斷路器觸頭無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

輸配電的電氣接點(diǎn)測(cè)溫有多重方法，比較傳統(tǒng)的方式有測(cè)溫臘片方式、紅外槍測(cè)溫，新興方法有光纖測(cè)溫、無(wú)線測(cè)溫、紅外成像測(cè)溫，傳統(tǒng)方式需要人為去不定期目測(cè)或者遙測(cè)，具有一定的不確定性，受人為因素影響大。新興的方法應(yīng)用了現(xiàn)代電子、光電、射頻等技術(shù)，手段先進(jìn)、自動(dòng)化程度高、測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、報(bào)警設(shè)置、歷史記錄等功能。新興的測(cè)溫方法中目前應(yīng)用比較多首推無(wú)線傳感器測(cè)溫。

本文針對(duì)無(wú)線傳感器測(cè)溫，分析了這種測(cè)溫方式的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。

一、總體方案設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器測(cè)溫系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)組成模塊：無(wú)線溫度采集傳感器(簡(jiǎn)稱傳感器)，無(wú)線溫度接收儀(簡(jiǎn)稱接收儀)，后臺(tái)主機(jī)(簡(jiǎn)稱主機(jī))。

圖1 總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

上述圖中無(wú)線溫度傳感器的功能主要實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算、發(fā)送;無(wú)線溫度數(shù)據(jù)接收儀主要實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā);后臺(tái)主機(jī)主要用于數(shù)據(jù)的展示、存儲(chǔ)以及轉(zhuǎn)發(fā);遠(yuǎn)程監(jiān)控是根據(jù)用戶需求配置的，主要便于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

二、硬件設(shè)計(jì)

2.1無(wú)線溫度傳感器

無(wú)線溫度傳感器主要包含三部分：溫度傳感器、無(wú)線通訊模塊、主控芯片,它的功能框圖大致如下：

主控芯片對(duì)溫度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后通過(guò)無(wú)線通信模塊把溫度數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

2.1.1溫度傳感器

溫度傳感器的作用在于準(zhǔn)確測(cè)量溫度、根據(jù)設(shè)置將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送出去，現(xiàn)在溫度測(cè)量的方式很多，有模擬的也有數(shù)字的，在這里我覺(jué)得采用數(shù)字溫度傳感器相對(duì)比較可靠，TMP35是一個(gè)在各個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用比較廣泛的溫度傳感器。

TMP35是美國(guó)AD公司出品的溫度傳感器，它具有工作電壓低，精度高，功耗低，測(cè)量范圍寬的特點(diǎn)。

TMP35溫度傳感器特性：

l 低工作電壓：+2.7 V至+5.5 V

l 直接以攝氏度校準(zhǔn)(°C)

l 比例系數(shù)：10 mV/8°C(TMP37為20 mV/8°C)

l 精度：±2°C(整個(gè)溫度范圍內(nèi)，典型值)

l 線性度：±0.5°C(典型值)

l 能穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)較大容性負(fù)載

l 額定溫度范圍：-40 °C至+125 °C，工作溫度最高可達(dá)+150 °C

l 靜態(tài)電流：小于50 µA

l 關(guān)斷電流：最大0.5 µA

TMP35是低電壓、精密攝氏溫度傳感器，提供與攝氏溫度成線性比例關(guān)系的電壓輸出。TMP35不需要執(zhí)行任何外部校準(zhǔn)，在+25°C時(shí)典型精度為±1°C，在−40°C至+125°C溫度范圍內(nèi)典型精度為±2°C。TMP35的低輸出阻抗及其線性輸出和精密校準(zhǔn)可簡(jiǎn)化與溫度控制電路和ADC的接口。器件可采用2.7 V至5.5 V的單電源供電。電源電流低于50 μA，自熱效應(yīng)非常小，在靜止空氣中小于0.1°C。此外還可以利用關(guān)斷功能將電源電流降至0.5 μA以下。TMP35在 25°C時(shí)提供250 mV輸出，溫度測(cè)量范圍為10°C至125°C。TMP35/TMP36/TMP37提供低成本3引腳TO-92、8引腳SOIC_N和5引腳SOT-23表貼三種封裝。

