變壓器智能保護模塊中油溫檢測系統(tǒng)的設計

IV變壓器智能保護模塊中油溫檢測系統(tǒng)的設計[摘要]為了確保變壓器能夠連續(xù)安全的供電,變壓器的油溫必須保持在一定溫度下進行運行。本文就針對變壓器運行中油溫過熱的問題，設計了由AT89C51單片機控制的硬件電路來實現(xiàn)變壓器油溫的實時檢測，根據(jù)變壓器油溫的變化情況進行報警及切閘保護。硬件接口電路主要包括油溫檢測電路、串口通信、實時時鐘、顯示電路、鍵盤掃描電路、報警和切閘電路。本系統(tǒng)就是采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20對變壓器的油溫進行實時的檢測；采用RS-485實現(xiàn)單片機與上位機（PC機）之間的通信；采用實時時鐘DS1302來顯示時間并記錄故障信息；采用字庫芯片配合液晶模組來實時顯示油溫及時間；采用鍵盤掃描模塊實現(xiàn)人機交換，完成油溫限值及修改時間的設置；采用聲光報警及切閘電路來進行報警及切閘保護操作。該系統(tǒng)具有檢測精度高,速度快,穩(wěn)定性好等特點,也可應用于其它相關(guān)的溫度控制系統(tǒng),其通用性較強。[關(guān)鍵詞]AT89C51；DS18B20；變壓器；油溫檢測Abstract:Inordertoensurethatacontinuousandsafetypowersupplyoftransformer,transformeroiltemperaturemustbemaintainedonacertaintemperaturelevel.Thispaperisaimtosolvetheproblemsthattransformeroiltemperature,ahardwarecircuitwhichiscontrolledbyAT89C51MCUisdesignedtorealizethemeasurementofthetransformeroiltemperature.Accordingtothechangesofthetransformeroiltemperaturetocarryoutalarmandcutthebrakeforprotection.Ahardwareinterfacecircuitmainlyincludestemperaturemeasurementcircuit,serialcommunication,real-timeclock,displaymodule,keyboardmodule,alarmandcutthebrakecircuit.Thesystemisareal-timemeasurementwhichusesdigitaltemperaturesensorDS18B20ontransformeroiltemperature.ThecommunicationbetweenMCUanduppercomputer(PersonComputer)isrealizedbyusingRS－485.TheDS1302real-timeclockisusedtodisplaytimeandrecordthefalseinformation,usingthewordstockchipswithLCDmoduleforreal-timedisplayoftheoiltemperatureandtime,usingthekeyboardscanmoduletorealizeman-mademachineexchange,completethetemperaturelimitsandsettingtime.Theuseofsoundandlightalarmandcutthebrakecircuittoalarmandcutthebrakeprotection.Thesystemhashighprecision,fastspeed,goodstabilityandsoon,canalsobeappliedtootherrelatedtemperaturecontrolsystem,itsstrongcommonality.Keywords:AT89C51；DS18B20；Transformer；Temperaturemeasurement目錄1引言 11.1課題的研究背景及意義 11.2國內(nèi)、外發(fā)展現(xiàn)狀 11.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成 22系統(tǒng)硬件電路的設計 32.1系統(tǒng)工作原理 32.2系統(tǒng)主控模塊設計 42.2.1AT89C51單片機的引腳結(jié)構(gòu)及功能說明 42.2.2AT89C51單片機的最小系統(tǒng)設計 62.3DS18B20油溫檢測模塊設計 72.3.1溫度傳感器選擇 72.3.2安裝位置 72.3.3DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 72.3.4DS18B20的測溫原理 102.3.5DSl8B20的電路設計 112.4實時時鐘DS1302模塊設計 112.4.1DS1302引腳功能及結(jié)構(gòu) 112.4.2DS1302的電路設計 132.5LCD顯示模塊的設計 132.5.1液晶模組GY1206LBSGW6G 132.5.2字庫芯片GT21L16S2Y 142.5.3顯示電路設計 152.6上位機通信電路 162.6.1RS-485/RS-232電平轉(zhuǎn)換電路 172.6.2單片機的RS-485接口電路 182.7其它外圍電路設計 182.7.1鍵盤處理電路 182.7.2報警、切閘電路 193系統(tǒng)軟件設計 203.1軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析 203.2下位機主程序設計 203.3下位機子程序設計 223.3.1DS18B20測溫模塊子程序 223.3.2實時時鐘子程序 233.3.3LCD顯示子程序 243.3.4按鍵處理程序 243.3.5溫度判斷子程序 253.4上位機通信程序設計 264系統(tǒng)仿真調(diào)試 274.1編程環(huán)境 274.2系統(tǒng)仿真 28結(jié)束語 29致謝 30參考文獻 31附錄一電路原理圖 32附錄二部分仿真電路圖 32附錄三部分程序源代碼 33PAGE371引言1.1課題的研究背景及意義近年來，隨著我國電力事業(yè)的飛速發(fā)展，油浸風冷式電力變壓器以其具有安裝環(huán)境簡單、日常維護方便和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，逐漸在電力系統(tǒng)中得到廣泛應用。電力變壓器是電力系統(tǒng)運行的核心設備之一。因此，電力變壓器安全可靠的運行是電力系統(tǒng)正常運行的根本保障。而造成電力變壓器不能正常工作的主要原因之一是由于變壓器的油溫超過了絕緣耐受溫度，引起了繞組絕緣的破壞。為了提高電力系統(tǒng)運行的可靠性和保證變壓器長期安全、可靠、正常地運行,必須要對變壓器的油溫進行實時的檢測。目前，對于變壓器油溫過高而采用的冷卻保護方式主要有以下三種:第一種是油浸自冷式,具體是采用管式油箱,在變壓器油箱壁上焊接扇型油管,增加散熱面積,多用于中小型變壓器,當變壓器的容量超過2000KVA時,需要的油管多,箱壁布置不下時可以做成可拆卸的散熱器,這種油箱叫散熱式油箱。第二種是油浸風冷式,具體是在散熱器的空檔內(nèi)裝上電風扇,增加散熱效果,采用這種冷卻方式的變壓器一般容量在5000KVA以上。