)備的運(yùn)行要求。絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)務(wù)必要充分研究電氣設(shè)備的工作環(huán)境，分析設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中有哪些因素會(huì)對(duì)絕緣部分產(chǎn)生影響。絕緣部分的老化甚至是結(jié)構(gòu)的失效通常不是單一因素作用的結(jié)果，而是多方面因素（如：電、熱、機(jī)械、環(huán)境等）綜合導(dǎo)致的。因此，設(shè)計(jì)絕緣結(jié)構(gòu)必須深入研究綜合影響因素，保證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確和理性。2.3 智能老化箱總體設(shè)計(jì)方案本次設(shè)計(jì)的直流絕緣子智能老化箱的組成包括高壓引入電極、鋼制箱殼體、試驗(yàn)品絕緣支架和溫度控制系統(tǒng)，其中老化箱內(nèi)部工作室用來(lái)放置實(shí)驗(yàn)品，溫度控制系統(tǒng)用來(lái)控制溫度的高低變化，最高可達(dá)100，為了保證恒溫，在箱體外殼和內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間填入了保溫硅棉

31、，箱門(mén)處設(shè)置了可以觀察工作室的窗口。在進(jìn)行直流絕緣子老化實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要將一直流高壓通過(guò)屏蔽電纜從上方引入到智能老化箱內(nèi)，施加在高溫絕緣子試驗(yàn)品的高壓端，在直流高壓的作用下絕緣子試驗(yàn)品會(huì)產(chǎn)生泄露電流，此電流通過(guò)信號(hào)引出線(xiàn)被引出箱體供采集使用。通過(guò)上述試驗(yàn)過(guò)程可知，對(duì)老化箱可靠運(yùn)行構(gòu)成威脅的因素有兩個(gè)：高壓引線(xiàn)和帶電的絕緣子試驗(yàn)品，這兩者可能會(huì)對(duì)老化箱的上壁和老化箱內(nèi)部放電進(jìn)而導(dǎo)致閃絡(luò)或者擊穿現(xiàn)象。因此，需要設(shè)計(jì)高壓直流套管，高壓直流套管可以對(duì)高壓引線(xiàn)起到絕緣和固定的作用。該實(shí)驗(yàn)的最終目的是為了采集絕緣子試驗(yàn)品的泄漏電流，此電流極小，為納安級(jí)到微安級(jí)。絕緣子試驗(yàn)品表面的局部放電、無(wú)線(xiàn)電通訊及隨機(jī)噪聲

32、可能都會(huì)對(duì)該數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾，所以為了得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，信號(hào)引出線(xiàn)也需要進(jìn)行絕緣屏蔽設(shè)計(jì)。智能老化箱的整體結(jié)構(gòu)圖如圖所示，高壓套管安裝在老化箱上部，直流高壓經(jīng)此引入到老化箱內(nèi)部，然后連接在絕緣子試驗(yàn)品的高壓端。老化箱內(nèi)部左側(cè)的是溫控表和風(fēng)扇，下方的是傳感器、加熱絲及后文中將要介紹的手持式的溫度控制器共同構(gòu)成了智能老化箱的溫控系統(tǒng)。老化箱內(nèi)部下方的是信號(hào)引出線(xiàn)，信號(hào)引出線(xiàn)連接在絕緣子試驗(yàn)品的低壓側(cè)，泄漏電流由此流入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。2.4 老化箱高壓套管設(shè)計(jì)及選擇 當(dāng)高壓載流導(dǎo)體引入或引出電氣設(shè)備的金屬外殼或穿過(guò)墻壁時(shí)，需要用到能絕緣和機(jī)械固定的高壓套管。以絕緣結(jié)構(gòu)和材料的不同為依據(jù)，高壓套管可以大

