毕业论文-干式变压器温度控制的研究与设计.docx
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学号：
常州大学
毕业设计（论文）
（2012届）
题 目
学 生学 院 专业班级
校内指导教师 专业技术职务
校外指导老师 专业技术职务
二○一二年六月
干式变压器温度控制的研究与设计
摘要：
干式变压器的安全运行和使用寿命，很大程度上取决于变压器绕组绝缘的安全可靠。
绕组温度超过绝缘耐受温度使绝缘破坏，是导致变压器不能正常工作的主要原因之一，因此对变压器的运行温度的监测及其报警控制是十分重要的。
本文是关于干式变压器的温度控制的研究与设计。
此次的设计实现了温度的预置、温度采集、温度的显示、超温报警和相关的控制。
本文选择了AT89C52作为本次设计的控制器。
对于温度预置，此次设计通过一个滑动变阻器来实现。
温度采集是通过负温度系数热敏电阻5K检测相关信号并传至控制器中。
信号的转换通过AD转换器PCF8591来实现。
温度显示通过液晶显示屏LCD1602来实现。
超温报警是通过控制器的一个引脚来控制。
由于成本的考虑，本次设计并没有相关的控制电路，至于控制信号则是通过液晶显示屏来模拟显示。
关键字：
干式变压器；温度控制；AD转换器PCF8591
IV
Researchanddesignofdry-typetransformertemperaturecontrol
Abstract：
Safeoperationandservicelifeofdry-typetransformers,dependslargelyonsafetyandreliabilityofthetransformerwindinginsulation.Insulation`sdamagewhichresultsfromthatthewindingtemperatureexceedstheinsulation`smaxwithstandingtemperature,isoneofthemainreasonleadingtothatthetransformercannotworkproperly.Therefore,monitoringofthetransformer`soperationtemperatureandalarmcontrolareveryimportant.
Thisarticleisaboutaresearchanddesignoftemperaturecontrolonthedry-typetransformers. The design achieved temperature presetting, temperature acquisition,temperaturedisplay,over-temperaturealarmingandtherelatedcontrolling.ThedesignerschooseAT89C52ascontrollerofthedesign.Thedesignerregulatesaslidingrheostattopresettemperature.TemperatureacquisitionisthedetectionofrelevantsignalsthroughtheNTC5Kwhichistransmittedtothecontroller.TheconversionofthesignaliscompletedbytheADconverterPCF8591.ThetemperaturedisplayisdonebyLCD1602.Theover-temperaturealarmingiscontrolledbyapinofthecontroller.However,duetocostconsideration,thedesigndoesn`tincludetherelevantcontrolcircuit.ThecontrolsignalisanalogdisplaythroughtheLCDscreen.
Keywords:
dry-typetransformer;temperaturecontrol;theADconverterPCF8591
目 录
摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
1引言 1
1.1干式变压器的简介 1
1.1.1干式变压器的应用 1
1.1.2干式变压器性能与温度的关系 1
1.2干式变压器温度控制和发展趋势 1
1.2.1干式变压器温度控制 1
1.2.2干式变压器温度控制器发展趋势 1
1.3课题背景 2
1.4本文的主要工作 2
2干式变压器温度控制系统的设计分析 3
2.1设计的总体目标 3
2.2总体方案的设计 3
2.3元件的选择及介绍 3
2.3.1传感元件的选择 3
2.3.2A/D转换芯片的选择 4
2.3.3单片机的选择 6
2.4.4显示模块LCD1602介绍 9
3.干式变压器温度控制系统硬件设计 14
3.1单片机外围电路 14
3.1.1P0口上拉电阻原理 15
3.1.2单片机时钟电路 16
3.1.3单片机复位电路 16
3.2温度预置与采集 17