第三種是強迫循環(huán)冷卻式,具體是當變壓器容量達到100MVA時,常用油泵使熱油經(jīng)過專門的冷卻器冷卻,然后再送到變壓器油箱里。變壓器在帶額定負荷和投入冷卻裝置在環(huán)境+40℃下運行時,我國行標DLuT572-95規(guī)定,油浸風冷變壓器的頂層油溫不宜經(jīng)常超過65℃,油箱內(nèi)上層油溫最高允許在+85變壓器的頂層油溫不是一個固定的量,而是隨著變壓器的功率、周圍環(huán)境溫度、散熱條件等諸多因素不斷變化的,因此在變壓器的運行過程中變壓器的頂層油溫也是不斷變化的。及時掌握變壓器油溫的變化情況，對于油浸式變壓器的安全運行有著十分重要的意義。1.2國內(nèi)、外發(fā)展現(xiàn)狀近年來，國、內(nèi)外現(xiàn)場變壓器油溫的測量大多數(shù)仍依靠溫度計構(gòu)成回路來實現(xiàn)，并沒有采用單片機技術(shù)，少數(shù)無人值守變電站的變壓器油溫測控系統(tǒng)雖使用了單片機，但是裝置的控制部分與變壓器的運行部分沒有完全隔離，經(jīng)常將現(xiàn)場的干擾信號引入計算機系統(tǒng)，造成死機現(xiàn)象，不能全方位監(jiān)視程序運行。目前，國內(nèi)外對變壓器運行狀態(tài)溫度的控制主要有以下幾種方法：(1)采用以變壓器上層油溫為散熱冷卻器啟停控制信號的控制回路據(jù)了解，國內(nèi)的變壓器通風控制回路大都是以變壓器上層油溫為風機的啟?？刂菩盘枴Ｔ谶\行中，當變壓器的負荷快速增加時，由于熱慣性的原因，變壓器上層油溫需要經(jīng)過較長時間才能反映出變壓器繞組的工作溫充，這往往可能錯過及時采取有效措施來降低變壓器油溫的時機來保護變壓器，而且回路本身也容易發(fā)生故障。(2)采用通過測量變壓器繞組溫度來控制散熱冷卻器投切的方式大部分變壓器的壽命的終結(jié)是因其失去了應有絕緣能力，而影響絕緣能力的最主要的因素是變壓器運行時的繞組溫度。使用繞組溫度計來檢測運行時的繞組溫度有利于變壓器達到預期的設計壽命。而且，如果以變壓器繞組溫度的高低來分級投切冷卻器和油泵的話，無疑可以解決由于上層油溫滯后的問題。在國外，包括我國出口的一些變壓器，普遍采用通過測量變壓器繞組溫度來控制冷卻器的投切方式。但是，變壓器的繞組溫度直接測量在技術(shù)上有較大困難，并且這種方法的成本較高。(3)利用“熱模擬”方法來測量變壓器油溫所謂“熱模擬”就是采用從變壓器套管型電流互感器取得的與負荷電流成正比的附加電流流經(jīng)復合變送器內(nèi)附設的電熱元件，產(chǎn)生溫升，這樣繞組溫度計就會產(chǎn)生正比于附加電流的附加溫升，從而獲得變壓器的繞組溫度，進而控制變壓器散熱冷卻器的運行。資料顯示，“熱模擬”技術(shù)只能獲得靜態(tài)條件下的變壓器繞組平均溫度，而且繞組溫度計的“熱模擬”的準確度與產(chǎn)品的選型、工作電流的設置、環(huán)境溫度的變化、溫度計座結(jié)構(gòu)等因素都有關(guān)。如果沒有具備“熱模擬”的一些必要條件，將得到與實際情況出入很大的熱點溫度，對運行控制毫無意義。(4)使用紅外技術(shù)對變壓器的工作溫度進行監(jiān)測不同溫度的物體通過紅外成像技術(shù)顯示出來的圖像是不同的，利用這種方法可以實時地對變壓器的工作溫度進行監(jiān)測，以確定什么時候啟動冷卻風機進行控制。該方法比較準確、快速，但直接測量實現(xiàn)起來有很大困難，成本較高，而且此方法容易受到諸多外界因素的影響，如太陽和背景輻射、環(huán)境溫度、氣象條件、發(fā)射率及運行狀態(tài)等。經(jīng)上述分析可以看出目前對變壓器頂層油溫的測量仍然存在一定的問題。直接測量變壓器的頂層油溫會因為熱傳遞的延遲而錯過最佳冷卻時機，而采用直接測量繞組溫度的方法又存在很多技術(shù)上的問題，而且價格昂貴。因此設計一種對變壓器頂層油溫進行實時檢測的系統(tǒng)對變壓器的前期保護具有重要的意義。1.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成本系統(tǒng)采用主從分布式,由一臺上位機(PC機)和下位機(單片機)進行溫度數(shù)據(jù)采集,組成兩級分布式變壓器油溫測量的巡回檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)中采用半雙工串行異步通信RS-485標準實現(xiàn)與上位機的通信,以便能使上位機進行現(xiàn)場的可視化監(jiān)測。其下位機（單片機）主要負責溫度數(shù)據(jù)的采集、處理和控制。該系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成，都采用了模塊化的結(jié)構(gòu)。其硬件接口部分主要包括DS18B20油溫檢測模塊、RS-485串口通信模塊、DS1302實時時鐘模塊、LCD顯示模塊、鍵盤掃描模塊、報警及切閘保護模塊等。軟件程序部分主要包含上位機通信程序、下位機通信程序、DS18B20測溫程序、DS1302實時時鐘程序及記錄故障信息程序、字庫芯片GT21L16S2Y配合液晶模組GY1206LBSGW6G顯示程序、鍵盤處理程序、溫度判斷程序、報警及切閘程序等。2系統(tǒng)硬件電路的設計2.1系統(tǒng)工作原理首先，從鍵盤輸入所需控制的溫度設定值，包括上限報警溫度和切閘溫度。當數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集到變壓器的油溫信號，并將油溫信號送入到AT89C51單片機中進行處理后，由AT89C51單片機來控制字庫芯片GT21L16S2Y配合點陣數(shù)為128*64的液晶模組GY1206LBSGW6G來實時顯示時間、變壓器的油溫及等數(shù)據(jù)信息；同時單片機會對檢測到的變壓器的油溫與設置值進行比較，如果變壓器的油溫大于等于報警溫度80℃且小于等于100℃時，就啟動聲光報警電路。若大于等于100℃時，則啟動切閘保護電路。與此同時，也啟動實時時鐘DS1302來記錄故障數(shù)據(jù)及出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時間等信息圖1系統(tǒng)組成框圖2.2系統(tǒng)主控模塊設計本系統(tǒng)采用的主控器是AT89C51單片機。AT89C51是由美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含有4Kbytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲器既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，ATMEL公司的功能強大，低性價比的AT89C51單片機可靈活應用于各種控制領域。AT89C51提供以下標準功能：4kbytes字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。2.2.1AT89C51單片機的引腳結(jié)構(gòu)及功能說明AT89C51單片機引腳圖如下：圖2AT89C51引腳結(jié)構(gòu)圖VCC（40腳）：供電電壓。GND（20腳）：接地。P0口，P0.0～P0.7（39～32腳）：P0口是一個8位漏極開路的I/O口。當CPU以總線的方式訪問片外存儲器時，P0口分時地輸出低8位地址、讀入指令和輸入/輸出數(shù)據(jù)，此時P0口可以驅(qū)動8個LS型TTL負載。當P0口作為一般I/O口時，為準雙向口（各位輸入前必須先輸出1），并且做輸出時必須接上來電阻，此時P0口可以驅(qū)動4個LS型TTL負載。