33、致分為三種類(lèi)型，如下表所示：?jiǎn)我唤^緣套管的電壓等級(jí)相對(duì)較低，純瓷套管主要用于35KV及以下穿墻套管和10KV及以下的電器，樹(shù)脂套管主要應(yīng)用于組合類(lèi)電器。超高壓和特高壓等級(jí)的用電設(shè)備均采用復(fù)合式套管或者電容式套管，這兩種類(lèi)型的套管的絕緣性能較為穩(wěn)定，而且耐受電壓值較高。電容式套管是以油紙、膠紙為主要絕緣，并以電容均壓極板來(lái)均勻徑向和軸向電場(chǎng)分布的復(fù)合絕緣材料套管。油紙?zhí)坠芎湍z紙?zhí)坠艿膬?nèi)部絕緣在結(jié)構(gòu)上幾乎沒(méi)有區(qū)別，都是以絕緣紙包繞在中心導(dǎo)桿上，到一定尺寸時(shí)再放置用來(lái)均勻電場(chǎng)的鋁箔極板。由于絕緣材料和制造工藝的不同，油紙?zhí)坠芎湍z紙?zhí)坠芫凶约旱奶匦裕缦聢D所示：通過(guò)以上對(duì)比可知，油紙?zhí)坠艿木址牌鹗茧?/p>

34、壓較高，而且介質(zhì)損耗因數(shù)和溫度系數(shù)低，材料工藝也易于掌握，所以油紙?zhí)坠艿母鞣矫娑驾^為便利。本次設(shè)計(jì)采用的是油紙?zhí)坠軄?lái)保護(hù)和絕緣引入高壓線(xiàn)。2.5 老化箱內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)直流高壓引入到老化箱內(nèi)部后將被施加在絕緣子試驗(yàn)品的鋼腳上，為了防止該高壓端放電對(duì)老化箱內(nèi)部造成危害，所以應(yīng)對(duì)老化箱內(nèi)部進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)。在老化試驗(yàn)的過(guò)程中，試驗(yàn)品的低壓端和信號(hào)引出線(xiàn)相連接，為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)中絕緣子試驗(yàn)品應(yīng)該與老化箱內(nèi)部下方絕緣。所以設(shè)計(jì)出了試驗(yàn)品的絕緣支架。該絕緣支架采用的是耐高溫的復(fù)合材料制成，同時(shí)還可以支撐起絕緣子，并對(duì)其進(jìn)行屏蔽。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如下圖所示：幾十千伏的試驗(yàn)電壓會(huì)對(duì)微弱的信號(hào)產(chǎn)生較大的干

35、擾，影響測(cè)試數(shù)據(jù)。所以信號(hào)引出線(xiàn)也要進(jìn)行絕緣屏蔽設(shè)計(jì)。一般采用的是良好接地的銅、鋁或鐵板來(lái)實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽，考慮到鋁受熱后容易變形，耐溫系數(shù)較低，銅和鐵的屏蔽效果相差無(wú)幾，但是銅的價(jià)格較貴，因此，我們選擇鐵板作為該次試驗(yàn)的屏蔽材料鋪設(shè)在老化箱內(nèi)部。第三章 智能老化箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 溫度控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)為了快捷有效的控制老化箱內(nèi)部的老化溫度，并保證實(shí)驗(yàn)人員的安全。本次設(shè)計(jì)中為老化箱設(shè)計(jì)了基于無(wú)線(xiàn)傳輸模式的溫度控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)目標(biāo)為：老化箱內(nèi)部工作環(huán)境溫度為100，精度要達(dá)到±1。整個(gè)無(wú)線(xiàn)溫度控制系統(tǒng)分為兩個(gè)部分：手持端部分和執(zhí)行端部分。手持端部分是由人工控制的，用來(lái)控制調(diào)節(jié)老化箱內(nèi)

