采用ATmega16單片機的干式變壓器智能控制器系統(tǒng)設計
[導讀]介紹一種由ATmega16單片機構成的干式變壓器智能 控制器。該控制器可同時檢測4路溫度，誤差小于±0.5℃，現(xiàn)場運行穩(wěn)定；用戶可通 過人機接口控制變壓器冷卻風機啟、停，設定報警及跳閘閥值。
關鍵詞：單片
介紹一種由ATmega16單片機構成的干式變壓器智能 控制器。該控制器可同時檢測4路溫度，誤差小于±0.5℃，現(xiàn)場運行穩(wěn)定；用戶可通 過人機接口控制變壓器冷卻風機啟、停，設定報警及跳閘閥值。
關鍵詞：單片機；A/D轉換；溫度
Intelligent Temperature Controller Design on Drytype
T ransformer Based on ATmega16
T ransformer Based on ATmega16
ZHAO Yingkai, WANG Jingqin
(Institute of Electrical Apparatus, Hebei University of Technology,
T ianjin 300130, China)
T ianjin 300130, China)
Keywords: MCU; A/D transform; temperature
1工作原理
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)信號調理電路處理后直接送入控 制器的A/D轉換輸入端。微控制器根據(jù)信號數(shù)據(jù)及設定的各種控制參數(shù)，按照嵌入的軟件控 制規(guī)律執(zhí)行計算與處理，自動顯示變壓器繞組的溫度值、輸出相應的控制信號、控制風機的 啟停，并根據(jù)當前狀態(tài)輸出正常、報警和跳閘信號等，同時將各種數(shù)據(jù)通過RS-485傳到上 位機實現(xiàn)集中監(jiān)控。
溫控儀控制核心采用ATmegal6單片機，它是一款基于AVR RISC的低功耗CMOS 8位單片機，在 一個時鐘周期內執(zhí)行一條指令，可以取得1MIPS/MHz的性能，因此具有實時性。片內帶有16K B的FLASH、512B的E2PROM，可以暫存故障、超溫上限溫度值。?
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)信號調理電路處理后直接送入控 制器的A/D轉換輸入端。微控制器根據(jù)信號數(shù)據(jù)及設定的各種控制參數(shù)，按照嵌入的軟件控 制規(guī)律執(zhí)行計算與處理，自動顯示變壓器繞組的溫度值、輸出相應的控制信號、控制風機的 啟停，并根據(jù)當前狀態(tài)輸出正常、報警和跳閘信號等，同時將各種數(shù)據(jù)通過RS-485傳到上 位機實現(xiàn)集中監(jiān)控。
溫控儀控制核心采用ATmegal6單片機，它是一款基于AVR RISC的低功耗CMOS 8位單片機，在 一個時鐘周期內執(zhí)行一條指令，可以取得1MIPS/MHz的性能，因此具有實時性。片內帶有16K B的FLASH、512B的E2PROM，可以暫存故障、超溫上限溫度值。?
模擬轉換控制電路用于將溫度模擬量轉換成單片機能夠識別的電信號，轉換原理如圖2所示 。當溫度變化時，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 值進行比較，其結果送入運算放大器，轉換成A/D轉換范圍內的模擬量。
ATmega16中的A/D轉換精度為10位，由于參考電壓為5V，所以必須將模擬信號轉換成0～5V的 電壓，因此在設計此電路時，各元件的參數(shù)都按照此要求設計。同時，還要考慮其線性化， 為了使軟件設計中的計算按線性處理，在硬件設計時，一定要將溫度與轉換到單片機的數(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轉換電壓與Rw不成正比，不符合線性要 求。如果滿足轉換電壓就與Rw近似成正 比，與溫度也近似成正比關系。這樣就可以通過線性計算來求出任意一點的溫 度，不過用線性化來計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 設計中解決。
1.2輸出電路
輸出電路是單片機對模數(shù)轉換的數(shù)值進行計算和控制結果的體現(xiàn)，如圖3所示。單片機輸出 的控制量輸入到JK端口，若此信號低電平，則光電耦合器件導通，使CMOS三極管導通，從而 繼電器通電，常開觸點閉合，輸出220V電壓；否則，輸出0V電壓。
ATmega16中的A/D轉換精度為10位，由于參考電壓為5V，所以必須將模擬信號轉換成0～5V的 電壓，因此在設計此電路時，各元件的參數(shù)都按照此要求設計。同時，還要考慮其線性化， 為了使軟件設計中的計算按線性處理，在硬件設計時，一定要將溫度與轉換到單片機的數(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轉換電壓與Rw不成正比，不符合線性要 求。如果滿足轉換電壓就與Rw近似成正 比，與溫度也近似成正比關系。這樣就可以通過線性計算來求出任意一點的溫 度，不過用線性化來計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 設計中解決。