P1口，P1.0～P1.7（1～8腳）：P1口是一個內(nèi)部有上拉的8位準雙向I/O口，作為一般I/O口使用，可以驅(qū)動4個LS型TTL負載。P2口，P2.0～P2.7（21～28腳）：P2口是一個內(nèi)部有上拉的8位I/O口，當CPU以總線的方式訪問片外存儲器時，P2口輸出高8位地址。作為一般I/O口時，為準雙向I/O口，可以驅(qū)動4個LS型TTL負載。P3口，P3.0～P3.7（10～17腳）：P3口是一個內(nèi)部有上拉的8位I/O口，還是一個雙功能口。作為一般I/O口使用時，為準雙向I/O口，可以驅(qū)動4個LS型TTL負載。各引腳第二功能如表1所示。RST（9腳）：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時當8051通電，時鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復位。初始化后，程序計數(shù)器PC指向0000H，P0-P3輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫入07H，其它專用寄存器被清“0”表1P3口各引腳第二功能定義引腳第二功能P3.0RXD:串行口輸入P3.1TXD:串行口輸出P3.2/INT0:外部中斷0請求輸入P3.3/INT1:外部中斷1請求輸入P3.4T0：定時器/計數(shù)器0外部計數(shù)脈沖輸入P3.5T1：定時器/計數(shù)器1外部計數(shù)脈沖輸入P3.6/WR:外部數(shù)據(jù)存儲器寫控制信號輸出P3.7/RD:外部數(shù)據(jù)存儲器寫控制信號輸出ALE（/PROG）（30腳）：ALE為地址鎖存信號，每個機器周期輸出兩個正脈沖。在訪問片外存儲器時，下降沿用于控制外接的地址鎖存器鎖存從P0口輸出的低8位地址。在沒有接外部存儲器時，可以將該引腳的輸出作為時鐘信號使用。若要檢查單片機是否工作，可以使用示波器查看該引腳是否有脈沖信號輸出。ALE可以驅(qū)動8個LS型TTL（低功耗甚高速TTL）負載。/PROG為片內(nèi)程序存儲器的編程脈沖輸入端，低電平有效。/PSEN（29腳）：片外程序存儲器讀選通信號輸出端，每個機器周期輸出兩個負脈沖，低電平有效。在訪問片外存儲器時，該信號不出現(xiàn)。/PSEN可以驅(qū)動8個LS型TTL負載。/EA（UPP）（31腳）：/EA為片外程序存儲器選擇輸入端。該引腳為低電平時，使用片外程序存儲器，為高電平時，使用片內(nèi)程序存儲器。UPP片內(nèi)程序存儲器編程電壓輸入端。其電壓值與片內(nèi)可編程ROM類型有關(guān)。XTAL1（19腳）：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2（18腳）：來自反向振蕩器的輸出。2.2.2AT89C51單片機的最小系統(tǒng)設計圖3AT89C51最小系統(tǒng)連接圖單片機最小系統(tǒng)設計如圖3所示，其中：（1）復位電路單片機上電時，當振蕩器正在運行時，只要持續(xù)給出RST引腳連續(xù)幾個機器周期的高電平，便可完成系統(tǒng)復位。外部復位電路是為內(nèi)部復位電路提供兩個機器周期以上的電平而設計的。本系統(tǒng)采用手動復位，顯然，按鍵未按下時R1不起任何作用，C和R2部分具有上電自動復位功能；按鍵按下后，R1、R2組成分壓電路，可以給RST引腳提供高電平以實現(xiàn)復位。在本系統(tǒng)設計中，C取10uF,R1、R2各取10kΩ。（2）振蕩電路AT89C51單片機內(nèi)部有兩種產(chǎn)生振蕩信號的放大電路，一種是內(nèi)部方式，一種是外部方式。本系統(tǒng)采用內(nèi)部方式，即利用單片機內(nèi)部的放大電路，外接晶振等器件構(gòu)成的振蕩電路。AT89C51單片機內(nèi)部有一個高增益的反相放大器，反相放大器的輸入端為XTAL1，輸出端為XTAL2，兩端接晶振及兩個電容，就可以構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器。在本系統(tǒng)設計中電容C1、C2選20pF，晶振選用11.0592MHz的標準石英晶振。另外，在設計電路板時應注意晶振和電容應靠近單片機芯片，以便減少寄生電容，保證振蕩器穩(wěn)定可靠工作。（3）/EA接高電平，選用片內(nèi)程序存儲器。2.3DS18B20油溫檢測模塊設計溫度檢測裝置是變壓器油溫檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。因此，首先必須解決好選用合適的溫度傳感器以及溫度傳感器的安裝位置這兩個問題，以便更確切地檢測變壓器運行時的油溫狀況。2.3.1溫度傳感器選擇常用的溫度傳感器有很多，如熱電偶、熱敏電阻、鉑電阻（RTD）和溫度IC等。通過比較,可知用熱敏電阻、熱電偶等測溫元件測出的是電壓信號，需經(jīng)過轉(zhuǎn)換后才能輸出對應的溫度。且需要比較多的外部元件支持，且硬件電路復雜，制作成本相對較高。而采用DS18B20溫度傳感器可以直接測出溫度信號。DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。故選用DS18B20溫度傳感器作為配電變壓器的溫度傳感器。數(shù)字化溫度傳器DSl8B20是美國Dallas半導體公司生產(chǎn)的，它支持單總線接口，其內(nèi)部使用了在板(ON—BOARD)專利技術(shù)。全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。其測量溫度范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范圍內(nèi)，精度為±0．5℃。溫度傳感器DSl8B20采集到的現(xiàn)場溫度直接以單總線的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。如：環(huán)境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。與前一代產(chǎn)品(世界上第一片支持單總線接El的DSl820溫度傳感器)不同，它支持3.0V～5.5V的電壓范圍，且將溫度傳感器、信號放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、接口全部集成于一芯片，使系統(tǒng)設計更靈活、方便2.3.2安裝位置油浸式配電變壓器一般采用自然循環(huán)冷卻方式并布置于室外。DL/T1102—2009《配電變壓器運行規(guī)程》(以下簡稱《規(guī)程》)規(guī)定的油浸式配電變壓器檢測溫度為頂層油溫,考慮到安裝維護方便,傳感器的安裝位置確定為變壓器的外殼頂部。另外，為了防止太陽直射和外界溫度對測溫探頭造成誤差,測溫探頭需用隔熱罩封閉。隔熱罩主體由不銹鋼材料制成,外部貼上鋁箔隔熱紙。鋁箔隔熱卷材的日照吸收率（太陽輻射吸收系數(shù))極低(約為0.07),可以反射掉93%以上的輻射熱,具有卓越的隔熱保溫性能,因此該裝置能很好的隔開外界溫度,保證傳感器所測溫度的準確性。2.3.3DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（1）DS18B20引腳定義：DS18B20的管腳排列如圖4所示：GND：電源地；I/O：為數(shù)字信號輸入/輸出端；VDD：為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。