36、部的工作溫度，由微處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和按鍵模塊組成。執(zhí)行端部分是用于執(zhí)行手持端部分發(fā)出的設(shè)置信號(hào)，完成老化箱內(nèi)部的溫度調(diào)控。該執(zhí)行端部分由微處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和溫度調(diào)節(jié)模塊組成。老化箱無(wú)線(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：如圖所示上半部分為無(wú)線(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的執(zhí)行端部分，下半部分為手持端部分。該系統(tǒng)的工作原理為：系統(tǒng)上電之后，手持端的按鍵信息經(jīng)MCU處理后通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊送到執(zhí)行端的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊中，然后執(zhí)行端的MCU進(jìn)行處理后驅(qū)動(dòng)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了溫度的遠(yuǎn)程控制與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。3.2 老化箱溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.2.1 微處理器模塊設(shè)計(jì)微處理器模塊的設(shè)計(jì)包括微處理器型號(hào)的選擇、時(shí)

37、鐘電路和復(fù)位電路的設(shè)計(jì)。根據(jù)本次設(shè)計(jì)要求，初步選擇了幾款單片機(jī)，經(jīng)過(guò)性能和價(jià)格的對(duì)比，我們最終選擇了由STC公司生產(chǎn)的STC89C52型單片機(jī)作為處理器。STC89C52 是一種低功耗、高性能的8位微控制器，具有8K字節(jié)的可編程Flash存儲(chǔ)器。使用高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在線(xiàn)系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、高效率的解決方案。STC89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O

38、口線(xiàn)，看門(mén)狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，STC89C52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。8位微控制器8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash。如上圖所示，STC89C52一共有40個(gè)引腳，按照功能可以大致分為電源類(lèi)引腳和時(shí)鐘類(lèi)引腳、I/O接口引腳、編程控制類(lèi)引腳，各引腳的功能分別為：VCC(40引腳)：電源電壓VSS(20引腳)

39、：接地P0口：P0口是一個(gè)8位漏極開(kāi)路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P0端口寫(xiě)“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時(shí)，P0口也用來(lái)接收指令字節(jié);在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。P1口：P1口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P1 端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流(IIL)。此外，P

40、1.0和P1.2分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入(P1.0/T2)和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2 的觸發(fā)輸入(P1.1/T2EX)，具體如下表所示。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。引腳號(hào)功能特性P1.0T2（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出P1.1T2EX（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2捕獲/重裝觸發(fā)和方向控制）P2口：P2口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O 口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P2端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流(IIL)。在訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取

41、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(例如執(zhí)行MOVX DPTR)時(shí)，P2口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址(如MOVX RI)訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。P3口：P3口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O 口，P3輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P3端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流(IIL)。RST復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE

42、/PROG當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE(地址鎖存允許)輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。PSEN程序儲(chǔ)存允許(PSEN)輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)STC89C52由外部程序存儲(chǔ)器取指令(或數(shù)據(jù))時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖，在此期間，當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)兩次PSEN信號(hào)。EA/VPP外部訪(fǎng)問(wèn)允許，欲使CPU僅訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器(地址為0000H-FFFFH)，EA端必須保持低電平(接地)

43、。3.2.2 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路是微處理器必不可少的設(shè)備之一。系統(tǒng)時(shí)鐘是由振蕩器(信號(hào)源)、定時(shí)喚醒器、分頻器等組成的電路。常用的信號(hào)源有晶體振蕩器和RC振蕩器。時(shí)鐘是嵌入式系統(tǒng)的脈搏,處理器內(nèi)核在時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下完成指令執(zhí)行,狀態(tài)變換等動(dòng)作。外設(shè)部件在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下完成各種工作,比如串口數(shù)據(jù)的發(fā)送、A/D轉(zhuǎn)換、定時(shí)器計(jì)數(shù)等等。因此時(shí)鐘對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是至關(guān)重要的，通常時(shí)鐘系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題也是致命的，比如振蕩器不起振、振蕩不穩(wěn)、停振等。在本次設(shè)計(jì)中選用了片內(nèi)時(shí)鐘振蕩的方式，在XTAL1和XTAL2這兩個(gè)引腳外接12MHz的晶振和30pF的振蕩電路，如下圖所示：3.2.3 系統(tǒng)的復(fù)位電路復(fù)位電路可以讓