3.2.1A/D转换 17
3.2.2温度预置 18
3.2.3温度采集 18
3.3显示与报警电路 19
3.3.1LCD1602显示模块 19
3.3.2报警模块电路 20
4.干式变压器温度控制系统软件设计 21
4.1系统软件的总体框架 21
4.2A/D转换及通信程序 22
4.3温度采集程序 26
4.3.1温度计算公式的推导 26
4.3.2温度值计算的程序实现 28
4.4温度显示程序 28
4.5控制程序 30
5系统的实验与调试 32
5.1概述 32
5.2开发环境介绍 32
5.3调试过程中的问题及解决方法 32
6.结束语 34
6.1系统设计小结 34
6.2系统设计展望 34
参考文献 35
致谢 36
常州大学本科毕业设计（论文）
1引言
1.1干式变压器的简介
1.1.1变压器的应用
随着我国经济建设的迅速发展，城乡用电负荷不断增加。
无油、防火、寿命长、节能、低噪、维护简单和安全可靠的干式变压器得以越来越广泛的应用。
据有关资料记载，近20年来干式变压器得到了迅猛发展，特别是在配电变压器中，干式变压器所占比例越来越大，发达国家已占50％以上；我国起步晚，近年大中城市中约占30％～40％，北京、上海、广州和深圳等城市已达60％以上[1]。
干式变压器因没有油，也就没有火灾、爆炸、污染等问题，故电气规范、规程等均不要求干式变压器置于单独房间内。
损耗和噪声降到了新的水平，更为变压器与低压屏置于同一配电室内创造了条件。
目前，我国树脂绝缘干式变压器年产量已达10000MVA，成为世界上干式变压器产销量最大的国家之一。
干式变压器现已被广泛用于电站、工厂、医院等几乎所有电气上。
随着低噪（2500kVA以下配电变压器噪声已控制在50dB以内）、节能（空载损耗降低达25%）的SC（B）9系列的推广应用，使得我国干式变压器的性能指标及其制造技术已达到世界先进水平[1]。
1.1.2干式变压器性能与温度的关系
干式变压器的安全运行和使用寿命，很大程度上取决于变压器绕组绝缘的安全可靠。
绕组温度超过绝缘耐受温度使绝缘破坏，是导致变压器不能正常工作的主要原因之一，因此对变压器的运行温度的监测及其报警控制是十分重要的。
1.2干式变压器温度控制和发展趋势
1.2.1干式变压器温度控制
干式变压器冷却方式分为自然空气冷却（AN）和强迫空气冷却（AF）。
自然空冷时，变压器可在额定容量下长期连续运行。
强迫风冷时，变压器输出容量可提高50%。
适用于断续过负荷运行，或应急事故过负荷运行；由于过负荷时负载损耗和阻抗电压增幅较大，处于非经济运行状态，故不应使其处于长时间连续过负荷运行。
目前，为了使变压器输出更高的容量，干式变压器冷却方式通常为强迫空气冷却。
一般就是通过风机的自动控制来完成。
其次，温度报警和温度显示也是干式变压器温度控制中必不可少的一部分。
这样既方便实时检测变压器的温度，也有利于操作人员方便地做出相应的操作。
1.2.2干式变压器温度控制器发展趋势
随着干式变压器的推广应用，其生产制造技术也获得长足发展，可以预测，干式变压器温度控制器也将获得进一步发展。
目前，干式变压器温度控制器逐渐趋于智能化，
并且智能化的温度控制器已经得到了较广泛的应用。
例如BWD-3K130系列干式变压器
第5页共36页
温控器。
这个系列温控仪是为风冷干式变压器可靠运行而设计的新一代多功能温度控制器。
利用预埋在干式电力变压器三相绕组线包中的三种Pt100铂热电阻来检测干式电力变压器线包的温升，并根据温升自动控制冷却风机的启停、超温报警直至超高温跳闸以保证干式电力变压器的安全运行。
由于采用目前最先进的德国RISC单片计算机并结合先进的I2C存储与调整技术，根据JB/T7631标准设计而成，使得温控器具有结构简单，运行可靠，抗干扰能力极强的特点。
同时温控器还具有“黑匣子”功能，可记录停电前
三个绕组线包的温度及本机的工作状态[2]。
1.3课题背景
随着电力工业的发展，干式电力变压器也得到了广泛的应用，目前正向着取代油浸变压器的方向发展，因此对变压器的保护也提出了新的要求。
同时干式变压器由于具有难燃、安全、维护方便和体积小等特点，已在城市的高层建筑和电站等场所得到广泛的应用。
干式变压器属于自然空气冷却，工作温度需要随时监视和严格控制，如果过热就会导致变压器绝缘损坏或烧毁。
因此，对变压器的温度进行监视是干式变压器安全可靠运行必不可少的，也即要求干式变压器应具备工作温度显示，高温启动风机进行强迫风冷降温及超越极限跳闸保护功能，从而延长其使用寿命，保证了输、变电系统的运行安全和稳定性[1]。
1.4本文的主要工作
本文主要完成对此次设计方案的介绍，详细介绍了元器件的选择，并从硬件设计和软件设计两个方面完成对干式变压器温度控制系统的详细分析。
2干式变压器温度控制系统的设计分析
2.1设计的总体目标
本文采用单片机设计三相干式变压器的温控系统，主要给出硬件电路设计方案，并绘制电路图。
本文设计的干式变压器温度控制系统主要实现一下功能：
温度预置，温度显示，温度测量，（越限能够启动发声芯片）根据负载进行温度控制等。
求如下：
预置温度范围：
0～100℃。
测量温度范围：
0～120℃。
温度显示：
使用LCD1602液晶显示屏显示。
越限报警：
通过开关量控制。
具体要
（1）
（2）
（3）