圖4DS18B20管腳排列（2）DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下：圖5DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產(chǎn)品類型標號，接著的48位是該DS18B20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉(zhuǎn)化為例：用16位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以0.0625℃/LSB形式表達，其中S為符號位。其溫度值格式如下表2表2DS18B20溫度值格式表這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在DS18B20的兩個8Byte的RAM中，二進制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實際溫度。例如+125℃的數(shù)字輸出為07D0H，+25.0625℃的數(shù)字輸出為0191H，-25.0625℃的數(shù)字輸出為FE6FH，-55℃表3部分溫度值對應的二進制溫度數(shù)據(jù)DS18B20溫度傳感器的存儲器。DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EEROM。高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)為8字節(jié)的存儲器，結(jié)構(gòu)如圖6所示。頭2個字節(jié)包含測得的溫度信息，第3和第4字節(jié)TH和TL的拷貝，是易失的，每次上電復位時被刷新。第5個字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。圖6高速暫存RAM存儲器的結(jié)構(gòu)配置寄存器配置寄存器結(jié)構(gòu)圖如下：圖7配置寄存器結(jié)構(gòu)該字節(jié)各位的意義如下：低五位一直都是“1”，TM是測試模式位，用于設置DS18B20在工作模式還是在測試模式。在DS18B20出廠時該位被設置為0，用戶不要去改動。R1和R0用來設置分辨率，如下表4所示：（DS18B20出廠時被設置為12位）表4溫度分辨率設置表2.3.4DS18B20的測溫原理DS18B20測溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時的延時時間由2s減為750ms。DS18B20測溫原理如圖7所示。圖7DS18B20測溫原理框圖圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在-55℃所對應的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖72.3.5DSl8B20的電路設計DS18B20的供電方式有兩種：寄生電源供電方式和外部電源供電方式。在本系統(tǒng)設計中，采用外部電源供電方式。DS18B20與單片機連接的圖如圖8所示。其中引腳VCC外接5V的電源，引腳GND接地，中間的引腳I/O直接與單片機的P1.2口相接，進行數(shù)據(jù)的傳輸。圖8DSl8B20的電路設計圖2.4實時時鐘DS1302模塊設計在測量控制系統(tǒng)中,一般都采用實時時鐘DS1302來準確的控制顯示的時間，實時時鐘DS1302不僅可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，還具有閏年補償?shù)墓δ?。并且也可以在長時間無人職守的測控系統(tǒng)中,記錄一些具有特殊意義的數(shù)據(jù)及該數(shù)據(jù)出現(xiàn)的時間?；贒S1302實時時鐘芯片的強大功能,該芯片在本系統(tǒng)中主要完成以下功能:在正常工作的情況下,提供實時顯示系統(tǒng)的時間信息。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,記錄故障數(shù)據(jù)及出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時間。2.4.1DS1302引腳功能及結(jié)構(gòu)DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘芯片,它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，且具有閏年補償功能，工作電壓寬達2.5～5.5V。采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。內(nèi)部有一個31×8的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源后背電源雙電源引腳，同時提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力。DS1302的引腳結(jié)構(gòu)及功能說明DS1302管腳排列圖如圖9所示VCC1為后備電源，VCC2為主電源，GND為地。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行。DS1302由VCC1或VCC2兩者中的較大者供電。當VCC2大于VCC1＋0.2V時，VCC2給DS1302供電。當VCC2小于VCC1時，DS1302由VCC1供電。因此，VCC1常用3V的紐扣電池作為備用電源，VCC2用系統(tǒng)電源作為主電源。圖9DS1302管腳排列圖X1和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振。/RST是復位/片選線，通過把/RST輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。/RST輸入有兩種功能：首先，/RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，/RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當/RST為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對DS1302進行操作。如果在傳送過程中/RST置為低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運行時，在VCC≥2.5V之前，/RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時，才能將/RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)。SCLK為時鐘輸入端。（2）DS1302的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下：圖10DS1302的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.4.2DS1302的電路設計DS1302與單片機的連接僅需3根線：時鐘線SCLK、數(shù)據(jù)線I/O和復位線/RST。在本系統(tǒng)中選擇主電源VCC2用+5V的系統(tǒng)電源供電，晶振為32.768KHz接入X1、X2引腳，與單片機的連接如圖11所示。