44、微處理器在處于惡劣環(huán)境中使用造成系統(tǒng)進(jìn)入死循環(huán)或者程序跑“飛”的情況下讓微處理器從頭執(zhí)行程序。因此，復(fù)位電路是系統(tǒng)所必須的。本次設(shè)計(jì)中看門(mén)狗電路是一個(gè)必要的電路，用來(lái)捕獲和復(fù)位已經(jīng)失去了控制的處理器。本次設(shè)計(jì)的復(fù)位電路如下圖所示，同時(shí)具備手動(dòng)復(fù)位和自動(dòng)復(fù)位的功能，圖中S1為手動(dòng)復(fù)位按鈕。3.2.4 無(wú)線(xiàn)控制模塊設(shè)計(jì)在絕緣子老化的過(guò)程中，老化箱一直通有高電壓，所以當(dāng)其內(nèi)部的溫度需要改變時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員就必須得要觸碰箱體溫控儀表上的按鈕，為了保證實(shí)驗(yàn)人員的安全，防止發(fā)生觸電事故，實(shí)驗(yàn)人員必須要與高壓電保持一定的距離，但實(shí)驗(yàn)過(guò)程中老化箱溫度的調(diào)節(jié)又是一項(xiàng)必要的工作。所以，在本次設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了基于無(wú)線(xiàn)通信模

45、式的溫度控制系統(tǒng)。（1）無(wú)線(xiàn)通信模塊的選擇短距離通信是指發(fā)送和接收雙方在幾十米的較小范圍內(nèi)，以電磁波為載體，在空氣中進(jìn)行傳播。在這種短距離通信中，比較流行的是藍(lán)牙通信、紅外傳輸通信、WIFI通信以及基于射頻芯片nRF2401的無(wú)線(xiàn)模塊，這幾種短距離的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)均有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)。藍(lán)牙通信：它的傳輸距離為10cm10m，如果增加功率或是加上某些外設(shè)便可達(dá)到100m的傳輸距離。該技術(shù)功耗低、對(duì)人體危害小，而且應(yīng)用簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，所以易于推廣。紅外傳輸通信：采用紅外技術(shù)的產(chǎn)品有方向性，發(fā)射器必須對(duì)準(zhǔn)接收器，并且中間不能有阻擋物。距離一般不超過(guò)7米、不受電磁干擾,紅外類(lèi)產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)是產(chǎn)品成本低、價(jià)格便

46、宜。WIFI通信：速度快，可靠性高，在開(kāi)放性區(qū)域，通訊距離可達(dá)305米，在封閉性區(qū)域，通訊距離為76米到122米，方便與現(xiàn)有的有線(xiàn)以太網(wǎng)絡(luò)整合，但是其通信協(xié)議復(fù)雜，且價(jià)格較貴。nRF2401模塊：芯片能耗非常低，以-5dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有10.5mA，接收時(shí)工作電流只有18mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計(jì)更方便，掉電模式可以很容易的實(shí)現(xiàn)低功耗需求。藍(lán)牙和WIFI的通信協(xié)議比較復(fù)雜，開(kāi)發(fā)起來(lái)比較困難；紅外傳輸?shù)耐ㄐ啪嚯x比較短，有接收角度的限制而且通信過(guò)程中不能有障礙物阻擋。與上述三種傳輸方式相比nRF2401無(wú)線(xiàn)傳輸模塊很合適，nRF2401功耗和價(jià)格都略低，雖然在傳輸速度、通信距

47、離和抗干擾方面不是很強(qiáng)，但是也足夠滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)需求。所以，通過(guò)以上比較，本次設(shè)計(jì)采用了性?xún)r(jià)比較高的nRF2401無(wú)線(xiàn)傳輸模塊。（2）nRF2401芯片及其模塊簡(jiǎn)介nRF2401是由Nordic公司出品的單芯片無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，工作于2.4GHz2.5GHz的全球免申請(qǐng)（ISM）頻率。芯片包括一個(gè)完全集成的頻率合成器，功率放大器，晶體振蕩器和調(diào)制器。發(fā)射功率和工作頻率等工作參數(shù)可以很容易的通過(guò)3線(xiàn)SPI端口完成。極低的電流消耗，在-5dBm的輸出功率時(shí)僅為10.5mA，在接收模式時(shí)僅為18mA。掉電模式可以很容易的實(shí)現(xiàn)低功耗需求。nRF2401芯片尺寸為25mm²，共有24個(gè)引腳，采用QFN封