（4）
2.2方案的总体设计
一般来说温度控制系统至少由如图2.1中所示的几个模块组成。
其中温度检测元件负责将现场的温度信号转化为电信号。
A/D转换器则将电信号转换为数字量并传至控制器。
数据处理部分是由控制器CPU来解决的，其中包括了温度的计算和温度的控制。
温度显示在本次设计中是由LCD1602来完成的。
2.3元件的选择
2.3.1传感元件的选择及介绍
本次设计系统的测温范围为0～120℃，在实际的场合下，系统对于温度的精度要求较高，综合给个方面的因素，本次设计选择热敏电阻作为温度传感元件。
热敏电阻器的种类和型号较多，大致分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）。
选哪一种热敏电阻器，应根据系统的具体要求而定。
正温度系数热敏电阻器（PTC）一般用于电冰箱压缩机起动电路、彩色显像管消磁
电路、电动机过电流过热保护电路、限流电路及恒温电加热电路。
压缩机起动电路中常用的热敏电阻器有MZ-01、MZ-04系列、MZ81系列、MZ91系列、MZ92系列和MZ93系列等。
可以根据不同类型压缩机来选用适合它起动的热敏电阻器，以达到最好的起动效果。
彩色电视机、电脑显示器上使用的消磁热敏电阻器有MZ71~MZ75系列。
可根据电视机、显示器的工作电压（220V或110V）、工作电流及消磁线圈的规格等，选用标称阻值、最大起始电流、最大工作电压等参数均符合要求的消磁热敏电阻器。
限流用小功率PTC热敏电阻器有MZ2A~MZ2D系列、MZ21系列，电动机过热保护用PTC热敏电阻器有MZ61系列，应选用标称阻值、开关温度、工作电流及耗散功率等参数符合应用电路要求的型号[3]。
负温度系数热敏电阻器（NTC）一般用于各种电子产品中作微波功率测量、温度检测、温度补偿、温度控制及稳压用，选用时应根据应用电路的需要选择合适的类型及型号。
常用的温度检测用NTC热敏电阻器有MF53系列和MF57系列，每个系列又有多种型号（同一类型、不同型号的NTC热敏电阻器，标准阻值也不相同）可供选择。
常用的稳压用NTC热敏电阻器有MF21系列、RR827系列等，可根据应用电路设计的基准电压值来选用热敏电阻器稳压值及工作电流。
常用的温度补偿、温度控制用NTC热敏电阻器有MF11~MF17系列。
常用的测温及温度控制用NTC热敏电阻器有MF51系列、MF52系列、MF54系列、MF55系列、MF61系、MF91~MF96系列、MF111系列等多种。
MF52系列、MF111系列的NTC热敏电阻器适用于-80℃~+200℃温度范围内的测温与控温电路。
MF51系列、MF91-MF96系列的NTC热敏电阻器适用于300℃以下的测温与控温电路。
MF54系列、MF55系列的NTC热敏电阻器适用于125℃以下的测温与控温电路。
MF61系列、MF92系列的NTC热敏电阻器适用于300℃以上的测温与控温电路。
选用温度控制热敏电阻器时，应注意NTC热敏电阻器的温度控制范围是否符合应用电路的要求[4]。
从以上的信息可以看出，NTC热敏电阻更适合干式变压器温度控制系统在系列如此多的NTC热敏电阻中，本次设计选用了5K热敏电阻作为最终的检测元件。
5K热敏电阻具有以下一些优点：
（1）测量精度高。
（2）体积小、反应速度快。
（3）能长时间稳定工作。
（4）互换性、一致性好。
（5）测温范围-10～+200℃。
2.3.2A/D转换芯片的选择及介绍
A/D转换器的种类很多，根据转换原理可以分为逐次逼近式、双积分式、并行式及计数器式。
其中逐次逼近式和双积分式A/D转换器应用较普遍。
衡量A/D性能的主要参数是：
l分辨率，即输出的数字量变化一个相邻的值所对应的输入模拟量的变化值。
l满刻度误差，即输出全1时输入电压与理想输入量之差。
l转换速率。
l转换精度
l是否可方便地与CPU接口。
考虑到单片机的I/O口有限，再加之温度显示需要一些I/O口，本次设计并没有选用最常用的AD0809，而是使用了PCF8591。
这样单片机的外围电路就可以有效的简化。
PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bitCMOS数据获取器件。
如图2.2所示，PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I²C总线接口。
PCF8591的3个地址引脚A0，A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个I²C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。
在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I²C总线以串行的方式进行传输。
PCF8591的功能包括多路模拟输入、内置跟踪保持、8-bit模数转换和8-bit数模转换。
PCF8591的最大转化速率由I²C总线的最大速率决定[5]。
PCF8591特性：
l单独供电
lPCF8591的操作电压范围2.5V-6V
l低待机电流
l通过I²C总线串行输入/输出。
lPCF8591通过3个硬件地址引脚寻址。