其中時鐘線SCLK、數(shù)據(jù)線I/O和復位線/RST分別與單片機的P2.5、P2.6、P2.7腳相連接。圖11DS1302與AT89C51的連接2.5LCD顯示模塊的設計當考慮到要形成一個友好的人機界面時,綜合比較各類顯示器件,發(fā)現(xiàn)采用標準漢字字庫芯片GT21L16S2Y來配合液晶模組GY1206LBSGW6G來實現(xiàn)顯示具有許多優(yōu)越性。如（1)適合人眼視覺,不宜疲勞；（2)顯示信息量大；（3)壽命長；（4)無輻射,無污染；（5）能顯示漢字等。因此本系統(tǒng)顯示電路的設計就由標準漢字字庫芯片GT21L16S2Y來配合液晶模組GY1206LBSGW6G來實現(xiàn)。2.5.1液晶模組GY1206LBSGW6GGY1206LBSGW6G是一款屏幕點陣數(shù)為128*64的液晶模組，它的結(jié)構(gòu)有別于傳統(tǒng)的COB模組，雖然也帶有PCB，但液晶控制和驅(qū)動（Controller&Driver）是直接做在玻璃（Panel）上，從而使整個模組顯得更輕便，PCB上不僅承載有液晶驅(qū)動所需的升壓電路，周邊的定位孔更方便用戶的結(jié)構(gòu)定位。整個模組是通過SPI串口與單片機進行通信的，同時，模組支持的邏輯電壓范圍為1.8V～3.3V。其背光部分采用白色LED背光燈，配合藍底STN負顯玻璃，點亮后呈現(xiàn)藍底白字顯示效果，非常漂亮。其結(jié)構(gòu)如圖12所示。圖12GY1206LBSGW6G的模組結(jié)構(gòu)引腳在線路板的反面，其順序依次如表6所示：表6GY1206LBSGW6G的引腳功能No引腳I/OFunction1SII串口數(shù)據(jù)輸入端2SCLI串口時鐘信號輸入端3～10NC空腳11CS片選端12AO數(shù)據(jù)/指令端口.RS=1,顯示數(shù)據(jù)RS=0,控制數(shù)據(jù)13RST復位信號14VDD模組電源輸入端15VSS模組電源接地端16LEDK背光LED供電負端（-）17LEDA背光LED供電正端（+）其時序的具體操作如下：CS管腳是片選信號，作為訪問SPI串口的控制線。CS由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，即出現(xiàn)下降沿時表示SPI操作開始，當其由低電平變?yōu)楦唠娖剑闯霈F(xiàn)上升沿時表示SPI操作結(jié)束。當然，如果單片機的I/O口較少，可采用偷懶的方法，即在硬件上將CS腳保持拉低。在寫入寄存器數(shù)據(jù)操作時，除開要將CS腳拉低外，還要將A0置低，以通知LCD模組即將進行的是對寄存器的操作；SCL提供串行時鐘，控制數(shù)據(jù)的移入，SCL下降沿時對SI上的數(shù)據(jù)進行采樣，上升沿時觸發(fā)LCD模塊將數(shù)據(jù)最終載入。2.5.2字庫芯片GT21L16S2YGT21L16S2Y是一款內(nèi)含11X12點陣和15X16點陣的漢字庫芯片，支持GB2312國標簡體漢字（含有國家信標委合法授權(quán)）、ASCII字符及GB2312與Unicode編碼互轉(zhuǎn)表。排列格式為豎置橫排。通過字符內(nèi)碼，利用一定的方法計算出該字符點陣在芯片中的地址，可從該地址連續(xù)讀出字符點陣信息。（1）芯片特點如下：數(shù)據(jù)總線：SPI串行總線接口點陣排列方式：字節(jié)豎置橫排時鐘頻率：30MHz(max.)+3.3V工作電壓：2.7V～3.6V電流：工作電流：12mA待機電流：10uA封裝：SOP8尺寸（SOP8）：4.90mmX3.90mm（193milX154mil）工作溫度：-20℃～85℃數(shù)據(jù)總線：SPI串行總線接口圖13GT21L16S2Y的引腳排列（2）GT21L16S2Y的引腳排列及功能說明GT21L16S2Y的引腳排列如圖13、功能說明表如表7所示。表7GT21L16S2Y引腳功能SOP名稱I/O描述1/CSI片選輸入2SOO串行數(shù)據(jù)輸出3NC懸空4GND地5SII串行數(shù)據(jù)輸入6SCLKI串行時鐘輸入7/HOLDI總線掛起8VCC電源2.5.3顯示電路設計通常有兩種LCD模塊的連接方法：直接控制和間接控制。所謂直接控制就是指LCD模組的總線接口直接與單片機端口相連接，然后單片機通過程序控制端口模擬LCD的總線時序來完成對其的控制操作；而間接控制指的是單片機本身就有外部總線拉出，與LCD的總線接口對應的連接上，程序中直接操作總線以控制LCD。由于本系統(tǒng)設計中采用AT89C51單片機，其沒有外部總線引出，因此在用AT89C51單片機控制LCD模塊時，選擇直接控制的方式，即利用端口來模擬總線時序；當然如果單片機本身就有總線而且也與LCD模塊的總線配得上的話，肯定會使用總線連接的間接控制方式。另外，由于液晶模組GY1206LBSGW6G和字庫芯片GT21L16S2Y所需的供電電壓均為+3.3V，而AT89C51單片機所需的供電電壓為+5V，因此在使兩者進行連接時，需要相應的電平轉(zhuǎn)換電路使+5V電壓轉(zhuǎn)換成+3.3V電壓，使單片機能夠和液晶模組GY1206LBSGW6G及字庫芯片GT21L16S2Y正常的配合以實現(xiàn)顯示的功能。AT89C51與GY1206LBSGW6G及GT21L16S2Y的連接圖如下所示。圖14AT89C51與GY1206LBSGW6G連接圖15AT89C51與GT21L16S2Y連接2.6上位機通信電路串行通信主要包括兩個部分，一是上位機對下位機所發(fā)出的查詢指令；二是上位機接收下位機發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)及故障信息。單片機與PC機之間以RS-232通信最為常見，PC機對外的兩個串口COMl、COM2都是專門為RS-232通信而設置的。雖然RS-232的通信方式比較方便，但它存在通信距離短（<15m），抗干擾能力不理想等缺點。RS-485通信方式與RS-232相比就有很多優(yōu)點，首先它的通信距離(<1300m)比RS-232要遠得多，而且還可以實現(xiàn)多點通信方式，且RS-485采用差模信號傳輸方式，與地電平關(guān)系不大，因而它抗干擾的能力比RS-232強得多，即便在信號電壓比較小的情況下也能獲得穩(wěn)定的傳輸。因此，本系統(tǒng)就采用RS-485接口標準來實現(xiàn)上位機與下位機的通信。RS-485的接口標準特點如下：RS-485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+(2～6)V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-(2～6)V表示。接口信號電平比RS-232-C降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps。RS-485接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強，即抗噪聲干擾性好。RS-485最大的通信距離約為1219m，最大傳輸速率為10Mb/S，傳輸速率與傳輸距離成反比，在100Kb/S的傳輸速率下，才可以達到最大的通信距離，如果需傳輸更長的距離，需要加485中繼器。RS-485總線一般最大支持32個節(jié)點，如果使用特制的485芯片，可以達到128個或者256個節(jié)點，最大的可以支持到400個節(jié)點。