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基于AT89C51单片机的温度控制系统

Zhu Hongli,Bai Liyuan

河南工业大学信息学院，河南 郑州 450052

摘要：针对电缆接口温度在线实时检测存在的问题，设计了一种基于AT89C51单片机的温度在线检测报警系统。本系统的硬件电路由采集器、主控机和PC机组成，通过采集、存储、转换、传输等关键环节，电缆接口温度数据实时显示报警，实现了对电缆接口的检测和报警，有效地避免了火灾的发生。

1. 引言

在实际的输电过程中，在长距离电缆线路中，每隔100米左右的地方就有一个电缆接口^[1]。在众多的电缆接口中，容易发生内外部故障引起的电缆火灾约占电缆事故总数的50%以上。实际上，电缆接口故障的发展是一个逐步严重进化的过程。为了有效避免电气危险的发生，采用一种实时监测电缆接口温度的方法，目的在准确、全面地了解各接口的工作情况并且确定服务方案，可以确保输电安全。

该电缆接头温度检测报警系统以AT89C51单片机为核心，采用监控方案。构成整个系统的三个部分分别为：温度参数采集与转换、温度数据传输、数据集中演示与处理。

1. 系统设计

该系统由上位机、主控机和集温器组成^[2]。从结构上讲，整个系统可分为三层：由微机系统构成的上位机用户监控系统，由AT89C51构成的主控机的一个控制级和集电器的一个测量级，上位机通过GPRS与主机交换数据。该系统是由一台PC机和多台采集器组成的主从结构，通过RS-485通信网络，实现远距离数据传输。系统结构如图1所示：

图1：系统结构图

在该系统中，上位机定时向主机发出读取温度数据的命令。收到这些命令后，主机将从收集器中读取并保存在SRAM中的先前数据发送回来。在完成传输后，主控机还向每个收集器发出读取温度的命令。一旦收集器接收到它们，收集器SRAM中保存的数据将被发送回主机控制机器，主机控制机器将在相关位置接收和更新原始数据。在通信期间，间隙收集器不断读取最新的温度值，以更新主机的实时读取命令。所有的命令和数据传输都制定了严格的通信协议，采用了不同的校验方式，大大提高了传输过程的可靠性。

2.1温度采集器

温度采集器主要由单片机AT89C51、温度测量端口的选择电路、通信电路、DS18B20传感器的登记和预定电路、存储器的电路和温度传感器等六部分组成^[3]。采集器的结构图如图2所示。

图2：采集器结构图

通过温度测量口电路的选择，微控制器可以控制温度传感器DS18B20采集温度。在任何时候请求时，首先保存在外部存储器SRAM中的温度数据将被发送回主机控制机器。

温度传感器采用数字DS18B20集温器。DS18B20可以提供9到12个列号的温度值，并具有用户可编程温度范围的报警功能，无波动性。这些信息可以通过单总线连接从DS18B20中传入或传出，因此只有连接一条线才能满足需要。在写入、读取和完成温度变化过程中的电源可由数据线本身提供，无需外部电源。因为每个DS18B20只有一个序列号，所以单个总线上可能存在许多DS18B20。在设计过程中，每根电缆并联几十个温度采样点，构成一条串联线路的工作线路。对于由该微控制器输出的温度信号，它简化了数字信号的转换，提高了测量的效率和精度。

温度测量口选择电路采用双向模拟开关CMOS器件CD4051作为多路采集切断开关。CD4051共有8组，其中一组负责控制一条单总线，3-8解码器由单片机地址线协调选择CD4051的信道。在设计中，每个收集器使用2块CD4051，可以控制16组单总线。此外，每个收集器都有通道扩展套接字，可以将通道扩展到64组，完全满足实际需要。

DS18B20注册端口电路完成新温度传感器的注册和登记。在打开系统和工作之前，每个DS18B20必须先注册或预定，使微控制器记录其64位系列代码，以便在测量温度时识别。因此，在每个收集器中设计了一个首先由DS18B20温度传感器打开的登记簿端口，以满足微控制器的要求。通过键盘建立逻辑地址，微控制器可以读出其串行代码，然后将其存储在SRAM的相关单元中，以备传感器读写时使用。同时，该收集器中还扩展了一块32K非挥发性SRAM DCM0256，作为数据存储，用于存储DS18B20的64位串行代码和采集多点温度数据。该存储器具有存取速度快、断电时不丢失数据的特点，实现了系统的实际要求。

同时，在收集器中还扩展了一块32K非挥发性SRAM DCM0256作为数据存储，用于存储DS18B20的64位串行代码和采集多点温度数据。该存储器具有存取速度快、断电时不丢失数据的特点，实现了系统的实际要求。

通信模块是系统实现多机间远程传输和通信的关键。由于电缆连接器温度测量所需的数据传输距离一般在几公里以上，通信模块通常采用RS-485通信接口，利用平衡传输和差分接收后具有抑制干扰的能力。除了具有接收机灵敏度高的特点，还可检测最小电压200mV，因此传输信号可在数公里外恢复