TMP35溫度傳感器功能框圖

2.1.2無(wú)線通信模塊

CC1020是美國(guó)TI公司推出的一款高性能無(wú)線通訊芯片，也是目前物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用比較流行的通訊方案之一。

CC1020采用微功率發(fā)射，最大發(fā)射功率10mW。采用ISM頻段,無(wú)需申請(qǐng)頻點(diǎn)。載頻頻率433MHz，也可提供868/915MHz載頻。高抗干擾能力和低誤碼率?；贔SK的調(diào)制方式，采用高效前向糾錯(cuò)信道編碼技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)抗突發(fā)干擾和隨機(jī)干擾的能力，在信道誤碼率為10-2時(shí)，可得到實(shí)際誤碼率10-5~10-6。傳輸距離遠(yuǎn)。在視距情況下，天線高度>2米,可靠傳輸距離可達(dá)200m(BER=1200bps)。透明的數(shù)據(jù)傳輸。提供透明的數(shù)據(jù)接口，能適應(yīng)任何標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的用戶協(xié)議。自動(dòng)過(guò)濾掉空中產(chǎn)生的假數(shù)據(jù)(所收即所發(fā))。多信道。 STR系列標(biāo)準(zhǔn)配置提供8個(gè)信道，如果用戶需要，可擴(kuò)展到16/32/64信道。滿足用戶多種通信組合方式。 低功耗及休眠功能。 3.0V供電情況下，接收電流20mA，發(fā)射電流22mA，休眠電流3uA。高可靠性，體積小、重量輕。采用單片射頻集成電路及單片MCU，外圍電路少，可靠性高，故障率低。

2.1.3主控芯片

MEGA48是美國(guó)ATMEL公司AVR系列中的一顆低成本、低功耗單片機(jī)器，它是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間， ATmega48 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)16 MIPS，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。MEGA48在保證高性能的同時(shí)還是一款低功耗的芯片，最低功耗僅0.5uA。

MEGA48還具有一下特點(diǎn)：8K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，擦寫壽命: 10,000 次;具有獨(dú)立鎖定位的可選Boot 代碼區(qū)，通過(guò)片上Boot 程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程;512 字節(jié)的EEPROM，擦寫壽命: 100,000 次;1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM;可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)用戶程序的加密;兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器8 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器, 其中之一有比較功能;一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器;具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器RTC; 三通道PWM;8 路10 位ADC。

2.2無(wú)線溫度接收儀

無(wú)線溫度數(shù)據(jù)接收儀主要包括一下幾部分：無(wú)線通信模塊、主控芯片、GPRS通信模塊，如圖4所示。

無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)接收無(wú)線傳感器的溫度數(shù)據(jù)，主控芯片將這些數(shù)據(jù)包裝后通過(guò)GPRS通信模塊發(fā)送給主站，無(wú)線通信模塊與無(wú)線溫度傳感器中采用的是相同模塊，故不再贅述。

2.2.1主控芯片

STM32F103V8T6使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，該內(nèi)核是專門設(shè)計(jì)于滿足集高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用、具有競(jìng)爭(zhēng)性價(jià)格于一體的嵌入式領(lǐng)域的要求。Thumb-2®指令集帶來(lái)了更高的指令效率和更強(qiáng)的性能;通過(guò)緊耦合的嵌套矢量中斷控制器，對(duì)中斷事件的響應(yīng)比以往更迅速;所有這些又都融入了業(yè)界領(lǐng)先的功耗水準(zhǔn)。它的工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。所有型號(hào)的器件都包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART。 STM32F103V8T6可以工作于-40°C至+105°C的溫度范圍，供電電壓2.0V至3.6V，一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求。