本系統(tǒng)就以PC為上位機，單片機為下位機構(gòu)成變壓器油溫檢測的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，利用RS-485總線進行通信。由于PC機具有一個異步串行控制器和兩個采用RS-232串行通信標準接口的COM端口，而單片機采用的是TTL電平，因而要想通過RS-485接口來實現(xiàn)單片機與PC機之間的串行通信，必須采用一個電平轉(zhuǎn)換電路。單片機與PC機遠距離通信的硬件電路主要由單片機與RS-485的接口電路和PC側(cè)的RS-485/RS-232電平轉(zhuǎn)換電路兩部分組成。其通信結(jié)構(gòu)框圖如圖16所示。圖16RS-485通信硬件電路流程2.6.1RS-485/RS-232電平轉(zhuǎn)換電路PC側(cè)的RS-485/RS-232電平轉(zhuǎn)換電路如圖17所示，該電路使用了3片光電耦合器TLP-521，使得PC與MAX485之間實現(xiàn)了電氣隔離，有效地抑制了相互間的干擾，提高了系統(tǒng)工作的可靠性。當RS-232的RTS端為邏輯電平1（-12V）時，光電耦合器的發(fā)光二極管不發(fā)光，光敏三極管不導通，輸出TTL邏輯電平1（+5V），此時選中RS-485的DE端，允許RS-485接收，這樣，RS-232的TXD端就可以發(fā)送數(shù)據(jù)（工作邏輯與RTS相似）。當RS-232的RTS端為邏輯0（+12V）時，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導通，輸出端為TTL邏輯電平0（+12V），此時選中RS-485的RE端，允許發(fā)送。當RS-485的R端的輸出為邏輯電平1時，光電耦合器的發(fā)光二極管不發(fā)光，光敏三極管不導通，這樣在RS-232輸出停止時，其TXD電平為-12V，電容被充電到-12V，使其輸出也變?yōu)?12V，即邏輯電平1；當其輸出邏輯電平0時，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導通，這時，其輸出為+5V，也在RS-232邏輯電平0的范圍內(nèi)，即為邏輯電平0。圖17RS-485/RS-232電平轉(zhuǎn)換電路2.6.2單片機的RS-485接口電路單片機的RS-485接口電路如圖18所示，采用MAX485接口芯片來實現(xiàn)RS-485的接口電路。MAX485芯片是Maxim公司的一種RS-485芯片，采用單一+5V電源供電，額定電流為300uA，采用半雙工通信方式，它實現(xiàn)將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-485電平的功能。單片機控制MAX485的RE和DE端。當RE端為“0”時，器件處于接收狀態(tài)；當DE端為“1”時，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因為MAX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機的一個管腳控制這兩個引腳即可。此外，通過單片機的RXD和TXD端口控制RO和DI端，并在MAX485的A和B端之間加匹配電阻，一般選120圖18單片機與RS-485的接口2.7其它外圍電路設計2.7.1鍵盤處理電路鍵盤是實現(xiàn)人機交互的主要手段。在本系統(tǒng)中其主要完成了輸入油溫限值、修改時間的功能。為了使硬件結(jié)構(gòu)設計簡單、易于操作，本系統(tǒng)的鍵盤掃描模塊采用了非編碼、獨立式鍵盤。共有了四個獨立按鍵，分別與單片機的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口相連接。其中2號鍵（P2.0）為進入調(diào)整模式鍵，通過記錄按下此鍵的次數(shù)來選擇進入秒、分、時、周日、日、月、年的修改狀態(tài)，然后用3號鍵（增量鍵P2.1）或4號鍵（減量鍵P2.2）來完成時間的校準和報警、切閘上限溫度的設定。用5號鍵（P2.3）用于退出調(diào)整狀態(tài)。其具體的連接電路如圖19所示。圖19AT89C51與鍵盤連接2.7.2報警、切閘電路（1）報警電路本系統(tǒng)的報警電路由蜂鳴器、三極管、電阻、LED等構(gòu)成。報警電路工作原理如下：當溫度傳感器實時檢測到變壓器的油溫達到報警油溫80℃時，單片機就會發(fā)出驅(qū)動信號啟動報警電路，即P1.5輸出“1”，P1.6、P1.7輸出“0”，使圖20AT89C51與報警電路的連接（2）切閘保護電路變壓器油溫超限切閘保護是采用繼電保護裝置來實現(xiàn)。繼電保護裝置是反應電力系統(tǒng)中電氣元件發(fā)生故障或不正常運行狀態(tài)，并動作于斷路器切閘或發(fā)出信號的一種自動裝置。從而減少故障造成的停電范圍和電氣設備的損壞程度，保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。繼電保護裝置工作的基本原理是利用被保護線路或設備故障前后某些突變的物理量為信息量，當突變量達到一定值時，啟動邏輯控制環(huán)節(jié)，發(fā)出相應的切閘信號或報警信號。對于變壓器的油溫超限（大于等于100℃）啟動切閘保護電路，其硬件實現(xiàn)方法如下：將溫度傳感器置于變壓器頂部，通過電纜將溫度傳感器信號接入變壓器本體外部的油溫表中，從而利用油溫表的節(jié)點來啟動保護電路，一般油溫表都帶報警節(jié)點和切閘節(jié)點。油溫表需要在投入使用前及運行中定期進行精度校核，并在投運前進行保護值的整定。所謂保護值整定就是給油溫表設定在檢測的油溫達到某個值時向遠方發(fā)出報警信號，或達到一定值后向保護裝置發(fā)送切閘信號。本系統(tǒng)設定變壓器油溫達到100℃時，發(fā)送切閘信號啟動切閘保護電路。即當實時檢測到變壓器油溫達到100℃時，油溫表將直接向保護系統(tǒng)發(fā)送切閘信號，當保護系統(tǒng)收到信號后，就啟動切閘繼電器，將變壓器各側(cè)斷路器斷開以起到保護作用。其切閘保護原理圖如圖21切閘原理圖3系統(tǒng)軟件設計3.1軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析本系統(tǒng)軟件的編寫采用匯編語言。其程序可分為兩大模塊，分別是上位機程序模塊和下位機程序模塊。上位機程序主要完成對變壓器運行狀態(tài)的實時遠程監(jiān)控，主要包括串口初始化程序、向下位機發(fā)送查詢指令程序、接收下位機傳送過來信息的接收程序。下位機程序主要采用主程序調(diào)用各個子程序的方法來實現(xiàn)，下位機程序總體上可以分為7個大模塊，分別是DS18B20測溫模塊、DS1302時鐘程序模塊、LCD顯示模塊、鍵盤處理模塊、溫度處理模塊、聲光報警模塊及故障存儲模塊。3.2下位機主程序設計下位機主程序的標號為MAIN，在主程序的運行過程中,首先初始化各個模塊,定義各變量和管腳狀態(tài),然后調(diào)用顯示程序、檢測按鍵狀態(tài)。當查詢到有鍵按下時，進入按鍵掃描處理程序?qū)r間及其變壓器油溫的限值進行修改。若檢測到無鍵按下，就返回主程序。其中DS18B20測溫模塊主要包括DS18B20初始化子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、讀出溫度值的子程序、DS18B20復位子程序、寫DS18B20的1位字節(jié)子程序、讀DS18B20的1個字節(jié)子程序；DS1302時鐘程序模塊主要包括設置DS1302初始時間、從DS1302讀時間子程序、寫DS1302一個字節(jié)子程序、讀DS1302一個字節(jié)子程序、關(guān)閉寫保護、開啟寫保護、關(guān)閉時鐘、延時子100MS程序；鍵盤處理模塊主要包括模式選擇按鍵SET子程序、調(diào)整模式選擇子程序、OUT鍵掃描子程序、UP按鍵掃描子程序、DOWN按鍵掃描子程序。