48、裝模式，其封裝如圖：nRF2401芯片各引腳功能描述：基于nRF2401芯片的無(wú)線(xiàn)模塊的外形尺寸為21.5mm×20mm，已配置好芯片工作所需的外圍元件。nRF2401無(wú)線(xiàn)通信模塊一共為用戶(hù)提供了16個(gè)接口，其示意圖如下：3.2.5 按鍵模塊設(shè)計(jì)非編碼按鍵有兩種：獨(dú)立按鍵和矩陣按鍵。獨(dú)立按鍵的編程相對(duì)來(lái)說(shuō)較為簡(jiǎn)單，但是每一個(gè)獨(dú)立的按鍵都需要占用一個(gè)I/O接口；矩陣按鍵的編碼較為復(fù)雜，但它不需要占用很多的I/O接口，該種編程方法適合于按鍵較多的情況。本次設(shè)計(jì)中只需要四個(gè)按鍵來(lái)改變?cè)O(shè)定的溫度值，這四個(gè)按鍵分別為set、+、-，set是溫度設(shè)定鍵，是位移鍵，+、-分別為數(shù)量加和數(shù)量減。由于

49、本次設(shè)計(jì)中所需要的按鍵數(shù)量并不多，所以本次設(shè)計(jì)采用的是獨(dú)立按鍵模式。在按鍵的過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生按鍵抖動(dòng)，為了消除這種抖動(dòng)，我們可以通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是考慮到nRF2401對(duì)時(shí)序要求很?chē)?yán)格，為了不影響按鍵的正常使用，抖動(dòng)還是要消除，我們?cè)谶@里選擇硬件消除的方法消除，采用HCF40106，如圖所示為按鍵模塊的電路設(shè)計(jì)：3.2.6 溫度控制模塊設(shè)計(jì)老化箱內(nèi)部選用電熱絲進(jìn)行加熱，總功率為3KW，溫度變化范圍為室溫到100之間，精度為±1，為了使內(nèi)部各點(diǎn)的溫度均勻，其內(nèi)部采用了風(fēng)扇進(jìn)行均勻加熱。其加熱模塊電路設(shè)計(jì)圖如圖所示：本次設(shè)計(jì)選用的是XMT6000型智能溫度調(diào)節(jié)儀表對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量和控制

50、，如圖所示電路，在電源開(kāi)關(guān)閉合后，傳感器開(kāi)始采集當(dāng)前溫度，溫控表對(duì)設(shè)定溫度和當(dāng)前溫度進(jìn)行比較，當(dāng)前溫度小于設(shè)定溫度時(shí)，交流接觸器觸點(diǎn)KM吸合，電熱絲進(jìn)行加熱，當(dāng)前溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，觸點(diǎn)KM斷開(kāi)，加熱回路就斷開(kāi)了。3.2.7 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)在這次實(shí)際試驗(yàn)中，由于現(xiàn)場(chǎng)的情況比較復(fù)雜，在現(xiàn)場(chǎng)不僅有弱電設(shè)備，而且還有許多的強(qiáng)電設(shè)備；不僅含有數(shù)字電路，還有模擬電路，形成一個(gè)強(qiáng)電與弱電、數(shù)字與模擬共存的現(xiàn)場(chǎng)。高速變化的數(shù)字信號(hào)有可能形成對(duì)模擬信號(hào)的干擾；此外，在強(qiáng)電設(shè)備中往往有電感、電容等儲(chǔ)能元件，當(dāng)電壓、電流發(fā)生強(qiáng)烈變化的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生很大的干擾，而這些干擾會(huì)對(duì)電子元器件產(chǎn)生很大的干擾和危害，這也是導(dǎo)