2.2主控制机

图3是主控机的结构图，主要包括通信电路、存储器电路和显示电路。

图3：主控制机图

主控机的主要任务是读取和保存集热器的温度数据，然后将其发送到上位机，方便分析、演示和用户查询。因此，主控机实际上是一个具有存储和通信功能的处理器。由于主控机既能与采集设备进行数据交换，又能与上位机进行数据交换，因此通信选择电路可以用来改变主控机微控制器的串行工作。

主控机与采集器之间的数据传输采用RS-485通信方式。主机最多可连接256个集电器，因此应用RS-485总线可以实现由多个连接集电器组成的分布式系统。

主机控制机通过通用分组无线业务（GPRS）与上位机相对应。GPRS通信是一种集现代无线通信技术、信号采集技术和计算机网络于一体的高新技术系统，具有成本低、效率高、应用广泛等特点。此外，它还可以为用户提供高效、经济、安全、实时的监控手段，当基于GPRS通信网络的IP数据包在传输数据时，主机通过RS-485总线与与与GSM基站相对应的GPRS调制解调器相连。但与电路交换或数据呼叫不同的是，GPRS数据组从基站传输到SGSN节点，不接入语音网络，SGSN和网关支持节点GGSN通过移动业务交换中心M SC进行通信。在GGSN和上位机之间，可以直接利用互联网完成传输。

2.3上位机管理系统

本系统的管理软件是在WindowsXP环境下用VB语言开发完成的。VB语言具有图形界面丰富、控制部件集成率高、开发周期短、效率高等特点，非常适合本系统软件的开发。系统软件功能结构图如图4所示：

图4：系统软件结构图

在数据传输过程中，采用异步串行通信技术，配合硬件实现控制命令的传输，以及上位机与上位机之间的数据传输。系统的在线监测功能可以离线配置，具有良好的人机界面。在在线观测系统中，设计了电缆隧道状态和温度测量分布图，直接显示各集电器的位置和当前温度值，正常情况下，连接器颜色为绿色。当一个集热器的温度超过设定值时，颜色变为红色，当集热器的温度值接近设定值时，颜色变为黄色，这可参考超温警告。由此可以提供电缆运动实际场景的图形动态描述。如图5所示。

图5：电缆隧道状况及温度测量分布图

在线观测系统也可以用表格演示或打印温度数据，如图6所示：

图6：温度测量报告

从各电缆接头的具体温度图中，只需输入日期和时间，即可查看各电缆接头在相应时间的表面温度和三相温度值。此外，通过温度曲线可以清楚地观察到各电缆连接器的温度值和温度趋势，如图7所示：

图7：温度曲线

由于曲线图可以分别用年线、月线、日期线和时间线来绘制任意一个连接件的曲线，该图不仅可以实时监测连接件的温度，还可以分析连接件的温度趋势，这个效果很好。

在线观测系统可以对系统的运行状态进行实时监测，包括各采集器和网络的运行情况等。在异常情况下，可以及时发现并采取措施进行维护或修理。此外，监测参数可以在线瞬时修正，如温度上限设定值、巡检周期等。根据电缆工作状态的温度变化，系统不仅可以自动设置电缆接头警告温度和警告温度变化梯度的显示，还可以自动跟踪环境温度。在服务平台的帮助下，还提供了在线系统运行状态监控、故障报警、画面切换、打印表单、历史数据分析、数据存储、在线修改参数等功能。

1. 结束语

本文的创新主要表现在以下几个方面。该系统以计算机和单片机串行通信理论为基础，利用微机强大的数据处理能力、串行通信技术和GPRS通信技术、单片机的数据采集和数据监控功能，设计了轴承低TE总线系统。温度及抗强电场，适用于远距离监测电缆接头表面及环境温度。通过对电缆接头的一系列实时监测，分析电缆过热故障的特点，对其环境温度进行分析和预测，可以有效地防止因电源接头绝缘降低而引起的过热故障和环境火灾。硬件设计采用了传统的AT89C51单片机、RS-458总线和目前流行的GPRS数据传输模块，完成了系统的温度检测和温度数据的廉价、可靠的传输。此外，在上位机与上位机的对应程序设计中，利用VB以及在线观察系统对电缆接头的温度进行了相应的设计，创造了友好的人机界面，操作方便。在设计过程中进行了无数的试验和试验。结果表明，该系统比较合理，技术比较先进，通信数据的传输和处理比较准确。它能及时提供故障部位和检修指令，有效避免了一般已达到预期的严重事故的发生，得到了用户的好评。该系统可应用于电力、冶金、煤矿、港口等企业，实现对电源连接器温度的在线监测。此外，该系统只需稍作改造，就可以替代粮食储藏室、档案室、图书馆、大型蔬菜棚等温度监控系统。

1. 参考文献

[1] Cheng Shui-hong, Iinsulation Examination and Diagnosis of Electronic Power Equipment, China Electronic Power Press, Beijing, 2001.

[2]WangYong-yin, “Electricity Power Metering System Based on AT89S51”, Microcomputer Information, 2006(29).pp.15-18.

[3] Yang Guo-fu, “The Design of Hardware and Software of Temperature Inspect-measure Intelligent Control System for Cable Tie-in”, Jiangsu Electrical Apparatus, 2005(5). PP.20-21.

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