其下位機主程序流程如圖22：圖22下位機主程序流程3.3下位機子程序設計3.3.1DS18B20測溫模塊子程序單片機和DSl8B20之間的通信可以通過三個步驟完成，分別是初始化DSl8B20、識別DSl8B20、單片機和DSl8B20的數(shù)據(jù)交換。由于它們是主從結(jié)構(gòu)，只有單片機呼號DSl8B20時，DSl8B20才能應答。因此單片機訪問DSl8B20時都必須嚴格遵循DSl8B20的命令時序。如果出現(xiàn)時序混亂，則DSl8B20將不響應單片機。所有的單總線器件都要遵循嚴格的通信協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。DSl8B20定義了復位信號、應答信號、寫“0”、讀“0”、寫“1”、讀“l(fā)”的幾種時序信號類型。所有的單總線命令序列都是由這些基本的信號類型組成的。在這些信號中，除了應答脈沖外，其他均由單片機主機發(fā)出同步信號，并且發(fā)送的所有命令和數(shù)據(jù)都是字節(jié)的低位在前。系統(tǒng)的主程序主要用來初始化有關(guān)系統(tǒng)參數(shù)，對DSl8B20的配置數(shù)據(jù)進行相關(guān)設定；由于本系統(tǒng)僅對變壓器的單點溫度進行檢測，因此可以先發(fā)出跳過ROM命令，之后再發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換啟動命令，就可以實現(xiàn)DSl8B20的溫度轉(zhuǎn)換。經(jīng)過延時后就可以用很短的時間去完成對DSl8B20的訪問，對當前所讀取的DSl8B20的溫度數(shù)據(jù)進行處理，將溫度值的BCD碼送入顯示緩沖區(qū)，使溫度數(shù)據(jù)顯示于LCD液晶顯示器上。具體程序流程如圖23所示。圖23DS18B20溫度采集子程序流程3.3.2實時時鐘子程序DS1302采用串行方式與AT89C51單片機通訊。在復位信號RST變?yōu)楦唠娖胶?可向芯片發(fā)送指令及讀取數(shù)據(jù)。DS1302的命令字的傳輸從最低位開始。當對DS1302進行寫數(shù)據(jù)時,首先發(fā)寫控制指令,在控制指令字輸入后的下一個SCLK時鐘的上升沿,數(shù)據(jù)被寫入DS1302，數(shù)據(jù)輸入從低位即位0開始。當對DS1302進行讀數(shù)據(jù)時,首先發(fā)讀控制指令,在緊跟8位的控制指令字后的下一個SCLK脈沖的下降沿讀出DS1302的數(shù)據(jù),讀出數(shù)據(jù)時從低位0位至高位7。單片機AT89C51對時鐘芯片DS1302的控制需要通過程序驅(qū)動來實現(xiàn)，程序主要完成兩個方面的任務：(1)利用單片機實現(xiàn)對DS1302寄存器的地址定義和控制字的寫入，(2)實現(xiàn)對DS1302的數(shù)據(jù)讀取。初始化DS1302要求/RST為低電平，SCLK為低電平。/RST被設置為高電平就啟動了一個數(shù)據(jù)傳送的過程。SCLK的16個方波完成一次數(shù)據(jù)傳送，前8個方波用于輸入命令字節(jié)，后8個方波用于數(shù)據(jù)的輸出（讀DS1302）或數(shù)據(jù)的輸入（寫DS1302）。在SCLK的上升沿，I/O線上的數(shù)據(jù)被送入DS1302；在SCLK的下降沿，DS1302輸出數(shù)據(jù)在I/O線上。寫和讀各需要一個程序，寫、讀DS1302程序流程圖如圖24所示。圖24DS1302讀、寫子程序3.3.3LCD顯示子程序GY1206LBSGW6G液晶模組的初始化由以下三部分組成：（1）對單片機硬件初始化，即初始化控制線狀態(tài)，硬件復位。（2）對模組控制IC內(nèi)部的寄存器進行初始化，寫入要預設的數(shù)據(jù)，設置好顯示的特性。如Bias設置、屏幕對比度、COM/SEG掃描順序等。（3）清除顯示存儲器內(nèi)容。其流程圖如下：圖25GY1206LBSGW6G液晶模組子程序3.3.4按鍵處理程序鍵盤模塊是實現(xiàn)人機交換的主要手段，其按鍵處理用于修改時間的程序流程如圖26所示。圖26按鍵處理子程序流程3.3.5溫度判斷子程序溫度判斷子程序的主要功能是將溫度傳感器實時檢測到的變壓器油溫與變壓器油溫的報警限值及切閘限值進行比較。若比較后得到變壓器的油溫大于80℃而小于100℃時，則啟動聲光報警電路。若得到變壓器油溫大于等于100℃，則啟動切閘保護電路。溫度判斷流程如圖27溫度判斷子程序流程3.4上位機通信程序設計本系統(tǒng)采用RS-485接口標準與上位機進行通信。系統(tǒng)通信的主要流程是：值班人員通過計算機發(fā)出相應的控制命令，通過電平轉(zhuǎn)換，將控制信號通過RS-485串行接口送到單片機的，單片機接收信號后做出相應的反應，將上位機所需要的參數(shù)發(fā)送回計算機，上位機將其送來的數(shù)據(jù)進行顯示，完成一整套控制和監(jiān)視的功能。上位機主程序模塊流程如圖28所示。圖28上位機程序模塊流程上、下位機通信應根據(jù)通信協(xié)議進行編程控制，其上位機通信程序流程如圖29所示。下位機通信程序模塊流程如圖30所示。圖29上位機通信模塊流程圖30下位機程序模塊流程4系統(tǒng)仿真調(diào)試 4.1編程環(huán)境本設計程序全部采用Keil進行編寫。KeiluVision2是目前使用廣泛的單片機開發(fā)軟件，它集成了源程序編輯和程序調(diào)試于一體，支持匯編、C、PL/M語言。匯編語言雖然屬于低級語言，但其可讀性和執(zhí)行速度卻也有明顯的優(yōu)勢。故本設計就采用匯編語言來實現(xiàn)各項功能。其編譯界面如下。圖31編譯界面4.2系統(tǒng)仿真為了方便后期的硬件搭建，本設計在前期使用仿真軟件Proteus對部分系統(tǒng)進行了仿真。ProteusISIS是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件。它運行于Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點是：（1）實現(xiàn)了單片機仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(tài)仿真、I2C調(diào)試器、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。（2）支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機類型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。（3）提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設置斷點等調(diào)試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如KeilC51uVision2等軟件。（4）具有強大的原理圖繪制功能?？傊撥浖且豢罴瘑纹瑱C和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強大。