51、致設(shè)備運(yùn)行異常、故障死機(jī)的主要原因。由于對(duì)整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要求簡(jiǎn)單輕便，這就要求單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)既有較強(qiáng)的抗干擾能力，而且還不能占用較多的硬件資源。所以要考慮以下一些問(wèn)題：（1）選擇合適的元器件元器件是構(gòu)成部件或系統(tǒng)的基礎(chǔ)。對(duì)于這次設(shè)計(jì)，我們需要選擇那些集成化程度高，抗干擾能力強(qiáng)，功耗小的電子器件。（2）元部件的精密度與布局調(diào)整元器件的精度和位置布局是保證系統(tǒng)完成既定功能和電磁兼容性能的重要保證，所以在系統(tǒng)的試驗(yàn)階段，應(yīng)對(duì)元器件及部件進(jìn)行精密校正與布局的優(yōu)化。（3）采用硬件抗干擾技術(shù)采用硬件抗干擾技術(shù)是設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)首選的抗干擾措施，硬件抗干擾技術(shù)可以有效地抑制干擾源，阻斷干擾傳輸通道。只要布局

52、合理，硬件抗干擾措施就能抑制系統(tǒng)絕大部分的干擾。（4）采用軟件抗干擾技術(shù)盡管我們采取了硬件抗干擾措施，但由于干擾信號(hào)產(chǎn)生的原因很復(fù)雜，而且具有很大的隨機(jī)性，很難保證系統(tǒng)完全不受到干擾。所以，不僅需要硬件抗干擾措施，還需要軟件抗干擾技術(shù)加以補(bǔ)充。（5）攔截技術(shù)所謂的攔截技術(shù)，就是指將亂飛的程序引向指定的位置，再進(jìn)行出錯(cuò)處理。通常采用軟件陷阱的方法來(lái)攔截亂飛程序。所以要先設(shè)計(jì)出合理的軟件陷阱，然后再將其放置在合理的位置上。其工作原理是：當(dāng)亂飛的程序進(jìn)入非程序區(qū)時(shí)，冗余指令將無(wú)法起到作用。但是通過(guò)軟件陷阱，攔截亂飛程序，并將其引向指定的位置，然后進(jìn)行處理。軟件陷阱將捕獲的亂飛程序引向復(fù)位入口地址的指

53、令，這樣便可以終止本次運(yùn)行，然后重新開(kāi)始下一次運(yùn)行。（6）軟件“看門(mén)狗”技術(shù)如果失控的程序進(jìn)入了死循環(huán)，通?？梢圆捎谩翱撮T(mén)狗”技術(shù)使程序脫離“死循環(huán)”。該方法是通過(guò)判斷程序循環(huán)運(yùn)行的時(shí)間，若發(fā)現(xiàn)程序運(yùn)行的時(shí)間超過(guò)了最大循環(huán)運(yùn)行的時(shí)間，則認(rèn)為其陷入了死循環(huán)，就將其進(jìn)行出錯(cuò)處理。3.3 老化箱系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.3.1 軟件編寫(xiě)注意事項(xiàng)為了提高微處理器測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，除了采取指令冗余、軟件陷阱、“看門(mén)狗”技術(shù)之外，在編寫(xiě)程序時(shí)還需要注意以下幾點(diǎn)：（1）盡可能地采用單字節(jié)指令，以減少因干擾而導(dǎo)致程序亂飛的機(jī)率。（2）盡可能少用堆棧指令。雖然程序運(yùn)行中經(jīng)常會(huì)用到堆棧指令，但是堆棧指令較容易受到干擾而

