基于ATmega16 單片機(jī)的干式變壓器 智能溫度控制器設(shè)計(jì)

　　
溫控儀由溫度監(jiān)測、信號處理、輸出控制三部分組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示，它通過預(yù)埋在 變壓器三相繞組中的三只鉑電阻傳感器獲取繞組溫度值，經(jīng)信號調(diào)理電路處理后直接送入控 制器的A/D轉(zhuǎn)換輸入端。微控制器根據(jù)信號數(shù)據(jù)及設(shè)定的各種控制參數(shù)，按照嵌入的軟件控 制規(guī)律執(zhí)行計(jì)算與處理，自動顯示變壓器繞組的溫度值、輸出相應(yīng)的控制信號、控制風(fēng)機(jī)的 啟停，并根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)輸出正常、報(bào)警和跳閘信號等，同時(shí)將各種數(shù)據(jù)通過RS-485傳到上 位機(jī)實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控。
　　
溫控儀控制核心采用ATmegal6單片機(jī)，它是一款基于AVR RISC的低功耗CMOS 8位單片機(jī)，在 一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令，可以取得1MIPS/MHz的性能，因此具有實(shí)時(shí)性。片內(nèi)帶有16K B的FLASH、512B的E2PROM，可以暫存故障、超溫上限溫度值。

1.1模擬轉(zhuǎn)換電路
　　
模擬轉(zhuǎn)換控制電路用于將溫度模擬量轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠識別的電信號，轉(zhuǎn)換原理如圖2所示 。當(dāng)溫度變化時(shí)，PT100的阻值會隨著溫度的變化線性變化，其分壓值與某一固定電路分壓 值進(jìn)行比較，其結(jié)果送入運(yùn)算放大器，轉(zhuǎn)換成A/D轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)的模擬量。
　　
ATmega16中的A/D轉(zhuǎn)換精度為10位，由于參考電壓為5V，所以必須將模擬信號轉(zhuǎn)換成0～5V的 電壓，因此在設(shè)計(jì)此電路時(shí)，各元件的參數(shù)都按照此要求設(shè)計(jì)。同時(shí)，還要考慮其線性化， 為了使軟件設(shè)計(jì)中的計(jì)算按線性處理，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，一定要將溫度與轉(zhuǎn)換到單片機(jī)的數(shù)字 量成線性變化。由電路可知：

從公式中可以看出，得出的A/D轉(zhuǎn)換電壓與Rw不成正比，不符合線性要 求。如果滿足R3≥RW轉(zhuǎn)換電壓就與Rw近似成正 比，與溫度也近似成正比關(guān)系。這樣就可以通過線性計(jì)算來求出任意一點(diǎn)的溫 度，不過用線性化來計(jì)算這種近似線性的圖形，也會帶來微小的誤差，這些誤差可以在軟件 設(shè)計(jì)中解決。

1.2輸出電路
　　
輸出電路是單片機(jī)對模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算和控制結(jié)果的體現(xiàn)，如圖3所示。單片機(jī)輸出 的控制量輸入到JK端口，若此信號低電平，則光電耦合器件導(dǎo)通，使CMOS三極管導(dǎo)通，從而 繼電器通電，常開觸點(diǎn)閉合，輸出220V電壓；否則，輸出0V電壓。

在實(shí)際電路中，四個(gè)上述的類似電路分別對電機(jī)、故障報(bào)警、超溫報(bào)警和超溫跳閘進(jìn)行監(jiān)視 。例如：當(dāng)溫度超過風(fēng)機(jī)溫度上限時(shí)，單片機(jī)就會通過軟件將JK端置為低電平，進(jìn)而使CMOS 導(dǎo)通，這樣就會對繼電器加上12V電壓，從而使風(fēng)機(jī)加電，開啟風(fēng)機(jī)，若溫度再高，達(dá)到超 溫報(bào)警溫度上限，就會發(fā)生超溫報(bào)警聲；若溫度高到超溫跳閘溫度上限，就會發(fā)生超溫跳閘 。這樣就達(dá)到了對被控對象進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