系統(tǒng)仿真圖如圖42所示。圖32Proteus部分仿真界面結(jié)束語通過這次對變壓器智能保護模塊中油溫檢測系統(tǒng)的設計與制作，不僅使我了解了設計電路的程序，也讓我了解了關(guān)于數(shù)字溫度計的原理與設計理念。要設計一個電路總要先了解電路的原理圖，然后搭建仿真圖，仿真成功之后才可以實際接線。坐而言不如立而行，對于這些電路設計還是應該自己動手實際操作才會有深刻理解。從這次的課程設計中，我真真正正的意識到，在以后的學習中，要理論聯(lián)系實際，把我們所學的理論知識用到實際當中，學習單機片機更是如此，程序只有在經(jīng)常的寫與讀的過程中才能提高，這就是我在這次課程設計中的最大收獲。本論文從最初的總體方案制定，設計制作，到現(xiàn)在的仿真實驗，所有工作已全部完成。在這段時間里，經(jīng)歷了方案設計、學習相關(guān)軟件、計算機軟件仿真、系統(tǒng)調(diào)試等工作，得到如下結(jié)論：（1）通過查閱相關(guān)資料，知道了在電力變壓器運行中，對其頂層油溫的測量是維護電力變壓器安全運行的基礎和關(guān)鍵。而采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20對變壓器頂層油溫的檢測提供了依據(jù)。（2）利用精度較高的DS18B20數(shù)字溫度傳感器作為溫度采集裝置，為整個系統(tǒng)的運行檢測提供了較為準確的變壓器頂層油溫值。當變壓器運行于高溫狀態(tài)時，LCD動態(tài)顯示模塊可以實時地為監(jiān)測人員提供較為準確的溫度值顯示功能，為正確決策提供有效的依據(jù)。（3）通過軟件仿真試驗證明，基于DS18B20數(shù)字溫度傳感器的變壓器油溫控制方法是可行的，達到了檢測的目的。（4）當使用鍵盤掃描模塊時，需要有按鍵的延時去抖程序，以免當按下一次鍵時，使按鍵掃描系統(tǒng)檢測到有多次按鍵，從而做出錯誤的操作。（5）在使用LCD顯示時，其相應各位的地址應嚴格地按照廠家規(guī)定來寫，以免出現(xiàn)地址重復使晶屏顯示不穩(wěn)定且伴隨有一些亂碼和光標的亂閃。由于時間緊迫，工作量大，加之能力有限，裝置仍有不足的地方，有待進一步完善。擬提出以下幾點需要做改善的地方：（1）本設計只針對單一變壓器設計了控制系統(tǒng)，但往往在實際應用中會有多個變壓器需要同時監(jiān)測，在這種情況下本系統(tǒng)無法滿足使用要求。（2）整個控制系統(tǒng)的設計只可對油溫過高發(fā)出報警信號或直接進行切閘保護，但無法對其他諸如變壓器損壞、冷卻風機故障等事故做出反應，具有一定局限性。致謝大學生活在這個季節(jié)即將劃上一個句號，然而我的人生卻只是一個逗號，我將面對又一次征程的開始。在這大學的求學生涯中師長、親友給予了我大力支持，在這個翠綠的季節(jié)我將邁開腳步走向遠方，懷念，思索，長長的問號一個個在求學的路途中被知識的舉手擊碎，而人生的思考才剛剛開始。感謝我教書育人的老師，我不是你們最出色的學生，而你們卻是我最尊敬的老師。大學時代的老師治學嚴謹，學識淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營造了一種良好的精神氛圍。授人以魚不如授人以漁，置身其間，耳濡目染，潛移默化，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹立了宏偉的學術(shù)目標，領會了對待知識，走向社會的思考方式。在這里尤其要感謝劉峰老師，從論文題目的選定到論文寫作的指導,經(jīng)由您悉心的點撥,再經(jīng)思考后的領悟,常常讓我有“山重水復疑無路,柳暗花明又一村”感謝父母，焉得諼草，言樹之背，養(yǎng)育之恩，無以回報；感謝同學在我遇到困境時向我伸出援助之手，同窗之誼我們社會再續(xù)；感謝這段時間對我?guī)椭o與關(guān)懷的叔叔，阿姨，是你們讓我看到了人間真情暖人心，激勵我時時刻刻努力，奮發(fā)向上，排除萬難勇往直前。在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯謝意！同時也感謝學院為我提供良好的做畢業(yè)設計的條件。最后再一次感謝所有在畢業(yè)設計中曾經(jīng)幫助過我的良師益友和同學，以及在設計中被我引用或參考的論著的作者。參考文獻[1]王亞輝，錢東平.變壓器油溫在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].北京:測控技術(shù)，2005.[2]王東峰,王會良，董冠強.單片機C語言應用100例[M].北京:電子工業(yè)出版社，2009.9：270-277[3]周國運.單片機原理及應用（C語言版）[M].中國水利水電出版社，2009.2:13-37[4]邊莉，張起晶，黃耀群.51單片機基礎與實例進階[M].北京：清華大學出版社，2012.7：170-206[5]王一波.基于51單片機的變壓器油溫測控系統(tǒng)設計[J].北京:檢測技術(shù).2005.[6]陳龍三.8051單片機C語言控制與應用[M].北京:清華大學出版社.2005.[7]藍和慧，寧武，閆曉晶.全國大學生電子設計競賽單片機應用技能精解[M].北京:電子工業(yè)出版社，2009.5:175-190[8]張靖武，周靈彬.單片機原理、應用與PROTEUS仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008.13：223-236[9]彭宏偉，邊志遠，李翠霞.基于RS-485總線的PC機與單片機串行通信系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].武漢:中國地震局地震研究所，2009.29:122-123[10]付文軒，高莉，王希娟.基于RS-485總線的紅外報警系統(tǒng)的設計[J].北京:現(xiàn)代計算機，2011.1:63-67[11]李光飛.單片機C程序設計實例指導[M].北京:北京航空航天大學出版社.2005.[12]周潤景，張麗娜．基于PROTEUS的電路及單片機系統(tǒng)設計與仿真[M]．北京:航空航天大學出版社.2006.[13]姚德法，張洪林.串行時鐘芯片DS1302的原理與使用新[J].信息技術(shù)與信息化，2006.1:92-94[14]朱清慧，張鳳蕊，翟天嵩，王志奎.Proteus教程—電子線路設計、制版與仿真[M].北京：清華大學出版社，2008.9:1-5附錄一電路原理圖附錄二部分仿真電路圖附錄三部分程序源代碼*************主程序***************ORG00HAJMPSTARTSTART:MOVSP,#07HMOVCOUNT,#00HCLRFLAGCLRDONESETBDAT;端口寫1LCALLLCD_INIT;初始化LCDLCALLDISPLAY;送初始化值到液晶屏顯示LCALLD18B20_INIT;初始化DS18B20LCALLSet1302;設置DS1302參數(shù)MAIN:JBDONE,SEL;標志位DONE為1時進入調(diào)整模式LCALLDISPLAYCLRFLAG;清時鐘停止的標志位LCALLSETKEY;掃描SET功能鍵AJMPMAINSEL:LCALLKEYDONE;調(diào)用調(diào)整模式AJMPMAIN;返回再查詢************DS18B20的初始化****************D18B20_INIT:LCALLRESET;調(diào)用復位子程序MOVA,#0CCH;只有一個DS18B20,發(fā)出跳過ROM命令