1.2輸出電路
輸出電路是單片機對模數(shù)轉換的數(shù)值進行計算和控制結果的體現(xiàn)，如圖3所示。單片機輸出 的控制量輸入到JK端口，若此信號低電平，則光電耦合器件導通，使CMOS三極管導通，從而 繼電器通電，常開觸點閉合，輸出220V電壓；否則，輸出0V電壓。
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軟件采用模塊化結構，包括1個主模塊和5個子模塊(按鈕處理子模塊、設置上限溫度及采集 邊界點數(shù)字量子模塊、通信子模快、故障輸出處理子模塊和顯示子模塊)，主模塊完成對各 個子模塊初始化，調用故障輸出處理子模塊、顯示子模塊。而按鈕處理子模塊、設置上限溫 度及采集邊界點數(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)域進行聯(lián)系。由于在單片機應用系統(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 成四個區(qū)域，在每個區(qū)域進行線性化計算。這樣比在0～200℃區(qū)域內直接進行計算要精確的 多，能夠達到0.1℃的精度。
各個子模塊的功能如下：
(1)按鈕處理子模塊在有鍵按下時向ATmega16申請中斷，在中斷子程序中修改預先設好的標 志位。 (2)設置上限溫度及采集邊界點數(shù)字量子模塊可以在長時間按鍵時通過輸入密碼進入修改上 限溫度的界面，通過按鈕對0℃、50℃、100℃、150℃、200℃所對應的數(shù)字量進行采集，并 將結果存到E?2PROM里，用此數(shù)據(jù)作為邊界點計算出0～200℃之間的任何溫度。 (3)通信子模塊可以通過LBC184(將RS232信號轉換為RS485信號)芯片和單片機連接 遠程的被控對象進行RS485通信。 (4)故障輸出子模塊可以通過實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，設置標志位來判斷是否進行A/D轉換、是否進行顯示。 (5)顯示子模塊將線性計算出的結果經(jīng)二進制到BCD碼的轉換送到5位LED顯示器顯示。?
軟件采用模塊化結構，包括1個主模塊和5個子模塊(按鈕處理子模塊、設置上限溫度及采集 邊界點數(shù)字量子模塊、通信子模快、故障輸出處理子模塊和顯示子模塊)，主模塊完成對各 個子模塊初始化，調用故障輸出處理子模塊、顯示子模塊。而按鈕處理子模塊、設置上限溫 度及采集邊界點數(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)域進行聯(lián)系。由于在單片機應用系統(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 成四個區(qū)域，在每個區(qū)域進行線性化計算。這樣比在0～200℃區(qū)域內直接進行計算要精確的 多，能夠達到0.1℃的精度。
各個子模塊的功能如下：
(1)按鈕處理子模塊在有鍵按下時向ATmega16申請中斷，在中斷子程序中修改預先設好的標 志位。 (2)設置上限溫度及采集邊界點數(shù)字量子模塊可以在長時間按鍵時通過輸入密碼進入修改上 限溫度的界面，通過按鈕對0℃、50℃、100℃、150℃、200℃所對應的數(shù)字量進行采集，并 將結果存到E?2PROM里，用此數(shù)據(jù)作為邊界點計算出0～200℃之間的任何溫度。 (3)通信子模塊可以通過LBC184(將RS232信號轉換為RS485信號)芯片和單片機連接 遠程的被控對象進行RS485通信。 (4)故障輸出子模塊可以通過實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，設置標志位來判斷是否進行A/D轉換、是否進行顯示。 (5)顯示子模塊將線性計算出的結果經(jīng)二進制到BCD碼的轉換送到5位LED顯示器顯示。?
(1)解決溫控儀中交流電源干擾，其方法是在交流電源的進線端，即電源變壓器的 初級串聯(lián)一個電源濾波器，它可以有效地抑制高頻干擾的侵入(圖4)。
(3)在模擬轉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) 在干式變壓器運行現(xiàn)場進行電磁干擾試驗，對試驗結果進行概率統(tǒng)計分析，并通過精心選擇 元器件、采用硬件抗干擾技術及軟件抗干擾技術使干擾源產(chǎn)生的電磁干擾降至最小。
該溫控儀功耗低、技術先進，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。
(4) 在干式變壓器運行現(xiàn)場進行電磁干擾試驗，對試驗結果進行概率統(tǒng)計分析，并通過精心選擇 元器件、采用硬件抗干擾技術及軟件抗干擾技術使干擾源產(chǎn)生的電磁干擾降至最小。
該溫控儀功耗低、技術先進，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。
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