2軟件的實(shí)現(xiàn)
　　
軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括1個(gè)主模塊和5個(gè)子模塊（按鈕處理子模塊、設(shè)置上限溫度及采集 邊界點(diǎn)數(shù)字量子模塊、通信子?？?、故障輸出處理子模塊和顯示子模塊），主模塊完成對各 個(gè)子模塊初始化，調(diào)用故障輸出處理子模塊、顯示子模塊。而按鈕處理子模塊、設(shè)置上限溫 度及采集邊界點(diǎn)數(shù)字量子模塊、通信模塊采用中斷方式工作，主模塊與它們通過共用一段RA M區(qū)域進(jìn)行聯(lián)系。由于在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的模擬輸入信號中含有種種噪音和干擾，故本程序 采用數(shù)字濾波技術(shù)濾波。除此之外，對于前面提到的線性化問題，我們采用了將0～200℃分 成四個(gè)區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域進(jìn)行線性化計(jì)算。這樣比在0～200℃區(qū)域內(nèi)直接進(jìn)行計(jì)算要精確的 多，能夠達(dá)到0.1℃的精度。
　　
各個(gè)子模塊的功能如下：
　　
（1）按鈕處理子模塊在有鍵按下時(shí)向ATmega16申請中斷，在中斷子程序中修改預(yù)先設(shè)好的標(biāo) 志位。
（2）設(shè)置上限溫度及采集邊界點(diǎn)數(shù)字量子模塊可以在長時(shí)間按鍵時(shí)通過輸入密碼進(jìn)入修改上 限溫度的界面，通過按鈕對0℃、50℃、100℃、150℃、200℃所對應(yīng)的數(shù)字量進(jìn)行采集，并 將結(jié)果存到E 2PROM里，用此數(shù)據(jù)作為邊界點(diǎn)計(jì)算出0～200℃之間的任何溫度。
（3）通信子模塊可以通過LBC184（將RS232信號轉(zhuǎn)換為RS485信號）芯片和單片機(jī)連接 遠(yuǎn)程的被控對象進(jìn)行RS485通信。
（4）故障輸出子模塊可以通過實(shí)際溫度與上限溫度的比較，來判斷現(xiàn)場是否出現(xiàn)異常情況。 同時(shí)，設(shè)置標(biāo)志位來判斷是否進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、是否進(jìn)行顯示。
（5）顯示子模塊將線性計(jì)算出的結(jié)果經(jīng)二進(jìn)制到BCD碼的轉(zhuǎn)換送到5位LED顯示器顯示。

3抗干擾技術(shù)在溫控儀中的應(yīng)用
　　
（1）解決溫控儀中交流電源干擾，其方法是在交流電源的進(jìn)線端，即電源變壓器的 初級串聯(lián)一個(gè)電源濾波器，它可以有效地抑制高頻干擾的侵入（圖4）。

（2）在故障輸出電路中使用光電耦合器件，使輸出具有較高的電氣隔離和抗干擾能 力。
（3）在模擬轉(zhuǎn)換電路中的溫度傳感器兩端，以及其他地方使用壓敏電阻器，吸收不 同極性的過電壓。
（4） 在干式變壓器運(yùn)行現(xiàn)場進(jìn)行電磁干擾試驗(yàn)，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析，并通過精心選擇 元器件、采用硬件抗干擾技術(shù)及軟件抗干擾技術(shù)使干擾源產(chǎn)生的電磁干擾降至最小。

該溫控儀功耗低、技術(shù)先進(jìn)，功能完善，操作簡單，性能可靠，能夠在十分惡劣的電磁干擾 或高溫環(huán)境長期穩(wěn)定工作，是干式變壓器理想的監(jiān)控裝置。