54、導(dǎo)致出錯(cuò)，堆棧操作的次數(shù)越多，出錯(cuò)的幾率也會(huì)越大。所以，在使用堆棧操作指令時(shí)，不能使用太多，還應(yīng)減少子程序的個(gè)數(shù)，特別注意不要使子程序嵌套層次過(guò)多。從抗干擾的角度來(lái)看，棧區(qū)的設(shè)置應(yīng)該遠(yuǎn)離程序區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)，最好單獨(dú)設(shè)置，避免影響程序的其他部分。（3）硬件“看門(mén)狗”電路，定時(shí)輸出清除脈沖最好不用內(nèi)部定時(shí)器的中斷方式，因?yàn)镃PU有可能會(huì)因干擾使主程序陷入死循環(huán)，但定時(shí)器中斷仍然發(fā)生，繼續(xù)發(fā)出清除脈沖信號(hào)，使“看門(mén)狗”電路失效。3.3.2 主程序設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的主程序部分分為手持端主程序和執(zhí)行端主程序。手持端通過(guò)按鍵向執(zhí)行端發(fā)送消息，執(zhí)行端接收信息后會(huì)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繼電器吸合，通過(guò)繼電器的吸合動(dòng)作來(lái)完成老化箱

55、內(nèi)部的升溫。智能溫控儀表會(huì)將設(shè)定好的溫度與老化箱內(nèi)部測(cè)得的當(dāng)前溫度進(jìn)行比較，從而決定控制電熱絲的繼電器是否吸合，從而實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)控制溫度的變化。如下圖所示為手持端主程序的流程圖：如上圖所示，在nRF2401通電以后，無(wú)線(xiàn)模塊進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，然后微處理器通過(guò)I/O接口將配置寫(xiě)入nRF2401，使其工作在判斷模式下。然后微處理器開(kāi)始進(jìn)行按鍵檢測(cè)，若檢測(cè)不到按鍵被按下則微處理器一直執(zhí)行按鍵檢測(cè)；如果微處理器檢測(cè)到了按鍵被按下則開(kāi)始向執(zhí)行端發(fā)送相應(yīng)的按鍵編碼，發(fā)送完畢后再回到判斷模式。如上圖所示為執(zhí)行端主程序流程圖，在nRF2401通電以后，先對(duì)其進(jìn)行工作參數(shù)的配置，使其進(jìn)入判斷模式。然后微處理器開(kāi)始進(jìn)行

56、數(shù)據(jù)檢測(cè)，若檢測(cè)不到數(shù)據(jù)則繼續(xù)進(jìn)行檢測(cè)。如果檢測(cè)到了數(shù)據(jù)，則將接收到的數(shù)據(jù)賦給P1，然后控制電熱絲的繼電器將會(huì)吸合50ms之后斷開(kāi)。微處理器將再次回到判斷模式。3.3.3 按鍵處理程序設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)中，手持端共有四個(gè)按鍵，分別為設(shè)定鍵set、位移鍵、加號(hào)鍵+、減號(hào)鍵-。每按下一個(gè)鍵后，手持端的無(wú)線(xiàn)模塊就會(huì)向執(zhí)行端的無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送一個(gè)代碼，按鍵處理流程圖如下圖所示：3.3.4 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)執(zhí)行端無(wú)線(xiàn)模塊接收數(shù)據(jù)后，微處理器將會(huì)對(duì)此代碼進(jìn)行分析判斷，之后會(huì)使相應(yīng)的I/O口輸出50ms的低電平來(lái)讓相對(duì)應(yīng)的繼電器短暫吸合，由于繼電器跟老化箱溫控儀表上的溫度設(shè)定鍵是并聯(lián)的，所以繼電器的短暫吸合等效了按鍵的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了溫度設(shè)定值的改變，其數(shù)據(jù)處理流程圖如下圖所示：3.3.5 RAM數(shù)據(jù)保護(hù)程序設(shè)計(jì)單片機(jī)外部的RAM保存有大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的寫(xiě)入使用的是“MOVXDPTR,A”指令來(lái)完成。當(dāng)CPU收到干擾而非法執(zhí)行該指令時(shí)，就會(huì)改寫(xiě)RAM中的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致RAM中的數(shù)據(jù)丟失。為了減少這種可能性，可在RAM寫(xiě)操作之前加入