2.2.2 GPRS通信模塊

MC52i是西門子公司提供的GPRS模塊，應(yīng)用于筆記本、掌上電腦、微型電話及其他工業(yè)設(shè)備中。它的優(yōu)勢(shì)在于：永久在線連接、快速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和更快的數(shù)據(jù)下載速度;另外還具備快速GPRS 技術(shù)。MC52i GPRS模塊還具備以下技術(shù)特點(diǎn)：體積小、重量輕;GPRS多達(dá)10個(gè)通道類別;支持?jǐn)?shù)據(jù)、語(yǔ)音、短消息和傳真;支持AT 命令集控制;具備RTTE 認(rèn)證、GCF認(rèn)證;SMS:MT/MO/CB/PDU模式;內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧;支持電壓范圍：3.3 至4.8V ;最低電流消耗：100 μA(掉電);最大電流消耗： 300 mA (通話，最高2.0 A);環(huán)境溫度: –20°C to +55°C 。

三、固件設(shè)計(jì)

固件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂，也是系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為了簡(jiǎn)化篇幅，這里僅對(duì)程序流程做一個(gè)簡(jiǎn)要的介紹。

3.1無(wú)線溫度傳感器

上圖左邊為主程序流程圖，右邊為中斷服務(wù)程序。

3.2無(wú)線溫度接收儀

上圖左邊為主程序流程圖，右邊為中斷服務(wù)程序。

四、可靠性設(shè)計(jì)

4.1屏蔽

無(wú)線傳感器及射頻收發(fā)模塊是弱電子產(chǎn)品，工作在強(qiáng)電磁、高電壓、大電流的環(huán)境里，可靠性是一個(gè)非常大的考驗(yàn)，為了防止外界干擾，最有效的措施就是采用屏蔽材料將敏感電路保護(hù)起來(lái)，事實(shí)證明這是必須和有效的。

4.2接地

解決電磁干擾另一個(gè)有效措施就是如何布線和接地，PCB在設(shè)計(jì)中要考慮信號(hào)與地線的關(guān)系，同樣外部通訊電纜也需要考慮如何接地的問(wèn)題。

4.3電氣安全設(shè)計(jì)

應(yīng)用于高壓電力方面的產(chǎn)品在設(shè)計(jì)中一定要考慮好如何安全地工作，這其中包括電氣安全距離、材料耐候性和阻燃性、安裝便捷及可靠性等等。

4.4器件選擇

由于使用環(huán)境比較惡劣，器件選擇是非常有講究的，所有元器件必須是工業(yè)級(jí)甚至更高級(jí)別的;重要電路必須增加保護(hù)器件。

五、后臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

后臺(tái)是用戶直接可以接觸到產(chǎn)品，人機(jī)界面的友好性、功能操作的實(shí)用性、版面設(shè)計(jì)的美觀度都是一個(gè)良好后臺(tái)軟件必備的條件。

上圖為后臺(tái)軟件的溫度曲線界面，通過(guò)上圖可以觀察到指定時(shí)刻或時(shí)段內(nèi)溫度變化情況。

六、結(jié)束語(yǔ)

斷路器觸頭等高壓電氣接頭測(cè)溫是一個(gè)必須而有挑戰(zhàn)性的需求，圍繞著它產(chǎn)生了諸多解決方案，論文中所應(yīng)用的無(wú)線通信技術(shù)在其他領(lǐng)域也得到了廣泛采納，方興未艾的“物聯(lián)網(wǎng)”、“RFID”就是實(shí)例，電網(wǎng)要走向智能化，底層的電壓、電流、溫度等信號(hào)的采集是關(guān)鍵，無(wú)線高壓電氣接頭測(cè)溫就是底層信號(hào)采集的一個(gè)探索，希望能夠?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)的建設(shè)做出一些有益的嘗試。

參考文獻(xiàn)：

1.《機(jī)電之家》 作者：馬云峰

2.《基于CC1020的無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)》作者：文俊峰喬曉軍 張文愛(ài) 馮登超

3.《傳感器簡(jiǎn)明手冊(cè)及應(yīng)用電路》作者：劉暢生 于建國(guó) 張昌民 宣宗強(qiáng)

4.《基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器應(yīng)用》作者：彭剛春志強(qiáng)

5.《AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐》作者：馬潮