lPCF8591的采样率由I²C总线速率决定。
l4个模拟输入可编程为单端型或差分输入。
l自动增量频道选择。
常州大学本科毕业设计（论文）
lPCF8591的模拟电压范围从VSS到VDD。
lPCF8591内置跟踪保持电路。
l8-bit逐次逼近A/D转换器。
l通过1路模拟输出实现DAC增益。
如图2.3所示，PCF8591的引脚功能如下：
lAIN0～AIN3：
模拟信号输入端。
lA0～A3：
引脚地址端。
lVDD、VSS：
电源端（2.5～6V）
lSDA、SCL：
I2C总线的数据线、时钟线。
lOSC：
外部时钟输入端，内部时钟，输出端。
lEXT：
内部、外部时钟选择线，使用内部时钟时EXT接地。
lAGND：
模拟信号地。
lAOUT：
D/A转换输出端。
lVREF：
基准电源端[5]。
2.3.3单片机的选择及介绍
本次设计的单片机选用的是AT89C52，它是一种低电压、高性能CMOS8位单片机，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案[6]。
1
2
3
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5
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P10P11P12P13P14P15P16P17
RSTVPD
RXDP3.0
VccP00P01P02P03P04P05P06P07
EA/VP
TXDP3.1ALE/PROG
INT0P3.2
INT1P3.3
T0P3.4
T1P3.5WRP3.6RDP3.7
XTAL2
XTAL1
Vss
PSENP27P26P25P24P23P22P21P20
40
39
38
37
36
35
34
33
32
31
30
29
28
27
26
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22
21
AT89C52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保
存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中
[7]
断或硬件复位为止。
AT89C52的外部引脚如图2.4所示。
由于它的广泛使用使得市面价格较8155、8255、8279要低，所以说用它是很经济的。
该芯片具有如下功能：
①有1个专用的键盘
/显示接口；②有1个全双工异步串行通信接口；③有2个16位定时/计数器。
这样，1个89C52，承担了3个专用接口芯片的工作；不仅使成本大大下降，而且优化了硬件结构和软件设计，给用户带来许多方便。
89C52有40个引脚，有32个输入端口（I/O），有2个读写口线，可以反复插除。
所以可以降低成本。
AT89C52单片机主要特征：
第6页共36页
常州大学本科毕业设计（论文）
（1）兼容MCS-51指令系统
（2）32个可编程I/O口线
（3）3个16位可编程定时/计数器
（4）全双工UART串行中断口线
（5）8个中断源
（6）中断唤醒省电模式、
（7）看门狗（WDT）电路
（8）灵活的ISP字节和分页编程
（9）4k可反复擦写（>1000次）ISPFlashROM
（10）4.5-5.5V工作电压
（11）时钟频率0-33MHz
（12）128x8bit内部RAM
（13）低功耗空闲和省电模式
（14）3级加密位
（15）软件设置空闲和省电功能
（16）双数据寄存器指针
（17）全双工UART串行通道
如图2.4，AT89C52单片机管脚说明，
lVCC：
供电电压。
lGND：
接地。
lP0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
lP1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输
出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
引脚号第二功能如下：
（1）P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出
（2）P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）
（3）P1.5MOSI（在系统编程用）
（4）P1.6MISO（在系统编程用）
（5）P1.7SCK（在系统编程用）
lP2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当
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对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
lP3口：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因将输出电流（IIL）。
P3口亦
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